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1、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。,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
2、，可用图2-4来描述。,（a）模拟信号数字化处理过程,图2-4 连续信号的采样过程,采样周期：T采样时间：采样时刻：0T、1T、2T、3T,图2-4（b）采样过程的模拟,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，由于远小于T，即/T0，故常用单位脉冲函数（t）来代替开关脉冲，用单位脉冲序列T（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：,式中，n=0，1，2，；T为采样周期。,这样，就可以以离散函数f*（t）来代替采样函数fs（t：）,采样定理及频率的选择,在讨论采
3、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（410）fmax。,2.3.
4、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。,（a）离散模拟信号（b）数字信号图2-6 量化过程,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：,式中，i 转换后二进制数的位数。,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
5、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,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
6、.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.,由图可知，第一级：,式中，AV为放大器的增益。,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
7、所示。,图2-8 AD522典型应用,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,图2-9基于AD522和模拟开关构成的组合PGA,2、集成PGA,图2-10为AD526内部结构,图2-11 AD526基本接法,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
8、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。,图2-12无源I/V变换电路,对于010mA输入信号，可取R1100，R2500，且R2为精密电阻，这样当输入的电流I为010mA时，,I/V变换电路输出的电压为：,05V,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,图2-13有源I/V变换电路,该同相放大电路的放大倍数为：,对于010mA输入信号，若取R1200，则I=10mA时，电阻
9、R1上产生2V的电压，若取R3100，R4150，该电路对应的输出电压为：,05V,2.5 模拟开关及采样保持,2.5.1 多路模拟开关2.5.2 采样保持器,2.5 模拟开关及采样保持,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。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、湿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
10、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。,图2-14 CD4051电路原理图,表2-5 CD4051真值表,2.多路模拟开关应用举例,在实际应用中，往往由于被测参数多，一个多路开关不能满足通道数的要求，此时就必须把多路开关进行扩展连接。扩展连接的方法有并联和串联两种方法。,改变数据线A2A0即可分别选通U1或U2芯片的8通道之一
11、。芯片的选通则由数据线A3的状态决定。优点:连线简单；缺点:并联得越多，不导通通道加在导通通道上的泄漏电流越大。,（a）并联扩展电路,U3的每一个输入端对应前级芯片的一个输出端，最多可扩展为64路。地址低4位用于U1、U2芯片的允许输入和通道控制，每次只允许选中一个芯片的一个输入端。地址高4位用于控制U3芯片的输入和输出。,（b）串联扩展电路,A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 1,选用多路模拟开关应注意的问题：（1）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，可选用机械触点式开关。（2）尽可能选取单片模拟开关集成电路；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片
12、以尽可能使每个通道的特性一致。（3）在选择多路模拟开关的速度时，要考虑到后级采样保持电路和A/D转换的速度，只需略大于它们的速度即可，不必一味追求高速。（4）在使用高精度采样/保持和A/D转换进行精密数据采集和测量时，需考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需注意模拟开关漂移特性。,2.5.2 采样保持器,在对模拟信号进行模/数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始前能跟踪输入信号的变化，即对输入信号处于采样状态；在A/D转换开始时将信号电平保持住，
13、这种功能的器件叫采样/保持器（Sample/Holder，S/H）。,采样保持器的主要作用为：（1）在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号；在保持时间内，保持采样值不变，为A/D转换器提供恒定的转换信号。（2）在多路采样系统中，通过采样保持器，可以实现多路信号的同步采样。（3）在模拟量输出通道中，作为零阶保持器，复现离散的数字信号。（4）在多路输出通道中，把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，也常利用采样保持器保证输出的稳定性。,1.采样保持电路的工作原理,采样保持电路由输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH及输出缓冲放大器A2组成。A1、A2接成跟随器的形式，具有高输入阻抗
14、、低输出阻抗的特点。,图2-17采样保持电路的原理框图,工作原理：模拟开关AS闭合时，进入采样状态（跟踪），由于A1输出阻抗小，A1输出端给电容CH快速充电，输出跟随输入变化；模拟开关AS断开时，进入保持状态，由于A2输入阻抗大，输入电流几乎为0，保证输出端的电压值不变。保持电容CH的选择：性能的好坏在S/H电路中有着举足轻重的作用，保持电容通常是外接的，一般选取聚苯乙烯、聚四氟乙烯等高质量的电容器。一般来说，CH电容越小，可提高采样频率，但会降低精度，且下降率也会增大。,2.常用的采样保持器,目前，常用的集成采样保持器有LF198/298/398等。它们的基本原理相同。LF198/298/398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样保持电路，它具有采样速度高，保持下降速率慢及精度高等特点。,（a）LF198/298/398原理图,（b）LF198/298/398应用电路,
