微型計算機(jī)控制技術(shù)第二章

微型計算機(jī)控制技術(shù)第二章第一頁，共四十頁，2022年，8月28日2.3信號的采樣和量化2.3.1信號的采樣2.3.2采樣定理及頻率的選擇2.3.3量化過程第二頁，共四十頁，2022年，8月28日2.3信號的采樣和量化在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬信號需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器變成計算機(jī)所需的數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換過程大體上要解決采樣和量化兩個問題。首先通過采樣器，按預(yù)定的時間間隔采樣連續(xù)信號的瞬時值，形成等間隔的離散模擬信號，然后再通過A/D轉(zhuǎn)換器把離散信號進(jìn)行量化處理，得到一系列與離散值相對應(yīng)的數(shù)字信號。這兩個過程是由不同的部件來完成的。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日2.3.1信號的采樣把時間連續(xù)的信號轉(zhuǎn)換為一連串時間不連續(xù)的脈沖信號，這個過程稱為“采樣”，又稱為“抽樣”、“取樣”。對連續(xù)信號的采樣過程，可用圖2-4來描述。第四頁，共四十頁，2022年，8月28日（a）模擬信號數(shù)字化處理過程圖2-4連續(xù)信號的采樣過程采樣周期：T采樣時間：τ采樣時刻：0T、1T、2T、3T……第五頁，共四十頁，2022年，8月28日圖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。第六頁，共四十頁，2022年，8月28日在實(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，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：）第七頁，共四十頁，2022年，8月28日2.3.2采樣定理及頻率的選擇在討論采樣信號時，所關(guān)心的問題是離散后的函數(shù)f*（t）能否反映原模擬信號f（t）的全部信息，采樣周期如何選擇才能使f*（t）不失真地反映f（t）的變化。采樣頻率越高，離散后的f*（t）越能接近輸入信號f（t）。但是，在實(shí)時控制系統(tǒng)中采樣頻率太高，會把許多寶貴的時間用于采樣，導(dǎo)致過多的數(shù)據(jù)存儲和運(yùn)算，加重計算機(jī)的負(fù)擔(dān)，實(shí)時性差。第八頁，共四十頁，2022年，8月28日香農(nóng)（Shannon）采樣定理：若信號的最高頻率為fmax，只要采樣頻率f≥2fmax，采樣信號就能完全恢復(fù)原信號。應(yīng)當(dāng)指出，香農(nóng)采樣定理僅給出了采樣信號能恢復(fù)模擬信號的理論依據(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。第九頁，共四十頁，2022年，8月28日2.3.3量化過程整量化過程（簡稱量化）就是用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如圖2-6所示。（a）離散模擬信號（b）數(shù)字信號圖2-6量化過程第十頁，共四十頁，2022年，8月28日模擬信號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)碼來逼近模擬信號是近似的，量化過程是一個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)的最低位所對應(yīng)的模擬量的值。設(shè)fmax和fmin為轉(zhuǎn)換信號的最大值和最小值，則量化單位為：式中，i——轉(zhuǎn)換后二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日例如，模擬信號fmax=16V、fmin=0V，取i=4采樣時刻采樣值（V）量化值采樣時刻采樣值（V）量化值0T9.010014T7.201111T5.901105T8.910012T4.401006T9.510103T5.801107T81000則,最大量化誤差第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日2.4模擬量輸入通道信號調(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裝置、信號調(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。第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日2.4模擬量輸入通道信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路就是對現(xiàn)場采集到的信號進(jìn)行處理，使其滿足A/D轉(zhuǎn)換要求。信號調(diào)理部分依據(jù)檢測信號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。第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日2.4模擬量輸入通道信號調(diào)理電路2.4.1信號的放大2.4.2I/V變換電路第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日2.4.1信號的放大多數(shù)傳感器產(chǎn)生的信號都比較微弱，需經(jīng)過放大才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號的幅度要求。當(dāng)傳感器的工作環(huán)境惡劣時，傳感器的輸出有各種噪聲，共模干擾很大，而傳感器的輸出小，輸出阻抗很大時，一般運(yùn)放已不能勝任.在這種情況下，必需用低噪聲、低漂移、高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的直流放大器，這類放大器常用的有測量放大器、可編程序放大器和隔離放大器。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日測量放大器常用在應(yīng)變片傳感器、熱電偶溫度傳感器等微弱信號的輸出放大中。這類放大器一般由三個運(yùn)算放大器組成.前兩級組成具有對稱結(jié)構(gòu)的差動放大電路，其作用是阻抗變換（高輸入阻抗）和增益調(diào)整；后一級為功率輸出級，它將A1、A2的差動輸入雙端輸出信號轉(zhuǎn)換為單端輸出信號，且提高共模抑制比。RG用來調(diào)節(jié)放大器的增益.第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日由圖可知，第一級：式中，AV為放大器的增益。

第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日目前有許多集成測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)用第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日可編程增益放大器可編程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier，PGA），其放大倍數(shù)可根據(jù)需要用程序進(jìn)行控制。采樣這種放大器，可通過程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達(dá)到均一化，大大提高測量精度?？删幊淘鲆娣糯笃饔薪M合PGA和集成PGA兩種。第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日1、組合PGA圖2-9基于AD522和模擬開關(guān)構(gòu)成的組合PGA第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日2、集成PGA圖2-10為AD526內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-11AD526基本接法第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日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。因此需要經(jīng)過I/V變換，變成電壓信號后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)而被計算機(jī)處理。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路是將電流信號成比例地轉(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。第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日一、無源I/V變換無源I/V變換主要利用無源器件電阻來實(shí)現(xiàn)，并加濾波和輸出限幅等保護(hù)措施。

圖2-12無源I/V變換電路對于0~10mA輸入信號，可取R1＝100Ω，R2＝500Ω，且R2為精密電阻，這樣當(dāng)輸入的電流I為0~10mA時，I/V變換電路輸出的電壓為：0~5V第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日二、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：對于0~10mA輸入信號，若取R1＝200Ω，則I=10mA時，電阻R1上產(chǎn)生2V的電壓，若取R3＝100Ω，R4＝150Ω，該電路對應(yīng)的輸出電壓為：0~5V

第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日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采樣保持器第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日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)行模擬電壓信號切換的關(guān)鍵元件。利用多路模擬開關(guān)可將各個輸入信號依次地或隨機(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、工作可靠。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日目前廣泛采用的模擬開關(guān)有：機(jī)械式和電子式機(jī)械式的指采用干簧繼電器、濕簧繼電器組成的模擬開關(guān)。導(dǎo)通電阻低，開路電阻無窮大，但響應(yīng)速度比較慢，而且使用久了觸點(diǎn)不易清洗，易有誤動作，壽命短。通常在低速、高精度的系統(tǒng)中采用。電子式模擬開關(guān)由各類半導(dǎo)體工藝制作的模擬開關(guān)，有晶體管和場效應(yīng)管兩種，其特點(diǎn)是速度快、壽命長易于集成、體積小。第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日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個開關(guān)組成，如圖2-14所示。第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日圖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真值表第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日2.多路模擬開關(guān)應(yīng)用舉例在實(shí)際應(yīng)用中，往往由于被測參數(shù)多，一個多路開關(guān)不能滿足通道數(shù)的要求，此時就必須把多路開關(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。第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日改變數(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)展電路第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日U3的每一個輸入端對應(yīng)前級芯片的一個輸出端，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芯片的一個輸入端。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第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日選用多路模擬開關(guān)應(yīng)注意的問題：（1）對于要求傳輸精度高而信號變化慢的場合，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，也宜選用同一型號的芯片以盡可能使每個通道的特性一致。（3）在選擇多路模擬開關(guān)的速度時，要考慮到后級采樣保持電路和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)采集和測量時，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。第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日2.5.2采樣保持器在對模擬信號進(jìn)行模/數(shù)變換時，從啟動變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間。當(dāng)輸入信號頻率提高時，由于孔徑時間的存在，會造成較大的轉(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的變化，即對輸入信號處于采樣狀態(tài)；在A/D轉(zhuǎn)換開始時將信號電平保持住，這種功能的器件叫采樣/保持器（Sample/Holder，S/H）。第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日采樣保持器的主要作用為：（1）在采樣時間內(nèi)，快速跟蹤輸入的模擬信號；在保持時間內(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。（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。（4）在多路輸出通道中，把一個D/A轉(zhuǎn)換器的輸出分配到幾個輸出點(diǎn)，也常利用采樣保持器保證輸出的穩(wěn)定性。第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日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、模擬信號存儲電容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第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日工作原理：模擬開關(guān)AS閉合時，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，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