模拟量输入输出通道.pptx

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1、会计学1模拟量输入输出通道模拟量输入输出通道2概述概述n n过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换传送和转换的连接通道。（的连接通道。（AIAI、AOAO、DIDI、DODO）微机控制系统组成框图第1页/共147页3概述概述n n过程通道的组成和功能过程通道的组成和功能 数字量输入（数字量输入（DIDI）通道：把从控制对象检测得到的数字码、）通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机制下送给计算机(检测通道检测通道)输 入调 理电

2、路输 入缓 冲器地址译码器生产过程PC总线第2页/共147页4概述概述 数字量输出（数字量输出（DODO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号脉冲信号或开关信号(控制通道控制通道,电磁阀电磁阀)输 出驱 动器输 出锁 存器地址译码器生产过程PC总线第3页/共147页5概述概述模拟量输入（模拟量输入（AIAI）通道：把从控制对象检测得到的）通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度时间连续模拟信号（如温度,压力压力,流量流量,液位等）液位等）(0-(0-5V,4-20mA)5V,4-20mA)变换成

3、二进制的数字信号，然后经接口变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机送入到计算机(检测通道检测通道)模拟量输出（模拟量输出（AOAO）通道：把从计算机输出的数字）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象给控制对象(控制通道控制通道,连续调节阀连续调节阀)AIAI、AOAO比较重要，有不少特殊问题要解决比较重要，有不少特殊问题要解决第4页/共147页6计算机控制系统的信号计算机控制系统的信号计算机控制系统的信号计算机控制系统的信号n n一一一一 信号形式的分类信号形式的分类信号形式的分类信号形式的分类n n二二

4、二二 A/D A/D 转换器转换器转换器转换器n n三三三三 D/A D/A 转换器转换器转换器转换器n n四四四四 计算机控制系统中信号形式的分类计算机控制系统中信号形式的分类计算机控制系统中信号形式的分类计算机控制系统中信号形式的分类n n五五五五 计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图第5页/共147页7一一一一 信号形式的分类信号形式的分类信号形式的分类信号形式的分类 计算机控制系统是包含模拟部件和数字部计算机控制系统是包含模拟部件和数字部计算机控制系统是包含模拟部件和数字部计算机控制系统是包含模拟部件和数字部件的一个混

5、合系统，因此信号的种类较多。件的一个混合系统，因此信号的种类较多。件的一个混合系统，因此信号的种类较多。件的一个混合系统，因此信号的种类较多。计算机计算机执行器执行器 A/D被控对象被控对象检测检测 D/A图2.1 计算机控制结构图第6页/共147页8从时间上区分：从时间上区分：从时间上区分：从时间上区分：u连续时间信号在任何时刻都可取值的信号u离散时间信号仅在离散断续时刻出现的信号从幅值上区分：从幅值上区分：从幅值上区分：从幅值上区分：u模拟信号信号幅值连续变化u离散信号信号幅值只能取离散值u数字信号信号幅值用一定位数的二进制编码形 式表示的信号第7页/共147页9 计算机控制系统的信号流程

6、图如下计算机控制系统的信号流程图如下,其中主要有四种信号其中主要有四种信号模拟信号：时间上连续，幅值上连续。模拟信号：时间上连续，幅值上连续。离散模拟信号：时间上离散，幅值上连续。离散模拟信号：时间上离散，幅值上连续。数字信号：时间上离散，幅值离散量化。数字信号：时间上离散，幅值离散量化。量化模拟信号：时间上连续，幅值连续量化。量化模拟信号：时间上连续，幅值连续量化。计算机系统要把连续变化的量变成离散量后再进行处理。计算机系统要把连续变化的量变成离散量后再进行处理。因此，计算机系统称做因此，计算机系统称做离散系统离散系统(采样数据系统采样数据系统)。第8页/共147页10二二二二 A/DA/D

7、转换器转换器转换器转换器功能功能功能功能：连续的模拟信号变换成数字连续的模拟信号变换成数字连续的模拟信号变换成数字连续的模拟信号变换成数字信号。信号。信号。信号。包括包括包括包括采样采样采样采样(Sample)(Sample)、量化量化量化量化(Quantity)Quantity)、编码编码编码编码(Coding)Coding)三个过三个过三个过三个过程程程程 量化量化 采样采样编码编码模拟信号模拟信号数字信号数字信号第9页/共147页111 1 1 1 采样采样采样采样 功能功能功能功能：把时间上连续的模拟信号，把时间上连续的模拟信号，把时间上连续的模拟信号，把时间上连续的模拟信号，按一定的

8、时间间隔按一定的时间间隔按一定的时间间隔按一定的时间间隔 T T T T 进行采样，进行采样，进行采样，进行采样，变成时间上不连续（离散）的、变成时间上不连续（离散）的、变成时间上不连续（离散）的、变成时间上不连续（离散）的、幅值等于采样时刻输入值的脉幅值等于采样时刻输入值的脉幅值等于采样时刻输入值的脉幅值等于采样时刻输入值的脉冲序列信号，即采样信号。冲序列信号，即采样信号。冲序列信号，即采样信号。冲序列信号，即采样信号。第10页/共147页12n n执行采样动作的开关为采样开关或采样器。执行采样动作的开关为采样开关或采样器。执行采样动作的开关为采样开关或采样器。执行采样动作的开关为采样开关或

9、采样器。n n采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔采样开关每次通断的时间间隔T T T T称为采样周期。称为采样周期。称为采样周期。称为采样周期。n n离散系统的采样形式有：离散系统的采样形式有：离散系统的采样形式有：离散系统的采样形式有：周期采样周期采样周期采样周期采样:以相同的时间间隔进行采样以相同的时间间隔进行采样以相同的时间间隔进行采样以相同的时间间隔进行采样(应应应应用最多用最多用最多用最多).).).).多阶采样多阶采样多阶采样多阶采样:时间间隔是周期性的重复时间间隔是周期性的重复时间间隔是周期性的重复时间间隔是周期性的重复.随机采样随机采

10、样随机采样随机采样:没有固定的采样周期，根据需没有固定的采样周期，根据需没有固定的采样周期，根据需没有固定的采样周期，根据需要选择采样时刻要选择采样时刻要选择采样时刻要选择采样时刻.第11页/共147页13采样后的脉冲信号称为采样信号，采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的第12页/共147页14 基本要求基本要求：采样信号必须能如实反映被采样信号的所有变化和特征第13页/共147页15怎样才可以无失真的采样？怎样才可以无失真的采样？主要与信号的什么特征有关主要与信号的什么特征有关?频率范围是信号重要特征频率范围是信号重要特征第14页/共147页16大提琴大提琴小提琴小提琴大提琴大

11、提琴 100Hz250Hz 100Hz250Hz 小提琴小提琴 200Hz400Hz200Hz400Hz 第15页/共147页17人耳听到的声音：人耳听到的声音：20Hz20Hz20kHz 20kHz 20kHz20kHz以上以上超声波超声波20Hz20Hz以下以下次声波次声波第16页/共147页18声音声音1：采样频率：采样频率22.05KHz，数字化，数字化16Bit，双声道录音。，双声道录音。离散信号的信息与采样频率的关系（示例）离散信号的信息与采样频率的关系（示例）声音声音2：采样频率：采样频率1.38KHz，数字化，数字化16Bit，双声道录音。，双声道录音。声音声音3：采样频率：采

12、样频率689Hz，数字化，数字化16Bit，双声道录音。，双声道录音。第17页/共147页19 一个连续变化的信号，经采样后形成一个脉冲序列。一个连续变化的信号，经采样后形成一个脉冲序列。采样的频率越高，离散后的信号采样的频率越高，离散后的信号x x*(t)(t)越接近连续输入越接近连续输入信号信号x(t)x(t)。但采样频率太高，在实时控制系统中，会把。但采样频率太高，在实时控制系统中，会把过多的时间用于采样，失去实时控制的机会。过多的时间用于采样，失去实时控制的机会。采样定理采样定理采样定理采样定理香农（香农（香农（香农（ShannonShannon）定理定理定理定理 设设设设 maxma

13、xmaxmax 为被采样信号变化的最高频率，则采样频为被采样信号变化的最高频率，则采样频为被采样信号变化的最高频率，则采样频为被采样信号变化的最高频率，则采样频率率率率 s s s s 应满足：应满足：应满足：应满足：s s s s 2 2 2 2 maxmaxmaxmax ，才能用采样信号无失才能用采样信号无失才能用采样信号无失才能用采样信号无失真地重构被采样信号。真地重构被采样信号。真地重构被采样信号。真地重构被采样信号。第18页/共147页20实际信号一般都是带宽受限信号实际信号一般都是带宽受限信号音乐：音乐：20Hz22kHz，CD采样频率采样频率44.1KHz；电话声音：电话声音：3

14、00Hz-3400Hz，电话采样频率为电话采样频率为8KHz；第19页/共147页212 2 2 2 量化量化量化量化 功能功能功能功能 将采样信号连续变化的将采样信号连续变化的将采样信号连续变化的将采样信号连续变化的幅值按最小量化单位幅值按最小量化单位幅值按最小量化单位幅值按最小量化单位q q q q 取整数取整数取整数取整数倍，即整量化，变为时间和幅倍，即整量化，变为时间和幅倍，即整量化，变为时间和幅倍，即整量化，变为时间和幅值上均离散的信号值上均离散的信号值上均离散的信号值上均离散的信号第20页/共147页22量化单位量化单位 q q 量化过程中使用的最小数量单位在A/D转换器中，量化单

15、位 q q 为最低有效位（LSB）所代表的物理量。例如10位A/D最小量化单位：量化时,把输入信号分为1024层，输入信号分层越多，量化误差越小。即，数字量位数越多，量化等级越细。第21页/共147页23A/D转换器中的量化误差怎样产生的？由于模拟信号在时间、数值大小都是连续的，不一定被最小量化单位q整除，所以在量化过程中就可能引入量化误差。第22页/共147页24量化时尾数的处理方法量化时尾数的处理方法量化时尾数的处理方法量化时尾数的处理方法(1)(1)(1)(1)尾数截断尾数截断尾数截断尾数截断 尾数小于尾数小于尾数小于尾数小于q q q q，忽略不计忽略不计忽略不计忽略不计(2)(2)(

16、2)(2)尾数舍入尾数舍入尾数舍入尾数舍入 尾数小于尾数小于尾数小于尾数小于q q q q/2/2/2/2，忽略不计，忽略不计，忽略不计，忽略不计，大于等于大于等于大于等于大于等于q q q q/2/2/2/2，作作作作q q q q 处理处理处理处理第23页/共147页253 3 编码编码将经整量化后的离散信号用一定位数将经整量化后的离散信号用一定位数将经整量化后的离散信号用一定位数将经整量化后的离散信号用一定位数的二进制数码来表示，称为的二进制数码来表示，称为的二进制数码来表示，称为的二进制数码来表示，称为编码编码编码编码第24页/共147页260VIVq 输 入输出编码 输 入输出编码0

17、00001010011100101110111000001010011100101110111qVI2q2qVI3q3qVI4q4qVI5q5qVI6q6qVI7q7qVI8q0VI0.5q0.5qVI1.5q1.5qVI2.5q2.5qVI3.5q3.5qVI4.5q4.5qVI5.5q5.5qVI6.5q6.5qVI7.5q最大量化最大量化误差为误差为q最大量化误差最大量化误差为为q/20VIq第25页/共147页27双极性(正负)信息的 3种表示方法 符号数值码 偏移二进制码 补码表示法第26页/共147页28注记：常用的双极性编码注记：常用的双极性编码数正基准负基准符号-数值码2的补码

18、偏移2进制码+7+7/8-7/8011101111111+6+6/8-6/8011001101110+5+5/8-5/8010101011101+4+4/8-4/8010001001100+3+3/8-3/8001100111011+2+2/8-2/8001000101010+1+1/8-1/8000100011001+0+0-0000000001000-0-0+01000（0000）（1000）-1-1/8+1/8100111110111-2-2/8+2/8101011100110-3-3/8+3/8101111010101-4-4/8+4/8110011000100-5-5/8+5/811

19、0110110011-6-6/8+6/8111010100010-7-7/8+7/8111110010001-8-8/8+8/810000000第27页/共147页29注记：常用的双极性编码关系注记：常用的双极性编码关系将右边码转变为下面码符号-数值码2的补码偏移2进制码符号-数值码不变最高位为1,则其余各位取反,再加0001最高位取反,若取反后最高位为1,则其余各位取反,再加00012的补码最高位为1,则其余各位取反,再加0001不变最高位取反偏移2进制码最高位取反,若取反后最高位为0,则其余各位取反,再加0001最高位取反不变第28页/共147页30功能功能功能功能 将数字编码信号转换将数

20、字编码信号转换将数字编码信号转换将数字编码信号转换为相应的时间连续的模拟信为相应的时间连续的模拟信为相应的时间连续的模拟信为相应的时间连续的模拟信号，相当于解码器与保持器号，相当于解码器与保持器号，相当于解码器与保持器号，相当于解码器与保持器的组合。的组合。的组合。的组合。解码解码 保持保持模拟信号模拟信号数字信号数字信号三三三三 D/A D/A 转换器转换器转换器转换器第29页/共147页31解码解码解码解码 将数字信号转换为幅值等于该数字量的模将数字信号转换为幅值等于该数字量的模将数字信号转换为幅值等于该数字量的模将数字信号转换为幅值等于该数字量的模拟脉冲信号拟脉冲信号拟脉冲信号拟脉冲信号

21、 解码后的信号在时间上仍是离散的，幅值解码后的信号在时间上仍是离散的，幅值解码后的信号在时间上仍是离散的，幅值解码后的信号在时间上仍是离散的，幅值上为模拟脉冲信号（电流或电压）上为模拟脉冲信号（电流或电压）上为模拟脉冲信号（电流或电压）上为模拟脉冲信号（电流或电压）保持保持保持保持 将解码后的时间离散的模拟脉冲信号保持规将解码后的时间离散的模拟脉冲信号保持规将解码后的时间离散的模拟脉冲信号保持规将解码后的时间离散的模拟脉冲信号保持规定时间，变成时间上连续的模拟信号定时间，变成时间上连续的模拟信号定时间，变成时间上连续的模拟信号定时间，变成时间上连续的模拟信号保持时间通常为一个采样周期，这样的保

22、持器称为保持时间通常为一个采样周期，这样的保持器称为保持时间通常为一个采样周期，这样的保持器称为保持时间通常为一个采样周期，这样的保持器称为零阶保持器零阶保持器零阶保持器零阶保持器（ZOHZOHZOHZOH）第30页/共147页32根据根据根据根据D/AD/AD/AD/A转换器的不同结构，可以是先解码后转换器的不同结构，可以是先解码后转换器的不同结构，可以是先解码后转换器的不同结构，可以是先解码后保持（称为保持（称为保持（称为保持（称为模拟量保持模拟量保持模拟量保持模拟量保持），也可以是先保持后），也可以是先保持后），也可以是先保持后），也可以是先保持后解码（称为解码（称为解码（称为解码（称为

23、数字量保持数字量保持数字量保持数字量保持）第31页/共147页33四四计算机控制系统中信号形式的计算机控制系统中信号形式的分类分类1 1 计算机控制系统信号变换结构图计算机控制系统信号变换结构图计算机控制系统信号变换结构图计算机控制系统信号变换结构图量化量化计算机计算机 采样采样解码解码检测检测 编码编码被控对象被控对象保持保持ABCDFGEHI2 2 系统中信号形式的分类系统中信号形式的分类连续信号连续信号连续信号连续信号（或（或模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号）时间及幅值上均时间及幅值上均连续的信号，如图中的连续的信号，如图中的 A A、I I 处的信号处的信号数字信号数字信号数字信号数字

24、信号 时间上离散、幅值上采用二进时间上离散、幅值上采用二进制编码的信号，如图中的制编码的信号，如图中的D D、F F 处的信号处的信号第32页/共147页34采样信号采样信号采样信号采样信号 时间上离散而幅值上连续的信号，时间上离散而幅值上连续的信号，时间上离散而幅值上连续的信号，时间上离散而幅值上连续的信号，如如如如图中的图中的图中的图中的 B B B B 处的信号处的信号处的信号处的信号时间上连续，幅值为阶梯状模拟量的时间上连续，幅值为阶梯状模拟量的时间上连续，幅值为阶梯状模拟量的时间上连续，幅值为阶梯状模拟量的模拟保持信模拟保持信模拟保持信模拟保持信号号号号，如图中的如图中的如图中的如图

25、中的 H H H H 点点点点时间上和幅值上均离散的时间上和幅值上均离散的时间上和幅值上均离散的时间上和幅值上均离散的离散信号离散信号离散信号离散信号，如图中的如图中的如图中的如图中的C C C C、G G G G 处的信号处的信号处的信号处的信号时间上连续存在，幅值由二进制编码表示的时间上连续存在，幅值由二进制编码表示的时间上连续存在，幅值由二进制编码表示的时间上连续存在，幅值由二进制编码表示的计算计算计算计算机内存信号机内存信号机内存信号机内存信号，如图中的如图中的如图中的如图中的 E E E E 点点点点第33页/共147页353 3 计算机控制系统中信号的传递速度计算机控制系统中信号的

26、传递速度计算机控制系统中信号的传递速度计算机控制系统中信号的传递速度在不含在不含在不含在不含纯滞后环节纯滞后环节纯滞后环节纯滞后环节 的连续系统中，模拟信号的传的连续系统中，模拟信号的传的连续系统中，模拟信号的传的连续系统中，模拟信号的传递可认为是瞬时完成的，即系统的输出反映同一递可认为是瞬时完成的，即系统的输出反映同一递可认为是瞬时完成的，即系统的输出反映同一递可认为是瞬时完成的，即系统的输出反映同一时刻输入的响应时刻输入的响应时刻输入的响应时刻输入的响应在计算机控制系统中，由于在计算机控制系统中，由于在计算机控制系统中，由于在计算机控制系统中，由于A/DA/DA/DA/D转换、计算机运算、

27、转换、计算机运算、转换、计算机运算、转换、计算机运算、D/AD/AD/AD/A转换都需要花费一定的时间，系统的实际输转换都需要花费一定的时间，系统的实际输转换都需要花费一定的时间，系统的实际输转换都需要花费一定的时间，系统的实际输出并不是当前时刻输入的响应，即所谓出并不是当前时刻输入的响应，即所谓出并不是当前时刻输入的响应，即所谓出并不是当前时刻输入的响应，即所谓“计算机计算机计算机计算机信号时延信号时延信号时延信号时延”第34页/共147页36五五五五 计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图在系统的信号变换过程中，最重要的是采

28、样、量在系统的信号变换过程中，最重要的是采样、量在系统的信号变换过程中，最重要的是采样、量在系统的信号变换过程中，最重要的是采样、量化和保持化和保持化和保持化和保持 3 3 3 3 个变换过程，编码和解码仅是信号个变换过程，编码和解码仅是信号个变换过程，编码和解码仅是信号个变换过程，编码和解码仅是信号表现形式的改变，可看作无误差的等效变换。表现形式的改变，可看作无误差的等效变换。表现形式的改变，可看作无误差的等效变换。表现形式的改变，可看作无误差的等效变换。采样和保持涉及到采样间隔中信号的问题，将直采样和保持涉及到采样间隔中信号的问题，将直采样和保持涉及到采样间隔中信号的问题，将直采样和保持涉

29、及到采样间隔中信号的问题，将直接影响传递特性，因而是本质问题，必须加以接影响传递特性，因而是本质问题，必须加以接影响传递特性，因而是本质问题，必须加以接影响传递特性，因而是本质问题，必须加以考虑。考虑。考虑。考虑。量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当量化将使信号产生误差并影响系统的特性。但当量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时量化单位足够小时，在系统初步分析与设计时可不予考虑。可不予考虑。可不予考虑。可不予考虑。第35页/

30、共147页37 计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图计算机控制系统的简化结构图 计算机计算机 采样采样 被控对象被控对象检测检测 ZOH第36页/共147页382.1.2 多路开关多路开关 在微型计算机测量及控制系统中,往往需对多路或多种参数进行采集和控制。一台微型计算机可供多回路使用，但是，微型计算机在某一时刻只能接收一个通道的信号，因此必须通过多路模拟开关进行切换，使各路参数分时进入微型计算机。第37页/共147页39n n多路开关的主要用途多路开关的主要用途:把多个模拟量参数分时接通并送入把多个模拟量参数分时接通并送入A/DA/D转换器转换器,即

31、完成多到一的转换。即完成多到一的转换。多路开关多路开关 把经计算机处理，且由把经计算机处理，且由D/AD/A转换器转换成的模转换器转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路中，拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路中，完成一到多的转换。完成一到多的转换。多路分配器多路分配器n n这类器件中有的只能做一种用途，称为单向多路这类器件中有的只能做一种用途，称为单向多路开关。如开关。如AD7051AD7051；有些既能做多路开关，又能；有些既能做多路开关，又能做多路分配器，称为双向多路开关。如做多路分配器，称为双向多路开关。如CD4051CD4051。n n从输入信号的连接方式来看，有的是单端输

32、入，从输入信号的连接方式来看，有的是单端输入，有的则允许双端输入。有的则允许双端输入。第38页/共147页401.CD40511.CD4051n nCD4051CD4051是单端是单端8 8通道多路开关通道多路开关.由逻辑电平转换单元、地由逻辑电平转换单元、地址译码电路和址译码电路和CMOSCMOS开关等三部分组成。开关等三部分组成。n n三个通道选择输入端三个通道选择输入端A,B,C.A,B,C.一个禁止输入端一个禁止输入端INH.INH.当当INH=1,INH=1,禁止模拟量输入；当禁止模拟量输入；当INH=0INH=0，允许模拟量输入。，允许模拟量输入。n n逻辑电平转换单元完成逻辑电平

33、转换单元完成TTLTTL电平到电平到CMOSCMOS电平的转换。电平的转换。n n二进制译码器用来选择输入端二进制译码器用来选择输入端C C，B B，A A的状态进行译码，的状态进行译码，以控制开关电路以控制开关电路TGTG，使某一路接通，从而将输入和输出，使某一路接通，从而将输入和输出接通。接通。n n若把输入信号与引脚若把输入信号与引脚3 3接通接通,改变改变C,B,AC,B,A三个控制信号的值，三个控制信号的值，可使其与可使其与8 8个输出端的任何一端接通，完成一到多的分配，个输出端的任何一端接通，完成一到多的分配，即多路分配器。即多路分配器。第39页/共147页41引脚结构如图引脚结构

34、如图引脚结构如图引脚结构如图第40页/共147页42第41页/共147页43真值表如下真值表如下真值表如下真值表如下第42页/共147页442 2 多路开关的扩展多路开关的扩展多路开关的扩展多路开关的扩展n n在实际应用中，往往由于被测参数，使用一个多路开关不能满足在实际应用中，往往由于被测参数，使用一个多路开关不能满足通道数的要求。为此，可把多路开关进行扩展。通道数的要求。为此，可把多路开关进行扩展。n n由于两个多路开关只有两种状态，由于两个多路开关只有两种状态，1 1#多路开关工作，多路开关工作，2 2#必须停止，必须停止，或者相反。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允或者相反

35、。所以，只用一根地址总线即可作为两个多路开关的允许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一许控制端的选择信号，而两个多路开关的通道选择输入端共用一组地址组地址(数据数据)线。线。第43页/共147页45CD4051CD4051扩展电路图扩展电路图扩展电路图扩展电路图第44页/共147页46当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。四个四个四个四个8 8路开关扩展成路开关扩展成路开关扩展成路开关扩展成1616路

36、的差动输入方法路的差动输入方法路的差动输入方法路的差动输入方法OUTOUTCCABBAD0D1D2D3CD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ差动模拟输入（1 8）差动模拟输入（9 16）模拟输出V1.OUTOUTCCABBACD4051CD4051INHINHS1S8S1S8ININININ差动模拟输入（1 8）差动模拟输入4D锁存器.（9 16）.模拟输出V2第45页/共147页472.1.3 采样采样保持器保持器n n模拟量参数需转变成数字量，才能进入计算机系统。为保证A/D转换的精度，必须在A/D转换进行时保持待转换值不变，转换结束后能跟踪输入信号的变化。同

37、时，在模拟量输出通道中，为使各项输出通道得到一个平滑的模拟量输出，也要保持一个恒定值。能完成上述两项任务的器件叫采样保持器。第46页/共147页48n n采样保持器，简写为S/H。n nS/H的工作方式有：采样方式。采样保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。保持方式。采样保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤消为止。第47页/共147页49n n采样保持器的主要用途：保持采样信号不变，以便完成保持采样信号不变，以便完成A/DA/D转换。转换。同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量。同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量。减少减少A/DA/D转换器的输出毛刺，从而消

38、除输出电压的峰值。转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值。把一个把一个D/AD/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。性。第48页/共147页50n n在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量总需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。n n对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。第49页/共147页51孔径时间对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过零的时刻，令U=Umsint，则：Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。第50页/共147页52在坐标的原点在坐标

39、的原点在坐标的原点在坐标的原点取取t=tt=tA/DA/D ，则得原点处转换的不确定电压误差为则得原点处转换的不确定电压误差为误差的百分数为误差的百分数为 对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D转换的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信号的频率范围。第51页/共147页53n n例例如如，一一个个1010位位的的AA/D/D转转换换器器，若若要要求求转转换换精精度度为为0.1%0.1%，孔孔径径时时间间1010s s，则则允允许许转转换换的的正正弦波模拟信号的最大频率为：弦波模拟信号的最大频率为：第52页/共147页54采样保持器的工作原理采样保持器的工作原

40、理采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理:当控制信号为高电平当控制信号为高电平当控制信号为高电平当控制信号为高电平(即采样时段即采样时段即采样时段即采样时段)时时时时,开关开关开关开关S S闭合闭合闭合闭合,输入信号通过电阻输入信号通过电阻输入信号通过电阻输入信号通过电阻R R向电容向电容向电容向电容C C充电充电充电充电.通常通常通常通常,要求充电要求充电要求充电要求充电时间越短越好时间越短越好时间越短越好时间越短越好,以使电容电压迅速达到输入电压值以使电容电压迅速达到输入电压值以使电容电压迅速达到输入电压值以使电容电压迅速达到输入电压值.当控制信号为低电平当控制信号为低电平当控制信号为低

41、电平当控制信号为低电平(即保持阶段即保持阶段即保持阶段即保持阶段)时时时时,S,S断开断开断开断开,A/D,A/D转换器根据电容转换器根据电容转换器根据电容转换器根据电容C C上的电压进行量化上的电压进行量化上的电压进行量化上的电压进行量化.电容C对采样保持精度影响很大，应选取漏电阻抗较大的电容，如聚苯乙烯或聚四氟乙烯等材料制作的电容，同时在保证采样速度的前提下，可适当增加C的电容量。第53页/共147页55LF198LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样-保持电路保持电路保持电路保持电

42、路.具有采样速具有采样速具有采样速具有采样速度快度快度快度快,保持下降速度慢保持下降速度慢保持下降速度慢保持下降速度慢,精度高等特点精度高等特点精度高等特点精度高等特点.下图为下图为下图为下图为LF198LF198原理图原理图原理图原理图.第54页/共147页56n n 注意：在模拟量输入通道中，只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高，以致孔径误差影响转换精度时，或者要求同时进行多路采样的情况下，才需要设置采样保持电路，对于一些变化缓慢的生产过程(如石油、化工等)可以不设置保持电路。第55页/共147页572.2 2.2 模拟量输出通道的接口技术模拟量输出通道的接口技术模拟量输出通道的接

43、口技术模拟量输出通道的接口技术n n模拟量输出通道的功能是，把计算机输出的运算结果(数字量)转换成模拟电压或电流，并且输出给相应的执行机构，驱动执行机构实现所要求的控制目的。n n模拟信号输出通道的组成:由控制接口、数/模转换器、模拟多路开关和功率放大器三部分组成。第56页/共147页582.2.1 D/A转换器转换器(Digital to Analog Converter，DAC)n nD/A转换器的组成 基准电压（电流）基准电压（电流）模拟二进制数的位切换开关模拟二进制数的位切换开关 产生二进制权电流（电压）的精密电阻网产生二进制权电流（电压）的精密电阻网络络 提供电流（电压）相加输出的运

44、算放大器提供电流（电压）相加输出的运算放大器(010mA,420mA(010mA,420mA 或者或者 TTL,CMOS,TTL,CMOS,)第57页/共147页59n nD/A转换器的原理 转换原理可以归纳为转换原理可以归纳为“按权展开，然后相加按权展开，然后相加”。因此，。因此，D/AD/A转转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/AD/A转转换。换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T T型电阻网络。型电阻网络。第58页/共147页60 4 4位权电阻网络位权电阻网络位权电阻网

45、络位权电阻网络D/AD/A转换器原理图转换器原理图转换器原理图转换器原理图第59页/共147页61 E E为基准电压为基准电压 为为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制 相应位为相应位为“0 0”，开关接地，开关接地 相应位为相应位为“1 1”，开关接，开关接E E 为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻越大电阻越大(电流越小电流越小)，以保证一定权的数字信号产生，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流相应的模拟电流 运算放大器的虚地按二进制权的大小和各位开关的状运算放大器的虚地按二进制权的大小和各

46、位开关的状态对电流求和态对电流求和第60页/共147页62 设输入数字量为设输入数字量为D D，采用定点二进制小数编码，采用定点二进制小数编码，D D可可表示为：表示为：当当 时，开关接基准电压时，开关接基准电压E E，相应支路产生的电流为，相应支路产生的电流为 当当 时，开关接地，相应支路中没有电流。时，开关接地，相应支路中没有电流。因此，各支路电流可以表示为：因此，各支路电流可以表示为：这里这里第61页/共147页63 运算放大器输出的模拟电压为运算放大器输出的模拟电压为可见，可见，D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压 U U 正比于输入数字量正比于输入数字量 D D 缺点：位数越

47、多，阻值差异越大缺点：位数越多，阻值差异越大第62页/共147页64 4 4位位位位T T型电阻网络（型电阻网络（型电阻网络（型电阻网络（R-2RR-2R）D/AD/A转换器原理转换器原理转换器原理转换器原理图图图图第63页/共147页65 从从节点节点a a,b b,c c,d d向右向上看，其等效电阻均为向右向上看，其等效电阻均为2R2R 位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为位切换开关受相应的二进制码控制，相应码位为“1 1”，开关接运算放大器虚地，相应码位为开关接运算放大器虚地，相应码位为“0 0”，开关接地。，开关接地。流经各切换开关的支路电流（从左到右）分别为流经各切换开关的支

48、路电流（从左到右）分别为 ，各支路电流在运算放大器的虚地相加各支路电流在运算放大器的虚地相加第64页/共147页66 运算放大器的满度输出为运算放大器的满度输出为 这里满度输出电压这里满度输出电压(流流)比基准电压比基准电压(流流)少了少了1/161/16，是，是因端电阻常接地造成的，没有端电阻会引起译码错误因端电阻常接地造成的，没有端电阻会引起译码错误 对对 n n 位位D/AD/A转换器转换器而言，其输出电压为而言，其输出电压为第65页/共147页67D/AD/A转换器的主要参数转换器的主要参数转换器的主要参数转换器的主要参数:n n分辨率分辨率:常用常用D/AD/A转换器输入二进制数的位

49、数来表示转换器输入二进制数的位数来表示,如如8 8位位,12,12位位.分辨率为分辨率为NN位位,表示表示D/AD/A转换器输入二进制数的最低有效位转换器输入二进制数的最低有效位LSBLSB与满量程与满量程1/21/2n n相对应相对应.分辨率越分辨率越高高,转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏.n n线性误差线性误差:理想转换特性理想转换特性(量化特性量化特性)应该是线性的应该是线性的,实际并非如此实际并非如此.在满量程输入在满量程输入范围内范围内,偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差.n n建立时间建立时间

50、:输入数字信号的变化量是满量程时输入数字信号的变化量是满量程时,输出模拟信号达到离终值输出模拟信号达到离终值1/2LSB1/2LSB所需的时间所需的时间.ns.ns或或ss第66页/共147页682.2.2 82.2.2 8位位位位D/AD/A转换器及其接口技术转换器及其接口技术转换器及其接口技术转换器及其接口技术一 普通型D/A转换器DAC0832 DAC0832 DAC0832是一种具有两个输入锁存器的是一种具有两个输入锁存器的D/AD/A转换转换芯片，能直接与计算机总线连接。芯片，能直接与计算机总线连接。主要参数主要参数:分辨率分辨率8 8位位,转换时间为转换时间为1s,1s,满量程误差