模拟输入输出接口原理及其应用 第三版习题参考答案

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
出，因此也基本具备了变送器的功能。变送器主要有：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位
变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。 7-4 在模拟输入通道中，经常要使用信号调理电路，其主要功能和任务是什么？对于片上有 ADC 的嵌入 式模拟输入通道，其调理电路的主要形式有哪些？
I+
6
D1
D2
I-
5
7
Vout
7-10 对于模拟信号的隔离有哪几种方法？各有什么特点？ 答：模拟信号隔离方法主要包括线性光电耦合隔离、隔离放大器隔离等方法。线性光耦隔离成本低，但 使用复杂，而隔离放大器使用简单，但成本高。本题教材内容没有涉及。 7-11 对于片上 ADC，常用单端接入法，如果片上 ADC 可以接收差分信号，可以采用差分接入法，这两种 接入法，对前置调理电路有什么要求？各自特点是什么？ 答：单端接入法对于片上 ADC 需要一路模块信号只需要一个模拟通道，它的调理电路的关键在于通过调 理电路输出（通过运算放大器）的信号+接模拟通道，而输出的信号-接模拟地，特点结构简单，通道利 用率高，但缺点是容易引入共模干扰；对于差分接入法，调理电路输出信号+要接偶数通道，而调理电 路输出信号-要接奇数通道，不能接模拟地。差分接入法不需要公共地。差分接入法的最大优点是可以 抑制共模干扰，这是由差分特点所决定的。缺点是占用模拟通道多，一路模拟信号要占用一个人个模拟 通道。
3.3V
VR1 1M
ADCIN3 PA3
JP14
1 模拟输入 2
2.54-3
图 7.41 片上 DAC 应用 （1）写出对片上 DAC 的初始化程序片段（含引脚配置及 DAC 初始化）。
答：void ADC_Configuration(void) //配置和初始化 ADC {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
AIN2
AIN3 Vref : 嵌入式处理器
片上 ADC AINn-2/2 AINn-1/2
AGND
7-12 对于 STM32F10x 微控制器，使用片上 ADC 通道 3（PA3 作为 ADCIN3）作为电位器位置检测的一个实 例，如图 7.41 所示。当旋转电位器 VR1 时，ADCIN3 随之电压发生变化，如果电位代表位置，假设 0V 表示位置 0 米,3.3V 表示 100 米，当电位器从最低端向最高端旋转时，电位从 0 到 3.3V 变化，也即位 置从 0 到 100 米线性变化。试回答：
给定参数
内核
D/A 转换
功率放大
执行机构
工业过程
控制量
嵌入式处理器
A/D 转换
信号调理
传感器
被测参数
传感器感知或采集工程过程中的相关参数、如温度、压力、流量等，信号调理电路把传感器送来的信号 进行调整处理使采集的信号在 A/D 的有效范围，A/D 变换器将模拟信号转换为数字信号，处理器对变换 后的数字信号根据系统需求进行数字处理或运算，D/A 变换器将数字信号变换成模拟信号，功能放大把 模拟信号进行功率放大，使之足以推动后面的执行机构，执行机构将电能变换为机械能或其它能量以控 制工业过程。 7-2 传感器的作用是什么？有哪些常用传感器？ 答：传感器的作用就是感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他 所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测 和自动控制的首要环节。 按输入量可将传感器分为：位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等；按照按工作原理分 类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等；按物理现象分类：结构型传感器、特性型传感器； 按能量关系分类：能量转换型传感器、能量控制传感器；按输出信号分类：模拟式传感器、数字式传感 器。 主要传感器有：流量传感器、压力传感器、温度传感器、物位传感器、位移传感器、称重传感器、气敏 传感器、磁敏传感器、红外光电传感器、机器人传感器等。 7-3 传感器与变送器有什么区别？常用变送器有哪些？ 答：变送器是将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。 与传感器的主要区别是除了感知还包括了以某种协议输出检测的结果。由于现代传感器通常增加了协议输
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_GPIO_Pin_3;//ADC1通道PA3=ADIN3引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //管脚频率50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入模式
258
第 7 章模拟输入输出系统
Ui+
5
6
7
1RK/c
VCC 1RK
11
1RK1 50aRK1 50bKR1
2
3
1
Uo
4
9
Ui-
10
1K
8
R/c
1RK VSS
U0=c(1+a+b)(Ui+-Ui-)
7-9 简述将电阻信号变换为电压、电压变换为电流、电流变换为电压的方法。 答：（1）电阻信号变成电压信号可以直接加恒定电流即可。如图所示，左边是 1mA 的恒流源，电流通过 电阻产生压降即将电阻信号变换成电压信号了。后续可以接运放。
嵌入式处理器 PWM 捕获
7-5 信号滤波有哪些基本类型？各种滤波电路有何特点？
答：信号滤波主要的类型有：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。 主要特点：高通滤波器指只能通过高频，中低频被阻止通过；低通滤波是指只能通过低 频，中高频率的信号被阻止，带阻滤波器是仅允许高低频通过，中间频率段被阻止。
//使能ADC1复位校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准寄存器接收
ADC_StartCalibration(ADC1);
//启动ADC1校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
//等待ADC1校准结束
7-6 对于需要滤除 100KHz 以上的干扰，采用 RC 低通滤波时，RC 的参数如何选择？
答：f0=1/(2πRC) =100KHz,不仿设 C=0.1uF 则 R=1.591K，取 1.6K 如果选择 C=0.033uF， 则 R=4.823K 取 4.8K
7-7 对于图二阶有源低通滤波器，如果有用信号频率为 100Hz,则可把 100Hz 以上的干扰信号滤除，当 R3＝10K，放大 10 倍，试确定图中电阻电容的参数值。
传感器 1 调理电路 1
传感器 2 调理电路 2
传感器 3 :
传感器 n
调理电路 1 调理电路 n
3.3V AIN0
AVDD AIN1
Vref AIN2 : 嵌入式处理器
片上 ADC AINn-1
AGND
传感器 1 传感器 2
传感器 n/2
调理电路 1 调理电路 2
调理电路 n/2
AIN0
3.3V
AIN1 AVDD
答：f0=1/(2π R1C 1R 2C 2 )，已知 R3=10K,放大倍数为 10，则 Rf=10*10K=100K,不仿让 R1=R2=R，C1=C2=C,因此 f0=1/(2πRC)，当取 C=0.01uF 时，R=100Hz/(2π*0.01uF)=15.91K
7-8 试参照图 7.12 设计一个放大倍数为 101 倍的差分放大器。
/* 设置ADC1使用ADCIN7转换通道，转换顺序1，采样时间为239.5周期*/
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_7, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
//使能ADC1
ADC_ResetCalibration(ADC1);
c. 适当大小的模拟电流 0~10mA/4~20mA
传感器
隔离电路
d. 小信号的模拟电流 uA 级
传感器
隔离电路
滤波电路
嵌入式处理器 ADC
滤波电路 滤波电路 滤波电路 滤波电路
放大电路 I/V 电流电压变换
嵌入式处理器 ADC
嵌入式处理器 ADC
I/V 变换
放大电路
I/V 及放大
V/F 变换
嵌入式处理器 ADC
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO端口
/* 初始化ADC：独立模式、多通道扫描、连续转换、软件触发、ADC数据右对齐 */ ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //独立工作模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;
//开启多通道扫描
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;//连续转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;//软触发
VDD R1
2.5K 1%
3
2
DW 2.5V 1 TL431
R2 5.1K
U1B 6
7 5
LM358
Q1 I1mA 9015
R51 2K
1mA恒流源
Rt
Ut
PT100
（2）电压变换为电流的方法通过运放来实现，原理是理想运算放大器+-端电位相等，且输入到运放的 电流为零。实现方法如图所示。电压 Vin 输入到运放+端，使-端电压也是 Vin,此时通过 R3 到达 R4 的 电压也为 Vin，这样在 R4 通过的电流就是 Vin/R，经过 R2 和 BG1 输出，由于三极管放大倍数比较大， 集成电极电流与发射极电流相当，这样当 IOUT+接稳定电压后接上外部负载，就有 Vin/R4 的电流通过 BG1 的集成电极输出（电流方向相反）。
R1 Vin
100K
12V
C2
8
LM358 103
3
2 U1A
1
C1
R2 2K
104
4
Z1
R3
6.2V
20K
1
3
2
BG1 9014
12V R4 100R 1%
IOUTIOUT+
JIout
1 2
电流输出
（3）电流变换为电压的方法可以直接把用电阻或通过运放， 如：
259
嵌入式系统原理及应用（第三版）
R
260
第 7 章模拟输入输出系统
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO|
RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);//A口及A口多功能时钟选择（PA3为ADCIN3）
/* 配置GPIO的PA7作为ADCIN3模拟通道输入端，频率50MHz */
第 7 章模拟输入输出系统
第7章 模拟输入输出系统设计
本章习题
7-1 基于嵌入式处理器的模拟输入输出系统是怎么构成的？各部分的主要功能是什么？两个系统的主 要区别是什么？ 答：基于嵌入式处理器的模拟输入输出系统与普通模拟输入输出系统不同之处在于嵌入式处理器内部已 经大都集成了 A/D 转换器、D/A 转换器。其它同普通模拟输入输出系统。如图所示。
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//ADC数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;//进行规则转换的ADC通道数为1个通道
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
答：信号调理电路主要功能和任务就是放大、滤波、隔离以及激励与变换等，使其符合模/数 转换器(ADC)输入的要求。
片上有 ADC 的调理电路主要形式包括：
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嵌入式系统原理及应用（第三版）
传感器
隔离电路
a. 适当大小的模拟电压 V 级
传感器
隔离电路
b. 小信号的模拟电压 uV～ mV 级
传感器
隔离电路
答：根据图示差分放大器可知，
Ui+
5
6
7
R/c
VCC R
11
R1
aR1
bR1
2
3
1
Uo
4
Βιβλιοθήκη Baidu
9
Ui-
10
8
R/c
R VSS
U0=c(1+a+b)(Ui+-Ui-)
当 a=b 时，放大倍数＝1＋2a=101,可得 a=50，取 c=1，R=R1=1K，aR1=bR1=50*1K=50K。 R/c=1K 满足要求的差分放大器如图所示。