ch02输入通道接口技术

1、第2章 输入通道接口技术 输入通道接口技术输入通道接口技术 2.1 信号测量与传感器技术信号测量与传感器技术 2.2 模拟信号输入通道接口模拟信号输入通道接口 2.3 键盘接口技术键盘接口技术 2.4 开关量信号输入接口开关量信号输入接口 2.1 信号测量与传感器技术信号测量与传感器技术2.1.1 温度测量传感器温度测量传感器 温度测量原理：温度测量原理：通过温度敏感元件与被测对通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。被测对象的温度。 温度测量方式：有接触式和非接触式两大类。温度测量方式：有接触式和非接触式两大类。测温

2、方式测温方式类类 别别原原 理理典型仪表典型仪表测温范围测温范围接触式测温接触式测温膨胀类膨胀类利用液体气体的热膨胀及物质利用液体气体的热膨胀及物质的蒸气气压变化的蒸气气压变化玻璃液体温度计玻璃液体温度计 100 600压力式温度计压力式温度计 100 500利用两种金属的热膨胀差利用两种金属的热膨胀差双金属温度计双金属温度计 80 600热电类热电类利用热电效应利用热电效应热电偶热电偶 200 1800电阻类电阻类固体材料的电阻随温度变化而固体材料的电阻随温度变化而变化变化铂热电阻铂热电阻 260 850铜热电阻铜热电阻 50 150热敏电阻热敏电阻 50 300其他电学类其他电学类半导体器

3、件的温度效应半导体器件的温度效应集成温度传感器集成温度传感器 50 150晶体的固有频率随温度变化而晶体的固有频率随温度变化而变化变化石英晶体温度计石英晶体温度计 50 120光纤类光纤类利用光纤的温度特性或作为传利用光纤的温度特性或作为传光介质光介质光纤温度传感器光纤温度传感器 50 400非接触式测非接触式测温温光纤辐射温度计光纤辐射温度计200 4000辐射类辐射类利用普朗克定律利用普朗克定律光电高温计光电高温计800 3200辐射传感器辐射传感器400 2000表表21温度检测方法的分类温度检测方法的分类2.1 信号测量与传感器技术信号测量与传感器技术接触式温度测量传感器接触式温度测量

4、传感器金属热电阻金属热电阻： 测温过程：金属导体的电阻值随温度变化测温过程：金属导体的电阻值随温度变化而变化。而变化。 优点：信号可以远传，灵敏度高，无须参优点：信号可以远传，灵敏度高，无须参比温度。稳定性高、互换性好、准确度高。比温度。稳定性高、互换性好、准确度高。 缺点：需要电源激励，有自热现象，影响缺点：需要电源激励，有自热现象，影响测量精度。测量精度。 类型：铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻等。类型：铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻等。 = 。2.1 信号测量与传感器技术信号测量与传感器技术铂热电阻的分类和特性及分度表见表铂热电阻的分类和特性及分度表见表2-2、表、表2-3。 项项 目目铂铂

5、热热 电电 阻阻分度号分度号Pt100Pt10R0/ 10010 0.00385测温范围测温范围 200850允差允差A级级:(0.15+0.002|T|)B级级:(0.30+0.005|T|)表表2-2 铂热电阻分类和特性铂热电阻分类和特性 TPt100Pt10TPt100Pt10TPt100Pt10 20018.521.852160161.0516.105520287.6228.762 18027.102.710180168.4816.848540294.2129.421 16035.543.554200175.8617.586560300.7530.075 14043.884.38822

6、0183.1918.319580307.2530.725 12052.115.211240190.4719.047600313.7131.371 10060.266.026260197.7119.771620320.1232.012 8068.336.833280204.9020.490640326.4832.648 6076.337.633300212.0521.205660332.7933.279 4084.278.427320219.1521.915680339.0633.906 2092.169.216340226.2122.621700345.2834.5280100.0010.00

7、0360233.2123.321720351.4635.14620107.7910.779380240.1824.018740357.5935.75940115.5411.554400247.0924.709760363.6736.36760123.2412.324420253.9625.396780369.7136.97180130.9013.090440260.7826.078800375.7037.570100138.5113.851460267.5626.756820381.6538.165120146.0714.607480274.2927.429840387.5538.775140

8、153.5815.358500280.9828.098860390.4839.048表表2-3 铂热电阻分度表铂热电阻分度表 2.1 信号测量与传感器技术热电阻结构分为普通型和铠装型两种。热电阻结构分为普通型和铠装型两种。 普通型：普通型：感温元件、内引线、绝缘套管、保护套管、感温元件、内引线、绝缘套管、保护套管、接线盒组成。接线盒组成。 铠装型铠装型：铠装电缆作为保护管绝缘物内引线的：铠装电缆作为保护管绝缘物内引线的组件，前端与感温元件连接，外部焊接短保护管。组件，前端与感温元件连接，外部焊接短保护管。图图2-1 2-1 铠装铂热电阻的结构铠装铂热电阻的结构 2.1 信号测量与传感器技术2.

9、1.2 压力测量传感器压力测量传感器 类型：类型：应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式、应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式、光电式、光纤式、超声式等。光电式、光纤式、超声式等。 压电式传感器：压电式传感器：利用压电材料的压电效应将被测压利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。压电元件受一压力作用时将产生力转换为电信号。压电元件受一压力作用时将产生电荷，当外力去除后，电荷消失。电荷，当外力去除后，电荷消失。在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间在弹性范围内，压电元件产生的电荷量与作用力之间呈线性关系，即：呈线性关系，即：q = kSp 式中，式中，q为电荷量，为电荷量，k为压

10、电常数，为压电常数，S为作用面积，为作用面积，p为压力。为压力。 2.1 信号测量与传感器技术图图2-2 2-2 压电式压力传感器结构示意图压电式压力传感器结构示意图 压电元件的一个压电元件的一个侧面与膜片接触侧面与膜片接触并接地，另一个并接地，另一个侧面通过金属箔侧面通过金属箔和引线将电量引和引线将电量引出。被测压力均出。被测压力均匀作用在膜片上匀作用在膜片上，使压电元件受，使压电元件受力而产生电荷。力而产生电荷。2.1 信号测量与传感器技术2.1.3 流量测量传感器流量测量传感器 流体的流量是指在单位时间内流过某一个流通截面的流体的流量是指在单位时间内流过某一个流通截面的流体的体积或者质量

11、。流体的体积或者质量。 流量计的种类繁多，分别适合于不同的工作场合。按流量计的种类繁多，分别适合于不同的工作场合。按检测原理分类的典型流量计列在表检测原理分类的典型流量计列在表2-4中。中。 类 别仪 表 名 称体积流量计容积式流量计椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、皮膜式流量计等差压式流量计节流式流量计、匀速管流量计、弯管流量计、靶式流量计、浮子流量计速度式流量计涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等质量流量计推导式质量流量计体积流量经密度补偿或者温度、压力补偿求得质量流量等直接式质量流量计科里奥利流量计、热式流量计、冲量式流量计表表2-4 流量计的分类流量计的分类 2.2 模拟信号输

12、入通道接口模拟信号输入通道接口模拟量输入通道的一般组成模拟量输入通道的一般组成 图图 模拟量输入通道的组成结构模拟量输入通道的组成结构 模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、模拟量输入通道一般由信号预处理、多路转换器、前置放大器、采样保持器、模前置放大器、采样保持器、模/ /数转换器和接口逻辑电数转换器和接口逻辑电路等组成。其核心是模路等组成。其核心是模/ /数转换器。数转换器。 模拟量输入通道中常用器件模拟量输入通道中常用器件传感器、变送器传感器、变送器 信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信信号预处理的功能是对来自传感器或变送器的信号进行处理。如将号进行处理。如将4mA4mA20

13、mA20mA或或0 010mA10mA电流信号电流信号变为电压信号，将热电阻变为电压信号，将热电阻(Pt100(Pt100或或Cu50)Cu50)的电阻信号的电阻信号经过桥路变为电压信号等。经过桥路变为电压信号等。传感器（传感器（TransducerTransducer）非电量非电量电压、电流电压、电流 变送器（变送器（TransformerTransformer）转换成标准的电信号转换成标准的电信号信号预处理信号预处理 多路转换器多路转换器 多路转换器又称多路开关，多路开关的多路转换器又称多路开关，多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公

14、共放大器或切换到公共放大器或A/DA/D转换上。转换上。 前置放大器前置放大器 前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，程范围之内。当多路输入的信号源电平相差较悬殊时，用同一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就用同一增益的放大器去放大高电平和低电平的信号，就有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能有可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出模超出模/ /数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器。数转换器的输入范围。可设计可变增益放大器。 采样保持器采样保持器 采样时，采

15、样时，k k 闭合，闭合，V VININ通过通过A A1 1对对C CH H快速充电，快速充电，V VOUTOUT跟随跟随V VININ；保持期间，保持期间，k k断开，断开，V VOUTOUT = =V VC C保持不变，采样保保持不变，采样保持器一旦进入保持期，便应立即启动持器一旦进入保持期，便应立即启动A/DA/D转换器，转换器，保证保证A/DA/D转换期间输入恒定。转换期间输入恒定。 A AD D转换器转换器 A/D A/D转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是转换器的作用是将模拟量转换为数字量，它是模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统和计算机之间模拟量输入通道的核心部件，是模拟系统

16、和计算机之间的接口。的接口。 2.2 模拟信号输入通道接口模拟信号输入通道接口2.2.1 模拟多路开关模拟多路开关 在实际的计算机控制系统中，往往需要对多路信号或者在实际的计算机控制系统中，往往需要对多路信号或者多种信号进行测量，而计算机在任意时刻只能处理一路多种信号进行测量，而计算机在任意时刻只能处理一路信号，因此，需要将各路信号分时地送给计算机处理。信号，因此，需要将各路信号分时地送给计算机处理。 多路开关多路开关:把多个模拟量参数分时地接通并送入把多个模拟量参数分时地接通并送入A/D转换转换器，即完成多到一的转换。器，即完成多到一的转换。多路分配器多路分配器（反多路开关）：把经计算机处理

17、，且由（反多路开关）：把经计算机处理，且由D/AD/A转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外部设备）中，即完成制回路（或外部设备）中，即完成一到多一到多的转换的转换图图2-3 多路模拟信号检测框图多路模拟信号检测框图 按用途分：按用途分：单向多路开关单向多路开关：只能完成多到一的切换，如：只能完成多到一的切换，如AD7501AD7501（8 8路）、路）、AD8506(16AD8506(16路路) )；双向多路开关双向多路开关：该芯片既可以实现多到一的：该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换。如切换，也可以完成

18、一到多的切换。如CD4051CD4051。从输入信号的连接方式来分：从输入信号的连接方式来分：单端输入单端输入双端输入双端输入（或差动输入）。（或差动输入）。双端双端是指芯片是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。公司公司型号型号通道数通道数种类种类CD公司公司CD40518通道通道双向双向CD4052双双4通道通道双向双向CD4053三重三重2通道通道双向双向CD406716通道通道双向双向CD4097双双8通道通道双向双向AD公司公司AD75018通道通道单向单向AD75

19、02双双4通道通道单向单向AD75038通道通道单向单向AD750616通道通道单向单向AD7507双双8通道通道单向单向MAX公司公司MAX3088通道通道双向双向MAX309双双4通道通道双向双向MAX30616通道通道双向双向MAX307双双8通道通道双向双向表表2-5 常用模拟多路开关芯片常用模拟多路开关芯片 半导体模拟多路开关的主要特点：半导体模拟多路开关的主要特点： 具有多种集成电路的封装形式（如具有多种集成电路的封装形式（如DIP、SMD封装封装等），尺寸小，便于安排；等），尺寸小，便于安排； 直接与直接与TTL（或（或CMOS）电平相兼容；）电平相兼容； 可采用双极性输入；可采

20、用双极性输入； 转换速度快，通常其导通或关断时间在转换速度快，通常其导通或关断时间在1 s左右，有些左右，有些产品已达到几十产品已达到几十ns； 寿命长，无机械磨损；寿命长，无机械磨损； 接通电阻较低，一般小于接通电阻较低，一般小于100 ，有的可达几，有的可达几 。 断开电阻高，通常达断开电阻高，通常达109 以上。以上。 2.2 模拟信号输入通道接口1模拟多路开关模拟多路开关CD4051 CD4051是是单端、单端、8通道、双向通道、双向多路开关。多路开关。它带有它带有3个个通道选择输入端通道选择输入端A、B、C和一个禁止输入端和一个禁止输入端INH。输入端输入端A、B、C的信号用来控制选

21、择的信号用来控制选择8个通道之一被接通。个通道之一被接通。 INH1，所有通道均断开，禁止模拟信号输入。，所有通道均断开，禁止模拟信号输入。INH0，通道接通，允许模拟信号输入。，通道接通，允许模拟信号输入。输入信号输入信号Vi范围是范围是VDDVSS。该类芯片。该类芯片VDDVSS允允许使用的电压范围是许使用的电压范围是-0.515V。 图图2-4 CD4051的原理与引脚图的原理与引脚图 输输 入入 状状 态态接通通道接通通道INHCBACD45010000000011001020011301004010150110601117表表2-6 CD4051真值表真值表 2CD4051多路开关的

22、扩展应用多路开关的扩展应用如果被测参数多于如果被测参数多于8路，使用一个路，使用一个CD4051不不能满足路数的要求，可将多个能满足路数的要求，可将多个4051相连并进行相连并进行扩展。例如用扩展。例如用2个个CD4051构成构成16通道多路开关，通道多路开关，2个个16通道开关构成通道开关构成32通道多路开关等。通道多路开关等。例：例： 2个个CD4051构成构成16通道多路开关通道多路开关用一根地址总线用一根地址总线D3即可作为两个多路开关的允许控制即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号端的选择信号而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址(或

23、数或数据据)总线总线D0D2。图图2-5 CD4051的扩展电路的扩展电路 通过改变通道通过改变通道选择线选择线D3D0的的状态，即可选通状态，即可选通IN0IN15 这这16个通道之一。个通道之一。表表2-7 16通道选择真值表通道选择真值表 输输 入入 状状 态态选中通道号选中通道号D3D2D1D0INi000000001100102001130100401015011060111710008100191010101011111100121101131110141111152.2.2 A/D转换器转换器 能将模拟信号转换成数字信号的器件，称为模数能将模拟信号转换成数字信号的器件，称为模数转

24、换器，简称转换器，简称A/D转换器转换器。 按按位数位数来分有来分有8位、位、10位、位、12位、位、16位等几种。位等几种。 按按结构结构而分，有单一的而分，有单一的A/D转换器、内含多路开转换器、内含多路开关的关的A/D转换器、多功能的转换器、多功能的A/D转换器等。转换器等。l转换方法转换方法有有:计数器式计数器式AD转换转换:线路简单，速度慢，较少用线路简单，速度慢，较少用逐次逼近型逐次逼近型AD转换：既有转换速度，又有一定精度。转换：既有转换速度，又有一定精度。双斜率积分式双斜率积分式AD转换转换 型型A/D转换转换 VF变换型变换型AD转换转换:用于远距离串行传送的场合。用于远距离

25、串行传送的场合。各种各种ADC的优缺点的优缺点 计数式ADC：最简单，但转换速度最慢。 并行转换式ADC：速度最快，但成本最高。 逐次逼近式ADC：转换速度和精度都比较高，且比较简单，价格低，所以在微型机应用系统中最常用。 双积分式ADC：转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在精度高而速度不高的场合，如测量仪表。 V/F转换式ADC：在转换线性度、精度、抗干扰能力等方面有独特的优点，且接口简单、占用计算机资源少，缺点也是转换速度慢。在一些输出信号动态范围较大或传输距离较远的低速过程的模拟输入通道中应用较为广泛。结构：由结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器转换器、比较器和逐次

26、逼近寄存器SAR组成。组成。Vi-+逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/A转换器转换器Vc比较器比较器数字量输出数字量输出控制电路控制电路模拟量输入模拟量输入逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器工作原理 类似类似天平称重量天平称重量时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去时的尝试法，逐步用砝码的累积重量去逼近被称物体。逼近被称物体。 例如：用例如：用8 8个砝码个砝码2 20 0g g，2 21 1g g，2 27 7g g，可以称出，可以称出1 1255g255g之之 间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为间的物体。现有一物体，用砝码称出其重量（假定重量为176g176g）。）。1 1）

27、ADCADC从高到低逐次给从高到低逐次给SARSAR的每一位的每一位“置置1 1”（即加上不同权重（即加上不同权重的砝码），的砝码），SARSAR相当于放法码的称盘；相当于放法码的称盘；2 2）每次）每次SARSAR中的数据经中的数据经D/AD/A转换为电压转换为电压V VC C ；3 3）V VC C与输入电压与输入电压V Vi i比较，若比较，若V VC CVVi i，保持当前位的，保持当前位的1 1，否，否则当前位则当前位置置0 0；4 4）从高到低逐次比较下去，直到）从高到低逐次比较下去，直到SARSAR的每一位都尝试完；的每一位都尝试完；5 5）SARSAR内的数据就是与内的数据就是

28、与V Vi i相对应的相对应的2 2进制数。进制数。图 逐次逼近过程 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)A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 (1)分辨率分辨率：分辨率通常用数字量的位数来表示。：分辨率通常用数字量的位数来表示。 分辨率分辨率 = Vmax/电平数电平数(即满量程值即满量程值) 例：某例：某8位位ADC的满量程电压为的满量程电压为5V，则其分辨率为，则其分辨率为 5V/255=19.6mV (2)量程量程：AD转换器能转换的模拟电压的范围。转换器能转换的模拟电压的

29、范围。 (3)精度精度：分为绝对精度和相对精度。：分为绝对精度和相对精度。 绝对精度绝对精度 = 量化间隔量化间隔/2 = (满量程电压满量程电压/(2n-1)/2相对精度相对精度 = 1/2 * 1/量化电平数目量化电平数目 * 100%例：满量程电压例：满量程电压=10V，A/D变换器位数变换器位数=10位，则位，则 绝对量化误差绝对量化误差 10/211 = 4.88mV 相对量化误差相对量化误差 1/211 *100% = 0.049% (4)转换时间转换时间：完成一次完整转换所需要的时间。：完成一次完整转换所需要的时间。 (5)输出逻辑电平输出逻辑电平：输出数据的电平形式和数据输出方

30、式：输出数据的电平形式和数据输出方式(如三态逻辑和数据如三态逻辑和数据是否锁存是否锁存)。 (6)工作温度范围工作温度范围：A/D转换器在规定精度内允许的工作温度范围。转换器在规定精度内允许的工作温度范围。18位位A/D转换器转换器ADC0808/0809 8 8通道（通道（8 8路）输入路）输入 8 8位字长位字长 逐位逼近型逐位逼近型 转换时间转换时间100s 100s 内置三态输出缓冲内置三态输出缓冲器（可直接接到数器（可直接接到数据总线上）据总线上）图图2-6 ADC0808/0809原理框图原理框图 模拟量输入模拟量输入数字量输出数字量输出地址地址选择选择地址锁地址锁存允许存允许 A

31、DC0808/0809的引脚功能的引脚功能 ：lIN7一一IN0：8个模拟量输入端。个模拟量输入端。 START：启动信号。高电平时，转换开始。启动信号。高电平时，转换开始。 EOC：转换结束信号。高电平有效。转换结束信号。高电平有效。OE：输出允许信号。高电平有效。输出允许信号。高电平有效。CLOCK：实时时钟，可通过外接实时时钟，可通过外接RC电路改变时钟频率。电路改变时钟频率。ALE：地址锁存允许，高电平有效。地址锁存允许，高电平有效。 C，B，A：通道号选择端子。通道号选择端子。C为最高位，为最高位，A为最低位。为最低位。D7D0：数字量输出端。数字量输出端。VREF(+)，VREF(

32、-)：参考电压端子。参考电压端子。 Vcc：电源端子。接电源端子。接+5V。 GND：接地端。接地端。ADC0808/0809的技术指标的技术指标 : 单一电源，单一电源，+5V+5V供电，模拟输入范围为供电，模拟输入范围为0 05V5V。 分辨率为分辨率为8 8位。位。 最大不可调误差：最大不可调误差： ADC0808ADC0808 1/2LSB1/2LSB ADC0809 ADC08091LSB 1LSB 功耗为功耗为15mW15mW。 转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围：转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围：10101280kHz1280kHz，当，当CLOCKCLOCK等

33、于等于500kHz500kHz时，转换速度为时，转换速度为128s128s。 可锁存三态输出，输出与可锁存三态输出，输出与TTLTTL兼容。兼容。 无需进行零位及满量程调整。无需进行零位及满量程调整。 温度范围为温度范围为400C400C8585。2ADC0808/0809的应用的应用图图2-7 ADC0808/0809的应用原理图的应用原理图 图图2-8 ADC0808/0809进行进行A/D转换时各引脚时序图转换时各引脚时序图 ADC0809的工作过程 根据时序图，根据时序图，ADC0809的工作过程如下的工作过程如下：把把通道地址送到通道地址送到AC上，选择一个模拟输入端；上，选择一个模

34、拟输入端； 在通道地址信号有效期间，在通道地址信号有效期间，ALE上的上的上升沿上升沿使该地址锁存使该地址锁存到内部地址锁存器；到内部地址锁存器；START引脚上的引脚上的下降沿下降沿启动启动A/D变换；变换； 变换开始后，变换开始后，EOC引脚呈现引脚呈现低电平低电平， EOC重新变为重新变为高电高电平平时表示转换结束；时表示转换结束；OE信号打开信号打开输出锁存器的三态门送出结果输出锁存器的三态门送出结果 。3A/D转换器与微处理器的连接转换器与微处理器的连接1）模拟量输入通道的连接）模拟量输入通道的连接 AD转换器所要求接收的模拟量大都为转换器所要求接收的模拟量大都为05V的标的标准电压

35、信号。但是有些准电压信号。但是有些AD转换器的输入除允许单极转换器的输入除允许单极性外，也可以是双极性，用户可通过改变外接线路来改性外，也可以是双极性，用户可通过改变外接线路来改变量程。有的变量程。有的AD转换器还可以直接接入传感器的输转换器还可以直接接入传感器的输出信号，如出信号，如AD670。2）数字量输出引脚的连接）数字量输出引脚的连接 对于内部未含输出锁存器的对于内部未含输出锁存器的AD转换器来说，一般通过转换器来说，一般通过锁存器或锁存器或I/O接口与微型计算机相连。常用的接口及锁存接口与微型计算机相连。常用的接口及锁存器有器有Intel 8155，8255，8243以及以及74LS

36、273，74LS373，8212等。等。 当当AD转换器内部含数据输出锁存器时，可直接与微型转换器内部含数据输出锁存器时，可直接与微型计算机相连。计算机相连。3)A/D转换器的启动方式转换器的启动方式任何一个任何一个AD转换器在开始转换前，都必须经过启动，转换器在开始转换前，都必须经过启动，才开始工作。芯片不同，要求的启动方式也不同。才开始工作。芯片不同，要求的启动方式也不同。脉冲启动脉冲启动：在启动转换引郐上加上要求的脉冲信号。：在启动转换引郐上加上要求的脉冲信号。电平启动电平启动：在启动引脚上加上要求的电平，在转换过：在启动引脚上加上要求的电平，在转换过程中，必须保持这一电平。一般可采用程

37、中，必须保持这一电平。一般可采用D触发器、锁存触发器、锁存器或并行器或并行I/O接口等来实现。接口等来实现。高电平启动：如高电平启动：如ADC0809、AD574低电平启动：如低电平启动：如ADC0801、ADC0802、AD6704）转换结束信号的处理方法）转换结束信号的处理方法微处理器检查判断微处理器检查判断A/D转换结束的方法有以下转换结束的方法有以下3种：种： 中断方式中断方式 查询方式查询方式 软件延时方法软件延时方法5）参考电源的选择）参考电源的选择在在AD转换器中，参考电平的作用是给其内部转换器中，参考电平的作用是给其内部DA转转换器提供标准电源。它直接关系到换器提供标准电源。它

38、直接关系到AD转换的精度，转换的精度，因而对该电源的要求比较高，一般要求由稳压电源供因而对该电源的要求比较高，一般要求由稳压电源供电。电。外电源供给：如外电源供给：如AD7574、ADC0809内部供电：内部供电：AD574A、ADC806）时钟信号的连接）时钟信号的连接 时钟信号的频率决定了其转换速度。时钟信号的频率决定了其转换速度。一种由芯片内部提供，另一种由外部时钟提供。一种由芯片内部提供，另一种由外部时钟提供。7）接地问题）接地问题模拟地和数字地应分别与系统的模拟地和数字地相连。模拟地和数字地应分别与系统的模拟地和数字地相连。而在整个系统中，模拟地和数字地只在一点接通。而在整个系统中，

39、模拟地和数字地只在一点接通。48位位A/D转换器控制程序设计转换器控制程序设计 图图2-9 ADC0809与计算机的接口原理图与计算机的接口原理图 A/D转换的结束转换的结束信号信号EOC作为状态作为状态信号，经三态门接信号，经三态门接入数据总线的入数据总线的D7位。位。计算机启动计算机启动AD转换后，不断查询转换后，不断查询D7是否为是否为1，判断，判断AD转换是否结束。转换是否结束。2.2.3 数据采集与处理方法数据采集与处理方法一、数字滤波一、数字滤波由于由于有各种各样的干扰有各种各样的干扰，如环境温度、电场、磁场等，会，如环境温度、电场、磁场等，会使采样值偏离真实值，因此需要将干扰滤掉

40、，也就是使采样值偏离真实值，因此需要将干扰滤掉，也就是进行进行滤波滤波。对于计算机系统，其滤波非常容易实现，就是设计。对于计算机系统，其滤波非常容易实现，就是设计一些计算程序，称为一些计算程序，称为数字滤波器数字滤波器，数字滤波可以实现各种，数字滤波可以实现各种各样的滤波。各样的滤波。 数字滤波器与模拟数字滤波器与模拟RC滤波器相比，具有以下优点：滤波器相比，具有以下优点： （1）不需要增加硬件设备）不需要增加硬件设备 （2）可靠性高）可靠性高 （3）可多通道共享）可多通道共享 （4）可以对频率很低（如）可以对频率很低（如0.1Hz）的信号滤波）的信号滤波 （5）使用灵活、方便，如可选择不同的

41、滤波器和参数）使用灵活、方便，如可选择不同的滤波器和参数1、程序判断滤波、程序判断滤波 程序判断滤波的程序判断滤波的方法方法，是根据生产经验，确定出相，是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差Y。若超过。若超过此偏差值，则表明是干扰信号，应该去掉；若小于此此偏差值，则表明是干扰信号，应该去掉；若小于此偏差值，则将该信号作为本次的采样值。偏差值，则将该信号作为本次的采样值。 程序判断滤波的主要程序判断滤波的主要作用作用： 用于滤掉由于大功率设用于滤掉由于大功率设备的启停，所造成的电流尖峰干扰或误检测，以及变备的启停，所造成的电流尖峰干扰或误

42、检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等。送器不稳定而引起的严重失真等。 程序判断滤波可分为限幅滤波和限速滤波两种。程序判断滤波可分为限幅滤波和限速滤波两种。 1）限幅滤波）限幅滤波 限幅滤波限幅滤波 是滤掉采样值变化过大的信号。是滤掉采样值变化过大的信号。限幅滤波的方法限幅滤波的方法 是把相邻两次的采样值相减，求出其增量（绝对是把相邻两次的采样值相减，求出其增量（绝对值），然后与两次采样允许的最大差值（据情况而定）值），然后与两次采样允许的最大差值（据情况而定）Y进行比较，进行比较，若小于或等于若小于或等于Y ，则取本次的采样值；若大于，则取本次的采样值；若大于Y ，则仍取上次的，则仍取上次

43、的采样值作为本次的采样值。即采样值作为本次的采样值。即 若若 |Y(k) - Y(k-1)|Y ，则，则Y(k)=Y(k)， 取本次采样值取本次采样值 若若 |Y(k) - Y(k-1)| Y ，则，则Y(k)=Y(k-1)，取上次采样值，取上次采样值 说明：说明： Y 的大小取决于采样周期的大小取决于采样周期T及及Y值的变化动态响应。值的变化动态响应。限幅滤波的应用系统限幅滤波的应用系统 是主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物是主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物位等测量系统。位等测量系统。使用时最大允许误差使用时最大允许误差Y的选取的选取，可根据经验数据或实验得出可根据经验数据或实验得

44、出。 Y 太大，各种干扰信号将太大，各种干扰信号将“乘机而入乘机而入”，使系统误差增大；，使系统误差增大； Y 太小，太小，又会使一些有用信号又会使一些有用信号“拒之门外拒之门外”，使计算机采样效率变低。，使计算机采样效率变低。 2）、限速滤波）、限速滤波 限速滤波限速滤波 也是滤掉采样值变化过大的信号也是滤掉采样值变化过大的信号 限速滤波有时需要三次采样值来决定采样结果限速滤波有时需要三次采样值来决定采样结果 限速滤波的方法限速滤波的方法 当当|Y(2) - Y(1)| Y 时，不是取时，不是取Y(1)作为作为本次的采样值，而是再采样一次，取的本次的采样值，而是再采样一次，取的Y(3)，然后

45、根据，然后根据|Y(3) - Y(2)| 与与Y 的大小关系，来决定本次的采样值。的大小关系，来决定本次的采样值。 设顺序采样时刻设顺序采样时刻t1、t2、t3所采集到的数据分别为所采集到的数据分别为Y(1)、Y(2)、Y(3) 当当|Y(2) - Y(1)|Y 时，采用时，采用Y(2) 当当|Y(2) - Y(1)| Y 时，不采用时，不采用Y(2) ，但保留，继续采样取，但保留，继续采样取 得得Y(3) 当当|Y(3) - Y(2)|Y 时，时， 采用采用Y(3) 当当|Y(3) - Y(2)| Y 时，则取时，则取(Y(3) + Y(2)/2为采样值为采样值 限速滤波的特点限速滤波的特点

46、 既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值既照顾了采样的实时性，又顾及了采样值变化的连续性。变化的连续性。不足之处：不足之处：一是不够灵活，二是不能反映采样点数大于一是不够灵活，二是不能反映采样点数大于3时各采样数时各采样数值受干扰情况。故应用受到限制。值受干扰情况。故应用受到限制。 3） 中值滤波中值滤波 中值滤波中值滤波 是对某一参数连续采集是对某一参数连续采集n次（一般次（一般n取取奇数），然后把奇数），然后把n次的采样值从小到大、或从大到次的采样值从小到大、或从大到小排序，小排序，取其中间值作为本次采样值取其中间值作为本次采样值。 中值滤波的功能中值滤波的功能 对于去掉偶然因素引起的波对于

47、去掉偶然因素引起的波动、或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动动、或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰有效。干扰有效。 中值滤波的应用系统中值滤波的应用系统 适用与信号变化比较缓适用与信号变化比较缓慢的系统，对于变化快速的信号，如流量、快速慢的系统，对于变化快速的信号，如流量、快速运动的位移、角度等不适用。运动的位移、角度等不适用。 4） 算数平均值滤波算数平均值滤波 算术平均值滤波算术平均值滤波 是要寻找一个是要寻找一个Y(k)，使该值与各采样值之，使该值与各采样值之间误差的平方和为最小。即间误差的平方和为最小。即 算术平均值滤波公式算术平均值滤波公式 由一元函数求极限值原理，得算术平

48、均法数字滤波公式由一元函数求极限值原理，得算术平均法数字滤波公式 式中式中 -为第为第k次采样次采样N个采样值的算术平均值个采样值的算术平均值 X(i) -第第i个采样值个采样值 N-采样次数采样次数 算术平均值滤波的实质算术平均值滤波的实质 是把一个采样周期内是把一个采样周期内N次采样值相次采样值相加，然后再除以采样个数加，然后再除以采样个数N，得到该周期的采样值。，得到该周期的采样值。算术平均值滤波应用算术平均值滤波应用 主要用于主要用于对压力、流量等周期脉动的信号采样值进行平滑处理。对压力、流量等周期脉动的信号采样值进行平滑处理。 不适用不适用脉冲性干扰较严重的场合。脉冲性干扰较严重的场

49、合。 NiNiiXkYeiS1212)()(min)(minNiiXNkY1)(1)(5） 加权平均值滤波加权平均值滤波 加权平均值滤波加权平均值滤波 算术平均值的算术平均值的N个采样值，所占的比例是相同的，个采样值，所占的比例是相同的，滤波的结果取每个采样值的滤波的结果取每个采样值的1/N。为了提高滤波效果，将各采样值。为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，此方法称为加权平均法。取不同的比例，然后再相加，此方法称为加权平均法。 具有具有N个采样值的个采样值的加权平均值公式为加权平均值公式为： 式中式中 均为常数，称为各采样值的系数，应满足以均为常数，称为各采样值的系数，应满足

50、以下关系：下关系： C Ci i体现了各采样值在平均值中所占的比例，可以根据具体情况决定。体现了各采样值在平均值中所占的比例，可以根据具体情况决定。C Ci i 取值例子取值例子 对于正在变化的信号，如采集流量的之间值，一般采对于正在变化的信号，如采集流量的之间值，一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可以增加新的采样值在平均值样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可以增加新的采样值在平均值的比例。的比例。主要应用主要应用 根据需要，根据需要，突出或抑制某一部分信号突出或抑制某一部分信号。NiiiXkYC1)()(CCCCNi，.21NiiC115）滑动平均值滤波）滑动平均值滤波 算术平均值滤波与加

51、权平均值滤波的缺点算术平均值滤波与加权平均值滤波的缺点 不管是算术平均不管是算术平均滤波还是加权平均滤波，都需要连续采样滤波还是加权平均滤波，都需要连续采样N个数据，然后求算术个数据，然后求算术平均值或加权平均值。这种方法适合于有脉动式干扰的场合。但平均值或加权平均值。这种方法适合于有脉动式干扰的场合。但由于采样由于采样N个需要的时间较长，故检测速度较慢。滑动平均值滤个需要的时间较长，故检测速度较慢。滑动平均值滤波可克服此缺点。波可克服此缺点。 滑动平均值滤波滑动平均值滤波 在在RAM中建立一数据缓冲区，依次存放中建立一数据缓冲区，依次存放N个采样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据

52、丢掉，个采样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，然后求包括新数据在内的然后求包括新数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。个数据的算术平均值或加权平均值。 有两种滑动平均值滤波有两种滑动平均值滤波 一种是算术平均滤波，另一种是加一种是算术平均滤波，另一种是加权平均滤波权平均滤波 提示提示：在滑动平均值滤波开始时，要先采集：在滑动平均值滤波开始时，要先采集N个数据存放在缓个数据存放在缓冲区中，然后再做滑动平均值滤波。冲区中，然后再做滑动平均值滤波。6） RC低通数字滤波低通数字滤波 右图所示为右图所示为RC低通滤波器，信号低通滤波器，信号 X(s)频率越高，旁路阻抗越低，频率

53、越高，旁路阻抗越低，信号信号 越容易被滤掉，信号越容易被滤掉，信号X(s)频率越低，旁路阻抗越高，信号越频率越低，旁路阻抗越高，信号越不容易被滤掉。是电子线路中常用的一种滤波器。不容易被滤掉。是电子线路中常用的一种滤波器。 RC之积为滤波器的时间常数。之积为滤波器的时间常数。传递函数为传递函数为 式中式中=RC，为环节的时间常数。，为环节的时间常数。 下面设计一个数字滤波器，其方法：一是计算该环节的广义脉下面设计一个数字滤波器，其方法：一是计算该环节的广义脉冲传递函数；二是作冲传递函数；二是作Z反变换；三是离散化求得差分方程，即递反变换；三是离散化求得差分方程，即递推方程。推方程。计算广义脉冲

54、传递函数计算广义脉冲传递函数 zeezeGGTTTsohssZssZzXzYzG1/11)1 (111)()()()()( 作作Z反变换反变换 由上式得由上式得 令令 ，用，用Z变换的实数位移定理变换的实数位移定理 ，对上式做对上式做Z反变换得反变换得离散化得差分方程离散化得差分方程 （用（用kT代替代替t，不写，不写T） 即为即为RC低通滤数字波器的数学公式低通滤数字波器的数学公式。式中，。式中， X(k)-第第k个采样值；个采样值； Y(k)-第第k次滤波输出值；次滤波输出值； Y(k-1)-第第k-1次滤波输出值；次滤波输出值； - 滤波平滑系数，滤波平滑系数， T - 为采样周期；为采

55、样周期； - 滤波环节的时间常数滤波环节的时间常数)()1 ()()1 (/11/zXzYezzeTTeT/1)()(zEntteZzn) 1() 1()1 ()(kXkYkY)()()1 ()(TtxTtyty 平滑系数平滑系数与与T、的简化关系的简化关系 由由 ， 按级数展开得按级数展开得 =1+(-T/)+ (-T/)2/2! + (-T/)3/2!+ 若若T（一般能够满足）（一般能够满足） ，则有，则有 T/ 平平滑系数滑系数与平滑作用大小的关系与平滑作用大小的关系 越大，实际上平滑作用越小。越大，实际上平滑作用越小。 应用应用 把每一个采样值把每一个采样值X（k）代入（）代入（2-1

56、）进行计算，即）进行计算，即得到对应的滤波后的值。得到对应的滤波后的值。eT/1eT/eT/7）复合数字滤波）复合数字滤波 将两种或两种以上的数字滤波方将两种或两种以上的数字滤波方法联合起来使用，其目的是进一法联合起来使用，其目的是进一步提高滤波效果。步提高滤波效果。各种数字滤波性能比较：各种数字滤波性能比较： 滤波效果滤波效果 1）对于变化比较缓慢的信号）对于变化比较缓慢的信号，如温度、物位等，可以选择程，如温度、物位等，可以选择程序判断滤波及一阶滞后滤波。序判断滤波及一阶滞后滤波。 2）对于变化比较快的信号）对于变化比较快的信号，如压力、流量、转速等，可以选，如压力、流量、转速等，可以选择

57、算术平均或加权平均滤波法。择算术平均或加权平均滤波法。 3）对于要求较高系统）对于要求较高系统，可以采用复合滤波法，如算术平均加，可以采用复合滤波法，如算术平均加中值滤波等。中值滤波等。 滤波时间滤波时间 在满足滤波效果的前提下，应该尽量缩短滤波时间。在满足滤波效果的前提下，应该尽量缩短滤波时间。 数字滤波在热工和化工直接数字控制（数字滤波在热工和化工直接数字控制（DDC）系统不一定需要。）系统不一定需要。2标度变换标度变换 为了显示、记录、打印和便于操作人员监控，为了显示、记录、打印和便于操作人员监控，必须把二进制表示的数字量转换成对应的实际必须把二进制表示的数字量转换成对应的实际数值和单位

58、。这一转换过程就称为数值和单位。这一转换过程就称为标度变换。标度变换。 分为线性参数标度变换和非线性参数标度变分为线性参数标度变换和非线性参数标度变换换 。 1） 线性参数标度变换线性参数标度变换 线性参数标度变换线性参数标度变换是最常用的标度变换，其变换前是最常用的标度变换，其变换前提条件是提条件是被测物理量与被测物理量与A/D转换得到的转换得到的数字量为线性关数字量为线性关系系。 线性标度变换的公式为线性标度变换的公式为： 作变换得：作变换得： 显然是线性关系。式中，显然是线性关系。式中， A0-测量仪表量程的下限；测量仪表量程的下限； Am-测量仪表量程的上限；测量仪表量程的上限； Ax

59、-实际测量值（工程量）；实际测量值（工程量）；N0-仪表下限所对应的数字量；仪表下限所对应的数字量； Nm-仪表上限所对应的数字量；仪表上限所对应的数字量； Nx-测量值所对应的数字量。测量值所对应的数字量。NNNNAAAAmxmx0000)(NNNNAAAAmxmx0000 例：例： 某温度测量仪表的量程为某温度测量仪表的量程为10-50，采用采用8位位A/D转换器，转换器，AD采样值经数字滤波后的数采样值经数字滤波后的数字量为字量为7BH，求此时的温度值。，求此时的温度值。 NNAAAAmxmx3 .29255123)1050(10)(00解：根据题意知，解：根据题意知，A0= 10 ，A

60、m= 50 ，Nx=7BH=123D；取；取Nm=0FFH=255、N0=0。用公式得。用公式得2） 非线性参数标度变换非线性参数标度变换 一般情况下，非线性参数的变化规律各不相同，故一般情况下，非线性参数的变化规律各不相同，故其标度变换公式也需根据各自的具体情况建立。其标度变换公式也需根据各自的具体情况建立。例如在流量测量中，流量与压差之间的关系为例如在流量测量中，流量与压差之间的关系为 （2-3） 式中式中Q-流量；流量； P-节流装置的压差；节流装置的压差； K-刻度系数，与流体的性质、节流装置的尺刻度系数，与流体的性质、节流装置的尺寸有关。寸有关。 可见，流体的流量与被测流体流过节流装