[理学]WX02_微型计算机控制技术_第二章2_改2011.ppt

第2章 输入/输出接口与过程通道 （二） 2.3 信号的采样和量化（掌握） 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 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umax和umin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umax=16V、umin=0V，取i=4，则q=1V，量化误差最大值为±1/2V。在图2-6中，采样值和量化值的对应如表2-2所示。 2.4 模拟量输入通道信号调理电路（了解） 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。 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。 2.4.1 信号的放大 测量放大器又称仪表放大器，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，如图2-7所示。 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。 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等保护措施。 二、有源I/V变换 有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器组成 2.5 模拟开关及采样保持（重点） 2.5.1 多路模拟开关 多路模拟开关又称多路转换器，是用来进行模拟电压信号切换的关键元件。利用多路模拟开关可将各个输入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换器上。为了提高过程参数的测量精度，对多路开关提出了较高的要求。理想的多路开关开路电阻为无穷大，接通电阻为零。此外，还希望切换速度快，噪音小、寿命长、工作可靠。 目前广泛采用的模拟开关有：机械式和电子式 机械式的指采用干簧继电器组成的模拟开关。导通电阻低，开路电阻无穷大，但响应速度比较慢，而且使用久了触点不易清洗，易有误动作，寿命短。通常在低速、高精度的系统中采用。 电子式模拟开关由各类半导体工艺制作的模拟开关，有晶体管和场效应管两种，其特点是速度快、寿命长易于集成、体积小。 1. CD4051 CD4051又称8通道单端双向多路转换器。内部由逻辑电平转换、二进制译码器和8个开关组成，如图2-14所示。 2. 多路模拟开关应用举例 在实际应用中，