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- 數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)原理
- 本站編輯:xghl發(fā)布日期:2014-11-19 14:03 瀏覽次數(shù):
數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試必不可少的核心硬件設(shè)備,它將輸入進(jìn)來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)調(diào)理,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸入到虛擬儀器的采集系統(tǒng)。
一般來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)采集卡作為虛擬儀器的核心硬件設(shè)備,其主要功能有三:其一是由衰減器和增益可控放大器進(jìn)行量程自動(dòng)變換;其二是由多路轉(zhuǎn)換器(MUX)為完成對(duì)多點(diǎn)多通道信號(hào)的分時(shí)采樣;其三是將信號(hào)的采樣值由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為幅值離散化的數(shù)字量,或由V/F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為脈沖頻率,以適應(yīng)計(jì)算機(jī)工作,或者由D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號(hào)。
數(shù)據(jù)采集卡的基木結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),數(shù)據(jù)采集卡木身將模擬輸入通道、信號(hào)調(diào)理電路、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換以及控制邏輯單元的時(shí)鐘、總線接口和控制器集為一體,從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路。下面分別介紹這此組成單元的原理和作用。
1)模擬輸入通道:數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道也叫多路轉(zhuǎn)換器(MUX),它是由一類受控制而將模擬信號(hào)接通或斷開(kāi)的模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成的。一般采用的是半導(dǎo)體器件構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)式電子模擬開(kāi)關(guān)。通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的控制電路可以來(lái)選擇任意通道的開(kāi)合。從而實(shí)現(xiàn)多路或單路采集的功能。
2)信號(hào)調(diào)理器:通常數(shù)據(jù)采集卡自身就帶了信號(hào)調(diào)理電路,其主要包括:增益、偏移和濾波。傳感器輸入時(shí)提供激勵(lì)電壓,輸入的模擬信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理器,經(jīng)過(guò)放大、濾波之后變成了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),進(jìn)入采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換器。
3)采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換:這是數(shù)據(jù)采集卡的核心電路,是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組成單元。采樣/保持電路將輸入的連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)變換成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換則是將經(jīng)過(guò)了采樣/保持后,將幅值仍然在采樣時(shí)間內(nèi)是連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),將采樣信號(hào)的幅值用二進(jìn)制代碼來(lái)表示。
4) FIFO(先進(jìn)先出緩沖器):經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后,數(shù)字值首先通過(guò)FIFO。FIFO保證了數(shù)據(jù)的完整性,有效的減小了在完成了A/D變換后數(shù)據(jù)丟失的可能性。
5)總線接口和控制器:總線接II是各種采集卡與PC相連接的方式,目前數(shù)據(jù)采集卡的接II方式有:PCI、PXI、SCXI、PCMCIA以及USB等。控制器是采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器等電路的核心。它完成采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的控制功能。根據(jù)對(duì)采樣速率的要求,其控制方式分為:無(wú)條件采樣、中斷方式、查詢方式和直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式。在高速率數(shù)據(jù)采集卡中,一般都采用DMA控制方式。
6)D/A轉(zhuǎn)換器:將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào),可將轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。
一般來(lái)說(shuō),數(shù)據(jù)采集卡作為虛擬儀器的核心硬件設(shè)備,其主要功能有三:其一是由衰減器和增益可控放大器進(jìn)行量程自動(dòng)變換;其二是由多路轉(zhuǎn)換器(MUX)為完成對(duì)多點(diǎn)多通道信號(hào)的分時(shí)采樣;其三是將信號(hào)的采樣值由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為幅值離散化的數(shù)字量,或由V/F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為脈沖頻率,以適應(yīng)計(jì)算機(jī)工作,或者由D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號(hào)。
數(shù)據(jù)采集卡的基木結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對(duì)應(yīng),數(shù)據(jù)采集卡木身將模擬輸入通道、信號(hào)調(diào)理電路、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換以及控制邏輯單元的時(shí)鐘、總線接口和控制器集為一體,從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路。下面分別介紹這此組成單元的原理和作用。
1)模擬輸入通道:數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道也叫多路轉(zhuǎn)換器(MUX),它是由一類受控制而將模擬信號(hào)接通或斷開(kāi)的模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成的。一般采用的是半導(dǎo)體器件構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)式電子模擬開(kāi)關(guān)。通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)的控制電路可以來(lái)選擇任意通道的開(kāi)合。從而實(shí)現(xiàn)多路或單路采集的功能。
2)信號(hào)調(diào)理器:通常數(shù)據(jù)采集卡自身就帶了信號(hào)調(diào)理電路,其主要包括:增益、偏移和濾波。傳感器輸入時(shí)提供激勵(lì)電壓,輸入的模擬信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理器,經(jīng)過(guò)放大、濾波之后變成了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),進(jìn)入采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換器。
3)采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換:這是數(shù)據(jù)采集卡的核心電路,是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵組成單元。采樣/保持電路將輸入的連續(xù)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)變換成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換則是將經(jīng)過(guò)了采樣/保持后,將幅值仍然在采樣時(shí)間內(nèi)是連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),將采樣信號(hào)的幅值用二進(jìn)制代碼來(lái)表示。
4) FIFO(先進(jìn)先出緩沖器):經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后,數(shù)字值首先通過(guò)FIFO。FIFO保證了數(shù)據(jù)的完整性,有效的減小了在完成了A/D變換后數(shù)據(jù)丟失的可能性。
5)總線接口和控制器:總線接II是各種采集卡與PC相連接的方式,目前數(shù)據(jù)采集卡的接II方式有:PCI、PXI、SCXI、PCMCIA以及USB等。控制器是采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器等電路的核心。它完成采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的控制功能。根據(jù)對(duì)采樣速率的要求,其控制方式分為:無(wú)條件采樣、中斷方式、查詢方式和直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式。在高速率數(shù)據(jù)采集卡中,一般都采用DMA控制方式。
6)D/A轉(zhuǎn)換器:將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號(hào),可將轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。
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