Подсистема аналогового входа
Функция подсистемы аналогового входа
Много аппаратных устройств сбора данных содержат одну или несколько подсистем, которые преобразуют (оцифровывают) реальные сигналы датчика в числа, которые может считать ваш компьютер. Такие устройства называются подсистемами аналогового входа (подсистемы AI, конвертеры A/D или ADCs). После того, как реальный сигнал оцифрован, можно анализировать его, сохранить его в системной памяти или сохранить его к дисковому файлу.
Функция подсистемы аналогового входа должна произвести и квантовать аналоговый сигнал с помощью одного или нескольких каналов. Можно думать о канале как о пути, через который датчик сигнализируют о перемещениях. Типичные подсистемы аналогового входа имеют восемь или 16 входных каналов в наличии для вас. После того, как данные производятся и квантуются, они должны быть переданы системной памяти.
Аналоговые сигналы непрерывны вовремя и в амплитуде (в предопределенных пределах). Выборка берет “снимок состояния” сигнала в дискретные времена, в то время как квантование делит напряжение (или ток) значение в дискретные амплитуды.
Выборка
Выборка берет снимок состояния сигнала датчика в дискретные времена. Для большинства приложений временной интервал между выборками сохранен постоянным (например, произведите каждую миллисекунду), если внешне не синхронизировано.
Для большинства цифровых конвертеров выборка выполняется выборкой, и содержите схему (S/H). Схема S/H обычно состоит из буфера сигнала, сопровождаемого электронным переключателем, соединенным с конденсатором. Работа схемы S/H выполняет эти шаги:
При данной выборке момента переключатель соединяет буфер и конденсатор к входу.
Конденсатор заряжен к входному напряжению.
Заряд сохранен, пока конвертер A/D не оцифровывает сигнал.
Для нескольких каналов, соединенных (мультиплексированный) к одному конвертеру A/D, предыдущие шаги повторяются для каждого входного канала.
Целый процесс повторяется в течение следующего момента выборки.
Мультиплексор, схема S/H и конвертер A/D проиллюстрированы в следующем разделе.
Оборудование может быть разделено на две основных категории на основе того, как производятся сигналы: сканирование оборудования, какие демонстрационные входные сигналы последовательно и одновременная выборка и содержат оборудование (SS/H), который выборки все сигналы одновременно. Эти два типа оборудования обсуждены ниже.
Сканирование оборудования
Сканирование оборудования производит один входной сигнал, преобразует тот сигнал в цифровое значение, и затем повторяет процесс для каждого входного используемого канала. Другими словами, каждый входной канал производится последовательно. Скан происходит, когда каждый вход в группе производится однажды.
Как показано ниже, большинство устройств сбора данных имеет один конвертер A/D, который мультиплексируется к нескольким входным каналам.
Поэтому, если вы используете несколько каналов, те каналы не могут быть произведены одновременно, и разрыв времени существует между последовательными произведенными каналами. На этот раз разрыв называется скосом канала. Можно думать о скосе канала как о времени, это берет подсистему аналогового входа, чтобы произвести один канал.
Кроме того, максимальная частота дискретизации, в которой оценивается ваше оборудование обычно, применяется к одному каналу. Поэтому максимальная частота дискретизации на канал дана формулой:
Как правило, можно достигнуть этого максимального уровня только при идеальных условиях. На практике частота дискретизации зависит от нескольких характеристик подсистемы аналогового входа включая время урегулирования и усиление, а также скос канала. Следующая схема показывает период расчета и скос канала для многоканального использования настройки, сканируя оборудование.
Если вы не можете терпеть скос канала в своем приложении, необходимо использовать оборудование, которое позволяет одновременную выборку всех каналов. Одновременная выборка и содержит оборудование, обсужден в следующем разделе.
Одновременная выборка и содержит оборудование
Одновременная выборка и содержит аппаратные выборки (SS/H) все входные сигналы одновременно, и содержит значения, пока конвертер A/D не оцифровывает все сигналы. Для высокопроизводительных систем может быть отдельный конвертер A/D для каждого входного канала.
Например, предположите, что необходимо одновременно измерить ускорение нескольких акселерометров, чтобы определить вибрацию некоторого устройства под тестом. Для этого необходимо использовать оборудование SS/H, потому что оно не имеет скоса канала. В общем случае вы можете должны быть использовать оборудование SS/H, если ваш сигнал датчика изменяется значительно во время, которое меньше скоса канала, или если необходимо использовать передаточную функцию или выполнить корреляцию частотного диапазона.
Следующая схема показывает период расчета для многоканальной настройки с помощью оборудования SS/H. Обратите внимание на то, что нет никакого скоса канала.
Квантование
Как обсуждено в предыдущем разделе, производя берет снимок состояния входного сигнала в момент времени. Когда снимок состояния взят, произведенный аналоговый сигнал должен быть преобразован от значения напряжения до двоичного числа, которое может считать компьютер. Преобразование от бесконечно точной амплитуды до двоичного числа называется квантованием.
Во время квантования конвертер A/D использует конечное число равномерно расположенных с интервалами значений, чтобы представлять аналоговый сигнал. Количество различных значений определяется количеством битов, используемых для преобразования. Большинство современных конвертеров использует 12 или 16 битов. Как правило, конвертер выбирает цифровое значение, которое является самым близким к фактическому произведенному значению.
Рисунок ниже показывает синусоиду на 1 Гц, квантованную конвертером A/D на 3 бита.
Количество квантованных значений дано 23 = 8, самое большое представимое значение дано 111 = 22 + 21 + 20 = 7.0, и наименьшее представимое значение дан 000 = 0.0.
Ошибка квантования
Всегда существует некоторая ошибка, сопоставленная с квантованием непрерывного сигнала. Идеально, максимальная ошибка квантования является ±0.5 младшими значащими битами (LSBs), и по полному входному диапазону, средняя ошибка квантования является нулем.
Как показано ниже, ошибка квантования для предыдущей синусоиды вычисляется путем вычитания фактического сигнала из квантованного сигнала.
Входной диапазон и полярность
Входной диапазон подсистемы аналогового входа является промежутком входных значений, для которых преобразование допустимо. Можно изменить входной диапазон путем выбора различного значения усиления. Например, National Instruments ™®'Плата 16E 1 AT-MIO имеет восемь значений усиления в пределах от 0,5 к 100. Много плат включают программируемый усилитель усиления, который позволяет вам изменять усиление устройства через программное обеспечение.
Когда входной сигнал превышает допустимый входной диапазон конвертера, условие сверхобласти значений происходит. В этом случае большинство устройств насыщает к самому большому представимому значению, и конвертированные данные являются почти определенно неправильными. Установка усиления влияет на точность вашего измерения — чем выше (ниже) значение усиления, тем ниже (выше) точность. Обратитесь к тому, Как Область значений, Усиление, и Связанная Точность измерения? для получения дополнительной информации о том, как входной диапазон, усиление и точность связаны друг с другом.
Подсистема аналогового входа может обычно преобразовывать и униполярные сигналы и биполярные сигналы. Униполярный сигнал содержит только положительные значения и нуль, в то время как биполярный сигнал содержит положительные значения, отрицательные величины и нуль.
Униполярные и биполярные сигналы изображены ниже. Обратитесь к фигуре в Квантовании для примера униполярного сигнала.
Во многих случаях полярность сигнала является фиксированной характеристикой датчика, и необходимо сконфигурировать входной диапазон, чтобы совпадать с этой полярностью.
Как вы видите, крайне важно изучить область значений сигналов, ожидаемых от вашего датчика так, чтобы можно было сконфигурировать входной диапазон подсистемы аналогового входа, чтобы максимизировать разрешение и свести к минимуму вероятность условия сверхобласти значений.
Как синхронизированы полученные выборки?
Выборки получены от подсистемы аналогового входа на определенном уровне часами. Как любая система синхронизации, часы сбора данных характеризуются их разрешение и точность. Синхронизация разрешения задана как самый маленький временной интервал, который можно точно измерить. Точность синхронизации затронута дрожанием часов. Дрожание возникает, когда часы производят немного отличающиеся значения для данного временного интервала.
Для любой системы сбора данных обычно существует три источника часов, которые можно использовать: встроенные часы сбора данных, компьютерные часы или внешний таймер. Программное обеспечение Data Acquisition Toolbox™ поддерживает все эти источники часов, в зависимости от требований вашего оборудования.
Встроенные Часы. Встроенные часы обычно являются микросхемой таймера на аппаратной плате, которая запрограммирована, чтобы сгенерировать импульсный поток на желаемом уровне. Встроенные часы обычно имеют высокую точность и низкое дрожание по сравнению с компьютерными часами. Необходимо всегда использовать встроенные часы, когда частота дискретизации высока, и когда вы требуете фиксированного временного интервала между выборками. Встроенные часы упоминаются как внутренние часы в этом руководстве.
Компьютерные Часы. Компьютер (PC), часы используются для плат, которые не обладают встроенными часами. Компьютерные часы менее точны и имеют больше дрожания, чем встроенные часы и обычно ограничиваются частотами дискретизации ниже 500 Гц. Компьютерные часы упоминаются как часы программного обеспечения в этом руководстве.
Внешний таймер. Внешний таймер часто используется, когда частота дискретизации низкая и не постоянной. Например, источник внешнего таймера часто используется в автомобильных приложениях, где выборки получены в зависимости от угла заводной рукоятки.
Настройка канала
Можно сконфигурировать входные каналы одним из этих двух способов:
Дифференциал
Несимметричный
Ваш выбор входной настройки канала может зависеть от того, плавает ли входной сигнал или основанный.
Плавающий сигнал использует изолированную наземную ссылку и не соединяется со стройплощадкой. В результате входной сигнал и аппаратное устройство не соединяются с общей ссылкой, которая может заставить входной сигнал превышать допустимую область значений аппаратного устройства. Чтобы обойти эту проблему, необходимо соединить сигнал со встроенной землей устройства. Примеры плавающих источников сигнала включают незаземленные термопары и устройства батареи.
Основанный сигнал соединяется со стройплощадкой. В результате входной сигнал и аппаратное устройство соединяются с общей ссылкой. Примеры основанных источников сигнала включают неизолированный инструмент выходные параметры и устройства, которые соединяются к энергосистеме создания.
Примечание
Для получения дополнительной информации о настройке канала, обратитесь к своей документации по оборудованию.
Дифференциальные входные параметры
Когда вы конфигурируете свое оборудование для дифференциального входа, существует два сигнальных провода, сопоставленные с каждым входным сигналом — один для входного сигнала и один для ссылочного (возврат) сигнал. Измерение является различием в напряжении между двумя проводами, которое помогает уменьшать шум и любое напряжение, которое характерно для обоих проводов.
Как показано ниже, входной сигнал соединяется с положительным сокетом усилителя (помеченный +), и сигнал возврата соединяется с отрицательным сокетом усилителя (помеченный-). Усилитель имеет третий коннектор, который позволяет этим сигналам ссылаться, чтобы основываться.
National Instruments ™ рекомендует, чтобы вы использовали дифференциальные входные параметры при любом из этих условий:
Входной сигнал является низким уровнем (меньше чем 1 вольт).
Ведет, соединение сигнала больше 10 футов.
Входной сигнал требует отдельной наземной контрольной точки, или возвратите сигнал.
Сигнал приводит перемещение через шумную среду.
Несимметричные входные параметры
Когда вы конфигурируете свое оборудование для несимметричного входа, существует один сигнальный провод, сопоставленный с каждым входным сигналом, и каждый входной сигнал соединяется с той же землей. Несимметричные измерения более восприимчивы к шуму, чем дифференциальные измерения из-за различий в путях прохождения сигнала.
Как показано ниже, входной сигнал соединяется с положительным сокетом усилителя (помеченный +), и земля соединяется с отрицательным сокетом усилителя (помеченный-).
National Instruments ™ предполагает, что можно использовать несимметричные входные параметры при любом из этих условий:
Входной сигнал является высоким уровнем (больше, чем 1 вольт).
Ведет, соединение сигнала меньше 10 футов.
Входной сигнал может совместно использовать точку общей ссылки с другими сигналами.
Необходимо использовать дифференциальные входные разъемы для любого входного сигнала, который не удовлетворяет предыдущим условиям. Можно сконфигурировать много плат National Instruments ™ для двух различных типов несимметричных связей:
Связь ссылаемого несимметричного (RSE)
Настройка RSE используется для плавания источников сигнала. В этом случае само аппаратное устройство обеспечивает ссылочное основание для входного сигнала.
Несимметричная связь (NRSE), на которую не ссылаются,
Настройка входа NRSE используется для основанных источников сигнала. В этом случае входной сигнал обеспечивает свою собственную ссылочную землю, и аппаратное устройство не должно предоставлять тот.
Обратитесь к своей документации по оборудованию National Instruments ™ для получения дополнительной информации о RSE и связях NRSE.
Передача данных с оборудования на системную память
Передача полученных данных с оборудования на системную память выполняет эти шаги:
Полученные данные хранятся в буфере метода "первым пришел - первым вышел" (FIFO) оборудования.
Данные передаются с буфера FIFO на системную память с помощью прерываний или DMA.
Эти шаги происходят автоматически. Как правило, все, это требуется от вас, является некоторой начальной настройкой аппаратного устройства, когда это установлено.
Буфер FIFO
Буфер FIFO используется, чтобы временно хранить полученные данные. Данные временно хранимы, пока они не могут быть переданы системной памяти. Процесс передачи данных в и из аналогового входа буфер FIFO приведен ниже:
Буферная память FIFO недавно получила выборки на постоянной частоте дискретизации.
Прежде чем буфер FIFO заполнен, программное обеспечение начинает удалять выборки. Например, прерывание сгенерировано, когда FIFO наполовину полон, и сигнализирует, чтобы программное обеспечение извлекло выборки как можно быстрее.
Поскольку обслуживание прерываний или программирование контроллера DMA могут взять до нескольких миллисекунд, дополнительные данные хранятся в FIFO для будущего извлечения. Для большего FIFO могут быть допущены буферные, более длинные задержки.
Выборки передаются системной памяти через системную шину (например, шина PCI или шина AT). После того, как выборки передаются, программное обеспечение свободно выполнить другие задачи, пока следующее прерывание не происходит. Например, данные могут быть обработаны или сохранены в дисковый файл. Пока средние скорости хранения и извлечения данных равны, полученные данные не будут пропущены, и ваше приложение должно запуститься гладко.
Прерывания
Самый медленный, но наиболее распространенный метод, чтобы переместить полученные данные в системную память для платы, чтобы сгенерировать запрос на прерывание (IRQ) сигнал. Этот сигнал может быть сгенерирован, когда одна выборка получена или когда несколько выборок получены. Процесс передачи данных к системной памяти через прерывания приведен ниже:
Когда данные готовы к передаче, центральный процессор останавливает то, что это делает и запускает специальную стандартную программу обработчика прерываний, которая сохраняет текущие регистры машины, и затем устанавливает их получать доступ к плате.
Данные извлечены из платы и помещены в системную память.
Сохраненные регистры машины восстанавливаются, и центральный процессор возвращается к исходному прерванному процессу.
Фактическое перемещение данных довольно быстро, но существует много служебного времени, проведенного, сохраняя, настраивая и восстанавливая информацию о регистре. Поэтому в зависимости от вашей определенной системы, передавая данные прерываниями не может быть хороший выбор, когда частота дискретизации больше приблизительно 5 кГц.
DMA
Прямой доступ к памяти (DMA) является системой, посредством чего выборки автоматически хранятся в системной памяти, в то время как процессор делает что-то еще. Процесс передачи данных через DMA приведен ниже:
Когда данные готовы к передаче, плата направляет системный контроллер DMA, чтобы поместить его в в системную память как можно скорее.
Как только центральный процессор может (который является обычно очень быстро), он прекращает взаимодействовать с оборудованием сбора данных, и контроллер DMA перемещает данные непосредственно в память.
Контроллер DMA готовится к следующей выборке, указывая на следующую открытую ячейку памяти.
Предыдущие шаги повторяются неопределенно с данными, идущими в каждую открытую ячейку памяти в постоянно обращающемся буфере. Никакое взаимодействие между центральным процессором и платой не необходимо.
Ваш компьютер поддерживает несколько различных каналов DMA. В зависимости от вашего приложения можно использовать один или несколько из этих каналов, Например, одновременный ввод и вывод со звуковой картой требует одного канала DMA для входа и другого канала DMA для выхода.