第4章硬件电路精讲.ppt

第4章 过程输入输出通道接口技术 4.1 概述4.1.1 信号和采样定理 1．信号类型 在计算机控制系统中，常用的信号有三种类型： （1）模拟（连续）信号 在时间上连续取值，在幅值上连续取值的信号，一般用十进制表示。所谓连续就是连续变化不发生突变，这种是控制对象需要的信号。 （2）离散模拟信号 在时间上断续取值，在幅值上连续取值的信号。这种是在信号变换过程中需要的中间信号。 （3）数字（离散）信号 在时间上断续取值，在幅值上断续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。 2．采样过程的数学描述 离散系统的采样形式有： 周期采样，就是以相同的时间间隔进行采样，即 =常量（T） ）。T为采样周期。 多阶采样：在这种形式下， 是周期性重复，即 =常量， 。 随机采样：采样周期是随机的，不固定的，可在任意时刻进行采样。 模拟信号采样或离散化的示意图如图4-2所示。 图4-2 模拟信号采样示意图 3．采样定理 采样定理：由采样信号 完全无失真地恢复原信号 的条件是采样速度要满足下式： 其中： ，为采样角速度；T为采样周期； 为原信号 频谱中最高角频率； 为 的各种信号分量中最小的时间常数。 4.1.2 采样/保持器 1．采样/保持器的工作原理 采样/保持器主要由模拟开关、保持元件C、缓冲放大器组成，如图4-7所示。 当控制信号为低电平时（采样阶段），开关S闭合，输入信号通过电阻向电容C充电，要求充电时间越短越好，以使电容电压迅速达到输入电压值。 当控制信号为高电平时（保持阶段），开关S断开，A/D转换器根据电容C上的电压进行转换，电容维持稳定电压的时间越长越好。 2．常用采样/保持器 常用的采样/保持器有AD582、AD583、LF198/398等。 LF198/LF298/LF398是由场效应管构成的采样/保持电路，它具有采样速度高，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。 LF198/298/398的引脚如图4-8所示。 当控制逻辑IN－接地时，控制电平与TTL电平兼容。 保持电容CH的选取取决于保持时间的长短。当CH=0.01μF，CH上的电压到达0.01%精度时，需25μs，CH上的电压下降率为3mV/s。若A/D转换时间为100μs，CH上的电压下降约0.3μV。 LF398的应用如图4-9所示。 4.1.3 模拟开关 在用计算机进行测量和控制中，经常需要有多路和多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，且由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，对系统的校准带来很大困难；并且对于多路巡检如128路信号采集情况，每路单独采用一个回路几乎是不可能的。 因此，除特殊情况下采用多路独立的放大、A/D和D/A外，通常采用公共的采样/保持及A/D转换电路，而要实现这种设计，往往采用多路模拟开关。 1．模拟开关的参数 多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列参数： （1）通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关尽管断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。 （2）泄漏电流：如果信号源内阻很大，传输的是个电流量，此时就更要考虑多路开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。 （3）切换速度：对于需传输快速变化信号的场合，就要求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采保和A/D的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路开关的切换速度。 （4）开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零，而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法达到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。 另外，多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。 2．常用模拟开关 （1）CD4051 CD4051为单端8通道低价格模拟开关，引脚如图4-10所示。 其中INH为禁止端，当INH为高电平时，八个通道全部禁止；当INH为低电平时，由A、B、C决