微型计算机控制技术第二章

第2章输入/输出接口与过程通道2.3信号的采样和量化2.3.1信号的采样2.3.2采样定理及频率的选择2.3.3量化过程2.3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A/D转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。首先通过采样器，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A/D转换器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来完成的。2.3.1信号的采样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“采样”，又称为“抽样”、“取样”。对连续信号的采样过程，可用图2-4来描述。（a）模拟信号数字化处理过程图2-4连续信号的采样过程采样周期：T采样时间：τ采样时刻：0T、1T、2T、3T……图2-4（b）采样过程的模拟图2-4（b）是用乘法器来描述的采样过程。f（t）为连续函数，s（t）为开关函数，fs（t）为采样函数，即f（t）离散后之值。在实际应用中，由于τ远小于T，即τ/T→0，故常用单位脉冲函数δ（t）来代替开关脉冲，用单位脉冲序列δT（t）代替开关函数s（t）。可以证明，当t=nT时，单位脉冲序列可以表示为：式中，n=0，±1，±2，…，±∞；T为采样周期。这样，就可以以离散函数f*（t）来代替采样函数fs（t：）2.3.2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数f*（t）能否反映原模拟信号f（t）的全部信息，采样周期如何选择才能使f*（t）不失真地反映f（t）的变化。采样频率越高，离散后的f*（t）越能接近输入信号f（t）。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，导致过多的数据存储和运算，加重计算机的负担，实时性差。香农（Shannon）采样定理：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f≥2fmax，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因素。工程上，采样频率一般取f≥（4~10）fmax。2.3.3量化过程整量化过程（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值，将其转换成数字信号，如图2-6所示。（a）离散模拟信号（b）数字信号图2-6量化过程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的，量化过程是一个类似四舍五入的过程。量化单位q

是指量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。设fmax和fmin为转换信号的最大值和最小值，则量化单位为：式中，i——转换后二进制数的位数。例如，模拟信号fmax=16V、fmin=0V，取i=4采样时刻采样值（V）量化值采样时刻采样值（V）量化值0T9.010014T7.201111T5.901105T8.910012T4.401006T9.510103T5.801107T81000则,最大量化误差2.4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式。一般由传感器及检测装置、信号调理电路、多路转换开关、采样保持器、A/D转换器、接口电路等组成。2.4模拟量输入通道信号调理电路信号调理电路就是对现场采集到的信号进行处理，使其满足A/D转换要求。信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同，通常包含放大、I/V转换、滤波、线性化、隔离等。2.4模拟量输入通道信号调理电路2.4.1信号的放大2.4.2I/V变换电路2.掀4.撒1信号平的放可大多数拖传感慌器产蓬生的洽信号忍都比灾较微妇弱，推需经旦过放思大才树能满迈足A/摄D转换缘瑞器输施入信厘号的湖幅度铲要求孟。当传百感器厌的工铅作环抗境恶衫劣时泄，传花感器握的输伶出有怪各种皱噪声李，共盐模干伴扰很乒大，南而传暂感器呆的输才出小址，输河出阻已抗很琴大时亮，一桥般运盼放已惩不能幕胜任.在这晃种情刘况下播，必缴需用低噪穿声、爸低漂辆移、批高增笋益、油高输哭入阻扎抗和绪高共衡模抑肯制比贯的直炕流放熄大器，这雨类放松大器壁常用俯的有异测量汁放大拥器、漏可编断程序惰放大好器和紧隔离屋放大仇器。测量冶放大凳器常用品在应怖变片导传感帅器、忙热电灾偶温饼度传选感器戴等微股弱信祝号的旗输出呢放大么中。漏这类颈放大腥器一冠般由好三个炸运算研放大灭器组辨成.前两泪级组成熊具有纳对称军结构店的差酸动放洗大电摄路，例其作筋用是桂阻抗妖变换攀（高纪输入型阻抗飘）和概增益它调整挑；后一豆级为功南率输宏出级贤，它况将A1、A2的差战动输星入双讲端输节出信替号转厨换为骨单端累输出渴信号种，且攀提高遣共模建抑制扑比。RG用来催调节艳放大姐器的宴增益.由图摆可知呢，第糖一级忆：式中勒，AV为放略大器功的增堵益。目前铲有许洞多集拔成测槽量放念大器贱芯片择可供牙用户禽选用者。如AD拒52秧1、AD针52杏2等。AD旅52狮2的典寇型应锅用如跪图2-迁8所示欧。图2-播8孤AD桑52跳2典型啊应用可编狸程增凤益放黑大器可编筹程增碍益放熟大器今（Pr词og裕ra溪mm率ab帐le绪G呀ai蜂n浴Am艳pl不if讯ie浆r，PG哨A），陆其放演大倍精数可蝴根据袄需要验用程课序进虏行控吓制。氧采样翼这种中放大昌器，负可通货过程热序调陵节放诵大倍雨数，商使A/怎D转换旷器满桃量程念信号似达到犯均一孝化，隔大大军提高结测量匹精度蜡。可编棚程增纸益放乱大器充有组合PG喝A和集成PG软A两种卖。1、组火合PG导A图2-西9基于AD趣52擦2和模战拟开踩关构遗成的仍组合PG约A2、集悠成PG贤A图2-军10为AD吩52援6内部砍结构图2-谱11库A咸D5封26基本来接法2.揪4.加2沿I/浩V变换煎电路为了起提高炉系统躁的抗巩干扰劈燕能力仅，通岛常情鉴况下婆，变肌送器袜输出侵的是标准联电流坟信号。因穴此需邮要经脏过I/猛V变换压，变盛成电数压信冷号后势才能渗进行A/着D转换预进而窑被计存算机毅处理涛。电流/电压锹转换崖电路念是将高电流尖信号哨成比捕例地笑转换弄成电拍压。垄常用I/版V变换似的实盏现方仅法有无源I/宵V变换和有源I/轨V变换。一、偏无源I/偷V变换无源I/标V变换算主要妙利用许无源脏器件恩电阻梨来实坊现，坐并加渗滤波题和输垂出限掉幅等理保护色措施笋。图2-惰12无源I/罪V变换曾电路对于0~愚10润mA输入泛信号贵，可取R1＝10裹0Ω，R2＝50划0Ω，且R2为精咱密电盒阻，这样新当输拜入的磁电流I为0~咸10派mA时，I/朴V变换贤电路张输出思的电染压为括：0~控5V二、桐有源I/码V变换有源I/架V变换汉主要威是利颂用有延源器耀件运档算放渴大器索组成图2-央13有源I/准V变换吹电路该同丘相放氏大电企路的放大会倍数责为：对于0~蒜10照mA输入撤信号疮，若柏取R1＝20块0Ω，则I=狸10适mA时，电阻R1上产喇生2V的电输压，紧若取R3＝10流0Ω，R4＝15客0Ω，该电臭路对贝应的除输出袜电压礼为：0~席5V2.垒5模拟祝开关社及采见样保裹持2.径5.投1多路酒模拟虑开关2.援5.糕2采样酿保持仇器2.理5模拟嗽开关鞋及采谱样保凳持2.斥5.脏1多路驳模拟张开关多路公模拟吉开关饿又称拍多路之转换沿器，锹是用苍来进牌行模土拟电蜓压信炭号切锅换的配关键章元件袄。利忠用多堆路模勉拟开宜关可敏将各成个输饥入信援号依嘴次地裤或随烤机地光连接可到公骆用放啄大器素或A/原D转换瓶器上蛙。理想屑的多场路开摘关开塑路电田阻为希无穷奥大，核接通两电阻与为零山。此域外，裕还希挺望切墙换速记度快牺，噪鼓音小写、寿议命长律、工役作可坟靠。目前泊广泛塞采用桐的模写拟开魔关有悬：机械剑式和电子访式机械抹式的超指采顾用干朗簧继搂电器让、湿煎簧继烘电器灿组成善的模道拟开劝关。澡导通晃电阻遇低，险开路咱电阻期无穷池大，延但响粱应速低度比族较慢躬，而脾且使岩用久匪了触绪点不并易清错洗，辩易有判误动竹作，往寿命跌短。垄通常你在低隐速、日高精筐度的察系统竹中采厌用。电子销式模职拟开脱关由红各类程半导或体工喘艺制喇作的杯模拟史开关忠，有窑晶体眉管和赠场效勤应管锻两种垄，其跃特点低是速查度快赶、寿华命长浸易于哨集成知、体安积小凳。1.阳C由D4贺05皱1CD爸40踩51又称8通道筹单端匆双向畅多路录转换发器。证内部讨由逻辑区电平请转换、二进汪制译迎码器和8个开膜关组成奋，如仅图2-萄14所示起。图2-领14蔑C砖D4粱05庄1电路微原理佩图输入状态接通通道INHCBA1×××均不通00000#00011#00102#00113#01004#01015#01106#01117#表2-洲5卸CD缴40辜51真值避表2.多路恩模拟茫开关拒应用致举例在实搂际应有用中校，往线往由浪于被脊测参名数多倒，一容个多告路开令关不逆能满傍足通絮道数彩的要苍求，俘此时倦就必维须把旺多路毕开关恩进行馅扩展桐连接商。扩展祥连接副的方翁法有并联和串联两种陪方法颗。改变怖数据蹄线A2~A0即可庙分别尊选通U1或U2芯片俩的8通道者之一奖。芯士片的妻选通备则由连数据辣线A3的状傍态决商定。优点:连线膜简单球；缺点:并联很得越腥多，锅不导小通通跃道加卸在导掠通通煮道上宽的泄睬漏电贝流越副大。（a）并海联扩倘展电截路U3的每格一个欠输入越端对革应前闸级芯救片的架一个邪输出献端，砌最多膨可扩院展为64路。地址正低4位用护于U1、U2芯片杆的允锁许输葱入和滴通道法控制汉，每有次只航允许选选中功一个疤芯片校的一辨个输编入端狸。地址辜高4位用涂于控垂制U3芯片侮的输丘入和删输出拨。（b）串算联扩纳展电杨路A7蹈A市6迁A5顷A纽奉4叔A3拼A药2至A1裤A脱00妈0半0个0棋0祸0挠0厕1选用沉多路珠模拟蓬开关系应注斑意的碧问题恨：（1）对差于要您求传孝输精廉度高似而信挨号变宋化慢井的场旷合，衔可选兆用机指械触尺点式锁开关秀。（2）尽宗可能盲选取单片矮模拟灯开关狂集成爸电路；在哈使用盖多片丑组合乓时，乎也宜挎选用颜同一东型号峰的芯清片以浮尽可仿能使谣每个凉通道碑的特春性一芦致。（3）在楚选择趣多路欠模拟垒开关进的速裹度时购，要阳考虑骡到后适级采熄样保曲持电习路和A/伍D转换愈的速周度，左只需于略大突于它宗们的卖速度诉即可紧，不必除一味亮追求茄高速。（4）在薯使用砌高精榴度采歪样/保持寨和A/毯D转换炸进行巩精密简数据汪采集炮和测丑量时蒙，需畏考虑猎模拟辜开关吧的传按输精冷度问佣题，歪尤其蓬需注监意模状拟开削关漂颂移特辣性。2.迈5.谎2采样选保持先器在对指模拟起信号览进行度模/数变印换时舌，从罩启动染变换誉到变景换结付束的般数字歌量输鸽出，博需要债一定仓的时氏间，我即A/句D转换灰器的孔径刑时间。当扩输入栋信号篮频率出提高扩时，丙由于恩孔径株时间益的存凶在，窃会造坛成较迫大的优转换芒误差单。要鼠防止快这种昆误差征的产短生，破必须恳在A/武D转换脆开始狗前能炎跟踪票输入庭信号轨的变赚化，脂即对孕输入塌信号污处于已采样览状态林；在A/收D转换植开始吐时将蹈信号圈电平口保持篮住，盲这种转功能捎的器锅件叫采样/保持拉器（Sa丽mp改le土/主H略ol很de膜r，S/搞H）。采样贸保持蛙器的将主要盛作用殖为：（1）在椅采样扶时间抬内，渗快速蜓跟踪态输入惠的模耳拟信助号；未在保岭持时帐间内约，保强持采沟样值脑不变掉，为A/煤D转换她器提妻供恒芦定的年转换偏信号晚。（2）在吃多路崭采样夺系统猛中，餐通过心采样荷保持都器，幕可以赌实现谈多路越信号威的同匹步采冬样。（3）在沿模拟每量输勇出通渔道中否，作稍为零锦阶保卧持器仔，复守现离桃散的植数字列信号梁。（4）在徐多路切输出疤通道宰中，坦把一鼓个D/染A转换樱器的租输出恋分配眠到几扰个输吼出点它，也味常利欲用采搬样保蜓持器顿保证励输出敬的稳析定性毛。1.采样妻保持碗电路好的工浴作原尘理采样胜保持兆电路悦由输古入缓胳冲放筝大器A1、模俯拟开勾关AS、模培拟信跌号存赶储电愤容CH及输间出缓铁冲放懂大器A2组成避。A1、A2接成亏跟随短器的乱形式耐，具嘉有高已输入罗阻抗卫、低狠输出就阻抗亦的特胳点。图2-花17采样少保持竿