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1、南京理工大学硕士学位论文高速数据采集与存储系统姓名：孙秀珍申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：宋耀良20090901硕士论文高速数据采集与存储摘要D S P 的广泛应用为利用现代数字信号处理技术高速大量地处理信息提供了一个有效手段，而数据采集技术在其中起关键性作用。开发基于D S P 的高速数据采集系统可以满足多个领域的数字信号处理需要，其中超声自动无损检测是一个非常重要的应用领域。本文阐述了一种基于D S P 的高速数据采集系统的总体设计方法，对系统各部分功能的实现方法做了详细的介绍和分析。整个系统主要分为五部分：信号前端处理模块、逻辑控制模块、A D 转换模块、信号处理模块和显
2、示模块。其中信号前端处理模块主要完成采集信号的A D 采样前端处理，逻辑控制模块主要完成系统采集和处理的同步控制和其他逻辑控制，A D 转换模块主要完成信号的模数转换，数字信号处理模块主要完成接收信号的各种数字信号理论分析，显示模块主要完成处理后的波形显示或是由此波形得到所需结果的直接显示。本数据采集系统采集芯片选用A D 公司生产的1 2 位四通道5 0 M H z高速A D 转换芯片A D 9 6 3 9，并采用A D 公司提供的差分驱动芯片A D 8 1 3 8 为A D 9 6 3 9 提供输入范围内的差分信号。数字信号处理器选用高性能浮点型D S P 芯片T M S 3 2 0 D
3、M 6 4 6 7 D S P，采用F I F O 解决D S P 与A D 芯片工作速率不匹配问题，有效的避免了数据丢失，提高了D S P 的工作效率。高速数据采集部分和数字信号处理部分采用P C I 总线来进行端口信号的传递，最后对系统硬件电路进行了仿真调试。四通道信号采集处理系统软件设计采用W i n d o w s 开发平台，利用V i s u a lC+为开发设计软件，最后通过调试证明系统工作的合理性。关键词：高速数据采集；A D 转换；浮点型D S P；P C I 总线A b s 仃a c t硕士论文A b s t r a c tT h ee x t e n s i v eu s
4、eo fD S Pp r o v i d e sa ne f f e c t i v em e a n sf o rp r o c e s s i n gg r e a ta m o u n to fi n f o r m a t i o na th i g hs p e e db a s e do nt h em o d e md a t as i g n a lt e c h n o l o g y T h ed a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yp l a y st h ek e yr o l ei nt h ep r o c e
5、s s D e v e l o p i n gt h eh i g h s p e e dd a t as a m p l i n gs y s t e mb a s e do nD S PC a l lm e e tt h ed e m a n d so fd a t as i g n a lp r o c e e d i n g si nm a n yf i e l d s T h eu l t r a s o n i ca u t o m a t i cn o w e a l i n s p e c t i o na n dm e a s u r e m e n ts y s t e m
6、i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf i e l d s T h et h e s i se l a b o r a t e st h eo v e r a l ld e s i g no fh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nD S Pa n da l s om a k e st h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so n
7、t h ei m p l e m e n t a t i o n so ft h ee v e r yf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es y s t e m T h ew h o l es y s t e mi sc o m p o s e do ff o l l o w i n gf i v ep a r t s：t h ef r o n t-e n dm o d u l eo fs i g n a lp r o c e s s i n g，t h el o g i cc o n t r o lm o d u l e，t h eA Dc o n
8、 v e r s i o nm o d u l e，t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h ed i s p l a ym o d u l e T h es i g n a lf r o n t-e n dp r o c e s s i n gm o d u l ei sf o rt h ep r e v i o u sp r o c e s s i n go ft h es a m p l e ds i g n a l s；t h el o g i cc o n t r o lm o d u l ei sf o rt h
9、es i m u l t a n e o u sc o n t r o la n do t h e rl o g i cc o n t r o lo ft h es y s t e ma c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g；A Dc o n v e r s i o nm o d u l ei sf o rs a m p l i n gt h es i g n a l s；t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ei sf o rt h et h e o r e t i c a la n a l
10、 y s i so ft h er e c e i v e ds i g n a l s；a n dt h ed i s p l a ym o d u l ei su s e dt od i s p l a yt h ew a v e f o r ma n dr e l a t i v ep r o c e s s e dr e s u l t s I nt h i st h e s i s，t h es a m p l i n gc h i ps e l e c t sA D 9 6 3 9p r o d u c e db yA D C o m p a n yw i t hf o u r-c
11、 h a n n e lo ft h e12-b i t sh i g h-s p e e ds a m p l i n gr a t eo f5 0 M H z A n dA D 813 8p r o v i d e st h ed i f f e r e n c ed r i v i n gi n p u ts i g n a lf o rt h eA Dc o n v e r t i n gc h i p T h ed a t as i g n a lp r o c e s s o rs e l e c t st h eh i g h p e r f o r m a n c eD S P
12、f l o a t i n gc h i p，T M S 3 2 0 0 D M 6 4 6 7 D S P,a n da d o p t sF I F Ot os o l v et h ep r o b l e m sa r o u s e db yt h em i s m a t c h i n go fw o r k i n gs p e e db e t w e e nt h eD S Pa n dA Dc h i p，w h i c hc a l la v o i dt h el o s eo fd a t aa n do b t a i nt h eh i g h e re f f
13、 i c i e n c y T h eh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o np a r ta n dt h ed a t as i g n a lp r o c e s s i n gp a r ta d o p t sP C Ib u sf o rt h ep o r ts i g n a lt r a n s m i s s i o n T h ed e s i g no ff o u r-c h a n n e ls i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s
14、 t e mi sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fW i n d o w sa n do nV i s u a lC+f o rt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r e F i n a l l yt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mW a sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s K e yw o r d：h i g h s p e e ds
15、i g n a la c q u i s i t i o n，A D C，F l o a t i n g-P o i n tt y p e sD S P,P C Ib u sn声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：冲年9 月的学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构
16、送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：川年7 月万日硕士论文高速数据采集与存储系统1 绪论1 1 问题的提出和意义随着社会的发展和科技的进步，数字信号的处理技术已经在人们的生活中得到了广泛的应用。自从上一个世纪六十年代以来，数字信号处理技术就成为了信号处理领域中最主要的手段，并且已经广泛的渗透到了其他的各个领域。在数字信号处理实现技术中，高速数据采集是第一步，也是最为重要的一步，其基本的原理必须满足采样定理，即：采样速率必须是被采样信号最高频率的两倍以上。事实上在实际应用领域由于应用场合、所测量信号的形式、对信号存储和
17、处理的要求各不相同，对信号采集和处理系统的要求也不尽相同。轧钢钢板缺陷自动超声检测系统是一种重要的无损探伤设备，主要用于检测钢板表面存在的缺陷。过去通常采用人工观察的检测方法，效率低，并且容易出现漏检。如果改用超声的无损检测系统不仅具有检测速度快和漏检率低的特点，而且具有运行平稳和显示直观等优点。在本系统的超声缺陷自动检测系统中，设缺陷回波信号为宽度约5 0 n S-2 0 0 n S、幅值在几十pV 到几十m V 之间的窄脉冲。为满足缺陷回波信号的检测要求，本论文尝试研制一种基于P C I 总线、面向超声检测应用而设计的高速数据采集系统，要求采用转换速率为5 0 M H z 以上的1 2 位
18、高速A D，以满足数据采集的要求；为缓存A D 芯片输出的高速数据并充分利用P C I 总线带宽，加入一定数量的高速F I F O 缓存组；同时，为满足多通道探伤的要求，设计了通道选择电路以实现通道之间的切换；此外，为调理缺陷回波信号，系统还要求配备高增益高带宽放大电路。虽然随着集成工艺的不断发展，以及高速A D C 技术的架构的改进，A D 模数转换芯片的最高采样率已经达到I G S P S 以上，这样的水平已经可以满足了轧钢钢板缺陷自动超声检测系统的数据采集系统的要求。但是怎样能够将A D 采集后的轧钢钢板缺陷自动超声检测系统数据进行及时的记录，然后进行后续的分析和缺陷判别，这成为了当下所
19、研究的本采集系统技术的一个难点。尽管目前已在数字存储示波器、逻辑分析仪等测试仪器中高速数据采集显示系统的关键技术：高速A D C 技术、数据存储以及实时的处理技术已经得到广泛的应用，但由于因信号处理要求不同，我们还需要将这些技术移植到超声缺陷自动检测系统中，并研制相应的处理软件系统与之相适应睛3。对超声缺陷自动在线实时检测系统，其高速数据采集系统与存储系统的性能要求主要有两个方面：一是大容量，原因是高速数据采集会产生巨大的数据流，通常需要的不是大量的，而是海量的缓存来存储采样的数据；另外一个要求就是实时高速性，本论文所研究的高速数据采集中所用的A D C 最高采样率已经能够达到5 0 M H
20、z 以上，这样的采样1 绪论硕士论文率就要求采样数据存储器的速度也要与采样的速度进行匹配，也就是进行高速的缓存。在一些比较特殊的应用中，我们还需要将现场采集出的波形能够进行实时分析和判断，从而能够方便、快速、不漏的进行轧钢钢板的缺陷检测。1 2 主要研究内容和结构本文阐述了一种基于D S P 的高速数据采集系统的总体设计方法，对系统各部分功能的实现方法做了详细的介绍和分析。整个系统主要分为五部分：信号前端处理模块、逻辑控制模块、A D 转换模块、信号处理模块和显示模块。其中信号前端处理模块主要完成采集超声传感信号A D 采样的前端处理；逻辑控制模块主要完成系统数据采集和处理的同步控制和其他逻辑
21、控制；A D 转换模块主要完成信号的模数转换：数字信号处理模块主要完成接收信号的各种数字信号理论分析；显示模块主要完成处理后的波形显示或是由此波形得到所需结果的直接显示。本数据采集系统以D S P 最小系统为中心，采集芯片选用A D 公司生产的1 2 位四通道6 5 M S P S 高速A D 转换芯片A D 9 6 3 9，并采用A D 公司提供的差分驱动芯片A D 8 1 3 8 为A D 9 6 3 9 提供输入范围内的差分信号。数字信号处理器选用高性能浮点型D S P 芯片T M S 3 2 0 D M 6 4 6 7 D S P，采用F I F O 解决D S P 与A D 芯片工作
22、速率不匹配问题，有效的避免了数据丢失，提高了D S P 的工作效率。高速数据采集部分和数字信号处理部分采用P C I 总线来进行端口信号的传递。最后对系统部分硬件电路进行了模拟仿真调试。四通道信号采集处理系统软件设计采用W i n d o w s 开发平台，利用V i s u a lC+为开发设计软件，最后通过调试证明系统工作的合理性。本文的研究结构主要分为以下六个部份：第一部分为绪论，阐述高速数据采集系统问题的提出和研究的意义，以及其主要的研究内容和结构；第二部分对高速数据采集与处理系统进行了概述，主要内容有：高速数据的采集、处理以及发展的趋势；高速数据采集系统的设计方案；第三部分为重点，直
23、接进行系统的各个组成模块的电路设计，分别有信号的前端处理、A D 转换以及数据存储电路的结构、D S P 设计、P C I 总线介绍等内容；第四部分为重点，讲的是四通道信号采集处理的软件开发的内容；第五部分是对整个数据采集系统进行仿真调试：第六部分为结论，对全文进行了总结，指出在该研究领域进一步工作的方向。1 3 系统的主要参数2论文主要内容是开发一个实时的用于轧钢钢板超声缺陷自动在线检测系统的高速硕士论文高速数据采集与存储系统数据采集系统，此系统为高速数据采集系统，因而数据采集、显示的连续性、实时性必不可少。选用采样速率为6 5 M S P S，采样的分辨率为1 2 b i t 的A D C
24、，要求能够进行连续的采集、实时的存储。因此本高速数据采集系统的具体参数为：采集速率：5 0 M S P S；系统分辨率1 2 b i t；系统精度8 b i t；动态范围6 0 d B；非线性失真O 8；3 2 B i tP C I 总线，即插即用，自动校验；4 个单端输入通道，4 路A D 转换。2 高速数据采集与存储系统概述硕士论文2 高速数据采集与存储系统概述2 1 数据的采集与存储概述与模拟信号处理相比，数字信号处理有着极大的优越性，主要表现在：灵活性较强，精度高，可靠性好，容易大规模集成。以前的计算速度和存储容量有很多的限制，因此在实时性方面数字信号处理系统远远不如模拟信号处理系统。
25、随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世界上诞生了首枚D S P 芯片。这种D S P 器件采用微米工艺N M O S 技术，虽然功耗和尺寸稍大，但运算速度却比M P U 快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。随着高速D S P 等器件的出现、发展和不断的完善，数字信号处理系统完全可以满足实时性的要求，在国防、工业和国民经济建设的各个领域得到广泛的应用。当前在工业生产和科学研究的各行业中，比如对压力、液位、温度、频率等场合，绝大多数数据采集还是利用P C 机或工控机进行控制的。一般都采用工业用单片机，并且单片机的发展已从8 位、1 6 位在向3 2 位等更高方向发展
26、，已经能满足大多数场合的要求。因为单片机的优点也很多，如性价比高、结构简单、应用灵活、接口扩展能力强，但存在数字运算能力差的缺点，因此主要应用在一些对采样信号数字处理较为简单的领域，而对一些信号的数字处理要求比较复杂的领域来说，单片机就很难达到预期的效果。直到1 9 6 5 年快速的傅里叶方法的提出，以D S P 理论和方法为基础的研究才有了很大发展。在数据采集系统特别是高速数据采集系统，除了高速采集以外，数据存储也是一个关键技术问题。一般会把数据存入大容量存储器中，采集结束后再进行数据处理和保存。这种方法，存储器容量会限制持续采集的时间，无法满足要求一些场合的要求，如果增大存储器的容量，价格
27、会很高。所以综合考虑读写速度、存储容量和单位成本几个方面，可以采用高速硬盘直接数据存储。但是磁盘的实时流盘将直接制约了采集存储设备的实时存储能力。数据采集系统目前已经广泛应用在生活的各个领域，包括教育、医疗、水利、工业、物流等各个行业，目前所常用的数据的采集方式主要是通过数据采集板卡来进行的，从而实现数据的采集。通过数据采集板卡的实现方法经常是被用在规模很庞大，计算比较复杂的采集控制场合。对于比较一般性的场合，通常采用的是功能比较单一的仪器设备，及时就可以采集显示，然后通过经验或者做数字的信号处理后再进行分析。采用板卡方式的数据采集系统的缺点也是很多的，安装麻烦、而且很容易受到机箱的内环境的干
28、扰，容易受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，总的来说，容易受到计算机硬件的限制。而且像是这样的一些采集系统，一般来说结构比较复杂，性价比不高。4硕士论文高速数据采集与存储系统2 2 数据采集系统的发展数据采集系统发展初期，硬件结构较为简单，监测系统及控制的不严格，导致速度过慢，对P C 的依赖严重，实时性无法得到满足。数据采集系统发展的第二代，由于增加了除主C P U 外独立的C P U，因此可以用单片机来实现。增加的C P U 可以进行数据采集、存储等，此时P C 机进行显示操作已不成问题。单片机通常被作为C P U，来进行数据采集过程中的A D 转换、存储及其他功能电路的操作。数据采集
29、系统发展到现在，实现方法已多样性：一是可以采用与D S P 有专门接口的高速多通道模数转换芯片，但性价比不高：二是数据采集过程的整个过程采用C P L D 完成，但C P L D 资源耗费大：三是通过单片机控制D S P 和模数转换，价格便宜但是可扩展性较差。因此高速的A D 转换，高速传输和实时存储的高速数据采集系统是当今数据采集系统发展的研究方向。随着工业控制、航空航天等对数据采集系统的越来越高的要求，特别是实时高速采集、实时处理和实时显示的场合，对数据采集系统的采集速度、海量存储提出了更高的要求。就目前来看，高速采集已不再是主要问题，但真正的高分辨率和采样速率仍是变换器发展的一对矛盾问题
30、心1。2 3 高速数据采集与存储系统设计2 3 1 设计方案概述本论文所设计的轧钢钢板缺陷自动超声检测系统，信号是基于缺陷回波信号宽度在5 0 n S 2 0 0 n S、幅值在几十uV 到几十m v 之间的窄脉冲，为满足缺陷回波信号的检测要求，本高速数据采集与存储系统设计要求如下：(1)四路交替采样：即系统能进行多通道采样，而且单通道采样频率不低于5 0 M S p S(M il li o nS a m p l e sP e rS e c o n d)；(2)A D 位数：设计A D 转换芯片采用A D 9 6 3 9 芯片，四通道模数转换器，最大采样速率达I G H z，可以满足要求；(3
31、)信号调理：采用三级放大，其中输入级采用三个运放来组成典型仪用放大器电路。缓冲级和输出级采用单运放。保证要有足够的模拟电压带宽，能实时不掉点地采样多路信号；(4)系统要求具有可编程性：本系统的软件设计最终选用W i n d o w s 2 0 0 0 操作系统作为开发平台，先开发出设备驱动程序，然后以V i s u a l C+6 0 为开发工具进行界面设计和数据处理。这个要求在实际应用中体现为，根据需要对采样信号实现不同的数字信号处理：52 3 高速数据采集与存储系统设计硕士论文(5)数据传输：要求数据采集与数字信号处理可进行接口通信，并且接口具有足够的数据传输速率来满足实时性要求；(6)逻
32、辑控制：要有独立的逻辑控制模块进行高速数据采集和数字信号处理的同步和其他逻辑控制；(7)显示模块：要有数据处理后的数据或波形等显示功能。图2 1 高速数据采集系统设计框图如图2 1 所示，根据上面所说的7 个方面，要求设计的高速数据采集处理系统应该由以下几个模块组成：信号前端处理模块、A D 转换模块、逻辑控制模块、数字信号处理模块，显示模块等。如图2 2 所示，本论文涉及的高速数据采集处理系统，包含有高速数据采集以及数字信号处理两大部分。这两部分是由P C I 总线进行信号传输的。在高速数据采集部分，模拟输入信号首先是通过差分驱动芯片A D 8 1 3 8，在这里产生了差分信号，然后经过高速
33、A D 转换芯片A D 9 6 3 9(1 2 位通道，6 5 M S P S)进行模数转换。四通道的采集数据在F I F O中交替暂存，最后再由D S P 对F I F O 中暂存的数据进行读取。在数字信号处理部分中，是以高性能浮点型T M S 3 2 O D M 6 4 6 7 D S P 为核心的最小系统口1。6硕士论文高速数据采集与存储系统图2 2 系统设计框图数据采集处理系统需要有实时性。然而有两个关键因素对数据采集处理系统的实时性产生了影响：其一是数据的采集速度，它主要是指系统对信号进行数字信号采集的速度；其二是传输带宽，也就是从采集来的数据送到D S P 的数据传输速度。如果传输
34、速度不是很高，那么采集的数据就不能实时的进入D S P，这样就会造成数据信息的丢失。本文所设计的高速数据采集与处理系统通过采用F I F O 暂存、高性能的D S P 和P C I 总线，有效的解决了这两个影响高速数据采集实时性的关键问题H 3。连续采集，要求的是不掉点采集，这样就要求在采集期间不能有任何一个数据丢失。实现连续采集的方式有两种方案，第一种方案是只使用一片F I F O，对F I F O 写不间断进行，但每次D M A 传输只传输半片F I F O 的数据，保证F I F O 不会变满或变空；另外一种是采用两片F I F O 进行乒乓式读写，但是这种方案要求两片F I F O 输
35、入输出数据线分别并联，这使电路复杂度大大增加了。本文所设计的高速数据采集系统，采用第一种方案。这样设计在提高系统稳定性的同时也减少乐系统电路的复杂度。在系统开始加电的时候A D C 是就一直处于工作状态，通过对F I F O 的读写引脚进行有效的控制来达到对采样数据的取舍。当然，对F I F O 的控制肯定会比对A D 的控制更为有效并且可靠，这是因为，如果频繁地控制A D C，会影响测量的精度，严重的则会造成采集数据信息的失真畸3。2 3 2 硬件设计概述(1)A D 采样信号前端处理模块概述传感器输出的电信号通常比较微弱，为满足A D 采样的要求，要先经过信号调理72 3 高速数据采集与存
36、储系统设计硕士论文电路进行信号的调理，即进行信号的放大、滤波，信号的带宽要限制在合适的范围内，要使信号的幅度与A D 的转换量程相匹配，最好是A D 的满量程，提高电路的信噪比。(2)系统采集和处理的逻辑控制和同步控制主要由逻辑控制模块完成，其中数据采集处理的各部分电路同步是通过同步信号控制，以便整个系统协调地工作；(3)信号的模数转换是由A D 转换模块来完成，A D 转换是数据采集系统的核心，对系统的采样速率和精度有着重要的影响。在A D C 选择时首先要考虑转换速率，其次要考虑分辨率，本系统所选择的高速模数转换器内部集成了采样保持器和多路数据分配器器：(4)本论文所设计的高速数据采集与处
37、理系统是用F I F O 暂存A D C 采集到的数据。F I F O 的使用有效的避免了数据丢失，提高了D S P 的工作效率。当F I F O 达到半满的状态时，通过中断来实现D S P 对F I F O 的读取，就可以解决由于D S P 与A D 芯片工作速率不匹配而引起的实时性问题。F I F O 存储器的参数指标将直接影响数据的采集速度。首先，F I F O 存储器的读写速度要比A D 器件最大速度快很多；其次，F I F O 存储器的存储容量要满足实际需要，过大则会造成资源浪费，容量过小则会造成溢出或影响数据采集速度。(5)接收各种数字信号进行理论分析是由数字信号处理模块来完成的，
38、可以实现A D C 采样信号的处理，以便提取有用信息进行分析和显示；(6)显示模块主要完成处理后的数据信息的显示或是由此数据所得到波形的直接显示。2 3 3 系统软件设计概述本系统中需要设计的程序包括驱动程序和应用程序。工作在r i n g O 层的功能驱动程序，负责P C I 设备的逻辑功能实现，为应用程序与硬件交互提供了一个接口；工作在r i n 9 3 层的应用程序，可以把存储在内存中的数据存储到硬盘中。在系统中，硬件电路可以自动完成信号放大、A D 转换、数据存储以及通道切换，在系统工作之前，对定时计数器初始化、锁存器的清零、放大倍数的设计、起始通道的装载、启动A D 转换、设置中断向
39、量、D M A 通道的初始化，以及中断服务程序进行初始化等系统初始化的任务需要由软件编程完成。用汇编语言或C 语言编写这些程序在D O S 下并不难实现，但要达到实用的界面在D O S 下则是一件复杂的工作，而且效果不佳。但W i n d o w s 不同，它凭借其强大而友好的图形界面功能占据了操作系统的主导地位。但是由于W i n d o w s 系统的底层操作采取了保护措施屏蔽，对用户来说，已不能象在D O S 环境中一样直接操纵使用如内存、I O 端口、中断及D M A 等系统的硬件资源。虽然在很大程度上保证了操作系统的安全稳定性能，但却给我们人员带来了硬件及底层软件的开发困难。当需要直
40、接控制具体的硬件设备时，在W i n d o w s 没有提供特定的驱动程序的情况下，往往设备驱动程序需要使用者自己编写。8硕士论文高速数据采集与存储系统尽管在W i n d o w s 操作系统下编程要比在D O S 操作系统下复杂得多，但由于其具有无可比拟的优越性，因此本系统的软件设计最终开发平台选用W i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，先进行设备驱动程序的开发，然后以V i s u a l C+6 0 为开发工具进行界面设计和数据处理程序的开发引。93A D 前端信号调理电路设计硕士论文3A D 前端信号调理电路设计高速数据采集系统的核心器件就是数模转换器A D C。对于
41、一个应用系统来说，A D C的选择，除了需要考虑转换速率、量化位数和输入带宽以外，其外围电路特别是A D 前端电路也需要考虑，主要目的是用以滤除采样带宽之外的信号和噪声，预防频谱折叠，提高电路信噪比口】8】。在超声缺陷自动检测系统中，传感器输出的缺陷回波信号通常为宽度约5 0 n S-一2 0 0 n S、幅值在几十|lV 到几十m V 之间的窄脉冲。为满足A D 采样对带宽等的要求，需要对采样前信号进行放大、滤波、防频谱混叠等处理，信号的带宽要限制在合适的范围内，要使信号的幅度与A D 的转换量程相匹配，最好是A D 的满量程，提高电路的信噪比。由于本系统中选用的A D 9 6 3 9 芯片
42、的每个A D C 通道都包含有1 个前端采样保持放大器(S H A)，因此在这里不再对前端采样保持放大器进行过多的叙述。3 1 模拟信号放大电路信号源是轧钢钢板自动检测缺陷回波信号，源信号为2 0 n S-2 0 0 n S、幅值在几十uV到几十m V 之间的窄脉冲。本电路是为满足转换速率为5 0 M H z 的1 2 位高速A D 采样对信号的要求，同时，对采集来的信号进行放大、信号滤波等前端处理。由数据采集的原理可知，对于采样率达到5 0 M H z 的数据采集来说，如果信号频率高于2 5 M H z，那么其信号分量就会引起频谱混叠，那么采集的源信号和信号调理的带宽必须限制在2 5 M H
43、 z 以内。本论文采用的A D C 的满幅度为1 V，那么在调理电路之中，电压增益G 应该按照下式来设计：G=V o u J V i n=1 V Im V=10 0 0则信号调理电路的要求为：电压增益G=1 0 0 0，带宽B W=5 0 M H z，输入采用差分信号，输出也采用差分信号。信号放大电路的增益分配框图如图3 1。l OV s参兰运放放大睁运放放大靼运放放大、7差分输八、攀端输入 辫夕s!单端输出单端输出嚏梵臂益箩图3 1 信号放大电路的增益分配框图电压增益G=1 0 0 0，这么大的增益需要进行多级放大，增益分配如图3 1。硕士论文高速数据采集与存储系统总增益为G=G 1 半G
44、2 水G 3=1 2 l O。需要指出的是，由于运算放大器的增益带宽积有限，随着单级放大器的增益的增大放大器带宽会下降阻1。3 1 1 模拟信号输入电路负责电压信号的检测、放大和转化的多路电压放大电路模块，主要完成电压信号向A D C 输入电压信号的转化，共分为三级：输入级、缓冲级和输出级。由于传感器输出的电压信号极其微弱，所以要求电压放大模块有很好的屏蔽措施和高阻特性。因为模拟信号输入电路所需要的输入阻抗比较高，因此在输入级中采用三个运放组成的典型仪用放大器电路。三仪运放电路的输入阻抗很高，其本身特殊的结构能够保证V i n l 和V i n 2 关于V r e f 对称，同时可以抑制共模电
45、压以及共模噪声，并保持双端输入阻抗平衡n 0 1。V i n 2 为同相输入端，V i n l 为反相输入端，电路如图3 2 所示。图3 2 输入级：三运放典型仪表放大器根据信号输入电路理论，该级的放大电路增益为：州H 争c 静如果取R g l=2 0 0Q，R f l=l kQ，R f 2=l O k，R 9 2=l kQ，那么电压增益G=1 1 0。如果信号源的同相输出端，接到的是反相输入端时(即V s+接到V i n l)，那么抵押增益为G-11 0。3A D 前端信号调理电路设计硕士论文3 1 2 模拟信号缓冲电路图3 3 缓冲级：单运放同向放大器r e fo u t 2在模拟信号缓冲
46、电路中，其设计如图3 3 所示。该级为单运放的同相放大电路，其电压增益为：G ：】+堕毽2取R 9 2=1 5 0Q，R f 2=1 5 kQ则增益为G=l l。平衡电阻R i 2 视情况而定，R i 2 的值决定V o u t 2 的平衡度。(1)如果信源内阻R s R e j R f 2取：R i 2=R。-(R W R 心)1 2(2)如果信源内阻R,R 9 2 R r 2取：R i 2-(R 9 2 R t 2)-R s在上述2 种情况下，如图3 4 左右图示，平衡电阻R i 2 的位置不同。硕上论文高速数据采集与存储系统图3 4 同相放大器两种情况下平衡电阻R i 2 的位置模拟信号
47、缓冲电路中，输入由前级的T H S 4 3 0 4 输出，T H S 4 3 0 4 的典型输出阻抗为0 0 2 4，小于R g|f R f21 5 0 Q 1 s k Q=1 3 6 k f 2 所以采用图3 4 所示的右侧构型，平衡电阻理论值为R 2=愿2 尺，2=1 5 0 f 2 1 5 七Q R=1 3 6 k Q可以近似的去阻值1 3 0Q 为商用阻值。3 1 3 模拟信号输出电路高速A D 转换芯片都需要模拟输入信号为差分信号，如果采用单端输入信号，会使A i D 转换结果的二次谐波增大，降低信噪比S N R。因此本系统选用由A D 8 1 3 8 构成的A D 差分驱动电路，实
48、现单端输入差分输出。增益计算如下所示：G 3=R f 3 R 9 3取R t 2=5 0 0 Q、R 9 2=5 0 0 f 2，则增益G=I。但因为反相输出端A D l 接入A D C 的同相输入端、同相输出端A D 2 接入A D C 的反相输入端，因此本级的增益为G=1。A D 8 1 3 8 输入阻抗高达6 兆欧，完全可以不需要隔离放大器直接与输入信号相连，具有较宽的模拟带宽，最高可达3 2 0 M H z，最大优化A D C 的性能。A D 8 1 3 8 管脚说明如表3 1 所示：3A D 前端信号调理电路设计硕士论文表3 1A D 8 1 3 8 管脚说明管脚名称功能描述1I N
49、反向输入2V o c m这点的电压和器件输入共模电压称1：1 比例3V+正电源4+O U T正向输入5O U T反向输出6V-负电源7N C不连8+I N正向输入由A D 8 1 3 8 构成的A D 9 6 3 9 的前端硬件驱动电路如图3 5 所示：图3 5 输出级：单运放差分输出放大器R a d e2 0 k该电路不具备放大功能，由4 个5 0 0 欧的电阻建立了一个增益整体。当在A D 8 1 3 8的V o c m 管脚加1 V 电压时，A D 8 1 3 8 两个输出端的共模电压为1 V。分别在输入、输出端口和电压提供端口设置电压探针，输入幅度为2 V 的模拟正弦电压，输出电压为：
50、V o u t d f r 产(V+o u t-V o u t)而输出电压的峰峰值(V p-p)最大为2 V。1 4碗十论立高速数采集2 J 存储系统在仿真软件P r o t e u s 中利用电J x 探针得到的仿真结果如图3 6 所示。目36P r o t e u s 差分信号仿真314 模拟信号仿真分析我们采用P s p i c e 软件对模拟信号进行进行仿真分析，得到仿真结果(1)模拟信号的增益和带宽：I l。4。t。=r 凹37 幅度一频率响应曲线模拟信号仿真结果如图3 7 所示，电压增益为3 A D 前端信9 理电路设计硕_ I=论文A v=1 1 8 8-6 16 d B其模拟信