电子科技大学：《虚拟仪器技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第6章 虚拟仪器概述

《虚拟仪器技术》 第6章虚拟仪器概述 本章概述 61概述 62高速多功能DAQ主板 63模拟输入信号的调理 64高速采集及存储系统设计 65时序控制逻辑设计 66DDS信号源的设计 第1页

《虚拟仪器技术》 第1页 第6章 虚拟仪器概述 本章概述 6.1 概述 6.2 高速多功能DAQ主板 6.3 模拟输入信号的调理 6.4 高速采集及存储系统设计 6.5 时序控制逻辑设计 6.6 DDS信号源的设计

《虚拟仪器技术》 61概述 虚拟仪器通用测试平台的组成 虚拟仪器通用测试平台由硬件和软件两大部分组成 硬件部分包括:(1)个人计算机(PC)(2)外置式多 功能DAQ主板(3)系列化的测试与实验电路模板 实验电路板 62芯o插座 两路高速AD采集 FPGA控制逻辑 NourI 两路DDs信号源 6位电子计数器 第2页

《虚拟仪器技术》 第2页 6.1 概述 ◆ 虚拟仪器通用测试平台的组成 ➢ 虚拟仪器通用测试平台由硬件和软件两大部分组成 ➢ 硬件部分包括：（1）个人计算机（PC）（2）外置式多 功能DAQ主板（3）系列化的测试与实验电路模板 实验电路板 电源 扩展I/O 两路高速A/D采集 双积分A/D转换 16路入 16路出 FPGA控制逻辑 EPP 接口 两路DDS信号源 6位电子计数器 通用计算机 AIN3 AIN1 AIN2 DIN DOUT AOUT1 AOUT2 AIN4 62芯I/O插座

《虚拟仪器技术》 软件部分包括:(1)基于 Windows环境下的虚拟 仪器软件开发平台 Labview或 Lab windows/cvi;(2) 虚拟仪器库,包括有示波器、信号源、电压表、计数 器等十余种虚拟仪器驱动程序库;(3)系列化的测试 与实验的示范程序软件包。 虚拟仪器通用测试平台的应用 (1)各种模拟电路的测试 ■(2)各种数字电路的测试 (3)各种电参数的测试 ■(4)各种非电量的测试 第3页

《虚拟仪器技术》 第3页 软件部分包括：（1）基于Windows环境下的虚拟 仪器软件开发平台LabVIEW或LabWindows/CVI；（2） 虚拟仪器库，包括有示波器、信号源、电压表、计数 器等十余种虚拟仪器驱动程序库；（3）系列化的测试 与实验的示范程序软件包。 虚拟仪器通用测试平台的应用 ◼ （1）各种模拟电路的测试 ◼ （2）各种数字电路的测试 ◼ （3）各种电参数的测试 ◼ （4）各种非电量的测试

《虚拟仪器技术》 62高速多功能DAQ主板 ◆高速数据采集技术概况 随着科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用,对 数据釆集系统的许多技术指标,如采样率、分辨率 存储深度、信号处理速度、抗干抗能力等方面提出了 越来越高的要求,其中前两项为评价超高速数据采集 系统的最重要技术指标。 超高速数据采集技术已广泛应用在雷达、导弹、通信、 声呐、選感、图像、地质勘探、振动工程、无损检测 智能仪器、语音处理、激光多普勒测速、光时域反射 测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等多个 领域,进而不断推动着这些领城的发展。 第4页

《虚拟仪器技术》 第4页 6.2高速多功能DAQ主板 ◆ 高速数据采集技术概况 ➢ 随着科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用，对 数据采集系统的许多技术指标，如采样率、分辨率、 存储深度、信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了 越来越高的要求，其中前两项为评价超高速数据采集 系统的最重要技术指标。 ➢ 超高速数据采集技术已广泛应用在雷达、导弹、通信、 声呐、遥感、图像、地质勘探、振动工程、无损检测、 智能仪器、语音处理、激光多普勒测速、光时域反射 测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等多个 领域，进而不断推动着这些领域的发展

《虚拟仪器技术》 ◆高速数据釆集的关键技术 1、高速A转换技术 最高采集速率首先受到采集器件AD转换器性能的限制,高速 A/D器件是关键。目前,模数转换器件的速度高达1000VHz 分辨率已高达24位;数模转换器件的速度也高达500MHz,分 辨率达18位。 在集成电路性能上,速度与精度总是一对矛盾体。 器件的发展是在三个方面进行: 是专攻速度 二是专攻精度 三是保证速度与精度兼顾 第5页

《虚拟仪器技术》 第5页 ◆ 高速数据采集的关键技术 ➢ 1、高速A/D转换技术 ✓ 最高采集速率首先受到采集器件A/D转换器性能的限制，高速 A/D器件是关键。目前，模数转换器件的速度高达1000MHz， 分辨率已高达24位；数模转换器件的速度也高达500MHz，分 辨率达18位。 ✓ 在集成电路性能上，速度与精度总是一对矛盾体。 ✓ 器件的发展是在三个方面进行: 一是专攻速度 二是专攻精度 三是保证速度与精度兼顾

《虚拟仪器技术》 2、高速采样存储技术 √在高速采集中,每个新获取的采集数据都必须立即存 入采集存储器,因此它必须具有与采集速率同步的连 续接收数据的能力。 √为了降低对存储速度的要求,常用的解决办法是利用 多个存储器并行工作,采用分时轮流写入,从而降低 对单个存储器的速度要求,但这对高速锁存器和精确 定时逻辑又提出了很高的要求。 第6页

《虚拟仪器技术》 第6页 ➢ 2、高速采样存储技术 ✓ 在高速采集中，每个新获取的采集数据都必须立即存 入采集存储器，因此它必须具有与采集速率同步的连 续接收数据的能力。 ✓ 为了降低对存储速度的要求，常用的解决办法是利用 多个存储器并行工作，采用分时轮流写入，从而降低 对单个存储器的速度要求，但这对高速锁存器和精确 定时逻辑又提出了很高的要求

《虚拟仪器技术》 ◆高速多功能DAQ主板的方案 高速多功能DAQ主板由模拟ⅣO、数字ⅣO、定时 计数三大部分组成。 模 号调理 双路ADCD0 存RAM (衰减、放大) 模入 计数入 计数/定咕n FPGA逻辑控制 标准总线 通信接口 数字出 数字1OD 数字入 信号调理 (发大、衰减) 双路DAC D~存RAM 第7页

《虚拟仪器技术》 第7页 ◆ 高速多功能DAQ主板的方案 ➢ 高速多功能DAQ主板由模拟I/O、数字I/O、定时/ 计数三大部分组成。 信号调理 （衰减、放大） 双路ADC 缓存RAM 计数/定时 数字I/O 信号调理 （发大、衰减） FPGA 逻辑控制 双路DAC 标准总线 通信接口 缓存RAM D D 0 7 ~ A A 0 15 ~ 模入A 模入B 计数入 数字出 数字入 模入A 模入B 计算机 A A 0 15 ~ A A 0 15 ~ A A 0 15 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~ D D 0 7 ~

《虚拟仪器技术》 6.3模拟输入信号的调理 模拟输入通道的组成 高阻衰减器前级放大器低阻衰减器后级放大器8位100MHz64KB 输入 信号 RAM 计算机 码C WR N DAC 小触十控制 制逻辑 采集 MH 频率b 选择 第8页

《虚拟仪器技术》 第8页 6.3模拟输入信号的调理 ◆ 模拟输入通道的组成 高速 ADC 高速 RAM EPP 接口 触发控 制逻辑 地址 控制器 分频器 输入 信号 量程 选择 码 A B C D a b c d e 采集 频率 选择 码 IV CK 触发 WR RD 40MHz X4 计算机 N 12位 K1 1 K2 A A2 高阻衰减器 前级放大器 低阻衰减器 后级放大器 8位100MHz 64KB DAC s f clk f

《虚拟仪器技术》 ◆基本指标 (1)带宽:高速DAQ主板的被测信号的带宽很宽 (0~1GH以上) (2)分辨力:主要取决于ADC的位数,n位ADC,其幅度 (电压)分辨力为12 (3)量程:被测信号的幅度变化范围很宽,小到几亳伏 大到几百伏。 通道量程的设计 输入通道的量程从50mV到50V,按1、2、5的倍率划分成 10档 第9页

《虚拟仪器技术》 第9页 ◆ 基本指标 ➢ （1）带宽：高速DAQ主板的被测信号的带宽很宽 （0~1GHz以上） ➢ （2）分辨力：主要取决于ADC的位数，n位ADC，其幅度 （电压）分辨力为1/2n ➢ （3）量程：被测信号的幅度变化范围很宽，小到几毫伏， 大到几百伏。 ◆ 通道量程的设计 ➢ 输入通道的量程从50mV到50V，按1、2、5的倍率划分成 10档 2 n

《虚拟仪器技术》 模拟输入通道的量程设计 量程(V) A (KA,K,A,) 2(程控码) 0.05 20 A44 0110 0.1 10 0100 1.25 40010 0.5 4 0000 0.1 0101 0.5 1.25 0.1 0011 0.2 0.5 0.1 0001 10 0.1 0.1 2.5 0.1 4444 1101 20 00501125( 0.1 1011 500.0201050.1 1001 第10页

《虚拟仪器技术》 第10页 模拟输入通道的量程设计 量程（V） A (K1A1K2A2 ) K1 A1 K2 A2 S1S2S3S4 (程控码) 0.05 20 1 5 1 4 0110 0.1 10 1 2.5 1 4 0100 0.2 5 1 1.25 1 4 0010 0.5 2 1 0.5 1 4 0000 1 1 1 2.5 0.1 4 0101 2 0.5 1 1.25 0.1 4 0011 5 0.2 1 0.5 0.1 4 0001 10 0.1 0.1 2.5 0.1 4 1101 20 0.05 0.1 1.25 0.1 4 1011 50 0.02 0.1 0.5 0.1 4 1001