微型計算機控制技術(shù)第二章

第2章輸入/輸出接口與過程通道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2.3信號的采樣和量化在計算機控制系統(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)換器把離散信號進行量化處理，得到一系列與離散值相對應的數(shù)字信號。這兩個過程是由不同的部件來完成的。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。（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……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。在實際應用中，由于τ遠小于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：）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，導致過多的數(shù)據(jù)存儲和運算，加重計算機的負擔，實時性差。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原信號。應當指出，香農(nóng)采樣定理僅給出了采樣信號能恢復模擬信號的理論依據(jù)。實際工程中，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（簡稱量化）就是用一組數(shù)碼（如二進制碼）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

是指量化后二進制數(shù)的最低位所對應的模擬量的值。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)換后二進制數(shù)的位數(shù)。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。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。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2.掀4.撒1信號平的放可大多數(shù)拖傳感慌器產(chǎn)蓬生的洽信號忍都比災較微婦弱，推需經(jīng)旦過放思大才樹能滿邁足A/攝D轉(zhuǎn)換緣瑞器輸施入信厘號的湖幅度鏟要求孟。當傳百感器厭的工鉛作環(huán)抗境惡衫劣時泄，傳花感器握的輸伶出有怪各種皺噪聲李，共鹽模干伴擾很乒大，南而傳暫感器呆的輸才出小址，輸河出阻已抗很琴大時亮，一橋般運盼放已懲不能幕勝任.在這晃種情劉況下播，必繳需用低噪穿聲、爸低漂輛移、批高增筍益、油高輸哭入阻扎抗和緒高共衡模抑肯制比貫的直炕流放熄大器，這雨類放松大器壁常用俯的有異測量汁放大擁器、漏可編斷程序惰放大好器和緊隔離屋放大仇器。測量冶放大凳器常用品在應怖變片導傳感帥器、忙熱電災偶溫餅度傳選感器戴等微股弱信祝號的旗輸出呢放大么中。漏這類頸放大腥器一冠般由好三個炸運算研放大滅器組辨成.前兩淚級組成熊具有納對稱軍結(jié)構(gòu)店的差酸動放洗大電攝路，例其作筋用是桂阻抗妖變換攀（高紀輸入型阻抗飄）和概增益它調(diào)整挑；后一豆級為功南率輸宏出級賢，它況將A1、A2的差戰(zhàn)動輸星入雙講端輸節(jié)出信替號轉(zhuǎn)廚換為骨單端累輸出渴信號種，且攀提高遣共模建抑制撲比。RG用來催調(diào)節(jié)艷放大姐器的宴增益.由圖擺可知呢，第糖一級憶：式中勒，AV為放略大器功的增堵益。目前鏟有許洞多集拔成測槽量放念大器賤芯片擇可供牙用戶禽選用者。如AD拒52秧1、AD針52杏2等。AD旅52獅2的典寇型應鍋用如跪圖2-遷8所示歐。圖2-播8孤AD桑52跳2典型啊應用可編貍程增鳳益放黑大器可編籌程增礙益放熟大器今（Pr詞og裕ra溪mm率ab帳le緒G呀ai蜂n浴Am艷pl不if訊ie漿r，PG哨A），陸其放演大倍精數(shù)可蝴根據(jù)襖需要驗用程課序進虜行控嚇制。氧采樣翼這種中放大昌器，負可通貨過程熱序調(diào)陵節(jié)放誦大倍雨數(shù)，商使A/怎D轉(zhuǎn)換曠器滿桃量程念信號似達到犯均一孝化，隔大大軍提高結(jié)測量匹精度蠟?？删幣锍淘黾堃娣艁y大器充有組合PG喝A和集成PG軟A兩種賣。1、組火合PG導A圖2-西9基于AD趣52擦2和模戰(zhàn)擬開踩關(guān)構(gòu)遺成的仍組合PG約A2、集悠成PG賢A圖2-軍10為AD吩52援6內(nèi)部砍結(jié)構(gòu)圖2-譜11庫A咸D5封26基本來接法2.揪4.加2沿I/浩V變換煎電路為了起提高爐系統(tǒng)躁的抗鞏干擾劈燕能力僅，通島常情鑒況下婆，變肌送器襪輸出侵的是標準聯(lián)電流墳信號。因穴此需郵要經(jīng)臟過I/猛V變換壓，變盛成電數(shù)壓信冷號后勢才能滲進行A/著D轉(zhuǎn)換預進而窯被計存算機毅處理濤。電流/電壓鍬轉(zhuǎn)換崖電路念是將高電流尖信號哨成比捕例地笑轉(zhuǎn)換弄成電拍壓。壟常用I/版V變換似的實盞現(xiàn)方僅法有無源I/宵V變換和有源I/軌V變換。一、偏無源I/偷V變換無源I/標V變換算主要妙利用許無源臟器件恩電阻梨來實坊現(xiàn)，坐并加滲濾波題和輸垂出限掉幅等理保護色措施筍。圖2-惰12無源I/罪V變換曾電路對于0~愚10潤mA輸入泛信號貴，可取R1＝10裹0Ω，R2＝50劃0Ω，且R2為精咱密電盒阻，這樣新當輸拜入的磁電流I為0~咸10派mA時，I/樸V變換賢電路張輸出思的電染壓為括：0~控5V二、桐有源I/碼V變換有源I/架V變換漢主要威是利頌用有延源器耀件運檔算放渴大器索組成圖2-央13有源I/準V變換吹電路該同丘相放氏大電企路的放大會倍數(shù)責為：對于0~蒜10照mA輸入撤信號瘡，若柏取R1＝20塊0Ω，則I=貍10適mA時，電阻R1上產(chǎn)喇生2V的電輸壓，緊若取R3＝10流0Ω，R4＝15客0Ω，該電臭路對貝應的除輸出襪電壓禮為：0~席5V2.壘5模擬祝開關(guān)社及采見樣保裹持2.徑5.投1多路酒模擬慮開關(guān)2.援5.糕2采樣釀保持仇器2.理5模擬嗽開關(guān)鞋及采譜樣保凳持2.斥5.臟1多路駁模擬張開關(guān)多路公模擬吉開關(guān)餓又稱拍多路之轉(zhuǎn)換沿器，鍬是用蒼來進牌行模土擬電蜓壓信炭號切鍋換的配關(guān)鍵章元件襖。利忠用多堆路模勉擬開宜關(guān)可敏將各成個輸饑入信援號依嘴次地褲或隨烤機地光連接可到公駱用放啄大器素或A/原D轉(zhuǎn)換瓶器上蛙。理想屑的多場路開摘關(guān)開塑路電田阻為希無窮奧大，核接通兩電阻與為零山。此域外，裕還希挺望切墻換速記度快犧，噪鼓音小寫、壽議命長律、工役作可墳靠。目前泊廣泛塞采用桐的模寫擬開魔關(guān)有懸：機械劍式和電子訪式機械抹式的超指采顧用干朗簧繼摟電器讓、濕煎簧繼烘電器燦組成善的模道擬開勸關(guān)。澡導通晃電阻遇低，險開路咱電阻期無窮池大，延但響粱應速低度比族較慢躬，而脾且使巖用久匪了觸緒點不并易清錯洗，辯易有判誤動竹作，往壽命跌短。壟通常你在低隱速、日高精筐度的察系統(tǒng)竹中采厭用。電子銷式模職擬開脫關(guān)由紅各類程半導或體工喘藝制喇作的杯模擬史開關(guān)忠，有窯晶體眉管和贈場效勤應管鍛兩種壟，其躍特點低是速查度快趕、壽華命長浸易于哨集成知、體安積小凳。1.陽C由D4賀05皺1CD爸40踩51又稱8通道籌單端匆雙向暢多路錄轉(zhuǎn)換發(fā)器。證內(nèi)部討由邏輯區(qū)電平請轉(zhuǎn)換、二進汪制譯迎碼器和8個開膜關(guān)組成奮，如僅圖2-萄14所示起。圖2-領(lǐng)14蔑C磚D4粱05莊1電路微原理佩圖輸入狀態(tài)接通通道INHCBA1×××均不通00000#00011#00102#00113#01004#01015#01106#01117#表2-洲5卸CD繳40辜51真值避表2.多路恩模擬茫開關(guān)拒應用致舉例在實摟際應有用中校，往線往由浪于被脊測參名數(shù)多倒，一容個多告路開令關(guān)不逆能滿傍足通絮道數(shù)彩的要蒼求，俘此時倦就必維須把旺多路畢開關(guān)恩進行餡擴展桐連接商。擴展祥連接副的方翁法有并聯(lián)和串聯(lián)兩種陪方法顆。改變怖數(shù)據(jù)蹄線A2~A0即可廟分別尊選通U1或U2芯片倆的8通道者之一獎。芯士片的妻選通備則由連數(shù)據(jù)辣線A3的狀傍態(tài)決商定。優(yōu)點:連線膜簡單球；缺點:并聯(lián)很得越腥多，鍋不導小通通躍道加卸在導掠通通煮道上寬的泄睬漏電貝流越副大。（a）并海聯(lián)擴倘展電截路U3的每格一個欠輸入越端對革應前閘級芯救片的架一個邪輸出獻端，砌最多膨可擴院展為64路。地址正低4位用護于U1、U2芯片桿的允鎖許輸蔥入和滴通道法控制漢，每有次只航允許選選中功一個疤芯片校的一辨?zhèn)€輸編入端貍。地址辜高4位用涂于控垂制U3芯片侮的輸丘入和刪輸出撥。（b）串算聯(lián)擴納展電楊路A7蹈A市6遷A5頃A紐奉4叔A3拼A藥2至A1褲A脫00媽0半0個0棋0禍0撓0廁1選用沉多路珠模擬蓬開關(guān)系應注斑意的碧問題恨：（1）對差于要您求傳孝輸精廉度高似而信挨號變宋化慢井的場曠合，銜可選兆用機指械觸尺點式鎖開關(guān)秀。（2）盡宗可能盲選取單片矮模擬燈開關(guān)狂集成爸電路；在哈使用蓋多片丑組合乓時，乎也宜挎選用顏同一東型號峰的芯清片以浮盡可仿能使謠每個涼通道碑的特春性一蘆致。（3）在楚選擇趣多路欠模擬壘開關(guān)進的速裹度時購，要陽考慮騾到后適級采熄樣保曲持電習路和A/伍D轉(zhuǎn)換愈的速周度，左只需于略大突于它宗們的賣速度訴即可緊，不必除一味亮追求茄高速。（4）在薯使用砌高精榴度采歪樣/保持寨和A/毯D轉(zhuǎn)換炸進行鞏精密簡數(shù)據(jù)汪采集炮和測丑量時蒙，需畏考慮獵模擬辜開關(guān)吧的傳按輸精冷度問傭題，歪尤其蓬需注監(jiān)意模狀擬開削關(guān)漂頌移特辣性。2.邁5.謊2采樣選保持先器在對指模擬起信號覽進行度模/數(shù)變印換時舌，從罩啟動染變換譽到變景換結(jié)付束的般數(shù)字歌量輸鴿出，博需要債一定倉的時氏間，我即A/句D轉(zhuǎn)換灰器的孔徑刑時間。當擴輸入棟信號籃頻率出提高擴時，丙由于恩孔徑株時間益的存兇在，竊會造壇成較迫大的優(yōu)轉(zhuǎn)換芒誤差單。要鼠防止快這種昆誤差征的產(chǎn)短生，破必須懇在A/武D轉(zhuǎn)換脆開始狗前能炎跟蹤票輸入庭信號軌的變賺化，脂即對孕輸入塌信號污處于已采樣覽狀態(tài)林；在A/收D轉(zhuǎn)換植開始吐時將蹈信號圈電平口保持籃住，盲這種轉(zhuǎn)功能捎的器鍋件叫采樣/保持拉器（Sa麗mp改le土/主H略ol很de膜r，S/搞H）。采樣貿(mào)保持蛙器的將主要盛作用殖為：（1）在椅采樣扶時間抬內(nèi)，滲快速蜓跟蹤態(tài)輸入惠的模耳擬信助號；未在保嶺持時帳間內(nèi)約，保強持采溝樣值腦不變掉，為A/煤D轉(zhuǎn)換她器提妻供恒蘆定的年轉(zhuǎn)換偏信號晚。（2）在吃多路嶄采樣奪系統(tǒng)猛中，餐通過心采樣荷保持都器，幕可以賭實現(xiàn)談多路越信號威的同匹步采冬樣。（3）在沿模擬每量輸勇出通漁道中否，作稍為零錦階保臥持器仔，復守現(xiàn)離桃散的植數(shù)字列信號梁。（4）在徐多路切輸出疤通道宰中，坦把一鼓個D/染A轉(zhuǎn)換櫻器的租輸出戀分配眠到幾擾個輸吼出點它，也味常利欲用采搬樣保蜓持器頓保證勵輸出敬的穩(wěn)析定性毛。1.采樣妻保持碗電路好的工浴作原塵理采樣勝保持兆電路悅由輸古入緩胳沖放箏大器A1、模俯擬開勾關(guān)AS、模培擬信跌號存趕儲電憤容CH及輸間出緩鐵沖放懂大器A2組成避。A1、A2接成虧跟隨短器的亂形式耐，具嘉有高已輸入羅阻抗衛(wèi)、低狠輸出就阻抗亦的特胳點。圖2-花17采樣少保持竿