計算機(jī)控制第二章-1

1、第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成第二章第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成一、采樣與復(fù)現(xiàn)一、采樣與復(fù)現(xiàn)二、量化二、量化 三、數(shù)三、數(shù)/模模(D/A)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器四、模四、模/數(shù)數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器五、開關(guān)量輸入輸出接口五、開關(guān)量輸入輸出接口六、六、Z變換變換第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成DA轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器被控對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控參數(shù)微處理器微型計算機(jī)給定信號圖圖2-1 計算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖計算機(jī)控制系統(tǒng)基本框圖圖圖2-1給出了按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖給出了按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖一、一、 采樣與復(fù)現(xiàn)采樣與復(fù)現(xiàn)第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成1. 數(shù)字信號數(shù)字信號 模擬信號模擬信號

2、采樣信號采樣信號 采樣保持信號采樣保持信號 數(shù)字信號數(shù)字信號反饋測量的模擬信號：時間連續(xù)、幅值連續(xù)反饋測量的模擬信號：時間連續(xù)、幅值連續(xù)f (t)計算機(jī)接收的數(shù)字信號：時間離散、幅值離散計算機(jī)接收的數(shù)字信號：時間離散、幅值離散f *(nT)圖圖2-2 數(shù)字信號過程數(shù)字信號過程第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成2. 采樣定義采樣定義 按一定的時間間隔按一定的時間間隔T，將時間上連續(xù)和幅值，將時間上連續(xù)和幅值上也連續(xù)的模擬量信號上也連續(xù)的模擬量信號f(t)轉(zhuǎn)變成在時刻轉(zhuǎn)變成在時刻0、T、2T、nT的一連串離散模擬信號的一連串離散模擬信號f *(t)或或 f (nt)的過的過程成為程成為采樣過程采樣過程，執(zhí)

3、行，執(zhí)行采樣動作的開關(guān)稱為采樣動作的開關(guān)稱為采樣采樣開關(guān)開關(guān)； 0、 T、2T、nT為為采樣時刻采樣時刻；T為為采樣采樣周期周期; 采樣過程持續(xù)時間成為采樣過程持續(xù)時間成為采樣寬度采樣寬度。采樣信采樣信號在時間軸上離散的，在函數(shù)軸上是連續(xù)的。號在時間軸上離散的，在函數(shù)軸上是連續(xù)的。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成局部與整體的關(guān)系。局部與整體的關(guān)系。問題：局部是否能反映整體？問題：局部是否能反映整體？第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成3. 采樣過程采樣過程 采樣信號用采樣信號用f *(t)表示，其中表示，其中*代表信號在時間上代表信號在時間上離散的。采樣信號離散的。采樣信號f *(t) 的每個采樣值的每個采樣

4、值f (nT)都看作是都看作是一個強(qiáng)度為一個強(qiáng)度為f (nT)的脈沖函數(shù)，即的脈沖函數(shù)，即f (nT) (t-nT)。 整個采樣信號整個采樣信號f *(t)可看作一個加權(quán)脈沖序列可看作一個加權(quán)脈沖序列0)()()(*nnTtnTftf第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成4. 零階保持過程零階保持過程 將采樣信號將采樣信號f *(t) 的每個瞬時采樣值的每個瞬時采樣值f (nT)一直保一直保持到下一個瞬時采樣值持到下一個瞬時采樣值 f (nT+T)出現(xiàn)之前的過程。輸出現(xiàn)之前的過程。輸入輸出關(guān)系表示為：入輸出關(guān)系表示為：Tt0 )()(nTftnTfh 零階保持過程對輸入的每個采樣脈沖都輸出一零階保持過程對

5、輸入的每個采樣脈沖都輸出一個方波，方波幅值同采樣脈沖的采樣值個方波，方波幅值同采樣脈沖的采樣值f(f(n nT)T)相等，相等，其時間寬度為一個采樣周期其時間寬度為一個采樣周期T (T (繪出圖形繪出圖形) )第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析 f (t)與與f *(t)的特性差別的特性差別 f (t)為時間連續(xù)函數(shù)，為時間連續(xù)函數(shù)， f *(t)為時間離散函數(shù)，為時間離散函數(shù)，由由f *(t)只知道只知道f (t)在各采樣時刻的數(shù)值在各采樣時刻的數(shù)值f (nT), 相鄰相鄰采樣點之間采樣點之間f (t)狀況不知狀況不知。因此需要研究：。因此需要研究： (a) 采樣信號采

6、樣信號f *(t)能否完全反映連續(xù)信號能否完全反映連續(xù)信號f (t)的變化規(guī)律，或者的變化規(guī)律，或者f *(t)能否包含能否包含f (t)的全部信息；的全部信息； (b) 采樣信號采樣信號f *(t)的信息損失和采樣周期關(guān)系的信息損失和采樣周期關(guān)系如何。如何。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析0*)()()2() 1 ()0()(nnTttfffftf1) 采樣過程的數(shù)學(xué)描述采樣過程的數(shù)學(xué)描述 (a) 采樣信號描述采樣信號描述 (b) 理想開關(guān)的數(shù)學(xué)模型理想開關(guān)的數(shù)學(xué)模型 理想脈沖信號理想脈沖信號 調(diào)制器的載波信號調(diào)制器的載波信號0)()(nTnTtt第二章 計算機(jī)控制系

7、統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析 (c) 脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器 (d) 理想采樣過程的描述理想采樣過程的描述)()()(*ttftfT第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析tjnwnTseTt 1)(2) 采樣信號的頻譜分析（頻率域分析）采樣信號的頻譜分析（頻率域分析） 假設(shè)連續(xù)信號假設(shè)連續(xù)信號f (t)的富氏變換式為的富氏變換式為F(jw)，采樣后，采樣后信號信號f *(t)的富氏變換式用的富氏變換式用F*(jw)表示。理想脈沖序表示。理想脈沖序列列T(t)是一個周期為是一個周期為T的函數(shù)，其富氏級數(shù)為的函數(shù)，其富氏級數(shù)為其中其中 為采樣角頻率為采樣角頻率Tws2第二章

8、 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析nsjnwsFTsF)(1)(*ntjnwTsetfTttftf)(1)()()(*將上式代入得將上式代入得nsnsnwwjFTjnwjwFTjwF)(1)(1)(*上式拉氏變換上式拉氏變換令令s = jw 有有第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析假定連續(xù)信號假定連續(xù)信號f (t)的頻譜為：的頻譜為：根據(jù)上式結(jié)論，其采樣（離散）信號根據(jù)上式結(jié)論，其采樣（離散）信號f *(t)的頻譜為：的頻譜為：第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析可得到如下結(jié)論：可得到如下結(jié)論： (a) n=0的項為的項為 (1/T)F(

9、jw)，通常稱為基本頻譜。，通常稱為基本頻譜。它正比于原連續(xù)信號它正比于原連續(xù)信號f (t)的頻譜；的頻譜； (b) 同時派生出以同時派生出以ws為周期的，無限多個高頻頻為周期的，無限多個高頻頻譜分量譜分量(1/T)F(jw-jnws)； (c) F(jw)的頻帶寬度是有限的，為一孤立的連續(xù)的頻帶寬度是有限的，為一孤立的連續(xù)頻譜，最高頻譜為頻譜，最高頻譜為wmax；第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析采樣信號分析 (d) F*(jw) 由形狀相似的無窮多個分頻譜疊加而由形狀相似的無窮多個分頻譜疊加而成，間隔為采樣頻率成，間隔為采樣頻率ws ；第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 采樣信號分析

10、采樣信號分析 (e) 主頻譜，次頻譜；主頻譜，次頻譜； (f ) 混疊現(xiàn)象；混疊現(xiàn)象； (g) 低通濾波，信息全部包含，不失真。低通濾波，信息全部包含，不失真。 如果讓采樣信號通過一個理想濾波器，將所有派如果讓采樣信號通過一個理想濾波器，將所有派生出來的高頻分量全部濾掉，而同時保留其基本頻譜生出來的高頻分量全部濾掉，而同時保留其基本頻譜信號。那么經(jīng)過這樣處理后的信號，只要將其幅值放信號。那么經(jīng)過這樣處理后的信號，只要將其幅值放大大T倍，就能完全重現(xiàn)原信號。倍，就能完全重現(xiàn)原信號。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖2-6第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖2-7第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)

11、構(gòu)成6. 香農(nóng)采樣定量香農(nóng)采樣定量 要完全濾掉高頻分量，篩選出基本頻譜，從而要完全濾掉高頻分量，篩選出基本頻譜，從而根據(jù)采樣信號根據(jù)采樣信號f *(t)來復(fù)現(xiàn)采樣前的連續(xù)信號來復(fù)現(xiàn)采樣前的連續(xù)信號f (t)，采樣頻率采樣頻率ws必須大于或等于連續(xù)信號必須大于或等于連續(xù)信號f (t)頻譜中最高頻譜中最高頻率頻率wmax的兩倍，即的兩倍，即 ws=2wmax 這就是有名的香農(nóng)這就是有名的香農(nóng)(Shannon)采樣定理。采樣定理。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成7. 信號重構(gòu)信號重構(gòu) 離散模擬信號離散模擬信號 F*(t)是對是對F(t)的取樣，即的取樣，即 F*(t)和和F(t)的關(guān)系是局部與整體的關(guān)系。

12、現(xiàn)在問題是如何的關(guān)系是局部與整體的關(guān)系?，F(xiàn)在問題是如何由由F*(t)唯一確定模擬信號唯一確定模擬信號F(t) 。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成7. 信號重構(gòu)信號重構(gòu) 若能構(gòu)造一個理想濾波器若能構(gòu)造一個理想濾波器G(f)，能夠完全保留主，能夠完全保留主頻譜分量，而除去采樣引起的附加頻譜分量，就可不頻譜分量，而除去采樣引起的附加頻譜分量，就可不失真地復(fù)現(xiàn)模擬信號。該理想濾波器頻率特性有如下失真地復(fù)現(xiàn)模擬信號。該理想濾波器頻率特性有如下形式形式第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成7. 信號重構(gòu)信號重構(gòu) 具有銳截止頻率的理想濾波器實際是做不到的，具有銳截止頻率的理想濾波器實際是做不到的，工程上通常采用具有低通濾波功

13、能的零階保持器近工程上通常采用具有低通濾波功能的零階保持器近似代替似代替)( 1)( 1)(Ttttgh第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8. 零階保持器零階保持器 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，主要由保持器實現(xiàn)將數(shù)字在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，主要由保持器實現(xiàn)將數(shù)字信號復(fù)現(xiàn)為時間連續(xù)模擬信號。信號復(fù)現(xiàn)為時間連續(xù)模擬信號。 從數(shù)學(xué)上講從數(shù)學(xué)上講：保持器的任務(wù)就是解決各采樣點：保持器的任務(wù)就是解決各采樣點X(nT)之間的插值問題。之間的插值問題。 在物理實現(xiàn)上在物理實現(xiàn)上：保持器常以：保持器常以nT和和nT時刻前的時刻前的X(nT)值外推值外推( nT+ t)時刻的時刻的X(t)值，其中，值，其中， 0tT。 由數(shù)由數(shù)/

14、模模(D/A)轉(zhuǎn)換器物理實現(xiàn)的保持器稱轉(zhuǎn)換器物理實現(xiàn)的保持器稱零階保持零階保持器器。它的功能是把。它的功能是把nT時刻的數(shù)字保持到下一個采樣時時刻的數(shù)字保持到下一個采樣時刻。即刻。即 X(nT+ t)=X(nT) (0tT) 第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8. 零階保持器零階保持器 零階保持器的作用是在信號傳遞過程中，把第零階保持器的作用是在信號傳遞過程中，把第 nT時刻的采樣信號值一直保持到第時刻的采樣信號值一直保持到第(n+1)T時刻的前時刻的前一瞬時，把第一瞬時，把第(n+1)T時刻的采樣值一直保持到時刻的采樣值一直保持到 (n+2)T時刻，依次類推，從而把一個脈沖序列時刻，依次類推，從而把

15、一個脈沖序列e*(t)變成一個連續(xù)的階梯信號變成一個連續(xù)的階梯信號eh(t)。因為在每一個采。因為在每一個采 樣樣區(qū)間內(nèi)區(qū)間內(nèi)eh(t)的值均為常值，亦即其一階導(dǎo)數(shù)為零，的值均為常值，亦即其一階導(dǎo)數(shù)為零，故稱為零階保持器。故稱為零階保持器。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8. 零階保持器零階保持器零階保持器的輸入、輸出關(guān)系：零階保持器的輸入、輸出關(guān)系： 如果把階梯信號的中點連起來，則可以得到與如果把階梯信號的中點連起來，則可以得到與e(t)形狀一致而時間上遲后半個采樣周期形狀一致而時間上遲后半個采樣周期(T/2)的響應(yīng)曲的響應(yīng)曲線線e(t-T/2).第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8. 零階保持器零階保持

16、器脈沖過渡函數(shù)可為脈沖過渡函數(shù)可為: 相應(yīng)的拉氏變換式為相應(yīng)的拉氏變換式為: 第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8. 零階保持器零階保持器零階保持器的傳遞函數(shù)零階保持器的傳遞函數(shù): 零階保持器的頻率特性為零階保持器的頻率特性為: 零階保持器幅頻和相頻特性零階保持器幅頻和相頻特性第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8. 零階保持器零階保持器根據(jù)頻率特性，零階保持器具有以下特點根據(jù)頻率特性，零階保持器具有以下特點: (1) 零階保持器具有低通濾波特性。當(dāng)頻率小于零階保持器具有低通濾波特性。當(dāng)頻率小于等于等于0.5倍采樣頻率時，低頻段頻率特性與理想的低倍采樣頻率時，低頻段頻率特性與理想的低通濾波器特性相似，高頻段，幅

17、值有較大的衰減，通濾波器特性相似，高頻段，幅值有較大的衰減，與低通濾波器有較大的差別，因而零階保持器不能與低通濾波器有較大的差別，因而零階保持器不能完全濾掉高頻成分，用零階保持器恢復(fù)的信號與原完全濾掉高頻成分，用零階保持器恢復(fù)的信號與原信號相比有一定的畸變；信號相比有一定的畸變；第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8. 零階保持器零階保持器 (2) 零階保持器有相位滯后。頻率越高，滯后越大，零階保持器有相位滯后。頻率越高，滯后越大，類似與滯后環(huán)節(jié)。它的引入不利于閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。類似與滯后環(huán)節(jié)。它的引入不利于閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但與其他濾波器相比，相位滯后較小，固常用。在可但與其他濾波器相比，相位滯后較小

18、，固常用。在可能的情況下應(yīng)增加采樣頻率，可以減少零階保持器的能的情況下應(yīng)增加采樣頻率，可以減少零階保持器的相位滯后；相位滯后； (3) 零階保持器是以一個采樣時刻的值外推的，而零階保持器是以一個采樣時刻的值外推的，而一階保持器是以兩個采樣時刻的值外推的，以斜線段一階保持器是以兩個采樣時刻的值外推的，以斜線段近似表示原信號；近似表示原信號； (4) 零階保持器與一階保持器相比恢復(fù)精度低，但零階保持器與一階保持器相比恢復(fù)精度低，但產(chǎn)生的負(fù)相移小，外推方法簡單，工程容易實現(xiàn)，工產(chǎn)生的負(fù)相移小，外推方法簡單，工程容易實現(xiàn)，工程上普遍采用。程上普遍采用。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成9. 采樣周期的選擇采樣

19、周期的選擇 采樣周期（頻率）的選擇十分重要，關(guān)系到相位滯采樣周期（頻率）的選擇十分重要，關(guān)系到相位滯后的問題。下面從理論和工程經(jīng)驗上分析上來討論選后的問題。下面從理論和工程經(jīng)驗上分析上來討論選擇采樣周期：擇采樣周期： (1) 采樣周期越小，采樣信號的信息損失越小，信采樣周期越小，采樣信號的信息損失越小，信號恢復(fù)精度越高，控制系統(tǒng)的性能越好號恢復(fù)精度越高，控制系統(tǒng)的性能越好 ； (2) T過小，會使系統(tǒng)調(diào)節(jié)過于頻繁，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)不過小，會使系統(tǒng)調(diào)節(jié)過于頻繁，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能及時響應(yīng)而加快磨損，同時運(yùn)算次數(shù)增加，計算機(jī)能及時響應(yīng)而加快磨損，同時運(yùn)算次數(shù)增加，計算機(jī)負(fù)擔(dān)加重；負(fù)擔(dān)加重； (3) T過大，

20、使采樣信號不能及時反映連續(xù)測量信號過大，使采樣信號不能及時反映連續(xù)測量信號的基本變化規(guī)律，同時由于控制不及時使系統(tǒng)動態(tài)品的基本變化規(guī)律，同時由于控制不及時使系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)惡化。所以采樣周期不能過大也不能過小；質(zhì)惡化。所以采樣周期不能過大也不能過??；第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成9. 采樣周期的選擇采樣周期的選擇(4) 處理信號時采樣周期的選擇：處理信號時采樣周期的選擇： 若允許有復(fù)現(xiàn)延時，則只要選擇若允許有復(fù)現(xiàn)延時，則只要選擇T 1/2WC 就夠了。就夠了。但若對復(fù)現(xiàn)延時時間有限制時，實踐指出，用零階保但若對復(fù)現(xiàn)延時時間有限制時，實踐指出，用零階保持器復(fù)現(xiàn)模擬信號時，應(yīng)使用更高的采樣頻率。持器復(fù)現(xiàn)模

21、擬信號時，應(yīng)使用更高的采樣頻率。 即采即采樣定理為理論指導(dǎo)原則，不能直接用來確定采樣周期，樣定理為理論指導(dǎo)原則，不能直接用來確定采樣周期，還需要考慮模擬信號和被控對象的動態(tài)特性或控制系還需要考慮模擬信號和被控對象的動態(tài)特性或控制系統(tǒng)的頻帶指標(biāo)，結(jié)合工程實踐來折中選取。統(tǒng)的頻帶指標(biāo)，結(jié)合工程實踐來折中選取。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成9. 采樣周期的選擇采樣周期的選擇 (5) 按照閉環(huán)控制系統(tǒng)帶寬選擇采樣周期按照閉環(huán)控制系統(tǒng)帶寬選擇采樣周期 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能與它在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的動態(tài)性能與它的帶寬密切相關(guān)，因此，采樣周期合理選擇就把相的帶寬密切相關(guān)，因此，采樣周期合理

22、選擇就把相關(guān)的信號的最高頻率和閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬聯(lián)系起來。關(guān)的信號的最高頻率和閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬聯(lián)系起來。換句話說，采樣周期的選擇就以閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬為換句話說，采樣周期的選擇就以閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬為基礎(chǔ)。實踐中，采樣頻率的合理選擇一般取基礎(chǔ)。實踐中，采樣頻率的合理選擇一般取610倍倍的閉環(huán)系統(tǒng)帶寬。的閉環(huán)系統(tǒng)帶寬。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成9. 采樣周期的選擇采樣周期的選擇(6) 按照閉環(huán)控制階躍響應(yīng)上升時間選擇按照閉環(huán)控制階躍響應(yīng)上升時間選擇 在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，以閉環(huán)系統(tǒng)階越響應(yīng)的上升在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，以閉環(huán)系統(tǒng)階越響應(yīng)的上升時間時間tr為根據(jù)。實踐中，采樣頻率的在系統(tǒng)階越響為根據(jù)。實踐中，采樣頻率的在

23、系統(tǒng)階越響應(yīng)上升時間內(nèi)采樣應(yīng)上升時間內(nèi)采樣24次次 即即T=tr/ (24)；(7) 按照工程經(jīng)驗選擇按照工程經(jīng)驗選擇 工業(yè)過程對象，被控變量隨時間變化比較緩慢，工業(yè)過程對象，被控變量隨時間變化比較緩慢，采樣周期可以取為以秒為量級。這樣的時間，現(xiàn)在采樣周期可以取為以秒為量級。這樣的時間，現(xiàn)在的計算機(jī)速度足夠完成控制算法運(yùn)算和監(jiān)控程序執(zhí)的計算機(jī)速度足夠完成控制算法運(yùn)算和監(jiān)控程序執(zhí)行時間。因此采樣周期選取不必嚴(yán)格計算。一般取行時間。因此采樣周期選取不必嚴(yán)格計算。一般取如下參考數(shù)值可滿足要求如下參考數(shù)值可滿足要求.第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成9. 采樣周期的選擇采樣周期的選擇第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成

24、 采樣和量化過程：將時間連續(xù)、幅值連續(xù)的模采樣和量化過程：將時間連續(xù)、幅值連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為以二進(jìn)制數(shù)碼表示的數(shù)字信號的過程擬量轉(zhuǎn)換為以二進(jìn)制數(shù)碼表示的數(shù)字信號的過程稱為采樣和量化過程。稱為采樣和量化過程。二、量二、量 化化第二章第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成1. 基本概念基本概念 量化：采用有限字長的一組數(shù)碼（如二進(jìn)制量化：采用有限字長的一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來去整量化或逼近時間離散幅值連續(xù)的采樣碼）來去整量化或逼近時間離散幅值連續(xù)的采樣信號。信號。 量化包含內(nèi)容：量化包含內(nèi)容： 量化單位、量化誤差、量化編碼量化單位、量化誤差、量化編碼第二章 計算機(jī)控

25、制系統(tǒng)構(gòu)成(1) 量化單位定義量化單位定義 字長為字長為n的的A/D轉(zhuǎn)換器把轉(zhuǎn)換器把yminymax范圍內(nèi)變化的范圍內(nèi)變化的采樣信號，變換為數(shù)字采樣信號，變換為數(shù)字02n-1，其最低有效位（，其最低有效位（LSB）所對應(yīng)的模擬量所對應(yīng)的模擬量q稱為量化單位。稱為量化單位。量化單位被用作量化單位被用作對采樣信號幅值量化的標(biāo)準(zhǔn)尺度對采樣信號幅值量化的標(biāo)準(zhǔn)尺度。 量化單位的確定量化單位的確定 字長為字長為n的的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿度輸入的模擬值表示轉(zhuǎn)換器，若滿度輸入的模擬值表示 為為FSR，則量化單位，則量化單位q為：為： q=FSR/2n第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 例子：設(shè)滿度輸入電壓為例子：設(shè)滿度

26、輸入電壓為10伏特，用伏特，用12位位A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有：換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有： q=10/212=2.44mV 對同一個對同一個FSR， A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，q所代所代表的量值越小幅。表的量值越小幅。 (1111 1111 1111)2*2.44=9.9918第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成(2) 量化誤差的基本概念量化誤差的基本概念 量化誤差量化誤差：由于量化過程是一個小數(shù)歸整的過：由于量化過程是一個小數(shù)歸整的過程，因而存在量化誤差。程，因而存在量化誤差。 舍入量化誤差舍入量化誤差：小數(shù)四舍五入歸整，誤差范圍：小數(shù)四舍五入歸整，誤差范圍為為1/2q 截尾量化誤差截尾量化

27、誤差：小數(shù)位截斷，誤差范圍為：小數(shù)位截斷，誤差范圍為0q A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化轉(zhuǎn)換精度越高轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化轉(zhuǎn)換精度越高 第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 (3) 編碼編碼 概念：計算機(jī)控制系統(tǒng)中以二進(jìn)制數(shù)碼表示數(shù)概念：計算機(jī)控制系統(tǒng)中以二進(jìn)制數(shù)碼表示數(shù)字量的過程。字量的過程。 類別：單極性編碼：二進(jìn)制數(shù)碼類別：單極性編碼：二進(jìn)制數(shù)碼 雙極性編碼：符號雙極性編碼：符號-數(shù)值碼數(shù)值碼 偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼 補(bǔ)碼表示法補(bǔ)碼表示法第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成0011221011122222aaaaaDnnninnii(4) 單極性編碼單極性

28、編碼(二進(jìn)制編碼二進(jìn)制編碼) 數(shù)字量數(shù)字量D1是用加權(quán)和表示的，是用加權(quán)和表示的，ai是是0或或1取決于相取決于相應(yīng)數(shù)位值是應(yīng)數(shù)位值是0或或1，2i表示相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值。也可以表示相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值。也可以表示為分?jǐn)?shù)形式：表示為分?jǐn)?shù)形式：nnnnniiiaaaaaD22222)1(122111第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 單極性編碼例子：單極性編碼例子： 8位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換滿度輸入電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換滿度輸入電壓5V模擬量，現(xiàn)模擬量，現(xiàn)輸入電壓輸入電壓3.9V，整數(shù)形式表示數(shù)字量為？，整數(shù)形式表示數(shù)字量為？ 計算過程：計算過程： 舍入計算：舍入計算： 截尾計算：截尾計算： 兩種表示方法當(dāng)最低有效位變化兩

29、種表示方法當(dāng)最低有效位變化1時，相應(yīng)模時，相應(yīng)模擬信號變化歸一化滿度的擬信號變化歸一化滿度的1/256增量，這種反映瞬時增量，這種反映瞬時模擬量變化靈敏度的量成為分辨率。模擬量變化靈敏度的量成為分辨率。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 定義定義：是將：是將n n位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬信號的器件，位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬信號的器件，也就是實現(xiàn)零階保持器功能的、位于數(shù)字部件和也就是實現(xiàn)零階保持器功能的、位于數(shù)字部件和模擬部件之間的接口界面。模擬部件之間的接口界面。 用于重建以數(shù)字形式被加工、存儲的原始模用于重建以數(shù)字形式被加工、存儲的原始模擬信號。它采用電阻網(wǎng)絡(luò)，借助于一個適當(dāng)?shù)哪M信號。它采用電阻網(wǎng)絡(luò)，借助于一

30、個適當(dāng)?shù)哪M參考電壓，把代表某量的數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的擬參考電壓，把代表某量的數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬量模擬量第二章第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成三、三、 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成 單極性編碼例子：單極性編碼例子： 8位位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換滿度輸入電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換滿度輸入電壓5V模擬量，現(xiàn)模擬量，現(xiàn)輸入電壓輸入電壓3.9V，整數(shù)和分?jǐn)?shù)形式表示數(shù)字量為？，整數(shù)和分?jǐn)?shù)形式表示數(shù)字量為？ 計算過程：計算過程：q=5V/28=19.53mV, 3.9/0.01953=199.69 舍入計算：舍入計算：D1=11001000 D=0.11001000 截尾計算：截尾計算：D1=

31、11000111 D=0.11000111 兩種表示方法當(dāng)最低有效位變化兩種表示方法當(dāng)最低有效位變化1時，相應(yīng)模時，相應(yīng)模擬信號變化歸一化滿度的擬信號變化歸一化滿度的1/256增量，這種反映瞬時增量，這種反映瞬時模擬量變化靈敏度的量成為分辨率。模擬量變化靈敏度的量成為分辨率。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成R-2R網(wǎng)絡(luò)（簡要分析）網(wǎng)絡(luò)（簡要分析）第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成1. D/A轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理 先把每一位代碼按其先把每一位代碼按其“權(quán)權(quán)”的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將各模擬分量相加，其總和就是與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量然后將各模擬分量相加，其總和就是與數(shù)字量相應(yīng)的模擬

32、量對對n位位D/A轉(zhuǎn)換器，一般通式為轉(zhuǎn)換器，一般通式為第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成例子：例子： 8位電壓型位電壓型D/A轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電壓UB=5V，對，對于單極性編碼于單極性編碼11001000，求模擬量輸出電壓？，求模擬量輸出電壓？第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成2. D/A轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo))2/12( )2/11 (nBcnBcUUUU分辨率分辨率r 一般定義為：一般定義為： r=q/FSR=(1/2n)；(2) 穩(wěn)定時間（又稱轉(zhuǎn)換時間）穩(wěn)定時間（又稱轉(zhuǎn)換時間） 指指D/A轉(zhuǎn)換器的滿度值變化時轉(zhuǎn)換器的滿度值變化時(所有數(shù)位由所有數(shù)位由0變變化到化到1)，模擬量輸出穩(wěn)定到

33、，模擬量輸出穩(wěn)定到(1/2)q精度的時間，精度的時間，一般幾十納秒到幾十微秒；一般幾十納秒到幾十微秒；(3) 輸出電平：指輸出電平：指D/A轉(zhuǎn)換器所有數(shù)位由轉(zhuǎn)換器所有數(shù)位由0變化到變化到1時時穩(wěn)定輸出的電壓值穩(wěn)定輸出的電壓值(即滿量程輸出電壓大小即滿量程輸出電壓大小)。單。單極性和雙極性輸出電壓范圍為：極性和雙極性輸出電壓范圍為：第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成(4) 基準(zhǔn)電源：由精度和幅值要求決定，是影響輸出基準(zhǔn)電源：由精度和幅值要求決定，是影響輸出結(jié)果的模擬參量，內(nèi)部帶有基準(zhǔn)（參考）電壓電結(jié)果的模擬參量，內(nèi)部帶有基準(zhǔn)（參考）電壓電源的源的DAC有較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口有較好的轉(zhuǎn)換精度，

34、而且可以簡化接口電路電路(5) 輸入編碼：單極性、雙極性編碼輸入編碼：單極性、雙極性編碼(6) 工作溫度：一般工作溫度：一般0700C 或或 -40850C第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成3. D/A轉(zhuǎn)換器的種類轉(zhuǎn)換器的種類按數(shù)字量輸入方式，有按數(shù)字量輸入方式，有 并行輸入和串行輸入并行輸入和串行輸入按模擬量輸出方式按模擬量輸出方式 電流輸出和電壓輸出電流輸出和電壓輸出按按D/A轉(zhuǎn)換的分辯率轉(zhuǎn)換的分辯率 低分辯率、中分辯率和高分辯率低分辯率、中分辯率和高分辯率第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成4. 8位轉(zhuǎn)換器芯片位轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832 1）組成部分：）組成部分：8位輸入寄存器，位輸入寄存器，8位位DAC

35、寄存器，采用寄存器，采用T型電阻型電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)8位位D/A轉(zhuǎn)換器，輸入控制電路，分辨率為轉(zhuǎn)換器，輸入控制電路，分辨率為8位，電流輸出，位，電流輸出，穩(wěn)定時間穩(wěn)定時間1微秒，微秒，20腳雙列直插式封裝。腳雙列直插式封裝。第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成V cc 芯片電源電壓芯片電源電壓, +5V+15VVREF 參考電壓參考電壓, -10V+10V RFB 反饋電阻引出端反饋電阻引出端, 此端可接運(yùn)算放大器輸出端此端可接運(yùn)算放大器輸出端AGND 模擬信號地模擬信號地 DGND 數(shù)字信號地數(shù)字信號地8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0

36、LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&8位位輸入輸入寄存器寄存器RFB第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&8位位輸入輸入寄存器寄存器RFB0011ILE 輸入鎖存允許信號輸入鎖存允許信號, 高電平有效高電平有效CS 片選信號片選信號, 低電平有效低電平有效 WR1 寫信號寫信號1，低電平有效，低電平有效LE1當(dāng)當(dāng) ILE、CS、WR1同時有效時同時有效時, LE=1，DI7 DI0 數(shù)字量輸入信號數(shù)字量輸入信號 D

37、I0為最低位，為最低位，DI7為最高位為最高位第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成LE2XFER 轉(zhuǎn)移控制信號，轉(zhuǎn)移控制信號，低電平有效低電平有效 WR2寫信號寫信號2，低電平有效，低電平有效 當(dāng)當(dāng)XFER、WR2同時有效時同時有效時, LE2=1 DAC寄存器輸出隨輸入而變化；寄存器輸出隨輸入而變化； WR1 , LE=0， 將輸入數(shù)據(jù)鎖存到將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，寄存器，數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，開始轉(zhuǎn)換器，開始D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換VREF8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器IOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LE2IOUT1LE1CSWR1WR2XFERILE&

38、;8位位輸入輸入寄存器寄存器RFB001第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7DI0LEIOUT1LECSWR1WR2XFERILE&8位位輸入輸入寄存器寄存器IOUT1 模擬電流輸出端模擬電流輸出端1 當(dāng)輸入數(shù)字為全當(dāng)輸入數(shù)字為全”1”時時, 輸出電流最大，約為：輸出電流最大，約為： 全全”0”時時, 輸出電流為輸出電流為0IOUT2 模擬電流輸出端模擬電流輸出端2 IOUT1 + I OUT2 = 常數(shù)常數(shù)255VREF256RFBRFB第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成5. 8位位D/A轉(zhuǎn)換器接口電路示意圖轉(zhuǎn)換器接口電路示意圖第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成6. DAC0832三種工作方式三種工作方式 直通方式直通方式：構(gòu)成波形發(fā)生器場合，數(shù)據(jù)存在：構(gòu)成波形發(fā)生器場合，數(shù)據(jù)存在rom中，中，連續(xù)取出送到連續(xù)取出送到DAC 單緩沖方式單緩沖方式:兩個寄存器一個直通方式，另一個鎖兩個寄存器一個直通方式，另一個鎖存數(shù)據(jù)。一般存數(shù)據(jù)。一般WR1接接CPU系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線IOW信號。信號。 雙緩沖方式雙緩沖方式：1）實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸入并行處）實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸入并行處理，轉(zhuǎn)換速度高。理，