数据采集系统基本组成.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,.,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,数据采集系统基本组成,数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。,图,1.1,数据采集系统硬件基本组成,.,多通道数据采集系统的几种结构形式,每个通道都有各自独自的采样保持器与,A/D,转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号,进行同步、高速数据采集。,多通道,A/D,转换,.,各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个,A/D,转换器。通过多路开关分，对各路信号,分时进行,A/D转换,。能够实现,多路信号,的,同步采集,，但采集速度稍慢。,单通道共享,A/D,转换器,多通道数据采集系统的几种结构形式,.,各通道公用一个采样保持器和,A/D,转换器。工作时，通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现,多路信号的分时采集,，而,非同步采集,。并且,采集速度最慢,。优点是,节省硬件成本,，,适于对,采集速度要求不高,的应用场合。,多通道共享采样保持器与,A/D,转换器,.,数据采集系统的主要性能指标,1.,系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位值（,LSB,）占系统满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分的级数来表示。,位数,级数,1 LSB,（满度值的百分数）,1 LSB,（,10V,满度）,8,256,0.391%,39.1mV,12,4096,0.0244%,2.44 mV,16,65536,0.0015%,0.15 mV,20,1048576,0.000095%,9.53,u,V,24,16777216,0.0000060%,0.60,u,V,表,1.1,系统的分辨率（满度值为,10 V,）,.,数据采集系统的主要性能指标,2.,系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。,模数转换器的精度是系统精度的极限值。,系统精度是系统的,实际输出值,与,理论输出值,之差，它是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。,3.,采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。,“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等过程。,采集速率的倒数是采样周期。,.,数据采集系统的主要性能指标,4.,动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值,V,imax,与最小幅值,V,imin,之比的分贝数，动态范围：,瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值,A,fmax,与幅度最小频率分量的幅值,A,fmin,之比的分贝数。瞬时动态范围：,.,数据采集系统的主要性能指标,5.,非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为,f,的正弦波时，其输出中出现很多频率为,kf,（,k,为正整数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示：,A,1,为基波振幅，,A,k,为第,k,次谐波的振幅。,.,微弱信号检测方法,提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法：,从传感器及放大器入手：降低固有噪声水平、研制新的低噪声传感器。,分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。,对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。,填空：,16*1=16,判断,6*1=6,简答,6*6=36,分析,10+10+10+12=12,分,.,放大器,使用测量放大器的原因：弱信号、,强干扰；动态范围宽，共模干扰电压大。,目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。,要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳定性高。,分类：,技术指标：,放大,倍数：,AU,、,A,US,、,A,i,、,A,is,输入阻抗：,R,i,=U,0,/I,i,输出阻抗,通频带,.,混频偏差,采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（,alias,）。出现的混频偏差（,alias frequency,）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。,采样频率,fs,是,100HZ,.,信号调理,信号调理能够在信号、传感器、,DAQ,板卡和,PC,机之间提供接口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、线性化等。,.,A,所以流入节点,A,的电流,所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。,倒,T,型电阻解码网络,D/A,转换器,倒,T,型电阻网络是集成,DA,转换器中采用最多的一种。从节点,A,向左看，每个节点等效电阻均为,2R,。,.,可写出,的表达式,输出模拟电压为,.,于是输出电压,与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。,而,.,多通道采样方式,循环采样：只采用一个,A/D,芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换；通道转换时间造成多通道不能同时采样；可以通过外加采样,/,保持电路保证采样的同步。,同步采样：每个通道采用独立的放大器和采样保持器以及,A/D,转换器，不同通道采用同一时钟；保证不同通道的采样时间相同（信号同步）；,突发模式采样：采样频率由扫描时钟控制，通道切换时间间隔由通道时钟控制。数据采集设备的基本结构,多通道共享采样保持器和,A/D,转换器,多通道同步型数据采集系通,多通道并行数据采集系统,分布式数据采集系统,.,被测信号与数据采集设备之间的连接,电压信号可以分为接地和浮动两种类型。,接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。,浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。,测量系统可以分为差分（,Differential,）、参考地单端（,RSE,）、无参考地单端（,NRSE,）三种类型。,.,差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。,.,一个理想的差分测量系统仅能测出,(+),和,(-),输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压；,实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围；,可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误；,.,参考地单端测量系统,(Referenced Single-End,，,RSE),：也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地,AIGND,。,.,无参考地单端测量系统,(NRSE),：信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。,.,几种信号输入方式的特点,差分输入,可避免接地回路干扰,可避免因环境引起的共模干扰,NRSE,可避免接地回路干扰,RSE,最简单，若信号满足下列条件，可选择,RSE,输入,.,若信号满足下列条件，可选择,RSE,测量方式：,输入信号幅值较大，一般需,1V,；,连线比较短，一般,5m,；,环境干扰很小或信号屏蔽比较好；,所有输入信号都与信号源共地。,否则建议选用差分输入方式，总体而言，差分输入方式是比较好的选择,输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：,对于电池、,RTD,、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。,直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。,.,测量放大器电路原理,.,三运放测量放大器原理图,b.,电阻,R,3,、,R,4,、,R,5,、,R,6,要精密配合（,R,3,=,R,5,、,R,4,=,R,6,）。,a.,运放,A,1,、,A,2,的特性一致性。,对电路要求,A,1,A,2,A,3,+,_,b,1,b,2,+,_,i,+,+,+,由图可知,.,A,1,A,2,A,3,+,_,b,1,b,2,+,_,i,+,+,+,.,放大器具有很高的抑制共模信号的能力,令,输出,u,O,与共模信号,u,Ic,无关,A,1,A,2,A,3,+,_,b,1,b,2,+,_,i,+,+,+,.,2.5,测量放大电路,抑制共模信号能力,.,总线性能参数,总线宽度：指数据总线的位数，用位,(bit),来表示。如,8,位、,16,位、,32,位、,64,位总线宽度。,寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。,总线频率：总线的工作频率，以,MHz,表示，是总线工作速率的一个重要参数。,数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传输数据量来表示。计算公式：,总线数据传输率,=(,总线宽度,8,位,)*,总线频率,总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使源与目的同步。,热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。,即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。,负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。,.,LabVIEW,程序的基本构成,前面板（,front panel,）；,流程框图（,block diagram,）；,图标,/,连结器,(icon/connector),。,简单的,LabVIEW,问题,2025/12/19 周五,31,.,IEEE-488,总线定义,IEEE-488,总线由,8,条双向数据线、,3,条信号交换线、,5,条通用控制线和,8,根地线组成。,.,GPIB,总线构成,管理总线,（,5,根）,挂钩总线,（,3,根）,数据总线,（,8,根）,仪器,A,(,计算机,),控者、讲者和听者,功能,IEC,接口,仪器,B,(,激励源,),听者,功能,IEC,接口,仪器,C,(,数字万用表,),讲者、听者,功能,IEC,接口,仪器,D,(,打印机,),听者,职能,IEC,接口,DUT,被测设备,EOI,REN,SRO,IFC,ATN,NDAV,NRFD,DAV,DIO1,DIO8,传递仪器消息和大部分接口消息，包括数据、命令和地址：传送设备命令,(7,位,),，传送地址和数据,(8,位,),。,控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有节奏地传输信息。,控制,GPIB,总线接口状态。,.,总线上的读操作,FRAME#,信号有效，地址期开始，并在时钟,2,的上升沿处稳定有效。地址期内，,AD3l:00,线传输一个有效地址，,C/BE3:0#,线传输一个总线命令。数据期从时钟,3,的上升沿处开始，在此期间，,AD31:00,线传送数据，而,C/BE#,作为字节使能线指明数据线上当前传输哪几个字节，从数据期开始到传输完成，,C/B#,始终保持有效。,.,总线上的读操作,从设备被地址期内发送的地址选中，提供,DEVSEL,信号和,TRDY#,信号，,TRDY#,在,DEVSEL#,之后出现。,IRDY#,号由主设备发出。在,IRDY#,和,TRDY#,同时有效的时钟上升沿，数据传输开始，两信号中的一个无效时，进入等待周期，不传输数据。读操作的地址期和数据期之间，,AD,线上要有交换期，要求,TRDY#,有效必须比地址的稳定有效晚一拍，交换期过后，有,DEVSEL#,信号时，从设备必须驱动,AD,线。,时钟,7,处是最后一个数据期，由于主设备因某种原因不能完成最后一次传输,(IRDY#,有效,),，故,FRAME#,不能撤销，只有在时钟,8,处，,IRDY#,为有效后，,FRAME#,信号才能撤销。,.,总线上的写操作,写操作与读操作相类似，也是,FRAME#,信号有效，地址周期开始，在时钟,2,的上升沿处达到稳定有效。整个数据期也与读操作基本相同。在第三个数据期中，从设备连续插入了3,个等待周期,(TRDY#,无效,),。时钟,5,处，传输双方均插入了等待周期。,FRAME#,撤销，以,IRDY#,无效为前提，以表明最后一个数据期。时钟,5,处，主设备撤销,IRDY#,，插入等待周期，要写的数据延迟发送，字节使能信号不受等待周期的影响，不延迟。,.,总线上的写操作,写操作与读操作的不同：写操作中，数据和地址是由同一个设备,(,主设备,),发出，址期与数据期之间没有交换周期。,只有一个数据期，,FRAME#,信号在没有等待周期的情况下，在地址期,(,读操作应在交换周期,),过后即撤销。,.,PCI,总线传输的终止过程,主、从设备都可提出终止,PCI,总线传输要求，但无权单方面实施传输停止，停止控制由主设备完成。结束标志是,FRAME#,信号和,IRDY#,信号均已撤销，而后进入总线空闲状态。,1.,由主设备提出的终止：主设备通过撤销,FRAME#,信号并建立,IRDY#,，提出终止请求，告诉从设备，现在进入最后数据期，此后,IRDY#,一直有效，直到出现,TRDY#,信号，完成数据最后传输。接着,IRDW,便撤销，达到完全终止的条件,(FRAME#,和,IRDY#,同时无效,),，结束传输，进入总线空闲状态。,.,VXI,器件、模块与主机箱,1.VXI,器件,器件是组成,VXI,总线系统最基本的逻辑单元；通常，一个器件占据一块,VXI,模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一个器件占据多个模块；,VXI,系统中，最多可有,256,个器件，每个器件都有一个唯一的逻辑地址，逻辑地址的编号为,0,255,。,器件之间的基本操作是信息传输。根据其性质、特点和它所支持的通信规程，,VXI,总线器件分为,:,寄存器基器件,消息基器件,存储器器件,扩展器件,.,字节传送协议,字节传送协议是命令者和从者之间进行,8,位数据传输的协议，借助“,字节有效,”和“,字节请求,”两个字串行命令完成。,1,）字节有效命令,-,命令者利用“字节有效”命令向从者发送一个字节的数据,D15D9,为命令标识，内容固定，,D7D0,是命令者向从者发送的数据字节，,D8,用来传送,END,消息，为,1,时表示这次发送的字节是字节串的最后一个字节，为,0,说明还有字节要发送。,2,）字节请求命令,-,命令者可用“字节请求”命令从从者处取回一个字节数据，,“,字节请求,”,命令是一个固定的,16,位命令，其编码为,DEEFH,。从者在其数据低寄存器返回一个数据字节：,.,高,、低速,USB设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备,.,高、低速,USB设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备,.,由于,USB,设备上的输入保护设备可能互相排斥，因此当观察数据的输入端口时，可能发现由电压生成器产生的信号波形可能会变形。,靠近设备的,USB,连接器上的,D+,或,D-,插口,.,信号发送,任何驱动状态下，,USB,设备必须能接收上图所示波形。波形从一个输出阻抗为,39,的电压源直接进入每个,USB,数据口。,高速,USB,设备的连接是通过阻抗为,9015%,，最大单路时延为,26ns,的屏蔽双绞线电缆进行，其最大速率为,12Mb/s,，并且每个驱动器的阻抗必须在,28,44,之间。,低速,USB,设备在插口端必须要有一个带有串行,A,口连接器的可控制电缆，速率为,1.5Mb/s,。当电缆与设备相连时，在,D+/D-,线上必须要有一个,200,450PF,的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于,18ns,，从而保证信号响在其上升沿或下降沿的第一个中点处产生，以允许电缆与一块电容器相连。,.,低速,USB设备,时序,.,低速,USB设备,时序,低速驱动器信号波形,驱动器信号端口,经过信号端的标准输出电平，并有最小映象和阻尼,.,高速,USB设备的连接,时序,.,USB,信号传送,USB,数据收发器包含发送数据所需的差模输出驱动器和接收数据用的差模输入接收器。输出信号时，差模输出驱动器向,USB,电缆传送信号。,信号的,低输出,状态，驱动器稳态输出值必须小于,0.3V,，且要承担,1.5K,的负载加到,3.6V,电源的灌电流。,信号的,高输出,状态，驱动器稳态输出值必须大于,2.8V,，且要承担,15K,的负载到地的拉电流。,传输数据时，驱动器输出是两个相差180,度的信号。即一个输出高电平，另一个为低电平。接收器检测到两条线之间的电压差，当,D+,比,D-,高时，信号被定义为差模“,1”,；当,D-,比,D+,高时，信号被定义为差模“,0”,。,驱动器输出还支持三态输出，以保证可以进行双向半双工通信。同时还需高阻抗来将那些正在进行热插入操作，或已经连接了但电源却没有接通的下游设备同端口隔离开来。,当两个差模数据输入，以地电位为参考，,D+,和,D-,至少在,0.8V,到,2.5V,（此为允许的共模电压范围）之间时，接收器具有的灵敏度大于,200mV,。在没有损坏，并以本地地电位为参考的条件下，接收器所能承受的稳态输入电压是,-0.5V,到,38V,之间。每一条信号线都必须有一个单端接收器，这些接收器必须有一个位于,0.8V,到,2.0V,之间（,TTL,电平）的开关阀值电压,(,称为接收器阀值电压,V,SE,),。,.,USB,信号传送,数据传输是由差模信号来实现的。在接收器看来，如果数据线的,D+,至少比,D-,高,200mV,就代表一个差模“,1”,，而一个差模“,0”,则由,D-,至少比,D+,高,200mV,来表示。信号的交叉点必须位于,1.3V,和,2.0V,之间。,数据的,J,和,K,状态是系统中用于差模数据通信的两个逻辑电平。差模信号是在数据线的信号交叉点处进行测量的。只要信号的交叉电平位于共模范围之内，差模数据信号就与信号的交叉电平无关。,当总线不处在差模信号方式时，数据线必须处在单端接收器开关阀值（,V,SE,）范围（,0.8V,到,2.0V,之间）之外才有效，如“空闲”和“重新开始”状态。注意，空闲和重新开始状态在逻辑上分别等同于,J,和,K,状态。而全速率的,J,和,K,状态正好与低速率的状态相反。,.,数据的编码与解码,在包传送时,，,USB,数据编码格式称为,Non-Return to Zero Inverted whit bit stuffing,（,ZRZI,无回零反向码）。它可以确保收发数据不需要每个字节发送一个独立的时钟信号，或以,Start and Stop,位来保持与发送器的同步通信。,遇到“,0”,转换，遇到“,1”,保持。,在,NRZI,编码的数据格式中，,USB,定义逻辑,0,为电压改变，逻辑,1,为电压保持不变，传送的数据低位先送出。,NRZI,数据编码,.,SCPI,仪器模型,每个方框对应一个,SCPI,子系统，各个子系统又有更详细的模型描述。根据需要，找到仪器特定的功能块，沿着树状网络从顶向下寻找各分支，找到完成功能的命令。,格式化：用来转换数据的表达式，当数据需要向外部接口传送时，必须格式化。,.,SCPI,仪器模型,电压表可能只需要用到测量功能、触发功能和格式化功能,单输出的源仪器可能只用到信号产生和格式化块,格式化,测量功能,触发,数据总线,简化的检测仪器模型,信号发生,格式化,数据总线,简化的源仪器模型,.,SCPI,命令句法,语法和式样：描述,SCPI,命令的产生规则以及基本的命令结构；,命令标记：提供,SCPI,要求和可供选择的命令；,数据交换格式：描述仪器与应用程序之间、应用程序与应用程序之间或者仪器与仪器之间可使用的数据集标准表示方法。,VISA,的编程,打开仪器资源 写命令 从仪器缓存中读取数据 关闭仪器资源,.,2.IVI,规范及体系结构,IVI,驱动程序比,VPP,联盟制订的,VISA,规范更高一层。它扩展了,VPP,仪器驱动程序的标准，并加上了仪器的可互换性、仿真和状态缓存等特点，使得仪器厂商可以继续使用它们的仪器特征和新增功能。因此,IVI,基金会是对,VPP,系统联盟的一个很好的补充。,.,