51单片机 信号输入输出课件.ppt

第七章 信号的输入输出技术 ;7.1 单片机应用系统的结构; 单片机应用系统的核心任务： 根据一定的输入（前向通道），结合一定的处理算法，然后作出一定的输出响应（后向通道）。 输入： 包括模拟输入和数字输入，电量信号输入和非电量信号输入。对于非电量输入需要通过传感器将非电物理量转换为模拟电信号。 预处理：一般包括放大器和滤波器两部分： 信号经过放大器的放大变为具有一定幅值的模拟输入信号； 滤波器（低通或带通）的作用则是滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。; A/D转换：将模拟信号转换为数字信号。 MCS-51单片机是整个系统的控制和处理核心，它是一个数字处理芯片，要求所有的输入和输出都是具有TTL电平的数字信号。这样模拟信号要想输入到单片机中必须先将其转换成数字信号。 A/D转换器的任务就是在满足奈奎斯特采样定理的条件下，将模拟信号转换为数字信号。 对于开关量，可以很容易的映射成数字的0或者1，即TTL的低电平和高电平，映射后的这些数字信号就可以直接输入到单片机内部。;输出： 处理的结果需要输出，对于开关量的输出，可以简单地经过映射部件，将单片机的TTL电平输出信号转换成所需要的开关量进行输出。 D/A转换： 有些输出需要以模拟信号的形式存在（如语音信号），单片机输出的TTL电平数字信号必须经过D/A转换。 由于转换后模拟信号中往往含有许多高频成分，因此也需要通过滤波器滤除这些高频信号，以获得平滑的模拟输出信号。有时候，输出的模拟信号还有电压、电流、功率等要求，D/A转换后的模拟信号需要经过一定的模拟电路来满足这些要求。;7.2 模拟信号的输入—传感器技术 ; 敏感元件： 传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件： 传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号。 信号调理和转换电路： 由于传感器输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理和转换电路，进行放大、运算调制等。 辅助电路： 主要是指电源。;7.2.1传感器的分类;7.2.2传感器特性; 当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号;又能使噪声干扰小，要求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。 与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。 当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。;2、响应特性 传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们总希望延迟的时间越短越好。 一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽; 结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。;3、线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。 对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。;4、稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。 为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题： 一、根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质。 二、要创造或保持