第2章(1)模拟量输入通道

1、 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字控制，要将生产现场的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理计算机能够接受的形式，计算机经过计算、处理后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被后的结果还需要变换成合适的控制信号输出至被控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算控对象。以控制执行机构的动作。因此，在计算机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转机和被控对象之间，必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通道。换的连接通道，即过程通道。u数字量输入通道数字量输入通道u数字量输出通道

2、数字量输出通道u模拟量输入通道模拟量输入通道u模拟量输出通道模拟量输出通道热电阻R1R2R3R3R2R1热电阻R1R2R3R3R2R1热电阻R1R2R3R3R2R134101RRIRVG 由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选模拟开关实现多选1 1的操作，将多路输入信号依次地切换的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。到后级。常

3、用集成电路芯片常用集成电路芯片CD4051(CD4051(双向、单端、双向、单端、8 8路路) )、 CD4052( CD4052(单向、双端、单向、双端、4 4路路) )、 AD7506( AD7506(单向、单端、单向、单端、1616路路) )等等. .CD4051原理图 及通道选择表现以常用8路模拟开关CD4051为例:构成构成电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。工作过程工作过程 当禁止端INH=1时，断开，即S0S7端与Sm端不可能接通； 当INH=0时，前后级通道接通，即SmSABC 例题例题3-1 3-1 试用两个试用两个CD4051CD4051扩展成一个扩展成一个1 1161

4、6路的模拟开关。路的模拟开关。图 多路模拟开关的扩展电路0t0T2T 3Tt采样器y( t )*y( t )*y( t )y( t ) T图2-7 信号的采样过程采样器或采样开关采样器或采样开关- - -执行采样动作的装置执行采样动作的装置 采样周期：采样周期： 采样宽度：采样宽度： 采样信号采样信号y y* *(t)(t) 注：注：1 1、在实际系统中，在实际系统中， T T ，即近似地认为采样信即近似地认为采样信号号y y* *( (t t) )是是y y( (t t) )在采样开关闭合时的瞬时值；在采样开关闭合时的瞬时值； 2 2、香农定理（采样定理）指出：、香农定理（采样定理）指出：为

5、了使采样信号为了使采样信号y y* *( (t t) )能完全复现原信号能完全复现原信号y y( (t t) )，采样频率，采样频率f f 至少要为原信号最至少要为原信号最高有效高有效 频率频率f fmaxmax的的2 2倍，即倍，即f f 2f 2fmaxmax。 采样定理给出了采样定理给出了y y* *( (t t) )唯一地复现唯一地复现y y( (t t) )所必需的最低采样所必需的最低采样频率。实际应用中，常取频率。实际应用中，常取f f （5 51010）f fmaxmax。2、量化和编码、量化和编码量化单位量化单位数字信号最低位数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小，所对应的模

6、拟信号大小，用用 表示。表示。量化量化把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。量化误差量化误差因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差。整除而引起的误差。编码编码把量化的数值用二进制代码表示。把量化的数值用二进制代码表示。量化装置量化装置：执行量化动作的装置是执行量化动作的装置是A/D转换器转换器 零阶采样保持器-是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。 构成输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH。工作过程采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；

7、保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。INV1A2AHCOUTVSOUTVINVtt图 2-8 采样保持器 路电理原)a (性波作工)b(采样保持 综上所述综上所述: :保持电容器电容量的大小它不是一个定保持电容器电容量的大小它不是一个定值值, ,它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确它可以在一定范围内取值。其电容量的大小确定可以根据实践经验通过实验来确定。定可以根据实践经验通过实验来确定。 一般选一般选100100pF-1000pFpF-1000pF之间。电容选聚四氟乙烯电容或聚苯之间。电容选聚四氟乙烯电容

8、或聚苯乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小乙烯电容，绝缘阻抗高，漏电流小。3、集成采样保持器、集成采样保持器结论 -保持器在采样期间，不启动A/D转换器，保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D 转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换精度 电压模拟电压第二次预测第三次预测 第四次 预测 第一次预测时间03D0D1D2D(1000) (0100) (0110) (0111)现以4位A/D转换器把模拟量7转换为二进制数0111为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。数字量由逐次逼近寄存器提供。数字量由逐次逼近寄存器提供。思路：思路：从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值（从输出数字量的最

9、高位起，逐位判断该位的值（0,1）。）。例题例题: 以输出四位数字量以输出四位数字量a3a2a1a0为例为例:1.输入输入1000到逐次逼近寄存器，以确定到逐次逼近寄存器，以确定a3的值；的值；2.输入输入a3100到逐次逼近寄存器，以确定到逐次逼近寄存器，以确定a2的值；的值；3.输入输入a3a210到逐次逼近寄存器，以确定到逐次逼近寄存器，以确定a1的值；的值；4.输入输入a3a2a11到逐次逼近寄存器，以确定到逐次逼近寄存器，以确定a0的值；的值；ALEALEC B AC B A接通信号接通信号1 11 11 11 11 11 11 11 10 00 0 00 0 00 0 10 0 1

10、0 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 01 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 1 ININ0 0ININ1 1ININ2 2ININ3 3ININ4 4ININ5 5ININ6 6ININ7 7均不通均不通ADC0809真值表真值表 分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即： 分辨率 = 满刻度值/2nA/DA/D转换器的性能指标转换器的性能指标mVVV44.2409610101221

11、分辨率分辨率= 例例1: A/D1: A/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，最大输入模拟信号为位二进制数，最大输入模拟信号为10V10V，则其分辨率为，则其分辨率为: : A/D转换器主要技术指标例例2: 常用的常用的8-bit 的的ADC0804，若是满刻度为，若是满刻度为5V的话，分辨的话，分辨率即为率即为: mVVV53.1925655218分辨率分辨率= （3 3）转换精度）转换精度 转换精度是指转换后的结果相对于理论输出值的准转换精度是指转换后的结果相对于理论输出值的准确度。确度。 理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。

12、有绝对精度和相对精度两种表示方式。有绝对精度和相对精度两种表示方式。注意：精度和分辨率是两个概念。即使分辨率很高，注意：精度和分辨率是两个概念。即使分辨率很高，但由于温度漂移，线性不良等原因，也可能造成精但由于温度漂移，线性不良等原因，也可能造成精度不是很高。度不是很高。4. 4. 转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器从接到转换启动信号开始，到输转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/D A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型类型A/D

13、A/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度较快较快，需，需几十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒时间。时间。 例例1 1：某信号采集系统要求用一片：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯转换集成芯片在片在1s1s内对内对1616个热电偶的输出电压分数进行个热电偶的输出电压分数进行A/DA/D转转换。已知热电偶输出电压范围为换。已知热电偶输出电压范围为0