计算机控制02.过程输入输出技术
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锁存输出 CPU 控制逻辑 隔离 功放 执行机构
锁存输出部件
– 锁存微型计算机输出的数据或者控制信号，供外部设备使用
输出调理电路 (属于部分)
– 隔离部件：防止干扰 – 功放部件：微型计算机输出的微弱数字信号能对生产过程进行控制的驱动信号
8
第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术
2.1 过程输入输出通道概述 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道 2.5 脉冲量输入通道
LSB 1.5LSB
– 只舍不入：量化误差为LSB (只能为正) – 四舍五入：量化误差为±0.5LSB (可以正负) – 数字量的最大值(全1或者满码)所能表示的最大数值为VFS(1-2-n)
14
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的量化与编码
例题：以自然二进制码的3位A/D转换器来说明两种量化方式，假设采样 值的变化范围是0~8V，于是q=8/23=1V，8个量化电平为0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7V (1) 只舍不入，无论VIN=5.1V还是VIN=5.9V，均被归并为5q，编码 均为101；该方法最大量化误差近似为q (2) 四舍五入，若VIN=5.49V则归并为5q，编码为101, 若VIN=5.50V 则归并为6q，编码为110；该方法最大量化误差为±0.5q
2
过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
过程输入输出通道的组成和功能
什么是过程输入输出通道？
– 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场 的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计 算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。这 个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为输入输出过 程通道
4
过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
模拟量输入通道(AI通道)的一般结构
过 程 参 数
变 送 器
多 路 采 样 开 关
数 据 放 大
采 样 保 持 器
A/D
I/O
主 机
控制逻辑
过程参数由传感原件和变送器测量并转换为电压(或电流)形式后送至多路采样开关 由多路采样开关将各个过程参数依次的切换到后级，进行放大、采样和A/D转换
k 0
* f 理想采样的特点是每隔T秒出现一次，并且满足： ( kT ) f ( kT )
11
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
采样定理
采样定理
采样周期 T 的大小，决定了采样信号保留了多少原信号的信息和 特征，我们不加证明的给出采样定理：
若连续信号(包括噪声干扰在内) y(t) 中所含频率分量的最高频率为 fmax ，定义采样周期T的倒数为采样频率f，若采样频率f≥2fmax，则可从采 样信号 y*(t) 中不失真的恢复原连续信号。
15
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
A/D转换器的主要技术指标
分辨率
– 衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变换程度的技术指标，分辨率 用数字量的位数(字长)来表示，如8位、12位、16位等，表示它能对 满量程输入VFS的1/2n的增量作出反应
转换时间
– A/D转换器完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间
信号的编码
2
– 将量化电平Nq中的N用二进制代码来表示，n位编码可以表示2n个量 化电平，对于单极性的模拟信号，一般采用无符号的自然二进制码
13
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的量化与编码
量化与编码的形式
– 字长为n的A/D转换器将ymin~ymax内的采样信号转换为数字0~2n-1
– 暂存数字量信息并实现与微型计算机数据总线的连接
接口逻辑电路
– 协调各通道同步工作，向微型计算机传递状态信息并控制数字量的输入和输出
7
过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
数字量输出通道(DO通道)的一般结构
其任务是将微型计算机输出的数字信号(或开关信号)传送给开关型的执行机构(如继电 器或者指示灯等)，控制它们的断/通或者亮/灭
过程输入输出通道的组成
– 模拟量输入通道 – 模拟量输出通道 – 数字量输入通道 – 数字量输出通道 模拟信号数字信号计算机 数字控制信号模拟信号执行机构 开关信号计算机 控制接受数字信号的执行机构和显示、指示装置
3
过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
计算机控制系统中信号变换与传递
多D/A结构
– D/A转换器实现了数字信号到模拟信号的转换和信号保持(数字保持)
共享D/A结构
– D/A转换器实现数字信号到模拟信号的转换，保持功能由采样保持器完成(模拟保持)
6
过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
数字量输入通道(DI通道)的一般结构
又称开关量输入通道，其任务是将被控对象的开关状态信号(或数字信号)送给微型计 算机、或把双值逻辑的开关量变换为微型计算机能够接收的数字量送给微型计算机
则物体的重量为M=D5*32+D4*16+D3*8+D2*4+D1*2+D0*1=27g
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器的转换原理
VREF V0 Vi _ + 比较器 D/A转换器 VC 输 出 缓 冲 器
D0~DN-1
时钟 启动
逻辑控制
逐次逼近寄存器 (SAR)
0 1 2 3 4
Baidu Nhomakorabea
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
t /T
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
数字信号
离散模拟信号
模拟信号
模拟信号——时间上和幅值上都连续的信号 离散模拟信号——时间上离散幅值上连续的信号 数字信号——时间上离散，幅值也离散的信号 采样——将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程 量化——采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号
信号变换 整形变换 电平变换 总 线 缓 冲 接口逻辑
CPU
信号变换
整形变换
电平变换
信号变换器
– 非电量数字量电压或者电流的双值逻辑值
输入调理电路
– 整形变换电路：非理想信号接近理想的方波或者矩形波相应形状的脉冲信号 – 电平变换电路：输入的双值逻辑电平与微型计算机兼容的逻辑电平
总线缓冲器
例题：设有8位逐次逼近式A/D转换器，D/A转换器的基准电压REF=10V， 如果此时输入模拟量VIN=6.84V，则所得编码结果为多少？
(1) 第一个CP, D7~D0=10000000, V0=5V, VIN>V0, D7=1 (2) 第二个CP, D7~D0=11000000, V0=7.5V, VIN<V0, D6=0 (3) 第三个CP, D7~D0=10100000, V0=6.25V, VIN>V0, D5=1 ……
EOC
OE
(1) 初始化：SAR和输出缓冲器清零，D/A输出为零 (2) 预测数据送往D/A，转换成电压V0 (3) 将输入模拟电压Vi与V0相比较，若Vi>V0，则保留；否则清除 (4) 由高位到低位，逐位确定该位是0还是1
19
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器的转换原理
T (t ) (t ) (t T ) (t 2T )
*
( t kT )
k 0
f ( t ) f ( t ) T ( t ) f (0 ) ( t ) f ( T ) ( t T )
f ( kT ) ( t kT )
第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术
2.1 过程输入输出通道概述 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道 2.5 脉冲量输入通道
1
第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术
2.1 过程输入输出通道概述 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道 2.5 脉冲量输入通道
9
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的采样
f (t )
K T
f (t )
f (t )
f (t )
τ
t /T
0 T 2T 3T 4T 0 T 2T 3T 4T
t /T
10
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的采样
理想采样
当 T >>τ时，可以认为采样瞬时完成，即τ=0，于是 采样开关以 T为 ) 周期闭合并瞬时断开，由此形成一个单位脉冲序列，用 T ( t表示，连 ) 续信号 f(t) 的采样，相当于 f(t) 与 T ( t相乘，即：
信号的量化与编码
为什么要进行信号的量化？
– 采样信号在时间轴上离散，但在函数轴上连续，而微型计算机只能 接受时间离散且幅值不连续的信号，故需要进行信号的量化
信号的量化
– 所谓量化，就是先确定一组离散的电平值，然后按照某种近似的方 式将输出的模拟电压值归并到相应的离散电平，亦即模拟信号取值 的离散化，在量化过程中所确定的一组离散的电平称为量化电平， 幅度最小的那个非零量化电平的绝对值被称为量化单位(数字输入量 的最低有效位LSB所对应的模拟值)，而其他量化电平均为量化单位 y y 的整数倍，可以表示为Nq，量化单位 q m ax n m in
5
过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
模拟量输出通道(AO通道)的一般结构
接 口 电 路 D/A … … … … D/A 1) 多D/A结构 采样保持器 … … 采样保持器 通道 1 … … 通道 n 通道 1 … … 通道 n
主 机
主 机
接 口 电 路
D/A
多 路 开 关
2) 共享D/A结构
111 7q 110 6q 101 5q 100 4q 011 3q 010 2q 001 000 q O q 2q 3q 4q 5q 6q 7q VFS (a) 只舍不入方式
LSB
111 7q 110 6q 101 5q 100 4q 011 3q 010 2q 001 000 q O q 2q 3q 4q 5q 6q 7q VFS (a) 四舍五入方式
e(t )
采样
e* (t )
A/D
e(kT )
数字 u (kT ) 调节器
u (kT )
D/A
u * (t ) u * (t )
保持器
u (t )
e(t )
e* (t )
e(kT )
u (t )
0000 1000 1011 1110 1111
0100 1001 1010 0110 0100
0 1 2 3 4
如此继续，得到最终转换结果D7~D0 为10101111
20
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
并行比较式A/D转换器的转换原理
VR R
13 VR 15 11 VR 15
C1
输入电压Vi
CO1 1D C1 CO2 1D C1 CO3 1D C1 CO4 Q4 1D C1 Q5 1D C1 CO6 C6 1D C1 CO7 1D C1 CP Q7 I7 Q6 I6 I5 D2 (MSB) Q3 I3 优 先 I4 编 码 器 Q2 I2 (LSB) D0 Q1 I1
实际应用中，常取 f≥ (5~10)fmax，采样定理又称奈奎斯特采样定理或 香农采样定理。 如果已知信号的最高频率f，采样定理给出了保证完全重建信号的 最低采样频率。这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特频率，相反， 如果已知采样频率，采样定理给出了保证完全重建信号所允许的最高信 号频率。
12
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
17
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器的转换原理
该种转换器的原理与天平的称重的原理相似。若某天平具有32, 16, 8, 4, 2和1克等6种砝码，若物体重量为27克。称量从最重的砝码试起，过 程如下表所示。
次序 1 2 3 4 5 6 加砝码 32 克 16 克 8克 4克 2克 1克 天平指示 超重 欠重 欠重 超重 欠重 平衡 操作 去码 留码 留码 去码 留码 留码 记录 D5=0 D4=1 D3=1 D2=0 D1=1 D0=1
线性误差
– A/D转换器的理想转换特性应当是线性的，但实际转换特性并非如 此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线 性误差，通常用LSB的分数表示
16
过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
A/D转换器的主要技术指标
习题：选用自然二进制码的4位A/D转换器，假设满量程电压VFS=16V， 如果此时VIN=9.8V，分别计算采用只舍不入法和四舍五入法所得 到的编码结果。 设被测温度变化范围为20℃~1200℃,如果要求测量误差不超过 ±0.4℃,应选用分辨率为多少位的A/D转换器？
锁存输出部件
– 锁存微型计算机输出的数据或者控制信号，供外部设备使用
输出调理电路 (属于部分)
– 隔离部件：防止干扰 – 功放部件：微型计算机输出的微弱数字信号能对生产过程进行控制的驱动信号
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第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术
2.1 过程输入输出通道概述 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道 2.5 脉冲量输入通道
LSB 1.5LSB
– 只舍不入：量化误差为LSB (只能为正) – 四舍五入：量化误差为±0.5LSB (可以正负) – 数字量的最大值(全1或者满码)所能表示的最大数值为VFS(1-2-n)
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的量化与编码
例题：以自然二进制码的3位A/D转换器来说明两种量化方式，假设采样 值的变化范围是0~8V，于是q=8/23=1V，8个量化电平为0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7V (1) 只舍不入，无论VIN=5.1V还是VIN=5.9V，均被归并为5q，编码 均为101；该方法最大量化误差近似为q (2) 四舍五入，若VIN=5.49V则归并为5q，编码为101, 若VIN=5.50V 则归并为6q，编码为110；该方法最大量化误差为±0.5q
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过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
过程输入输出通道的组成和功能
什么是过程输入输出通道？
– 在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将生产现场 的各种被测参数转换成数字计算机能够接受的形式，计算机经过计 算、处理后的结果还须变换成适合于对生产进行控制的信号量。这 个在计算机和生产过程之间传递和变换信息的装置称为输入输出过 程通道
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过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
模拟量输入通道(AI通道)的一般结构
过 程 参 数
变 送 器
多 路 采 样 开 关
数 据 放 大
采 样 保 持 器
A/D
I/O
主 机
控制逻辑
过程参数由传感原件和变送器测量并转换为电压(或电流)形式后送至多路采样开关 由多路采样开关将各个过程参数依次的切换到后级，进行放大、采样和A/D转换
k 0
* f 理想采样的特点是每隔T秒出现一次，并且满足： ( kT ) f ( kT )
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
采样定理
采样定理
采样周期 T 的大小，决定了采样信号保留了多少原信号的信息和 特征，我们不加证明的给出采样定理：
若连续信号(包括噪声干扰在内) y(t) 中所含频率分量的最高频率为 fmax ，定义采样周期T的倒数为采样频率f，若采样频率f≥2fmax，则可从采 样信号 y*(t) 中不失真的恢复原连续信号。
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
A/D转换器的主要技术指标
分辨率
– 衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变换程度的技术指标，分辨率 用数字量的位数(字长)来表示，如8位、12位、16位等，表示它能对 满量程输入VFS的1/2n的增量作出反应
转换时间
– A/D转换器完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间
信号的编码
2
– 将量化电平Nq中的N用二进制代码来表示，n位编码可以表示2n个量 化电平，对于单极性的模拟信号，一般采用无符号的自然二进制码
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的量化与编码
量化与编码的形式
– 字长为n的A/D转换器将ymin~ymax内的采样信号转换为数字0~2n-1
– 暂存数字量信息并实现与微型计算机数据总线的连接
接口逻辑电路
– 协调各通道同步工作，向微型计算机传递状态信息并控制数字量的输入和输出
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过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
数字量输出通道(DO通道)的一般结构
其任务是将微型计算机输出的数字信号(或开关信号)传送给开关型的执行机构(如继电 器或者指示灯等)，控制它们的断/通或者亮/灭
过程输入输出通道的组成
– 模拟量输入通道 – 模拟量输出通道 – 数字量输入通道 – 数字量输出通道 模拟信号数字信号计算机 数字控制信号模拟信号执行机构 开关信号计算机 控制接受数字信号的执行机构和显示、指示装置
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过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
计算机控制系统中信号变换与传递
多D/A结构
– D/A转换器实现了数字信号到模拟信号的转换和信号保持(数字保持)
共享D/A结构
– D/A转换器实现数字信号到模拟信号的转换，保持功能由采样保持器完成(模拟保持)
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过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
数字量输入通道(DI通道)的一般结构
又称开关量输入通道，其任务是将被控对象的开关状态信号(或数字信号)送给微型计 算机、或把双值逻辑的开关量变换为微型计算机能够接收的数字量送给微型计算机
则物体的重量为M=D5*32+D4*16+D3*8+D2*4+D1*2+D0*1=27g
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器的转换原理
VREF V0 Vi _ + 比较器 D/A转换器 VC 输 出 缓 冲 器
D0~DN-1
时钟 启动
逻辑控制
逐次逼近寄存器 (SAR)
0 1 2 3 4
Baidu Nhomakorabea
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
0 1 2 3 4
t /T
模拟信号
离散模拟信号
数字信号
数字信号
离散模拟信号
模拟信号
模拟信号——时间上和幅值上都连续的信号 离散模拟信号——时间上离散幅值上连续的信号 数字信号——时间上离散，幅值也离散的信号 采样——将模拟信号抽样成离散模拟信号的过程 量化——采用一组数码来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号
信号变换 整形变换 电平变换 总 线 缓 冲 接口逻辑
CPU
信号变换
整形变换
电平变换
信号变换器
– 非电量数字量电压或者电流的双值逻辑值
输入调理电路
– 整形变换电路：非理想信号接近理想的方波或者矩形波相应形状的脉冲信号 – 电平变换电路：输入的双值逻辑电平与微型计算机兼容的逻辑电平
总线缓冲器
例题：设有8位逐次逼近式A/D转换器，D/A转换器的基准电压REF=10V， 如果此时输入模拟量VIN=6.84V，则所得编码结果为多少？
(1) 第一个CP, D7~D0=10000000, V0=5V, VIN>V0, D7=1 (2) 第二个CP, D7~D0=11000000, V0=7.5V, VIN<V0, D6=0 (3) 第三个CP, D7~D0=10100000, V0=6.25V, VIN>V0, D5=1 ……
EOC
OE
(1) 初始化：SAR和输出缓冲器清零，D/A输出为零 (2) 预测数据送往D/A，转换成电压V0 (3) 将输入模拟电压Vi与V0相比较，若Vi>V0，则保留；否则清除 (4) 由高位到低位，逐位确定该位是0还是1
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器的转换原理
T (t ) (t ) (t T ) (t 2T )
*
( t kT )
k 0
f ( t ) f ( t ) T ( t ) f (0 ) ( t ) f ( T ) ( t T )
f ( kT ) ( t kT )
第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术
2.1 过程输入输出通道概述 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道 2.5 脉冲量输入通道
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第2章 微型计算机控制系统的过程输入输出技术
2.1 过程输入输出通道概述 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道 2.5 脉冲量输入通道
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的采样
f (t )
K T
f (t )
f (t )
f (t )
τ
t /T
0 T 2T 3T 4T 0 T 2T 3T 4T
t /T
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
信号的采样
理想采样
当 T >>τ时，可以认为采样瞬时完成，即τ=0，于是 采样开关以 T为 ) 周期闭合并瞬时断开，由此形成一个单位脉冲序列，用 T ( t表示，连 ) 续信号 f(t) 的采样，相当于 f(t) 与 T ( t相乘，即：
信号的量化与编码
为什么要进行信号的量化？
– 采样信号在时间轴上离散，但在函数轴上连续，而微型计算机只能 接受时间离散且幅值不连续的信号，故需要进行信号的量化
信号的量化
– 所谓量化，就是先确定一组离散的电平值，然后按照某种近似的方 式将输出的模拟电压值归并到相应的离散电平，亦即模拟信号取值 的离散化，在量化过程中所确定的一组离散的电平称为量化电平， 幅度最小的那个非零量化电平的绝对值被称为量化单位(数字输入量 的最低有效位LSB所对应的模拟值)，而其他量化电平均为量化单位 y y 的整数倍，可以表示为Nq，量化单位 q m ax n m in
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过程输入输出技术>>过程输入输出通道概述
模拟量输出通道(AO通道)的一般结构
接 口 电 路 D/A … … … … D/A 1) 多D/A结构 采样保持器 … … 采样保持器 通道 1 … … 通道 n 通道 1 … … 通道 n
主 机
主 机
接 口 电 路
D/A
多 路 开 关
2) 共享D/A结构
111 7q 110 6q 101 5q 100 4q 011 3q 010 2q 001 000 q O q 2q 3q 4q 5q 6q 7q VFS (a) 只舍不入方式
LSB
111 7q 110 6q 101 5q 100 4q 011 3q 010 2q 001 000 q O q 2q 3q 4q 5q 6q 7q VFS (a) 四舍五入方式
e(t )
采样
e* (t )
A/D
e(kT )
数字 u (kT ) 调节器
u (kT )
D/A
u * (t ) u * (t )
保持器
u (t )
e(t )
e* (t )
e(kT )
u (t )
0000 1000 1011 1110 1111
0100 1001 1010 0110 0100
0 1 2 3 4
如此继续，得到最终转换结果D7~D0 为10101111
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
并行比较式A/D转换器的转换原理
VR R
13 VR 15 11 VR 15
C1
输入电压Vi
CO1 1D C1 CO2 1D C1 CO3 1D C1 CO4 Q4 1D C1 Q5 1D C1 CO6 C6 1D C1 CO7 1D C1 CP Q7 I7 Q6 I6 I5 D2 (MSB) Q3 I3 优 先 I4 编 码 器 Q2 I2 (LSB) D0 Q1 I1
实际应用中，常取 f≥ (5~10)fmax，采样定理又称奈奎斯特采样定理或 香农采样定理。 如果已知信号的最高频率f，采样定理给出了保证完全重建信号的 最低采样频率。这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特频率，相反， 如果已知采样频率，采样定理给出了保证完全重建信号所允许的最高信 号频率。
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>信号变换
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
逐次逼近式A/D转换器的转换原理
该种转换器的原理与天平的称重的原理相似。若某天平具有32, 16, 8, 4, 2和1克等6种砝码，若物体重量为27克。称量从最重的砝码试起，过 程如下表所示。
次序 1 2 3 4 5 6 加砝码 32 克 16 克 8克 4克 2克 1克 天平指示 超重 欠重 欠重 超重 欠重 平衡 操作 去码 留码 留码 去码 留码 留码 记录 D5=0 D4=1 D3=1 D2=0 D1=1 D0=1
线性误差
– A/D转换器的理想转换特性应当是线性的，但实际转换特性并非如 此。在满量程输入范围内，偏移理想转换特性的最大误差定义为线 性误差，通常用LSB的分数表示
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过程输入输出技术>>模拟量输入通道>>A/D转换器
A/D转换器的主要技术指标
习题：选用自然二进制码的4位A/D转换器，假设满量程电压VFS=16V， 如果此时VIN=9.8V，分别计算采用只舍不入法和四舍五入法所得 到的编码结果。 设被测温度变化范围为20℃~1200℃,如果要求测量误差不超过 ±0.4℃,应选用分辨率为多少位的A/D转换器？