第二章_测控系统原理与设计2_输入输出3

第2.1节模拟输入通道,模拟输入通道是指被测量与微机之间的通道，它一般由以下部分组成：,测控通道,在测控系统中，一台微机往往要同时测量几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是多路的。按照各路输入通道是共用一个采集通道还是每个通道各用一个，输入通道可分为集中采集式和分散采集式。,2.1.1、输入通道的分类,集中采集式之分时采集结构：,采集电路,电路简单，成本低，但不能获得各路信号同一时刻的值，适于中、低速采样系统中。,集中采集式之多路同步采集结构：,采集电路,电路较复杂，时间偏斜误差小于分时采样系统。适于中、低速采样系统中。,分散式采集结构,采集电路,电路较复杂，成本较高。适于对速度要求较高的采样系统中。,特点：没有模拟多路切换器；都有各自和。随机或顺序进入计算机。,2.1.2、传感器的选用,传感器是信号输入通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么传感器系统对传感器的技术要求；其次要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。,一、对传感器的主要技术要求,实现物理量到电信号的转换，满足量程需求。输出为电量；精度满足要求，速度满足要求。符合整机对传感器精度（通常为系统精度的十倍）和速度的要求；满足环境要求。满足被测介质和使用环境的要求（如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等）；满足可靠性和可维护性的要求满足性能价格比要求。,1、大信号输出传感器,要求：与A/D相配套的大信号输出传感器；特性：A.把放大电路与传感器做成一体。使传感器能直接输出05V、010V或02.5V要求的信号电压；把传感器与相应的变送器电路做成一体。构成能输出420mA直流标准信号的变送器。可省去小信号放大环节。,二、可供选用的传感器类型,下面是传感器输出为模拟量时的输入通道。,2、数字式输出传感器,1.构成：采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等。2.特性：数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。传感器输出如果满足TTL电平标准，就可以直接接入计算机的I/O口或中断入口。如果传感器输出不是TTL电平，则须经电平转换或放大整形。图2-1-5所示，频率量及开关量输出的传感器还具有信号调理较为简单的优点。3.用途：非快速测量时选用。,传感器输出为频率量或开关量时的输入通道。,光电隔离器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。,2-1-5,3、集成式传感器,1.构成：将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。2.特性：采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。,4、光纤传感器,特性：其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器，可从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。,光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。,1.向传感器厂家定购，价格高；2.实用设计方法：从传感器定型产品中选一个作基础件，在其前设计一种敏感器或在其后设计一种转换器的方案进行；组合方案，各种方式的传感器组合后达到满足特定测量需要的特制传感器。赃物度测试？,特殊需要传感器的解决方法,其他:BCD码输出、专用特制等。,2.1.3信号调理电路的参数设计和选择,在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（SignalConditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。,信号调理的内容：小信号放大滤波（硬件完成）零点校正线性化温度补偿误差修正量程切换（软）,典型信号调理电路的组成,对于大信号电压可以经A/D转换，也可以经V/F转换送入微机，但后者响应速度较慢。对于大电流输出，只要经过简单I/V转换即可变为大信号电压输出。,电路噪声,等效电路噪声,信号输出,信号输入,1.前置放大器,放大器前置的原因1：使输入的小信号不被电路噪声所淹没。,在无输入信号时，电路的输出为噪声。设电路的放大倍数为K，则噪声折算到输入端即为等效输入噪声VIN,总输出噪声折算到前置放大器输入端为：,若没有前置放大器时信号刚好被噪声淹没（VIS=VIN），加入前置放大器后，为使输入信号不被噪声淹没，应VISVIN，即VINVIN,解得：,即前置电路必须是放大器,放大器前置的原因2：防止滤波器的噪声被放大器放大。,放大器前置时，电路的等效输入噪声为：,放大器后置时，电路的等效输入噪声为：,放大器前置有利于减少噪声！,信号调理通道中常用的放大器,在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。,(一)仪用放大器,仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R5R7。则放大器闭环增益为：假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。,在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要性能指标：1.非线性度2.温漂3.建立时间4.恢复时间5.电源引起的失调6.共模抑制比,1.非线性度它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。,VI,VO,2.温漂温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。输出电压会随温度的变化而发生(150)V/变化，这与仪用放大器的增益有关。,3.建立时间指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。4.恢复时间指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间,放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。放大器增益带宽积指标,5.电源引起的失调指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。,6.共模抑制比CMRR=20logAdef/Acom共模电压存在场合,(二)程控增益放大器程控放大器是常用部件，在许多实际应用中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。,(三)隔离放大器隔离模式：两口隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离；三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此欧姆隔离；三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔离（电磁）。,应用场合:高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差；测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高;多个系统不能共地.,特点：1.能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏2.泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。,种类：高通滤波器；陷波滤波器；去混淆滤波器作用：防止零点漂移；防止共频干扰；防止采集混叠现象。,二、滤波器的作用和参数选择,（1）隔直电容的作用,为隔离电路的零点漂移，通常用隔直电容的方法，隔直电容的作用使调理电路的零漂电压不会随被测信号一起送到采集电路。隔直电容C与电压跟随器输入电阻Ri形成的高通滤波器截止频率应很低，甚至不到1赫兹。如图所示。由于fl很低，对一般的低频干扰不起作用，在有些仪器上需要滤除低频干扰，需要设置专门的高通滤波器。,滤除低频干扰，其截止频率应高于需要滤除的干扰频率。调理电路通频带的下限频率由专门的高通滤波器决定，而不由RC电路决定。,2）高通滤波器,3）陷波器陷波器,陷波器抑制交流电干扰。陷波频率应等于交流电干扰的频率50Hz。,如果不存在交流电干扰就不设置陷波器，当被测信号频率远小于交流电频率时，也可用低通滤波器滤除交流电干扰。,（4）低通滤波器,低通滤波器“去混淆”，即在采样前先滤除高频干扰，防止高频分量被采样而折叠到信号频段产生“混淆”。,采样定理的折叠失真及消除条件,连续信号x（t）被宽度为的脉冲信号所采集，采样周期为T。,这样一个过程可以看成是连续信号x(t)对单位脉冲序列的脉冲调制过程，采样开关就起到脉冲调制器作用。,这个过程可以用数学表达式表示为：对应频谱为:,取样脉冲信号,其中ws为采样角频率.,2-1-9,2-1-8,若让采样信号Xs（t）通过一个截频为Ws/2的理想低通滤波器，其传输函数为：,得到恢复信号X0（t）的频谱为,在0-Ws/2范围内有,将n=0拆出所得这种差别叫折叠失真,折叠失真的消除频谱图讨论,被采样信号,恢复信号,将式2-1-12展开得,Wc被采样频率，Ws采样频率，由图可看出x（w-ws）可看做x（w）以w=ws/2为对折轴折叠的结果，因此，该频率又称为折叠频率，如果wcws/2被采样信号频谱中高于ws/2的部分（ws/2wc）采样后沿ws/2折叠回来便在（wswc）ws/2范围内形成干扰或噪声。这种情况下，经理想低通滤波恢复出来的信号频谱xo(W)与原被采样信号频谱X(W)的差别是x(w)在ws/2wc部分被切掉了，在（wswc）ws/2却多出一块。,结论：消除采样引起的折叠失真满足的条件采样定理,被采样信号的最高频率必须为有限值，即采样频率要大于被采样信号最高频率的两倍，即采样周期T满足条件,采样定理（香农定理）,2、去混淆滤波的设置,采样产生折叠失真是由于被采样频谱中含有高于折叠频率fs2的频率分量，产生频率混淆。被采样频谱包含有用信号和干扰噪声两部分，大多存在高于fs2的频率分量。由于被采样频谱中高于fs2的频率分量采样后会出现在低于fs2的信号频段上，这样就无法用频率滤波的方法将它们与信号分离。为消除频率混淆或假频干扰，就只有在采样之前先用一个截频fhfs2的低通滤波器把高于fs2的频率分量滤掉，以保证采样时被采样的频谱只包含低于fs2的频率分量，即满足采样定理。,在采样开关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆滤波器或去假频滤波器。当然，如果被采样频谱中不包含高于fs2的频率分量，或者虽然有但也很微弱，那就不必增加去混淆滤波这道环节。去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于fs2的频率分量，如果去混淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么去混淆滤波器截止频率fh=fs2就可以了。,结论,（1）“混淆”产生的原因被采样频谱中含有高于折迭频率fs2的频率分量。（2）“混淆”的危害被采样频谱中高于fs2的频率分量采样后会沿fs2折迭到(fs-fc)fs/2频段对信号形成干扰。（3）“混淆”的消除在采样之前先用一个低通滤波器把高于fs2的频率分量滤掉。该低通滤波器称为“去混淆滤波器”,去混淆滤波器的参数选择（自学）,设信号中幅度最大（Vs）的频率分量的频率为f=fh，干扰中幅度最大（Vn）的频率分量的频率为f=fS-fh，去混低通滤波器的幅频特性为k(f)，f=fh时，k(f)=kS=1f=fS-fh时，k(f)=kn,滤波器截止频率和斜率的确定,巴特沃斯滤波器波特图,被测有用信号频率范围,截止频率,陡度S,图2-1-13采集电路的基本组成,2-1-4、采集电路的参数设计和选择,采集电路是实现模拟信号数字化的电路，A/D转换器是采集电路的核心。一般A/D前都设置模拟多路切换器MUX，以便从多路模拟信号中选一路进行A/D转换。若模拟信号为恒定或变化缓慢的信号，则可直接进行A/D转换，如图2-1-13（a）所示。,如果被测模拟信号为动态信号，必须在MUX与A/D之间设置采样保持器S/H，如图2-1-13(b)所示。S/H在MUX的闭合期间采样，A/D在S/H保持期间进行A/D转换。如果各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大，必须在S/H与MUX之间设置程控增益放大器PGA或瞬时浮点放大器作为主放大器，如图2-1-13(c)所示。,(1)分辨率ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量用ADC输出数字量的位数n表示，代表ADC有2n个可能状态，可分辨出满量程值的1/2n的输入变化量。此输入变化量称为1LSB（即一个量子Q）,最低有效位,一、A/D转换器的选择要点,(2)转换时间A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。其倒数称为转换速率。与实现转换所采用的电路技术有关与位数有关采集系统转换时间还与接口模式有关,(3)精度与误差绝对误差(精度)数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、噪声等组成。相对误差(精度)数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比，用表示。绝对误差/满量程值之比。,偏移误差（又称为偏移电压）定义:为使ADC的输出最低位为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值之差。在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。在ADC的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数，单位为10-6/，其值约在几到几十范围内,增益误差（满量程误差）指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。线性度误差积分线性度误差和微分线性度误差两种。,2.A/D转换器的选择,选择A/D转换器时需要考虑A/D转换器的位数A/D转换的速度A/D转换器工作的环境（温度、功耗、可靠性）A/D转换的输出（串行、并行），与选用的计算机和系统的整体设计有关。,1.A/D转换器位数的确定,设：模拟输入电压的最大值：Vimax模拟输入电压的最小值：Vimin前置放大器的增益：kgm位A/D转换器的满量程：E能转换的最小模拟量：,小信号不被量化噪声淹没,大信号不使A/D转换器溢出,由前面两式可得：,上式两边取对数：,整理，得：,测量范围要求,也可以根据数据采集系统的误差要求来确定A/D转换器的位数，通常A/D转换器的精度应是系统的十倍左右。,A/D转换器的误差为：,如果系统要求的精度是：,A/D转换位数m的最终确定,（测量范围要求）,（测量精度要求）,且,2.A/D转换速度的确定,不同原理的A/D转换器的A/D转换时间是不一样的，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型的A/D转换器较慢，逐次比较型较快。,A/D的转换周期由两部分组成，转换时间tc和恢复时间to，即：,tCA/D转换器从启动转换到转换结束输出稳定的数字量所需要的时间t0A/D转换器从转换结束到下一次再启动转换所需要的时间。,若一个采样周期内，要完成N路模拟信号的采样，则：,NA/D转换器在一个采样周期TS内依次转换的子样个数即采集的信号路数。,设待转换的模拟信号的最高频率为：,则滤波器的截止频率：,由上式可知对信号频率较高的高频数据采集系统，应采取以下措施（提高转换速度的措施）：（TA/D一定，提高fmax）减少通道数，最好用分散采集方式N=1;减少截频系数C,增大去混淆低通滤波器陡度；选用转换时间短的A/D芯片选用直接读取存储器的技术（DMA），以大大缩短休止时间t0,3、根据环境选择A/D：温度、功耗、可靠性等；4、选择A/D转换的输出状态：并行、串行输出，二进制、BCD码输出，时钟等,.,A/D转换芯片的类型：,积分型,逐次比较(逼近)型：,比较型和积分型,电压-频率转换型：,速度快，抗干扰能力弱。,双积分型(即电压时间转换式):抗干扰能力强，价低,速度慢，价低,分辨率高但速度较慢。,-转换型：,比较器和计数逻辑器件完成转换，AD574,1位DAC、滤波和附加采样来实现精确转换，实际上是一种以牺牲速度为代价的过采样技术。AD7710系列,MC14433,ICL7135,.,逐次比较(逼近)型：,逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（12位）时价格很高。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图所示。逐次逼近式AD转换器原理图基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vi进行比较，若VoVi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Vo再与Vi比较，若VoVi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。,.,双积分型(即电压时间转换式):,采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。积分式就是仪表盘上面的，电子秤上面的，低速，稳定，精度高。,.,举例1：如某测温系统的输入范围为0500，要求测温的分辨率为2.5，转换时间在1ms之内。,可选用分辨率为8位的逐次比较式A/D（例如ADC0804、ADC0809等）；,得：n=7.64,A/D输入、输出方式,单端，差动（双端）单极性，双极性,输入：,输出：,并行，串行,并行占用大量单片机I/O口线，速度快。,串行节省口线，信号一位位传送,.,A/D转换器的控制信号：,启动控制信号（脉冲或电位）,转换结束信号：中断式，查询式,转换结束控制信号,转换结果的输出控制信号。,零点校准方法,调整R1，使得输入模拟电压为1.22mV（即对于0+10V范围，为1/2LSB）时，输出数字量从000000000000变到000000000001，即可认为零点校准好了。,满度校准方法,调整R2，即对于0+10V范围，调整R2，使得对应输入电压为9.9963V（即电压变化1又1/2LSB）时，数字量从111111111110变到111111111111，即可认为满刻度校准好了。,二、采样保持器的选择,实际的采样/保持器的输出-输入特性是非理想的，这主要反映在“采样”与“保持”两个状态之间的过渡过程不能瞬时完成以及采样和保持过程中存在许多误差因素。,捕捉时间tAC当发出采样指令即控制信号由“保持”电平跳变为“采样”电平之后，采样/保持器的输出电压V0从原来的值过渡到跟踪输入信号vi值所需的时间。它包括开关的导通延迟时间和建立跟踪输入信号稳定时间.反映了A/D的采集速度。,图2-1-15采样/保持器的主要性能参数,跟踪输入信号,孔径时间tAP保持指令开始到模拟开关完全关断。,采样/保持器的输出电压V0,1.采样/保持器的主要性能参数,图2-1-15采样/保持器的主要性能参数,建立时间ts保持命令开始到保持终值时间包括了孔径时间。,孔径误差由于孔径时间的存在，采样时间被额外地延迟了，当被采样信号是时变信号，它使保持指令来到后S/H的输出仍跟踪输入信号的变化。当这一时刻结束后，电路的稳定输出已不代表保持指令到达时刻输入信号的瞬时值，而是代表tAP结束时刻输入信号的瞬时值。两者之差称为孔径误差。,最大孔径误差,最大孔径误差,保持电压的跌落速度:ID为流过保持电容CH的所有漏电流代数和。,（1）不设置采样保持器时，待转换信号允许的最高频率很低，由下式决定,（2）设置采样保持器后，待转换信号允许的最高频率大大提高，由下式决定,2.设置采样保持器的必要性,ADC转换时间tc,tAP小很多,结论：若被转换信号是直流电压或变化极缓慢，可以不在ADC前加设S/H。否则，就要在ADC前加设S/H。S/H把采样幅值保持下来，ADC在S/H保持期间把保持的采样幅值转换成相应的数码。,保持建立时间,通道指令,S/H指令,启动转换,EOC,tS,tAC,输出地址,捕捉时间,开始转换,3.采集电路的工作时序和最高允许频率（自学）,由前面电路可知，完成一个通道的转换所需时间为：,N个通道总的采样时间：,因此，当模拟通道的数目和A/D转换器选定之后被转换的模拟信号的最高频率就由上式决定。,4多路通道串音问题（自学）,原因:模拟开关的关断电阻不是无穷大,对正在接通的采集电路构成干扰.这就是串音干扰.消除措施：1减少信号源内阻,可采用电压跟随器.2选用开路电阻大,接通电阻小的开关管.3减少输出端并联开关数.4选用寄生电容小的多路开关.,在多路数据采集系统中，常用模拟多路开关(MUX)实现各通道间切换。理想情况下，当一路开关接通时应只有一路信号被接通，其余各路都是关断的。但实际情况并非如此，由于模拟开关出现的关断电阻Roff,不是无穷大，因而被关断的信号也会出现在负载上。,这种由于模拟开关关断不彻底造成的在负载上的泄露电压(VN)，称为串音。由前面的电路可得：,，,由上式可知，为减少串音干扰，可采取的措施有：（1）减小Ri（2）选用Ron小、Roff大的模拟开关（3）减小N,同时通道间还存在寄生电容Cx和开关源、漏极之间的寄生电容CDS在截止通道的高频信号会通过这些电容在负载端产生泄露电压，这会使串音干扰更厉害。所以选用MUX时应选用寄生电容小的。,5.采集电路中放大器的设置,在多路模拟通道采集系统中，如果各通道信号在进入采集电路时幅度差别太大，则应在采集电路中设置程控增益放大器，以满足转换精度的要求。,采集电路,设:A/D转换器能转换的模拟电压上限为E，A/D转换器的位数是m，它的满度数字输出为DFS则A/D转换的最小量化绝对误差为：,若第i个通道的模拟输入为Vij，该通道的量化相对误差为:,采样电压越小，相对误差越大，转换精度越低，为避免弱信号采样电压在A/D转换时达不到要求的精度，就必须将它放大K倍后再进行A/D转换，这样量化精度就可提高k倍。,vij：多路切换输出的第i道信号的第j次采样电压。,若程控放大器对第i个通道的放大倍数为K，该通道的量化相对误差为:,所以，在保证A/D不溢出的情况下，K越大，相对误差越小,转换精度,因此采集系统中的放大器应满足以下条件：,所以放大器的增益应为:,1.多路模拟信号基本恒定或缓慢变化的信号，各路信号幅度间变化不大。无需设置主放大器，只需设置前置放大器满足要求即可。,2.多路模拟信号基本恒定或缓慢变化的信号，各路信号幅度间变化较大。需在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。每当多路开关MUX在对第i道信号采样时，放大器就采用预先按式(2-1-50)（p24）选定的第i道的增益Ki进行放大。,结论,3.被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号，而且同一时刻各路信号的幅度也不一样。即，Vij既随i变化，也随j变化，应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器，其特点是在多路开关MUX对第i道信号进行第j次采样期间，及时为该采样幅值Vij选定一个符合式(2-1-50)（书P22）的最佳增益Kij。,第2.2节模拟输出通道,微机化测控系统的模拟输出通道常用于控制执行机构，模拟输出通道的目的是将数字信号转换成模拟信号输出，其信号转换过程正好与模拟输入通道相反。模拟输出通道的基本组成如下图所示。,D/A是将计算机输出的数字信号进行模拟输出的过程,图2-2-1一阶保持与零阶保持,2.2.1模拟输出通道的基本理论,模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的A/D转换结果。很显然把这些A/D转换结果再经过D/A转换，也只能得到模拟信号各个采样时刻的近似幅值得到模拟信号波形上的一个个断续的采样点，而不能得到在时间上连续存在的波形。为了得到在时间上连续存在的波形就要填补相邻采样点之间的空白。有两种简单的填补采样点之间空白的办法：有两种基本方式：一阶保持和零阶保持.,一是把相邻采样点之间用直线连接起来，如上图(a)所示，这种方式称为“一阶保持”方式；二是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点，如上图(b)所示，这种方式称“零阶保持”方式。,一阶保持与零阶保持,a）一阶保持不容易用电路实现(b)零阶保持容易用电路实现,模拟输出通道的基本理论,零阶保持器实现:数据保持方式,模拟保持方式,图2-2-2零阶保持器的两种形式,上图a为数据保持方式，即在D/A之前加设一个寄存器，让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号的下个采样点数据到来为止，这样D/A转换器输出波形就不是离散的脉冲电压，而是连续的台阶电压。,零阶保持器输出阶梯波形如下:,图2-2-3零阶保持器的输出波形,问题1：如何将实线所示阶梯波形变成虚线所示的光滑波形？,上图b为模拟保持方式，即在公用的D/A之后每路加一个采样保持器，保持器将D/A转换器输出子样电压保持到本路信号的下一个采样电压产生时为止。这样采样保持器输出波形也是连续的台阶电压。图中的采样保持器都起到零阶保持的作用。对比：前者保持电压会跌落；后者结构简单，成本低。,由图2-2-3认为零阶保持器输入的是一幅度为X(nTS)冲击脉冲序列。即XS(t)为,图2-2-3,这一冲击脉冲序列输入到零阶保持器，便形成图2-2-3实线所示的阶梯波形。,问题2：阶梯波形X1(t)是如何形成的？,用频谱来表示即：,其中：,H(w)：零阶保持器传递函数,图2-2-4零阶保持器的单位冲激响应a和频率响应b,图2-2-5零阶保持器和平滑滤波器的作用,将式2-2-5展开后所得,零阶保持器频率响应,输出频谱,子样脉冲串经过零阶保持器及平滑滤波器的作用后输出频谱：,模拟输出通道的基本理论,可以通过推导得:其中:称为基带频谱称为调制频谱由下图可知,保持器的频谱响应具有突出基带作用,可