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1、虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第1页第第4 4章章 DAQDAQ虚拟仪器硬件技术虚拟仪器硬件技术引言引言4.1 4.1 数据采集及数据采集系统数据采集及数据采集系统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4.3 4.3 采样保持与采样保持与A/DA/D转换技术转换技术4.4 4.4 数据存储与数据传输技术数据存储与数据传输技术 4.5 PCI4.5 PCI总线及其接口技术总线及其接口技术 4.6 4.6 多通道的组建方案多通道的组建方案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虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第
2、2页引引 言言 DAQ DAQ虚拟仪器又称虚拟仪器又称虚拟仪器又称虚拟仪器又称PC-DAQPC-DAQ仪器系统，其组成如仪器系统，其组成如仪器系统，其组成如仪器系统，其组成如下图所示。它由一台下图所示。它由一台下图所示。它由一台下图所示。它由一台PCPC机和基于标准总线的采集机和基于标准总线的采集机和基于标准总线的采集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软件卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件卡（仪器卡）构成，同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作。来支持硬件工作。来支持硬件工作。来支持硬件工作。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚
3、拟仪器技术虚拟仪器技术第3页4.1 4.1 数据采集（数据采集（数据采集（数据采集（DAQDAQ）及数据采集系统（）及数据采集系统（）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的基本概念数据采集的基本概念 “数据采集数据采集数据采集数据采集”（Data Acquisition,DAQData Acquisition,DAQ）是指将模拟）是指将模拟）是指将模拟）是指将模拟量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，再量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，再量（模拟信号）采集、转换成数字量（数字信号）后，再量（
4、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。用于数据由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。用于数据由计算机进行存储、处理、显示或输出的过程。用于数据由计算机进行存储、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（采集的成套设备称为数据采集系统（采集的成套设备称为数据采集系统（采集的成套设备称为数据采集系统（Data Acquisition Data Acquisition System,DASSystem,DAS）。）。）。）。数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取数据采集是计算
5、机与外部世界联系的桥梁，是获取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成部信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部信息的重要途径。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，并且分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且分，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及，随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，随着科学技术的发展，尤其是
6、计算机技术的发展与普及，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。数据采集技术将有广阔的发展前景。数据采集技术将有广阔的发展前景。数据采集技术将有广阔的发展前景。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第4页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，硬件部分又可数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可数据采集系统包括硬件和软件两大部
7、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图分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图分为模拟部分和数字部分。下图是硬件基本组成示意图虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第5页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第6页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 （1 1）系统分辨率）系统分辨率）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
8、的分辨率。时数据采集系统的分辨率。时数据采集系统的分辨率。时数据采集系统的分辨率。（2 2）系统精度）系统精度）系统精度）系统精度 （3 3）采集速率）采集速率）采集速率）采集速率位位 数数级数级数1 LSB1 LSB（满度值的百分数）（满度值的百分数）1 LSB1 LSB（10V10V满度）满度）8 82562560.391%0.391%39.1mV39.1mV1212409640960.0244%0.0244%2.44mV2.44mV161665536655360.0015%0.0015%0.15mV0.15mV20200.000095%0.000095%9.539.53 V V24240
9、.0000060%0.0000060%0.600.60 V V虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第7页（4 4）动态范围）动态范围）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V Vi imaxmax与最与最与最与最小幅值小幅值小幅值小幅值V Vi iminmin之比的分贝数，即之比的分贝数，即之比的分贝数，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式中最大允许输出幅值式中最大允许
10、输出幅值V Vi imaxmax是指使数据采集系统的放大器发生饱和或是指使数据采集系统的放大器发生饱和或是指使数据采集系统的放大器发生饱和或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。者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值。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分量幅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
11、大频率分量的幅值值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值值之比的最大值，即幅度最大频率分量的幅值A Af fmaxmax与幅度最小频率分与幅度最小频率分与幅度最小频率分与幅度最小频率分量的幅值量的幅值量的幅值量的幅值A Af fminmin之比的分贝数。用之比的分贝数。用之比的分贝数。用之比的分贝数。用I I表示瞬时动态范围，则有表示瞬时动态范围，则有表示瞬时动态范围，则有表示瞬时动态范围，则有虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第8页（5 5）非线性失真）非线性失真）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的程谐波失真
12、系统用来衡量系统产生非线性失真的程谐波失真系统用来衡量系统产生非线性失真的程谐波失真系统用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示度，它通常用下式表示度，它通常用下式表示度，它通常用下式表示 式中式中式中式中 A A1 1基波振幅；基波振幅；基波振幅；基波振幅；A Ak k第第第第k k次谐波（频率为次谐波（频率为次谐波（频率为次谐波（频率为kfkf）的振幅。）的振幅。）的振幅。）的振幅。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第9页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第10页2 2输入通道特点输入通道特点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
13、具有以下作为信号获取的门户和通道，输入通道具有以下作为信号获取的门户和通道，输入通道具有以下作为信号获取的门户和通道，输入通道具有以下特点：特点：特点：特点：1 1）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）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2 2）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）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3 3）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）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4 4）输入通道的环境无
14、主观选择余地）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）输入通道的环境无主观选择余地5 5）输入通道靠近现场，易受干扰）输入通道靠近现场，易受干扰）输入通道靠近现场，易受干扰）输入通道靠近现场，易受干扰虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第11页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采集信号调理的主要功能采集信号调理的主要功能1 1、被采集信号的特点、被采集信号的特点、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。传感传感器感应物理
15、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。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。2 2、信号调理功能、信号调理功能、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：信号调理功能主要有：信号调理功能主要有：1 1）放大功能）放大功能）放大功能）放大功能2 2）隔离功能）隔离功能）隔离功能）隔离功能3 3）多路复用功能）多路
16、复用功能）多路复用功能）多路复用功能4 4）滤波功能）滤波功能）滤波功能）滤波功能5 5）激励功能）激励功能）激励功能）激励功能6 6）线性化功能）线性化功能）线性化功能）线性化功能虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第12页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第13页4.2.4 4.2.4 测量放大电路测量放大电路测量放大电路测量放大电路 1 1测量放大器电路原理测量放大器电路原理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测量放大器原理电路测量放大器原理电路虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第14页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚
17、拟仪器技术虚拟仪器技术第15页从而测量放大器输出电压为从而测量放大器输出电压为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，测量为了提高测量放大器的共模抑制比和降低温度漂移，测量为了提高测量放大器的共模抑制比和降低温度漂移，测量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，一般取放大器的电路结构采用对称行式，一般取放大器的电路结构采用对称行式，一般取放大器的电路结构采用对称行式，一般取 ，可得增益表，可得增益表，可得增益表，可得增益表达式为达式为达式为达式为 很显然，调节很显然，调节很显然，调节很显然，调节R
18、Rg g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。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。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第16页2 2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1 1）共模抑制比）共模抑制比）共模抑制比）共模抑制比 共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR可表示为可表示为可表示为可
19、表示为2 2）温度漂移）温度漂移）温度漂移）温度漂移3 3）非线性度）非线性度）非线性度）非线性度4 4）建立时间）建立时间）建立时间）建立时间5 5）恢复时间）恢复时间）恢复时间）恢复时间6 6）电源引起的失调）电源引起的失调）电源引起的失调）电源引起的失调虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第17页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第18页2 2D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1 1）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率 2 2）转换精度）转换精度）转换精度）转换精度 3 3）转换时间）转换时间）转换时间）转换
20、时间 4 4）尖峰误差）尖峰误差）尖峰误差）尖峰误差D/AD/AD/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转换器尖峰误差及消峰原理转换器尖峰误差及消峰原理虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第19页3 3D/AD/A转换电路输入与输出形式转换电路输入与输出形式转换电路输入与输出形式转换电路输入与输出形式u1 1）输入方式）输入方式）输入方式）输入方式u2 2）输出方式）输出方式）输出方式）输出方式 输出输入关系式为输出输入关系式为输出输入关系式为输出输入关系式为D/AD/AD/AD/A转换器单极性输出电路转换器单极性输出电路转换器单极性输出电路转换器单极性输出电路
21、虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第20页 D/A D/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模拟量的关系如下图所示模拟量的关系如下图所示D/AD/AD/AD/A转换器双极性输出电路转换器双极性输出电路转换器双极性输出电路转换器双极性输出电路虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第21页4.3 采样保持与采样保持与A/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采样保持器采样保持器1 1采样保持
22、的必要性采样保持的必要性采样保持的必要性采样保持的必要性 在在在在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转换产生误转换产生误转换产生误转换产生误差，而且信号变化的快慢将影响误差的大小。假设输入信号是正弦波，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，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，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，为了使模拟信号变化产生的而
23、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A/DA/D转换误差小于转换误差小于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：，需要满足下式：，需要满足下式：式中，式中，式中，式中，为为为为A/DA/DA/DA/D转换器的满度值，转换器的满度值，转换器的满度值，转换器的满度值，t t t tc c c c为转换时间，为转换时间，为转换时间，为转换时间，为输入信号，假定为输入
24、信号，假定为输入信号，假定为输入信号，假定 ，且，且，且，且 ，则有：，则有：，则有：，则有：虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第22页2 2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（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时间内）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内）可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内）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式。在保持不变。采样保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在保持不
25、变。采样保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在保持不变。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；在保持方式采样方式下，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，直到下，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
26、令撤销为止。其原理如图所示保持命令撤销为止。其原理如图所示保持命令撤销为止。其原理如图所示保持命令撤销为止。其原理如图所示采样保持器电路原理采样保持器电路原理采样保持器电路原理采样保持器电路原理虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第23页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第24页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转换器的分类和指标转换器的分类和指标1 1A/DA/D转换器分类转换器分类转换器分类转换器分类分类方式分类方式类类 型型按器件工艺结构按器件工艺结构1.1.组件型组件型A/DA/D转换器转换器2.2.混合（集成）电路混合（
27、集成）电路A/DA/D转换器转换器3.3.单片式单片式A/DA/D转换器转换器 （1 1）双极型（）双极型（2 2）MOSMOS型（型（3 3）双极）双极-MOS-MOS型型按转换器工作原理按转换器工作原理1.1.间接型间接型A/DA/D转换器转换器（1 1）积分型（电压）积分型（电压-时间变换型）时间变换型）A/DA/D转换器转换器（2 2）电压）电压-频率变换型频率变换型A/DA/D转换器（转换器（V-FV-F变换器）变换器）2.2.比较型（直接型）比较型（直接型）A/DA/D转换器转换器（1 1）反馈比较型）反馈比较型（2 2）无反馈比较型）无反馈比较型3.3.型型A/DA/D转换器转换
28、器按转换器精度按转换器精度1.1.低精度（低精度（8 8位及位及8 8位以下）位以下）2.2.中精度（中精度（912912位）位）3.3.高精度（高精度（13161316位）位）4.4.超高精度（超高精度（1616位以上）位以上）按转换速率按转换速率1.1.低速（低速（1ms1ms）2.2.中速（中速（1ms1ms 1 1 s s）3.3.高速（高速（1 1 s s 0.010.01 s s）4.4.超高速（超高速（0.010.01 s s）虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第25页表表表表4-34-3列出了列出了列出了列出了6 6种常用的种常用的种常用的种常用的A/DA/D转换
29、器比较转换器比较转换器比较转换器比较类类 型型并联比较式并联比较式分级型分级型逐次逼近式逐次逼近式型型积分式积分式V/FV/F型型主要特点主要特点超高速超高速高速高速速度精度价格速度精度价格等等综合性价比较综合性价比较高高高分辨率高分辨率高精度高精度高精度，低高精度，低成本成本高抗干扰能高抗干扰能力力低成本低成本高分辨率高分辨率分辨率分辨率（位）（位）6106108168168168161624162412161216816816转换时间转换时间几十几十nsns几十几十 几百几百nsns几几 几十几十 s s几几 几十几十msms几十几十 几百几百msms几十几十 几百几百msms采样频率采样
30、频率几十几十MS/sMS/s几几MS/sMS/s几十几十 几百几百kS/skS/s几十几十kS/skS/s几几 几十几十S/sS/s几几 几十几十S/sS/s价价 格格高高高高中中中中低低低低主要用途主要用途超高超超高超视频处理视频处理视频处理视频处理高速数据采高速数据采集集数据采集数据采集工业控制工业控制音频处理音频处理数字仪器数字仪器数字仪器数字仪器数字仪器数字仪器简易简易A/DA/D虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第26页2 2技术指标技术指标技术指标技术指标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。转换器常用以下
31、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。1 1）分辨率与量化误差）分辨率与量化误差）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转换器的量化误差转换器的量化误差虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第27页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第28页3 3）转换速率）转换速率）转换速率）转换速率转换速率是指转换速率是指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。这转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个
32、指标也可表述为转换时间，即个指标也可表述为转换时间，即个指标也可表述为转换时间，即个指标也可表述为转换时间，即A/DA/D转换从启动到结束所转换从启动到结束所转换从启动到结束所转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，某需的时间，两者互为倒数。例如，某需的时间，两者互为倒数。例如，某需的时间，两者互为倒数。例如，某A/DA/D转换器的转换速转换器的转换速转换器的转换速转换器的转换速率为率为率为率为10MHz10MHz，则其转换时间是，则其转换时间是，则其转换时间是，则其转换时间是100ns100ns。转换速度是一项重。转换速度是一项重。转换速度是一项重。转换速度是一项重要的技术指标，速度
33、越高价格越贵。要的技术指标，速度越高价格越贵。要的技术指标，速度越高价格越贵。要的技术指标，速度越高价格越贵。4 4）满刻度范围）满刻度范围）满刻度范围）满刻度范围满刻度范围是指满刻度范围是指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。满刻转换器所允许最大的输入电压范围。满刻转换器所允许最大的输入电压范围。满刻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，实际的度值只是个名义值，实际的度值只是个名义值，实际的度值只是个名义值，实际的A/DA/D转换器的最大输入电压值转换器的最大输入电压值转换器的最大输入电压值转换器的最大输入电压值总比满刻度值小总比满刻度值小
34、总比满刻度值小总比满刻度值小1/21/2n n（n n为转换器的位数）。这是因为为转换器的位数）。这是因为为转换器的位数）。这是因为为转换器的位数）。这是因为0 0值值值值也是也是也是也是2 2n n个转换状态中的一个。例如个转换状态中的一个。例如个转换状态中的一个。例如个转换状态中的一个。例如1212位的位的位的位的A/DA/D转换器，其转换器，其转换器，其转换器，其满刻度值为满刻度值为满刻度值为满刻度值为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，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 虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第29
35、页4.3.3 4.3.3 高速高速高速高速A/DA/D转换器的原理转换器的原理转换器的原理转换器的原理 目前高速目前高速目前高速目前高速ADCADC主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种主要有逐次逼近式、并行式和分级式等几种类型，现简介如下。类型，现简介如下。类型，现简介如下。类型，现简介如下。1 1逐次逼近式逐次逼近式逐次逼近式逐次逼近式ADCADC 逐次逼近式逐次逼近式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，其电路
36、，其电路，其电路结构简单。结构简单。结构简单。结构简单。虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第30页虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第31页3 3分级式分级式分级式分级式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，构成组合起来，构成组合起来，构成组合起来，构成一个高分辨率的一个高分辨率的一个高分辨率的一个高分辨率的ADCADC是能够实现的，这就是目前流行的是能够实现的，这就是目前流行的是能够实现的，这就是目前流行的是能够实现的，这就是目前流行的分级式分级式
37、分级式分级式ADCADC，又称流水线或多级式，又称流水线或多级式，又称流水线或多级式，又称流水线或多级式ADCADC（subranging,subranging,pipelined,multi-stage or multistep ADCpipelined,multi-stage or multistep ADC）。）。）。）。分级式分级式分级式分级式ADCADC结构框图结构框图结构框图结构框图虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第32页AD9220/AD9221/AD9223AD9220/AD9221/AD9223的的的的1212位流水线型位流水线型位流水线型位流水线型A/DA/
38、D转换器结构框图转换器结构框图转换器结构框图转换器结构框图虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第33页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与与与与CPUCPU直接数据传输直接数据传输直接数据传输直接数据传输1 1程序控制的数据传输方式程序控制的数据传输方式程序控制的数据传输方式程序控制的数据传输方式2 2DMADMA控制的数据传输方式控制的数据传输方式控制的数据传输方式控制的数据传输方式虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第34页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
39、式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 1 1基于双口基于双口基于双口基于双口RAMRAM的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第35页2 2基于基于基于基于FIFOFIFO的高速数据缓存方式的高速数据缓存方式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：）是先进先出存储器，其特点是：）是先进先出存储器，其特点是：）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
40、，一个是输入端口，只负同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，只负同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，只负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，只负责数据的输出。责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。IDT 72251IDT 72251是一个是一个是一个是一个8KB98KB9的的的的FIFOFIFO存储器存储器存储器存储器虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第36页4.5 PCI总线及其接口技术总线及其接口技术4
41、.5.1 4.5.1 基于基于基于基于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：整个系统分成以下四大模块：整个系统分成以下四大模块：uu（1 1）信号调理模块。）信号调理模块。）信号调理模块。）信号调理模块。uu（2 2）高速）高速）高速）高速ADAD转换模块。转换模块。转换模块。转换模块。uu（3 3）PCIPCI总线接口模块。总线接口模块。总线接口模块。总线接口模块。uu（4 4）CPLDCPLD时序控制模块。时序控制模块。时序控制模块。时序控制模块。虚拟仪器技术
42、虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第37页4.5.2 PCI4.5.2 PCI总线概述总线概述总线概述总线概述1 1PCIPCI总线特点总线特点总线特点总线特点 PCI PCI局部总线具有如下特点：局部总线具有如下特点：局部总线具有如下特点：局部总线具有如下特点：（1 1）高性能）高性能）高性能）高性能（2 2）线性突发传输）线性突发传输）线性突发传输）线性突发传输（3 3）采用总线主控和同步操作）采用总线主控和同步操作）采用总线主控和同步操作）采用总线主控和同步操作（4 4）不受处理器限制）不受处理器限制）不受处理器限制）不受处理器限制（5 5）兼容性强，适合于各种机型）兼容性强，适合于各
43、种机型）兼容性强，适合于各种机型）兼容性强，适合于各种机型虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第38页2 2PCIPCI总线系统结构总线系统结构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系统结构原理框图系统结构原理框图虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第39页3 3PCIPCI总线信号定义总线信号定义总线信号定义总线信号定义C/BE#3C/BE#3C/BE#2C/BE#2C/BE#C/BE#11C/BE#C/BE#00命令类命令类型型0 00 00 00 0中断响中断响应应0 00 00 01 1特殊周特殊周期期0 00 01 10 0I/
44、OI/O读读0 00 01 11 1I/OI/O写写0 01 11 10 0内存读内存读0 01 11 11 1内存写内存写1 10 01 10 0配置读配置读1 10 01 11 1配置写配置写1 11 10 00 0内存重内存重复读复读1 11 10 01 1双周期双周期1 11 11 10 0高速缓高速缓存读存读1 11 11 11 1高速缓高速缓存写存写PCIPCI总线操作命令表总线操作命令表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局部总线信号局部总线信号虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第40页4.5.3 PCI4.5.3 PCI总线接口设计总线
45、接口设计总线接口设计总线接口设计1 1总线接口方案选择总线接口方案选择总线接口方案选择总线接口方案选择 PCI PCI接口设计和接口设计和接口设计和接口设计和ISAISA等等等等I/OI/O接口设计有着完全不同接口设计有着完全不同接口设计有着完全不同接口设计有着完全不同的设计思想。的设计思想。的设计思想。的设计思想。PCIPCI总线设备需要通过桥路控制器总线设备需要通过桥路控制器总线设备需要通过桥路控制器总线设备需要通过桥路控制器将将将将PCIPCI总线协议转换成本地总线协议，设计相对总线协议转换成本地总线协议，设计相对总线协议转换成本地总线协议，设计相对总线协议转换成本地总线协议，设计相对复
46、杂。大致有以下三种实现方法：复杂。大致有以下三种实现方法：复杂。大致有以下三种实现方法：复杂。大致有以下三种实现方法：（1 1）采用普通）采用普通）采用普通）采用普通FPGAFPGA实现实现实现实现（2 2）CPLD+CPLD+集成总线控制器集成总线控制器集成总线控制器集成总线控制器（3 3）采用特殊）采用特殊）采用特殊）采用特殊FPGAFPGA实现实现实现实现虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第41页2 2PCI9054PCI9054简介简介简介简介 PCI9054PCI9054的主要功能特点如下：的主要功能特点如下：的主要功能特点如下：的主要功能特点如下：（1 1）符合）符合
47、）符合）符合PCIV2.2PCIV2.2规范，是一种新型的规范，是一种新型的规范，是一种新型的规范，是一种新型的3232位、位、位、位、33MHz33MHz总线主控接口控制器总线主控接口控制器总线主控接口控制器总线主控接口控制器（2 2）采用通用总线主控接口）采用通用总线主控接口）采用通用总线主控接口）采用通用总线主控接口（3 3）有）有）有）有3232位多路复用或非多路复用本地局部总线位多路复用或非多路复用本地局部总线位多路复用或非多路复用本地局部总线位多路复用或非多路复用本地局部总线（5 5）支持）支持）支持）支持PCIPCI双地址周期（双地址周期（双地址周期（双地址周期（DACDAC）（
48、4 4）与）与）与）与PCI V2.2PCI V2.2电源管理规范兼容电源管理规范兼容电源管理规范兼容电源管理规范兼容虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第42页3 3PCIPCI接口电路设计接口电路设计接口电路设计接口电路设计 基于基于基于基于PCI9054PCI9054的的的的PCIPCI总线接口电路形式比较简单。总线接口电路形式比较简单。总线接口电路形式比较简单。总线接口电路形式比较简单。原理框图如图所示。原理框图如图所示。原理框图如图所示。原理框图如图所示。PCIPCI接口设计原理图接口设计原理图接口设计原理图接口设计原理图虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第
49、43页 PCI9054 PCI9054的本地总线仲裁信号包括：的本地总线仲裁信号包括：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#和和和和READY#READY#。应答握手信号。应答握手信号。应答握手信号。应答握手信号LHOLDLHOLD和和和和LHOLDALHOLDA直接相连。直接相连。直接相连。直接相连。ADS#ADS#、BLAST#BLAST#和和和和READY#READY#与与与与CPLDCPLD实现的本地仲裁逻辑相连，如图所示。实现的本地仲裁逻辑相连，如图所示。实现的本地仲裁逻辑相连，如图所
50、示。实现的本地仲裁逻辑相连，如图所示。本地仲裁逻辑图本地仲裁逻辑图本地仲裁逻辑图本地仲裁逻辑图虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术虚拟仪器技术第44页4 4PCIPCI配置空间的实现配置空间的实现配置空间的实现配置空间的实现（1 1）配置空间简介）配置空间简介）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设备IDID厂商厂商IDID00H00H状态状态命令命令04H04H类型码类型码版本版本IDID08H08HDISTDIST头域类型头域类型延时计数器延时计数器CatchCatch行行0CH0CH基地址