数字化电子实验教学仪器中信号采集的研究

摘要

在传统的物理、电子类实验中，直流稳压电源、信号发生器、电压电流表以及示波器等是基本的仪器配置。但是数量众多的仪器设备往往需要占据实验桌大幅面积，不仅操作不便，也可能增加实验成本。因此，集成的多功能、数字化便携式电子实验教学仪器是今后实验教学仪器的发展方向。论文针对数字化电子实验仪器中的两个关键技术-高速数据采集及中低速数据采集进行了设计研究。
　　本论文工作的主要内容是针对数字化电子实验教学仪器的应用场合，进行高速数据采集电路的软硬件设计和中低速数据采集电路的软硬件设计。高速数据采集部分，提出一种基于FPGA的数据采集与存储的设计方案，包括FPGA控制模块、A/D模数转换电路模块和双FIFO存储器模块以及SDRAM大容量动态存储模块的设计;中低速数据采集部分，进行了信号预处理电路、A/D模数转换电路和ARM控制电路以及相应的软件设计。另外，论文还分析了中低速数据采集过程常常遇到的噪声干扰，建立了噪声模型，并设计了数字滤波器进行噪声消除。
　　本论文的主要工作及创新点如下:
　　(1)针对传统的“单片机控制模数转换器”的数据采集模式无法突破1MHz以上数据采样率的难题，设计了用FPGA控制产生高速AD需要的时序信号的解决方案，实现了100MHz采样率的高速数据采集功能。
　　(2)在FPGA内部设计采用了双FIFO缓存的方案，解决了高速数据采集中遇到的高速、大量数据读与写SDRAM时容易出现数据冲突难题。
　　(3)在中低速数据采集电路中，设计了继电器切换控制电路，实现了宽电压输入的自动量程分档转换功能。
　　(4)分析研究了中低速数据采集电路中噪声的来源，建立了噪声模型，定量估计了电路噪声的量值，并设计了去除噪声的数字滤波方法。
　　(5)运用乒乓缓存方法解决了中低速数据采集中遇到的数据存储、滤波和上传并行处理带来的难题。
　　本文设计的高速数据采集、中低速数据采集方案，经实际的实验验证，证明了方案正确可靠，达到了一般大学物理实验、电工电子实验中对数字电子实验教学仪器的各种速度的数据采集要求。同时，整个设计具有成本低、体积小等特点，具有广泛的应用价值。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1背景及意义

1．2研究现状

1．3论文主要内容

第2章数据采集相关介绍及总体方案设计

2．1数据采集总体设计

2．1．1高速数据采集设计

2．1．2中低速数据采集的设计

2．2本章小结

第3章高速数据采集设计

3．1高速数据采集硬件总体方案设计

3．2各模块硬件电路设计

3．2．1 AD器件选型

3．2．2 AD转换电路设计

3．2．3 SDRAM存储电路设计

3．2．4 FPGA控制模块硬件电路设计

3．3高速数据采集软件总体方案设计

3．4 FPGA模块软件设计

3．4．1 FPGA模块整体设计

3．4．2时钟模块软件设计

3．4．3 A／D控制模块软件设计

3．4．4双FIFO模块软件设计

3．4．5 SDRAM模块软件设计

3．5电路测试

3．6本章小结

第4章中低速数据采集设计

4．1中低速数据采集硬件总体设计方案

4．2各部分硬件电路设计

4．2．1 AD选型及使用说明

4．2．2 AD转换电路

4．2．3信号调理电路设计

4．2．4信号调理电路噪声分析

4．2．5电路主要元器件噪声分析

4．2．6中低速数据采集电路噪声估计模型

4．2．7电路测试

4．2．8 ARM处理电路设计

4．3中低速数据采集软件总体方案设计

4．4数字滤波处理

4．5 FFT(快速傅立叶交换)处理

4．6本章小结

第5章数据采集应用及分析

5．1高速数据采集模块的应用

5．1．1压电陶瓷冲击受力与应电压曲线分析实验

5．1．2实验测试

5．2中低速数据采集应用

5．2．1物体自然冷却规律实验概述

5．2．2实验测量及数据分析

5．3本章小结

第6章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢