第2章(1)模擬量輸入通道

1、 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字控制，要將生產(chǎn)現(xiàn)場的各種被測參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字計算機(jī)能夠接受的形式，計算機(jī)經(jīng)過計算、處理計算機(jī)能夠接受的形式，計算機(jī)經(jīng)過計算、處理后的結(jié)果還需要變換成合適的控制信號輸出至被后的結(jié)果還需要變換成合適的控制信號輸出至被控對象。以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。因此，在計算控對象。以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。因此，在計算機(jī)和被控對象之間，必須設(shè)置進(jìn)行信息傳遞和轉(zhuǎn)機(jī)和被控對象之間，必須設(shè)置進(jìn)行信息傳遞和轉(zhuǎn)換的連接通道，即過程通道。換的連接通道，即過程通道。u數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道u數(shù)字量輸出通道

2、數(shù)字量輸出通道u模擬量輸入通道模擬量輸入通道u模擬量輸出通道模擬量輸出通道熱電阻R1R2R3R3R2R1熱電阻R1R2R3R3R2R1熱電阻R1R2R3R3R2R134101RRIRVG 由于計算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測參數(shù)的變化，因由于計算機(jī)的工作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于被測參數(shù)的變化，因此一臺計算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個檢測回路使用，但計算機(jī)在此一臺計算機(jī)系統(tǒng)可供幾十個檢測回路使用，但計算機(jī)在某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路某一時刻只能接收一個回路的信號。所以，必須通過多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)多選1 1的操作，將多路輸入信號依次地切換的操作，將多路輸入信號依次地切換到后級。到后級。常

3、用集成電路芯片常用集成電路芯片CD4051(CD4051(雙向、單端、雙向、單端、8 8路路) )、 CD4052( CD4052(單向、雙端、單向、雙端、4 4路路) )、 AD7506( AD7506(單向、單端、單向、單端、1616路路) )等等. .CD4051原理圖 及通道選擇表現(xiàn)以常用8路模擬開關(guān)CD4051為例:構(gòu)成構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換、譯碼驅(qū)動及開關(guān)電路三部分組成。工作過程工作過程 當(dāng)禁止端INH=1時，斷開，即S0S7端與Sm端不可能接通； 當(dāng)INH=0時，前后級通道接通，即SmSABC 例題例題3-1 3-1 試用兩個試用兩個CD4051CD4051擴(kuò)展成一個擴(kuò)展成一個1 1161

4、6路的模擬開關(guān)。路的模擬開關(guān)。圖 多路模擬開關(guān)的擴(kuò)展電路0t0T2T 3Tt采樣器y( t )*y( t )*y( t )y( t ) T圖2-7 信號的采樣過程采樣器或采樣開關(guān)采樣器或采樣開關(guān)- - -執(zhí)行采樣動作的裝置執(zhí)行采樣動作的裝置 采樣周期：采樣周期： 采樣寬度：采樣寬度： 采樣信號采樣信號y y* *(t)(t) 注：注：1 1、在實(shí)際系統(tǒng)中，在實(shí)際系統(tǒng)中， T T ，即近似地認(rèn)為采樣信即近似地認(rèn)為采樣信號號y y* *( (t t) )是是y y( (t t) )在采樣開關(guān)閉合時的瞬時值；在采樣開關(guān)閉合時的瞬時值； 2 2、香農(nóng)定理（采樣定理）指出：、香農(nóng)定理（采樣定理）指出：為

5、了使采樣信號為了使采樣信號y y* *( (t t) )能完全復(fù)現(xiàn)原信號能完全復(fù)現(xiàn)原信號y y( (t t) )，采樣頻率，采樣頻率f f 至少要為原信號最至少要為原信號最高有效高有效 頻率頻率f fmaxmax的的2 2倍，即倍，即f f 2f 2fmaxmax。 采樣定理給出了采樣定理給出了y y* *( (t t) )唯一地復(fù)現(xiàn)唯一地復(fù)現(xiàn)y y( (t t) )所必需的最低采樣所必需的最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取f f （5 51010）f fmaxmax。2、量化和編碼、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號最低位數(shù)字信號最低位LSB所對應(yīng)的模擬信號大小，所對應(yīng)的模

6、擬信號大小，用用 表示。表示。量化量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差因模擬電壓不一定能被因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。量化裝置量化裝置：執(zhí)行量化動作的裝置是執(zhí)行量化動作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 零階采樣保持器-是在兩次采樣的間隔時間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。 構(gòu)成輸入輸出緩沖放大器A1、A2和采樣開關(guān)S、保持電容CH。工作過程采樣期間，開關(guān)S閉合，輸入電壓VIN通過A1對CH快速充電，輸出電壓VOUT跟隨VIN變化；

7、保持期間，開關(guān)S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，理想情況下電容CH將保持電壓VC不變，因而輸出電壓VOUT=VC也保持恒定。INV1A2AHCOUTVSOUTVINVtt圖 2-8 采樣保持器 路電理原)a (性波作工)b(采樣保持 綜上所述綜上所述: :保持電容器電容量的大小它不是一個定保持電容器電容量的大小它不是一個定值值, ,它可以在一定范圍內(nèi)取值。其電容量的大小確它可以在一定范圍內(nèi)取值。其電容量的大小確定可以根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)來確定。定可以根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)來確定。 一般選一般選100100pF-1000pFpF-1000pF之間。電容選聚四氟乙烯電容或聚苯之間。電容選聚四氟乙烯電容

8、或聚苯乙烯電容，絕緣阻抗高，漏電流小乙烯電容，絕緣阻抗高，漏電流小。3、集成采樣保持器、集成采樣保持器結(jié)論 -保持器在采樣期間，不啟動A/D轉(zhuǎn)換器，保持期間，立即啟動A/D轉(zhuǎn)換器，從而保證A/D 轉(zhuǎn)換時的模擬輸入電壓恒定，以確保A/D轉(zhuǎn)換精度 電壓模擬電壓第二次預(yù)測第三次預(yù)測 第四次 預(yù)測 第一次預(yù)測時間03D0D1D2D(1000) (0100) (0110) (0111)現(xiàn)以4位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量7轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)0111為例，說明逐位逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。數(shù)字量由逐次逼近寄存器提供。數(shù)字量由逐次逼近寄存器提供。思路：思路：從輸出數(shù)字量的最高位起，逐位判斷該位的值（從輸出數(shù)字量的最

9、高位起，逐位判斷該位的值（0,1）。）。例題例題: 以輸出四位數(shù)字量以輸出四位數(shù)字量a3a2a1a0為例為例:1.輸入輸入1000到逐次逼近寄存器，以確定到逐次逼近寄存器，以確定a3的值；的值；2.輸入輸入a3100到逐次逼近寄存器，以確定到逐次逼近寄存器，以確定a2的值；的值；3.輸入輸入a3a210到逐次逼近寄存器，以確定到逐次逼近寄存器，以確定a1的值；的值；4.輸入輸入a3a2a11到逐次逼近寄存器，以確定到逐次逼近寄存器，以確定a0的值；的值；ALEALEC B AC B A接通信號接通信號1 11 11 11 11 11 11 11 10 00 0 00 0 00 0 10 0 1

10、0 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 01 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 1 ININ0 0ININ1 1ININ2 2ININ3 3ININ4 4ININ5 5ININ6 6ININ7 7均不通均不通ADC0809真值表真值表 分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對微小輸入信號變化的敏感程度。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量微小變化的反應(yīng)越靈敏。通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位、10位、12位等。分辨率為n，表示它可以對滿刻度的1/2n的變化量作出反應(yīng)。即： 分辨率 = 滿刻度值/2nA/DA/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)mVVV44.2409610101221

11、分辨率分辨率= 例例1: A/D1: A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為轉(zhuǎn)換器的輸出為1212位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號為位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號為10V10V，則其分辨率為，則其分辨率為: : A/D轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo)例例2: 常用的常用的8-bit 的的ADC0804，若是滿刻度為，若是滿刻度為5V的話，分辨的話，分辨率即為率即為: mVVV53.1925655218分辨率分辨率= （3 3）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后的結(jié)果相對于理論輸出值的準(zhǔn)轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后的結(jié)果相對于理論輸出值的準(zhǔn)確度。確度。 理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。

12、有絕對精度和相對精度兩種表示方式。有絕對精度和相對精度兩種表示方式。注意：精度和分辨率是兩個概念。即使分辨率很高，注意：精度和分辨率是兩個概念。即使分辨率很高，但由于溫度漂移，線性不良等原因，也可能造成精但由于溫度漂移，線性不良等原因，也可能造成精度不是很高。度不是很高。4. 4. 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是指轉(zhuǎn)換時間是指A/DA/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動信號開始，到輸轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型類型A/D

13、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢最慢，需，需幾百毫秒幾百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快較快，需，需幾十微秒幾十微秒；并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快最快，僅需，僅需幾十納秒幾十納秒時間。時間。 例例1 1：某信號采集系統(tǒng)要求用一片：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/DA/D轉(zhuǎn)換集成芯轉(zhuǎn)換集成芯片在片在1s1s內(nèi)對內(nèi)對1616個熱電偶的輸出電壓分?jǐn)?shù)進(jìn)行個熱電偶的輸出電壓分?jǐn)?shù)進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0