第 4 章 daq 虚拟仪器硬件技术

《虚拟仪器技术》

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第 4 章 DAQ虚拟仪器硬件技术引言4.1 数据采集及数据采集系统4.2 信号获取与信号调理技术4.3 采样保持与 A/D转换技术4.4 数据存储与数据传输技术 4.5 PCI总线及其接口技术 4.6 多通道的组建方案4.7 多功能数据采集卡典型实例分析


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引言引言 DAQDAQ 虚拟仪器又称虚拟仪器又称 PC-DAQPC-DAQ 仪器系统，其组成仪器系统，其组成如下图所示。它由一台如下图所示。它由一台 PCPC 机和基于标准总线的机和基于标准总线的采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动采集卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。软件来支持硬件工作。


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4.1 4.1 数据采集（数据采集（ DAQDAQ ）及数据采集系统（）及数据采集系统（ DASDAS ））4.1.1 4.1.1 数据采集的基本概念数据采集的基本概念 ““ 数据采集”（数据采集”（ Data Acquisition,DAQData Acquisition,DAQ ）是）是指将模拟量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信指将模拟量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，再由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。号）后，再由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（ Data Data

Acquisition System,DASAcquisition System,DAS ）。）。数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。及，数据采集技术将有广阔的发展前景。


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4.1.2 4.1.2 数据采集系统基本组成数据采集系统基本组成 1.DAS1.DAS 的基本组成的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。下图是硬件基本组成示意又可分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图图

……

……

……


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DASDAS 的基本结构图表示如下的基本结构图表示如下


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4.1.3 4.1.3 数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标（（ 11 ）系统分辨率）系统分辨率下表列出了满度值为下表列出了满度值为 10V10V 时数据采集系统的分辨率。时数据采集系统的分辨率。

（（ 22 ）系统精度）系统精度（（ 33 ）采集速率）采集速率

位数级数 1 LSB（满度值的百分数）1 LSB

（ 10V 满度）8 256 0.391% 39.1mV12 4096 0.0244% 2.44mV16 65536 0.0015% 0.15mV20 1048576 0.000095% 9.53μV24 16777216 0.0000060% 0.60μV


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（（ 44 ）动态范围）动态范围数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值

VViimaxmax 与最小幅值与最小幅值 VViiminmin 之比的分贝数，即之比的分贝数，即

式中最大允许输出幅值式中最大允许输出幅值 VViimaxmax 是指使数据采集系统的放大器发生是指使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。

瞬时动态范围是指某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率瞬时动态范围是指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，即幅度最大频率分量的幅值分量幅值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值 AAffmaxmax 与幅度最与幅度最小频率分量的幅值小频率分量的幅值 AAffminmin 之比的分贝数。用之比的分贝数。用 II 表示瞬时动态范围，则有表示瞬时动态范围，则有

max

min

20lg ii

i

VI

V

max

min

20lg f

f

AI

A


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（（ 55 ）非线性失真）非线性失真谐波失真系统用来衡量系统产生非线性失真谐波失真系统用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示的程度，它通常用下式表示

式中式中 AA11———— 基波振幅；基波振幅； AAkk———— 第第 kk 次谐波（频率为次谐波（频率为 kfkf ）的振幅。）的振幅。

2 22 3

2 2 21 2 3

100%A A

HA A A


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4.2 4.2 信号获取与信号调理技术信号获取与信号调理技术4.2.1 4.2.1 信号获取方法和途径信号获取方法和途径 11 ．信号获取．信号获取作为采集系统，为了获取被测对象的信息，需要拾取作为采集系统，为了获取被测对象的信息，需要拾取必要的原始参量信号。为此，首先要通过敏感元件、传感必要的原始参量信号。为此，首先要通过敏感元件、传感器将现场非电参量，如压力、温度、速度、位移等物理量器将现场非电参量，如压力、温度、速度、位移等物理量转换成电量。转换成电量。 11 ）通过敏感元件拾取被测信号）通过敏感元件拾取被测信号 22 ）通过传感器拾取被测信号）通过传感器拾取被测信号 33 ）通过接口直接拾取被测信号）通过接口直接拾取被测信号 44 ）通过测量仪表拾取被测信号）通过测量仪表拾取被测信号


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22 ．输入通道特点．输入通道特点作为信号获取的门户和通道，输入通道具有作为信号获取的门户和通道，输入通道具有以下特点：以下特点： 11 ）输入通道要靠近信号拾取对象）输入通道要靠近信号拾取对象 22 ）输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路）输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路 33 ）输入通道电路设计与多种因素相关）输入通道电路设计与多种因素相关 44 ）输入通道的环境无主观选择余地）输入通道的环境无主观选择余地 55 ）输入通道靠近现场，易受干扰）输入通道靠近现场，易受干扰


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4.2.2 4.2.2 采集信号调理的主要功能采集信号调理的主要功能11 、被采集信号的特点、被采集信号的特点传感器感应物理现象并生成与被检测的物理量成比例的电信号。传感传感器感应物理现象并生成与被检测的物理量成比例的电信号。传感器输出信号的类型，主要有电阻、电压、电流和频率等四类信号。器输出信号的类型，主要有电阻、电压、电流和频率等四类信号。22 、信号调理功能、信号调理功能信号调理功能主要有：信号调理功能主要有： 11 ）放大功能）放大功能 22 ）隔离功能）隔离功能 33 ）多路复用功能）多路复用功能 44 ）滤波功能）滤波功能 55 ）激励功能）激励功能 66 ）线性化功能）线性化功能


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4.2.3 4.2.3 模拟开关模拟开关 11 ．模拟开关的分类．模拟开关的分类 22 ．模拟开关的主要技术指标．模拟开关的主要技术指标模拟开关的主要技术参数如下：模拟开关的主要技术参数如下：（（ 11 ）通道数量）通道数量（（ 22 ）泄漏电流）泄漏电流 IISS

（（ 33 ）导道电阻）导道电阻 RRonon （（ 44 ）导通电阻的平坦度）导通电阻的平坦度（（ 55 ）切换速度）切换速度（（ 66 ）电源电压范围）电源电压范围


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4.2.4 4.2.4 测量放大电路测量放大电路 11 ．测量放大器电路原理．测量放大器电路原理

测量放大器原理电路测量放大器原理电路


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测量放大器的增益由下列公式来确定测量放大器的增益由下列公式来确定o o1 o 2 o

i1 i 2 i1 i 2 o1 o 2

( )( )( )

U U U UG

U U U U U U

1 1 1o i gU U I R

2 2 2o i gU U I R

1 2i ig

g

U UI

R

1 21 2

1 2

go o

i i g

R R RU UU U R


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从而测量放大器输出电压为从而测量放大器输出电压为

为了提高测量放大器的共模抑制比和降低温度漂移，测为了提高测量放大器的共模抑制比和降低温度漂移，测量放大器的电路结构采用对称行式，一般取量放大器的电路结构采用对称行式，一般取，可得增益表达，可得增益表达式为式为

很显然，调节很显然，调节 RRgg 可以很方便地改变测量放大器的增益大小。可以很方便地改变测量放大器的增益大小。

6 5 52 1

4 6 3 3

1o o oR R R

U U UR R R R

1

1 2

1 2o

i i g

U RG

U U R


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22 ．测量放大器主要技术指标．测量放大器主要技术指标测量放大器的主要技术指标有下面六个方面测量放大器的主要技术指标有下面六个方面 11 ）共模抑制比）共模抑制比共模抑制比共模抑制比 CMRRCMRR 可表示为可表示为

22 ）温度漂移）温度漂移 33 ）非线性度）非线性度 44 ）建立时间）建立时间 55 ）恢复时间）恢复时间 66 ）电源引起的失调）电源引起的失调

oc

ic

CMRR 20lg (dB)UU


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4.2.5 4.2.5 模拟量（激励信号）输出模拟量（激励信号）输出 1. D/A1. D/A 转换原理转换原理

根据叠加原理，根据叠加原理， DD 为任意数时四位为任意数时四位 D/AD/A 转换器的总输出电压转换器的总输出电压

R-2RR-2R梯形网络梯形网络D/AD/A 转换器原转换器原理理

RO R4

1 13 316 16 3 2

UIU R R UR

3 2 1 0O 3 2 1 04 4(2 2 2 2 )

2 2R RU U

U D D D D D


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22 ．． D/AD/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 11 ）分辨率）分辨率 22 ）转换精度）转换精度 33 ）转换时间）转换时间 44 ）尖峰误差）尖峰误差

D/AD/A 转换器尖峰误差及消峰原理转换器尖峰误差及消峰原理


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33 ．． D/AD/A 转换电路输入与输出形式转换电路输入与输出形式 11 ）输入方式）输入方式 22 ）输出方式）输出方式输出输入关系式为输出输入关系式为 REF

OUT 82V

U D

D/AD/A 转换器单极性输出电路转换器单极性输出电路


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D/AD/A芯片连接成双极性输出的电路图及数字量与芯片连接成双极性输出的电路图及数字量与模拟量的关系如下图所示模拟量的关系如下图所示

D/AD/A 转换器双极性输出电路转换器双极性输出电路


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4.3 4.3 采样保持与采样保持与 A/DA/D 转换技术转换技术4.3.1 4.3.1 采样保持器采样保持器11 ．采样保持的必要性．采样保持的必要性在在 A/DA/D 转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使转换期间，输入的模拟信号发生变化，将会使 A/DA/D 转换转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。假设输入信号是产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。假设输入信号是正弦波，而且要求对输入信号的瞬时值进行测量，为了使模拟信号变正弦波，而且要求对输入信号的瞬时值进行测量，为了使模拟信号变化产生的化产生的 A/DA/D 转换误差小于转换误差小于 A/DA/D 转换器分辨率的转换器分辨率的 1/21/2 ，需要满足下式：，需要满足下式：

式中，式中，为为 A/DA/D 转换器的满度值，转换器的满度值， ttcc 为转换时间，为转换时间，为输入信号，假为输入信号，假定定，且，且，则有：，则有：

1 12 2 2

i FSc n

du Ut LSBdt

cn t

f22

1


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22 ．采样保持器的组成原理．采样保持器的组成原理采样保持器（采样保持器（ S/HS/H ）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。采样保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方时间内保持不变。采样保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样保持器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保式。在采样方式下，采样保持器的输出必须跟踪模拟输入电压；在保持方式下，采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，持方式下，采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令撤销为止。其原理如图所示直到保持命令撤销为止。其原理如图所示

直接型反馈型

采样保持器电路原理采样保持器电路原理


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33 ．采样保持器的主要性能指标．采样保持器的主要性能指标主要性能指标如下主要性能指标如下（（ 11 ）捕获时间）捕获时间 ttACAC （（ 22 ）孔径时间）孔径时间 ttAPAP

（（ 33 ）保持建立时间）保持建立时间 ttHSHS （（ 44 ）孔径抖动）孔径抖动（（ 55 ）衰）衰减率减率

采样保持器的动态特性采样保持器的动态特性


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4.3.2 A/D4.3.2 A/D 转换器的分类和指标转换器的分类和指标11 ．． A/DA/D 转换器分类转换器分类

分类方式类型按器件工艺结构

1. 组件型 A/D 转换器2. 混合（集成）电路 A/D 转换器3. 单片式 A/D 转换器（ 1 ）双极型（ 2 ） MOS 型（ 3 ）双极 -MOS 型

按转换器工作原理

1. 间接型 A/D 转换器（ 1 ）积分型（电压 - 时间变换型） A/D 转换器（ 2 ）电压 - 频率变换型 A/D 转换器（ V-F 变换器）2. 比较型（直接型） A/D 转换器（ 1 ）反馈比较型（ 2 ）无反馈比较型3. 型 A/D 转换器

按转换器精度 1. 低精度（ 8 位及 8 位以下） 2. 中精度（ 9~12 位）3. 高精度（ 13~16 位） 4. 超高精度（ 16 位以上）

按转换速率 1. 低速（≥ 1ms ） 2. 中速（ 1ms≥1μs ）3. 高速（ 1μs≥0.01μs ） 4. 超高速（＜ 0.01μs ）


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表表 4-34-3 列出了列出了 66种常用的种常用的 A/DA/D 转换器比较转换器比较类型并联比较式分级型逐次逼近式型积分式 V/F 型

主要特点超高速高速速度精度价格等综合性价比较高

高分辨率高精度高精度，低成本高抗干扰能力

低成本高分辨率分辨率（位） 6~10 8~16 8~16 16~24 12~16 8~16

转换时间几十 ns 几十 ~ 几百ns 几 ~ 几十 μs 几 ~ 几十

ms几十 ~ 几百

ms几十 ~ 几百

ms

采样频率几十 MS/s 几 MS/s 几十 ~ 几百kS/s 几十 kS/s 几 ~ 几十 S/s 几 ~ 几十

S/s价格高高中中低低

主要用途超高超视频处理视频处理高速数据采集

数据采集工业控制音频处理数字仪器数字仪器数字仪器简易 A/D


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22 ．技术指标．技术指标A/DA/D 转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。 11 ）分辨率与量化误差）分辨率与量化误差

A/DA/D转换器的量化误差转换器的量化误差


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22 ）转换精度）转换精度


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33 ）转换速率）转换速率转换速率是指转换速率是指 A/DA/D 转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可表述为转换时间，即这个指标也可表述为转换时间，即 A/DA/D 转换从启动到结束转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，某所需的时间，两者互为倒数。例如，某 A/DA/D 转换器的转换转换器的转换速率为速率为 10MHz10MHz ，则其转换时间是，则其转换时间是 100ns100ns 。转换速度是一。转换速度是一项重要的技术指标，速度越高价格越贵。项重要的技术指标，速度越高价格越贵。44 ）满刻度范围）满刻度范围满刻度范围是指满刻度范围是指 A/DA/D 转换器所允许最大的输入电压范围。满转换器所允许最大的输入电压范围。满刻度值只是个名义值，实际的刻度值只是个名义值，实际的 A/DA/D 转换器的最大输入电压转换器的最大输入电压值总比满刻度值小值总比满刻度值小 1/21/2nn （（ nn 为转换器的位数）。这是因为为转换器的位数）。这是因为

00 值也是值也是 22nn 个转换状态中的一个。例如个转换状态中的一个。例如 1212 位的位的 A/DA/D 转换转换器，其满刻度值为器，其满刻度值为 10V10V ，而实际允许的最大输入电压值为，而实际允许的最大输入电压值为 4095 5 4.9988V4096


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4.3.3 4.3.3 高速高速 A/DA/D 转换器的原理转换器的原理目前高速目前高速 ADCADC 主要有逐次逼近式、并行式和分级式主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种类型，现简介如下。等几种类型，现简介如下。11 ．逐次逼近式．逐次逼近式 ADCADC 逐次逼近式逐次逼近式 ADCADC 是目前应用最普遍的一种是目前应用最普遍的一种 ADCADC ，，其电路结构简单。其电路结构简单。


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22 ．并行（或称闪烁）式．并行（或称闪烁）式 ADCADC并行（或称闪烁）式并行（或称闪烁）式 ADCADC 是一种转换速率最快的是一种转换速率最快的 ADCADC


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33 ．分级式．分级式 ADCADC 将两个或多个较低分辨率的闪烁式将两个或多个较低分辨率的闪烁式 ADCADC 组合起来，组合起来，构成一个高分辨率的构成一个高分辨率的 ADCADC 是能够实现的，这就是目前流是能够实现的，这就是目前流行的分级式行的分级式 ADCADC ，又称流水线或多级式，又称流水线或多级式

ADCADC （（ subranging, pipelined, multi-stage or multistep subranging, pipelined, multi-stage or multistep ADCADC ）。）。

分级式分级式 ADCADC结构框图结构框图


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AD9220/AD9221/AD9223AD9220/AD9221/AD9223 的的 1212 位流水线型位流水线型 A/DA/D 转换器结构框图转换器结构框图


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4.4 4.4 数据存储与数据传输技术数据存储与数据传输技术4.4.1 ADC4.4.1 ADC 与与 CPUCPU 直接数据传输直接数据传输11 ．程序控制的数据传输方式．程序控制的数据传输方式22 ．． DMADMA控制的数据传输方式控制的数据传输方式


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4.4.2 4.4.2 基于高速数据缓存技术的数据传输方式基于高速数据缓存技术的数据传输方式 11 ．基于双口．基于双口 RAMRAM 的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式


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22 ．基于．基于 FIFOFIFO 的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式 FIFOFIFO （（ First In First OutFirst In First Out ）是先进先出存储器，其特点）是先进先出存储器，其特点是：同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，是：同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，只负责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输只负责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。出。 IDT 72251IDT 72251 是一个是一个 8KB×98KB×9 的的 FIFOFIFO 存储器存储器


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4.5 PCI4.5 PCI 总线及其接口技术总线及其接口技术4.5.1 4.5.1 基于基于 PCIPCI 总线数据采集卡总体设计方案总线数据采集卡总体设计方案整个系统分成以下四大模块：整个系统分成以下四大模块：（（ 11 ）信号调理模块。）信号调理模块。（（ 22 ）高速）高速 ADAD 转换模块。转换模块。（（ 33 ）） PCIPCI 总线接口模块。总线接口模块。（（ 44 ）） CPLDCPLD 时序控制模块。时序控制模块。


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4.5.2 PCI4.5.2 PCI 总线概述总线概述11 ．． PCIPCI 总线特点总线特点 PCIPCI局部总线具有如下特点：局部总线具有如下特点：（（ 11 ）高性能）高性能（（ 22 ）线性突发传输）线性突发传输（（ 33 ）采用总线主控和同步操作）采用总线主控和同步操作（（ 44 ）不受处理器限制）不受处理器限制（（ 55 ）兼容性强，适合于各种机型）兼容性强，适合于各种机型


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22 ．． PCIPCI 总线系统结构总线系统结构

PCIPCI系统结构原理框图系统结构原理框图


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33 ．． PCIPCI 总线信号定义总线信号定义C/BE#[3] C/BE#[2] C/

BE#[1]C/

BE#[0]命令类型

0 0 0 0 中断响应0 0 0 1 特殊周期0 0 1 0 I/O 读0 0 1 1 I/O 写0 1 1 0 内存读0 1 1 1 内存写1 0 1 0 配置读1 0 1 1 配置写1 1 0 0 内存重复读1 1 0 1 双周期1 1 1 0 高速缓存读1 1 1 1 高速缓存写

PCIPCI 总线操作命令表总线操作命令表PCIPCI局部总线信号局部总线信号


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4.5.3 PCI4.5.3 PCI 总线接口设计总线接口设计11 ．总线接口方案选择．总线接口方案选择 PCIPCI 接口设计和接口设计和 ISAISA 等等 I/OI/O 接口设计有着完全不接口设计有着完全不同的设计思想。同的设计思想。 PCIPCI 总线设备需要通过桥路控制总线设备需要通过桥路控制器将器将 PCIPCI 总线协议转换成本地总线协议，设计相总线协议转换成本地总线协议，设计相对复杂。大致有以下三种实现方法：对复杂。大致有以下三种实现方法：（（ 11 ）采用普通）采用普通 FPGAFPGA 实现实现（（ 22 ）） CPLD+CPLD+ 集成总线控制器集成总线控制器（（ 33 ）采用特殊）采用特殊 FPGAFPGA 实现实现


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22 ．． PCI9054PCI9054 简介简介 PCI9054PCI9054 的主要功能特点如下：的主要功能特点如下：（（ 11 ）符合）符合 PCIV2.2PCIV2.2规范，是一种新型的规范，是一种新型的 3232 位、位、

33MHz33MHz 总线主控接口控制器总线主控接口控制器（（ 22 ）采用通用总线主控接口）采用通用总线主控接口（（ 33 ）有）有 3232 位多路复用或非多路复用本地局部总位多路复用或非多路复用本地局部总线线（（ 55 ）支持）支持 PCIPCI双地址周期（双地址周期（ DACDAC ））（（ 44 ）与）与 PCI V2.2PCI V2.2 电源管理规范兼容电源管理规范兼容


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33 ．． PCIPCI 接口电路设计接口电路设计基于基于 PCI9054PCI9054 的的 PCIPCI 总线接口电路形式比较总线接口电路形式比较简单。原理框图如图所示。简单。原理框图如图所示。

PCIPCI接口设计原理图接口设计原理图


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PCI9054PCI9054 的本地总线仲裁信号包括：的本地总线仲裁信号包括： LHOLDLHOLD 、、 LHOLDALHOLDA 、、 ADS#ADS# 、、 BLAST#BLAST# 和和 READY#READY# 。。应答握手信号应答握手信号 LHOLDLHOLD 和和 LHOLDALHOLDA 直接相直接相连。连。 ADS#ADS# 、、 BLAST#BLAST# 和和 READY#READY# 与与 CPLDCPLD 实现的本地实现的本地仲裁逻辑相连，如图所示。仲裁逻辑相连，如图所示。

本地仲裁逻辑图本地仲裁逻辑图


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44 ．． PCIPCI 配置空间的实现配置空间的实现（（ 11 ）配置空间简介）配置空间简介头域空间的组织结构如表所示头域空间的组织结构如表所示

设备 ID 厂商 ID 00H状态命令 04H类型码版本 ID 08HDIST 头域类型延时计数器 Catch 行 0CH基地址寄存器 10H保留 28H保留 2CH扩展 ROM 基地寄存器 30H保留 34H保留 38HMax-

LatencyMin-

Latency 中断引脚中断线 3CH

头域空间的组织结构头域空间的组织结构


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（（ 22 ）配置寄存器的访问）配置寄存器的访问配置空间的访问可以采用两种方式：一种是采用配置空间的访问可以采用两种方式：一种是采用 BIOSBIOS访问，第二访问，第二种是采用种是采用 I/OI/O 口访问，口访问， I/OI/O访问比较简单。访问比较简单。 PLXPLX公司提供的公司提供的

PLXMONPLXMON 软件可对设备卡进行调试，该软件可以访问设备卡的配置空软件可对设备卡进行调试，该软件可以访问设备卡的配置空间。在这个基础之上又在间。在这个基础之上又在Windows98Windows98 下采用下采用 CC语言写了一段小程序对语言写了一段小程序对配置空间进行了访问，参考程序代码如下：配置空间进行了访问，参考程序代码如下：#include <stdio.h>#include <stdio.h>

#include <conio.h>#include <conio.h>

Void main ( )Void main ( )

{ {

unsingned long data, address;unsingned long data, address;

Address =0 x 80000000+9*8*0x100;Address =0 x 80000000+9*8*0x100; // // 插槽号为插槽号为 99

_outpd (0 xocf8, address);_outpd (0 xocf8, address);

Data=_inpd (0 x0cfc);Data=_inpd (0 x0cfc);


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Printf (‘% x”, data);Printf (‘% x”, data);

Address =0x80000004 +9*8*0x100; //Address =0x80000004 +9*8*0x100; // 访问第二个寄存器访问第二个寄存器_outpd (0x0cf8, address);_outpd (0x0cf8, address);

Data=_inpd (0x0cfc);Data=_inpd (0x0cfc);

printf(“% x”,data);printf(“% x”,data);

}}


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4.6 4.6 多通道的组建方案多通道的组建方案4.6.1 4.6.1 不带采样不带采样 // 保持器的保持器的 A/DA/D 转换通道转换通道模拟输入信号的最大变化率与模拟输入信号的最大变化率与 A/DA/D 转换器的转换速转换器的转换速率有如下关系：率有如下关系：式中：式中： ttss—A/D—A/D 转换器的转换时间；转换器的转换时间； UUFSFS—A/D—A/D 转换器的满转换器的满量程电压；量程电压； nn—A/D—A/D 转换器的位数。转换器的位数。

max

d 1 1LSBd 2 2 2

FSc n

UU tt

1max

dd 2

FSn

c

UUt t


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对于正弦输入信号对于正弦输入信号，模拟信号电压的最大变化率发，模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时，则生在正弦信号过零时，则

可得可得

max

d cos |d mU U tt

过零处

2m mU f U

FS22n c m

Uf

t U


第 49页

4.6.2 4.6.2 带采样带采样 // 保持器的保持器的 A/DA/D 转换通道转换通道当模拟输入信号变化率较大时，当模拟输入信号变化率较大时， A/DA/D 通道需要使用通道需要使用采样采样 // 保持器。这时模拟输入信号的最大变化率取决于采保持器。这时模拟输入信号的最大变化率取决于采

样样 // 保持器的孔径时间保持器的孔径时间 ttAP AP ，用，用 ttAPAP代替代替 ttC C ，其关系为，其关系为如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间如果将保持命令提前发出，提前的时间与孔径时间相等时，则模拟输入信号的最大变化率取决于孔径时间的相等时，则模拟输入信号的最大变化率取决于孔径时间的不稳定性，即孔径不确定度不稳定性，即孔径不确定度可由下式决定可由下式决定

FS1

max AP

dd 2n

UUt t

FS1

max AP

dd 2n

UUt t


第 50页

【【例例 44 ．． 11 】】采样频率采样频率。问采样频率。问采样频率是否太是否太高？高？

解因为解因为所以所以不高。但是，当不高。但是，当 =100MHz =100MHz 时，若其它时，若其它值不变，则值不变，则

这时这时太高了，不能保证整个太高了，不能保证整个 A/DA/D 转换正常进转换正常进行，所以并不是只要有采样行，所以并不是只要有采样 // 保持器，采样频率就可以不保持器，采样频率就可以不受限制，而是仍然存在最高采样频率的限制。受限制，而是仍然存在最高采样频率的限制。

FS AP50kHz, 10V, 3ns, 11sf U t n

sf

)/(5.01

)(81.0)(3

)(44.2

max

sVf

UsV

nsmV

dtdU

s

FS

)/(11

)(81.0)(3

)(44.2

max

sVf

UsV

nsmV

dtdU

s

FS

sf sf

sf


第 51页

带采样带采样 // 保持器的保持器的 A/DA/D 通道的形式有以下几种。通道的形式有以下几种。11 ．多通道共享采样．多通道共享采样 // 保持与保持与 A/DA/D 转换器转换器

多路通道共享采样多路通道共享采样 //保持与保持与 A/DA/D转换器转换器


第 52页

【例 4 ． 2 】设数据采集系统为 8 路巡回采集， A/D转换器的位数为 8 位，信号幅值 Um=UFS, ，孔径不定解可得

AC 3 st

AP c3ns, 40 st t

max TH1 1.39kHz2

f f

max TH1 1.39kHz2

f f

而根据孔径误差确定的信号上限频率为 FS

max 1AP m

' 1 036(kHz)2 2n

Uf

t U

由于 max max'f f

信号的上限频率取决于每路信号的吞吐时间，而非孔径误差。


第 53页

22 ．多通道共享．多通道共享 A/DA/D 转换器转换器

多通道共享多通道共享 A/DA/D转换器转换器


第 54页

33 ．多通道并行．多通道并行 A/DA/D 转换转换下图为多通道并行下图为多通道并行 A/DA/D 转换的系统框图。转换的系统框图。


第 55页

4.7 4.7 多功能数据采集卡典型实例分析多功能数据采集卡典型实例分析4.7.1 4.7.1 多功能数据多功能数据11 、板卡的测量功能、板卡的测量功能多功能多功能 DAQDAQ 板卡通常包括模拟量输入、模拟量输出，板卡通常包括模拟量输入、模拟量输出，数字数字 I/OI/O 、定时、定时 // 计数以及触发等多种测量功能。计数以及触发等多种测量功能。 11 ）信号采集（模拟量输入））信号采集（模拟量输入） 22 ）信号产生（模拟量输出））信号产生（模拟量输出） 33 ）计数与定时）计数与定时 44 ）数字）数字 I/O I/O 55 ）触发）触发


第 56页

22 、板卡的通信功能、板卡的通信功能 1) 1) 板卡与计算机的连接总线板卡与计算机的连接总线（（ 11 ）内插式）内插式 DAQDAQ板卡板卡（（ 22 ）外挂式）外挂式 DAQDAQ板卡板卡 2) 2) 板卡与被测对象连接的输入信号线板卡与被测对象连接的输入信号线 DAQDAQ板卡的模拟信号输入模式有单端和差分两板卡的模拟信号输入模式有单端和差分两种，其作用和连接方式是不同的。种，其作用和连接方式是不同的。（（ 11 ）单端电压信号输入）单端电压信号输入（（ 22 ）差模电压信号输入）差模电压信号输入


第 57页

33 、对板卡的基本要求、对板卡的基本要求根据测试对象及系统的技术指标，主要考虑根据测试对象及系统的技术指标，主要考虑下列因素：下列因素： 1) 1) 输入信号的特性输入信号的特性 2) 2) 对输入通道性能的要求输入通道的主要技术对输入通道性能的要求输入通道的主要技术指标有：指标有：（（ 11 ）通道的通过速率）通道的通过速率（（ 22 ）通道的分辨率）通道的分辨率（（ 33 ）通道的精度）通道的精度 3)3) 接口特性接口特性


第 58页

4.7.2 PCI-12004.7.2 PCI-1200 的组成原理及技术性能的组成原理及技术性能11 、、 PCI-1200PCI-1200 卡的组成原理卡的组成原理 11 ）） PCI-1200PCI-1200 卡的组成原理框图卡的组成原理框图


第 59页

2) I/O2) I/O 连接器连接器PCI-1200PCI-1200 卡通过卡通过 I/OI/O 连接器输入或输出模拟和数字信连接器输入或输出模拟和数字信号，号， I/OI/O 连接器引脚分布如图所示。连接器引脚分布如图所示。


第 60页

PCI-1200PCI-1200 卡的卡的 I/OI/O 连接器引脚说明如表所示连接器引脚说明如表所示引脚信号名方向参考说明1-8 ACH<7..0> AI AGND A/D通道——模拟输入通道 0—7。9 AISENSE/

AIGND I/O AGND 模拟输入传感 /模拟输入地——在 RSE模式中接 AGND，在 NRSE模式中接模拟输入传感。

10 DAC0OUT AO AGND D/A通道——模拟输出通道 0。11 AGND N/A N/A 模拟输出地——模拟输出电压的参考地，差分测量中的偏置电流返回点。12 DAC1OUT AO AGND D/A通道——模拟输出通道 1。13 ， 50 DGND N/A N/A 数字地——数字信号和 +5V电源的参考地。14-21 PA<7..0> DIO DGND 数字 I/O端口——端口 A的双向数据线， A7 至 A0。

PA7为高位， PA0为低位。22-29 PB<7..0> DIO DGND 数字 I/O端口——端口 B的双向数据线， B7 至 B0。

PB7为高位， PB0为低位。30-37 PC<7..0> DIO DGND 数字 I/O端口——端口 C的双向数据线， C7 至 C0。

PC7为高位， PC0为低位。38 EXTTRIG DI DGND 外部触发——触发 DAQ操作的外部控制信号。39 EXTUPDATE* DI DGND 外部更新——更新 DAQ输出的外部控制信号。


第 61页

40 EXTCONV* DIO DGND外部转换——定时 A/D 转换（ DI ）和使用 SCXI 时驱动 SCANCLK （ DO ）的外部控制信号。

41 OUTB0 DO DGND B0 输出——计数器 B0 的数字输出信号。42 GATB0 DI DGND B0 门控——计数器 B0 的门控外部控制信号。43 OUTB1 DIO DGND

B1 输出——计数器 B1 的数字输出信号，定时扫描间隔的外部控制信号。44 GATB1 DI DGND B1 门控——计数器 B1 的门控外部控制信号。45 CLKB1 DI DGND B1 时钟——计数器 B1 的外部控制时钟信号。46 OUTB2 DO DGND B2 输出——计数器 B2 的数字输出信号。47 GATB2 DO DGND B2 门控——计数器 B2 的门控外部控制信号。48 CLKB2 DI DGND B2 时钟——计数器 B2 的外部控制时钟信号。49 +5V DO DGND

+5V 电压——范围 +4.65V~+5.25V ，电流为时熔断。


第 62页

22 、、 PCI-1200PCI-1200 板卡的组态板卡的组态 1) 1) 板卡模拟板卡模拟 I/OI/O 的组态的组态

2) 2) 模拟输出极性模拟输出极性 3) 3) 模拟输入极性模拟输入极性

参数组态模拟输出 CHO 极性双极性—— ±5V （复位态）单极性—— 0 至 10V

模拟输出 CHI 极性双极性—— ±5V （复位态）单极性—— 0 至 10V

模拟输入极性双极性—— ±5V （复位态）单极性—— 0 至 10V

模拟输入模式有参数的单端（ RSE ）（复位态）无参数的单端（ NRSE ）差分（ DIFF ）


第 63页

44 ）模拟输入方式）模拟输入方式

(1) RSE(1) RSE 输入（输入（ 88 通道，复位态）通道，复位态） (2) NRSE(2) NRSE 输入（输入（ 88 通道）通道） (3) DIFF(3) DIFF 输入（输入（ 44 通道）通道）

输入方式说明RSE RSE 方式提供了 8 个单端输入（它们通过多路器接测量放大器的正输入端），其仪用测量器的负输入端是参考模拟地。

NRSE NRSE 方式提供了 8 个单端输入（经多路器接测量放大器的正输入端），其测量放大器的负输入端接 AI SENSE/AI GND 端，而不接地。DIFF

DIFF 方式提供了 4 个差分输入，其选用的通道对分别为（ 0 ， 1 ）、（ 2 ， 3 ）、（ 4 ， 5 ）或（ 6 ， 7 ）。测量放大器的正输入端接通道 0 、2 、 4 或 6 ，而负输入端接通道 1 、 3 、 5 或 7 。


第 64页

33 、主要性能、主要性能 1) 模拟输入（ 1 ）模拟通道数： 8路单端输入或 4路双端输入， DC耦合。（ 2 ）信号输入方式：单端输入（有参考地和无参考地两种），差分输入。（ 3 ） A/D 转换器：逐次逼近型， 12 位， 100KS/s 。（ 4 ）输入范围： ±5V （双极性）、 0 ～ 10V （单极性）划分为七档。（ 5 ）每档通道增益分别为： 1 、 2 、 5 、 10 、 20 、 50 、 100 （ 6 ） FIFO缓存容量： 4096 次采样值。2) 模拟输出（ 1 ）输出通道数： 2路电压输出（ 2 ）分辨力： 12 位、（ 1/4096 ）（ 3 ）典型更新速率： 20S/S ～ 1KS/S ，取决于系统（ 4 ） D/A 转换器：双缓冲， 12 位， 5μs （满量程建立时间）（ 5 ）输出范围： 0 ～ 10V ， ±5V 电压输出， DC耦合（ 6 ）输出特性： 0.2Ω （输出阻抗典型值）， ±2mA （驱动电源）


第 65页

3) 3) 数字数字 I/OI/O （（ 11 ）通道数：）通道数： 24I/O24I/O （三个（三个 88 位端口，用位端口，用 82C5582C55 并行接口芯片）并行接口芯片）（（ 22 ）兼容性：）兼容性： TTLTTL 电平电平（（ 33 ）上电状态：全部端口为方式）上电状态：全部端口为方式 OO 输入输入4) 4) 定时定时 I/OI/O （（ 11 ）通道数：）通道数： 33 路计数器路计数器 // 定时器定时器（（ 22 ）分辨力：）分辨力： 1616 位位（（ 33 ）兼容性：）兼容性： TTLTTL 电平电平（（ 44 ）基本时钟：）基本时钟： 2MHz2MHz


第 66页

4.7.3 4.7.3 模拟输入信号的连接模拟输入信号的连接 11 、模拟输入信号的连接、模拟输入信号的连接 1) 1) 输入的连接输入的连接

模拟输入信号范围模拟输入信号范围增益倍数双极性输入范围单极性输入范围

125102050

100

-5.0 ～ 4.99756V-2.5 ～ 2.49878V-1.0 ～ 0.99951V

-500 ～ 499.756mV-250 ～ 249.877mV-100 ～ 99.951mV-50 ～ 49.975mV

0 ～ 9.99756V0 ～ 4.99878V0 ～ 1.99951V0 ～ 999.756mV0 ～ 499.877mV0 ～ 199.951mV0 ～ 99.975mV


第 67页

2) 2) 信号源类型信号源类型当组态当组态 PCI-1200PCI-1200 卡的输入模式和进行信号卡的输入模式和进行信号连接时，首先必须明确被测信号源是浮空的还是连接时，首先必须明确被测信号源是浮空的还是有参考地的。这两种类型的信号源说明如下。有参考地的。这两种类型的信号源说明如下。（（ 11 ）浮空信号源）浮空信号源（（ 22 ）有参考地信号源）有参考地信号源2 、输入组态的应用 PCI-1200PCI-1200 卡可以组态成卡可以组态成 RSERSE 、、 NRSENRSE 或或 DIFFDIFF三种输入方式中的任何一种。三种输入方式中的任何一种。


第 68页

输入方式

信号源类型浮空信号源（与固定地无连接）有参考地信号源

例子：不接地热电耦；带隔离输出的信号调理；电池组设备；例子：非隔离输出的插入式仪器

差分（ DIFF ）

单端——有地参考（ RSE ）

单端——无地参考（ NRSE ）

AIGND

R

AISENSE

ACH

V1

AIGND

AISENSE

ACH

V1

AIGND

ACH(-)

ACH(+)

V1

RAIGND

ACH(-)

ACH(+)

V1

AIGND

ACH

V1

+ Va -

ACH

V1

地环泄漏 Vg 将混入被测信号中

不推荐


第 69页

1) 差分连接（ DIF 组态）的应用 (1) 有参考地信号源的差分连接下图表示了有参考地的信号源与组态成 DIFF输入模式的 PCI-1200 卡的连接方法。


第 70页

（ 2 ）浮空信号源的差分连接下图表示了浮空信号源与组态成 DIFF 输入模式的 PCI-1200 卡的连接方法。


第 71页

2) 单端连接的应用单端连接是指 PCI-1200 卡所有模拟输入信号均以一个公共地作为参考的连接。输入信号连接在测量放大器的正输入端，它们的共地点接在测量放大器的负输入端。（ 1 ）浮空信号源的单端连接（ RSE 组态）下图表示了浮空信号源与组态成 RSE 模式的 PCI-

1200 卡的连接方法


第 72页

（ 2 ）有参考地信号源的单端连接（ NRSE 组态）下图表示了有参考地信号源与组态成 NRSE 模式的

PCI-1200 卡的连接方法。

3 ．共模信号抑制


第 73页

4.7.4 PCI-1200 卡的功能单元 PCI-1200 卡包含 PCI 接口电路、定时电路、模拟输入电路、模拟输出电路、数字 I/O 等 5 个功能单元。 1 、 PCI接口电路 PCI-1200 卡接口电路由 PCI 接口芯片和数字逻辑控制芯片构成，如下图所示。


第 74页

2 、定时电路1 ）定时电路组成 PCI-1200 卡用两片 82C53 定时 / 计数器为内部 A/D 、 D/A 转换及通

用 I/O提供定时功能。下图为 A 、 B 两片定时电路的组成框图。


第 75页

2 ）通用功能的定时信号连接

带外部开关门的事件计数带外部开关门的事件计数频率测量频率测量


第 76页

3 、模拟输入电路 1 ）模拟输入通道的组成 2 ）多路输入及通道扫描

3) 抖动（ Dither ）电路4) ADC 的输出


第 77页

4 、模拟输出电路1 ）模拟输出电路下图所示为模拟输出电路。


第 78页

2) DAC 定时下图中描述了一种使用 EXTUPDATE* 信号和延迟更新模式实现的波形发生定时过程。


第 79页

3) 模输出信号连接（ 1 ）输出信号范围：双极性 ±5V ；单极性 0 ～

10V 。（ 2 ）最大负载电流： ±2mA （对 12 位线性度）


第 80页

5 、数字 I/O1) 数字 I/O逻辑数字 I/O 电路图如下图所示，


第 81页

2) 数字 I/O 信号连接下图描述了数字 I/O 的三种典型应用的信号连接。


第 82页

3 ）端口 C 的引线连接下表总结了在各种可编程工作方式下的 C 口信号分配。

可编程工作方式A 组 B 组

PC7 PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0

方式 0 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O方式 1( 输入 ) I/O I/O IBFA STB*

A INTRA STB*B IBFB INTRB

方式 1( 输出 )

OBF*

A

ACK*

A

I/O I/O INTRA ACK*B

OBF*

BINTRB

方式 2OB

F*

A

ACK*

A

IBFA STB*A INTRA I/O I/O I/O

端口端口 CC 信号分配信号分配


第 83页

4 ）时序规程下表所列的信号将在时序图中引用。

信号名类型说明STB* 输入选通输入——为低时将数据装入输入锁存器。IBF 输出输入缓冲满——为高表示数据已装入输入锁存器。这是一个主要的输入确认信号。

ACK* 输入确认输入——为低表示写入某一端口的数据已被接受。该信号是接收PCI-1200卡的数据的外部设备发出的响应。

OBF* 输出输出缓冲满——为低表示数据已被写入某一输出端口。INTR 输出中断请求——当 82C55A在数据传送期间请求服务时变高。设置合适的中断使能信号来产生该信号。RD* 内部读信号——该信号是由 PCI 接口电路产生的读信号。WR* 内部写信号——该信号是由 PCI 接口电路产生的写信号。DATA 双向某一端口的数据线——该信号表示某一端口数据线上的数据什么时候有效或将有效。


第 84页

4.7.5 数据采集的工作原理 1 、数据采集的定时 1 ）采样间隔　　 2 ）触发方式　 3) 采集长度

中间触发方式定时图中间触发方式定时图


第 85页

2 、数据采集的起停控制——采集方式1) 采集方式采集的启动与停止控制，除涉及到触发方式、采集长度外，还与采用的采集方式有关。 PCI-1200 卡有两种采集工作方式：受控采集方式和自由采集方式。 ① 受控采集方式 ② 自由采集方式


第 86页

2) PCI-1200 卡的采集定时与起停控制后触发方式下用 EXTCONV* 和 EXTTIRG控制数据采集过程的

定时关系图。

　　下图表示用 EXTCONV* 和 EXTTRIG 来控制预触采集的定时图。


第 87页

3 、巡回扫描采集PCI-1200 卡有连续扫描和间隔扫描两种方式 1 ）连续扫描

2 ）间隔扫描


第 88页

　　在间隔扫描采集模式下使用了两个计数器定时：计数器 A0用于采集间隔定时，计数器 B1 用于扫描间隔定时（ B1 定时的计数时钟信号可来自内部 CLKAO 或外部 CLKB1 ）。间隔扫描采集模式的扫描时间间隔也可以不用计数器 B1 定时，而使用外部信号 OUTB1 定时．下图是一个使用 OUTB1 和

EXTCONV* 外部定时的间隔扫描例子。


第 89页

3) 通道扫描采集速率 DAQ 的最大速率（每秒采样点数）由 ADC 的转换周期以及采样 / 保持采集时间决定。

增益建立时间（精度： ±0.024%， [±1LSB] ）

1 典型值 10us ，最大值 14us2 ～

10典型值 13us ，最大值 16us

50 典型值 27us ，最大值 34us100 典型值 60us ，最大值 80us

采集方式增益速率

单通道1

2,5,102050100

100ks/s

多通道1

2,5,102050100

100ks/s77ks/s

66.6ks/s37ks/s

16.6ks/s

不同增益下的采集速率推荐值不同增益下的建立时间推荐值

第 4 章 daq 虚拟仪器硬件技术

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