微型计算机控制技术_第二章2.ppt

第2章 输入/输出接口与过程通道 2.3信号的采样和量化 2.3.1 信号的采样 2.3.2 采样定理及频率的选择 2.3.3 量化过程 2.3信号的采样和量化 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。 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。 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。 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： 2.3.2采样定理及频率的选择 在讨论采样信号时，所关心的问题是离散后的函数f *（t）能否反映原模拟信号f（t）的全部信息，采样周期如何选择才能使f *（t）不失真地反映f（t）的变化。 采样频率越高，离散后的f *（t）越能接近输入信号f（t）。但是，在实时控制系统中采样频率太高，会把许多宝贵的时间用于采样，导致过多的数据存储和运算，加重计算机的负担，实时性差。 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 。 2.3.3 量化过程 整量化过程（简称量化）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。 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fmax和fmin为转换信号的最大值和最小值，则量化单位为： 例如，模拟信号fmax=16V、fmin=0V，取i=4 2.4 模拟量输入通道信号调理电路 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。 2.4 模拟量输入通道信号调理电路 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。 2.4 模拟量输入通道信号调理电路 2.4.1 信号的放大 2.4.2 I/V变换电路 2.4.1信号的放大 多数传感器产生的信号都比较微弱，需经过放大才能满足A/D转换器输入信号的幅度要求。 当传感器的工作环境恶劣时，传感器的输出有各种噪声，共模干扰很大，而传感器的输出小，输出阻抗很大时，一般运放已不能胜任. 在这种情况下，必需用低噪声、低漂移、高增益、高输入阻抗和高共模抑制比的直流放大器，这类放大器常用的有测量放大器、可编程序放大器和隔离放大器。 测量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. 前两级组成具有对称结构的差动放大电路，其作用是阻抗变换（高输入阻抗）和增益调整；后一级为功率输出级，它将A1、A2的差动输入双端输出信号转换为单端输出信号，且提高共模抑制比。RG用来调节放大器的增益. 目前有许多集成测量放大器芯片可供用户选用。如AD521、AD522等。AD522的典型应用如图2-8所示。 可编程增益放大器 可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA），其放大倍数可根据需要用程序进行控制。采样这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，大大提高测量精度。 可编程增益放大器有组合PGA和集成PGA两种。 1、组合PGA 2、集成PGA 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。 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