ch02輸入通道接口技術(shù)

1、第2章 輸入通道接口技術(shù) 輸入通道接口技術(shù)輸入通道接口技術(shù) 2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù) 2.2 模擬信號(hào)輸入通道接口模擬信號(hào)輸入通道接口 2.3 鍵盤接口技術(shù)鍵盤接口技術(shù) 2.4 開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入接口開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入接口 2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)2.1.1 溫度測(cè)量傳感器溫度測(cè)量傳感器 溫度測(cè)量原理：溫度測(cè)量原理：通過(guò)溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)通過(guò)溫度敏感元件與被測(cè)對(duì)象的熱交換，測(cè)量相關(guān)的物理量，即可確定象的熱交換，測(cè)量相關(guān)的物理量，即可確定被測(cè)對(duì)象的溫度。被測(cè)對(duì)象的溫度。 溫度測(cè)量方式：有接觸式和非接觸式兩大類。溫度測(cè)量方式：有接觸式和非接觸式兩大類。測(cè)溫

2、方式測(cè)溫方式類類 別別原原 理理典型儀表典型儀表測(cè)溫范圍測(cè)溫范圍接觸式測(cè)溫接觸式測(cè)溫膨脹類膨脹類利用液體氣體的熱膨脹及物質(zhì)利用液體氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸氣氣壓變化的蒸氣氣壓變化玻璃液體溫度計(jì)玻璃液體溫度計(jì) 100 600壓力式溫度計(jì)壓力式溫度計(jì) 100 500利用兩種金屬的熱膨脹差利用兩種金屬的熱膨脹差雙金屬溫度計(jì)雙金屬溫度計(jì) 80 600熱電類熱電類利用熱電效應(yīng)利用熱電效應(yīng)熱電偶熱電偶 200 1800電阻類電阻類固體材料的電阻隨溫度變化而固體材料的電阻隨溫度變化而變化變化鉑熱電阻鉑熱電阻 260 850銅熱電阻銅熱電阻 50 150熱敏電阻熱敏電阻 50 300其他電學(xué)類其他電學(xué)類半導(dǎo)體器

3、件的溫度效應(yīng)半導(dǎo)體器件的溫度效應(yīng)集成溫度傳感器集成溫度傳感器 50 150晶體的固有頻率隨溫度變化而晶體的固有頻率隨溫度變化而變化變化石英晶體溫度計(jì)石英晶體溫度計(jì) 50 120光纖類光纖類利用光纖的溫度特性或作為傳利用光纖的溫度特性或作為傳光介質(zhì)光介質(zhì)光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 50 400非接觸式測(cè)非接觸式測(cè)溫溫光纖輻射溫度計(jì)光纖輻射溫度計(jì)200 4000輻射類輻射類利用普朗克定律利用普朗克定律光電高溫計(jì)光電高溫計(jì)800 3200輻射傳感器輻射傳感器400 2000表表21溫度檢測(cè)方法的分類溫度檢測(cè)方法的分類2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)接觸式溫度測(cè)量傳感器接觸式溫度測(cè)量

4、傳感器金屬熱電阻金屬熱電阻： 測(cè)溫過(guò)程：金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化測(cè)溫過(guò)程：金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化。而變化。 優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)可以遠(yuǎn)傳，靈敏度高，無(wú)須參優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)可以遠(yuǎn)傳，靈敏度高，無(wú)須參比溫度。穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高。比溫度。穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高。 缺點(diǎn)：需要電源激勵(lì)，有自熱現(xiàn)象，影響缺點(diǎn)：需要電源激勵(lì)，有自熱現(xiàn)象，影響測(cè)量精度。測(cè)量精度。 類型：鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻等。類型：鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻等。 = 。2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)鉑熱電阻的分類和特性及分度表見(jiàn)表鉑熱電阻的分類和特性及分度表見(jiàn)表2-2、表、表2-3。 項(xiàng)項(xiàng) 目目鉑鉑

5、熱熱 電電 阻阻分度號(hào)分度號(hào)Pt100Pt10R0/ 10010 0.00385測(cè)溫范圍測(cè)溫范圍 200850允差允差A(yù)級(jí)級(jí):(0.15+0.002|T|)B級(jí)級(jí):(0.30+0.005|T|)表表2-2 鉑熱電阻分類和特性鉑熱電阻分類和特性 TPt100Pt10TPt100Pt10TPt100Pt10 20018.521.852160161.0516.105520287.6228.762 18027.102.710180168.4816.848540294.2129.421 16035.543.554200175.8617.586560300.7530.075 14043.884.38822

6、0183.1918.319580307.2530.725 12052.115.211240190.4719.047600313.7131.371 10060.266.026260197.7119.771620320.1232.012 8068.336.833280204.9020.490640326.4832.648 6076.337.633300212.0521.205660332.7933.279 4084.278.427320219.1521.915680339.0633.906 2092.169.216340226.2122.621700345.2834.5280100.0010.00

7、0360233.2123.321720351.4635.14620107.7910.779380240.1824.018740357.5935.75940115.5411.554400247.0924.709760363.6736.36760123.2412.324420253.9625.396780369.7136.97180130.9013.090440260.7826.078800375.7037.570100138.5113.851460267.5626.756820381.6538.165120146.0714.607480274.2927.429840387.5538.775140

8、153.5815.358500280.9828.098860390.4839.048表表2-3 鉑熱電阻分度表鉑熱電阻分度表 2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)熱電阻結(jié)構(gòu)分為普通型和鎧裝型兩種。熱電阻結(jié)構(gòu)分為普通型和鎧裝型兩種。 普通型：普通型：感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護(hù)套管、感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護(hù)套管、接線盒組成。接線盒組成。 鎧裝型鎧裝型：鎧裝電纜作為保護(hù)管絕緣物內(nèi)引線的：鎧裝電纜作為保護(hù)管絕緣物內(nèi)引線的組件，前端與感溫元件連接，外部焊接短保護(hù)管。組件，前端與感溫元件連接，外部焊接短保護(hù)管。圖圖2-1 2-1 鎧裝鉑熱電阻的結(jié)構(gòu)鎧裝鉑熱電阻的結(jié)構(gòu) 2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)2.

9、1.2 壓力測(cè)量傳感器壓力測(cè)量傳感器 類型：類型：應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式、應(yīng)變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式、光電式、光纖式、超聲式等。光電式、光纖式、超聲式等。 壓電式傳感器：壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓電元件受一壓力作用時(shí)將產(chǎn)生力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。壓電元件受一壓力作用時(shí)將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去除后，電荷消失。電荷，當(dāng)外力去除后，電荷消失。在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間在彈性范圍內(nèi)，壓電元件產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系，即：呈線性關(guān)系，即：q = kSp 式中，式中，q為電荷量，為電荷量，k為壓

10、電常數(shù)，為壓電常數(shù)，S為作用面積，為作用面積，p為壓力。為壓力。 2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)圖圖2-2 2-2 壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 壓電元件的一個(gè)壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸側(cè)面與膜片接觸并接地，另一個(gè)并接地，另一個(gè)側(cè)面通過(guò)金屬箔側(cè)面通過(guò)金屬箔和引線將電量引和引線將電量引出。被測(cè)壓力均出。被測(cè)壓力均勻作用在膜片上勻作用在膜片上，使壓電元件受，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。力而產(chǎn)生電荷。2.1 信號(hào)測(cè)量與傳感器技術(shù)2.1.3 流量測(cè)量傳感器流量測(cè)量傳感器 流體的流量是指在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一個(gè)流通截面的流體的流量是指在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一個(gè)流通截面的流體的體積或者質(zhì)量

11、。流體的體積或者質(zhì)量。 流量計(jì)的種類繁多，分別適合于不同的工作場(chǎng)合。按流量計(jì)的種類繁多，分別適合于不同的工作場(chǎng)合。按檢測(cè)原理分類的典型流量計(jì)列在表檢測(cè)原理分類的典型流量計(jì)列在表2-4中。中。 類 別儀 表 名 稱體積流量計(jì)容積式流量計(jì)橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、皮膜式流量計(jì)等差壓式流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì)、勻速管流量計(jì)、彎管流量計(jì)、靶式流量計(jì)、浮子流量計(jì)速度式流量計(jì)渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等質(zhì)量流量計(jì)推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)體積流量經(jīng)密度補(bǔ)償或者溫度、壓力補(bǔ)償求得質(zhì)量流量等直接式質(zhì)量流量計(jì)科里奧利流量計(jì)、熱式流量計(jì)、沖量式流量計(jì)表表2-4 流量計(jì)的分類流量計(jì)的分類 2.2 模擬信號(hào)輸

12、入通道接口模擬信號(hào)輸入通道接口模擬量輸入通道的一般組成模擬量輸入通道的一般組成 圖圖 模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道的組成結(jié)構(gòu) 模擬量輸入通道一般由信號(hào)預(yù)處理、多路轉(zhuǎn)換器、模擬量輸入通道一般由信號(hào)預(yù)處理、多路轉(zhuǎn)換器、前置放大器、采樣保持器、模前置放大器、采樣保持器、模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器和接口邏輯電數(shù)轉(zhuǎn)換器和接口邏輯電路等組成。其核心是模路等組成。其核心是模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)轉(zhuǎn)換器。 模擬量輸入通道中常用器件模擬量輸入通道中常用器件傳感器、變送器傳感器、變送器 信號(hào)預(yù)處理的功能是對(duì)來(lái)自傳感器或變送器的信信號(hào)預(yù)處理的功能是對(duì)來(lái)自傳感器或變送器的信號(hào)進(jìn)行處理。如將號(hào)進(jìn)行處理。如將4mA4mA20

13、mA20mA或或0 010mA10mA電流信號(hào)電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，將熱電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)，將熱電阻(Pt100(Pt100或或Cu50)Cu50)的電阻信號(hào)的電阻信號(hào)經(jīng)過(guò)橋路變?yōu)殡妷盒盘?hào)等。經(jīng)過(guò)橋路變?yōu)殡妷盒盘?hào)等。傳感器（傳感器（TransducerTransducer）非電量非電量電壓、電流電壓、電流 變送器（變送器（TransformerTransformer）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)信號(hào)預(yù)處理信號(hào)預(yù)處理 多路轉(zhuǎn)換器多路轉(zhuǎn)換器 多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開(kāi)關(guān)，多路開(kāi)關(guān)的多路轉(zhuǎn)換器又稱多路開(kāi)關(guān)，多路開(kāi)關(guān)的作用是用來(lái)將各路被測(cè)信號(hào)依次地或隨機(jī)地作用是用來(lái)將各路被測(cè)信號(hào)依次地或隨機(jī)地切換到公

14、共放大器或切換到公共放大器或A/DA/D轉(zhuǎn)換上。轉(zhuǎn)換上。 前置放大器前置放大器 前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換的量前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號(hào)放大到轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)。當(dāng)多路輸入的信號(hào)源電平相差較懸殊時(shí)，程范圍之內(nèi)。當(dāng)多路輸入的信號(hào)源電平相差較懸殊時(shí)，用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號(hào)，就用同一增益的放大器去放大高電平和低電平的信號(hào)，就有可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平則有可能有可能使低電平信號(hào)測(cè)量精度降低，而高電平則有可能超出模超出模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。可設(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃?。?shù)轉(zhuǎn)換器的輸入范圍?？稍O(shè)計(jì)可變?cè)鲆娣糯笃鳌?采樣保持器采樣保持器 采樣時(shí)，采

15、樣時(shí)，k k 閉合，閉合，V VININ通過(guò)通過(guò)A A1 1對(duì)對(duì)C CH H快速充電，快速充電，V VOUTOUT跟隨跟隨V VININ；保持期間，保持期間，k k斷開(kāi)，斷開(kāi)，V VOUTOUT = =V VC C保持不變，采樣保保持不變，采樣保持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)持器一旦進(jìn)入保持期，便應(yīng)立即啟動(dòng)A/DA/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，保證保證A/DA/D轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。轉(zhuǎn)換期間輸入恒定。 A AD D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，它是轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，它是模擬量輸入通道的核心部件，是模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間模擬量輸入通道的核心部件，是模擬系統(tǒng)

16、和計(jì)算機(jī)之間的接口。的接口。 2.2 模擬信號(hào)輸入通道接口模擬信號(hào)輸入通道接口2.2.1 模擬多路開(kāi)關(guān)模擬多路開(kāi)關(guān) 在實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要對(duì)多路信號(hào)或者在實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，往往需要對(duì)多路信號(hào)或者多種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而計(jì)算機(jī)在任意時(shí)刻只能處理一路多種信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，而計(jì)算機(jī)在任意時(shí)刻只能處理一路信號(hào)，因此，需要將各路信號(hào)分時(shí)地送給計(jì)算機(jī)處理。信號(hào)，因此，需要將各路信號(hào)分時(shí)地送給計(jì)算機(jī)處理。 多路開(kāi)關(guān)多路開(kāi)關(guān):把多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)地接通并送入把多個(gè)模擬量參數(shù)分時(shí)地接通并送入A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換。器，即完成多到一的轉(zhuǎn)換。 多路分配器多路分配器（反多路開(kāi)關(guān)）：把經(jīng)計(jì)算機(jī)處

17、理，且由（反多路開(kāi)關(guān)）：把經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，且由D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)按一定的順序輸出到不同的控轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬信號(hào)按一定的順序輸出到不同的控制回路（或外部設(shè)備）中，即完成制回路（或外部設(shè)備）中，即完成一到多一到多的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換圖圖2-3 多路模擬信號(hào)檢測(cè)框圖多路模擬信號(hào)檢測(cè)框圖 按用途分：按用途分：?jiǎn)蜗蚨嗦烽_(kāi)關(guān)單向多路開(kāi)關(guān)：只能完成多到一的切換，如：只能完成多到一的切換，如AD7501AD7501（8 8路）、路）、AD8506(16AD8506(16路路) )；雙向多路開(kāi)關(guān)雙向多路開(kāi)關(guān)：該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的：該芯片既可以實(shí)現(xiàn)多到一的切換，也可以完成一到多的切換。如切換，也可以完

18、成一到多的切換。如CD4051CD4051。從輸入信號(hào)的連接方式來(lái)分：從輸入信號(hào)的連接方式來(lái)分：?jiǎn)味溯斎雴味溯斎腚p端輸入雙端輸入（或差動(dòng)輸入）。（或差動(dòng)輸入）。雙端雙端是指芯片是指芯片內(nèi)的一對(duì)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信內(nèi)的一對(duì)開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，從而完成差動(dòng)輸入信號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。號(hào)的切換，以滿足抑制共模干擾的需要。公司公司型號(hào)型號(hào)通道數(shù)通道數(shù)種類種類CD公司公司CD40518通道通道雙向雙向CD4052雙雙4通道通道雙向雙向CD4053三重三重2通道通道雙向雙向CD406716通道通道雙向雙向CD4097雙雙8通道通道雙向雙向AD公司公司AD75018通道通道單向單向AD7

19、502雙雙4通道通道單向單向AD75038通道通道單向單向AD750616通道通道單向單向AD7507雙雙8通道通道單向單向MAX公司公司MAX3088通道通道雙向雙向MAX309雙雙4通道通道雙向雙向MAX30616通道通道雙向雙向MAX307雙雙8通道通道雙向雙向表表2-5 常用模擬多路開(kāi)關(guān)芯片常用模擬多路開(kāi)關(guān)芯片 半導(dǎo)體模擬多路開(kāi)關(guān)的主要特點(diǎn)：半導(dǎo)體模擬多路開(kāi)關(guān)的主要特點(diǎn)： 具有多種集成電路的封裝形式（如具有多種集成電路的封裝形式（如DIP、SMD封裝封裝等），尺寸小，便于安排；等），尺寸小，便于安排； 直接與直接與TTL（或（或CMOS）電平相兼容；）電平相兼容； 可采用雙極性輸入；可

20、采用雙極性輸入； 轉(zhuǎn)換速度快，通常其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間在轉(zhuǎn)換速度快，通常其導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間在1 s左右，有些左右，有些產(chǎn)品已達(dá)到幾十產(chǎn)品已達(dá)到幾十ns； 壽命長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械磨損；壽命長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械磨損； 接通電阻較低，一般小于接通電阻較低，一般小于100 ，有的可達(dá)幾，有的可達(dá)幾 。 斷開(kāi)電阻高，通常達(dá)斷開(kāi)電阻高，通常達(dá)109 以上。以上。 2.2 模擬信號(hào)輸入通道接口1模擬多路開(kāi)關(guān)模擬多路開(kāi)關(guān)CD4051 CD4051是是單端、單端、8通道、雙向通道、雙向多路開(kāi)關(guān)。多路開(kāi)關(guān)。它帶有它帶有3個(gè)個(gè)通道選擇輸入端通道選擇輸入端A、B、C和一個(gè)禁止輸入端和一個(gè)禁止輸入端INH。輸入端輸入端A、B、C的信號(hào)用來(lái)控制

21、選擇的信號(hào)用來(lái)控制選擇8個(gè)通道之一被接通。個(gè)通道之一被接通。 INH1，所有通道均斷開(kāi)，禁止模擬信號(hào)輸入。，所有通道均斷開(kāi)，禁止模擬信號(hào)輸入。INH0，通道接通，允許模擬信號(hào)輸入。，通道接通，允許模擬信號(hào)輸入。輸入信號(hào)輸入信號(hào)Vi范圍是范圍是VDDVSS。該類芯片。該類芯片VDDVSS允允許使用的電壓范圍是許使用的電壓范圍是-0.515V。 圖圖2-4 CD4051的原理與引腳圖的原理與引腳圖 輸輸 入入 狀狀 態(tài)態(tài)接通通道接通通道INHCBACD45010000000011001020011301004010150110601117表表2-6 CD4051真值表真值表 2CD4051多路開(kāi)關(guān)

22、的擴(kuò)展應(yīng)用多路開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展應(yīng)用如果被測(cè)參數(shù)多于如果被測(cè)參數(shù)多于8路，使用一個(gè)路，使用一個(gè)CD4051不不能滿足路數(shù)的要求，可將多個(gè)能滿足路數(shù)的要求，可將多個(gè)4051相連并進(jìn)行相連并進(jìn)行擴(kuò)展。例如用擴(kuò)展。例如用2個(gè)個(gè)CD4051構(gòu)成構(gòu)成16通道多路開(kāi)關(guān)，通道多路開(kāi)關(guān)，2個(gè)個(gè)16通道開(kāi)關(guān)構(gòu)成通道開(kāi)關(guān)構(gòu)成32通道多路開(kāi)關(guān)等。通道多路開(kāi)關(guān)等。例：例： 2個(gè)個(gè)CD4051構(gòu)成構(gòu)成16通道多路開(kāi)關(guān)通道多路開(kāi)關(guān)用一根地址總線用一根地址總線D3即可作為兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的允許控制即可作為兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的允許控制端的選擇信號(hào)端的選擇信號(hào)而兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的通道選擇輸入端共用一組地址而兩個(gè)多路開(kāi)關(guān)的通道選擇輸入端共用一組地址(

23、或數(shù)或數(shù)據(jù)據(jù))總線總線D0D2。圖圖2-5 CD4051的擴(kuò)展電路的擴(kuò)展電路 通過(guò)改變通道通過(guò)改變通道選擇線選擇線D3D0的的狀態(tài)，即可選通狀態(tài)，即可選通IN0IN15 這這16個(gè)通道之一。個(gè)通道之一。表表2-7 16通道選擇真值表通道選擇真值表 輸輸 入入 狀狀 態(tài)態(tài)選中通道號(hào)選中通道號(hào)D3D2D1D0INi000000001100102001130100401015011060111710008100191010101011111100121101131110141111152.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件，稱為模數(shù)能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件，稱為模數(shù)

24、轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。 按按位數(shù)位數(shù)來(lái)分有來(lái)分有8位、位、10位、位、12位、位、16位等幾種。位等幾種。 按按結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)而分，有單一的而分，有單一的A/D轉(zhuǎn)換器、內(nèi)含多路開(kāi)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)含多路開(kāi)關(guān)的關(guān)的A/D轉(zhuǎn)換器、多功能的轉(zhuǎn)換器、多功能的A/D轉(zhuǎn)換器等。轉(zhuǎn)換器等。l轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換方法有有:計(jì)數(shù)器式計(jì)數(shù)器式AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:線路簡(jiǎn)單，速度慢，較少用線路簡(jiǎn)單，速度慢，較少用逐次逼近型逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換：既有轉(zhuǎn)換速度，又有一定精度。轉(zhuǎn)換：既有轉(zhuǎn)換速度，又有一定精度。雙斜率積分式雙斜率積分式AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 型型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 VF變換型變換型AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:用于遠(yuǎn)距離串行傳送的場(chǎng)合。用于遠(yuǎn)距

25、離串行傳送的場(chǎng)合。各種各種ADC的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn) 計(jì)數(shù)式ADC：最簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度最慢。 并行轉(zhuǎn)換式ADC：速度最快，但成本最高。 逐次逼近式ADC：轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高，且比較簡(jiǎn)單，價(jià)格低，所以在微型機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用。 雙積分式ADC：轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢，一般應(yīng)用在精度高而速度不高的場(chǎng)合，如測(cè)量?jī)x表。 V/F轉(zhuǎn)換式ADC：在轉(zhuǎn)換線性度、精度、抗干擾能力等方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且接口簡(jiǎn)單、占用計(jì)算機(jī)資源少，缺點(diǎn)也是轉(zhuǎn)換速度慢。在一些輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大或傳輸距離較遠(yuǎn)的低速過(guò)程的模擬輸入通道中應(yīng)用較為廣泛。結(jié)構(gòu)：由結(jié)構(gòu)：由D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和逐次逼近寄存器轉(zhuǎn)換器、比較器和逐

26、次逼近寄存器SAR組成。組成。Vi-+逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Vc比較器比較器數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出控制電路控制電路模擬量輸入模擬量輸入逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器工作原理 類似類似天平稱重量天平稱重量時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去時(shí)的嘗試法，逐步用砝碼的累積重量去逼近被稱物體。逼近被稱物體。 例如：用例如：用8 8個(gè)砝碼個(gè)砝碼2 20 0g g，2 21 1g g，2 27 7g g，可以稱出，可以稱出1 1255g255g之之 間的物體?，F(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為間的物體。現(xiàn)有一物體，用砝碼稱出其重量（假定重量為176g176g）。）。1 1

27、）ADCADC從高到低逐次給從高到低逐次給SARSAR的每一位的每一位“置置1 1”（即加上不同權(quán)重（即加上不同權(quán)重的砝碼），的砝碼），SARSAR相當(dāng)于放法碼的稱盤；相當(dāng)于放法碼的稱盤；2 2）每次）每次SARSAR中的數(shù)據(jù)經(jīng)中的數(shù)據(jù)經(jīng)D/AD/A轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為電壓V VC C ；3 3）V VC C與輸入電壓與輸入電壓V Vi i比較，若比較，若V VC CVVi i，保持當(dāng)前位的，保持當(dāng)前位的1 1，否，否則當(dāng)前位則當(dāng)前位置置0 0；4 4）從高到低逐次比較下去，直到）從高到低逐次比較下去，直到SARSAR的每一位都嘗試完；的每一位都嘗試完；5 5）SARSAR內(nèi)的數(shù)據(jù)就是與內(nèi)的數(shù)據(jù)就

28、是與V Vi i相對(duì)應(yīng)的相對(duì)應(yīng)的2 2進(jìn)制數(shù)。進(jìn)制數(shù)。圖 逐次逼近過(guò)程 電壓模擬電壓第二次預(yù)測(cè)第三次預(yù)測(cè) 第四次 預(yù)測(cè) 第一次預(yù)測(cè)時(shí)間03D0D1D2D(1000) (0100) (0110) (0111)A/DA/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) (1)分辨率分辨率：分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。：分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。 分辨率分辨率 = Vmax/電平數(shù)電平數(shù)(即滿量程值即滿量程值) 例：某例：某8位位ADC的滿量程電壓為的滿量程電壓為5V，則其分辨率為，則其分辨率為 5V/255=19.6mV (2)量程量程：AD轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換的模擬電壓的范圍。轉(zhuǎn)換器能轉(zhuǎn)換的模擬電壓

29、的范圍。 (3)精度精度：分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。：分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。 絕對(duì)精度絕對(duì)精度 = 量化間隔量化間隔/2 = (滿量程電壓滿量程電壓/(2n-1)/2相對(duì)精度相對(duì)精度 = 1/2 * 1/量化電平數(shù)目量化電平數(shù)目 * 100%例：滿量程電壓例：滿量程電壓=10V，A/D變換器位數(shù)變換器位數(shù)=10位，則位，則 絕對(duì)量化誤差絕對(duì)量化誤差 10/211 = 4.88mV 相對(duì)量化誤差相對(duì)量化誤差 1/211 *100% = 0.049% (4)轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次完整轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。：完成一次完整轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。 (5)輸出邏輯電平輸出邏輯電平：輸出數(shù)據(jù)的電平形式和數(shù)據(jù)輸出

30、方式：輸出數(shù)據(jù)的電平形式和數(shù)據(jù)輸出方式(如三態(tài)邏輯和數(shù)據(jù)如三態(tài)邏輯和數(shù)據(jù)是否鎖存是否鎖存)。 (6)工作溫度范圍工作溫度范圍：A/D轉(zhuǎn)換器在規(guī)定精度內(nèi)允許的工作溫度范圍。轉(zhuǎn)換器在規(guī)定精度內(nèi)允許的工作溫度范圍。18位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADC0808/0809 8 8通道（通道（8 8路）輸入路）輸入 8 8位字長(zhǎng)位字長(zhǎng) 逐位逼近型逐位逼近型 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間100s 100s 內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖內(nèi)置三態(tài)輸出緩沖器（可直接接到數(shù)器（可直接接到數(shù)據(jù)總線上）據(jù)總線上）圖圖2-6 ADC0808/0809原理框圖原理框圖 模擬量輸入模擬量輸入數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出地址地址選擇選擇地址鎖地址鎖存允許存允許

31、ADC0808/0809的引腳功能的引腳功能 ：lIN7一一IN0：8個(gè)模擬量輸入端。個(gè)模擬量輸入端。 START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)。高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。啟動(dòng)信號(hào)。高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。高電平有效。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。高電平有效。OE：輸出允許信號(hào)。高電平有效。輸出允許信號(hào)。高電平有效。CLOCK：實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可通過(guò)外接實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可通過(guò)外接RC電路改變時(shí)鐘頻率。電路改變時(shí)鐘頻率。ALE：地址鎖存允許，高電平有效。地址鎖存允許，高電平有效。 C，B，A：通道號(hào)選擇端子。通道號(hào)選擇端子。C為最高位，為最高位，A為最低位。為最低位。D7D0：數(shù)字量輸出端。數(shù)字量輸出端。VREF(+)，VREF

32、(-)：參考電壓端子。參考電壓端子。 Vcc：電源端子。接電源端子。接+5V。 GND：接地端。接地端。ADC0808/0809的技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)指標(biāo) : 單一電源，單一電源，+5V+5V供電，模擬輸入范圍為供電，模擬輸入范圍為0 05V5V。 分辨率為分辨率為8 8位。位。 最大不可調(diào)誤差：最大不可調(diào)誤差： ADC0808ADC0808 1/2LSB1/2LSB ADC0809 ADC08091LSB 1LSB 功耗為功耗為15mW15mW。 轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率范圍：轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率范圍：10101280kHz1280kHz，當(dāng)，當(dāng)CLOCKCLOCK

33、等于等于500kHz500kHz時(shí)，轉(zhuǎn)換速度為時(shí)，轉(zhuǎn)換速度為128s128s。 可鎖存三態(tài)輸出，輸出與可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTLTTL兼容。兼容。 無(wú)需進(jìn)行零位及滿量程調(diào)整。無(wú)需進(jìn)行零位及滿量程調(diào)整。 溫度范圍為溫度范圍為400C400C8585。2ADC0808/0809的應(yīng)用的應(yīng)用圖圖2-7 ADC0808/0809的應(yīng)用原理圖的應(yīng)用原理圖 圖圖2-8 ADC0808/0809進(jìn)行進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)各引腳時(shí)序圖轉(zhuǎn)換時(shí)各引腳時(shí)序圖 ADC0809的工作過(guò)程 根據(jù)時(shí)序圖，根據(jù)時(shí)序圖，ADC0809的工作過(guò)程如下的工作過(guò)程如下：把把通道地址送到通道地址送到AC上，選擇一個(gè)模擬輸入端；上，選擇一個(gè)

34、模擬輸入端； 在通道地址信號(hào)有效期間，在通道地址信號(hào)有效期間，ALE上的上的上升沿上升沿使該地址鎖存使該地址鎖存到內(nèi)部地址鎖存器；到內(nèi)部地址鎖存器；START引腳上的引腳上的下降沿下降沿啟動(dòng)啟動(dòng)A/D變換；變換； 變換開(kāi)始后，變換開(kāi)始后，EOC引腳呈現(xiàn)引腳呈現(xiàn)低電平低電平， EOC重新變?yōu)橹匦伦優(yōu)楦唠姼唠娖狡綍r(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；OE信號(hào)打開(kāi)信號(hào)打開(kāi)輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果輸出鎖存器的三態(tài)門送出結(jié)果 。3A/D轉(zhuǎn)換器與微處理器的連接轉(zhuǎn)換器與微處理器的連接1）模擬量輸入通道的連接）模擬量輸入通道的連接 AD轉(zhuǎn)換器所要求接收的模擬量大都為轉(zhuǎn)換器所要求接收的模擬量大都為05V的標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)電

35、壓信號(hào)。但是有些準(zhǔn)電壓信號(hào)。但是有些AD轉(zhuǎn)換器的輸入除允許單極轉(zhuǎn)換器的輸入除允許單極性外，也可以是雙極性，用戶可通過(guò)改變外接線路來(lái)改性外，也可以是雙極性，用戶可通過(guò)改變外接線路來(lái)改變量程。有的變量程。有的AD轉(zhuǎn)換器還可以直接接入傳感器的輸轉(zhuǎn)換器還可以直接接入傳感器的輸出信號(hào)，如出信號(hào)，如AD670。2）數(shù)字量輸出引腳的連接）數(shù)字量輸出引腳的連接 對(duì)于內(nèi)部未含輸出鎖存器的對(duì)于內(nèi)部未含輸出鎖存器的AD轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，一般通過(guò)轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，一般通過(guò)鎖存器或鎖存器或I/O接口與微型計(jì)算機(jī)相連。常用的接口及鎖存接口與微型計(jì)算機(jī)相連。常用的接口及鎖存器有器有Intel 8155，8255，8243以及以及74L

36、S273，74LS373，8212等。等。 當(dāng)當(dāng)AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含數(shù)據(jù)輸出鎖存器時(shí)，可直接與微型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含數(shù)據(jù)輸出鎖存器時(shí)，可直接與微型計(jì)算機(jī)相連。計(jì)算機(jī)相連。3)A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)方式任何一個(gè)任何一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器在開(kāi)始轉(zhuǎn)換前，都必須經(jīng)過(guò)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換器在開(kāi)始轉(zhuǎn)換前，都必須經(jīng)過(guò)啟動(dòng)，才開(kāi)始工作。芯片不同，要求的啟動(dòng)方式也不同。才開(kāi)始工作。芯片不同，要求的啟動(dòng)方式也不同。脈沖啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)：在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引鄶上加上要求的脈沖信號(hào)。：在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引鄶上加上要求的脈沖信號(hào)。電平啟動(dòng)電平啟動(dòng)：在啟動(dòng)引腳上加上要求的電平，在轉(zhuǎn)換過(guò)：在啟動(dòng)引腳上加上要求的電平，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，必須保持這一電平。一般可采用

37、程中，必須保持這一電平。一般可采用D觸發(fā)器、鎖存觸發(fā)器、鎖存器或并行器或并行I/O接口等來(lái)實(shí)現(xiàn)。接口等來(lái)實(shí)現(xiàn)。高電平啟動(dòng)：如高電平啟動(dòng)：如ADC0809、AD574低電平啟動(dòng)：如低電平啟動(dòng)：如ADC0801、ADC0802、AD6704）轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理方法）轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的處理方法微處理器檢查判斷微處理器檢查判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法有以下轉(zhuǎn)換結(jié)束的方法有以下3種：種： 中斷方式中斷方式 查詢方式查詢方式 軟件延時(shí)方法軟件延時(shí)方法5）參考電源的選擇）參考電源的選擇在在AD轉(zhuǎn)換器中，參考電平的作用是給其內(nèi)部轉(zhuǎn)換器中，參考電平的作用是給其內(nèi)部DA轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器提供標(biāo)準(zhǔn)電源。它直接關(guān)系到換器提供標(biāo)準(zhǔn)電源。

38、它直接關(guān)系到AD轉(zhuǎn)換的精度，轉(zhuǎn)換的精度，因而對(duì)該電源的要求比較高，一般要求由穩(wěn)壓電源供因而對(duì)該電源的要求比較高，一般要求由穩(wěn)壓電源供電。電。外電源供給：如外電源供給：如AD7574、ADC0809內(nèi)部供電：內(nèi)部供電：AD574A、ADC806）時(shí)鐘信號(hào)的連接）時(shí)鐘信號(hào)的連接 時(shí)鐘信號(hào)的頻率決定了其轉(zhuǎn)換速度。時(shí)鐘信號(hào)的頻率決定了其轉(zhuǎn)換速度。一種由芯片內(nèi)部提供，另一種由外部時(shí)鐘提供。一種由芯片內(nèi)部提供，另一種由外部時(shí)鐘提供。7）接地問(wèn)題）接地問(wèn)題模擬地和數(shù)字地應(yīng)分別與系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地相連。模擬地和數(shù)字地應(yīng)分別與系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地相連。而在整個(gè)系統(tǒng)中，模擬地和數(shù)字地只在一點(diǎn)接通。而在整個(gè)系統(tǒng)中

39、，模擬地和數(shù)字地只在一點(diǎn)接通。48位位A/D轉(zhuǎn)換器控制程序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器控制程序設(shè)計(jì) 圖圖2-9 ADC0809與計(jì)算機(jī)的接口原理圖與計(jì)算機(jī)的接口原理圖 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束轉(zhuǎn)換的結(jié)束信號(hào)信號(hào)EOC作為狀態(tài)作為狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)三態(tài)門接信號(hào)，經(jīng)三態(tài)門接入數(shù)據(jù)總線的入數(shù)據(jù)總線的D7位。位。計(jì)算機(jī)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換后，不斷查詢轉(zhuǎn)換后，不斷查詢D7是否為是否為1，判斷，判斷AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。2.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理方法數(shù)據(jù)采集與處理方法一、數(shù)字濾波一、數(shù)字濾波由于由于有各種各樣的干擾有各種各樣的干擾，如環(huán)境溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等，會(huì)，如環(huán)境溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等，會(huì)使采樣值偏離真實(shí)值，因此需要將干擾濾

40、掉，也就是使采樣值偏離真實(shí)值，因此需要將干擾濾掉，也就是進(jìn)行進(jìn)行濾波濾波。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其濾波非常容易實(shí)現(xiàn)，就是設(shè)計(jì)。對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其濾波非常容易實(shí)現(xiàn)，就是設(shè)計(jì)一些計(jì)算程序，稱為一些計(jì)算程序，稱為數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波可以實(shí)現(xiàn)各種，數(shù)字濾波可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的濾波。各樣的濾波。 數(shù)字濾波器與模擬數(shù)字濾波器與模擬RC濾波器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：濾波器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）不需要增加硬件設(shè)備）不需要增加硬件設(shè)備 （2）可靠性高）可靠性高 （3）可多通道共享）可多通道共享 （4）可以對(duì)頻率很低（如）可以對(duì)頻率很低（如0.1Hz）的信號(hào)濾波）的信號(hào)濾波 （5）使用靈活、方便，如可選擇不同

41、的濾波器和參數(shù)）使用靈活、方便，如可選擇不同的濾波器和參數(shù)1、程序判斷濾波、程序判斷濾波 程序判斷濾波的程序判斷濾波的方法方法，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差Y。若超過(guò)。若超過(guò)此偏差值，則表明是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于此此偏差值，則表明是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，則將該信號(hào)作為本次的采樣值。偏差值，則將該信號(hào)作為本次的采樣值。 程序判斷濾波的主要程序判斷濾波的主要作用作用： 用于濾掉由于大功率設(shè)用于濾掉由于大功率設(shè)備的啟停，所造成的電流尖峰干擾或誤檢測(cè)，以及變備的啟停，所造成的電流尖峰干擾或

42、誤檢測(cè)，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等。送器不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等。 程序判斷濾波可分為限幅濾波和限速濾波兩種。程序判斷濾波可分為限幅濾波和限速濾波兩種。 1）限幅濾波）限幅濾波 限幅濾波限幅濾波 是濾掉采樣值變化過(guò)大的信號(hào)。是濾掉采樣值變化過(guò)大的信號(hào)。限幅濾波的方法限幅濾波的方法 是把相鄰兩次的采樣值相減，求出其增量（絕對(duì)是把相鄰兩次的采樣值相減，求出其增量（絕對(duì)值），然后與兩次采樣允許的最大差值（據(jù)情況而定）值），然后與兩次采樣允許的最大差值（據(jù)情況而定）Y進(jìn)行比較，進(jìn)行比較，若小于或等于若小于或等于Y ，則取本次的采樣值；若大于，則取本次的采樣值；若大于Y ，則仍取上次的，則仍取上

43、次的采樣值作為本次的采樣值。即采樣值作為本次的采樣值。即 若若 |Y(k) - Y(k-1)|Y ，則，則Y(k)=Y(k)， 取本次采樣值取本次采樣值 若若 |Y(k) - Y(k-1)| Y ，則，則Y(k)=Y(k-1)，取上次采樣值，取上次采樣值 說(shuō)明：說(shuō)明： Y 的大小取決于采樣周期的大小取決于采樣周期T及及Y值的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)。值的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)。限幅濾波的應(yīng)用系統(tǒng)限幅濾波的應(yīng)用系統(tǒng) 是主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物是主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、物位等測(cè)量系統(tǒng)。位等測(cè)量系統(tǒng)。使用時(shí)最大允許誤差使用時(shí)最大允許誤差Y的選取的選取，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)得出可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)

44、得出。 Y 太大，各種干擾信號(hào)將太大，各種干擾信號(hào)將“乘機(jī)而入乘機(jī)而入”，使系統(tǒng)誤差增大；，使系統(tǒng)誤差增大； Y 太小，太小，又會(huì)使一些有用信號(hào)又會(huì)使一些有用信號(hào)“拒之門外拒之門外”，使計(jì)算機(jī)采樣效率變低。，使計(jì)算機(jī)采樣效率變低。 2）、限速濾波）、限速濾波 限速濾波限速濾波 也是濾掉采樣值變化過(guò)大的信號(hào)也是濾掉采樣值變化過(guò)大的信號(hào) 限速濾波有時(shí)需要三次采樣值來(lái)決定采樣結(jié)果限速濾波有時(shí)需要三次采樣值來(lái)決定采樣結(jié)果 限速濾波的方法限速濾波的方法 當(dāng)當(dāng)|Y(2) - Y(1)| Y 時(shí)，不是取時(shí)，不是取Y(1)作為作為本次的采樣值，而是再采樣一次，取的本次的采樣值，而是再采樣一次，取的Y(3)，然

45、后根據(jù)，然后根據(jù)|Y(3) - Y(2)| 與與Y 的大小關(guān)系，來(lái)決定本次的采樣值。的大小關(guān)系，來(lái)決定本次的采樣值。 設(shè)順序采樣時(shí)刻設(shè)順序采樣時(shí)刻t1、t2、t3所采集到的數(shù)據(jù)分別為所采集到的數(shù)據(jù)分別為Y(1)、Y(2)、Y(3) 當(dāng)當(dāng)|Y(2) - Y(1)|Y 時(shí)，采用時(shí)，采用Y(2) 當(dāng)當(dāng)|Y(2) - Y(1)| Y 時(shí)，不采用時(shí)，不采用Y(2) ，但保留，繼續(xù)采樣取，但保留，繼續(xù)采樣取 得得Y(3) 當(dāng)當(dāng)|Y(3) - Y(2)|Y 時(shí)，時(shí)， 采用采用Y(3) 當(dāng)當(dāng)|Y(3) - Y(2)| Y 時(shí)，則取時(shí)，則取(Y(3) + Y(2)/2為采樣值為采樣值 限速濾波的特點(diǎn)限速濾波的特

46、點(diǎn) 既照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又顧及了采樣值既照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。變化的連續(xù)性。不足之處：不足之處：一是不夠靈活，二是不能反映采樣點(diǎn)數(shù)大于一是不夠靈活，二是不能反映采樣點(diǎn)數(shù)大于3時(shí)各采樣數(shù)時(shí)各采樣數(shù)值受干擾情況。故應(yīng)用受到限制。值受干擾情況。故應(yīng)用受到限制。 3） 中值濾波中值濾波 中值濾波中值濾波 是對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采集是對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采集n次（一般次（一般n取取奇數(shù)），然后把奇數(shù)），然后把n次的采樣值從小到大、或從大到次的采樣值從小到大、或從大到小排序，小排序，取其中間值作為本次采樣值取其中間值作為本次采樣值。 中值濾波的功能中值濾波的功能 對(duì)于去掉偶然因素引起的波對(duì)

47、于去掉偶然因素引起的波動(dòng)、或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動(dòng)動(dòng)、或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動(dòng)干擾有效。干擾有效。 中值濾波的應(yīng)用系統(tǒng)中值濾波的應(yīng)用系統(tǒng) 適用與信號(hào)變化比較緩適用與信號(hào)變化比較緩慢的系統(tǒng)，對(duì)于變化快速的信號(hào)，如流量、快速慢的系統(tǒng)，對(duì)于變化快速的信號(hào)，如流量、快速運(yùn)動(dòng)的位移、角度等不適用。運(yùn)動(dòng)的位移、角度等不適用。 4） 算數(shù)平均值濾波算數(shù)平均值濾波 算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值濾波 是要尋找一個(gè)是要尋找一個(gè)Y(k)，使該值與各采樣值之，使該值與各采樣值之間誤差的平方和為最小。即間誤差的平方和為最小。即 算術(shù)平均值濾波公式算術(shù)平均值濾波公式 由一元函數(shù)求極限值原理，得算術(shù)

48、平均法數(shù)字濾波公式由一元函數(shù)求極限值原理，得算術(shù)平均法數(shù)字濾波公式 式中式中 -為第為第k次采樣次采樣N個(gè)采樣值的算術(shù)平均值個(gè)采樣值的算術(shù)平均值 X(i) -第第i個(gè)采樣值個(gè)采樣值 N-采樣次數(shù)采樣次數(shù) 算術(shù)平均值濾波的實(shí)質(zhì)算術(shù)平均值濾波的實(shí)質(zhì) 是把一個(gè)采樣周期內(nèi)是把一個(gè)采樣周期內(nèi)N次采樣值相次采樣值相加，然后再除以采樣個(gè)數(shù)加，然后再除以采樣個(gè)數(shù)N，得到該周期的采樣值。，得到該周期的采樣值。算術(shù)平均值濾波應(yīng)用算術(shù)平均值濾波應(yīng)用 主要用于主要用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)的信號(hào)采樣值進(jìn)行平滑處理。對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)的信號(hào)采樣值進(jìn)行平滑處理。 不適用不適用脈沖性干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合。脈沖性干擾較嚴(yán)重的

49、場(chǎng)合。 NiNiiXkYeiS1212)()(min)(minNiiXNkY1)(1)(5） 加權(quán)平均值濾波加權(quán)平均值濾波 加權(quán)平均值濾波加權(quán)平均值濾波 算術(shù)平均值的算術(shù)平均值的N個(gè)采樣值，所占的比例是相同的，個(gè)采樣值，所占的比例是相同的，濾波的結(jié)果取每個(gè)采樣值的濾波的結(jié)果取每個(gè)采樣值的1/N。為了提高濾波效果，將各采樣值。為了提高濾波效果，將各采樣值取不同的比例，然后再相加，此方法稱為加權(quán)平均法。取不同的比例，然后再相加，此方法稱為加權(quán)平均法。 具有具有N個(gè)采樣值的個(gè)采樣值的加權(quán)平均值公式為加權(quán)平均值公式為： 式中式中 均為常數(shù)，稱為各采樣值的系數(shù)，應(yīng)滿足以均為常數(shù)，稱為各采樣值的系數(shù)，應(yīng)滿

50、足以下關(guān)系：下關(guān)系： C Ci i體現(xiàn)了各采樣值在平均值中所占的比例，可以根據(jù)具體情況決定。體現(xiàn)了各采樣值在平均值中所占的比例，可以根據(jù)具體情況決定。C Ci i 取值例子取值例子 對(duì)于正在變化的信號(hào)，如采集流量的之間值，一般采對(duì)于正在變化的信號(hào)，如采集流量的之間值，一般采樣次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可以增加新的采樣值在平均值樣次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可以增加新的采樣值在平均值的比例。的比例。主要應(yīng)用主要應(yīng)用 根據(jù)需要，根據(jù)需要，突出或抑制某一部分信號(hào)突出或抑制某一部分信號(hào)。NiiiXkYC1)()(CCCCNi，.21NiiC115）滑動(dòng)平均值濾波）滑動(dòng)平均值濾波 算術(shù)平均值濾波與

51、加權(quán)平均值濾波的缺點(diǎn)算術(shù)平均值濾波與加權(quán)平均值濾波的缺點(diǎn) 不管是算術(shù)平均不管是算術(shù)平均濾波還是加權(quán)平均濾波，都需要連續(xù)采樣濾波還是加權(quán)平均濾波，都需要連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，然后求算術(shù)個(gè)數(shù)據(jù)，然后求算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。這種方法適合于有脈動(dòng)式干擾的場(chǎng)合。但平均值或加權(quán)平均值。這種方法適合于有脈動(dòng)式干擾的場(chǎng)合。但由于采樣由于采樣N個(gè)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，故檢測(cè)速度較慢?；瑒?dòng)平均值濾個(gè)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，故檢測(cè)速度較慢?；瑒?dòng)平均值濾波可克服此缺點(diǎn)。波可克服此缺點(diǎn)。 滑動(dòng)平均值濾波滑動(dòng)平均值濾波 在在RAM中建立一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依次存放中建立一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依次存放N個(gè)采樣數(shù)據(jù)，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個(gè)數(shù)

52、據(jù)丟掉，個(gè)采樣數(shù)據(jù)，每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個(gè)數(shù)據(jù)丟掉，然后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的然后求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。 有兩種滑動(dòng)平均值濾波有兩種滑動(dòng)平均值濾波 一種是算術(shù)平均濾波，另一種是加一種是算術(shù)平均濾波，另一種是加權(quán)平均濾波權(quán)平均濾波 提示提示：在滑動(dòng)平均值濾波開(kāi)始時(shí)，要先采集：在滑動(dòng)平均值濾波開(kāi)始時(shí)，要先采集N個(gè)數(shù)據(jù)存放在緩個(gè)數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中，然后再做滑動(dòng)平均值濾波。沖區(qū)中，然后再做滑動(dòng)平均值濾波。6） RC低通數(shù)字濾波低通數(shù)字濾波 右圖所示為右圖所示為RC低通濾波器，信號(hào)低通濾波器，信號(hào) X(s)頻率越高，旁路阻抗越低，頻

53、率越高，旁路阻抗越低，信號(hào)信號(hào) 越容易被濾掉，信號(hào)越容易被濾掉，信號(hào)X(s)頻率越低，旁路阻抗越高，信號(hào)越頻率越低，旁路阻抗越高，信號(hào)越不容易被濾掉。是電子線路中常用的一種濾波器。不容易被濾掉。是電子線路中常用的一種濾波器。 RC之積為濾波器的時(shí)間常數(shù)。之積為濾波器的時(shí)間常數(shù)。傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為 式中式中=RC，為環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。，為環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。 下面設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，其方法：一是計(jì)算該環(huán)節(jié)的廣義脈下面設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字濾波器，其方法：一是計(jì)算該環(huán)節(jié)的廣義脈沖傳遞函數(shù)；二是作沖傳遞函數(shù)；二是作Z反變換；三是離散化求得差分方程，即遞反變換；三是離散化求得差分方程，即遞推方程。推方程。計(jì)算廣義脈

54、沖傳遞函數(shù)計(jì)算廣義脈沖傳遞函數(shù) zeezeGGTTTsohssZssZzXzYzG1/11)1 (111)()()()()( 作作Z反變換反變換 由上式得由上式得 令令 ，用，用Z變換的實(shí)數(shù)位移定理變換的實(shí)數(shù)位移定理 ，對(duì)上式做對(duì)上式做Z反變換得反變換得離散化得差分方程離散化得差分方程 （用（用kT代替代替t，不寫，不寫T） 即為即為RC低通濾數(shù)字波器的數(shù)學(xué)公式低通濾數(shù)字波器的數(shù)學(xué)公式。式中，。式中， X(k)-第第k個(gè)采樣值；個(gè)采樣值； Y(k)-第第k次濾波輸出值；次濾波輸出值； Y(k-1)-第第k-1次濾波輸出值；次濾波輸出值； - 濾波平滑系數(shù)，濾波平滑系數(shù)， T - 為采樣周期；為

55、采樣周期； - 濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù))()1 ()()1 (/11/zXzYezzeTTeT/1)()(zEntteZzn) 1() 1()1 ()(kXkYkY)()()1 ()(TtxTtyty 平滑系數(shù)平滑系數(shù)與與T、的簡(jiǎn)化關(guān)系的簡(jiǎn)化關(guān)系 由由 ， 按級(jí)數(shù)展開(kāi)得按級(jí)數(shù)展開(kāi)得 =1+(-T/)+ (-T/)2/2! + (-T/)3/2!+ 若若T（一般能夠滿足）（一般能夠滿足） ，則有，則有 T/ 平平滑系數(shù)滑系數(shù)與平滑作用大小的關(guān)系與平滑作用大小的關(guān)系 越大，實(shí)際上平滑作用越小。越大，實(shí)際上平滑作用越小。 應(yīng)用應(yīng)用 把每一個(gè)采樣值把每一個(gè)采樣值X（k）代入（）代入（2-

56、1）進(jìn)行計(jì)算，即）進(jìn)行計(jì)算，即得到對(duì)應(yīng)的濾波后的值。得到對(duì)應(yīng)的濾波后的值。eT/1eT/eT/7）復(fù)合數(shù)字濾波）復(fù)合數(shù)字濾波 將兩種或兩種以上的數(shù)字濾波方將兩種或兩種以上的數(shù)字濾波方法聯(lián)合起來(lái)使用，其目的是進(jìn)一法聯(lián)合起來(lái)使用，其目的是進(jìn)一步提高濾波效果。步提高濾波效果。各種數(shù)字濾波性能比較：各種數(shù)字濾波性能比較： 濾波效果濾波效果 1）對(duì)于變化比較緩慢的信號(hào)）對(duì)于變化比較緩慢的信號(hào)，如溫度、物位等，可以選擇程，如溫度、物位等，可以選擇程序判斷濾波及一階滯后濾波。序判斷濾波及一階滯后濾波。 2）對(duì)于變化比較快的信號(hào)）對(duì)于變化比較快的信號(hào)，如壓力、流量、轉(zhuǎn)速等，可以選，如壓力、流量、轉(zhuǎn)速等，可以選

57、擇算術(shù)平均或加權(quán)平均濾波法。擇算術(shù)平均或加權(quán)平均濾波法。 3）對(duì)于要求較高系統(tǒng)）對(duì)于要求較高系統(tǒng)，可以采用復(fù)合濾波法，如算術(shù)平均加，可以采用復(fù)合濾波法，如算術(shù)平均加中值濾波等。中值濾波等。 濾波時(shí)間濾波時(shí)間 在滿足濾波效果的前提下，應(yīng)該盡量縮短濾波時(shí)間。在滿足濾波效果的前提下，應(yīng)該盡量縮短濾波時(shí)間。 數(shù)字濾波在熱工和化工直接數(shù)字控制（數(shù)字濾波在熱工和化工直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)不一定需要。）系統(tǒng)不一定需要。2標(biāo)度變換標(biāo)度變換 為了顯示、記錄、打印和便于操作人員監(jiān)控，為了顯示、記錄、打印和便于操作人員監(jiān)控，必須把二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的實(shí)際必須把二進(jìn)制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)值和單

58、位。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程就稱為數(shù)值和單位。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程就稱為標(biāo)度變換。標(biāo)度變換。 分為線性參數(shù)標(biāo)度變換和非線性參數(shù)標(biāo)度變分為線性參數(shù)標(biāo)度變換和非線性參數(shù)標(biāo)度變換換 。 1） 線性參數(shù)標(biāo)度變換線性參數(shù)標(biāo)度變換 線性參數(shù)標(biāo)度變換線性參數(shù)標(biāo)度變換是最常用的標(biāo)度變換，其變換前是最常用的標(biāo)度變換，其變換前提條件是提條件是被測(cè)物理量與被測(cè)物理量與A/D轉(zhuǎn)換得到的轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量為線性關(guān)數(shù)字量為線性關(guān)系系。 線性標(biāo)度變換的公式為線性標(biāo)度變換的公式為： 作變換得：作變換得： 顯然是線性關(guān)系。式中，顯然是線性關(guān)系。式中， A0-測(cè)量?jī)x表量程的下限；測(cè)量?jī)x表量程的下限； Am-測(cè)量?jī)x表量程的上限；測(cè)量?jī)x表量程的上限； A

59、x-實(shí)際測(cè)量值（工程量）；實(shí)際測(cè)量值（工程量）；N0-儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量； Nm-儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量； Nx-測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。NNNNAAAAmxmx0000)(NNNNAAAAmxmx0000 例：例： 某溫度測(cè)量?jī)x表的量程為某溫度測(cè)量?jī)x表的量程為10-50，采用采用8位位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，AD采樣值經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)采樣值經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為字量為7BH，求此時(shí)的溫度值。，求此時(shí)的溫度值。 NNAAAAmxmx3 .29255123)1050(10)(00解：根據(jù)題意知，解：根據(jù)題意知，A0= 10 ，

60、Am= 50 ，Nx=7BH=123D；取；取Nm=0FFH=255、N0=0。用公式得。用公式得2） 非線性參數(shù)標(biāo)度變換非線性參數(shù)標(biāo)度變換 一般情況下，非線性參數(shù)的變化規(guī)律各不相同，故一般情況下，非線性參數(shù)的變化規(guī)律各不相同，故其標(biāo)度變換公式也需根據(jù)各自的具體情況建立。其標(biāo)度變換公式也需根據(jù)各自的具體情況建立。例如在流量測(cè)量中，流量與壓差之間的關(guān)系為例如在流量測(cè)量中，流量與壓差之間的關(guān)系為 （2-3） 式中式中Q-流量；流量； P-節(jié)流裝置的壓差；節(jié)流裝置的壓差； K-刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)、節(jié)流裝置的尺刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)、節(jié)流裝置的尺寸有關(guān)。寸有關(guān)。 可見(jiàn)，流體的流量與被測(cè)流體流過(guò)節(jié)流