微型计算机控制技术第二章2ppt课件

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，模拟信号需求经过在计算机控制系统中，模拟信号需求经过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。转换过程大体上要处理采样和量化两个问题。首先经过采样器，上要处理采样和量化两

2、个问题。首先经过采样器，按预定的时间间隔采样延续信号的瞬时值，构成按预定的时间间隔采样延续信号的瞬时值，构成等间隔的离散模拟信号，然后再经过等间隔的离散模拟信号，然后再经过A/D转换器转换器把离散信号进展量化处置，得到一系列与离散值把离散信号进展量化处置，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 把时间延续的信号转换为一连串时间不延把时间延续的信号转换为一连串时间不延续的脉冲信号，这个过程称为续的脉冲信号，这个过程称为“采样，又采样，又称为称为“抽

3、样、抽样、“取样。对延续信号的采取样。对延续信号的采样过程，可用图样过程，可用图2-4来描画。来描画。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术a模拟信号数字化处置过程模拟信号数字化处置过程图图2-4 延续信号的采样过程延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：采样时辰：采样时辰：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2-4b是用乘法器来描画的采样过程。 f t为延续函数，st为开关函数，fst为采样函数，即ft离散后之值。)()()(tstftfs微型计算机控制技术微型计算机控制技术 在实践运用中，由于远小于T，即/T0，故常用

4、单位脉冲函数t来替代开关脉冲，用单位脉冲序列Tt替代开关函数st。 可以证明，当t=nT时，单位脉冲序列可以表示为：)()(nTttT式中，式中，n=0，1，2，；T为采样周期。为采样周期。这样，就可以以离散函数这样，就可以以离散函数f *t来替代采样函数来替代采样函数fst：)()()()()(nTttfttftfT)()()(nTtnTftf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，所关怀的问题是离散后的函在讨论采样信号时，所关怀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ft的全部信息，的全部信息，采样

5、周期如何选择才干使采样周期如何选择才干使f *t不失真地反映不失真地反映ft的变化。的变化。 采样频率越高，离散后的采样频率越高，离散后的f *t越能接近输入信越能接近输入信号号ft。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，会把许多珍贵的时间用于采样，导致过多的高，会把许多珍贵的时间用于采样，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： 假设信号的最高频率为假设信号的最高频率为fmax，只需采样频，只需采样频率率f 2 fmax，

6、采样信号就能完全恢复原信，采样信号就能完全恢复原信号。号。 该当指出，香农采样定理仅给出了采样信该当指出，香农采样定理仅给出了采样信号能恢复模拟信号的实际根据。号能恢复模拟信号的实际根据。 实践工程中，采样周期的选择要思索诸多实践工程中，采样周期的选择要思索诸多要素。工程上，采样频率普通取要素。工程上，采样频率普通取f 410fmax 。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

7、。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 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为转换信号为转换信号的最大值和最小值，那么量化单位为：的最大值和最小值，那么量化单位为：maxmin2i

8、ffq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。微型计算机控制技术微型计算机控制技术 例如，模拟信号fmax=16V、fmin=0V，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 那么那么, ,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运用要求不同，可以有不同的构造方模拟量输入通道根

9、据运用要求不同，可以有不同的构造方式。普通由传感器及检测安装、信号调理电路、多路转换式。普通由传感器及检测安装、信号调理电路、多路转换开关、采样坚持器、开关、采样坚持器、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 信号调理电路就是对现场采集到的信号进信号调理电路就是对现场采集到的信号进展处置，使其满足展处置，使其满足A/D转换要求。转换要求。 信号调理部分根据检测信号及受干扰情况信号调理部分根据检测信号及受干扰情况的不同而不同，通常包含放大、的不同而不同，通常包含放大、I/V转换、转换、

10、滤波、线性化、隔离等。滤波、线性化、隔离等。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 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，需经过放大才干满足才干满足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。 当传感器的任务环境恶劣时，传感器的输出有各当传感器的任务环境恶劣时，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

11、小，输出阻抗很大时，普通运放已不能胜任出阻抗很大时，普通运放已不能胜任. 在这种情况下，必需用低噪声、低漂移、高增益、在这种情况下，必需用低噪声、低漂移、高增益、高输入阻抗和高共模抑制比的直流放大器，这类高输入阻抗和高共模抑制比的直流放大器，这类放大器常用的有丈量放大器、可编程序放大器和放大器常用的有丈量放大器、可编程序放大器和隔离放大器。隔离放大器。微型计算机控制技术微型计算机控制技术 丈量放大器常用在应变片传感器、热电偶温度传感器等微丈量放大器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。这类放大器普通由三个运算放大器弱信号的输出放大中。这类放大器普通由三个运算放大器组成组成

12、. 前两级组成具有对称构造的差动放大电路，其作用是阻抗前两级组成具有对称构造的差动放大电路，其作用是阻抗变换高输入阻抗和增益调整；后一级为功率输出级，变换高输入阻抗和增益调整；后一级为功率输出级，它将它将A1、A2的差动输入双端输出信号转换为单端输出信的差动输入双端输出信号转换为单端输出信号，且提高共模抑制比。号，且提高共模抑制比。RG用来调理放大器的增益用来调理放大器的增益.微型计算机控制技术微型计算机控制技术1 iauu bu abui o1o2uuFo1o22()RuuRFi2G2(1)RRuRR F2G2(1)VRRARR 由图可知，第一级：由图可知，第一级：式中，式中，AVAV为放大

13、器的增益。为放大器的增益。 i2ui12iuuabGuRiGuRG(2 )i RRiGiGG2(2 )(1)uRRRuRRou iuFo2o12()RuuR微型计算机控制技术微型计算机控制技术 目前有许多集成丈量放大器芯片可供用户目前有许多集成丈量放大器芯片可供用户选用。如选用。如AD521、AD522等。等。AD522的典的典型运用如图型运用如图2-8所示。所示。 图图2-8 AD522典型运用典型运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

14、倍数可根据需求用程序进展控制。采样这种放大器，可求用程序进展控制。采样这种放大器，可经过程序调理放大倍数，使经过程序调理放大倍数，使A/D转换器满量转换器满量程信号到达均一化，大大提高丈量精度。程信号到达均一化，大大提高丈量精度。 可编程增益放大器有组合可编程增益放大器有组合PGA和集成和集成PGA两种。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内部构造图2-11 AD526根本接法微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.4

15、.2 I/V变换电路变换电路 为了提高系统的抗干扰才干，通常情况下，为了提高系统的抗干扰才干，通常情况下，变送器输出的是规范电流信号。因此需求变送器输出的是规范电流信号。因此需求经过经过I/V变换，变成电压信号后才干进展变换，变成电压信号后才干进展A/D转换进而被计算机处置。转换进而被计算机处置。 电流电流/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变换的实现方法有无变换的实现方法有无源源I/V变换和有源变换和有源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

16、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维护措施。滤波和输出限幅等维护措施。 图图2-12无源无源I/V变换电路变换电路对于对于010mA010mA输入信号，输入信号，可取可取R1R1100100，R2R2500500，且且R2R2为精细电阻，为精细电阻，这样当输入的电流这样当输入的电流I I为为010mA010mA时，时，I/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变换电路该同相放大

17、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010mA010mA输入信号，假设取输入信号，假设取R1R1200200，那么，那么I=10mAI=10mA时，时，电阻电阻R1R1上产生上产生2V2V的电压，假设取的电压，假设取R3R3100100，R4R4150150，该电路对应的输出电压为：该电路对应的输出电压为：05V 微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.5 模拟开关及采样坚持模拟开关及采样坚持 2.5.1 多路模拟开关多路模拟开关 2.5.2 采样坚持器采样坚持器微型计算机控制技术微型计算机控制技术2.5 模拟开关及采样坚持模拟开关及采样坚持 2.5.1 多路模拟

18、开关多路模拟开关 多路模拟开关又称多路转换器，是用来进展模拟多路模拟开关又称多路转换器，是用来进展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。利用多路模拟开关可将各个输入信号依次地或随机地衔接到公用放大将各个输入信号依次地或随机地衔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、任务可靠。任务可靠。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：机械式和电子式目前广泛采用的模拟开关有

19、：机械式和电子式 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，但呼模拟开关。导通电阻低，开路电阻无穷大，但呼应速度比较慢，而且运用久了触点不易清洗，易应速度比较慢，而且运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造的模拟开电子式模拟开关由各类半导体工艺制造的模拟开关，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

20、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。内部由逻辑电平转换、二进制译码器和内部由逻辑电平转换、二进制译码器和8个个开关组成，如图开关组成，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. 多路模拟开关运用举例多路模拟开关运用举例 在实践运用中，往

21、往由于被测参数多，一在实践运用中，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，此时就必需把多路开关进展扩展衔接。就必需把多路开关进展扩展衔接。 扩展衔接的方法有并联和串联两种方法。扩展衔接的方法有并联和串联两种方法。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术 改动数据线改动数据线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。芯片的选通那么由数据线选通那么由数据线A3的的形状决议。形状决议。 优点优点:连线简单；连线简单； 缺陷缺陷:并联得越多，不导并联得越多，不导统统道加在导统统道上统统道加在导统统道上的走漏电流越

22、大。的走漏电流越大。 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 0 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留意的问题：选用多

23、路模拟开关应留意的问题： 1对于要求传输精度高而信号变化慢的场所，可选用对于要求传输精度高而信号变化慢的场所，可选用机械触点式开关。机械触点式开关。 2尽能够选取单片模拟开关集成电路；在运用多片组尽能够选取单片模拟开关集成电路；在运用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽能够使每个通道的特合时，也宜选用同一型号的芯片以尽能够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，要思索到后级采样在选择多路模拟开关的速度时，要思索到后级采样坚持电路和坚持电路和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，不用一味追求高速。不用一味追求高速。 4在运用高精

24、度采样在运用高精度采样/坚持和坚持和A/D转换进展精细数据采转换进展精细数据采集和丈量时，需思索模拟开关的传输精度问题，尤其需留集和丈量时，需思索模拟开关的传输精度问题，尤其需留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 采样坚持器采样坚持器 在对模拟信号进展模在对模拟信号进展模/数变换时，从启动变换到变数变换时，从启动变换到变换终了的数字量输出，需求一定的时间，即换终了的数字量输出，需求一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会呵斥较大的转换误差。要于孔径时间的存在

25、，会呵斥较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必需在防止这种误差的产生，必需在A/D转换开场前能转换开场前能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样形跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样形状；在状；在A/D转换开场时将信号电平坚持住，这种转换开场时将信号电平坚持住，这种功能的器件叫采样功能的器件叫采样/坚持器坚持器Sample / Holder，S/H。 微型计算机控制技术微型计算机控制技术 采样坚持器的主要作用为：采样坚持器的主要作用为： 1在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号；在坚持在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号；在坚持时间内，坚持采样值不变，为时间内，坚持采样值不变，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，经过采样坚持器，可以实现多在多路采样系统中，经过采样坚持器，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，作为零阶坚持器，复现离散在模拟量输出通道中，作为零阶坚持器，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，也常利用采样坚持器保证输出的稳定性。到几个输出点，也常利用采样坚持器保证输出的稳定性。微型计算机控制技术微型计算机控制技术1. 采样坚持电路的任务原理