微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)第二章

1、第二章第二章 測(cè)控通道測(cè)控通道(I/O(I/O通道通道) ) 內(nèi)容:模擬輸入通道、模擬輸出通道、開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道、單元電路級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)重點(diǎn)：模擬輸入通道、模擬輸出通道組成和設(shè)計(jì)；開(kāi)關(guān)量輸入輸出通道組成和設(shè)計(jì)。難點(diǎn)：測(cè)控通道各級(jí)電路的基本理論和參數(shù)設(shè)計(jì)。2-1 2-1 模擬輸入通道模擬輸入通道2.1 模擬輸入通道2.1.1 基本類(lèi)型與組成結(jié)構(gòu)定義:微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)中微機(jī)與被測(cè)對(duì)象之間的聯(lián)系通道稱(chēng)為模擬輸入通道。組成：傳感器；信號(hào)調(diào)理；數(shù)據(jù)采集。作用：將待測(cè)（非電量或電量）模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。類(lèi)型：多路模擬輸入（集中；分散）；單路模擬輸入。模擬輸入通道的基本組成模擬輸入通道的基本組成圖2-1-1信號(hào)

2、輸入通道的基本組成 一、集中采樣式一、集中采樣式類(lèi)型：分時(shí)采樣型；同步采樣型分時(shí)采樣型；同步采樣型分時(shí)采樣型特點(diǎn)：多路公用一個(gè)和電路簡(jiǎn)單；成本低；依次采集同步采樣型特點(diǎn)：多路同時(shí)被采樣；分別保持； 由于所需保持時(shí)間不同，泄放會(huì)產(chǎn)生誤差。典型電路結(jié)構(gòu)如后圖多路分時(shí)采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)圖多路分時(shí)采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)圖 相當(dāng)采集電相當(dāng)采集電路路多路同步采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)圖多路同步采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)圖 相當(dāng)采集電路二、分散采集式二、分散采集式特點(diǎn)：沒(méi)有模擬多路切換器；都有各自和。隨機(jī)或順序進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 相當(dāng)采集電路圖213分散采集式模擬輸入通道結(jié)構(gòu)2-1-2 2-1-2 傳感器的選用傳感器的選用u基本傳感器原理及

3、應(yīng)用回顧基本傳感器原理及應(yīng)用回顧u傳感器的選擇傳感器的選擇u傳感器的正確使用傳感器的正確使用u可供選用的傳感器類(lèi)型可供選用的傳感器類(lèi)型l 1.測(cè)試要求和條件。實(shí)現(xiàn)物理量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足測(cè)量目的、被測(cè)物理量選擇、測(cè)量范圍、輸入信號(hào)最大值和頻帶寬度、測(cè)量精度要求、測(cè)量所需時(shí)間要求等。l 2.傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。l 3.使用條件。安裝條件、工作場(chǎng)地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)等）、測(cè)量時(shí)間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。傳感器的選擇傳感器的選擇l 1.線性化處理與補(bǔ)償l 在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)中，特別

4、是需對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測(cè)電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測(cè)量對(duì)象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。l 2.傳感器的標(biāo)定l 傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)量具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過(guò)程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進(jìn)行標(biāo)定，使用一段時(shí)間后還要定期進(jìn)行校正，檢查精度性能是否滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)指標(biāo)。 傳感器的正確使用傳感器的正確使用l 3.抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場(chǎng)工作，而現(xiàn)場(chǎng)的條件往往是不可預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測(cè)系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的

5、，尤其是在微弱輸入信號(hào)的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。傳感器的正確使用傳感器的正確使用壓力變送器壓力變送器l （1）屏蔽l 屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來(lái)，以隔離內(nèi)外電磁或電場(chǎng)的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽及電磁屏蔽。l （2）接地l 電路或傳感器中的地指的是一個(gè)等電位點(diǎn)，它是電路或傳感器的基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連接，就是接地。 傳感器的正確使用傳感器的正確使用l （3）隔離l 就是使兩部分電路互相獨(dú)立，不成回路，從而切斷從一個(gè)電路進(jìn)入另一個(gè)電路的干擾的通路。在測(cè)控系統(tǒng)中由于分布參數(shù)的存在或接地點(diǎn)非等電位，就容

6、易形成寄生環(huán)路（尤其是地環(huán)路）電流，引起電磁噪聲干擾。這時(shí)，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開(kāi)。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。l （4）濾波l 雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會(huì)有一些噪聲信號(hào)混雜在檢測(cè)信號(hào)中，因此檢測(cè)電路中還常設(shè)置濾波電路，對(duì)由外界干擾引入的噪聲信號(hào)加以濾除。 傳感器的正確使用傳感器的正確使用可供選用的傳感器類(lèi)型可供選用的傳感器類(lèi)型1、通用型傳感器2、大信號(hào)輸出傳感器3、數(shù)字式輸出傳感器4、集成式傳感器5、光纖傳感器2 2、大信號(hào)輸出傳感器、大信號(hào)輸出傳感器1 1、要求：與、要求：與A/D相配套的大信號(hào)輸出傳感器；相配套的大信號(hào)輸出傳感器；2 2、

7、優(yōu)點(diǎn)：、優(yōu)點(diǎn)：A. A. 把放大電路與傳感器做成一體，使傳感把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器能直接輸出器能直接輸出05 V、010 V或或02. .5 V要求的信號(hào)電壓；要求的信號(hào)電壓；B.B.把傳感器與相應(yīng)的變送器電路做成一體，把傳感器與相應(yīng)的變送器電路做成一體，構(gòu)成能輸出構(gòu)成能輸出420 mA直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器。送器。C.C.可省去小信號(hào)放大環(huán)節(jié)?？墒∪バ⌒盘?hào)放大環(huán)節(jié)。大信號(hào)輸出傳感器的與普通傳感器的比大信號(hào)輸出傳感器的與普通傳感器的比較優(yōu)勢(shì)及使用較優(yōu)勢(shì)及使用 對(duì)于大電流輸出，只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單對(duì)于大電流輸出，只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單I/VI/V轉(zhuǎn)換即可變?yōu)榇笮呸D(zhuǎn)換即可變?yōu)榇笮盘?hào)電壓輸

8、出。號(hào)電壓輸出。對(duì)于大信號(hào)電壓可以經(jīng)對(duì)于大信號(hào)電壓可以經(jīng)A/DA/D轉(zhuǎn)換，也可以轉(zhuǎn)換，也可以經(jīng)經(jīng)V/FV/F轉(zhuǎn)換送入微機(jī)，但后者響應(yīng)速度較慢。轉(zhuǎn)換送入微機(jī)，但后者響應(yīng)速度較慢。 3 3、數(shù)字式輸出傳感器、數(shù)字式輸出傳感器1.1.構(gòu)成：構(gòu)成： 采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)R R、L L、C C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/FV/F轉(zhuǎn)換等。轉(zhuǎn)換等。2.2.特性：特性： 數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測(cè)量精數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。度高、抗

9、干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。 傳感器輸出如果滿(mǎn)足傳感器輸出如果滿(mǎn)足TTLTTL電平標(biāo)準(zhǔn)，就可以直接接入電平標(biāo)準(zhǔn)，就可以直接接入計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)的I/OI/O口或中斷入口。如果傳感器輸出不是口或中斷入口。如果傳感器輸出不是TTLTTL電平，電平，則須經(jīng)電平轉(zhuǎn)換或放大整形。則須經(jīng)電平轉(zhuǎn)換或放大整形。 頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出的傳感器還具有頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出的傳感器還具有信號(hào)調(diào)理較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。信號(hào)調(diào)理較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。3.3.用途：非快速測(cè)量時(shí)選用。用途：非快速測(cè)量時(shí)選用。頻率頻率 開(kāi)關(guān)輸出傳感器應(yīng)用圖開(kāi)關(guān)輸出傳感器應(yīng)用圖圖圖2-1-5 2-1-5 頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出傳感器的使用頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出傳感

10、器的使用 4 4、集成式傳感器、集成式傳感器1.1.構(gòu)成：構(gòu)成： 將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路做成一體。將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。2.2.特性：特性： 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。 5 5、光纖傳感器、光纖傳感器特性：特性： 其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過(guò)光導(dǎo)纖其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過(guò)光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。維實(shí)現(xiàn)的，避免了電

11、路系統(tǒng)的電磁干擾。 在信號(hào)輸入通道中采用光纖傳感器，可從在信號(hào)輸入通道中采用光纖傳感器，可從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳感器引入的干擾。根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳感器引入的干擾。1.向傳感器廠家定購(gòu)，價(jià)格高；2.實(shí)用設(shè)計(jì)方法：從傳感器定型產(chǎn)品中選一個(gè)作基礎(chǔ)件，在其前設(shè)計(jì)一種敏感器或在其后設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換器的方案進(jìn)行；特殊需要傳感器的解決方法2-1-32-1-3信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路1.1.功能功能：放大、濾波、調(diào)零、線性處理、溫度補(bǔ)償、放大、濾波、調(diào)零、線性處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理。相應(yīng)的電誤差修正、量程切換等統(tǒng)稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理。相應(yīng)的電路稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理電路。路稱(chēng)為信號(hào)調(diào)理電路。2.2

12、.信號(hào)調(diào)理重點(diǎn)：信號(hào)調(diào)理重點(diǎn)：小信號(hào)放大、信號(hào)濾波以及對(duì)小信號(hào)放大、信號(hào)濾波以及對(duì)頻率信號(hào)的放大整形。頻率信號(hào)的放大整形。3.3.特性：特性：部分工作可由軟件完成，簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。部分工作可由軟件完成，簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4.4.典型電路構(gòu)成：典型電路構(gòu)成：信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路前置放大器前置放大器u要不要將傳感器信號(hào)放大？即系統(tǒng)K0為什么必須1？u放大器為什么要前置？l 假設(shè)假設(shè)A/D系統(tǒng)為系統(tǒng)為8位，若滿(mǎn)量程轉(zhuǎn)換電壓為位，若滿(mǎn)量程轉(zhuǎn)換電壓為5V，則最，則最小量化電壓小量化電壓0.0196 V，8位全部使用位全部使用5V255；若輸；若輸入信號(hào)為入信號(hào)為0.1V，如果不進(jìn)行放大，因?yàn)樽钚×?/p>

13、化電壓，如果不進(jìn)行放大，因?yàn)樽钚×炕妷喝詾槿詾?.0196 V，直接進(jìn)入，直接進(jìn)入A/D系統(tǒng)，系統(tǒng)，0.1V101；只；只使用第三位，其它使用第三位，其它5位均閑置；如果我們將其放大位均閑置；如果我們將其放大50倍，使其以倍，使其以5V進(jìn)入進(jìn)入A/D，則對(duì)于實(shí)際信號(hào)而言最小分，則對(duì)于實(shí)際信號(hào)而言最小分辨電壓辨電壓0.00039V，大大提高了分辨能力，充分利用系，大大提高了分辨能力，充分利用系統(tǒng)資源。統(tǒng)資源。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路前置放大器前置放大器信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)（對(duì)信號(hào)的綜合放大系數(shù)為K1）信號(hào)采集系統(tǒng)傳感器輸出信號(hào)信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路前置放大器前置放大器l首先要理解的概念：等效輸入噪聲

14、等效輸入噪聲 電路在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端仍存在一定幅度的波動(dòng)電壓，這就是電路的輸出噪聲輸出噪聲。 等效輸入噪聲等效輸入噪聲： 把電路輸出端測(cè)得的噪聲有效值VON折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益K，得到的電平值稱(chēng)為該電路的等效輸入噪聲VIN 。KVINONV圖中K0為前置放大器的增益， VIN0為本身的等效輸入噪聲。 VIS為輸入信號(hào) ， 后級(jí)電路中，VON為噪聲有效值 ， K為電路的增益 ， VIN為等效輸入噪聲 。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路前置放大器前置放大器2200)()(KVKKVVININON2020)()(KVVVINININ假設(shè)無(wú)前置放大器時(shí)，輸入信號(hào)剛好被電路噪聲淹沒(méi)，即V

15、IS=VIN,，加入前置放大器后，為使輸入信號(hào)不被電路噪聲淹沒(méi)，即VIS VIN,必須VIN VIN ，即 解得2020)()(KVVVINININ20011VKVININ調(diào)理電路的等效輸入噪聲分別為：調(diào)理電路的等效輸入噪聲分別為：顯然當(dāng)顯然當(dāng)K K大于大于1 1時(shí)前者較小。所以時(shí)前者較小。所以將濾波器放在放大器的將濾波器放在放大器的后面后面是合理的。有利減少電路的等效輸入噪聲，提高是合理的。有利減少電路的等效輸入噪聲，提高接受弱信號(hào)能力接受弱信號(hào)能力信號(hào)調(diào)理電路前置放大器信號(hào)調(diào)理電路前置放大器l前置放大器的放大倍數(shù)大于1。l前置放大器要求是低噪聲的。l等效輸入噪聲必須比后級(jí)電路的等效輸入噪聲

16、要低。l減少電路的等效輸入噪聲實(shí)質(zhì)上就是提高了電路接收弱信號(hào)的能力。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路前置放大器前置放大器 小結(jié)小結(jié)前置放大器種類(lèi)：前置放大器種類(lèi)：1.1.儀器放大器：低漂移，輸入失調(diào)漂移儀器放大器：低漂移，輸入失調(diào)漂移25uV/C25uV/Co o；低失調(diào)電壓；非線形誤差??；低；低失調(diào)電壓；非線形誤差小；低噪聲；共模抑制比高；輸入阻抗高，如噪聲；共模抑制比高；輸入阻抗高，如AD620AD6202.2.隔離放大器：輸入、輸出和電源電路之間隔離放大器：輸入、輸出和電源電路之間沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有直接的電路耦合，即信號(hào)在傳輸過(guò)程中沒(méi)有公共的接地端。主要利用光、電容等隔沒(méi)

17、有公共的接地端。主要利用光、電容等隔離消除干擾；安全；保護(hù)系統(tǒng)，如離消除干擾；安全；保護(hù)系統(tǒng)，如ISO100ISO100系系列列3.3.可編程增益放大器：增益可調(diào)；量程范圍可編程增益放大器：增益可調(diào)；量程范圍大。大。練習(xí)練習(xí)2 21 1：例：例2 21 P111 P11頁(yè)頁(yè)信號(hào)調(diào)理電路前置放大器信號(hào)調(diào)理電路前置放大器1.濾波器種類(lèi)：高通濾波器；陷波濾波器；濾波器種類(lèi)：高通濾波器；陷波濾波器；去混淆濾波器去混淆濾波器2.各種濾波器作用：防止零點(diǎn)漂移；防止各種濾波器作用：防止零點(diǎn)漂移；防止工頻干擾；防止采集混疊現(xiàn)象。工頻干擾；防止采集混疊現(xiàn)象。3.采用去混淆濾波器的原因，及設(shè)計(jì)方法。采用去混淆濾波

18、器的原因，及設(shè)計(jì)方法。信號(hào)調(diào)理電路濾波器信號(hào)調(diào)理電路濾波器濾波器是具有選頻作用的濾波器是具有選頻作用的電路或運(yùn)算系統(tǒng)電路或運(yùn)算系統(tǒng)1.種類(lèi)：高通濾波器；陷波濾波器；去混淆濾種類(lèi)：高通濾波器；陷波濾波器；去混淆濾波器波器2.作用：防止零點(diǎn)漂移；防止工頻干擾；防止作用：防止零點(diǎn)漂移；防止工頻干擾；防止采集混疊現(xiàn)象。采集混疊現(xiàn)象。隔直電容隔直電容C C與電壓跟隨與電壓跟隨器輸入電阻器輸入電阻RiRi形成一形成一個(gè)個(gè)RCRC高通濾波器高通濾波器。陷波器陷波器是為抑制交流電干擾是為抑制交流電干擾而設(shè)置的，陷波頻率應(yīng)等于而設(shè)置的，陷波頻率應(yīng)等于交流電干擾的頻率。交流電干擾的頻率。圖2-1-9 高通濾波器

19、信號(hào)調(diào)理電路濾波器信號(hào)調(diào)理電路濾波器1 1、采用去混淆低通濾波器的原因采樣定理、采用去混淆低通濾波器的原因采樣定理連續(xù)信號(hào)連續(xù)信號(hào)f(t)f(t)被寬度為被寬度為 的脈沖信號(hào)所采集，采樣周的脈沖信號(hào)所采集，采樣周期為期為T(mén) T。這個(gè)過(guò)程可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：這個(gè)過(guò)程可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：nsnTtnTftf)()()(從頻譜角度分析采樣定理從頻譜角度分析采樣定理tfS(t)oTSo sFs1Tm s s ms tf(t)oo F1m m 一個(gè)頻帶有限的信號(hào)，頻譜范圍 的范圍，則f(t)可用等間隔的抽樣唯一的表示mm1.采樣信號(hào)必須為帶寬有限信號(hào)采樣信號(hào)必須為帶寬有限信號(hào)，即最高頻率為有限值

20、。2.如果信號(hào)最高頻率分量超過(guò) 就會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊，所以，采樣采樣頻率必須大于頻率必須大于2 2倍的信號(hào)最高頻倍的信號(hào)最高頻率率 。（奈奎斯特定理，香農(nóng)定理）/22采樣定理采樣定理結(jié)論：2 2、去混疊濾波相關(guān)概念、去混疊濾波相關(guān)概念l當(dāng)被采樣信號(hào)頻譜中含有高于fs2（又稱(chēng)為折疊頻率）的頻率分量時(shí)，通過(guò)低通濾波器恢復(fù)的時(shí)域信號(hào)多出一個(gè)誤差項(xiàng)，該誤差項(xiàng)被稱(chēng)為折疊失真折疊失真。l折疊失真的結(jié)果是高于 fs2 的頻率分量變?yōu)轭l率低于fs2的頻率分量，二者幅度相同，并以fs2為軸對(duì)稱(chēng)分布，該現(xiàn)象稱(chēng)為頻率混淆或假頻干擾頻率混淆或假頻干擾。l由于被采樣頻譜中高于fs2的頻率分量采樣后會(huì)出現(xiàn)在低于fs2的信號(hào)頻

21、段上，這樣就無(wú)法用頻率濾波的方法將它們與信號(hào)分離。為消除頻率混淆或假頻干擾，就只有在采樣之前先用一個(gè)截頻在采樣之前先用一個(gè)截頻fhfhfsfs2 2的低通濾波的低通濾波器把高于器把高于fsfs2 2的頻率分量濾掉的頻率分量濾掉，以保證采樣時(shí)被采樣的頻譜只包含低于fs2的頻率分量，即滿(mǎn)足采樣定理。l在采樣開(kāi)關(guān)之前設(shè)置的這種用途的低通濾波器常稱(chēng)做去混淆濾波器或去假頻濾波器。同時(shí)它也可以濾除高頻干擾信號(hào)。l如果被采樣頻譜中不包含高于 的頻率分量，或者雖然有但也很微弱，那就不必增加去混淆濾波這道環(huán)節(jié)。l去混淆濾波器的任務(wù)是濾掉被采樣頻譜中高于 的頻率分量，如果去混淆濾波器是一個(gè)陡度為無(wú)限大即矩形幅頻特

22、性的低通濾波器的話，那么去混淆濾波器截止頻率fh=fs2就可以了。2 2、設(shè)計(jì)去混疊濾波、設(shè)計(jì)去混疊濾波2.設(shè)計(jì)去混淆濾波器設(shè)計(jì)去混淆濾波器l教材教材P15l記住四個(gè)公式記住四個(gè)公式 2117 2118 2124 2116l理解兩個(gè)公式理解兩個(gè)公式 2123 21272-1-272-1-4 2-1-4 采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇采集電采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇采集電 路的組成方案路的組成方案 圖2-1-13 集中式采集電路的基本組成采集電路是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化的電路，采集電路是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)數(shù)字化的電路，A/DA/D轉(zhuǎn)換器是采集轉(zhuǎn)換器是采集電路的核心。一般電路的核心。一般A/DA/D前都設(shè)置模擬多路

23、切換器前都設(shè)置模擬多路切換器MUXMUX，以便，以便從多路模擬信號(hào)中選一路進(jìn)行從多路模擬信號(hào)中選一路進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換。若模擬信號(hào)為恒定轉(zhuǎn)換。若模擬信號(hào)為恒定或變化緩慢的信號(hào)，則可直接進(jìn)行或變化緩慢的信號(hào)，則可直接進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換，如圖轉(zhuǎn)換，如圖2113(a)2113(a)所示。所示。如果被測(cè)模擬信號(hào)為動(dòng)態(tài)信號(hào)，必須在如果被測(cè)模擬信號(hào)為動(dòng)態(tài)信號(hào)，必須在MUXMUX與與A/DA/D之間設(shè)置之間設(shè)置采樣保持器采樣保持器S/HS/H，如圖，如圖2113(b)2113(b)所示。所示。S/HS/H在在MUXMUX的閉合期間的閉合期間采樣，采樣，A/DA/D在在S/HS/H保持期間進(jìn)行保持期間進(jìn)行

24、A/DA/D轉(zhuǎn)換。如果各路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換。如果各路模擬信號(hào)幅度互不相同或者模擬信號(hào)幅度隨時(shí)間變化很大，必須在幅度互不相同或者模擬信號(hào)幅度隨時(shí)間變化很大，必須在S/HS/H與與MUXMUX之間設(shè)置程控增益放大器之間設(shè)置程控增益放大器PGAPGA或瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器或瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器IFPIFP作為主放大器，如圖作為主放大器，如圖2113(c)2113(c)所示。所示。2-1-4 2-1-4 采樣電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇采樣電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 l主放大器（包括程控增益放大器和主放大器（包括程控增益放大器和瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器）的設(shè)置瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器）的設(shè)置l采樣保持器的選擇采樣保持器的選擇lA/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇

25、轉(zhuǎn)換器的選擇轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度l采集電路的工作時(shí)序采集電路的工作時(shí)序l多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題一、一、 主放大器的設(shè)計(jì)主放大器的設(shè)計(jì)l 主放大器設(shè)計(jì)目的：主放大器設(shè)計(jì)目的：實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換?？赏赏ㄟ^(guò)控制來(lái)改變放大器的增益，對(duì)幅值小的信號(hào)采過(guò)控制來(lái)改變放大器的增益，對(duì)幅值小的信號(hào)采用大增益，對(duì)幅值大的信號(hào)改用小增益，使進(jìn)入用大增益，對(duì)幅值大的信號(hào)改用小增益，使進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)滿(mǎn)量程達(dá)到均一化。轉(zhuǎn)換器的信號(hào)滿(mǎn)量程達(dá)到均一化。l A/D采樣電路的量化相對(duì)誤差為采樣電路的量化相對(duì)誤差為:l 其中其中Vij是是i通道第通道第j次的采樣電壓次

26、的采樣電壓,q是最小量化單位，是最小量化單位，也是絕對(duì)誤差也是絕對(duì)誤差.可見(jiàn)可見(jiàn),輸入電壓越大輸入電壓越大,相對(duì)誤差也就相對(duì)誤差也就越小越小,所以所以,通常在通常在A/D前面放一個(gè)放大倍數(shù)為前面放一個(gè)放大倍數(shù)為K的的主放大器主放大器,以提高以提高A/D的相對(duì)轉(zhuǎn)換精度，的相對(duì)轉(zhuǎn)換精度， 為轉(zhuǎn)換精為轉(zhuǎn)換精度度. 使得使得:0jivKq0一、主放大器的設(shè)計(jì)一、主放大器的設(shè)計(jì)對(duì)主放大器的對(duì)主放大器的K的要求的要求:最后可以推出最后可以推出: （2-1-50）其中其中:E是滿(mǎn)度輸入電壓是滿(mǎn)度輸入電壓,q=E/DFS,DFS,是滿(mǎn)度輸入電壓對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)度輸出數(shù)字是滿(mǎn)度輸入電壓對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)度輸出數(shù)字.0jijiVE

27、KVq0一、一、主放大器的設(shè)計(jì)主放大器的設(shè)計(jì)lVij不隨j變化，但隨i變化很大，應(yīng)在采集電路中設(shè)置 程控增益放大器作為主放大器。l若被測(cè)量的多路模擬信號(hào)是隨時(shí)間變化的信號(hào)，而且同 一時(shí)刻各路信號(hào)的幅度也不一樣。即，Vij既隨i變化，也隨j變化，應(yīng)在采集電路中設(shè)置瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器作為主放大器由于該放大器的增益Kij是隨采樣幅值Vij而變化調(diào)整的，故稱(chēng)浮點(diǎn)放大器，因?yàn)榉糯笃髟鲆嬲{(diào)整必須在采樣電壓Vij存在的那一瞬間完成，所以又稱(chēng)為瞬時(shí)浮點(diǎn)放大器。l采樣前根據(jù)式（2150）選擇最佳增益Kl問(wèn)題：?jiǎn)栴}：模擬信號(hào)進(jìn)行模擬信號(hào)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的

28、轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)輸入信號(hào)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。l解決方法：解決方法：采用一種器件，在采用一種器件，在AD轉(zhuǎn)換時(shí)保持住輸轉(zhuǎn)換時(shí)保持住輸入信號(hào)電平，在入信號(hào)電平，在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號(hào)的變化。轉(zhuǎn)換結(jié)束后跟蹤輸入信號(hào)的變化。這種功能的器件就是采樣保持器。這種功能的器件就是采樣保持器。二、采樣保持器二、采樣保持器l采樣保持器工作原理采樣保持器工作原理l主要參數(shù)主要參數(shù)l選擇采樣保持器的原因選擇采樣保持器的原因采樣采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖保持器的一般結(jié)構(gòu)形式如圖5.1所示所示。 模擬信號(hào)模擬信號(hào)UiK驅(qū)動(dòng)

29、信號(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)ACH模擬地模擬地UO圖圖5.1 采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式采樣保持器的一般結(jié)構(gòu)形式組成組成 模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)K電容電容CH緩沖放大器緩沖放大器A在在t1時(shí)刻前時(shí)刻前，控制電路的驅(qū)控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，模擬開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)關(guān)K 閉合，模擬輸入信號(hào)閉合，模擬輸入信號(hào)Ui 通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)加到電容通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)加到電容CH 上，使得上，使得CH端電壓端電壓UC 跟隨跟隨Ui 變化而變化。變化而變化。在在t1時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，模擬開(kāi)關(guān)平，模擬開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)斷開(kāi)，此時(shí)此時(shí)電容電容CH 上的電壓上的電壓UC 保持保持模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間的模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間的Ui

30、值值不變并等待不變并等待AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換換。工作原理如下：工作原理如下： t控控制制信信號(hào)號(hào)t模模擬擬輸輸入入At采采樣樣輸輸出出跟蹤跟蹤t1A2t2A1t3保持保持A3t4A圖圖5.2 采樣保持器工作原理采樣保持器工作原理而在而在t2時(shí)刻，保持結(jié)束，時(shí)刻，保持結(jié)束，新一個(gè)跟蹤時(shí)刻到新一個(gè)跟蹤時(shí)刻到 來(lái)，來(lái)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)又為高電此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)又為高電平，模擬開(kāi)關(guān)平，模擬開(kāi)關(guān)K 重新閉重新閉合，合， CH 端電壓端電壓UC 又跟又跟隨隨Ui 變化而變變化而變 化；化；t3時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)電平時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)K斷斷開(kāi)開(kāi)，.。 從以上討論可知：從以上討論可知： 采

31、樣采樣保持器是一種用保持器是一種用邏輯電平邏輯電平控制控制其工作狀態(tài)的器件。其工作狀態(tài)的器件。 它具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：它具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：跟蹤狀態(tài)跟蹤狀態(tài) 在此期間它盡可能快地接收模擬輸入在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號(hào)，并精確地跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化，信號(hào)，并精確地跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化，一直到接到保持指令為止。一直到接到保持指令為止。保持狀態(tài)保持狀態(tài) 對(duì)接收到保持指令前一瞬間的模擬對(duì)接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行保持。輸入信號(hào)進(jìn)行保持。采樣保持器主要起以下兩種作用：采樣保持器主要起以下兩種作用：“穩(wěn)定穩(wěn)定” ” 快速變化的輸入信號(hào)，以減少快速變化的輸入信號(hào)，以減少轉(zhuǎn)

32、換誤差。轉(zhuǎn)換誤差。 用來(lái)儲(chǔ)存模擬多路開(kāi)關(guān)輸出的模擬信用來(lái)儲(chǔ)存模擬多路開(kāi)關(guān)輸出的模擬信號(hào)，以便模擬多路開(kāi)關(guān)切換下一個(gè)模號(hào)，以便模擬多路開(kāi)關(guān)切換下一個(gè)模擬信號(hào)。擬信號(hào)。二、采樣保持器的主要參數(shù)二、采樣保持器的主要參數(shù)1 1、主要參數(shù)、主要參數(shù)l 捕捉時(shí)間捕捉時(shí)間 t tACAC指當(dāng)采樣保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時(shí)，采樣保持器的輸出從保持狀態(tài)的值變到當(dāng)前的輸入值所需的時(shí)間。反映了A/D的采集速度。包括了開(kāi)關(guān)的延遲和建立跟蹤輸入信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間.l 孔徑時(shí)間孔徑時(shí)間 t tAPAP 保持指令給出瞬間到模擬開(kāi)關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時(shí)間。 l 建立時(shí)間建立時(shí)間 t ts s 保持命令開(kāi)始到保持終值（在確定的精度

33、范圍內(nèi)）所需的時(shí)間。l 輸出電壓的跌落速度輸出電壓的跌落速度:當(dāng)采樣保持器處在保持狀態(tài)時(shí)，由于漏電流使保持電壓值下降，下降值隨保持時(shí)間增大而增加，常用保持電壓的下降率來(lái)表示：ID為流過(guò)保持電容CH的所有漏電流代數(shù)和。0圖圖2-1-14 采樣采樣/保持器的主要性能參數(shù)保持器的主要性能參數(shù) 二、采樣保持器的主要參數(shù)二、采樣保持器的主要參數(shù) 首先討論不用采樣保持器，而直接首先討論不用采樣保持器，而直接用用AD轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的情況。轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的情況。設(shè)模擬信號(hào)如圖設(shè)模擬信號(hào)如圖5.8所示。所示。Ui= UmsinttUm2tUU 對(duì)正弦信對(duì)正弦信號(hào)采樣，在號(hào)采樣，在t內(nèi)，模擬信

34、號(hào)內(nèi)，模擬信號(hào)電壓的最大變電壓的最大變化率發(fā)生在正化率發(fā)生在正弦信號(hào)過(guò)零時(shí)，弦信號(hào)過(guò)零時(shí)，在過(guò)零處tUtUcosddmmaxi 由于在正弦信號(hào)過(guò)零時(shí)由于在正弦信號(hào)過(guò)零時(shí)，t = n，|cos(n)| =1，所以所以mmmaxi2ddUfUtU則則 而在而在AD轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間tC內(nèi)內(nèi)，輸入的正弦信號(hào)電輸入的正弦信號(hào)電壓最大變化率為壓最大變化率為)2()2dd(maxiCimcUmqtfUmtUtU得到：C1max21tfm可看出，系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率受可看出，系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率受AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制位數(shù)和轉(zhuǎn)換時(shí)間的限制。 如果在AD轉(zhuǎn)換器的前面加一個(gè)采樣保持器，這

35、樣問(wèn)題就變成在孔徑時(shí)間孔徑時(shí)間內(nèi)輸入電壓的最大變化值小于最大絕對(duì)誤差，即在t= tAP內(nèi)討論系統(tǒng)可采集模擬信號(hào)的最高頻率。 仍考慮對(duì)正弦信號(hào)采樣，則系統(tǒng)可采集的信號(hào)最高頻率為 ULSB 1)Hz(21APmaxtfnULSB12)Hz(21AP1maxtfn因?yàn)橐驗(yàn)閠AP一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間tC，所以，有，所以，有采樣保持器的系統(tǒng)可采集的信號(hào)最高頻率要大于未加采樣采樣保持器的系統(tǒng)可采集的信號(hào)最高頻率要大于未加采樣保持器的系統(tǒng)。保持器的系統(tǒng)。1. 采樣采樣保持器的類(lèi)型保持器的類(lèi)型 按結(jié)構(gòu)分為兩種類(lèi)型：按結(jié)構(gòu)分為兩種類(lèi)型： 串聯(lián)型串聯(lián)型串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)

36、。串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)。 A1和和A2分別是輸入和輸出緩沖放大器，用分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣保持器的輸入阻抗，減小輸出阻以提高采樣保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號(hào)源和負(fù)載連接?？?，以便與信號(hào)源和負(fù)載連接。 K是模擬開(kāi)關(guān)，由控制信號(hào)電壓是模擬開(kāi)關(guān)，由控制信號(hào)電壓UK控制其控制其斷開(kāi)或閉合斷開(kāi)或閉合。CH是保持電容器是保持電容器。 Ui -+A1KUK -+A2CH模擬地模擬地UO圖圖5.3 串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)串聯(lián)型采樣保持器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 其失調(diào)電壓為兩個(gè)運(yùn)放失調(diào)電壓之和，其失調(diào)電壓為兩個(gè)運(yùn)放失調(diào)電壓之和，比較大，影響到采樣保持器的精度。比較大，影

37、響到采樣保持器的精度。跟蹤速度也較低。跟蹤速度也較低。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 反饋型反饋型 反饋型采樣反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)如下圖所示保持器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。 反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)反饋型采樣保持器的結(jié)構(gòu)Ui -+A1- +eOS1 -+A2CH模擬地模擬地- +eOS2K1UKUCUORK2優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 采樣采樣/保持精度高，原因是只有保持精度高，原因是只有eOS1影影 響精度響精度。 跟蹤速度快跟蹤速度快缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜。結(jié)構(gòu)復(fù)雜。三、三、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇轉(zhuǎn)換器的選擇 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定轉(zhuǎn)換器位數(shù)的確定若已知待測(cè)模擬輸入的電壓最大、最若已知待測(cè)模擬輸入的電壓最大、最小值，則采用小值，

38、則采用動(dòng)態(tài)范圍法動(dòng)態(tài)范圍法。若已知系統(tǒng)精度指標(biāo)，則采用若已知系統(tǒng)精度指標(biāo)，則采用精度指精度指標(biāo)法。標(biāo)法。轉(zhuǎn)換器速度的確定轉(zhuǎn)換器速度的確定環(huán)境條件環(huán)境條件輸出狀態(tài)輸出狀態(tài)動(dòng)態(tài)范圍法動(dòng)態(tài)范圍法 設(shè)待測(cè)模擬輸入的電壓最大、最小設(shè)待測(cè)模擬輸入的電壓最大、最小值分別是值分別是 ，KgKg為為A/DA/D前置放大器的增益，前置放大器的增益，M M位位A/DA/D滿(mǎn)量程滿(mǎn)量程為為E E，最小量化電平為，最小量化電平為q,q,則則A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器應(yīng)滿(mǎn)足如下兩個(gè)方程：器應(yīng)滿(mǎn)足如下兩個(gè)方程：min,max,IIVVmgIEqkV2min,動(dòng)態(tài)范圍法動(dòng)態(tài)范圍法所以有：所以有：動(dòng)態(tài)范圍（量程范圍上下限之比的分貝

39、數(shù)）常動(dòng)態(tài)范圍（量程范圍上下限之比的分貝數(shù)）常用如下表示：用如下表示：若知道若知道L LI I則可以確定位數(shù)：則可以確定位數(shù)： mIIVV2min,max,min,max,lg20IViViL 61Lm 系統(tǒng)精度法系統(tǒng)精度法原則：原則：系統(tǒng)各部分精度應(yīng)為優(yōu)于系統(tǒng)總精度指系統(tǒng)各部分精度應(yīng)為優(yōu)于系統(tǒng)總精度指標(biāo)標(biāo)1010倍左右。倍左右。 所以因?yàn)樗砸驗(yàn)锳/DA/D轉(zhuǎn)換的量化誤差為轉(zhuǎn)換的量化誤差為 即滿(mǎn)量程的即滿(mǎn)量程的 因此可根據(jù)精度指標(biāo)估算因此可根據(jù)精度指標(biāo)估算A/DA/D的位數(shù)的位數(shù)211211210A/DA/D的轉(zhuǎn)換速度的確定的轉(zhuǎn)換速度的確定l A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間包括轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間包括轉(zhuǎn)換

40、時(shí)間t tc c和休止時(shí)和休止時(shí)間間t t0 0l 積分型、逐次比較型、雙極并行型積分型、逐次比較型、雙極并行型A/DA/D轉(zhuǎn)換速度依次提高。轉(zhuǎn)換速度依次提高。l 若待轉(zhuǎn)換信號(hào)最高頻率為若待轉(zhuǎn)換信號(hào)最高頻率為fmax,fmax,在一在一個(gè)采樣周期內(nèi)個(gè)采樣周期內(nèi)TsTs，N N個(gè)通道依次被采個(gè)通道依次被采樣，則每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換周期為樣，則每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換周期為 1/選擇選擇A/DA/D轉(zhuǎn)換器的注意要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的注意要點(diǎn)對(duì)于高速信號(hào)，提高轉(zhuǎn)換速度的措施：對(duì)于高速信號(hào)，提高轉(zhuǎn)換速度的措施：減少通道數(shù)，最好用分散采集方式減少通道數(shù)，最好用分散采集方式N=1;N=1;減少截頻系數(shù)減少截頻系數(shù)C,C,增大去混淆

41、低通濾波器陡度；增大去混淆低通濾波器陡度；選用轉(zhuǎn)換時(shí)間短的選用轉(zhuǎn)換時(shí)間短的A/DA/D芯片芯片將由將由CPUCPU讀取數(shù)據(jù)該為直接讀取存儲(chǔ)器的技術(shù)讀取數(shù)據(jù)該為直接讀取存儲(chǔ)器的技術(shù)（DMADMA），以縮短休止時(shí)間），以縮短休止時(shí)間t t0 03 3、根據(jù)環(huán)境選擇、根據(jù)環(huán)境選擇A/DA/D：溫度、功耗、可靠性等；：溫度、功耗、可靠性等；4 4、選擇、選擇A/DA/D轉(zhuǎn)換的輸出狀態(tài)：轉(zhuǎn)換的輸出狀態(tài)：并行、串行輸出，二進(jìn)制、并行、串行輸出，二進(jìn)制、BCDBCD碼輸出，時(shí)鐘等碼輸出，時(shí)鐘等四、采集電路時(shí)序和最高頻率四、采集電路時(shí)序和最高頻率圖2-1-15 分時(shí)采集多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集電路時(shí)序和最高頻率采

42、集電路時(shí)序和最高頻率單通道工作周期為捕捉時(shí)間、采樣時(shí)間單通道工作周期為捕捉時(shí)間、采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間之和和轉(zhuǎn)換時(shí)間之和, ,即即: :多路采集時(shí)的工作周期為多路采集時(shí)的工作周期為:N:N為輸入通道為輸入通道數(shù)數(shù)所能允許的模擬信號(hào)最高頻率為所能允許的模擬信號(hào)最高頻率為: :)()(11maxcsACstttCNCTf五、五、 多路通道串音問(wèn)題多路通道串音問(wèn)題原因:模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷電阻不是無(wú)窮大,對(duì)正在接通的采集電路構(gòu)成干擾.這就是串音干擾.消除措施： 1 減少信號(hào)源內(nèi)阻,可采用電壓跟隨器. 2 選用開(kāi)路電阻大,接通電阻小的開(kāi)關(guān)管. 3 減少輸出端并聯(lián)開(kāi)關(guān)數(shù). 4 選用寄生電容小的多路開(kāi)關(guān).2-1-5

43、 模擬輸入通道的誤差分配和綜合模擬輸入通道的誤差分配和綜合l 設(shè)計(jì)時(shí)要已知:精度要求;溫度條件;通道數(shù);信號(hào)特征.l 在確定了通道結(jié)構(gòu)后,根據(jù)總精度要求分配各環(huán)節(jié)的精度要求.l 一般傳感器和信號(hào)放大電路的誤差比例最大.l 元件選擇的要求其精度是系統(tǒng)精度的10倍.l 例子見(jiàn)P23 (自學(xué))2-2 模擬輸出通道模擬輸出通道l模擬輸出通道的基本理論D/A轉(zhuǎn)換原理零階保持平滑濾波保持周期的確定l模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分配同時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)l模擬輸出通道組成電路D/A轉(zhuǎn)換器（位數(shù)的確定）反多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器調(diào)理電路2-2-3模擬輸出通道模擬輸出通道2-2-3模擬輸

44、出通道模擬輸出通道lD/A轉(zhuǎn)換器的主要組成基準(zhǔn)電壓VREF電阻網(wǎng)絡(luò)位切換開(kāi)關(guān)BSi （i=0，1，n-1）運(yùn)算放大器Al 輸出電壓VOUT與輸入二進(jìn)制數(shù)D0 Dn-1的關(guān)系 iniiREFfniiREFfoDRVRRVRV10102I0 D0 2n-1RI1 D1 2n-2RI2 D2 2n-3RIn-1 Dn-1 2RRfVrefV0_ A+ 權(quán)電阻權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理基本工作原理權(quán)電阻式基本工作原理權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2T型電阻網(wǎng)絡(luò)式型電阻網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3D0 D1 D2 D3I0 I1 I2 I32R 2R 2R 2R2R

45、 R R R(0 1 2 3RfV0_+AVref圖圖11-4 T型電阻網(wǎng)絡(luò)式型電阻網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2-2 2-2 模擬輸出通道模擬輸出通道一 、零階保持和平滑濾波 D/A是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出的過(guò)程,有兩種基本轉(zhuǎn)換方式,一階保持一階保持和零階保零階保持持.零階保持更容易用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)零階保持器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保持方式數(shù)據(jù)保持方式 模擬保持方式模擬保持方式圖2-2-2 零階保持器的兩種形式零階保持器的階梯輸出波形零階保持器的階梯輸出波形圖2-2-3 零階保持器的輸出波形模擬輸出通道的基本理論模擬輸出通道的基本理論 零階保持器的單位沖激響應(yīng)和頻率響應(yīng)零階保持器的單位沖激響應(yīng)和頻

46、率響應(yīng)為為:零階保持器是一個(gè)零階保持器是一個(gè)sinx/xsinx/x型的濾波器型的濾波器l 零階保持器輸入零階保持器輸入fs(t)為為l 輸出輸出f1(t)頻域表達(dá)式為頻域表達(dá)式為 nsssnTtnTftf)()()()()()(1HFFs)(1)(sssnFTF模擬輸出通道的基本理論模擬輸出通道的基本理論可以通過(guò)推導(dǎo)得可以通過(guò)推導(dǎo)得:其中其中: 稱(chēng)為基帶頻譜稱(chēng)為基帶頻譜 稱(chēng)為調(diào)制頻譜稱(chēng)為調(diào)制頻譜 )(模擬輸出通道的基本理論模擬輸出通道的基本理論由下圖可知由下圖可知,保持器的頻譜響應(yīng)具有保持器的頻譜響應(yīng)具有突出基帶突出基帶作用作用, 而且而且完全阻止完全阻止了了fs1/ Ts及其諧波的通過(guò)，可

47、以及其諧波的通過(guò)，可以部分阻止部分阻止調(diào)制分量通過(guò)調(diào)制分量通過(guò),但大但大部分部分F(w)/Ts的頻率分量仍能通過(guò)，如果只保留基帶頻譜，則回的頻率分量仍能通過(guò)，如果只保留基帶頻譜，則回復(fù)后的波形就等于輸入波形復(fù)后的波形就等于輸入波形f(t), 于是引入一低通濾波器，它可以于是引入一低通濾波器，它可以將基頻保留將基頻保留,濾除調(diào)制頻率，具有這種功能的低通濾波器稱(chēng)為平濾除調(diào)制頻率，具有這種功能的低通濾波器稱(chēng)為平滑濾波器?；瑸V波器。 01)1(圖2-2-5零階保持器和平滑 濾波器的作用二二 保持周期的確定保持周期的確定 若模擬輸出通道有若模擬輸出通道有m路輸出路輸出,計(jì)算機(jī)每隔計(jì)算機(jī)每隔t0輸輸出一個(gè)

48、數(shù)據(jù)則零階保持器的保持周期為出一個(gè)數(shù)據(jù)則零階保持器的保持周期為: Th=m t0 當(dāng)保持周期當(dāng)保持周期Th與采樣周期與采樣周期Ts相等時(shí)相等時(shí),則恢則恢復(fù)信號(hào)與輸入信號(hào)波形相同復(fù)信號(hào)與輸入信號(hào)波形相同,若輸出周期與若輸出周期與采樣周期保持一個(gè)比例關(guān)系采樣周期保持一個(gè)比例關(guān)系,則恢復(fù)信號(hào)與則恢復(fù)信號(hào)與輸入信號(hào)波形相似，但實(shí)際物理信號(hào)會(huì)有輸入信號(hào)波形相似，但實(shí)際物理信號(hào)會(huì)有音調(diào)的高低變化音調(diào)的高低變化2-2-2 模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu) 組成：數(shù)據(jù)寄存器、組成：數(shù)據(jù)寄存器、 D/A轉(zhuǎn)換器、調(diào)理轉(zhuǎn)換器、調(diào)理 電路。電路。 分類(lèi)：可分為多通道和單通道，單通道圖分類(lèi)：可分為多通道和單

49、通道，單通道圖 如下如下:圖2-2-6 模擬輸出通道的基本組成多通道輸出結(jié)構(gòu)主要有以下三種：一、數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)一、數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)l 特點(diǎn)：特點(diǎn)：每個(gè)通道有一個(gè)每個(gè)通道有一個(gè)D/AD/A，數(shù)據(jù)被分時(shí)地選通到各，數(shù)據(jù)被分時(shí)地選通到各通道的數(shù)據(jù)寄存器。通道之間有時(shí)間差異，不適合于通道的數(shù)據(jù)寄存器。通道之間有時(shí)間差異，不適合于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。圖2-2-7 數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)二、數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)二、數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)l 特點(diǎn)：各通道特點(diǎn)：各通道D/A的操作同步進(jìn)行。的操作同步進(jìn)行。l 工作原理：如圖，多了個(gè)工作原理：如圖，多了個(gè)R2

50、寄存器，寄存器，圖2-2-8 數(shù)據(jù)分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)三、模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)三、模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)l 特點(diǎn)：各通道共用一個(gè)特點(diǎn)：各通道共用一個(gè)D/AD/A和一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，和一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)分時(shí)依次送入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)分時(shí)依次送入通道進(jìn)行D/AD/A轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：圖2-2-9 分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu)模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模擬分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)l采用模擬多路切換器的采用模擬多路切換器的D/A圖2-2-9 分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu) 四、比較和選擇四、比較和選擇l模擬分配方案：輸出穩(wěn)定性差，輸出無(wú)跳變，電路不復(fù)雜。l數(shù)字分配方案：輸出穩(wěn)定性好，輸出有跳變（即臺(tái)階），電路復(fù)雜。2-2-3模擬輸出通道組

51、成電路的選用模擬輸出通道組成電路的選用一、一、D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1、位數(shù)的確定、位數(shù)的確定 位數(shù)決定模擬信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍，主要考慮位數(shù)決定模擬信號(hào)輸出的動(dòng)態(tài)范圍，主要考慮使用目的使用目的：再現(xiàn)目的時(shí)與輸入通道的：再現(xiàn)目的時(shí)與輸入通道的A/D匹配；匹配；用于監(jiān)視目的時(shí)用于監(jiān)視目的時(shí)5-7位位D/A就可以；考慮精度要求時(shí)：就可以；考慮精度要求時(shí)：若若執(zhí)行元件的分辨率執(zhí)行元件的分辨率為：為：VTH，所需要的控制信，所需要的控制信號(hào)的最大值擺幅為號(hào)的最大值擺幅為Vmax，則位數(shù)可由下式?jīng)Q定：，則位數(shù)可由下式?jīng)Q定：n 2THnVVmax2 二、反多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器二、反多路開(kāi)關(guān)和采樣保持器l D/A

52、反多路開(kāi)關(guān)這部分是相對(duì)A/D中的多路模擬開(kāi)關(guān)而言的。l A/D中的多路模擬開(kāi)關(guān)是奪路輸出端并在一起，功能是把多路并行輸入的連續(xù)信號(hào)變?yōu)閱温反休敵龅碾x散脈沖信號(hào)；l D/A反多路開(kāi)關(guān)是把多個(gè)開(kāi)關(guān)輸入端并在一起，功能把單路串行輸出信號(hào)按道分開(kāi)并行多路輸出l A/D中模擬信號(hào)數(shù)字化是采樣、量化編碼（A/D）l D/A數(shù)字信號(hào)模擬輸出則是D/A 、保持（只對(duì)模擬保持方式）。三、調(diào)理電路三、調(diào)理電路輸出通路中的調(diào)理電路有濾波、電壓輸出通路中的調(diào)理電路有濾波、電壓/ /電流轉(zhuǎn)換和放大等幾電流轉(zhuǎn)換和放大等幾種形式。種形式。1 1、濾波器：濾波器：平滑濾波器可以采用截頻為平滑濾波器可以采用截頻為 的低通濾波

53、器。的低通濾波器。2 2、V/IV/I轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換和F/VF/V轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電流有利于長(zhǎng)距離傳輸，電流有利于長(zhǎng)距離傳輸，大多數(shù)大多數(shù)D/AD/A電路的輸出為電壓信號(hào)，電路的輸出為電壓信號(hào)，通常設(shè)置了電壓通常設(shè)置了電壓/ /電流電流(V/I)(V/I)轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。成電流信號(hào)。頻率量頻率量輸入通道和頻率量輸出通道：輸入通道和頻率量輸出通道：占用總線數(shù)量少，易占用總線數(shù)量少，易于遠(yuǎn)距離傳送，抗干擾能力強(qiáng)于遠(yuǎn)距離傳送，抗干擾能力強(qiáng)。常用。常用V/FV/F轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換器、 F/VF/V轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路。3、線性功率放大器線性功率放大器l 直流伺服控制中經(jīng)常要用

54、到線性功率放大器，在用于開(kāi)直流伺服控制中經(jīng)常要用到線性功率放大器，在用于開(kāi)關(guān)量控制的輸出通道中大量使用開(kāi)關(guān)型功率放大器。關(guān)量控制的輸出通道中大量使用開(kāi)關(guān)型功率放大器。l 線性功率放大器通常由分立元件或集成功率運(yùn)放構(gòu)成。線性功率放大器通常由分立元件或集成功率運(yùn)放構(gòu)成。在輸出通道的直流伺服控制系統(tǒng)中，采用集成功率運(yùn)算在輸出通道的直流伺服控制系統(tǒng)中，采用集成功率運(yùn)算放大器可大大簡(jiǎn)化電路，并提高系統(tǒng)的可靠性。放大器可大大簡(jiǎn)化電路，并提高系統(tǒng)的可靠性。2-3 開(kāi)關(guān)量輸入開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道輸出通道l 在微機(jī)控制系統(tǒng)中，除了要處理模擬量信號(hào)以外，還要處理另一類(lèi)數(shù)字信號(hào)，包括開(kāi)關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)。凡在凡在電路

55、中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點(diǎn)、開(kāi)關(guān)，其端電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點(diǎn)、開(kāi)關(guān)，其端子引出均統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)關(guān)信號(hào)。子引出均統(tǒng)稱(chēng)為開(kāi)關(guān)信號(hào)。l 信號(hào)與應(yīng)用： 輸入通道采集開(kāi)關(guān)量信息（包括脈沖信號(hào)）：按按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、鈕、選擇開(kāi)關(guān)、數(shù)字撥碼開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)光電開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn) ； 輸出通道指示燈；控制啟停開(kāi)關(guān)。接觸器線圈、接觸器線圈、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備等輸出設(shè)備。l 常用器件：按鍵；繼電器；無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。2-3-1 開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸入通道一、開(kāi)關(guān)

56、量輸入通道結(jié)構(gòu)其組成如圖所示：由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路和輸入地址譯碼電路等組成。圖2-3-1 開(kāi)關(guān)量輸入通道結(jié)構(gòu)2-3-1 開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸入通道數(shù)字量輸入通道（ DI 通道）的任務(wù)-是把生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)易于接受的形式。信號(hào)調(diào)理電路-雖然都是數(shù)字信號(hào)，不需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但對(duì)通道中可能引入的各種干擾必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，即在外部信號(hào)與主機(jī)之間要設(shè)置輸入信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理：信號(hào)調(diào)理：開(kāi)關(guān)量輸入通道主要功能就是接收外部裝置或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)信號(hào)，這些信號(hào)形式為電壓、電流和開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)，因此容易形成瞬時(shí)高壓、過(guò)電壓、瞬時(shí)高壓、過(guò)電壓、接觸抖動(dòng)等接觸抖

57、動(dòng)等現(xiàn)象，在開(kāi)關(guān)輸入電路中，主要是考慮信號(hào)調(diào)理技術(shù)，如電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換，RCRC濾波，過(guò)電壓保護(hù)，反濾波，過(guò)電壓保護(hù)，反電壓保護(hù)，光電隔離電壓保護(hù)，光電隔離等。 （1）電平轉(zhuǎn)換是用電阻分壓法把現(xiàn)場(chǎng)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。 （2）RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾。 （3）過(guò)電壓保護(hù)是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過(guò)電壓保護(hù)；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。 （4）反電壓保護(hù)是串聯(lián)一個(gè)二極管防止反極性電壓輸入。 （5）光電隔離用光耦隔離器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部的完全電隔離。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路l1、小功率輸入的調(diào)理電路，主要是去、小功率輸入的調(diào)理電路，主要是去抖動(dòng)調(diào)理。抖動(dòng)調(diào)理。l2、

58、大功率輸入的調(diào)理電路，主要是調(diào)、大功率輸入的調(diào)理電路，主要是調(diào)理瞬時(shí)高壓、過(guò)電壓、隔離等。理瞬時(shí)高壓、過(guò)電壓、隔離等。1、小功率輸入的去抖問(wèn)題、小功率輸入的去抖問(wèn)題例子：按鍵去抖問(wèn)題：例子：按鍵去抖問(wèn)題：按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片按鍵有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的。在下圖中，當(dāng)開(kāi)關(guān)機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)構(gòu)成的。在下圖中，當(dāng)開(kāi)關(guān)S S未被未被按下時(shí)，按下時(shí)，P1.0P1.0輸入為高電平，輸入為高電平，S S閉合后，閉合后，P1.0P1.0輸入為低電平。由輸入為低電平。由于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉合時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)，于按鍵是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開(kāi)、閉

59、合時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)，P1.0P1.0輸入端的波形如圖輸入端的波形如圖2 2所示。所示。去抖方法：去抖方法：硬件方法：硬件方法：下面為經(jīng)過(guò)門(mén)電路輸出下面為經(jīng)過(guò)門(mén)電路輸出TTLTTL電平的調(diào)理電路。電平的調(diào)理電路。其中電容可以起到其中電容可以起到去抖去抖作用，另外作用，另外RSRS觸發(fā)器也觸發(fā)器也可以消除開(kāi)關(guān)過(guò)程的反跳。可以消除開(kāi)關(guān)過(guò)程的反跳。軟件方法：軟件方法：延時(shí)等待，多次采樣查詢(xún)延時(shí)等待，多次采樣查詢(xún)1、小功率輸入的去抖問(wèn)題、小功率輸入的去抖問(wèn)題2、大功率輸入調(diào)理電路、大功率輸入調(diào)理電路采用光電隔離技術(shù)：采用光電隔離技術(shù)：用光電耦合器進(jìn)行用光電耦合器進(jìn)行三、輸入緩沖器：為協(xié)調(diào)三、輸入緩沖器：為協(xié)

60、調(diào)CPU與外設(shè)的工作，實(shí)現(xiàn)多與外設(shè)的工作，實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同步傳送。主要器件：三態(tài)門(mén)緩沖器路數(shù)據(jù)同步傳送。主要器件：三態(tài)門(mén)緩沖器74LS244送到送到CPU數(shù)據(jù)總線，可輸入數(shù)據(jù)總線，可輸入8個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。圖2-3-3 大功率輸入調(diào)理電路2-3-2 2-3-2 開(kāi)關(guān)量輸出通道開(kāi)關(guān)量輸出通道被控設(shè)備的兩種驅(qū)動(dòng)方式：被控設(shè)備的兩種驅(qū)動(dòng)方式： 模擬量驅(qū)動(dòng)：模擬量驅(qū)動(dòng)：指其輸出信號(hào)指其輸出信號(hào)( (電壓、電流電壓、電流) )可變，根據(jù)控制算可變，根據(jù)控制算法，使設(shè)備在零到滿(mǎn)負(fù)荷之間運(yùn)行，在一定的時(shí)間法，使設(shè)備在零到滿(mǎn)負(fù)荷之間運(yùn)行，在一定的時(shí)間T T內(nèi)輸出所內(nèi)輸出所需的能量需的能量P P，缺點(diǎn)：其輸