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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)行測試必不可少的核心硬件設(shè)備,它將輸入進(jìn)來的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號經(jīng)過一系列的信號調(diào)理,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸入到虛擬儀器的采集系統(tǒng)。
一般來說,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)行量程自動變換;其二是由多路轉(zhuǎn)換器(MUX)為完成對多點(diǎn)多通道信號的分時采樣;其三是將信號的采樣值由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)計算機(jī)工作,或者由D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號。
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)相對應(yīng),數(shù)據(jù)采集卡木身將模擬輸入通道、信號調(diào)理電路、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換以及控制邏輯單元的時鐘、總線接口和控制器集為一體,從而實(shí)現(xiàn)了一個完整測量系統(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接通或斷開的模擬開關(guān)構(gòu)成的。一般采用的是半導(dǎo)體器件構(gòu)成的無觸點(diǎn)式電子模擬開關(guān)。通過模擬開關(guān)的控制電路可以來選擇任意通道的開合。從而實(shí)現(xiàn)多路或單路采集的功能。
2)信號調(diào)理器:通常數(shù)據(jù)采集卡自身就帶了信號調(diào)理電路,其主要包括:增益、偏移和濾波。傳感器輸入時提供激勵電壓,輸入的模擬信號通過信號調(diào)理器,經(jīng)過放大、濾波之后變成了標(biāo)準(zhǔn)信號,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)模擬信號變換成時間上離散的采樣信號。A/D轉(zhuǎn)換則是將經(jīng)過了采樣/保持后,將幅值仍然在采樣時間內(nèi)是連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,將采樣信號的幅值用二進(jìn)制代碼來表示。
4) FIFO(先進(jìn)先出緩沖器):經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,數(shù)字值首先通過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??刂破魇遣蓸?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)對采樣速率的要求,其控制方式分為:無條件采樣、中斷方式、查詢方式和直接存儲器存取(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)字信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號,可將轉(zhuǎn)換后的模擬信號送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。
一般來說,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)行量程自動變換;其二是由多路轉(zhuǎn)換器(MUX)為完成對多點(diǎn)多通道信號的分時采樣;其三是將信號的采樣值由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)計算機(jī)工作,或者由D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號。
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)相對應(yīng),數(shù)據(jù)采集卡木身將模擬輸入通道、信號調(diào)理電路、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換以及控制邏輯單元的時鐘、總線接口和控制器集為一體,從而實(shí)現(xiàn)了一個完整測量系統(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接通或斷開的模擬開關(guān)構(gòu)成的。一般采用的是半導(dǎo)體器件構(gòu)成的無觸點(diǎn)式電子模擬開關(guān)。通過模擬開關(guān)的控制電路可以來選擇任意通道的開合。從而實(shí)現(xiàn)多路或單路采集的功能。
2)信號調(diào)理器:通常數(shù)據(jù)采集卡自身就帶了信號調(diào)理電路,其主要包括:增益、偏移和濾波。傳感器輸入時提供激勵電壓,輸入的模擬信號通過信號調(diào)理器,經(jīng)過放大、濾波之后變成了標(biāo)準(zhǔn)信號,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)模擬信號變換成時間上離散的采樣信號。A/D轉(zhuǎn)換則是將經(jīng)過了采樣/保持后,將幅值仍然在采樣時間內(nèi)是連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,將采樣信號的幅值用二進(jìn)制代碼來表示。
4) FIFO(先進(jìn)先出緩沖器):經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,數(shù)字值首先通過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??刂破魇遣蓸?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)對采樣速率的要求,其控制方式分為:無條件采樣、中斷方式、查詢方式和直接存儲器存取(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)字信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號,可將轉(zhuǎn)換后的模擬信號送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。
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