微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第二章2課件

第2章輸入/輸出接口與過程通道2.3信號(hào)的采樣和量化2.3.1信號(hào)的采樣2.3.2采樣定理及頻率的選擇2.3.3量化過程2.3信號(hào)的采樣和量化在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬信號(hào)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變成計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換過程大體上要解決采樣和量化兩個(gè)問題。首先通過采樣器，按預(yù)定的時(shí)間間隔采樣連續(xù)信號(hào)的瞬時(shí)值，形成等間隔的離散模擬信號(hào)，然后再通過A/D轉(zhuǎn)換器把離散信號(hào)進(jìn)行量化處理，得到一系列與離散值相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。這兩個(gè)過程是由不同的部件來完成的。（a）模擬信號(hào)數(shù)字化處理過程圖2-4連續(xù)信號(hào)的采樣過程采樣周期：T采樣時(shí)間：τ采樣時(shí)刻：0T、1T、2T、3T……圖2-4（b）采樣過程的模擬圖2-4（b）是用乘法器來描述的采樣過程。f（t）為連續(xù)函數(shù)，s（t）為開關(guān)函數(shù)，fs（t）為采樣函數(shù)，即f（t）離散后之值。在實(shí)際應(yīng)用中，由于τ遠(yuǎn)小于T，即τ/T→0，故常用單位脈沖函數(shù)δ（t）來代替開關(guān)脈沖，用單位脈沖序列δT（t）代替開關(guān)函數(shù)s（t）?？梢宰C明，當(dāng)t=nT時(shí)，單位脈沖序列可以表示為：式中，n=0，±1，±2，…，±∞；T為采樣周期。這樣，就可以以離散函數(shù)f*（t）來代替采樣函數(shù)fs（t：）香農(nóng)（Shannon）采樣定理：若信號(hào)的最高頻率為fmax，只要采樣頻率f≥2fmax，采樣信號(hào)就能完全恢復(fù)原信號(hào)。應(yīng)當(dāng)指出，香農(nóng)采樣定理僅給出了采樣信號(hào)能恢復(fù)模擬信號(hào)的理論依據(jù)。實(shí)際工程中，采樣周期的選擇要考慮諸多因素。工程上，采樣頻率一般取f≥（4~10）fmax。2.3.3量化過程整量化過程（簡(jiǎn)稱量化）就是用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如圖2-6所示。（a）離散模擬信號(hào)（b）數(shù)字信號(hào)圖2-6量化過程模擬信號(hào)可以具有無窮多的數(shù)值，而一組數(shù)碼是有限的，因此用數(shù)碼來逼近模擬信號(hào)是近似的，量化過程是一個(gè)類似四舍五入的過程。量化單位q

是指量化后二進(jìn)制數(shù)的最低位所對(duì)應(yīng)的模擬量的值。設(shè)fmax和fmin為轉(zhuǎn)換信號(hào)的最大值和最小值，則量化單位為：式中，i——轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。2.4模擬量輸入通道信號(hào)調(diào)理電路模擬量輸入通道根據(jù)應(yīng)用要求不同，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式。一般由傳感器及檢測(cè)裝置、信號(hào)調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口電路等組成。2.4模擬量輸入通道信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路就是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，使其滿足A/D轉(zhuǎn)換要求。信號(hào)調(diào)理部分依據(jù)檢測(cè)信號(hào)及受干擾情況的不同而不同，通常包含放大、I/V轉(zhuǎn)換、濾波、線性化、隔離等。2.4模擬量輸入通道信號(hào)調(diào)理電路2.4.1信號(hào)的放大2.4.2I/V變換電路測(cè)量放大器常用在應(yīng)變片傳感器、熱電偶溫度傳感器等微弱信號(hào)的輸出放大中。這類放大器一般由三個(gè)運(yùn)算放大器組成.前兩級(jí)組成具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的差動(dòng)放大電路，其作用是阻抗變換（高輸入阻抗）和增益調(diào)整；后一級(jí)為功率輸出級(jí)，它將A1、A2的差動(dòng)輸入雙端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)，且提高共模抑制比。RG用來調(diào)節(jié)放大器的增益.由圖可知，第一級(jí)：式中，AV為放大器的增益。

目前有許多集成測(cè)量放大器芯片可供用戶選用。如AD521、AD522等。AD522的典型應(yīng)用如圖2-8所示。圖2-8AD522典型應(yīng)用1、組合PGA圖2-9基于AD522和模擬開關(guān)構(gòu)成的組合PGA2、集成PGA圖2-10為AD526內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-11AD526基本接法2.4.2I/V變換電路為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，通常情況下，變送器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。因此需要經(jīng)過I/V變換，變成電壓信號(hào)后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)而被計(jì)算機(jī)處理。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路是將電流信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換成電壓。常用I/V變換的實(shí)現(xiàn)方法有無源I/V變換和有源I/V變換。二、有源I/V變換有源I/V變換主要是利用有源器件運(yùn)算放大器組成圖2-13有源I/V變換電路該同相放大電路的放大倍數(shù)為：對(duì)于0~10mA輸入信號(hào)，若取R1＝200Ω，則I=10mA時(shí)，電阻R1上產(chǎn)生2V的電壓，若取R3＝100Ω，R4＝150Ω，該電路對(duì)應(yīng)的輸出電壓為：0~5V

2.5模擬開關(guān)及采樣保持2.5.1多路模擬開關(guān)2.5.2采樣保持器2.5模擬開關(guān)及采樣保持2.5.1多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān)又稱多路轉(zhuǎn)換器，是用來進(jìn)行模擬電壓信號(hào)切換的關(guān)鍵元件。利用多路模擬開關(guān)可將各個(gè)輸入信號(hào)依次地或隨機(jī)地連接到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。理想的多路開關(guān)開路電阻為無窮大，接通電阻為零。此外，還希望切換速度快，噪音小、壽命長(zhǎng)、工作可靠。1.CD4051CD4051又稱8通道單端雙向多路轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部由邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制譯碼器和8個(gè)開關(guān)組成，如圖2-14所示。圖2-14CD4051電路原理圖輸入狀態(tài)接通通道INHCBA1×××均不通00000#00011#00102#00113#01004#01015#01106#01117#表2-5CD4051真值表2.多路模擬開關(guān)應(yīng)用舉例在實(shí)際應(yīng)用中，往往由于被測(cè)參數(shù)多，一個(gè)多路開關(guān)不能滿足通道數(shù)的要求，此時(shí)就必須把多路開關(guān)進(jìn)行擴(kuò)展連接。擴(kuò)展連接的方法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種方法。改變數(shù)據(jù)線A2~A0即可分別選通U1或U2芯片的8通道之一。芯片的選通則由數(shù)據(jù)線A3的狀態(tài)決定。優(yōu)點(diǎn):連線簡(jiǎn)單；缺點(diǎn):并聯(lián)得越多，不導(dǎo)通通道加在導(dǎo)通通道上的泄漏電流越大。（a）并聯(lián)擴(kuò)展電路U3的每一個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)前級(jí)芯片的一個(gè)輸出端，最多可擴(kuò)展為64路。地址低4位用于U1、U2芯片的允許輸入和通道控制，每次只允許選中一個(gè)芯片的一個(gè)輸入端。地址高4位用于控制U3芯片的輸入和輸出。

（b）串聯(lián)擴(kuò)展電路A7A6A5A4A3A2A1A000000001選用多路模擬開關(guān)應(yīng)注意的問題：（1）對(duì)于要求傳輸精度高而信號(hào)變化慢的場(chǎng)合，可選用機(jī)械觸點(diǎn)式開關(guān)。（2）盡可能選取單片模擬開關(guān)集成電路；在使用多片組合時(shí)，也宜選用同一型號(hào)的芯片以盡可能使每個(gè)通道的特性一致。（3）在選擇多路模擬開關(guān)的速度時(shí)，要考慮到后級(jí)采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)換的速度，只需略大于它們的速度即可，不必一味追求高速。（4）在使用高精度采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行精密數(shù)據(jù)采集和測(cè)量時(shí)，需考慮模擬開關(guān)的傳輸精度問題，尤其需注意模擬開關(guān)漂移特性。2.5.2采樣保持器在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)變換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸入信號(hào)頻率提高時(shí)，由于孔徑時(shí)間的存在，會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始前能跟蹤輸入信號(hào)的變化，即對(duì)輸入信號(hào)處于采樣狀態(tài)；在A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)將信號(hào)電平保持住，這種功能的器件叫采樣/保持器（Sample/Holder，S/H）。采樣保持器的主要作用為：（1）在采樣時(shí)間內(nèi)，快速跟蹤輸入的模擬信號(hào)；在保持時(shí)間內(nèi)，保持采樣值不變，為A/D轉(zhuǎn)換器提供恒定的轉(zhuǎn)換信號(hào)。（2）在多路采樣系統(tǒng)中，通過采樣保持器，可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步采樣。（3）在模擬量輸出通道中，作為零階保持器，復(fù)現(xiàn)離散的數(shù)字信號(hào)。（4）在多路輸出通道中，把一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分配到幾個(gè)輸出點(diǎn)，也常利用采樣保持器保證輸出的穩(wěn)定性。1.采樣保持電路的工作原理采樣保持電路由輸入緩沖放大器A1、模擬開關(guān)AS、模擬信號(hào)存儲(chǔ)電容CH及輸出緩沖放大器A2組成。A1、A2接成跟隨器的形式，具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特點(diǎn)。

圖2-17采樣保持電路的原理框圖工作原理：模擬開關(guān)AS閉合時(shí)，進(jìn)入采樣狀態(tài)（跟蹤），由于A1輸出阻抗小，A1輸出端給電容CH快速充電，輸出跟隨輸入變化；模擬開關(guān)AS斷開時(shí)，進(jìn)入保持狀態(tài)，由于A2輸入阻抗大，輸入電流幾乎為0，保證輸出端的電壓值不變。保持電容CH的選擇：性能的好壞在S/H電路中有著舉足輕重的作用，保持電容通常是外接的，一般選取聚苯乙烯、聚四氟乙烯等高質(zhì)量的電容器。一般