微型计算机控制技术_第二章2.ppt

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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

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