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1、微型计算机控制技术微型计算机控制技术第二章第二章第1页，本讲稿共40页2.3信号的采样和量化信号的采样和量化2.3.1 信号的采样信号的采样2.3.2 采样定理及频率的选择采样定理及频率的选择2.3.3 量化过程量化过程第2页，本讲稿共40页2.3信号的采样和量化信号的采样和量化在计算机控制系统中，模拟信号需要经过在计算机控制系统中，模拟信号需要经过A/D转换器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。首先通过采样和量化两个问题。首先通过采样器采样器，按预定的时，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
2、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，然后再通过拟信号，然后再通过A/D转换器转换器把离散信号进行量化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。过程是由不同的部件来完成的。第3页，本讲稿共40页2.3.1信号的采样信号的采样把时间连续的信号转换为一连串时间不连把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号，这个过程称为续的脉冲信号，这个过程称为“采样采样”，又称为又称为“抽样抽样”、“取样取样”。对连续信号。对连续信号的采样过程，可用图的采样过程，可用图2-4来描述。来描述。第
3、4页，本讲稿共40页（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：采样周期：T采样时间：采样时间：采样时刻：采样时刻：0T、1T、2T、3T第5页，本讲稿共40页图2-4（b）采样过程的模拟图图2-4（b）是用乘法器来描述的采样过程。）是用乘法器来描述的采样过程。f（t）为连续函数，为连续函数，s（t）为开关函数，为开关函数，fs（t）为为采样函数，即采样函数，即f（t）离散后之值。离散后之值。第6页，本讲稿共40页在在实际应实际应用中，由于用中，由于远远小于小于T，即，即/T0，故常用，故常用单单位脉冲函位脉冲函数数（t）来代替开关脉冲，用）来代替开关脉冲，用单单位脉冲序
4、列位脉冲序列T（t）代替开关函数）代替开关函数s（t）。）。可以证明，当可以证明，当t=nT时，单位脉冲序列可以表示为：时，单位脉冲序列可以表示为：式中，式中，n=0，1，2，；T为采样周期。为采样周期。这样，就可以以这样，就可以以离散函数离散函数f*（t）来代替采样函数来代替采样函数fs（t：）：）第7页，本讲稿共40页2.3.2采样定理及频率的选择采样定理及频率的选择在在讨论讨论采采样样信号信号时时，所关心的，所关心的问题问题是离散后的函数是离散后的函数f*（t）能否反映原模）能否反映原模拟拟信号信号f（t）的全部信息，采）的全部信息，采样样周期如周期如何何选择选择才能使才能使f*（t）不
5、失真地反映）不失真地反映f（t）的）的变变化。化。采采样频样频率越高，离散后的率越高，离散后的f*（t）越能接近）越能接近输输入信号入信号f（t）。但是，在）。但是，在实时实时控制系控制系统统中采中采样频样频率太高，会把率太高，会把许许多宝多宝贵贵的的时间时间用于采用于采样样，导导致致过过多的数据存多的数据存储储和运和运算，加重算，加重计计算机的算机的负负担，担，实时实时性差。性差。第8页，本讲稿共40页香香农农（Shannon）采）采样样定理：定理：若若信信号号的的最最高高频频率率为为fmax，只只要要采采样样频频率率f 2 fmax，采，采样样信号就能完全恢复原信号。信号就能完全恢复原信号
6、。应应当当指指出出，香香农农采采样样定定理理仅仅给给出出了了采采样样信信号能恢复模号能恢复模拟拟信号的理信号的理论论依据。依据。实实际际工工程程中中，采采样样周周期期的的选选择择要要考考虑虑诸诸多多因因 素素。工工 程程 上上，采采 样样 频频 率率 一一 般般 取取 f（410）fmax。第9页，本讲稿共40页2.3.3 量化过程量化过程整量化过程（简称量化）就是用一组数码整量化过程（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（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，如图值，将其转换成数字信号，如图2-6所示。所示。（a）离散模拟信号（b）数字信号图2-6
7、 量化过程第10页，本讲稿共40页模模拟拟信信号号可可以以具具有有无无穷穷多多的的数数值值，而而一一组组数数码码是是有有限限的的，因因此此用用数数码码来来逼逼近近模模拟拟信信号号是是近近似似的的，量量化化过过程程是一个是一个类类似四舍五入的似四舍五入的过过程。程。量量化化单单位位 q 是是指指量量化化后后二二进进制制数数的的最最低低位位所所对对应应的的模模拟拟量量的的值值。设设fmax和和fmin为为转转换换信信号号的的最最大大值值和和最小最小值值，则则量化量化单单位位为为：式中，式中，i 转换后二进制数的位数。转换后二进制数的位数。第11页，本讲稿共40页例如，模例如，模拟拟信号信号fmax
8、=16V、fmin=0V，取，取i=4采样时刻采样值（V）量化值采样时刻采样值（V）量化值0T9.010014T7.201111T5.901105T8.910012T4.401006T9.510103T5.801107T81000则,最大量化误差第12页，本讲稿共40页2.4 模拟量输入通道信号调理电路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、般由传感器及检测装置、信号调理电路信号调理电路、多路转换开关、采样保、多路转换开关、采样保持器、持器、A/D转换器、接口电路等组成。转换
9、器、接口电路等组成。第13页，本讲稿共40页2.4 模拟量输入通道信号调理电路模拟量输入通道信号调理电路信号调理电路信号调理电路就是对现场采集到的信号进就是对现场采集到的信号进行处理，使其满足行处理，使其满足A/D转换要求。转换要求。信号调理部分依据检测信号及受干扰情况信号调理部分依据检测信号及受干扰情况的不同而不同，通常包含的不同而不同，通常包含放大、放大、I/V转换、转换、滤波、线性化、隔离滤波、线性化、隔离等。等。第14页，本讲稿共40页2.4 模拟量输入通道信号调理电路模拟量输入通道信号调理电路2.4.1 信号的放大信号的放大2.4.2 I/V变换电路变换电路第15页，本讲稿共40页2
10、.4.1信号的放大信号的放大多数传感器产生的信号都比较微弱，需经过放大才多数传感器产生的信号都比较微弱，需经过放大才能满足能满足A/D转换器输入信号的幅度要求。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，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，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一般运放已不能胜任.在这种情况下，必需用在这种情况下，必需用低噪声、低漂移、高增益、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高输入阻抗和高共模抑制比的直流放大器，这类放大，这类放大
11、器常用的有测量放大器、可编程序放大器和隔离放大器。器常用的有测量放大器、可编程序放大器和隔离放大器。第16页，本讲稿共40页测量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；（高输入阻抗）和增益调整；后一级后一级为功率输出级，它将为功率输出级，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
12、共模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。抑制比。RG用来调节放大器的增益用来调节放大器的增益.第17页，本讲稿共40页由图可知，第一级：式中，式中，AV为放大器的增益。为放大器的增益。第18页，本讲稿共40页目前有许多集成测量放大器芯片可供用户目前有许多集成测量放大器芯片可供用户选用。如选用。如AD521、AD522等。等。AD522的典的典型应用如图型应用如图2-8所示。所示。图2-8 AD522典型应用第19页，本讲稿共40页可编程增益放大器可编程增益放大器可编程增益放大器（可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA），其放大倍
13、数可根据需），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，使通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量转换器满量程信号达到均一化，大大提高测量精度。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可编程增益放大器有组合组合PGA和和集成集成PGA两种。两种。第20页，本讲稿共40页1、组合、组合PGA图2-9基于AD522和模拟开关构成的组合PGA第21页，本讲稿共40页2、集成、集成PGA图2-10为AD526内部结构图2-11 AD526基本接法第22页，本讲稿共40页2.4.2 I/V变换电路变换电路为了提高系统的抗
14、干扰能力，通常情况下，为了提高系统的抗干扰能力，通常情况下，变送器输出的是变送器输出的是标准电流信号标准电流信号。因此需要。因此需要经过经过I/V变换，变成电压信号后才能进行变换，变成电压信号后才能进行A/D转换进而被计算机处理。转换进而被计算机处理。电流电流/电压转换电路是将电流信号成比例地电压转换电路是将电流信号成比例地转换成电压。常用转换成电压。常用I/V变换的实现方法有变换的实现方法有无无源源I/V变换变换和和有源有源I/V变换变换。第23页，本讲稿共40页一、无源一、无源I/V变换变换无源无源I/V变换主要利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输变换主要利用无源器件电阻来实现，并加滤波和
15、输出限幅等保护措施。出限幅等保护措施。图2-12无源I/V变换电路对于对于010mA输入信号，输入信号，可取可取R1100，R2500，且且R2为精密电阻，为精密电阻，这样当输入的电流这样当输入的电流I为为010mA时，时，I/V变换电路输出的电压为：05V第24页，本讲稿共40页二、有源二、有源I/V变换变换有源有源I/V变换主要是利用有源器件运算放大器组成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：对于对于010mA输入信号，若取输入信号，若取R1200，则，则I=10mA时，时，电阻电阻R1上产生上产生2V的电压，若取的电压，若取R3100
16、，R4150，该电路对应的输出电压为：该电路对应的输出电压为：05V 第25页，本讲稿共40页2.5 模拟开关及采样保持模拟开关及采样保持2.5.1 多路模拟开关多路模拟开关2.5.2 采样保持器采样保持器第26页，本讲稿共40页2.5 模拟开关及采样保持模拟开关及采样保持2.5.1 多路模拟开关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入信号依次地或随机地连接到公用放大器或A/D转换转换器上。器上。理想
17、的多路开关开路电阻为无穷大，接通电阻为零。此外，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。还希望切换速度快，噪音小、寿命长、工作可靠。第27页，本讲稿共40页目前广泛采用的模拟开关有：目前广泛采用的模拟开关有：机械式机械式和和电子式电子式机械式的指采用干簧继电器、湿簧继电器组成的模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。
18、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。集成、体积小。第28页，本讲稿共40页1.CD4051CD4051又称又称8通道单端双向多路转换器。通道单端双向多路转换器。内部由内部由逻辑电平转换逻辑电平转换、二进制译码器二进制译码器和和8个个开关开关组成，如图组成，如图2-14所示。所示。第29页，本讲稿共40页图2-14 CD4051电路原理图输入状态接通通道INHC B A1 均不通000
19、 00#000 11#001 02#001 13#010 04#010 15#011 06#011 17#表2-5 CD4051真值表第30页，本讲稿共40页2.多路模拟开关应用举例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。就必须把多路开关进行扩展连接。扩展连接的方法有扩展连接的方法有并联并联和和串联串联两种方法。两种方法。第31页，本讲稿共40页改变数据线改变数据线A2A0即可分即可分别选通别选通U1或或U2芯片的芯片的8通道之一。芯片的选通
20、通道之一。芯片的选通则由数据线则由数据线A3的状态决的状态决定。定。优点优点:连线简单；连线简单；缺点缺点:并联得越多，不导通并联得越多，不导通通道加在导通通道上的泄漏通道加在导通通道上的泄漏电流越大。电流越大。（a）并联扩展电路第32页，本讲稿共40页U3的每一个的每一个输输入端入端对应对应前前级级芯芯片的一个片的一个输输出端，最多可出端，最多可扩扩展展为为64路。路。地址低地址低4位用于位用于U1、U2芯片的允芯片的允许输许输入和通道控制，每次只允入和通道控制，每次只允许许选选中一个芯片的一个中一个芯片的一个输输入端。入端。地址高地址高4位用于控制位用于控制U3芯片的芯片的输输入和入和输输
21、出。出。（b）串联扩展电路A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 1第33页，本讲稿共40页选用多路模拟开关应注意的问题：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）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。点式开关。（2）尽可能选取）尽可能选取单片模拟开关集成电路单片模拟开关集成电路；在使用多片组合时，也；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。宜选用同一型号的芯片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）在选择多路模拟开关
22、的速度时，要考虑到后级采样保持电路和持电路和A/D转换的速度，只需略大于它们的速度即可，转换的速度，只需略大于它们的速度即可，不不必一味追求高速必一味追求高速。（4）在使用高精度采样）在使用高精度采样/保持和保持和A/D转换进行精密数据采集和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。关漂移特性。第34页，本讲稿共40页2.5.2 采样保持器采样保持器在对模拟信号进行模在对模拟信号进行模/数变换时，从启动变换到变换结束数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即的数字量输出，需要
23、一定的时间，即A/D转换器的转换器的孔径时孔径时间间。当输入信号频率提高时，由于孔径时间的存在，会造。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；在样状态；在A/D转换开始时将信号电平保持住，这种功能转换开始时将信号电平保持住，这种功能的器件叫的器件叫采样采样/保持器（保持器（Sample/Holder，S/H）。第35页，本讲稿共40页采样保持器的主要作用为：采样保持器的主要作用为：（1
24、）在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号；在保持时间内，）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，为保持采样值不变，为A/D转换器提供恒定的转换信号。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）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。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）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。号。（4）在多路输出通道中，把一个）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，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
25、出的稳定性。也常利用采样保持器保证输出的稳定性。第36页，本讲稿共40页1.采样保持电路的工作原理采样保持电路的工作原理采采样样保持保持电电路由路由输输入入缓缓冲放大器冲放大器A1、模、模拟拟开关开关AS、模模拟拟信号存信号存储电储电容容CH及及输输出出缓缓冲放大器冲放大器A2组组成。成。A1、A2接成跟随器的形式，具有高接成跟随器的形式，具有高输输入阻抗、低入阻抗、低输输出阻抗的出阻抗的特点。特点。图2-17采样保持电路的原理框图第37页，本讲稿共40页工作原理：工作原理：模模拟拟开关开关AS闭闭合合时时，进进入采入采样样状状态态（跟踪），由于（跟踪），由于A1输输出出阻抗小，阻抗小，A1输
26、输出端出端给电给电容容CH快速充快速充电电，输输出跟随出跟随输输入入变变化；化；模模拟拟开关开关AS断开断开时时，进进入保持状入保持状态态，由于，由于A2输输入阻抗大，入阻抗大，输输入入电电流几乎流几乎为为0，保，保证输证输出端的出端的电压值电压值不不变变。保持电容保持电容CH的选择：的选择：性能的好坏在性能的好坏在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，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。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。第38页，本讲稿共40页2.常用的采样保持器常用的采样保持器目前，常用的集成采样保持器有目前，常用的集成采样保持器有LF198/298/398等。它们的基本原理相同。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，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。保持下降速率慢及精度高等特点。第39页，本讲稿共40页（a）LF198/298/398原理图（b）LF198/298/398应用电路第40页，本讲稿共40页