1仪器的工作原理及系统构成-高速数据采集卡
基于FPGA的1GHz数据采集卡研制 (1)
摘要摘要目前高速数据采集在电子产业中的应用越来越广泛，尤其是在软件无线电和遥感，数字示波器、孔径雷达等需要解决大带宽信号的采集和处理的方面。
高速数据采集系统的要求包括具有高的数据采样速率和分辨率，大的模拟输入带宽和大容量存储设备等。
本文结合“瞬态高速运动目标测试雷达系统＂对数据采集的要求，设计了采样速率为１Ｇｓｐｓ的采集卡。
为了达到系统要求的采样速率，设计采用Ｅ２Ｖ公司的高速模数转换芯片ＡＴ８４ＡＤ００１，并通过三线串行接口设置使其工作在并行交错采样模式下。
使用大规模可编程逻辑器件（ＦＰＧＡ）作为系统时序和逻辑的核心，实现对高速数据的接收以及后续存储电路和ＵＳＢ２．０接口电路的控制。
存储电路部分选用４片镁光公司的大容量ＳＤＲＡＭ实现对数据的缓存，并通过ＵＳＢ２．０接口芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３实现与上位机之间的数据交互。
另外，高速电路板的设计过程不同于普通的电路，设计时必须要对电源完整性和信号完整性进行全方位考虑，论文对电路板设计要注意的事项进行了讨论。
论文给出了数据采集卡调试验证的过程，并对其中存在的一些问题进行了分析和修正。
关键词：高速Ａ／Ｄ采样；并行交替模数转换；异步ＦＩＦＯ；ＳＤＲＡＭ；ＵＳＢ２．０２高速数据采集卡及工作原理行多通道采样技术，即并行时间交替（Ｔｉｍｅ．ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）技术。
并行时间交替采样是对同一模拟信号直接输入到ｎ片Ａ／Ｄ（或者一个芯片的１１个通道），Ａ／Ｄ按照各自的采样时钟工作，ｎ片Ａ／Ｄ的采样时钟的相位差为３６０／ｎ度，系统的采样率为ｎ片（或ｎ个通道）ＡＪＤ的总和【１０ｌ。
下面结合本系统所采用的ＡＤＣ芯片ＡＴ９４ＡＤ００１Ｂ详细阐述其工作过程：系统所用的ＡＴ８４ＡＤ００１Ｂ中含有两个独立的ＡＤＣ转换器，时钟ＣＬＫＯ和ＣＬＫｌ的频率相同，相位差为３６０／２，即相差１８０度。
其中一路在ＣＬＫＯ的上升沿取样，采样点为奇数点；另一路在ＣＬＫＩ的上升沿取样，采样点为偶数点。
便携式计算机测控系统的组成_概述及解释说明
便携式计算机测控系统的组成概述及解释说明1. 引言1.1 概述：随着科技的不断进步和发展，便携式计算机测控系统在各个领域中的应用越来越广泛。
它通过集成多种硬件和软件组件，实现了对各种设备、仪器进行控制和数据采集的功能。
这种系统具有小巧便携、灵活可靠、高度集成等特点，在工业生产、农业科研、医疗诊断等领域都具有重要意义。
1.2 文章结构：本文分为五个部分进行论述。
首先是引言部分，对便携式计算机测控系统做一个概述，并介绍文章的结构和目标。
其次是便携式计算机测控系统的组成部分，包括系统硬件组成、系统软件组成以及数据传输与处理方面的内容。
然后对便携式计算机测控系统进行深入解释，讨论其定义、应用领域以及优势所在，并展望了未来的发展趋势。
接下来是正文内容一，详细阐述了该系统的一些要点，并提供相关解释和说明。
最后是结论和总结部分，总结了本文的主要发现和结果，同时提出了进一步研究的建议。
1.3 目的：本文旨在全面介绍便携式计算机测控系统的组成，并解释说明其在各个领域中的应用和优势。
通过对系统硬件组成、系统软件组成以及数据传输与处理等方面进行详细分析，读者能够全面了解便携式计算机测控系统的构成和工作原理。
同时，通过深入探讨该系统的定义、应用领域以及未来发展趋势，读者可以更好地把握其在科技进步和产业发展中的重要作用。
希望本文能够为相关行业从业人员、科研人员以及研究者提供有益的参考和指导。
2. 便携式计算机测控系统的组成2.1 系统硬件组成便携式计算机测控系统通常由以下硬件组成：1) 主机/控制器：便携式计算机测控系统的核心部分，负责执行数据采集、传输和处理等任务。
主机/控制器通常由高性能的微处理器、嵌入式系统和相关接口模块构成。
2) 传感器/检测仪器：用于实时监测和检测不同物理量或参数变化的装置。
传感器可以是温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。
通过与主机/控制器连接，传感器能够将实时数据传输给主机/控制器进行处理。
3章 数据采集技术解读
第三章 数据采集技术
测量放大器
模拟多路转换器
采样保持电路
A/D转换器(ADC)及其接口设计 数据采集系统设计及举例
数据采集技术
将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成 数字量后，再收集到微机进一步进行显示、处理、记录和传 输的过程。
智能仪器的数据采集系统
简称DAS（Data Acquisition System），是指将温度、压
力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后， 以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的系统或装置。
第一节 数据采集系统的组成结构
传感器
模拟信号调理
数据采集电路
微机系统
图3.1 数据采集系统的基本组成
一、数据采集系统的结构框图
输入信号有各自独立的 参考电压，或者信号长 传输引起严重共模干扰。 发挥共模抑制能力，通 道数一半
图3-12 模拟多路转换器的配置
伪差动式
3.3.3
常用的半导体多路转换器芯片
图 图3-13 3-13 AD7501(AD7503) AD7501(AD7503)和 和AD7502 AD7502的功能框图 的功能框图
00:02:48
图3-15 多路切换系统的等效电路 a)低频等效电路 b)高频等效电路
N-1通道被关断的信号在负载上产生的泄漏电压总和：
Ri+Ron<<RL<<(Ri+Roff)/(N-2) 2Ri+Ron<<Roff
1)减小Ri，为此前级应采用电压跟随器。 2)选用Ron极小、Roff极大的开关管。 3)减少输出端并联的开关数N。
对称结构使得具有很高的共模抑制能力 电路参数应对称以保证共模抑制能力 R1=R2,R3=R3, R5=R6
测控技术与仪器课程
测控技术与仪器课程
测控技术与仪器课程是一门涉及测量和控制技术及相关仪
器的课程。
它主要涵盖以下内容：
1. 基本测量原理和技术：介绍物理量的测量原理、测量误
差及其处理方法，测量系统中常见的传感器、放大器、滤
波器等基本元件的工作原理和性能指标。
2. 仪器与测控系统：介绍各种常用的测量仪器和测控系统，如示波器、信号发生器、频谱分析仪、数据采集卡等，以
及其使用方法和特点。
3. 仪器校准与维护：介绍仪器的校准方法和过程，包括标
准器的选择与使用、校准曲线的绘制与修正等内容，以确
保仪器测量结果的准确性和可靠性。
4. 数据采集与处理：介绍数据采集方法和技术，在不同应用场景中采集和处理不同类型的信号数据，包括模拟信号和数字信号的处理，以及实时数据采集和存储等。
5. 自动控制系统：介绍自动控制系统的基本概念、组成部分和工作原理，以及常用的控制算法和方法，如比例积分微分（PID）控制器、梯形控制法等。
6. 实验与应用：通过实验和案例分析，将理论知识应用于实际测控系统的设计、调试和优化过程中，培养学生的实践能力和解决问题能力。
通过学习测控技术与仪器课程，学生可以掌握基本的测量和控制技术，了解各种测控仪器的原理和使用方法，培养实践能力和创新能力，为从事测控技术相关领域的工作打下坚实的基础。
高速计数器原理
高速计数器是一种用于测量装置运动次数或周期的计数器，通常用于测量物体的运动速度、位移或时间。
其原理主要是通过检测物体的运动信号，将其计数并累计，从而得到运动次数或周期。
高速计数器的工作原理通常基于光电式、磁感应式或霍尔效应等传感器技术。
这些传感器能够检测到物体的运动状态，并将其转换为计数信号。
光电式高速计数器利用光电效应将物体与传感器之间的距离变化转换为电信号。
当物体经过传感器时，会改变光线照射到光电元件上的强度，从而产生计数脉冲。
磁感应式高速计数器则通过检测物体的运动产生的磁场变化来计数。
而霍尔效应传感器则利用霍尔元件检测物体运动时产生的霍尔电势，从而产生计数脉冲。
除了传感器技术，高速计数器还通常配备了高速处理器和存储设备，以便对计数信号进行实时处理和存储。
高速处理器可以对计数信号进行滤波、整形和放大等处理，以适应计数器的性能和精度要求。
存储设备则用于存储计数数据，以便后续分析和应用。
在实际应用中，高速计数器通常用于工业自动化生产线的速度检测、位置控制、安全防护等方面。
例如，在生产线中，高速计数器可以用来测量传送带的速度，从而控制生产节拍；也可以用来检测物体的位移，从而监测设备的运行状态；还可以用来记录生产过程中的关键数据，以便分析生产效率和产品质量。
总之，高速计数器的工作原理主要是通过传感器技术检测物体的运动信号，并将其转换为计数信号，再经过高速处理器和存储设备的处理和存储，实现计数和累计的功能。
其应用范围广泛，涉及到工业自动化生产线的各个方面。
HD-2001使用说明书
一、简介HD-2001型低本底多道γ能谱仪符合国标GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》、国标GB50325-2001《民用建筑工程室内环境污染控制规范》和行标《放射性矿产地质分析测试实验室质量保证规范》的要求。
HD-2001型低本底多道γ能谱仪（以下简称γ能谱仪）是国内目前最新一代微机多道谱仪系统，技术独有，国内领先。
本仪器采用核工业北京地质研究院具有自主知识产权的新一代数字化全波高速采集系统，最大数据通过率达700Kcps，避免了以往环境γ谱仪在测量中、高含量样品时对采集信号的漏记，不需死时间修正即可实现了仪器量程的宽范围。
仪器的软件包括测量部分和分析部分，其特点在于采用全波采集、全谱测量，全谱参加计算机数据处理，这是目前国内外低本底碘化钠多道γ能谱仪中最先进的谱数据处理技术。
仪器采用中英文界面进行人机对话，操作方便，测量数据准确可靠。
仪器的主要用途及特点：1、常规测量：检测粉末样品中天然放射性核素铀（238U）、镭（226Ra）、钍（232Th）、钾（40K）的比活度和含量。
2、无损检测：检测石材样品中天然放射性核素镭（226Ra）、钍（232Th）、钾（40K）的比活度，同时给出被测样品的内、外照射指数I Ra、Ir。
能充分发挥核辐射测量的优势——非破坏性、快速、方便和成本低等优点的现场无损检测。
3、室内环境氡浓度检测：采用活性炭盒自然吸附法测量室内空气中的氡浓度。
4、活性炭盒法测量土壤中气体的氡浓度：采用活性炭盒主动吸附取样分析法测量土壤中气体的氡浓度。
此外还可以广泛用于核物理、核化学、冶金、地质、海洋、石油、医疗卫生、环保、天文学、考古学、土壤学、生物学等领域。
二、系统功能及主要技术指标1、ADC（模数转换器）（1）道数： 4096、2048、1024、512 道，本系统固定采用2048道；（2）积分非线性：±0.1%；（3）微分非线性：±0.05%（MAX）；（4）输入极性：负。
测控仪器设计-实验说明
实验二 多路绝缘电阻测试系统
一、 测试系统的组成
多路绝缘电阻测试系统由四个部分组成，分别是功能控制区、多路切换区、 电源区、数据读取及传输区。图1是系统整体框图。
图 1 多路绝缘电阻测试系统原理图
功能控制区
由PC机和单片机构成，PC机为程序控制。 系统选选用AT91SAM7S64 ARM 单片机，当PC机给出指令时让相应端口置低电平（常态为高电平），触发与其 连接的继电器吸合。 根据单片机的输入电压范围采用电脑USB接口对单片机提 供5v电压，实现脱机运行。
三、微动平台组成、功能及原理
微动平台是本系统的重要组成部分。主要包含微动台，导轨和样品台。 微动台产生特定模式（微动行程、频率、波形以及运行周期数）的微动。选 用柔性铰链支撑，压电陶瓷驱动（型号为 MPT-1JRL104A），见图3-1、图3-2。
图 3-1 MPT-1JRL104A 微动工作台
图3-2 微动工作台工程图
2.3 主要机械结构
系统机械结构参见图2-3。
图 2-3 系统机械结构示意图
各部件作用： 底板—支撑整个微动机构； 减振垫脚—减小环境对微动系统的震动并调节水平； 燕尾槽动滑块—固定微动台，并与导轨配合实现运动，便于实验样 片的拆装； 内六角锁紧螺钉－锁紧微动台； 微动台—实现微动； 立柱—支撑支撑板； 支撑板—支撑及固定直线轴承； 弹簧、滚花螺母、直线轴承与导柱—实现触头定位及加载力的传递； 直线轴承—固定导柱，完成轴向运动，减小径向间隙； 触头夹具—固定触头。
二、测试系统程序的软件操作
系统的操作界面如图2所示，而系统具体的软件流程图如图3所示。实验时可 选择A0—A15，B0—B15总共32个通道中的30个通道（其中通道21,22作为通信口 除外）采集数据。界面左侧可以设置采样个数和采样间隔，采样个数是每个通道 读取的数据个数，采样间隔即是读取每个数据之间的间隔，系统默认采样个数为 3，经过1s的采样间隔后再次采样；界面右侧的扫描周期是指一次大循环的时间 （若所选通道全部循环一次后尚未达到扫描周期，则程序不再读取皮安计数据存 入电脑，处于空闲状态）。程序所读取的数据会自动存到excel表格中，每个通 道对应一张表格。
数据采集卡
这是全局原理图：具体思路是模拟输入信号由输入级输入，经阻抗匹配和放大后进入ICL5510进行模数转换，出来的数据存放到FIFO高速缓存芯片IDT7203，单片机将数据读出再经由D12 USB发到电脑显示，上位机打算有NI公司的LabWindowsCVI来开发（也可以用VB,VC等）。
下面我分别介绍我的各部分电路：1．输入级电流比较大所以输入阻抗不是太大，300K欧，下面是NE5532 datashit的截图如果大家觉得输入阻抗不够大可以采用JFET的高输入阻抗运放，如TL082，它的封装与NE5532兼容。
第二级输入是加法放大电路，通过选取不同的反馈电阻进行小信号的放大。
由于ICL5510的输入电压范围是2V，所以大家根据需要，自行计算。
不过要说明的是由于运放采用+/-15V供电，最大输出可达+/-12V左右，所以放大倍数不能太大，输入的电压也要在自己设计的范围内。
也可以加一个稳压管进行限压保护。
下面讨论一下一个很重要的问题，输入带宽。
NE5532接成跟随器的带宽有10M,但在放大模式下会降低很多。
如9倍放大，跟理论放大倍数一致的带宽只能达到1M。
输入信号的频率再大，放大倍数就会相应变低，100倍放大带宽只有100KHZ。
下面是NE5532 datashit的截图：测试电路如下：频率响应如下：所以本设计的采集频率范围定为1M，如果你想设计更高速的输入通道那你就要采用更高速的运放，不过这些运放价格不菲，而且封装是一个元件一个运放（5532有两个）。
这里要说明的是为什么采用加法器，因为输入的信号有正负，如果输入一负信号，那经放大输出也是负信号，不满足5510的采样输入电压范围。
举个例：假如你输入一个+/-0.1v的信号，经加法器加上一个1v的电压，那得出的是+0.9~+1.1的电压信号，满足输入要求。
2．AD转换ICL5510ICL5510是CMOS,8位，20MSPS高速模数转换器，它采用半闪结构，5V电源供电，功率100mW。
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1 仪器的工作原理及系统构成
虚拟示波器是由信号调理器，PCI总线的数据采集卡组成的外部采集系统加上软件构成的分析处理系统组成。
被测信号送到信号调理电路，进行隔离、放大、滤波整流后送数据采集卡进行A/D转换，最后由控制软件对测试信号进行数据处理，完成波形显示，参数测量、频谱分析等功能。
系统结构如图1显示
图1 系统结构图
2 系统的设计及功能实现
2.1硬件部分
硬件部分主要包括传感器、信号调理电路及数据采集卡。
理电路针对不同的测试对象有不同的选择和设计。
数据采集是硬件部分的核心,
它的性能直接影响数据采集的速度和精度。
另外,LabVIEW可对NI公司的数据
采集卡进行驱动和配置，可充分利用采集卡的性能。
基于此，我选择的数据采集
卡是NI公司生产的。
下面主要介绍数据采集卡的性能和安装配置。
2.1.1 PCI—6010数据采集卡的简介
PCI—6010采集卡是基于32位PCI总线的多通道的数据采集设备，具有数
字输入/输出、模拟输入/输出和计数器等功能。
它通过SH37F—37M电缆与CB
—37F—LF 输入输出接口面板连接，该接口面板具有37个螺旋状的接口终端。
同时此数据采集卡具有3个完全独立的DMA控制（模拟输入、定时/计数器0、
定时/计数器1）。
本卡还具有刻度校准电路系统。
由于运行时，时间和温度漂移
会引起一定的模拟输入、输出误差，为了使此误差最小，可以调整设备的校准刻
度。
而它的出厂校准信息存储在EEPROM中，不能修改。
而修改此信息必须通
过软件来实现。
该数据采集卡具有8个差动模拟输入通道（即16个对地单信号模拟输入通道），电压范围为±5V, ±1V,±0.2V；2个模拟输出通道，电压范围为±5V。
同时它还具有6个数字输入通道，4个数字输出通道。
数字输入的VIH(Input high voltag
e)的最小值是2.0 V, 最大值是5.25 V，VIL（Input low voltage）的最大值是0.
8 V, 最小值是–0.3 V；数字输出的IOH（Output high current）的最大值是–6 mA ，IOL (Output low current) 的最大值是2 mA。
信号通道的最大采样速率是200 kS/s (single channel) ，扫描时最大采样速率是33.3 kS/s (scanning)。
2.1.2 PCI—6010数据采集卡的安装
将NI PCI—6010数据采集卡插到计算机主板的一个插槽中，接好附件。
附件包括一个型号为CB—37F—LF的转接板，和一条SH37F—37M电缆。
转接板直接与外部信号连接。
在完成了NI PCI—6010数据采集卡的硬件连接后，就需要
安装该卡的驱动程序。
安装步骤如下：
（1）运行程序→National Instrument DAQ→NI-DAQ Setup。
在出现对话框中
单击NEXT按钮。
（2）在出现的Seletct DAQ Devices对话框中选中NI PCI—6010，单击NEXT
按钮。
（3）在后续出现的全部对话框中单击NEXT按钮，即可完成NI PCI—6010数
据采集卡的安装。
（4）重新启动计算机。
完成数据采集卡的安装。
2.1.3 PCI—6010数据采集卡的配置
在安装好数据采集卡后就要对其进行系统配置。
点击图标Measurement & Automation Explorer,在弹出的Devices and Interface 中进行I/O配置。
(1) 这支采集卡在系统的设备的编号：将参数Device值设为1；
(2) 设置模拟输入AI的属性：将Polarity 值设为-5V~+5V,将Mode属性设
置为Differentioal(差动)；
(3) 设置模拟输出AO的属性：在AO窗口中，将属性设为Bipolar(双极性)。
在完成上述设定之后，单击“确定”按钮。
在Systerm窗口中有“Test Resources”按钮，可检验设备是否正确配置。
通过后再进行简单的通道配置，即可完成数据采集卡的全部设置。
2.2 软件部分
LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench——实验室虚拟仪器工程平台）是美国国家仪器公司（NI公司）推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。
它是NI公司开发的面向仪器与测控过程的图形化开发平台，它的概念，是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合。
本设计中采用LabVIEW7.1。
概括地讲，系统软件总体上包括数据采集、波形显示、参数测量等三大模块，
其流程如图2所示：
图2 软件流程图
2.2.1 数据采集模块的设计
数据采集模块式虚拟示波器软件的核心，主要完成数据采集的控制，数据的读取及数据的转换。
数据采集卡通过多路开关、A/D 转换新片和数据缓存的几个部件将多通道的模拟信号转换成数字信号并贮存在其缓存中，而计算机通过LabVIEW中的数据采集VI对数据采集卡中的几个部件的运作进行控制，数据采集卡和计算机之间通过计算机总线含通信，交换数据和控制信息。
一个多通道波形数据采集的过程一般包括以下几个步骤：
(1) 数据采集卡有关的采样参数（采集频率、采集次数、采集通道、数据缓
存的大小）
(2) 采样开始，多路开关对采样通道进行一次扫描，每个通道采样一个点。
（3）A/D 转换。
（4）数字信号存到数据缓存。
（5）重复（2）~（4），直到采集到了所需的采样次数，全部数据顺序存储
到缓存中。
（6）从数据采集卡的缓存中读取数据到计算机的内存中。
其程序代码如图3
：
图3 数据采集部件
2.2.2 波形显示模块
波形显示模块主要包括幅值调整、位移调整和精度调整。
波形显示主要用Waveform chart 控件。
通过幅值、位移及精度的调整，可方便的放大或延展波
形，便于观察。
其代码
如图4：
图4 参数控制部件
仪器前面板如图5所示。
图5 仪器面板图
总的程序代码如图6所示。
图6 总的程序代码图
3 结束语
外接一台信号发生器，皆能轻松实现虚拟仪器的调试和检验。
经过软件修改，在一台示波器上还能实现频谱分析、频率电压转换等普通示波器所根本不具有的功能，充分体现了软件设计的灵活性。
另外，将虚拟仪器技术与网络技术结合进
行远程数据采集，可以充分发挥虚拟仪器的优势，最大限度地实现硬件资源共享，随着计算机技术的迅猛发展以及各种高性能的数据采集卡的大量涌现，虚拟仪器
的应用前景将非常广阔。