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數(shù)據(jù)采集的基本理論

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采樣過程為了對(duì)模擬信號(hào)用數(shù)字方法處理，應(yīng)先將模擬信號(hào)數(shù)字化，即進(jìn)行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程，包括三個(gè)內(nèi)容：一是采樣，二是量化，三是編碼。一個(gè)模擬信號(hào)首先經(jīng)過預(yù)采樣濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，然后由采樣器在每個(gè)采樣時(shí)刻讀出一個(gè)數(shù)據(jù)；再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)量化為二進(jìn)制數(shù)碼，數(shù)據(jù)之后保存到存儲(chǔ)器用于數(shù)字信號(hào)處理。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它的性能直接限制系統(tǒng)的性能。要使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能滿足工作條件，首先要選對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，有必要去了解模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展?fàn)顩r。采樣方式常見的采樣方式可分為“實(shí)時(shí)采樣”和“等效時(shí)間采樣”兩大類?！皩?shí)時(shí)采樣”是在信號(hào)存在期間對(duì)其采樣。如果對(duì)采集卡信號(hào)質(zhì)量要求比較高，需要對(duì)其做一些噪聲和電磁屏蔽處理。按照采樣定理，采樣速率必須高于信號(hào)中較高頻率分量的 2 倍；對(duì)于周期性正弦信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)該至少有兩個(gè)采樣點(diǎn)?！皩?shí)時(shí)采樣”除了通常使用的定時(shí)采樣外，還常常使用“等點(diǎn)采樣”，即“變步長采樣”。這種采樣方法不論被測(cè)信號(hào)頻率為多少，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均勻采樣的點(diǎn)數(shù)總共為 N 個(gè)。

數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)模式

觸發(fā)模式是指啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡AD轉(zhuǎn)換方式，一般有三種模式供選擇：

（1）內(nèi)部軟件觸發(fā)（Internal Software Trigger）   在這種觸發(fā)模式下，計(jì)算機(jī)通過調(diào)用DLL中的函數(shù)，或直接讀寫數(shù)據(jù)采集卡的寄存器來完成AD轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)。

（2）內(nèi)部定時(shí)觸發(fā)（Internal Pacer Trigger）   由內(nèi)部始終發(fā)生器定時(shí)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，這種方式結(jié)合中斷傳輸，完成數(shù)據(jù)的高速和連續(xù)的采集。

（3）外部觸發(fā)（External Trigger）   指使用外部脈沖或電平信號(hào)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。外部觸發(fā)在很多瞬間數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合下有重要作用，當(dāng)我們需要對(duì)一個(gè)瞬態(tài)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，大多用這種觸發(fā)模式。例如在需要對(duì)鍛煉過程中壓力機(jī)沖擊過程對(duì)模具受力情況進(jìn)行高速的瞬態(tài)壓力采集，可以在上模塊運(yùn)行到某個(gè)位置時(shí)，使用形成開關(guān)給出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，這樣就可以準(zhǔn)確地采集到所需要的信號(hào)。在超高速系統(tǒng)中，傳輸線效應(yīng)非常嚴(yán)重，需要采用很多方法來保證數(shù)據(jù)的完整性。一些數(shù)據(jù)采集卡還具有提前觸發(fā)、對(duì)中觸發(fā)和之后觸發(fā)的功能。

什么是數(shù)據(jù)采集卡呢？

簡單說，高速數(shù)據(jù)采集卡就是完成傳感器電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并把數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)的電路板卡。

在不同的領(lǐng)域，高速數(shù)據(jù)采集卡的界定有所不同，比如在機(jī)械振動(dòng)領(lǐng)域，1MS/s采樣率可以算做高速數(shù)據(jù)采集范疇；而在雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域，1GS/s或可歸為高速數(shù)據(jù)采集范疇。一般而言，10MS/s往上的采樣率可稱做高速數(shù)據(jù)采集卡。

目前業(yè)內(nèi)板卡形態(tài)的高速數(shù)據(jù)采集卡，較高的采樣頻率，有7GS/s、8GGS/s、10GS/s或12.5GS/s等。

典型的高速數(shù)據(jù)采集卡一般由以下幾大部分組成：AFE/FEA、AD、FPGA、時(shí)鐘、DDR內(nèi)存、總線接口等要素。

高速數(shù)據(jù)采集卡之FMC子板

在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，F(xiàn)PGA因靈活性和可擴(kuò)展性為連接不同的外部I/O提供了必要的條件。但如果不是統(tǒng)一的io標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)造成連接器和子板種類眾多，接口中不統(tǒng)一，重復(fù)設(shè)計(jì)的局面。它的系統(tǒng)的中心是一款仔細(xì)挑選的性能卓越的基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)，它可以配備有8或16個(gè)驅(qū)動(dòng)器托架和6個(gè)PCIe插槽的超微4U塔式機(jī)，并擁有2。為了避免這些問題，之前的設(shè)計(jì)一般遵循PMC和XMC標(biāo)準(zhǔn)，但因這些標(biāo)準(zhǔn)多年前制訂，而且主要針對(duì)單板計(jì)算機(jī)之類的解決方案，而不是FPGA，故而需要一種針對(duì)FPGA的子板標(biāo)準(zhǔn)，這種規(guī)范被叫FMC規(guī)范。