（测试计量技术及仪器专业论文）高速数据采集vxi模块的研制.pdf

一 堕垒堡矍三态兰三兰堡苎兰堡丝兰 高速数据采集v xl 模块的研制 摘要 随着社会数字化程度的提高，高速数据采集在测量和控制领域中占有非常重 耍的地位。v x i 总线测试平台是仪器测量领域的自口沿技术，可以灵活地组建自动 测试系统，其模块化、速度快、可靠性高、数字吞吐能力强的特点使v x l 总线在 世界范围内有着广泛的应用。 本课题的研究对象是高速数据采集v ) 模块，是将数字存储示波器的核心部 分采集与控制电路集于一体，模块化，以便应用于基于v x i 总线的数字存储示 波器。对于高速数据采集与处理，随着数据量的不断加大和实时处理要求的不断提 高，提出了运用d s p 进行数据处理，以便提高系统的实时性和数据快速存储的能 力。 本文研究了双路高速数据采集v x i 模块的实现方法，综合运用了d s p 、c p l d 等技术。模块最高采样率达2 0 0 m s a j s ，具有8 b i t 垂真分辨率，3 2 m 存储深度，能 够实现立即触发、延时或超前触发和软件触发等多种触发模式。文中详细的讨论了 前端信号调理电路、a d 转换电路及数据存储和传输电路的设计；使用c p l d 进 行了模块的控制逻辑和v x i 接口设计；阐述了随机等效采样原理及其实现电路的 设计；以d s p 为核心设计了软件流程，并结合电磁兼容原理对模块进行了p c b 板 设计，总结了实际工作中遇到的一些问题和解决办法。 本文研究内容对p x 、p c i 高速数据采集模块、数字存储示波器及其它形式的 高速数据采集的研究有较大的参考价值。 关键词v x i b u s ；d s p ；c p l d ；数据采集；随机采样 哈尔滨理工大学r 学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o f h i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n ( i b u sm o d u l e a b s t r a c t a st h ei n c r e a s eo ft h es o c i a ld i g i t a ld e g r e e ，t h eh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ni sv e r y i m p o r t a n ti nt h ef i e l do f m e a s u r i n ga n dc o n t r o l i n g t h et e s tp l a t f o r mb a s e do nv x l b u si s t h el e a d i n gt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do ft e s ti n s t r u m e n t ；i tc a r le a s i l yc o n s t r u c tt h ea u t o m a t i c t e s t i n gs y s t e m v x i b u s sm o d u l a r i z a t i o n , h i 曲s p e e d ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dh i g hd a t a t h r o u g h p u tf e a t u r e sm a k ei tw i d e l yu s e di nt h ew h o l ew o r l d t h er e s e a r c ht a s ko ft h i ss u b j e c ti st od e v e l o ph i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e b a s e do nt h ev x i b u st h ea c q u i s i t i o na n dc o n t r o lc i r e u i t s ，w h i c ha r et h ec o r eo fd i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o c o p e ，a r ea s s e m b l e do nt h em o d u l e ，a n dm a k ei ts u i t a b l ef o rd s o sb a s e d o nt h ev x l b u sf o rh i g hs p e e dd a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g w i t l lc o n s t a n ti n c r e a s i n go f d a t aq u a n t i t ya n dc o n s t a n ti n p r o v e m e n to f r e a l - t i m ep r o c e s s i n gr e q u e s t , w eh a v ep r o p o s e d u s i n gd s pt oc a r r yo nd a t ap r o c e s s i n g ，i no r d e rt oi m p r o v es y s t e m a t i cr e a l - t i m ef - e a t u r e a n da b i l i t yo f t h ef a s td a t as t o r e t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ew a yo fr e a l i z i n gt w o c h a n n e lh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n b a s e do nv x l b u sw h i c hr a k e da d v a n t a g eo fd s p , c p l da n ds o m eo t h e rt e c h n o l o g y t h e s a m p l i n gr a t eo f t h em o d u l ec a nu pt o2 0 0 m s a s ，w i t h8b i t sv e r t i c a lr e s o l u t i o n ，w i 也3 2 m o fs t o r a g ed e p t kc a r lr e a l i z es e v e r a lk i n d so f t r i g g e rm o d es u c ha si n s t a n t a n e o u st r i g g e r i n g ， p o s t t r i g g e ro rp r e t r i g g e ra n ds o f t w a r et r i g g e r t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed e s i g n i n go ft h e c i r c u i to fm o d u l a t i n gt h ef r o n t - e n ds i g n a l ，o f a i dc o n v e r t i n ga n do f l r a n s f e r r i n gd e t a i l e d l y ； d e s i g n e dt h ec o n t r o ll o g i co ft h em o d u l ea n dt h ei n t e r f a c eo fv x lw i t hc p l d ；d e s c r i p e d e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n dt h ec i r c u i tw h i c hr e a l i z e di t ；t h es o f t w a r ef l o wi s c e n t e r e do nd s p ，d e s i g n e dt h ep c bb o a r da c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，a n d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , s o m ep r o b l e m s ，w h i c ha r ee n c o u n t e r e di nd e s i g n i n g ，d e b u g g i n g a n ds i m u l a t i n gp r o c e s s ，a r ep r e s e n t e da n dt h es o l u t i o n st ot h e ma r eg i v e n t h ec o n t e n to f t h i sp a p e rh a ss o m e i m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h eh i g h s p e e dd a t a 啥尔滨理t 大学工学硕十学位论文 a c q u i s i t i o no fp x i ，p c im o d u l e ，d s oa n ds o m eo t h e rr e s e a r c h i n g so nh i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o n k e y w o r d sv x l b u s ；d s p ；c p l d ；d a t aa c q u i s i t i o n ；r a n d o ma c q u i s i t i o n 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 1 1 选题的背景及意义 1 1 1 课题的提出 第1 章绪论 随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，高速数据采集 在测量和控制领域中的地位也随之越来越显得重要。高速数据采集得到的大量数 据需要及时处理，有时甚至是实时处理，这对信号采集电路后端的数字信号处理 器提出了较高的要求。同时电子测量仪器的发展也经历了由传统的模拟仪器、智 能仪器到现代的虚拟仪器。作为“跨世纪”的仪器总线系统和自动测试系统的优 秀平台，v x i 总线在我国测试和仪器领域的应用日益广泛，代表了当今和未来 测试系统技术的发展方向。在相当多的v x i 总线应用系统中，待测的信号都是 模拟信号，因此，基于a d 变换的数据采集模块是组建v x l 系统不可缺少的一 个关键部件。设计、开发性能优良的v x i 数据采集模块，尤其是高速数据采集 模块，将对推动我国的v x i 总线应用起着积极的、十分重要的作用川巾l 。目前 由于v x i 总线测试系统变得日益复杂，并且数据采集的要求也在不断提高，所 以人们丌始寻求基于v x i 总线系统的数字信号处理的高性能方法。从而提出了 用d s p 进行数据处理，以便提高数据处理的实时性，并减小对数据传输速度和 存储容量的压力。由此引出了本文的课题基于v x i 系统的“高速数据采集模块 的研制”1 4 1 。 1 1 2 选题的目的和意义 本课题是对应用v x i 总线的虚拟仪器技术设计的高速数据采集模块进行研 究和探索。v x i 总线为实现高性能的虚拟仪器系统提供了一个极好的平台，v x i 总线虚拟仪器技术在国外航空、航天、军事等领域的成功足以说明其先迸性。 国外比较大的几家仪器生产商如n i 、h p 、z t e c 等都生产了基于v x i b u s 的数字存储示波器产品( 又可称为数字化仪) 。早期生产的d l 2 1 0 0 系列，四通 道总的采样率为2 0 0 m s a s 删。n i 公司推出的最新产品n 1 5 1 1 2 高速数字化仪，具 有两通道10 0 m s a j s 实时采样，8 位垂直精度分辨率，i6 或3 2 m b 存储深度等技 术指标。还有h p s l 4 2 8 v x l b u s 和z t 4 0 0 v x i 等数字存储示波器模块，都达到了 哈尔滨理1 ：大学工学硕士学位论文 很高的水准。而国内在这一领域的生产研制还相对落后，技术还不够完善产品 的技术指标不够高；并且国外产品价格极其昂贵；更重要的是由于v x i 模块主 要用于航天、国防等军事领域，关键技术依赖国外不是最佳选择，最好还是采用 自主知识版权的模块。如果我们开发研制出自己的产品，将会填补这一空白，为 我囡的国防建设事业节省大量的经费。因此，在国内研究和丌发高速数掘采集的 v x i 模块对我国的测量和控制领域的发展具有重要的意义州。 1 2v x l 总线综述 1 2 1v x i 总线技术的发展 现代仪器发展的最重要的特点是计算机的广泛应用。这一特点导致了一个 新的概念“虚拟仪器”的产生。虚拟仪器是基于通用p c 机之上的可编程仪器。 它的出现使用户在基于统一标准的基础上可以灵活方便地定制专用仪器，从而增 强了开发者和用户的能力。仪器灵活性的增强，要求有更严格的标准来规范，因 而产生了许多的工业标准，例如i e e e 4 8 8 。仪器和计算机技术是不断发展的，因 此要求必须有更快更强的标准出现，这就带来了一场技术创新v x i 和v x i p l u g & p l a y 的产生。 世界上一些有影响的仪器商，如c o l o r a d od a t as y s t e m s 、h p 、h e w l e t t p a c k a r d 、r a c a l d a t a 、t e k t r o n i x 、w a v e t e k 等厂家受美国空军的委托，从仪器：e 产方面考虑，希望能研制出一种模块化的仪器总线。同时联合i e e e 组织，于 1 9 8 7 年7 月公布了他4 1 j n 定的一种新的总线标准v x i b u s ，之后经过不断修改、 完善，1 9 9 2 年，v x i 总线系统规范成了工业领域国际标准1 7 心。 v x i 总线技术经过十年的发展，它依靠有效的标准化，采用模块化的方 式，实现了系列化、通用化以及v x l b u s 仪器的互换性和互操作性。其丌放的体 系结构和p l u g & p l a y 方式完全符合信息产品的需要。发展到今天，v x r b u s 仪器 和系统已为世人普遍接受，并成为仪器系统发展的主流【9 】。v x i b u s 系统标准是 在全世界范围内完全开放的，适用于不同的国家，不同的行业标准。它集中了智 能仪器、个人仪器和g p i b 系统的很多特长，易于集成为不同用途的自动测试系 统，具有小型便携、使用灵活方便、优良的交互操作性，传输速率高、丌放式模 块化的结构、标准化程度高、兼容性强、器件可重复使用、可靠性高、易维修、 功耗低，可移动性好等优点，价格与传统的自动测试系统相比具有巨大的竞争潜 力。】。 哈尔滨理丁：人学1 。学硕士学位论文 1 2 2v x l 总线的体系结构和特点 v x i 总线技术是电子仪器发展史上的一个重要罩程碑，被称之为二十一世 纪的新代仪器接口总线。它宣告了现代仪器时代的到来，堪称为划时代的、跨 世纪的先进技术。v x i 总线是一套硬件规范，它规定了设备的尺寸、结构、电 气指标等重要参数，同时也规定了设备间的一些底层的通信协议。一个v x i 系 统包括机架和连接外部的设备的电缆等外设以及相应的上位机软件。v x i 设备 包括基于寄存器( r e g i s t e rb a s e d ) 和基于消息( m e s s a g eb a s e d ) 两类。对于寄存 器的设备，v x i 采用低级的二进制信号来传递信息：对于消息的设备，v x i 定 义了一套类似于i e e e 4 8 8 协议的w s p ( w o r ds e r i a lp r o t o c 0 1 ) 协议，用于舰范这 类设备的通信。v x i 设备间的联结方式可采用基于v x i 的内置c p u 方式、 g p i b 到v x i 转换的方式和m y 方式三类，可以保证v x l 支持网络操作。因此 v x i 设备可以和各类计算机平台连接成一个实时分布式系统【2 】【”l 。 v x i 仪器是一种模块化的卡式仪器，它没有传统意义上的操作面板，对 v x i 仪器的操作与显示。都需要借助p c 机进行。毫无疑问，所有v x i 仪器都 属于虚拟仪器，它继承了虚拟仪器的所有特性。v x l 总线系统的出现为虚拟仪 器的发展提供了新的方向与动力，v x i 总线的系统结构为虚拟仪器的开发提供 了更为理想的平台。与其它总线相比，v x i 总线具有如下突出特点： 1 标准化程度高v x i 总线的硬件设备已经标准化，得到世界上许多仪器 厂家的支持，因此，用户可以选用不同厂家的仪器模块，使用户集成虚拟仪器系 统选择性更大、更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间，提高了系统可互换 性。同时测试软件业下在标准化，如i e e e 4 8 8 2 、s c p i 、v p p i v p p l 0 等标 准，提供了丰富的v i s a ( 虚拟仪器软件结构库) 、s i c l ( 标准接口控制库) ，并 提供了更能强大的开发软件如v e e 、l a b v i e w 等图形软件开发工具，缩短了 系统设计、开发、调试、测试软件的周期。 2 模块化结构 v x i 仪器系统采用了模块化结构，其采用公用电源、面 板、共用冷却、高密度紧凑的结构设计，有利于减少尺寸，选用需要的测试模 块、较少的c p u 管理等措施降低系统的冗余度，与机架层迭式仪器系统相比， 会大大缩小系统尺寸和降低成本。 3 较高的信息吞吐量v x i 总线背板的理论数据传输速度最高可达 4 0 m b s ，甚至在本地总线上可达1 g b s 。v x i 总线的另一个优点是具有分如性 职能的潜力t 可在共享存储器体系结构上与背板上多个微处理器进行信息交换。 通过背扳上的数掘传输，可使数据带宽比系统中任何个器件所能达到的带宽都 哈尔滨理上人学工学硕士学位论文 耍宽。多极优先权可提供严格的中断处理，在判断电路中能高效利用数据总线， 有助于提高整个系统的信息吞吐量。 4 便于用户自行开发“虚拟仪器”虚拟仪器是测量仪器、计算机与软件 这三者的有机结合。它将仪器硬件( 如d a ，a d 转换器，数字i o 接f j ) 、计 算机资源( 如微处理器，存储器，显示器) 、软件( 如软面板，图形界面，数据 处理，信息交换等) 有效地结合起来，构成软硬件结合、虚实共体的新一代电子 仪器。 1 3 基于d s p 的数据采集系统 1 3 1d s p 在模块中的运用 在电子测量中，常常要对高速信号进行采集与处理。例如在雷达工程中对 电磁脉冲信号的测量，就需要对高速信号进行采集和处理，并且在对此类信号的 测量中，往往对数据采集和处理系统提出严格的要求。 随着计算机和微处理器技术的不断发展，数字信号处理( d s p ) 技术也得到 了飞速的发展，其应用越来越广泛。由于很多系列d s p 控制器将实时处理能力 和控制器外设功能集于一身，具有灵活的指令集、内部操作灵活、高速的运算能 力等特点，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。 对于高速数据采集与处理应用中，随着数据量的不断加大和实时处理要求 的不断提高，因此主要依靠内嵌式控制器或者外部计算机来进行数字信号处理的 工作方式在一些场合已不能满足要求。故提出用d s p 来控制并进行处理，以便 提高数据处理的实时性，并减小对数据传输速度和存储容量的压力1 1 ”i 。 1 3 2 利用d s p 技术提高v x i 模块的性能 v x i 总线测试系统为数据采集提供了强大的工作环境。其模块不仅具有良 好的电磁兼容性，而且对电源和冷却都有严格的要求。这样，v 总线系统就 能以高速率，大容量完成信号处理。d s p 强大的实时处理能力是它能快速响应 i o 口的变化，并进行高速数据传输和处理。因此，使用d s p 控制器的v x l 系 统模块能够大大的提高其系统的性能。d s p 芯片作为v x i 总线寄存器基器件的 主控单元，具有如下主要作用： 1 作为v x i 寄存器基接口的一部分，d s p 按照寄存器基规范协议，解释消 哈尔滨理 ：人学上学硕十学位论文 息和程控命令，完成与系统控制器和其它器件之间的通信。 2 d s p 对数据采集系统各部分进行控制，如初始化设置、功能设置和过程 控制等。 3 数据预处理。根据系统的要求，d s p 可以对所采样的数据进行处理，以 减轻主机负担，提高系统效率。d s p 特有的哈佛结构和精简指令集，使它特别 适合于数据运算，如f f t 和数字滤波等。 4 充分发挥d s p 微处理器的运算能力来消除干扰，提高测量精度。 5 充分发挥d s p 丰富的i o 口资源，组建高速多通道数据采集系统m i ： 1 4 v x l 数据采集模块的发展概况 随着电子计算机的广泛应用，社会的数字化程度越来越高，数据采集也随 之越来越重要。数据采集技术在许多场合，如航天、航空、通信、交通、邮电等 都得到了大量的应用。近年来，随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈 现出速度更高、通道更多、数据量更大的发展趋势f 1 9 1 。 1 4 1 国外发展概况 高速数据采集模块是众多v x i 仪器模块之一，国外出于开展v x i 总线的研 究工作较早，因此在v x 高速数据采集模块的研制方面处于领先地位。如表1 1 所示，在国外比较大的几家仪器生产商如h p 、n i 等都生产出了基于v x i 总线 高速数据采集的数字存储示波器产品，比如h p s l 4 2 8 、n 1 5 1 0 2 等数字存储示波 器模块。h p 公司还有产品e 1 4 3 0 a ( 1 0 m s a s ) 和h p 5 4 6 1 5 b ( 1 g s a s ) ， h p 5 4 6 1 6 b 等产品采样率高达2 g s a s 。n i 公司作为v x i 总线联盟组织发起者之 一，已经开发出一系列基于v x i 总线系统的数字化仪产品，如n 1 5 1 0 2 ( 2 0 m s a s ) 、n 1 5 1 1 2 瓜1 5 9 1 l ( 1 0 0 m s a s ) 、n 1 5 1 2 4 ( 2 0 0 m s a s ) 等，这一系列 产品有不同的通道数和分辨率，在全世界都占有巨大的市场。同时z t e c 公司 也推出了最新的新一代高性能基于v x i 总线的单宽，c 尺寸数字存储示波器 ( z t 4 4 2 v x i ) ，z t 4 4 2 v x i 提供了8 位垂直分辨率及一个低相噪的采样时钟，能 够得到精准的波形获取和测试。很高的存储深度及多个存储段，顺序触发的可选 择保证了它能提供灵活和强有力的信号获取能力。而z t 4 0 0 v x t 采样率高达 5 0 0 m s a j s 。当然，美国的t e k t r o n i x 公司也不落后，它的产品t d s 2 0 1 2 具有两通 道，高达1 g s a s 的采样率，在同行中，处于领先地位。虽然这些产品指标性能 都很高，但是价格都不菲，售价都在几万甚至几十万元以上，故还不能为国内广 大用户使用脚1 。 表卜l 国内外数字化仪的比较 公司，单位主要研发产品 通道数，个最高采样率m s w s e 1 4 3 0 a i 1 0 h p e 1 4 3 7 a 】2 0 h p 5 4 6 1 5 b 2】，0 0 0 h p 5 4 6 1 6 b2 2 ，0 0 0 n 1 5 1 0 22 2 0 国外 n in 1 5 9 j li 1 0 0 n i s l l 221 0 0 n 1 5 1 2 442 0 0 t e k t r o n i xt d $ 2 0 1 22l ，0 0 0 d s a 6 0 2 a 42 ，o o o z r e cz t 4 0 0 v x i 15 0 0 z t 4 4 2 v x i21 ，0 0 0 中电科技集团第 a v 6 6 8 l4 1 0 0 4 l 研究所a v 4 4 4 32 2 5 0 j t 京航天测控技a m c 2 3 1 01 6 03 3 3 术开发公司a m c 2 3 l l 403 3 3 成都金维高 s d l 2 0 022 0 4 0 国内 科技实业有 s d l 2 1 024 0 限公司 s d e 3 0 0i2 0 电子科技大学28 0 浙江大学 2 2 0 华中理工大学 46 2 5 中国科技大学 l1 0 0 哈尔滨理工大学上学硕士学位论文 1 4 2 国内发展现状 目前，各研究所、公司、高校陆续开展了相应的研究。见表l 一1 所示，中国 电子科技集团公司第4 l 研究所研制了a v 6 6 8 1 模块，县有1 0 0 m s a s 采样率，四 通道、1 m 存储深度，而a v 4 4 4 3 两通道达到了5 0 0 m s a s 的采样率，在国内居 于领先地位；电子科技大学先后研制出最高速率有5 0 0 k s a s ，2 0 m s a s 和 8 0 m s a s 的高速数据采集模块，有1 6 通道和双通道两种。浙江大学研制的基于 d s p 的v x i 高速高精度数据采集模块具有双通道，每通道2 0 m s a s 的采样率， 4 k 的存储深度”6 】；华中理工大学在高速数据采集的研究中，开发了4 路每通道 采样率为6 25 m s a s 的模块1 2 1 1 ；而中国科技大学在这个领域的研究中，最后可以 使采样率达到1 0 0 m s a s ，8 位的分辨率，单通道采样 2 2 i ；还有国内几家仪器公 司，比如北京航天测控技术开发公司、成都金维高科技实业有限公司等都相继研 制出了多种采样率的数字化仪。 综上所述反映了我国近年来v x i 产品开发的技术水平已日趋成熟，但是同 国外相比，在产品质量和技术指标上应该意识到国内在理论研究与应用产品开发 上发展比较缓慢，研究水平还落后于国外发达国家，主要表现在软件功能简单， 采样速率不高，模数转换器的位数低，通道数少等方面；产生这样的差距的原因 一方面是由于我国电子工业综合技术与发达国家还存在着一定的差距；另一方面 是国内对数据采集技术的认识不足，技术投入欠缺。后一因素是影响国内数据采 集技术能否跟上国际先进水平的关键所在，因此在国内研究和开发高性能的 v x i 数据采集模块具有重要的意义。 1 5 主要研究内容 综上所述，本课题的基本内容是研究开发基于v x i 总线的高速数据采集模 块，该模块适用于工业中高速信号的测量，为组建v x i 总线自动测试系统提供 基础模块，主要技术性能指标达到国外同类产品先进水平。主要研究内容包括： 1 掌握v x i 和v p p 规范； 2 高速a d 驱动电路设计； 3 双通道2 0 0 m s a s8 b i ta d 转换电路设计； 4 基rd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 的软硬件系统设计； 5 利用c p l d 技术，对模块的控制逻辑和v x l 接口电路进行设计： 6 根据膜块各功能单元的特点，设计模块的电路板并进行硬件调试。 哈尔滨理i ：大学p 学硕士学谴论文 2 1 概述 第2 章总体方案设计 一个数据采集系统的主要特性包括以下几个： 1 系统通过速率； 2 系统精度； 3 系统分辨率： 4 系统线性误差： 5 系统共模抑制比； 6 系统通道串扰抑制比： 7 系统短期稳定度。 此外，数据采集系统还有一些很重要的技术指标，如系统控制方式，系统总 数据量，系统功耗要求，系统可靠性，系统自动增益调节方式等等。在这些技术指 标中，对于高速采集技术而言，最为重要的是系统的分辨率，精度与通过速率。特 别是系统通过速率，是区别高速数据采集与一般数据采集最为关键的一项技术指 标。系统通过速率主要取决于系统采用部件的响应时间，这包括预采样滤波器的建 立号恢复时间，多路开关的建立号 荻复时间，放大器的建立与恢复时间，采样保持 电路的捕捉时间，以及模数转换器的转换时间等。还有a d c 采集的数据传送到系 统存储器所需要的数据传送时i a j l ”i 。 根据实际数据采集系统所需的特性，设计一个数据采集系统通常分良下几个 阶段：根据要求确定方案；确定系统的各个组成部件或者从各个部件出发估计可能 达到的总的技术水平：各部分的电路设计及安装调试，直至整个系统达至q 预期的要 求为l 。 2 2 模块整体功能和技术指标 本模块采用寄仔器基接口，设计应符合v x l 规范，软件编制符合v p p 规范。 】模块的整体功能要求： ( 1 ) 两路独立的模拟输入通道： ( 2 ) 采样时钟可调； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 可程控量程转换； ( 4 ) 可选的多种触发方式： ( 5 ) 软件设计符合v p p 标准。 2 模块的技术指标及要求： ( 1 ) 单槽c 尺寸v x i 模块： ( 2 ) 单通道输入信号最高采样率为2 0 0 m s a s ： ( 3 ) 分辨率：8 b i t s ； ( 4 ) 准确度： 3 、y o 辨 圈2 - i 硬件电路原理框图 f i g2 一it h ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo f h a r d w a r ec i r c u i t 数握采集过程是这样的：两路模拟输入信号先进入高速高精度放大器a d 8 0 4 5 哈尔滨理f 人学工学硕十学位论文 进行信号调理放大，然后送入a d 转换器中进行模傲转换。转换后的数字信号先 在r a m 中进行缓存，缓存到满后，c p l d 向d s p 申请中断，d s p 响应中断后把 采样数据渎到内存中进行数据预处理，然后再由d s p 把处理后的数据传送给上位 机。其中自u 端的信号调理，高速a d 和存储r a m 的控制电路由一片可编程逻辑 器件c p l d 来实现，v x i 接口电路也是由c p l d 束实现的。电路设计中，除了模 拟电路几乎所有的逻辑电路均在l a t t i c e 公司的可编程器件c p l d 中实现，大大 提高了系统的集成度和可靠度。 模块的d s p 程序是由上位机在模块上电或者夏位后加载的。也就是说，在模 块上电或复位后，模块并不立即丌始工作，而是需要上位机把d s p 代码加载入模 块后，才丌始正常工作。这样就实现了系统的动态配置。对于不同的应用，只需要 加载不同的d s p 代码。从而节省了程序存储空间，提高了模块的灵活性。所有的 这些操作都通过p c 上的软面板来进行。 浚高速数据采集模块采集速率高，易受高频干扰，因此，如何采取措施解决 高频干扰是设计中必须考虑的问题之一。由于数据采集v x i 模块式虚拟仪器，对 各功能、量程的零点和增益的调节不能采用电位器，因此在虚拟仪器软面板程序中 必须提供相应的程控校准程序。上述几方面都是确定高速数据采集v x i 模块方案 时必须考虑的主要因素。 在仪器系统的设计中，仪器驱动程序的设计一向是最费时间与精力的工作， 而对于用户来说，仪器驱动程序就像一个神秘的“黑匣子”，不知其内部所含是何 内容，一切只能靠开发商决定。为了使系统正常工作，我们还必须编写灵活有效的 仪器驱动程序，并尽可能优化仪器的性能p 卅。 以上提出的这些关键问题我们将在下面章节中详述。 2 5 本章小结 本章讲述了数据采集系统的主要特性，指出了采集系统中的几个重要的技术 指标，根据数据采集系统的特性确定了本设计模块的整体功能和预期达到的主要技 术指标，并分析了分辨率、精度与通过速率这三个主要技术指标在本设计系统中的 实际应用问题，可以指导我们在研制过程中有的放矢。同时确定了模块的整体研制 方案，设计出了硬件电路原理框图，充分阐述了高速数据采集模块的工作原理及其 设计中需要注意的关键问题。 堕丝堡堡兰叁兰三兰堡：! 耋堡篁奎 第3 章高速数据采集模拟电路设计 3 1 前端模拟信号调理电路设计 前置模拟信号输入网络是被测信号的采集和传输通道，同时也是外界及内部 干扰汇入的主要渠道。因此前置模拟输入网络方案设计的优劣将直接影响到整体测 量结果的准确度及测试模块的整体指标。本模块设计中，两个通道同时采集，因此 对应两个完全相同的模拟输入通道。如图3 - 1 为其中一个输入通道的功能框图。 模拟信号 = ： 至垂亘至 二二 j 至至亘三 二二斟二圃 图3 - 1 模拟输入通道功能框图 f i g 3 1t h ef u n c t i o nb l o c kd i a g r a mo f a n a l o gi n p u tc h a n n e l 3 1 1 衰减网络阻抗匹配电路 对于给定的网络，就有相应的衰减，其值具有唯一性，这是由阻抗匹配这一 先决条件所决定的。阻抗匹配就是通过阻抗变换或调配，使负载阻抗上获得最大不 失真功率。由于本模块是高速数据采集，适用于高频信号采集，如果直接对模拟信 号进行衰减或者放大，会使信号有较大的失真度。因此，必须对其进行阻抗匹配， 以减少信号的失真，提高信号的传输效率。衰减网络电路图如图3 2 。 图3 3 是模拟输入信号( 幅度1 0 v ) 从i h z 2 0 0 m h z 频段的衰减输出仿真 图，从图a ) 可以看出，大部分频段输出电压都是保持在9 9 8 9 8 4 4 m v ，在 2 0 0 m h z 附近的频段是1 0 0 6 0 v ，其信号的电压在整个频段的偏差保持在1 以 下；图b ) 是信号衰减1 0 0 倍的仿真图，从图中可知在频率1 m h z 1 0 0 m h z 之间的 电压是1 0 12 7 2 5 m v ，其它的频段都保持在9 8 9 4 9 6 m v ，其信号输出电压的偏差都 保持在j 左右，所以本设计的整个衰减网络的输出偏差都保持在1 3 以下。可见 信号失真度非常小，达到了预定的设计要求。 3 1 2 放大调理电路设计 由于a d 9 4 8 0 的输入端需要差分信号，所以我们选取了高精度电压反馈放大 器作为模拟信号的前端驱动，对信号进行放大，电平转换调理。模拟信号调理电路 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 如图3 - 4 所示。a d 8 0 4 5 是a d 公司生产的双极性电压反馈放大器t 具有1 g 带 宽，低失真，低噪声，是8 b i ta d 转换器的理想驱动器。在图中，由继电器k l 、 k 2 、k 3 、k 4 来选择放大回路，通过运放a d 8 0 4 5 将输入模拟信号v i n 分别放大1 倍、2 倍和5 倍。放大后得到的o u t 0 ( 幅值为05 v ) 是一个单端双极性信号， 经过u a 5 、u a 6 缓冲后双端输出，以差分信号的方式输入到a d 9 4 8 0 的输入端。 由于a d 9 4 8 0 的两路模拟输入为差动信号，因此需要一个直流偏量来调理其模拟输 入信号，来满足a d 转换器的要求。如图3 - 4 ，其中直流偏量的参考电压r e f 0 ( i v ) 是由a d 转换器a d 9 4 8 0 的v r e f 提供。a d 8 0 4 5 采用双极性电源供电( 5 v ) ，在其输出端有一个无源r c 滤波网络，它用来滤去a d 8 0 4 5 的高频分量。这 个滤波器的带宽可以根据输入模拟信号的频率调节，提供抗混叠滤波功能。从图中 看出，模拟输入o u t 0 经过a d 8 0 4 5 被变换成了差分信号，它们的共模电压为 v i a = ( v i n a + v i n b ) 2 = i v = r e f 0 ，差模电压为v l c = ( v i n a v i n b ) 2 = v i n 。差 分信号的抗干扰能力很强，传输距离远，因此大大较低了系统噪声对模拟信号的影 响1 。 一” ii 。堂p 呵阳 图3 - 2 衰减网络电路图 f i g3 - 2t h e a t t e n u a t o rn e tc i r c u i t 喻尔滨理一f 大学工学硕士学位论文 岂 = 蛊 己 ， 考 1 0 0 m0 点 ： 0 c o mi o o 1 0 k1 1 日 f r e q u e n c y a ) 衰减1 0 倍 a )a 雠e n u a t e1 0t i m e s ；：。j 一? ：- j 盖k ；二j 一一二黔i * ：? ：w ：，：j ：t ，1 j j：+ _ + ”? t ： 。 。： “一一。i，一y ： 4+ ，一、：= ：t ；：掌。一，。 。一 - 。：。 +-。，- 。一 。， _+ h “， _ 1 j o v 11 0 1 一 、x22 0 i9 2 5 5 、 t 2 ，b 9 4 9 6 m l 出 1 9 口1 1 5 d b y一2 2 2 知 、1 ，“ 5 ： i ，衄一3 0 l 、 i i0 0 0 0 2 e 日0 3 ，5 5 m “rj o j 、i 。1 。- - - - - 。一 f ”c ，m 4 b ) 衰减1 0 0 倍 b ) a t t e n u a t e1 0 0t i m e s 图3 - 3 信号输出仿真刳 f i g 3 3t h ee m u l a t i o nd i a g r a mo f s i g n a lo u t p u t - 1 4 ， 哈尔滨理工大学 二学硕t 学位论文 图3 4 模拟信号调理电路 f i g 3 - 4t h ea d j u s m b l ec i r c u i to f a n a l o gs i g n a l a d 8 0 4 5 驱动器的典型特点为： 1 1 g h z ，3 d b 带宽，增益1 ； 2 1 3 5 0 v m s 的转化速度： 3 7 5 n s 达0 1 的建立时间： 4 波失真一1 0 l 一1 0 6 d b c ： s z v a a z ；_ 9 0 - 9 8 d b c 2 0 m h z ； _ 6 0 一 7l d b c 7 0 m h z ； 5 声3 n v h z ： 6 1 0 m v 的偏置电压： 7 o0 1 的差动增益误差及o 叭。的差动相位误差； 8 2 0 0 9 v 的失调电压及2 p a 的输入偏置电流。 a d 8 0 4 5 是a d 公司基于x f c b 双极性制造的，它内置有独特的反馈电路，使 得它的输出增益和相位特性相匹配，内置反馈电路还有效的消除了增益误差。 3 2 高速a d 转换 3 2 1 a d o 的选择 a d c 是数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指 标。由于系统采样速率的数值主要取决于a d c 的转换时间，而a d c 的位数叉决 一：堡堡些塑些丝兰鍪垒二：一 定了系统的分辨率和精度。因此a d c 的正确选择决定着整个系统的技术性能”“。 a d c 可以根据它们的精度、分辨率以及速度来分类，也可以按其测量方法分 类。按测量方法一般可分为：对输入信号某一时刻的瞬时值进行采样测量，或取输 入信号一定时间问隔的平均值进行测量两种形式。所有的a d c 均存在量化误差， 这种误差是不可能人为改变的。设计者必须选择具有足够高分辨率的a d c ，将量 化噪声减少到可以允许的程度。每增加一位分辨率，量化噪声大约下降6 d b 。这样 一个i o 位分辨率的转换器，其量化噪声峰峰值( p - p 噪声) 为满度值的- 6 0 d b 。表 3 - 1 表示量化噪声与a d c 分辨率的关系。 a d c 的转换速度( 或转换时间) 是另一项重要的技术指标。它决定数据采集 系统带宽的上限。要求的转换速度一般也决定了应选择何种类型的a d c 。表3 1 2 列出了目前常用的各类a d c 的一些特征。 根据以上分析可知，为了满足系统要求的采样速率，数据采集部件必须选用 闪电式a d c ，其位数的选择将由系统允许的误差值决定。闪电式a d c 又称作并 列式a d c ，它的一个突出特点是其具有很高的采样率，可用于直接转换快变的信 号，无需借助采样保持电路s h a 。 表3 1 量化噪声与a d c 分辨率的关系( 满度值为i o v ) 分辨率 - l s b p - p 噪声噪声d b f s 8 位 0 1 9 3 9 m v 4 8 2 d b l o 位 0 ，0 4 8 9 8 m v。6 0 ，2 d b 1 2 位 o 0 1 2 2 4 4 m v- 7 2 ，2 d b i 4 位 0 0 0 3 6 1 0 p v ，8 43 d b 1 6 位 0 0 0 0 7 6 1 5 2 b t v 9 63 d b 表3 - 2 a d c 性能比较表 转换器类型转换速率成本，复杂性备注 v f 式 速率低 低 斜坡式速率低 低 速率低，缺乏长期稳定性 舣积分式速率低 中等 对输入信号积分，可用于高分辨率场合 逐次馗近式谜率中等中等要求要稳定的输入 闪电式速率最快高 哈尔滨理上火学 学硕士学位论文 3 22a d 转换电路 经过调理后的模拟信号被输入a d 转换器进行模数转换。我们选用的a d c 是美国a n a l o gd e v i c e 公司生产的a d 9 4 8 0 芯片。 a d 9 4 8 0 是a d 公司最薪推出的8 位a d 转换器。具有2 5 0 m s a s 的转换速 率，同时保持o 2 5 l s b 优良的微分