虚拟仪器基础实验

《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6.6DDS信号源的设计《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AIN3AIN1AIN2DINDOUTAOUT1AOUT2AIN462芯I/O插座《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》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》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》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》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RAM07~DD015~AA模入A模入B计数入数字出数字入模入A模入B计算机015~AA015~AA015~AA07~DD07~DD07~DD07~DD07~DD07~DD07~DD07~DD07~DD07~DD《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RAMEPP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ABCDabcde采集频率选择码IVCK触发WRRD40MHzX4计算机N12位1K2K1A2A高阻衰减器前级放大器低阻衰减器后级放大器8位100MHz64KBDACsfclkf《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2n《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)K1A1K2A2S1S2S3S4(程控码)0.0520151401100.11012.51401000.2511.251400100.5210.51400001112.50.14010120.511.250.14001150.210.50.140001100.10.12.50.141101200.050.11.250.141011500.020.10.50.141001《虚拟仪器技术》第11页前级调理电路的设计包括输入电路、前置放大器、中间衰减器等，其主要任务是将被测输入信号进行衰减或放大，或得后面ADC所需幅值的电压输入高阻分压DCAC900K100K750×41K37516775075045050低阻分压器5/2.5/1.25/0.5AD8066375375750×45S1R2R1S3S2S2U1UXABY0X3X3Y0Y3U0X1XX4S1A+__++_1C2C《虚拟仪器技术》第12页2、输入电路主要由输入衰减器和输入耦合（AC和DC）选择开关S5组成输入衰减器由R1C1和R2C2组成衰减器的衰减量为式中Z1为C1和R1的并联阻抗，Z2为C2和R2的并联阻抗。若R1C1=R2C2（调节C2来满足），则衰减量为2222112121122111oiRUZjRCkRRUZZjRCjRC2222112121122111oiRUZjRCkRRUZZjRCjRC2211212oiUZRkUZZRR《虚拟仪器技术》第13页图给出了调整补偿电容时，方波脉冲信号通过衰减器的波形。图（a）为正常（最佳）补偿的波形，此时波形无失真。图（b）为过补偿的波形，图（c）为欠补偿的波形。(a)最佳补偿（b）过补偿（c）欠补偿《虚拟仪器技术》第14页3、前级放大器前级放大器采用测量放大器的电路结构形式，它由高输入阻抗、低噪声、宽带（145MHz）的场效应管双运放U1U2（AD8066）和宽带运放U3（AD844）组成。U1、U2和U3构成的程控增益测量放大器，当控制双4选1模拟开关的通道选择码S2、S3时，则改变了放大器的增益。S2、S3与增益A1的对应关系如表S2S300011011A10.51.252.55《虚拟仪器技术》第15页后级驱动放大器的设计ADC的驱动放大器的直流和交流性能直接影响ADC。交流性能包括：带宽、建立时间、谐波失真、总谐波失真、噪声及总谐波加噪声失真（THD+N）。直流性能包括：增益、失调、温漂及增益线性误差。选择驱动放大器的原则是：放大器的性能指标应该优于ADC的性能指标。（1）ADC驱动放大器的带宽要实现高速转换，输入级的频响非常重要，通常要求输入缓冲驱动级的响应要高于A/D转换的响应。（2）ADC驱动放大器的噪声。大部分采样ADC的输入带宽都比其最大采样频率大很多。而ADC的驱动放大器的带宽又比ADC的输入带宽大，通常《虚拟仪器技术》第16页（3）ADC有差分输入与单输入。有的ADC的输入级完全是差分输入电路，但是用单端或差分电路驱动都可以，例如AD9288、AD9220/21/23、AD9050。为了取得更低的总谐波失真（THD）和最佳的无杂散动态范围（SFDR），应该用差分放大器或差分变压器去驱动ADC。（4）根据信号是单极性还是双极性，以及A/D转换器要求的输入电平范围，驱动放大器还要完成极性变换和电平转换。例如AD9288需要约+1V的直流偏置电压，而且为单极性的电压，它要求有信号输入时AD9288的输入电平范围为（1±0.5）V，即在+0.5V~+1.5V之内，驱动放大器应完成所需要的极性变换和电平变换。《虚拟仪器技术》第17页2、驱动放大器的电路设计+_+_?AD9288+_+_+_+_DAC7512-128mV~+128mVAD80545105105105105105102567347~UU5U6U7U9U510510+5Viu5105105102k10k51010k8UINAAINREFAOUTREFINREFB________INAA07~DDBCDA0~5V-5V~+5V1.25V4U10kOP07OP07输出数据被测信号《虚拟仪器技术》第18页2.虚拟仪器的通用硬件平台（1）通用硬件平台的基本功能信号采集（模拟、数字输入）；信号产生（模拟、数字输出）；信号调理（信号幅度、频率、驱动、隔离等）；定时与计数；大容量数据存储。实时信号处理。总线与通信。《虚拟仪器技术》第19页6.4高速采集及存储系统设计采集和存储系统方案设计以一片高速双A/D转换器AD9288为核心，在高密度可编程逻辑器件EPIC6Q240C6的控制下构成双通道数据采集系统。上位机通过发送命令实现诸如采样频率、量程设定和工作模式等设置命令给DAQ主板，经调理后的信号从ADC的引脚输入，数据采集完成之后通过逻辑控制直接将双通道数据分别存储至64K大容量RAM（IS61LV6416）。然后由上位机将采集数据读入。采集的时序控制由FPGA逻辑电路完成。《虚拟仪器技术》第20页系统结构图A/DA/DRAMRAM锁存锁存触发采集控制RAM地址计数器总线接口时钟分频器标准总线读写计数外触发通道A通道B写采集时钟（40MHz时钟）0fsfFPGA《虚拟仪器技术》第21页采集与存储的连线和时序图采样时钟AD输出数据D0~D7计数器输出地址存储器写信号sf____()WE采样时钟减输入sfAENC_____RD加输入____WE____OB0A7A8A15A15A8A7A0A………………………………____INAA7AD6AD5AD4AD3AD2AD1AD0AD7/IO6/IO5/IO4/IO3/IO2/IO1/IO0/IO½AD9288IS61LV6416地址计数器（FPGA)双向（a）（b）INAAsf地址计数时钟015(~)AA《虚拟仪器技术》第22页采集系统核心器件——AD9288AD9288是AD公司提供的半闪存式双8位高速模数转换器，该器件使用+3V电源，最大采样频率为100MSPS，输入模拟带宽可达475MHz以上，有内置基准电压源，在高速转换的同时能够保持低功耗，在每个通道100MHz的速率下，其功耗仅为90mW。ENCDDEAENCDDEBN-8N-6N-4N-2NN+2N+4N-7N-5N-3N-1N+1N+3N+570AADD70BBDDAtENtELt1/stNN+1N+2N+3N+4PDtVt,ININAAAB,ININAAABENCDDEA,B70BBDDPDtVtAtENtELt1/stNN+1SAMPLEN+2SAMPLEN+3SAMPLEN+4N-4N-3N-2NN+1N+2N-4N-2N-3N-1NN+1N+2N+5(a)A,B通道用同一个时钟的定时图(b)A,B通道用两个时钟（相位差）的定时图0180《虚拟仪器技术》第23页1、ADC设计的几点考虑高速AD的特点：100MHz以上的高速A/D器件，大多采用并行转换结构，采用以空间换时间的策略。并行比较方式的另一个缺点是加重了输入级负载并行比较还有功耗大的缺点，这也限制了它的位数的增加。采用流水线结构都应有数字误差补偿技术以保证转换的正确性。为了减少比较器数量，并行比较的方式下精度（分辨率）不可能很高，因为并行结构的比较器是按的方式增长，做到10位后就很难再高了。近年来速度在100MHz以下的A/D转换器中流行一种流水线型串并结构。流水结构带来的优点是，它能兼顾速度与分辨率，同时对降低功耗、减小输入级负载也都有好处。《虚拟仪器技术》第24页ADC设计的几点考虑：1）选择A/D芯片时，精度和速度的指标应当留有裕量高速A/D器件的性能主要是指转换速度（或取样速度）和分辨率按器件给出的速度指标全速运用也是不可取的。2）对A/D芯片的外围电路有严格要求高速A/D器件对时钟的要求比较严格。对基准电压源的要求也比较