WX_微型计算机控制技术_第二章2

1、微型计算机控制技术微型计算机控制技术第第2 2章章 输入输入/ /输出接口与过程通道输出接口与过程通道微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.3信号的采样和量化信号的采样和量化 2.3.1 信号的采样信号的采样 2.3.2 采样定理及频率的选择采样定理及频率的选择 2.3.3 量化过程量化过程微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.3信号的采样和量化信号的采样和量化 在计算机控制系统中，模拟信号需要经过在计算机控制系统中，模拟信号需要经过A/D转转换器变成计算机所需的数字信号。转换过程大体换器变成计算机所需的数字信号。转换过程大体上要解决采样和量化两个问题。首先通过上要解决采样和量化两个问题。

2、首先通过采样器采样器，按预定的时间间隔采样连续信号的瞬时值，形成按预定的时间间隔采样连续信号的瞬时值，形成等间隔的离散模拟信号，然后再通过等间隔的离散模拟信号，然后再通过A/D转换器转换器把离散信号进行量化处理，得到一系列与离散值把离散信号进行量化处理，得到一系列与离散值相对应的数字信号。这两个过程是由不同的部件相对应的数字信号。这两个过程是由不同的部件来完成的。来完成的。微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.3.1信号的采样信号的采样 把时间连续的信号转换为一连串时间不连把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号，这个过程称为续的脉冲信号，这个过程称为“采样采样”，又称为又称为“抽样

3、抽样”、“取样取样”。对连续信号。对连续信号的采样过程，可用图的采样过程，可用图2-4来描述。来描述。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术（a）模拟信号数字化处理过程）模拟信号数字化处理过程图图2-4 连续信号的采样过程连续信号的采样过程采样周期：采样周期：T采样时间：采样时间：采样时刻：采样时刻：0T、1T、2T、3T微型计算机控制技术微型计算机控制技术图2-4 （b）采样过程的模拟 图图2-4（b）是用乘法器来描述的采样过程。）是用乘法器来描述的采样过程。 f （t）为连续函数，为连续函数，s（t）为开关函数，为开关函数，fs（t）为采样函数，即为采样函数，即f（t）离散后之值。离散后之

4、值。)()()(tstftfs微型计算机控制技术微型计算机控制技术 在实际应用中，由于在实际应用中，由于远小于远小于T，即，即/T0，故常，故常用单位脉冲序列用单位脉冲序列T（t）代替开关函数）代替开关函数s（t）。）。 得得 ( )( )( )( )( )sTftf ts tf tt( )Tt( )s tttTT2T3T微型计算机控制技术微型计算机控制技术( )TttT2T3T 即即 由于由于( )( )( )sTftf tt()lim()()( )()( )nnTtnTtnTt Ttt Tt( )( )()snftf ttnT所以，微型计算机控制技术微型计算机控制技术( )( )(),()

5、( )( )( )()(2 )( ) ( )( ) ()( ) (2 )ftf ttnTtnTftf tttTtTf ttf ttTf ttT 将展开得( )( )()sftf ttnT这样，就可以用这样，就可以用离散函数离散函数f *（t）来代替采样函数来代替采样函数 fs（t）：）：*( )= ( )()ftf ttnT令微型计算机控制技术微型计算机控制技术( )TttT2T3T( )( ) ( )( ) ()( ) (2 )(0) ( )( ) ()(2 ) (2 )ftf ttf ttTf ttTftf TtTfTtT 微型计算机控制技术微型计算机控制技术nnTtnTftf)()()(

6、即即)2()2()()()() 0 ()()(TtTfTtTftfnTtnTfn( )(0)( )( )()(2 )(2 )ftftf TtTfTtT 由于由于上面两个等式右侧相同，所以上面两个等式右侧相同，所以微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.3.2采样定理及频率的选择采样定理及频率的选择 在讨论采样信号时，所关心的问题是离散后的函在讨论采样信号时，所关心的问题是离散后的函数数f *（t）能否反映原模拟信号）能否反映原模拟信号f（t）的全部信息，）的全部信息，采样周期如何选择才能使采样周期如何选择才能使f *（t）不失真地反映）不失真地反映f（t）的变化。）的变化。 采样频率越高，离散

7、后的采样频率越高，离散后的f *（t）越能接近输入信）越能接近输入信号号f（t）。但是，在实时控制系统中采样频率太）。但是，在实时控制系统中采样频率太高，会把许多宝贵的时间用于采样，导致过多的高，会把许多宝贵的时间用于采样，导致过多的数据存储和运算，加重计算机的负担，实时性差。数据存储和运算，加重计算机的负担，实时性差。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术 香农（香农（Shannon）采样定理：）采样定理： 若信号的最高频率为若信号的最高频率为fmax，只要采样频率，只要采样频率f 2 fmax，采样信号就能完全恢复原信号。，采样信号就能完全恢复原信号。 应当指出，香农采样定理仅给出了采样信

8、应当指出，香农采样定理仅给出了采样信号能恢复模拟信号的理论依据。号能恢复模拟信号的理论依据。 实际工程中，采样周期的选择要考虑诸多实际工程中，采样周期的选择要考虑诸多因素。工程上，采样频率一般取因素。工程上，采样频率一般取f （410）fmax 。微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.3.3 量化过程量化过程 整量化过程（简称量化）就是用一组数码整量化过程（简称量化）就是用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号，如图值，将其转换成数字信号，如图2-6所示。所示。（a）离散模拟信号）离散模拟信号 （b）数字信号）数字信号图图2-6

9、 量化过程量化过程微型计算机控制技术微型计算机控制技术 模拟信号可以具有无穷多的数值，而一组数码模拟信号可以具有无穷多的数值，而一组数码是有限的，因此用数码来逼近模拟信号是近似是有限的，因此用数码来逼近模拟信号是近似的，量化过程是一个类似四舍五入的过程。的，量化过程是一个类似四舍五入的过程。 量化单位量化单位 q 是指量化后二进制数的最低位所对是指量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。设应的模拟量的值。设fmax和和fmin为转换信号的最为转换信号的最大值和最小值，则量化单位为：大值和最小值，则量化单位为：maxmin2iffq式中，式中，i 转换后二进制数的位数。转换后二进制数的位数。微

10、型计算机控制技术微型计算机控制技术 例如，模拟信号例如，模拟信号fmax=16V、fmin=0V，取，取i=4采样时刻采样值（V）量化值量化值采样时刻采样值（V）量化值量化值0T9.010014T7.201111T5.901105T8.910012T4.401006T9.510103T5.801107T81000Vq1 Vqe5 . 02max 则则, ,最大量化误差最大量化误差微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.4 模拟量输入通道信号调理电路模拟量输入通道信号调理电路 模拟量输入通道根据应用要求不同，可以有不同的结构形模拟量输入通道根据应用要求不同，可以有不同的结构形式。一般由传感器及检

11、测装置、式。一般由传感器及检测装置、信号调理电路信号调理电路、多路转换、多路转换开关、采样保持器、开关、采样保持器、A/D转换器、接口电路等组成。转换器、接口电路等组成。微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.4 模拟量输入通道信号调理电路模拟量输入通道信号调理电路 信号调理电路信号调理电路就是对现场采集到的信号进就是对现场采集到的信号进行处理，使其满足行处理，使其满足A/D转换要求。转换要求。 信号调理部分依据检测信号及受干扰情况信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同，通常包含的不同而不同，通常包含放大、放大、I/V转换、转换、滤波、线性化、隔离滤波、线性化、隔离等。等。微型计算机

12、控制技术微型计算机控制技术2.4 模拟量输入通道信号调理电路模拟量输入通道信号调理电路 2.4.1 信号的放大信号的放大 2.4.2 I/V变换电路变换电路微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.4.1信号的放大信号的放大 多数传感器产生的信号都比较微弱，需经过放大多数传感器产生的信号都比较微弱，需经过放大才能满足才能满足A/D转换器输入信号的幅度要求。转换器输入信号的幅度要求。 当传感器的工作环境恶劣时，传感器的输出有各当传感器的工作环境恶劣时，传感器的输出有各种噪声，共模干扰很大，而传感器的输出小，输种噪声，共模干扰很大，而传感器的输出小，输出阻抗很大时，一般运放已不能胜任出阻抗很大时，一

13、般运放已不能胜任. 在这种情况下，必需用在这种情况下，必需用低漂移、高增益、高输入低漂移、高增益、高输入阻抗和高共模抑制比的直流放大器阻抗和高共模抑制比的直流放大器，这类放大器，这类放大器常用的有测量放大器、可编程序放大器和隔离放常用的有测量放大器、可编程序放大器和隔离放大器。大器。微型计算机控制技术微型计算机控制技术 测量放大器测量放大器常用在应变片传感器、热电偶温度传感器等微常用在应变片传感器、热电偶温度传感器等微弱信号的输出放大中。这类放大器一般由三个运算放大器弱信号的输出放大中。这类放大器一般由三个运算放大器组成组成. 前两级前两级组成具有对称结构的差动放大电路；组成具有对称结构的差动

14、放大电路；后一级后一级为功率为功率输出级，它将输出级，它将A1、A2的差动输入双端输出信号转换为单的差动输入双端输出信号转换为单端输出信号。端输出信号。RG用来调节放大器的增益用来调节放大器的增益.微型计算机控制技术微型计算机控制技术1 iauu bu abui o1o2uuFFoo1o2i22G2()(1)RRRuuuuRRR F2G2(1)VRRARR 由图可知，第一级：由图可知，第一级：式中，式中，AV为放大器的增益。为放大器的增益。 i2ui12iuuabGuRiGuRG(2 )i RRiGiGG2(2 )(1)uRRRuRRiu微型计算机控制技术微型计算机控制技术 目前有许多集成测量

15、放大器芯片可供用户目前有许多集成测量放大器芯片可供用户选用。如选用。如AD521、AD522等。等。AD522的典的典型应用如图型应用如图2-8所示。所示。 图图2-8 AD522典型应用典型应用微型计算机控制技术微型计算机控制技术可编程增益放大器可编程增益放大器 可编程增益放大器（可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA），其放大倍数可根据需），其放大倍数可根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数。通过程序调节放大倍数。 可编程增益放大器有可编程增益放大器有组合组合PGA和和集成集成PGA两种。

16、两种。微型计算机控制技术微型计算机控制技术1、组合、组合PGA图图2-9基于基于AD522和模拟开关构成的组合和模拟开关构成的组合PGA微型计算机控制技术微型计算机控制技术2、集成、集成PGA图2-10为AD526内部结构图2-11 AD526基本接法微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.4.2 I/V变换电路变换电路 为了提高系统的抗干扰能力，通常情况下，为了提高系统的抗干扰能力，通常情况下，变送器输出的是变送器输出的是标准电流信号标准电流信号。因此需要。因此需要经过经过I/V变换，变成电压信号后才能进行变换，变成电压信号后才能进行A/D转换进而被计算机处理。转换进而被计算机处理。 电流电

17、流/电压转换电路是将电流信号成比例地电压转换电路是将电流信号成比例地转换成电压。常用转换成电压。常用I/V变换的实现方法有变换的实现方法有无无源源I/V变换变换和和有源有源I/V变换变换。微型计算机控制技术微型计算机控制技术一、无源一、无源I/V变换变换 无源无源I/V变换主要利用无源器件电阻来实现，并加变换主要利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。滤波和输出限幅等保护措施。 图图2-12无源无源I/V变换电路变换电路对于对于010mA输入信号，输入信号，可取可取R1100，R2500，且且R2为精密电阻，为精密电阻，这样当输入的电流这样当输入的电流I为为010mA时，时，I/

18、V变换电路输出的电压为：变换电路输出的电压为：05V微型计算机控制技术微型计算机控制技术二、有源二、有源I/V变换变换 有源有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器组成变换主要是利用有源器件运算放大器组成图2-13有源I/V变换电路212342413231423,=1uuuRRu Ru Ru RuRuR解得，32Iuuu由于，143=1IuRuR得，413= 1IRuuR即，微型计算机控制技术微型计算机控制技术二、有源二、有源I/V变换变换图2-13有源I/V变换电路该同相放大电路的该同相放大电路的放大倍数为：放大倍数为：341RRA对于对于010mA输入信号，若取输入信号，若取R1200，

19、则，则I=10mA时，时，电阻电阻R1上产生上产生2V的电压，若取的电压，若取R3100，R4150，该电路对应的输出电压为：该电路对应的输出电压为：05V 413= 1IRuuR微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.5 模拟开关及采样保持模拟开关及采样保持 2.5.1 多路模拟开关多路模拟开关 2.5.2 采样保持器采样保持器微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.5 模拟开关及采样保持模拟开关及采样保持 2.5.1 多路模拟开关多路模拟开关 多路模拟开关又称多路转换器，是用来进行模拟多路模拟开关又称多路转换器，是用来进行模拟电压信号切换的关键元件。利用多路模拟开关可电压信号切换的关键元件

20、。利用多路模拟开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或器或A/D转换器上。转换器上。 理想的多路开关开路电阻为无穷大，接通电阻为理想的多路开关开路电阻为无穷大，接通电阻为零。此外，还希望切换速度快，噪音小、寿命长、零。此外，还希望切换速度快，噪音小、寿命长、工作可靠。工作可靠。微型计算机控制技术微型计算机控制技术 目前广泛采用的模拟开关有：目前广泛采用的模拟开关有：机械式机械式和和电子式电子式 机械式的指采用干簧继电器、湿簧继电器组成的机械式的指采用干簧继电器、湿簧继电器组成的模拟开关。导通电阻低，开路电阻无穷大，但响模拟开关。导通电阻低，

21、开路电阻无穷大，但响应速度比较慢，而且使用久了触点不易清洗，易应速度比较慢，而且使用久了触点不易清洗，易有误动作，寿命短。通常在低速、高精度的系统有误动作，寿命短。通常在低速、高精度的系统中采用。中采用。 电子式模拟开关由各类半导体工艺制作的模拟开电子式模拟开关由各类半导体工艺制作的模拟开关，有晶体管和场效应管两种，其特点是速度快、关，有晶体管和场效应管两种，其特点是速度快、寿命长易于集成、体积小。寿命长易于集成、体积小。微型计算机控制技术微型计算机控制技术1. CD4051 CD4051又称又称8通道单端双向多路转换器。通道单端双向多路转换器。内部由内部由逻辑电平转换逻辑电平转换、二进制译码

22、器二进制译码器和和8个个开关开关组成，如图组成，如图2-14所示。所示。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术图2-14 CD4051电路原理图输入状态接通通道INHC B A1 均不通均不通000 00#000 11#001 02#001 13#010 04#010 15#011 06#011 17#表2-5 CD4051真值表微型计算机控制技术微型计算机控制技术2. 多路模拟开关应用举例多路模拟开关应用举例 在实际应用中，往往由于被测参数多，一在实际应用中，往往由于被测参数多，一个多路开关不能满足通道数的要求，此时个多路开关不能满足通道数的要求，此时就必须把多路开关进行扩展连接。就必须把多

23、路开关进行扩展连接。 扩展连接的方法有扩展连接的方法有并联并联和和串联串联两种方法。两种方法。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术 改变数据线改变数据线A2A0即可即可分别选通分别选通U1或或U2芯片芯片的的8通道之一。芯片的通道之一。芯片的选通则由数据线选通则由数据线A3的状的状态决定。态决定。 优点优点:连线简单；连线简单； 缺点缺点:并联得越多，不导并联得越多，不导通通道加在导通通道上通通道加在导通通道上的泄漏电流越大。的泄漏电流越大。 （a）并联扩展电路微型计算机控制技术微型计算机控制技术 U3的每一个输入端对应前的每一个输入端对应前级芯片的一个输出端，最多级芯片的一个输出端，最多可

24、扩展为可扩展为64路。路。 地址低地址低4位用于位用于U1、U2芯片芯片的允许输入和通道控制，每的允许输入和通道控制，每次只允许选中一个芯片的一次只允许选中一个芯片的一个输入端。个输入端。 地址高地址高4位用于控制位用于控制U3芯片芯片的输入和输出。的输入和输出。 （b）串联扩展电路A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 1 0 0 1微型计算机控制技术微型计算机控制技术 选用多路模拟开关应注意的问题：选用多路模拟开关应注意的问题： （1）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，可选用）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，可选用机械触点式开关。机械触点式开关。 （2）尽

25、可能选取）尽可能选取单片模拟开关集成电路单片模拟开关集成电路；在使用多片组；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。性一致。 （3）在选择多路模拟开关的速度时，要考虑到后级采样）在选择多路模拟开关的速度时，要考虑到后级采样保持电路和保持电路和A/D转换的速度，只需略大于它们的速度即可，转换的速度，只需略大于它们的速度即可，不必一味追求高速不必一味追求高速。 （4）在使用高精度采样）在使用高精度采样/保持和保持和A/D转换进行精密数据采转换进行精密数据采集和测量时，需考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需注集和测量时，需

26、考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需注意模拟开关漂移特性。意模拟开关漂移特性。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.5.2 采样保持器采样保持器 在对模拟信号进行模在对模拟信号进行模/数变换时，从启动变换到变数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的转换器的孔径时间孔径时间。当输入信号频率提高时，由。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始前能转换开始前能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处

27、于采样状跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态；在态；在A/D转换开始时将信号电平保持住，这种转换开始时将信号电平保持住，这种功能的器件叫功能的器件叫采样采样/保持器（保持器（Sample / Holder，S/H）。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术 采样保持器的主要作用为：采样保持器的主要作用为： （1）在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号；在保持）在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号；在保持时间内，保持采样值不变，为时间内，保持采样值不变，为A/D转换器提供恒定的转换转换器提供恒定的转换信号。信号。 （2）在多路采样系统中，通过采样保持器，可以实现多）在多路采样系统中，通过采样保持器，可以实现多路信号的同步采样。路信号的同步采样。 （3）在模拟量输出通道中，作为零阶保持器，复现离散）在模拟量输出通道中，作为零阶保持器，复现离散的数字信号。的数字信号。 （4）在多路输出通道中，把一个）在多路输出通道中，把一个D/A转换器的输出分配转换器的输出分配到几个输出点，也常利用采样保持器保证输出的稳定性。到几个输出点，也常利