2_第二章測(cè)控通道

1、 第二章第二章 測(cè)控通道測(cè)控通道 2.1模擬輸入通道 2.2模擬輸出通道 2.3開關(guān)量輸入/輸出通道 2.4單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)2.1模擬輸入通道2.1模擬輸入通道 2.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型 2.1.2傳感器的選用 2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 2.1.5模擬輸入通道的誤差分配2.1.12.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型 一、模擬輸入通道的基本組成一、模擬輸入通道的基本組成 模擬輸入通道是測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象與計(jì)算機(jī)之間模擬輸入通道是測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系通道的聯(lián)系通道 一般說來，

2、模擬輸入通道應(yīng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理電一般說來，模擬輸入通道應(yīng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成 2.1.12.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型 二、多路模擬輸入通道的基本類型和結(jié)構(gòu)二、多路模擬輸入通道的基本類型和結(jié)構(gòu) 按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個(gè)共用一個(gè)還是每路還是每路各用各用一個(gè)一個(gè)，多路（，多路（N N路）模擬輸入通道可分為路）模擬輸入通道可分為集中采集式集中采集式( (簡(jiǎn)簡(jiǎn)稱集中式稱集中式) )和和分散采集式分散采集式( (簡(jiǎn)稱分布式簡(jiǎn)稱分布式) )兩大類型。兩大類型。2.1.1

3、2.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型 1 1、集中采集式、集中采集式( (集中式集中式) ) 分時(shí)采集型分時(shí)采集型同步采集型同步采集型 組成結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)圖圖2-1-2(a)2-1-2(a)圖圖2-1-2(b)2-1-2(b) 電路共同點(diǎn)電路共同點(diǎn)N N路傳感器、調(diào)理電路共用一組采集電路路傳感器、調(diào)理電路共用一組采集電路（MUXMUX、S/HS/H、A/DA/D） 電路不同點(diǎn)電路不同點(diǎn)MUXMUX前不接前不接S/HS/HMUXMUX前接前接N N個(gè)個(gè)S/HS/H相鄰兩路信號(hào)采集時(shí)偏相鄰兩路信號(hào)采集時(shí)偏(N(N為信號(hào)路數(shù)為信號(hào)路數(shù)T T為采樣周為采樣周期期)

4、)MUXMUX對(duì)對(duì)N N路信號(hào)依路信號(hào)依次采樣，相鄰兩次采樣，相鄰兩路采樣時(shí)偏路采樣時(shí)偏T/NT/NN N個(gè)采樣個(gè)采樣/ /保持器同時(shí)采保持器同時(shí)采樣，不存在采樣時(shí)偏樣，不存在采樣時(shí)偏 適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合不嚴(yán)格要求同步不嚴(yán)格要求同步采集的場(chǎng)合采集的場(chǎng)合嚴(yán)格要求同步采集的場(chǎng)嚴(yán)格要求同步采集的場(chǎng)合合圖圖2-1-22-1-2集中采集式模擬輸入通道典型結(jié)構(gòu)集中采集式模擬輸入通道典型結(jié)構(gòu)a.分時(shí)采集分時(shí)采集b.同步采集同步采集2.1.12.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型 2 2、分散采集式、分散采集式( (分布式分布式) )集中采集式集中采集式( (集中式集中式)

5、)分散采集式分散采集式( (分布式分布式) ) 組成結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)圖圖2-1-22-1-2圖圖2-1-32-1-3 電路共同點(diǎn)電路共同點(diǎn) 都由傳感器、調(diào)理電路、采集電路三部分組成都由傳感器、調(diào)理電路、采集電路三部分組成 電路不同點(diǎn)電路不同點(diǎn) 有有MUX,MUX,N N路共用一個(gè)路共用一個(gè)S/HS/H和和A/DA/D無無MUX,MUX,N N路各用一個(gè)路各用一個(gè)S/HS/H和和A/DA/D對(duì)對(duì)A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求間的要求長(zhǎng)長(zhǎng)短短 適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合適用于信號(hào)路數(shù)適用于信號(hào)路數(shù)N N不太不太多或中、低速測(cè)試系統(tǒng)多或中、低速測(cè)試系統(tǒng)適用于信號(hào)路數(shù)適用于信號(hào)路數(shù)N N多多或高速測(cè)試系統(tǒng)或高速測(cè)

6、試系統(tǒng)NTT圖圖2-1-3分散采集式模擬輸入通道結(jié)構(gòu)分散采集式模擬輸入通道結(jié)構(gòu)與集中式的差別與集中式的差別2.1.22.1.2傳感器的選用傳感器的選用 正確選用傳感器的主要思路：正確選用傳感器的主要思路： 首先首先要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要什么樣的傳要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器；感器； 其次其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高性能價(jià)格比最高的傳感器。的傳感器。2.1.22.1.2傳感器的選用傳感器的選用 一、對(duì)

7、傳感器的主要技術(shù)要求一、對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求范圍（量程）：范圍（量程）：具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)量的功能，轉(zhuǎn) 換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍( (變化幅變化幅度范圍、變化頻率范圍度范圍、變化頻率范圍) )相一致。相一致。轉(zhuǎn)換精度和速度：轉(zhuǎn)換精度和速度：轉(zhuǎn)換精度符合根據(jù)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)總轉(zhuǎn)換精度符合根據(jù)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)總精度要求分配給傳感器的精度指標(biāo)，精度要求分配給傳感器的精度指標(biāo)，( (一般應(yīng)優(yōu)于系一般應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的十倍左右統(tǒng)精度的十倍左右) )，轉(zhuǎn)換速度符合整機(jī)要求。，轉(zhuǎn)換速度符合整機(jī)要求。環(huán)境：環(huán)境：能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用

8、環(huán)境的特殊要求，如耐能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、重量輕、不耗電或耗電少等等。積小、重量輕、不耗電或耗電少等等。1.1. 能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求2.1.22.1.2傳感器的選用傳感器的選用二、可優(yōu)先選用的傳感器類型二、可優(yōu)先選用的傳感器類型1.1.大信號(hào)輸出傳感器大信號(hào)輸出傳感器可省去小信號(hào)放大環(huán)節(jié)可省去小信號(hào)放大環(huán)節(jié) 將轉(zhuǎn)換、放大電路與傳感器做成一體，直接輸出較大將轉(zhuǎn)換、放大電路與傳感器做成一體，直接輸出較大的電信號(hào)的電信號(hào) 電壓型：電壓型

9、：0 05V5V，0 010V10V等等 電流型：電流型：4 420mA20mA，0 010mA10mA等等 省去了設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的麻煩省去了設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的麻煩圖圖2-1-4 大信號(hào)輸出傳感器的使用大信號(hào)輸出傳感器的使用大信號(hào)輸出傳感器的使用大信號(hào)輸出傳感器的使用 2.1.22.1.2傳感器的選用傳感器的選用 2.2.數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器便于遠(yuǎn)距離傳送便于遠(yuǎn)距離傳送 數(shù)字式傳感器一般由頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以數(shù)字式傳感器一般由頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)是由敏感參數(shù)R R、L L、C C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/FV/F轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換

10、等 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 輸出頻率參量（脈沖）輸出頻率參量（脈沖） 測(cè)量精度高測(cè)量精度高 抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng) 便于遠(yuǎn)程傳送便于遠(yuǎn)程傳送 信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)單信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)單圖圖2-1-5頻率及開關(guān)量輸出傳感器的使用頻率及開關(guān)量輸出傳感器的使用2.1.22.1.2傳感器的選用傳感器的選用3.3.集成傳感器：這種集成傳感器是將傳感集成傳感器：這種集成傳感器是將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路制成一體器與信號(hào)調(diào)理電路制成一體特點(diǎn)：簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小體積特點(diǎn)：簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小體積4.4.光纖傳感器：這種傳感器其信號(hào)拾取、光纖傳感器：這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系

11、統(tǒng)的電磁干擾。避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在較大型的系統(tǒng)中使用較多在較大型的系統(tǒng)中使用較多2.1.22.1.2傳感器的選用傳感器的選用 題外話：與傳感器課程的區(qū)別與聯(lián)系題外話：與傳感器課程的區(qū)別與聯(lián)系 傳感器課程：原理、知識(shí)積累、開闊思路傳感器課程：原理、知識(shí)積累、開闊思路 實(shí)際選用時(shí)：商品、作用、性價(jià)比實(shí)際選用時(shí)：商品、作用、性價(jià)比 如：如：應(yīng)變片、電容、壓電傳感器應(yīng)變片、電容、壓電傳感器與與壓力傳感器壓力傳感器2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 信號(hào)調(diào)理包括：小信號(hào)放大、濾波、零點(diǎn)校正、信號(hào)調(diào)理包括：小信號(hào)放大、濾波、零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、

12、誤差修正、量程切換、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換、參數(shù)變換、抗干擾措施等參數(shù)變換、抗干擾措施等前置放大器前置放大器主放大器主放大器抗干擾濾波抗干擾濾波抗混疊濾波抗混疊濾波電容傳感器電容傳感器運(yùn)放式電路運(yùn)放式電路xC0uCuCCuCjCjuxx)/(1)/(10SuCu0傳感器傳感器 SCr0 圖圖2-1-6 典型調(diào)理電路的組成框圖典型調(diào)理電路的組成框圖典型信號(hào)調(diào)理電路組成框圖典型信號(hào)調(diào)理電路組成框圖2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 一、前置放大器一、前置放大器 1

13、 1、電路的噪聲、電路的噪聲 輸出噪聲輸出噪聲電路在沒有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端輸出一電路在沒有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端輸出一定幅度的波動(dòng)電壓。定幅度的波動(dòng)電壓。 輸入噪聲輸入噪聲把電路輸出端測(cè)得的噪聲有效值把電路輸出端測(cè)得的噪聲有效值V VONON折算折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益到該電路的輸入端即除以該電路的增益K K，得到的電平值，得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲。稱為該電路的等效輸入噪聲。 KVVONIN 等效輸入噪聲等效輸入噪聲 2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 2 2、前置放大器的作用、前置放大器的作用如果加在某電路輸入端的信號(hào)幅度小到比

14、該電路如果加在某電路輸入端的信號(hào)幅度小到比該電路的等效輸入噪聲的等效輸入噪聲V VININ還要低，那么這個(gè)信號(hào)就會(huì)被電路還要低，那么這個(gè)信號(hào)就會(huì)被電路的噪聲所的噪聲所“淹沒淹沒”。為了不使小信號(hào)被電路噪聲所淹。為了不使小信號(hào)被電路噪聲所淹沒，就必須在該電路前面加一級(jí)放大器沒，就必須在該電路前面加一級(jí)放大器-“-“前置放大前置放大器器”， 2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2200)()(KVKKVVININON 20200)(KVVKKVVININONIN 加入前置放大器后電路總輸出噪聲為加入前置放大器后電路總輸出噪聲為總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端

15、，即總的等效輸入噪聲為總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端，即總的等效輸入噪聲為低噪聲前置放大所起的作用2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 3 3、前置放大器參數(shù)的選擇：、前置放大器參數(shù)的選擇： （1 1）選用低噪聲運(yùn)放）選用低噪聲運(yùn)放必須保證放大器本身的等效必須保證放大器本身的等效輸入噪聲比其后級(jí)電路的等效輸入噪聲低輸入噪聲比其后級(jí)電路的等效輸入噪聲低 （2 2）放大器增益）放大器增益在保證不使在保證不使A/DA/D轉(zhuǎn)換器發(fā)生溢出轉(zhuǎn)換器發(fā)生溢出的前提下，前置放大器增益越大越好。由上式看見，的前提下，前置放大器增益越大越好。由上式看見，K K0 0越大，等

16、效輸入噪聲越低。越大，等效輸入噪聲越低。2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 【例【例2 21 1】前置放大器為什么要放在】前置放大器為什么要放在RCRC有源濾有源濾波器的前面？波器的前面？ 解：解：RCRC濾波器產(chǎn)生的電路噪聲比較大。如果把濾波器產(chǎn)生的電路噪聲比較大。如果把放大器放在濾波器后面，濾波器的噪聲將會(huì)被放大器放在濾波器后面，濾波器的噪聲將會(huì)被放大器放大，使電路輸出信噪比降低。我們可放大器放大，使電路輸出信噪比降低。我們可以用圖以用圖2-1-8(a)2-1-8(a)、(b)(b)兩種情況進(jìn)行對(duì)比來說兩種情況進(jìn)行對(duì)比來說明這一點(diǎn)。明這一點(diǎn)。2.1

17、.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖圖2-1-8兩種調(diào)理電路的對(duì)比兩種調(diào)理電路的對(duì)比 21202120)()()(KVVKVKVVINININININ 21202021)()(INININININVVKKVKVV 二、濾波器的作用和參數(shù)選擇二、濾波器的作用和參數(shù)選擇隔直電容的作用隔直電容的作用使調(diào)理電路的零漂電壓不會(huì)隨被測(cè)使調(diào)理電路的零漂電壓不會(huì)隨被測(cè)信號(hào)一起送到采集電路。隔直電容信號(hào)一起送到采集電路。隔直電容C C與電壓跟隨器輸入與電壓跟隨器輸入電阻電阻RiRi形成的高通濾波器截止頻率應(yīng)很低，甚至不到形成的高通濾波器截止頻率應(yīng)很低，甚至不到1 1赫芝。赫芝。高通濾波器高通濾波器濾除低頻干擾，其

18、截止頻率應(yīng)高于需要濾除低頻干擾，其截止頻率應(yīng)高于需要濾除的干擾頻率。濾除的干擾頻率。陷波器陷波器抑制交流電干擾。陷波頻率應(yīng)等于交流電干抑制交流電干擾。陷波頻率應(yīng)等于交流電干擾的頻率擾的頻率50Hz50Hz。1.1.低通濾波器低通濾波器“去混淆去混淆”，即在采樣前先濾除高頻干，即在采樣前先濾除高頻干擾，防止高頻分量被采樣而折迭到信號(hào)頻段產(chǎn)生擾，防止高頻分量被采樣而折迭到信號(hào)頻段產(chǎn)生“混混淆淆”。2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖圖2-1-9調(diào)理電路與采集電路的連接調(diào)理電路與采集電路的連接 低通濾波器低通濾波器“去混淆去混淆”，即在采樣前先濾除高頻干擾，

19、即在采樣前先濾除高頻干擾，防止高頻分量被采樣而折迭到信號(hào)頻段產(chǎn)生防止高頻分量被采樣而折迭到信號(hào)頻段產(chǎn)生“混淆混淆”。 （1 1）“混淆混淆”產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因被采樣頻譜中含有高于折迭頻被采樣頻譜中含有高于折迭頻率率f fs s2 2的頻率分量的頻率分量。 （2 2）“混淆混淆”的危害的危害被采樣頻譜中高于被采樣頻譜中高于f fs s2 2的頻率分的頻率分量采樣后會(huì)沿量采樣后會(huì)沿f fs s2 2折迭到折迭到(f(fs s-f-fc c) )f fs s/2/2頻段對(duì)信號(hào)形成干頻段對(duì)信號(hào)形成干擾。擾。 2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖圖2-1-10 “混淆混淆”的產(chǎn)生與消除的產(chǎn)生與消除

20、（3 3）“混淆混淆”的消除的消除在采樣之前先用一個(gè)低通濾波在采樣之前先用一個(gè)低通濾波器把高于器把高于f fs s2 2的頻率分量濾掉。該低通濾波器稱為的頻率分量濾掉。該低通濾波器稱為“去混淆濾波器去混淆濾波器” 2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇CfCTffssh1max) 1lg(2lgCBGBS) 1lg(2lg6CmS) 1lg(2lgCmn 截止頻率與采樣周期的關(guān)系：截止頻率與采樣周期的關(guān)系： (dB/ (dB/倍頻程倍頻程) ,) , （4 4）去混淆濾波器的參數(shù)選擇）去混淆濾波器的參數(shù)選擇陡度陡度S

21、S：去混淆巴特沃斯低通濾波器階數(shù)去混淆巴特沃斯低通濾波器階數(shù)最壞情況最壞情況采樣時(shí)的對(duì)稱軸采樣時(shí)的對(duì)稱軸無用部分不用管無用部分不用管混疊部分混疊部分不能影響信號(hào)值不能影響信號(hào)值該點(diǎn)的值應(yīng)低于該點(diǎn)的值應(yīng)低于A/DA/D的量化電平的量化電平即對(duì)濾波器的幅頻即對(duì)濾波器的幅頻特性曲線提出要求特性曲線提出要求 【例【例2323】已知某模擬輸入通道采用的是】已知某模擬輸入通道采用的是1212位位二進(jìn)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器、二進(jìn)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6 6階去混淆巴特沃斯低通濾階去混淆巴特沃斯低通濾波器，被測(cè)信號(hào)最高頻率為波器，被測(cè)信號(hào)最高頻率為100Hz100Hz，試計(jì)算所需，試計(jì)算所需的去混淆巴特沃斯低通濾波器的截止頻率

22、和所的去混淆巴特沃斯低通濾波器的截止頻率和所需的采樣周期。需的采樣周期。 解：據(jù)公式解：據(jù)公式(2-1-26)(2-1-26)，6 6階巴特沃斯低通濾波器階巴特沃斯低通濾波器的陡度為，據(jù)題知，二進(jìn)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器的陡度為，據(jù)題知，二進(jìn)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器m=12m=12位，位，代入公式代入公式(2-1-24)(2-1-24)或或(2-1-27)(2-1-27)計(jì)算得，截頻系計(jì)算得，截頻系數(shù)數(shù)C C應(yīng)取為應(yīng)取為5 5。據(jù)題知，代入公式。據(jù)題知，代入公式(2-1-18)(2-1-18)計(jì)計(jì)算得，去混淆低通濾波器截止頻率也應(yīng)為算得，去混淆低通濾波器截止頻率也應(yīng)為100Hz100Hz。將將C=5C=5、代入公式、

23、代入公式(2-1-17)(2-1-17)計(jì)算得，采樣周期計(jì)算得，采樣周期TSTS應(yīng)取為應(yīng)取為2ms2ms。2.1.32.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.42.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 集中式采集電路方案的選擇集中式采集電路方案的選擇 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 采樣保持器采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率 多路測(cè)量通道的串音問題多路測(cè)量通道的串音問題 主放大器的設(shè)置主放大器的設(shè)置 一、集中式采集電路方案的選擇一、集中式采集電路方案的選擇 四種可

24、供選擇的方案2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)隨時(shí)間變化信號(hào)隨道間變化適用的集中式采集電路方案否否(a)直接相連否是(b)加程控增益放大器（PGA）是否(c)加采樣保持其（S/H）是是(d)兩樣都加基本元件： MUX + + A/D轉(zhuǎn)換 二、二、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 1、A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)m的確定的確定 量化誤差量化誤差 確定位數(shù)的原則：小信號(hào)不淹沒（分辨力）；大信號(hào)不確定位數(shù)的原則：小信號(hào)不淹沒（分辨力）；大信號(hào)不溢出（量程）；量化誤差應(yīng)為系統(tǒng)誤差的十分之一。溢出（量程）；量化誤差應(yīng)為系統(tǒng)誤差的十分之一。 具體要求：具體要求：2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇min

25、max2iimVV 121m測(cè)量范圍要求測(cè)量范圍要求 測(cè)量精度要求測(cè)量精度要求 2 2、A/DA/D轉(zhuǎn)換速度的確定轉(zhuǎn)換速度的確定 一般概念： 慢速 積分型等 幾毫秒幾十毫秒 中速 逐次比較型（常用）幾微秒100S 快速 電阻網(wǎng)絡(luò)等 20100nS A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間：2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇max0/11NCfNCfNTttThSCDAA/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次再啟動(dòng)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。 A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時(shí)間 采樣周期通道數(shù)與信號(hào)最高頻率的關(guān)系對(duì)對(duì)f fmaxmax大的高頻大的高頻( (或高速或高速) )測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)該采取以下測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)該采取

26、以下措施：措施： (1)(1)減少通道數(shù)減少通道數(shù)N N，最好采用分散采集方式，即，最好采用分散采集方式，即N=1N=1。 (2)(2)減少截頻系數(shù)減少截頻系數(shù)C C，這應(yīng)增大去混淆低通濾波器陡度。，這應(yīng)增大去混淆低通濾波器陡度。 (3)(3)選用轉(zhuǎn)換時(shí)間選用轉(zhuǎn)換時(shí)間t tc c短的短的A/DA/D轉(zhuǎn)換器芯片。轉(zhuǎn)換器芯片。 (4)(4)將由將由CPUCPU讀取數(shù)據(jù)改為直接存儲(chǔ)器存取讀取數(shù)據(jù)改為直接存儲(chǔ)器存取(DMA)(DMA)技術(shù)，技術(shù)，以大大縮短休止時(shí)間以大大縮短休止時(shí)間t t0 0。2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 3、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的一些環(huán)境參數(shù) 4、根據(jù)計(jì)算機(jī)接口特征

27、選擇A/D轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)。2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 三、采樣保持器三、采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 采樣保持器的主要參數(shù) 捕捉時(shí)間tACS/H輸出電壓從原來的保持值過渡到跟蹤輸入信號(hào)Vi值(在確定的精度范圍內(nèi))所需的時(shí)間 孔徑時(shí)間tAPS/H從發(fā)出保持指令開始到模擬開關(guān)完全斷開所經(jīng)歷的時(shí)間?？讖蕉秳?dòng)是指多次采樣中孔徑時(shí)間的最大變化量 建立時(shí)間ts從發(fā)出保持指令開始到S/H輸出達(dá)到保持終值(在確定的精度范圍內(nèi))所需時(shí)間2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖圖2-1-14采樣采樣/保持器的主要性能參數(shù)保持器的主要性能參數(shù) 指令指令動(dòng)作動(dòng)作 2 2、設(shè)置采樣保持器的必要性、設(shè)置采樣保

28、持器的必要性 （1 1）不設(shè)置采樣保持器時(shí)，待轉(zhuǎn)換信號(hào)允許的最高頻率）不設(shè)置采樣保持器時(shí)，待轉(zhuǎn)換信號(hào)允許的最高頻率很低很低 ，由下式?jīng)Q定由下式?jīng)Q定 2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇Cmtf1max21 （2 2）設(shè)置采樣保持器后，待轉(zhuǎn)換信號(hào)允許的最高頻率大）設(shè)置采樣保持器后，待轉(zhuǎn)換信號(hào)允許的最高頻率大大提高，由下式?jīng)Q定大提高，由下式?jīng)Q定APmtf1max21A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間通常轉(zhuǎn)換時(shí)間通常為幾十微秒為幾十微秒S/HS/H孔徑時(shí)間通?？讖綍r(shí)間通常為為1010納秒納秒 四、采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率四、采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率 分時(shí)采樣多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其工作時(shí)序分時(shí)采樣多道數(shù)

29、據(jù)采集系統(tǒng)及其工作時(shí)序 2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇通道選定通道選定前一次轉(zhuǎn)前一次轉(zhuǎn)換完成換完成開始采樣開始采樣采樣結(jié)束采樣結(jié)束ts秒轉(zhuǎn)換秒轉(zhuǎn)換采樣脈沖保持采樣脈沖保持時(shí)間時(shí)間t tACAC2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇)(CSACstttNT)(11maxCSACStttCNCTf系統(tǒng)允許的最小采樣周期為：系統(tǒng)允許的最小采樣周期為： 系統(tǒng)允許的最高信號(hào)頻率為系統(tǒng)允許的最高信號(hào)頻率為每次轉(zhuǎn)換的工作周期為：每次轉(zhuǎn)換的工作周期為： CSACtttT 五、多路測(cè)量通道的串音問題五、多路測(cè)量通道的串音問題 串音的概念：道間串音干擾串音的概念：道間串音干擾 串音產(chǎn)生的原因：串音產(chǎn)生的原因： 模

30、擬開關(guān)的斷開電阻不是無窮大模擬開關(guān)的斷開電阻不是無窮大 多路開關(guān)中存在寄生電容多路開關(guān)中存在寄生電容2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2-1-16多路切換系統(tǒng)的等效電路多路切換系統(tǒng)的等效電路 減小串音干擾的措施：減小串音干擾的措施： 減小減小Ri,Ri,為此前級(jí)應(yīng)采用電壓跟隨器；為此前級(jí)應(yīng)采用電壓跟隨器； 選用選用R Ronon極小、極小、R Roffoff極大的開關(guān)管；極大的開關(guān)管； 減少輸出端并聯(lián)的開關(guān)數(shù)減少輸出端并聯(lián)的開關(guān)數(shù)N N。若。若N=1N=1，則，則VN=0VN=0 選用寄生電容小的選用寄生電容小的MUXMUX。2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 六、主放大器的設(shè)置六、主放大器的

31、設(shè)置1 1、主放大器的作用、主放大器的作用將將MUXMUX輸出的子樣電壓放大到接近輸出的子樣電壓放大到接近A/DA/D滿量程，使數(shù)滿量程，使數(shù)字轉(zhuǎn)換精度提高字轉(zhuǎn)換精度提高K K倍。倍。2 2、“主放大器主放大器”與與“前置放大器前置放大器”的區(qū)別的區(qū)別2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 前置放大器前置放大器主放大器主放大器設(shè)置的位置設(shè)置的位置在每路調(diào)理電路的前在每路調(diào)理電路的前端，每路各用一個(gè)端，每路各用一個(gè)在采集電路的在采集電路的MUXMUX之之后，各路共用一個(gè)后，各路共用一個(gè)放大對(duì)象放大對(duì)象模擬電信號(hào)模擬電信號(hào)采樣脈沖采樣脈沖放大增益放大增益固定不變固定不變浮動(dòng)可變浮動(dòng)可變 3 3、主放大

32、器增益、主放大器增益K K的確定的確定既不能使既不能使A/DA/D溢出，又要溢出，又要滿足轉(zhuǎn)換精度滿足轉(zhuǎn)換精度oo的要求。的要求。 4 4、主放大器增益改變規(guī)則、主放大器增益改變規(guī)則通常取取通常取取2 2的整數(shù)次冪的整數(shù)次冪 2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 設(shè)計(jì)模擬輸入通道的步驟：設(shè)計(jì)模擬輸入通道的步驟： 根據(jù)一般要求確定結(jié)構(gòu)方案；根據(jù)一般要求確定結(jié)構(gòu)方案； 根據(jù)精度要求分配誤差；根據(jù)精度要求分配誤差； 選擇元器件選擇元器件 一、誤差分配一、誤差分配 在確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案之后，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的總精在確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案之后，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的總精度要求，給各個(gè)環(huán)節(jié)分配誤差，以便選擇元器件。通度要求，給

33、各個(gè)環(huán)節(jié)分配誤差，以便選擇元器件。通常傳感器和信號(hào)放大電路所占的誤差比例最大，其它常傳感器和信號(hào)放大電路所占的誤差比例最大，其它各環(huán)節(jié)如采樣各環(huán)節(jié)如采樣/ /保持器和保持器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器等誤差，可以按選轉(zhuǎn)換器等誤差，可以按選擇元件精度的一般規(guī)則和具體情況而定。擇元件精度的一般規(guī)則和具體情況而定。 選擇元件精度的一般規(guī)則是：選擇元件精度的一般規(guī)則是：每一個(gè)元件的精度每一個(gè)元件的精度指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)于系統(tǒng)規(guī)定的某一最嚴(yán)格的性能指標(biāo)的指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)于系統(tǒng)規(guī)定的某一最嚴(yán)格的性能指標(biāo)的1010倍左右。倍左右。2.1.52.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合模擬輸入通道的誤差分配與綜合 二、誤差綜合二、誤差綜

34、合 初步選定各個(gè)元件之后，還要根據(jù)各個(gè)元件的技初步選定各個(gè)元件之后，還要根據(jù)各個(gè)元件的技術(shù)特性和元件之間的相互關(guān)系核算實(shí)際誤差，并且按術(shù)特性和元件之間的相互關(guān)系核算實(shí)際誤差，并且按絕對(duì)值和的形式或方和根形式綜合各類誤差，檢查總絕對(duì)值和的形式或方和根形式綜合各類誤差，檢查總誤差是否滿足給定的指標(biāo)。如果不合格，應(yīng)該分析誤誤差是否滿足給定的指標(biāo)。如果不合格，應(yīng)該分析誤差，重新選擇元件及進(jìn)行誤差的分析綜合，直至達(dá)到差，重新選擇元件及進(jìn)行誤差的分析綜合，直至達(dá)到要求。要求。2.1.52.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合模擬輸入通道的誤差分配與綜合 【例【例2424】設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)距離測(cè)量室內(nèi)溫度的輸入通道

35、】設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)距離測(cè)量室內(nèi)溫度的輸入通道即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。已知滿量程為即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。已知滿量程為100100，共有，共有8 8路信號(hào)，路信號(hào)，要求系統(tǒng)的總誤差為要求系統(tǒng)的總誤差為1.0(1.0(即相對(duì)誤差即相對(duì)誤差1%)1%)，環(huán)境，環(huán)境溫度為溫度為25251515，電源波動(dòng)，電源波動(dòng)1%1%。試進(jìn)行誤差分配，。試進(jìn)行誤差分配，選擇合適的器件，構(gòu)成滿足精度要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。選擇合適的器件，構(gòu)成滿足精度要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 解：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可按以下步驟進(jìn)行。解：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可按以下步驟進(jìn)行。 1.電路方案選擇電路方案選擇 鑒于溫度的變化一般很緩慢，故可以選擇多通道鑒于溫度的變化一般很緩慢，故可以選擇

36、多通道共享采樣共享采樣/ /保持器和保持器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器的通道結(jié)構(gòu)方案，其中轉(zhuǎn)換器的通道結(jié)構(gòu)方案，其中傳感器和調(diào)理電路即溫度測(cè)量電路方案如圖傳感器和調(diào)理電路即溫度測(cè)量電路方案如圖2-1-172-1-17所所示。示。2.1.52.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合模擬輸入通道的誤差分配與綜合圖圖2-1-17溫度傳感器及信號(hào)放大電路溫度傳感器及信號(hào)放大電路 2 2、溫度測(cè)量電路的元器件選擇、溫度測(cè)量電路的元器件選擇 溫度傳感器溫度傳感器AD590KAD590K（由于是遠(yuǎn)距離測(cè)量，且測(cè)量（由于是遠(yuǎn)距離測(cè)量，且測(cè)量范圍不大，故選擇電流輸出型集成溫度傳感器）。范圍不大，故選擇電流輸出型集成溫度傳感

37、器）。 高精度集成穩(wěn)壓源高精度集成穩(wěn)壓源AD580LHAD580LH，提供，提供2.5V2.5V基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓，它與它與AD590KAD590K共用一個(gè)直流電源共用一個(gè)直流電源US(10V)US(10V)。 測(cè)量放大器測(cè)量放大器AD522BAD522B2.1.52.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合模擬輸入通道的誤差分配與綜合3 3、溫度測(cè)量電路的工作原理、溫度測(cè)量電路的工作原理 AD590KAD590K的輸出電流與絕對(duì)溫度成正比（比例系數(shù)的輸出電流與絕對(duì)溫度成正比（比例系數(shù)即靈敏度為即靈敏度為1A/K1A/K），遠(yuǎn)傳到電阻），遠(yuǎn)傳到電阻R1R1（KK）上產(chǎn)生）上產(chǎn)生的電壓的電壓UtUt與

38、攝氏溫度與攝氏溫度t t的關(guān)系式為：的關(guān)系式為： R2R2、R3R3、W1W1將將AD580LHAD580LH提供的提供的2.5V2.5V基準(zhǔn)電壓分壓形基準(zhǔn)電壓分壓形成偏移電壓成偏移電壓UbUb。調(diào)整電位器。調(diào)整電位器W1W1使偏移電壓使偏移電壓UbUb為為273.2mV273.2mV，則可使放大器則可使放大器AD522BAD522B的差動(dòng)輸入電壓的差動(dòng)輸入電壓UiUi與攝氏溫度與攝氏溫度t t成成正比，正比， AD522BAD522B差動(dòng)放大倍數(shù)由第、腳間所接電阻差動(dòng)放大倍數(shù)由第、腳間所接電阻RGRG（由（由2k2k和和W2W2組成）決定組成）決定 2.1.52.1.5模擬輸入通道的誤差分配

39、與綜合模擬輸入通道的誤差分配與綜合mVttAUt)2 .273()2 .273(10110136圖圖2-1-17溫度傳感器及信號(hào)放大電路溫度傳感器及信號(hào)放大電路 溫度電流變換溫度電流變換1A/K1A/KmVttAUt)2 .273()2 .273(10110136Us=10V0V基準(zhǔn)電壓273.2mV輸出100*t4 4、誤差分配、誤差分配 由于傳感器和信號(hào)放大電路是系統(tǒng)誤差的主要部分，由于傳感器和信號(hào)放大電路是系統(tǒng)誤差的主要部分，故將總誤差的故將總誤差的90%(90%(即即0.90.9的誤差的誤差) )分配至該部分。分配至該部分。該部分的相對(duì)誤差為該部分的相對(duì)誤差為0.9%0.9%，數(shù)據(jù)采集

40、、轉(zhuǎn)換部分和其，數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換部分和其它環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差為它環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差為0.1%0.1%。5 5、誤差估算、誤差估算（詳見教材）（詳見教材）2.1.52.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合模擬輸入通道的誤差分配與綜合2.2模擬輸出通道2.2模擬輸出通道 微機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)輸出通道有：數(shù)字信號(hào)通道和微機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)輸出通道有：數(shù)字信號(hào)通道和模擬通道兩種。模擬通道兩種。 模擬輸出通道的作用：模擬顯示模擬輸出通道的作用：模擬顯示 模擬記錄模擬記錄 驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu) 模擬通道的基本組成：模擬通道的基本組成： D/A D/A 保持保持 放大放大 濾波濾波 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 基本理論，

41、基本理論， 基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)； 模擬輸出通道組成電路的選用。模擬輸出通道組成電路的選用。2.2模擬輸出通道 一、零階保持與平滑濾波一、零階保持與平滑濾波 從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)：從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)： “ “采樣采樣”“A/D”A/D” 從數(shù)字信號(hào)恢復(fù)出模擬信號(hào)：從數(shù)字信號(hào)恢復(fù)出模擬信號(hào)： “ “D/A”D/A”“保持保持” “ “采樣采樣”將連續(xù)信號(hào)離散化。將連續(xù)信號(hào)離散化。 “ “保持保持”將離散信號(hào)連續(xù)化：將離散信號(hào)連續(xù)化：2.2.1模擬輸出通道的基本原理圖圖2-2-1（a）一階保持）一階保持 (b)零階保持零階保持一階保持一階保持不容易用電路實(shí)現(xiàn)不容易用電路實(shí)現(xiàn) 零

42、階保持零階保持容易用電路實(shí)現(xiàn)容易用電路實(shí)現(xiàn) 圖圖222 零階保持的兩種實(shí)現(xiàn)電路零階保持的兩種實(shí)現(xiàn)電路 1 1、零階保持的實(shí)現(xiàn)電路、零階保持的實(shí)現(xiàn)電路 數(shù)字保持優(yōu)于模擬保持，模擬保持成本較低數(shù)字保持優(yōu)于模擬保持，模擬保持成本較低圖圖2-2-3零階保持器的輸出波形零階保持器的輸出波形 2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理2 2、零階保持的輸出和響應(yīng)、零階保持的輸出和響應(yīng)圖圖2-2-4零階保持器的沖激響應(yīng)和頻率響應(yīng)零階保持器的沖激響應(yīng)和頻率響應(yīng) 輸入：?jiǎn)挝粵_擊輸入：?jiǎn)挝粵_擊輸出：?jiǎn)挝痪匦蚊}沖輸出：?jiǎn)挝痪匦蚊}沖輸出信號(hào)的頻譜，即系輸出信號(hào)的頻譜，即系統(tǒng)的頻率響應(yīng)統(tǒng)的頻率響應(yīng) 零階保持器的

43、單位脈沖響應(yīng)零階保持器的單位脈沖響應(yīng)我們知道：?jiǎn)挝粵_擊信號(hào)的頻譜是一條水平線我們知道：?jiǎn)挝粵_擊信號(hào)的頻譜是一條水平線，通過觀察零階保持器的單位脈沖響應(yīng)不難發(fā)，通過觀察零階保持器的單位脈沖響應(yīng)不難發(fā)現(xiàn)，零階保持器是一個(gè)濾波器。它完全抑制了現(xiàn)，零階保持器是一個(gè)濾波器。它完全抑制了f fs s=1/T=1/Ts s 的頻率成分，部分抑制了各次諧波成的頻率成分，部分抑制了各次諧波成分分2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理沖擊脈沖序列的輸出和頻率響應(yīng)沖擊脈沖序列的輸出和頻率響應(yīng) 零階保持器的輸入可認(rèn)為是沖擊脈沖序列零階保持器的輸入可認(rèn)為是沖擊脈沖序列)()()(sssnTtnTxtx)()

44、()(1HXXS其輸出信號(hào)的頻譜為：其輸出信號(hào)的頻譜為：)()()()()(XXTHnXTHSSS基頻基頻各次各次諧波諧波 3 3、平滑濾波器、平滑濾波器 由于各次諧波的存在，零階保持器的輸出波形呈由于各次諧波的存在，零階保持器的輸出波形呈現(xiàn)階梯狀，為平滑其輸出的形狀，需要一個(gè)低通濾波現(xiàn)階梯狀，為平滑其輸出的形狀，需要一個(gè)低通濾波器濾掉各次諧波頻率，而保留基帶頻率。具有這種功器濾掉各次諧波頻率，而保留基帶頻率。具有這種功能的低通濾波器稱為平滑濾波器。能的低通濾波器稱為平滑濾波器。 通常，取平滑濾波器的截止頻率等于信號(hào)的最高通常，取平滑濾波器的截止頻率等于信號(hào)的最高頻率，且等于保持頻率的四分之一

45、。頻率，且等于保持頻率的四分之一。2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理零階保持器頻率響應(yīng)和平滑濾波器的作用零階保持器頻率響應(yīng)和平滑濾波器的作用 2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理二、保持周期的確定二、保持周期的確定1.1.保持周期的意義：保持周期的意義： 每次零階保持的持續(xù)時(shí)間，即零階保持器輸出的每次零階保持的持續(xù)時(shí)間，即零階保持器輸出的階梯波的臺(tái)階寬度階梯波的臺(tái)階寬度 2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理一路保持時(shí)間為一路保持時(shí)間為t t0 0則則m m路的保持周期為路的保持周期為m m* *t t0 02.2.保持周期與采樣周期的比例關(guān)系保持周期

46、與采樣周期的比例關(guān)系 模擬信號(hào)輸出通道中設(shè)定的保持周期模擬信號(hào)輸出通道中設(shè)定的保持周期 模擬信號(hào)輸入通道中設(shè)定的采樣周期模擬信號(hào)輸入通道中設(shè)定的采樣周期 （1 1）若?。┤羧?，則，則 經(jīng)零階保持和平滑濾經(jīng)零階保持和平滑濾波后恢復(fù)出來的模擬信號(hào)波形與輸入通道中被采樣的波后恢復(fù)出來的模擬信號(hào)波形與輸入通道中被采樣的輸入模擬信號(hào)波形相同。輸入模擬信號(hào)波形相同。 （2 2）若?。┤羧?，則，則 經(jīng)零階保持和平滑濾經(jīng)零階保持和平滑濾波后恢復(fù)出來的模擬信號(hào)波形與輸入通道中被采樣的波后恢復(fù)出來的模擬信號(hào)波形與輸入通道中被采樣的輸入模擬信號(hào)波形相似。輸入模擬信號(hào)波形相似。常數(shù)）(/aTTShhTST1a1a

47、)()(0txtx1a)()(0atxtx2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)2.2.22.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)圖圖2 22 26 6 模擬輸出通道基本組成模擬輸出通道基本組成2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)一、一、數(shù)據(jù)分配數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)D/AD/A轉(zhuǎn)換開始時(shí)間由寄存器控制轉(zhuǎn)換開始時(shí)間由寄存器控制特點(diǎn)：特點(diǎn)： 每個(gè)通道配置一個(gè)輸入寄存器和一個(gè)每個(gè)通道配置一個(gè)輸入寄存器和一個(gè)D/AD/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器， 微機(jī)將數(shù)據(jù)微機(jī)將數(shù)據(jù)DijDij分時(shí)選通至第分時(shí)選通至第i i路

48、輸入寄存器，第路輸入寄存器，第i i路路D/AD/A立即對(duì)立即對(duì)DijDij進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 各通道輸出的模擬信號(hào)存在時(shí)間偏斜，因此不適各通道輸出的模擬信號(hào)存在時(shí)間偏斜，因此不適合于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。合于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)圖圖2-2-8 數(shù)據(jù)保持同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)保持同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)二、數(shù)據(jù)保持同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)二、數(shù)據(jù)保持同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 每個(gè)通道配置兩個(gè)寄存器每個(gè)通道配置兩個(gè)寄存器R1R1

49、、R2R2和一個(gè)和一個(gè)D/AD/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，微機(jī)將數(shù)據(jù)微機(jī)將數(shù)據(jù)DijDij分時(shí)選通至第分時(shí)選通至第i i路寄存器路寄存器R1R1，然后同時(shí)將，然后同時(shí)將各路數(shù)據(jù)各路數(shù)據(jù)DijDij從從R1R1傳送到傳送到R2R2，各路，各路D/AD/A同時(shí)對(duì)同時(shí)對(duì)DijDij進(jìn)行數(shù)模進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 各通道輸出的模擬信號(hào)不存在時(shí)間偏斜，因此適合各通道輸出的模擬信號(hào)不存在時(shí)間偏斜，因此適合于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 各個(gè)通道共用一個(gè)寄存器和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，各用一個(gè)S/H。微機(jī)在輸出第i

50、路數(shù)據(jù)給D/A進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也控制第i路S/H進(jìn)行采樣，其他路S/H都處于保持狀態(tài)。 成本低、精度低三、模擬保持分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)三、模擬保持分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 圖圖2-2-9 模擬保持分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模擬保持分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2.2.32.2.3模擬輸出通道組成電路的選用模擬輸出通道組成電路的選用一、一、D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1 1、D/AD/A位數(shù)的確定位數(shù)的確定取決于輸出模擬信號(hào)所需要的動(dòng)取決于輸出模擬信號(hào)所需要的動(dòng)態(tài)范圍。態(tài)范圍。 若要求輸出通道不失真再現(xiàn)模擬輸入信號(hào)，則一若要求輸出通道不失真再現(xiàn)模擬輸入信號(hào)，則一般取般取A/DA/D的位數(shù)的位數(shù) 若要求輸出通道形成動(dòng)態(tài)范圍在若要求輸出通道形成動(dòng)態(tài)

51、范圍在20db20db左右的監(jiān)視左右的監(jiān)視波形，則一般取波形，則一般取5-75-7位位 2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用2 2、主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇、主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇數(shù)字輸入特性：接收數(shù)碼的碼制、數(shù)據(jù)格式以及邏數(shù)字輸入特性：接收數(shù)碼的碼制、數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平輯電平模擬輸出特性。目前多數(shù)模擬輸出特性。目前多數(shù)D/AD/A轉(zhuǎn)換器件均屬電流輸出轉(zhuǎn)換器件均屬電流輸出器件器件鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制直接影響與直接影響與CPUCPU的接口設(shè)計(jì)的接口設(shè)計(jì)參考源。最好使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源參考源。最好使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源的的D/AD

52、/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用二、反多路開關(guān)和采樣保持器二、反多路開關(guān)和采樣保持器反多路開關(guān)的作用：反多路開關(guān)的作用： 把單路串行輸出的把單路串行輸出的D/AD/A轉(zhuǎn)換電壓按道分離開來，變轉(zhuǎn)換電壓按道分離開來，變?yōu)槎嗦凡⑿休敵龅哪M電壓為多路并行輸出的模擬電壓 采樣保持器的作用：采樣保持器的作用： 將將D/AD/A轉(zhuǎn)換后子樣電壓保持一段時(shí)間轉(zhuǎn)換后子樣電壓保持一段時(shí)間ThTh 2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用三、調(diào)理電路三、調(diào)理電路1 1、濾波器、濾波器（1 1）平滑濾波器應(yīng)為低通濾波器）平滑濾波器應(yīng)為低通濾波器（2 2）野外數(shù)據(jù)采集

53、系統(tǒng)如數(shù)字地震儀的模擬輸出通道把）野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如數(shù)字地震儀的模擬輸出通道把記錄信號(hào)回放出來形成監(jiān)視波形，記錄信號(hào)回放出來形成監(jiān)視波形，通常設(shè)置通頻帶很通常設(shè)置通頻帶很窄的濾波器，以濾除低頻干擾和高頻干擾窄的濾波器，以濾除低頻干擾和高頻干擾。（3 3）有些微機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)因信號(hào)輸入通道中已有高低通）有些微機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)因信號(hào)輸入通道中已有高低通濾波器濾除干擾，所以信號(hào)輸出通道中只有平滑濾波濾波器濾除干擾，所以信號(hào)輸出通道中只有平滑濾波器而無其它濾波器，有些并不要求平滑電壓輸出的場(chǎng)器而無其它濾波器，有些并不要求平滑電壓輸出的場(chǎng)合，平滑濾波也可以不要。合，平滑濾波也可以不要。2.2模擬輸出通道2.2

54、.3模擬輸出通道組成電路的選用2 2、電壓、電壓/ /電流轉(zhuǎn)換和頻率電流轉(zhuǎn)換和頻率/ /電壓轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)換2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用3 3、線性功率放大器、線性功率放大器用于模擬量控制的輸出通道用于模擬量控制的輸出通道采用集成功率運(yùn)算放大器可大大簡(jiǎn)化電路，并提高系統(tǒng)采用集成功率運(yùn)算放大器可大大簡(jiǎn)化電路，并提高系統(tǒng)的可靠性。的可靠性。集成功率運(yùn)算放大器：集成功率運(yùn)算放大器：OPA501OPA501、OPA511/512OPA511/512、OPA541OPA5412.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用2.32.3開關(guān)量輸入開關(guān)量輸入/ /輸出通道輸出通道

55、2.3.1開關(guān)量輸入通道一、開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)一、開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道二、輸入調(diào)理電路二、輸入調(diào)理電路1 1、小功率輸入的調(diào)理電路、小功率輸入的調(diào)理電路 清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動(dòng)而產(chǎn)生的振蕩信號(hào)清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動(dòng)而產(chǎn)生的振蕩信號(hào)高電平高電平放電放電+-0初始狀態(tài)：初始狀態(tài)：011100放電完成前不放電完成前不會(huì)變成低電平會(huì)變成低電平轉(zhuǎn)換開關(guān)：轉(zhuǎn)換開關(guān)：00111002.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道2 2、大功率輸入調(diào)理電路、大功率輸入調(diào)理電路用光電耦合器進(jìn)行隔離用光電耦合器

56、進(jìn)行隔離2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道三、輸入緩沖器三、輸入緩沖器通常采用三態(tài)門緩沖器通常采用三態(tài)門緩沖器74LS24474LS2442.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道2.3.22.3.2開關(guān)量輸出通道開關(guān)量輸出通道開關(guān)量輸出的用途：開關(guān)量輸出的用途： 控制開關(guān)電器控制開關(guān)電器 開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)（代替模擬量輸出）開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)（代替模擬量輸出）開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)的概念：脈寬調(diào)制開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)的概念：脈寬調(diào)制開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 控制精度比一般的模擬輸出控制高，控制精度比一般的模擬輸出控制高， 無須改動(dòng)硬件，只需改變程序就可用于不同的控?zé)o須改動(dòng)硬

57、件，只需改變程序就可用于不同的控制場(chǎng)合制場(chǎng)合一、開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)一、開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道二、常見的輸出驅(qū)動(dòng)電路二、常見的輸出驅(qū)動(dòng)電路 1 1、直流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路、直流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道電流負(fù)載：不大（幾百mA）驅(qū)動(dòng)電流：夠大電流負(fù)載：不大（幾百mA）驅(qū)動(dòng)電流：很小2 2、晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路、晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路圖圖2-3-6 晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道驅(qū)動(dòng)電流極小圖圖2-3-7 典型繼電器驅(qū)動(dòng)電路典型繼電器驅(qū)動(dòng)電路2.3開關(guān)量

58、輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道3、繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖圖2-3-8 直流直流SSR與交流與交流SSR 4、固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖圖2-3-9 基本的基本的SSR驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 2.3.32.3.3開關(guān)量輸入輸出通道設(shè)計(jì)舉例開關(guān)量輸入輸出通道設(shè)計(jì)舉例 一、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.3開關(guān)量輸入輸出通道設(shè)計(jì)舉例常見步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造 步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造 AABBCC ABCABCNS AA12AA1243 AA12AABB1230ABB1230 AABCC1230BCC1230ABBCC12 b= 30 ACC1230AABCC12 AA12ABBCC12BBC1230

59、AABBC1230 b= 30 bbbb360 =m* Z*CAA12AA1243ABBCC步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖圖2-3-10 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 二、直流馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制二、直流馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制 使用脈沖寬度調(diào)速（使用脈沖寬度調(diào)速（PWM）PWMPWM控制的基本原理控制的基本原理方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f (t) (t)tOa)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t)形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖沖量沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同PWM控制的基本原理i(t )e(t) 實(shí)例實(shí)例以上實(shí)例說明了“面積等效原理”電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)Ou t 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波PWM控制的基本原理Ou tOu tOu t 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波SPWM波若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。PWM控制的基本原理O