高速数据采集原理分析与方案设计书Word文档格式.docx

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本课程设计题要求学生在广泛查阅资料的基础上，对高速数据采集系统技术进行分类和比较，并作相关设计。

要求完成的主要任务：

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

（1）搜索出若干种高速数据采集系统方案并对它们进行分析和比较。

（2）设计出一款高速数据采集系统。

（3）对所设计的高速数据采集系统的性能指标进行分析。

（4）给出系统（或部分）的仿真。

时间安排：

一周，其中3天设计，2天调试

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

摘要

本次项目是设计高速数据采集系统。

数据采集是数据处理的重要前提，数据采集是指将模拟量（模拟信号）采集，转换成数字量（数字信号）后，再由计算机进行存储、处理、显示或输出过程。

数据采集系统——DAs（DataAcquisitionSystem）是模拟量与数字量之间的转换接口。

它在自动测试、生产控制、通信、信号处理等领域占有极其重要的地位。

而高速数据采集系统更是航天、雷达、制导、测控、动态检测等高技术领域的关键技术。

高速数据采集系统中的采样频率一般在几十MHz到几百MHz。

关键字：

高速数据采集；

转换；

采样频率

Abstract

Theprojectistodesignhigh-speeddataacquisitionsystem.Dataacquisitionisanimportantprerequisitefordataprocessing,dataacquisitionmeansthattheanalog（analogsignal）acquisition,thedigitalconversion（digitalsignal）,thenthecomputerforstorage,processing,displayoroutputprocess.DataAcquisitionSystem-DAs（DataAcquisitionSystem）istheconversionofanaloganddigitalinterfacesbetween.Itoccupiesanextremelyimportantpositioninthefieldofautomatedtesting,productioncontrol,communicationsandsignalprocessing.Thehigh-speeddataacquisitionsystemisthekeytechnologyinaerospace,radar,guidance,monitoring,motiondetectionandotherhigh-techfields.High-speeddataacquisitionsystemsamplingfrequencyisgenerallyinthetensofMHztoseveralhundredMHz.

Keywords:

high-speeddataacquisition;

conversion;

samplingfrequency

1.开发环境

1.1仿真工具

我们这次在进行硬件仿真时运用的proteus工具，它具有以下功能：

（1）能实现单片机仿真和SPICE电路仿真的结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等功能；

有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

（2）支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

（3）提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；

同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

（4）具有强大的原理图绘制功能。

1.2编程工具

Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

2硬件模块

一个典型的数据采集系统由传感器、信号调理通道、采样保持器、A/D转换器、数据缓存电路、微处理器及外设构成。

如图1所示。

图1数据采集系统的组成

（1）传感器

传感器把待测的非电物理量转变成数据采集系统能够检测的电信号。

理想的传感器能够将各种被测量转换为高输出电平的电量，提供零输出阻抗，具有良好的线性。

（2）信号调理通道

信号调理通道主要完成了模拟信号的放大和滤波等功能。

理想的传感器能够将被测量转换成高输出电平的电量，但是实际情况下，数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号，因此需要对信号进行放大。

而A/D转换器的分辨率以满量程电压为依据，因此为了充分利用A/D转换器的分辨率，需要把模拟输入信号放大到与其满量程电压相应的电平。

而传感器和电路中器件不可避免的会产生噪声，周围各种各样的发射源也会使信号混合上噪声，因此需要利用滤波器衰减噪声以提高输入信号的信噪比。

（3）采样保持器

A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，而在转换期间希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，才能保证正确的转换。

当输入信号的频率较高时，就会产生较大的误差，为了防止这种误差的产生，必须在A/D转换器开始转换之前将信号的电平保持，转换之后又能跟踪输入信号的变化，保证较高的转换精度。

为此，需要利用采样保持器来实现。

（4）A/D转换器

模拟信号转换成数字信号之后，才能利用微处理系统对其处理。

因此A/D转换器是整个数据采集系统的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。

对于高速模数转换器主要有逐次逼近型、并行比较型（闪烁型）等分级型（半闪烁型）等几种电路结构。

高速的模数转换器内部一般都集成了采样保持器和多路数据分配器，以保证采样的精度和降低后续存储器的要求。

（5）数据缓存电路

对于高速数据采集系统，采集量化后的数据速率非常高而且数量大，微处理系统无法对数据进行实时处理，因此需要存储器对数据进行缓存。

缓存区是以高速方式接收从A／D转换数字化的数据，而又以相对低速的方式将数据送给计算机。

用它的“快进慢出”来解决高速A／D转换与低速计算机数据传输之间的矛盾。

（6）微处理器和外设

微处理器负责数据采集系统的管理和控制工作，对采集到的数据进行运算和处理，然后送到外部设备。

3.基本原理

3.1采样

所谓采样就是不断地以固定的时间间隔采集模拟信号当时的瞬时值。

由抽样定理可知，用数字方式处理模拟信号时，并不是用在整个作用期间的无穷多个点的值，而是只用取样点上的值就足够了。

因此，在前后两次取样的空挡时间间隔内，可将取样所得模拟信号值暂时存放在存储介质上，通常是电容器上，以便将它量化和编码。

数字化采样方式主要有实时采样和等效采样两种，而等效采样又分为顺序采样和随机采样两种。

顺序取样是指在被测信号的周期内取样一次，取样信号每次延迟△t时间，如此下去，就是说第N次采样发生在第一次采样后的（△t一l）N后，取样后的离散数字信号构成的包络反映原信号的波形，但包络的周期比原信号的周期长的多，相当于把被测信号在时间轴拉长了。

顺序采样不能采样非周期信号。

随机取样不是在信号的一个周期内完成全部取样过程，而是取样点分别取自若干个信号波形的不同位置，经过多个采集周期的样品积累，最终恢复出被测波形。

但是随机取样也存在着弊端，不能观测非周期信号。

3.2量化与编码

量化就是把一个连续函数的无限个数值的集合映射为一个离散函数的有限个数值的集合。

模拟信号X（t）经理想抽样后变成离散时间序列X（nTs），而X（nTs）的值是原模拟信号在各采样点的精确值，其取值是连续分布的，但是A／D变换中表示X（nTs）用的是有限字长的二进制数，所谓量化就是指用一些不连续的数来逼近精确采样值的过程。

因此量化过程中必然存在误差，这种误差称为量化误差

3.3时钟频率合成

目前高性能的频率信号均通过频率合成技术来实现。

频率合成的实现方法主要三种方式:

直接模拟频率合成法、间接频率合成和直接数字频率合成。

直接模拟频率合成法是一种早期的频率合成方式，是指利用混频器、倍频器和分频器等对一个或几个频率进行算术运算产生所需频率。

直接模拟频率合成法的优点是频率转换速度快，相位噪声低，缺点是需要很多中心频率不同的窄带滤波器来滤除杂波，结构复杂，杂散多。

间接频率合成技术又称锁相式频率合成，它是利用锁相技术实现频率的加、减、乘、除。

其优点是由于锁相环路相当于一窄带跟踪滤波器。

因此能很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，避免了大量使用滤波器，十分有利于集成化和小型化。

直接数字合成技术具有相位变换连续、频率转换速度快、频率分辨率高、相位噪声低、频率稳定度高、集成度高、易于控制等多种优点，但是DDS（直接数字式频率合成器）自身特点所造成的杂散以及频率较低成为限制DDS应用的主要因素。

目前，DDS+PLL的技术受到广泛的重视，PLL技术具有高频率、宽频、频谱质量好等优点，但其频率转换速度低。

DDS技术则具有高速频率转换能力、高度的频率和相位分辨能力，但目前尚不能做到宽带，频谱纯度也不如PLL。

混合式频率合成技术利用这两种技术各自的优点，将两者结合起来，其基本思想是利用DDS的高分辨率来解决PLL中频率分辨率和频率转换时间的矛盾。

3.4存储技术

分时存储技术利用一个高速锁存器将采集的高速数据锁存，而后利用多个相对慢速的存储器对数据进行存储以保证数据存储的可靠性。

由于多个静态存储器分时参与了数据存储的过程，使得多个慢速静态存储器分时存储操作过程进行了叠加，其效果等效于一个高速静态存储器的操作。

数据降速存储技术，就是对在数据存储之前将高速数据的速度降低到低速存储器可以及时存储的程度。

该方法避免了多个存储器的使用，只需利用一个大容量的存储器就可以实现数据的存储，实现起来相对分时存储简单。

设计中可以利用串并转换电路对数据进行降速处理以满足后续的存储器速度较低的要求。

串并转换电路的基本原理为数据的串并转换，将数据依次存入串行移位寄存器中，然后并行输出，降低了传输数据的速度，以满足存储器工作速度的要求。

4.高速数据采集系统的方案

4.1单片机控制的高速数据采集系统

本系统主要由三部分组成：

单片机8751控制部分、计算器和存储器部分、A/D转换模块。

其硬件框图如图2所示。

图2系统硬件框图

单片机控制部分包括地址和数据选择器,本系统采用内置4KBEPROM的8751单片机。

其作用有:

（1）负责