WX02_微型计算机控制技术_第二章2_改2011

微机控制技术 • 香农（Shannon）采样定理：
– 若信号的最高频率为fmax，只要采样频率
f ≥ 2 fmax，采样信号就能完全恢复原信号。
• 应当指出，香农采样定理仅给出了采样信 号能恢复模拟信号的理论依据。实际工程 中，采样周期的选择要考虑诸多因素。工 程上，采样频率一般取f ≥（4~10）fmax 。
接通 A 通道 × 0 1 0
均不通
0# 1# 2# 1 3# 0 4#
0
0 0
1 0 1 5#
1 1 0 6# 1 1 1 7#
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2. 多路模拟开关应用举例
• 在实际应用中，往往由于被测参数多，一 个多路开关不能满足通道数的要求，此时 就必须把多路开关进行扩展连接。 • 扩展连接的方法有并联和串联两种方法。
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由图2-7可知，第一级：
u a u i1
u b u i2
u ab u i
图2-7 测量放大器原理
u o1 u o2 i ( R G 2 R )
uo RF R2 ( u o2 u o1 )
(1 2R RG )
i
u ab RG

ui RG
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一、无源I/V变换
• 无源I/V变换主要利用无源器件电阻来实现，并加 滤波和输出限幅等保护措施。
对于0~10mA输入信号， 可取R1＝100Ω，R2＝500Ω， 且R2为精密电阻， 这样当输入的电流I为0~10mA时， I/V变换电路输出的电压为0~5V； 图2-12无源I/V变换电路
T (t )
( t nT )


式中，n=0，±1，±2，…，±∞；T为采样周期。 这样，就可以用离散函数f *（t）来代替fs（t）：
f ( t ) f ( t ) T ( t ) f ( t ) ( t nT )

f (t )
• 信号调理电路就是对现场采集到的信号进行处理， 使其满足A/D转换要求。信号调理部分依据检测 信号及受干扰情况的不同而不同，通常包含放大、 I/V转换、滤波、线性化、隔离等。
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2.4.1 信号的放大
• 测量放大器又称仪表放大器，常用在应变 片传感器、热电偶温度传感器等微弱信号 的输出放大中。这类放大器一般由三个运 算放大器组成，如图2-7所示。
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二、有源I/V变换
• 有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器组成
该同相放大电路的 放大倍数为：
A 1
图2-13有源I/V变换电路
R4 R3
对于0~10mA输入信号，若取R1＝200Ω，则I=10mA时， 电阻R1上产生2V的电压，若取R3＝100Ω，R4＝150Ω， 该电路对应的输出电压为0~5V 。
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2.5 模拟开关及采样保持（重点）
2.5.1 多路模拟开关
• 多路模拟开关又称多路转换器，是用来进行模拟 电压信号切换的关键元件。利用多路模拟开关可 将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大 器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精 度，对多路开关提出了较高的要求。理想的多路 开关开路电阻为无穷大，接通电阻为零。此外， 还希望切换速度快，噪音小、寿命长、工作可靠。
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2.5.2 采样保持器
• 在对模拟信号进行模/数变换时，从启动变换到变 换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D 转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由 于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要 防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始前能 跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状 态；在A/D转换开始时将信号电平保持住，这种 功能的器件叫采样/保持器（Sample / Holder， S/H）。
q u m ax u m in 2
i
式中，i —— 转换后二进制数的位数。
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• 例如，模拟信号umax=16V、umin=0V，取i=4，则 q=1V，量化误差最大值为±1/2V。在图2-6中， 采样值和量化值的对应如表2-2所示。
采样 时刻 采样值 （V） 量化值 采样 时刻 采样值 （V） 量化值
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图2-9 基于AD522和模拟开关 构成的组合PGA
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2.4.2 I/V变换电路
• 为了提高系统的抗干扰能力，通常情况下， 变送器输出的是标准电流信号。因此需要 经过I/V变换，变成电压信号后才能进行 A/D转换进而被计算机处理。 • 电流/电压转换电路是将电流信号成比例地 转换成电压。常用I/V变换的实现方法有无 源I/V变换和有源I/V变换。
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• 目前广泛采用的模拟开关有：机械式和电子式 • 机械式的指采用干簧继电器组成的模拟开关。导 通电阻低，开路电阻无穷大，但响应速度比较慢， 而且使用久了触点不易清洗，易有误动作，寿命 短。通常在低速、高精度的系统中采用。
• 电子式模拟开关由各类半导体工艺制作的模拟开 关，有晶体管和场效应管两种，其特点是速度快、 寿命长易于集成、体积小。
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2.3.1 信号的采样
• 把时间连续的信号转换为一连串时间不连 续的脉冲信号，这个过程称为“采样”， 又称为“抽样”、“取样”。对连续信号 的采样过程，可用图2-4来描述。
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时间离散， 幅值连续
时间，幅值连续
时间，幅值离散
（a）模拟信号数字化处理过程 图2-4 连续信号的采样过程
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– 改变IN/OUT、OUT/IN的接法可实现“多到一”、
“一到多”的转换。
• 多路转换开关的扩展：
– 当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上
的多路开关并联起来，组成8×2或16×2的多路
开关。下面以CD4051为例说明多路开关的扩展
方法。
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用CD4051多路开关组成的16路模拟开关接线图
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第2章
输入/输出接口与过程通道 （二）
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2.3 信号的采样和量化（掌握）
• 在计算机控制系统中，模拟信号需要经过A/D转 换器变成计算机所需的数字信号。 • 转换过程大体上要解决采样和量化两个问题。 • 首先通过采样器，按预定的时间间隔采样连续信 号的瞬时值，形成等间隔的离散模拟信号，然后 再通过A/D转换器把离散信号进行量化处理，得 到一系列与离散值相对应的数字信号。这两个过 程是由不同的部件来完成的。
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• 改变PA2~PA0即可分别选 通U1或U2芯片的8通道之 一。芯片的选通则由数据 线PA3的状态决定。
• 优点:连线简单；
• 缺点:并联得越多，不导 通通道加在导通通道上的 泄漏电流越大。
（a）并联扩展电路
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• 由3片CD4051组成串联 多路模拟开关转换电路， U3芯片的每一个输入端 对应一个芯片的输出端， 组成两级串联，最多可 扩展为64路。其控制端 通过一个数据锁存器与 CPU的数据线相连，锁 存器的低4位用于U1、 U2芯片的允许输入和通 道控制，每次只允许选 中一个芯片的一个输入 端。锁存器的高4位用 于控制U3芯片的输入和 输出。 （b）串联扩展电路
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2.3.3 量化过程
• 量化：就是用一组数码（如二进制码）来 逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数 字信号，如图2-6所示。
（a）离散模拟信号 （b）数字信号 图2-6 量化过程
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• 模拟信号可以具有无穷多的数值，而一组数码 是有限的，因此用数码来逼近模拟信号是近似 的，量化过程是一个类似四舍五入的过程。 • 量化单位 q 是指量化后二进制数的最低位所对 应的模拟量的值。设umax 和umin 为转换信号的 最大值和最小值，则量化单位为：
0T
9.0
1001
4T
7.2
0111
1T 2T
3T
5.9 4.4
5.8
0110 0100
0110
5T 6T
7T
8.9 9.5
8
1001 1010
1000
微机控制技术 2.4 模拟量输入通道信号调理电路（了解）
• 模拟量输入通道根据应用要求不同，可以有不同 的结构形式。一般由传感器及检测装置、信号调 理电路、多路转换开关、采样保持器、A/D转换 器、接口电路等组成。
模拟输出
模拟输入
IN
0-7
IN
INH C CD4051 B A
OUT
. . .. .
D3D2D1D0
模拟输入
OUT INH C CD4051 B A
IN
8-15
IN
D3 D2 D1 D0(数据总线) 该图存在什么问题？ 1 0 0 0 D3-D0？ 应为I/O线 D3 D2 D1 D0 模拟输出？ 两个输出交替 0 1 1 1
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图2-4 （b）采样过程的模拟
• 图2-4（b）是用乘法器来描述的采样过程。 • f （t）为连续函数，s（t）为开关函数，fs（t） 为采样函数，即f（t）离散后之值。
f s (t ) f (t ) s (t )
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• 在实际应用中，由于τ远小于T，即τ/T→0，故常 用单位脉冲函数δ（t）来代替开关脉冲，用单位 脉冲序列δT（t）代替开关函数s（t）。可以证明， 当t=nT时，单位脉冲序列可以表示为：
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• 采样保持器的主要作用为： （1）在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号； 在保持时间内，保持采样值不变，为A/D转换器 提供恒定的转换信号。 （2）在多路采样系统中，通过采样保持器，可以 实现多路信号的同步采样。 （3）在模拟量输出通道中，作为零阶保持器，复 现离散的数字信号。 （4）在多路输出通道中，把一个D/A转换器的输 出分配到几个输出点，也常利用采样保持器保证 输出的稳定性。