1、華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院信號接口技術信號接口技術華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關信號的接口技術開關信號的接口技術開關輸入信號的電氣隔離開關輸入信號的電氣隔離 在機電一體化系統中，機械開關信號一般為強電信號，需要把強在機電一體化系統中，機械開關信號一般為強電信號，需要把強電部分與弱電的微機系統在電氣上隔離開來，最常用的是使用光電藕電部分與弱電的微機系統在電氣上隔離開來，最常用的是使用光電藕合。圖合。圖425所示為開關量輸入信號的光電隔離電路。所示為開關量輸入信號的光電隔離電路。R1、R2分別為分別為限流電阻。限流電阻。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號

2、的輸入開關量信號的輸入華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院歐姆龍可編程控制器的輸入電路歐姆龍可編程控制器的輸入電路華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關信號的接口技術開關信號的接口技術開關信號的去抖處理開關信號的去抖處理 在機電一體化系統中，經常要使用按鈕開關、搬鈕開關、多位開在機電一體化系統中，經常要使用按鈕開關、搬鈕開關、多位開關、接觸器、繼電器等。它們常常是開關量的輸入源。由于這類開關關、接觸器、繼電器等。它們常常是開關量的輸入源。由于這類開關大都是機械開關，當開關觸點閉合時，在達到穩定之前會產生短暫的大都是機械開關，當開關觸點閉合時，在達到穩定之前會產生短暫的抖動，彈跳抖動的

3、時間一般可達數毫秒。如圖抖動，彈跳抖動的時間一般可達數毫秒。如圖426所示。所示。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關信號的接口技術開關信號的接口技術開關信號的去抖處理開關信號的去抖處理 微機對開關信號采樣時，必須消除這種抖動，否則會造成錯誤采微機對開關信號采樣時，必須消除這種抖動，否則會造成錯誤采樣。消除抖動的方法可從軟件和硬件上著手。樣。消除抖動的方法可從軟件和硬件上著手。 軟件的方法是經過一段延時后再讀入信號，若兩個采樣值不同、軟件的方法是經過一段延時后再讀入信號，若兩個采樣值不同、則繼續采樣，直到兩個采樣值相同，延遲時間應比抖動周期長。則繼續采樣，直到兩個采樣值相同，延遲時間應

4、比抖動周期長。 硬件的方法是在接口電路中加硬件的方法是在接口電路中加“防抖動電路，圖中是由防抖動電路，圖中是由2個個“與與非非”門組成的門組成的RS觸發器，開關觸發器，開關K在常開狀態下輸出為在常開狀態下輸出為l，一旦開關，一旦開關K閉合、則在剛一閉合的瞬間，閉合、則在剛一閉合的瞬間，RS觸發器翻轉，輸出為觸發器翻轉，輸出為0，此時，雖然開，此時，雖然開關要抖動幾次，但不會影響觸發器的輸出。關要抖動幾次，但不會影響觸發器的輸出。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關信號的接口技術開關信號的接口技術光電隔離技術光電隔離技術 為了避免外部設備的電源干擾，防止被控對象電路的強電反竄，為了避免外

5、部設備的電源干擾，防止被控對象電路的強電反竄，通常采取將微機的前后向通道與被連模塊在電氣上隔離的方法。過去通常采取將微機的前后向通道與被連模塊在電氣上隔離的方法。過去常用隔離變壓器或中間繼電器來實現，而目前已廣泛被性能高、價格常用隔離變壓器或中間繼電器來實現，而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替。低的光電耦合器來代替。 光電藕合器是把發光元件與受光元件封裝在一起，以光作為媒介光電藕合器是把發光元件與受光元件封裝在一起，以光作為媒介來傳輸信息的。其封裝形式有管形、雙列直插式、光導纖維連接等。來傳輸信息的。其封裝形式有管形、雙列直插式、光導纖維連接等。發光器件一般為砷化嫁紅外發光二極管。

6、圖發光器件一般為砷化嫁紅外發光二極管。圖428所示為幾種主要光電所示為幾種主要光電耦合器類型。耦合器類型。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關信號的接口技術開關信號的接口技術光電耦合器具的特點：光電耦合器具的特點： (1)信號采取光一電形式耦合，發光部分與受光部分無電氣回路、絕信號采取光一電形式耦合，發光部分與受光部分無電氣回路、絕緣電阻高達緣電阻高達10101012歐姆，絕緣電壓為歐姆，絕緣電壓為1000一一5000V，因而具有極高，因而具有極高的電氣隔離性能，避免輸出端與輸入端之間可能產生的反饋和干擾。的電氣隔離性能，避免輸出端與輸入端之間可能產生的反饋和干擾。 (2)由于發光二極

7、管是電流驅動器件，動態電阻很小對系統內外的由于發光二極管是電流驅動器件，動態電阻很小對系統內外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強，共模抑制比高，噪聲干擾信號形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強，共模抑制比高，不受磁場影響，特別是用于長線傳輸時作為終端負載，可以大大地提不受磁場影響，特別是用于長線傳輸時作為終端負載，可以大大地提高信噪比。高信噪比。 (3)光電耦合器可以耦合零到數千赫的信號，且響應速度快光電耦合器可以耦合零到數千赫的信號，且響應速度快(一般為幾一般為幾毫秒，甚至少毫秒，甚至少10ns)，可以用于高速信號的傳輸。，可以用于高速信號的傳輸。華中科技大學機械學院華中科技大學機械

8、學院開關量信號的輸入開關量信號的輸入根據安全標準，系統的限位開關須接成常閉狀態。當工作臺的運動超過其物理有效行程將使限位開關打開。限位開關輸入信號的有效電平可以通過主機命令進行選擇。原點開關為常開狀態。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號的輸出開關量信號的輸出華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院歐姆龍可編程控制器的晶體管輸出電路歐姆龍可編程控制器的晶體管輸出電路華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號的輸出開關量信號的輸出開關信號輸出的電氣隔離開關信號輸出的電氣隔離 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號的輸出開關量信號的輸出開關信號輸出的電氣隔離開關

9、信號輸出的電氣隔離 當被控設備遠離單片機時，光電隔離接口電路設計如圖當被控設備遠離單片機時，光電隔離接口電路設計如圖430所示。該所示。該電路為電流環發送和接受電路，可以極大地提高系統的抗干擾性能，電路為電流環發送和接受電路，可以極大地提高系統的抗干擾性能，最大傳輸距離可達最大傳輸距離可達900m，傳輸速率可達，傳輸速率可達 50Kbs，但必須保證傳輸線，但必須保證傳輸線中環路連線電阻中環路連線電阻30歐姆，當該阻值過大時，歐姆，當該阻值過大時，l00歐姆的限流電阻相應歐姆的限流電阻相應減小。減小。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號的輸出開關量信號的輸出開關信號輸出的驅動電路開

10、關信號輸出的驅動電路 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號的輸出開關量信號的輸出開關信號輸出的驅動電路開關信號輸出的驅動電路 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號的輸出開關量信號的輸出單片機輸出通道接口方式單片機輸出通道接口方式 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院開關量信號的輸出開關量信號的輸出單片機模擬輸出接口方式單片機模擬輸出接口方式 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院信號調理的的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調理的的目的是便于信號的傳輸與處理。 一、一、 信號調理的目的信號調理的目的 信號調理信號調理1.1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數不能直

11、接輸送到傳感器輸出的電信號很微弱，大多數不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換要進行阻抗變換。 2.2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。要去掉噪聲，提高信噪比。3.3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調制解調處理。器測量信進行調制解調處理。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院二、二、 信號放大信號放大 信號調理信號調理信號放大目的信號放大目的幅度增加幅度增加

12、(1)(1)抗干擾抗干擾; ;(2)(2)阻抗匹配阻抗匹配2 2 分類分類放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器電荷放大器電荷放大器 時間域時間域 頻率域頻率域幅度增大幅度增大 低頻保留低頻保留, ,高頻截止高頻截止幅度增大幅度增大 高頻保留高頻保留, ,低頻截止低頻截止 電荷增大電荷增大Z Z V V 1 1 目的目的電橋電橋華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2 2 直流放大電路直流放大電路 1) 1) 反相放大器反相放大器 信號放大電路信號放大電路 1RRAFv反饋電阻反饋電阻RFRF值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂移，一般為幾十

13、千歐至幾百千歐。移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1R1的取值應遠大于的取值應遠大于信號源信號源UiUi的內阻的內阻。 反相放大器是最基本的電路，反相放大器是最基本的電路，其閉環電壓增益其閉環電壓增益AvAv為為: :煙霧報警器煙霧報警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2)2)同相放大器同相放大器 信號放大電路信號放大電路 11RRAFv同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。點，廣泛用于前置放大級。 同相放大器也是最基本的電同相放大器也是最基本的電路路 ，其閉環電

14、壓增益，其閉環電壓增益AvAv為為: :華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3 3 交流放大電路交流放大電路 信號放大電路信號放大電路 若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容壓同相放大器。其中電容C1C1、C2C2及及C3C3為隔直電容。為隔直電容。 11RRAFvR1R1一般取幾十千歐。耦合電容一般取幾十千歐。耦合電容C1C1、C3C3可根據交流放大可根據交流放大器的下限頻率器的下限頻率fLfL來確定。來確定。 )2/()103(31LLfRCC華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院4 4 電荷放大器電荷放

15、大器 信號放大電路信號放大電路 fyiicaiCeeCCCeq)()(ffyKCCCKqe)(fyffCqethenCCKCIf )( F+華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院5 5 電橋電橋 信號放大電路信號放大電路 1 1）直流電橋）直流電橋平衡條件平衡條件4231RRRRdV華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 信號放大電路信號放大電路 2 2）交流電橋）交流電橋 平衡條件平衡條件4231ZZZZ4231華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 信號放大電路信號放大電路 應變片的粘貼應變片的粘貼R2 R4R1 R3R4R1R2R3UE華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院三、三

16、、 信號的濾波信號的濾波 信號抗干擾措施信號抗干擾措施 濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分分1 1 濾波器分類（根據濾波器的選頻作用分）濾波器分類（根據濾波器的選頻作用分） 低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻實驗實驗華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院三、三、 信號的濾波信號的濾波 信號抗干擾措施信號抗干擾措施 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院5 RC5 RC無源濾波器無源濾波器 在測試系統中，常用在測試系統中，常用RCRC濾波器。因為這一領域中信號頻濾波器。因為這一領

17、域中信號頻率相對來說不高。而率相對來說不高。而RCRC濾波器電路簡單，抗干擾強，有濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件 。 1) 1) 一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器 信號抗干擾措施信號抗干擾措施 濾波濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2) 2) 一階一階RCRC高通濾波器高通濾波器 3) RC3) RC帶通濾波器帶通濾波器 可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯 信號抗干擾措施信號抗干擾措施 濾波濾波 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 屏蔽是模擬傳輸中抑制干擾的重要

18、手段，屏蔽的意義既包含了屏蔽干屏蔽是模擬傳輸中抑制干擾的重要手段，屏蔽的意義既包含了屏蔽干擾源，又包含了屏蔽接收體。屏蔽設施的實現，可以利用銅或鋁等低阻材擾源，又包含了屏蔽接收體。屏蔽設施的實現，可以利用銅或鋁等低阻材料或者用磁性材料做成的容器將需要屏蔽的部分包起來，以防電或磁的相料或者用磁性材料做成的容器將需要屏蔽的部分包起來，以防電或磁的相互感應?；ジ袘?1屏蔽的分類屏蔽的分類 屏蔽這種方法對防止以屏蔽這種方法對防止以“場場”形式耦合的干擾是十分有效形式耦合的干擾是十分有效的，因此根據場的性質不同，屏蔽可分為電場屏蔽及電磁場屏蔽。的，因此根據場的性質不同，屏蔽可分為電場屏蔽及電磁場屏蔽。

19、 (1)電場屏蔽：由靜電學知道，處于靜電平衡狀態下的導體內部各點都是電場屏蔽：由靜電學知道，處于靜電平衡狀態下的導體內部各點都是等電位的，即導體內部無電力線。利用金屬導體的這一性質，加上接地措等電位的，即導體內部無電力線。利用金屬導體的這一性質，加上接地措施，則靜電場的電力線就在接地的金屬導體處中斷，起到隔離電場的作用，施，則靜電場的電力線就在接地的金屬導體處中斷，起到隔離電場的作用，需要強調的是靜電屏蔽罩必須接地。需要強調的是靜電屏蔽罩必須接地。信號抗干擾措施信號抗干擾措施 屏蔽屏蔽 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 (2)電磁場屏蔽：電磁場屏蔽是采用導電良好的金屬材料做成屏蔽層，電

20、磁場屏蔽：電磁場屏蔽是采用導電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電磁場對屏蔽金屬的作用，在屏蔽金屬表面產生電渦流，由電渦利用高頻電磁場對屏蔽金屬的作用，在屏蔽金屬表面產生電渦流，由電渦流產生的磁場抵消或減弱干擾磁場的影響、從而達到屏蔽的效果。一般所流產生的磁場抵消或減弱干擾磁場的影響、從而達到屏蔽的效果。一般所謂的屏蔽多數是指電磁屏蔽，電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，謂的屏蔽多數是指電磁屏蔽，電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，對于低頻磁場干擾的屏蔽效果是非常小的。基于電渦流反磁場作用的電磁對于低頻磁場干擾的屏蔽效果是非常小的。基于電渦流反磁場作用的電磁屏蔽從原理上講與屏蔽體是否接地無

21、關，但在一般應用中屏蔽體都是接屏蔽從原理上講與屏蔽體是否接地無關，但在一般應用中屏蔽體都是接他的，目的是讓屏蔽體兼作靜電屏蔽之用?？紤]到高頻集膚效應，電渦流他的，目的是讓屏蔽體兼作靜電屏蔽之用。考慮到高頻集膚效應，電渦流僅流過屏蔽層的表面一層，因此屏蔽層的厚度只需考慮機械強度就可以了，僅流過屏蔽層的表面一層，因此屏蔽層的厚度只需考慮機械強度就可以了，當必須在屏蔽層上開孔與槽時要注意孔、槽的位置和方向，應盡量不影響當必須在屏蔽層上開孔與槽時要注意孔、槽的位置和方向，應盡量不影響電渦流的形成途徑，以免影響屏蔽效果。電渦流的形成途徑，以免影響屏蔽效果。 電磁屏蔽對于低頻磁通干擾的屏蔽效果是比較差的，

22、因此在低頻磁通電磁屏蔽對于低頻磁通干擾的屏蔽效果是比較差的，因此在低頻磁通干擾時，要采用高導磁材料作屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的干擾時，要采用高導磁材料作屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體的內部防止其干擾作用。為了有效地進行低頻磁屏蔽，屏蔽層磁屏蔽體的內部防止其干擾作用。為了有效地進行低頻磁屏蔽，屏蔽層材料要選用諸如坡莫合金之類對低磁通密度有高導磁率的鐵磁材料，同時材料要選用諸如坡莫合金之類對低磁通密度有高導磁率的鐵磁材料，同時要有一定的厚度，以減少磁阻。由鐵氧體壓制成的罐狀磁芯可作為磁屏蔽要有一定的厚度，以減少磁阻。由鐵氧體壓制成的罐狀磁芯可作為磁屏蔽使用，并可以把它和

23、電磁屏蔽導體一同使用。為了提高屏蔽效果，可采用使用，并可以把它和電磁屏蔽導體一同使用。為了提高屏蔽效果，可采用多層屏蔽。第一層用低導磁率的鐵磁材料，使場強降低，第二層用高導磁多層屏蔽。第一層用低導磁率的鐵磁材料，使場強降低，第二層用高導磁鐵磁材料，以充分發揮其屏蔽作用。鐵磁材料，以充分發揮其屏蔽作用。 信號抗干擾措施信號抗干擾措施 屏蔽屏蔽 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 光藕合器抗干擾光藕合器抗干擾 使用光藕合器切斷地環路電流干擾是十分有效的。使用光藕合器切斷地環路電流干擾是十分有效的。其原理圖見圖其原理圖見圖344。由于兩個電路之間采用光束來藕合，所以能將兩個。由于兩個電路之間采

24、用光束來藕合，所以能將兩個電路的地電位完全隔離，這樣兩電路的地電位即使不同也不會造成干擾，電路的地電位完全隔離，這樣兩電路的地電位即使不同也不會造成干擾，這對數字電路尤為重要。這對數字電路尤為重要。 信號抗干擾措施信號抗干擾措施 光藕光藕 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院一、一、 模數模數(A/D)和數模和數模(D/A) 信號處理技術信號處理技術1 1、A/DA/D轉換轉換 1) A/D轉換過程轉換過程 采樣采樣利用采樣脈沖序列利用采樣脈沖序列p(t)p(t)，從連續時間信號，從連續時間信號x(t)x(t)中中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x(

25、nTs)x(nTs)的過程的過程 編碼編碼將離散幅值經過量化以后變為二進制數字的過程。將離散幅值經過量化以后變為二進制數字的過程。 量化量化把采樣信號把采樣信號x x（nTsnTs）經過舍入變為只有有限個有）經過舍入變為只有有限個有效數字的數，這一過程稱為量化效數字的數，這一過程稱為量化華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2) A/D2) A/D轉換器的技術指標轉換器的技術指標 模數模數(A/D)和數模和數模(D/A) (1) (1) 分辨率分辨率; ; 用輸出二進制數碼的位數表示。位數越多，量化誤差越小，用輸出二進制數碼的位數表示。位數越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有分辨力越高。常

26、用有8 8位、位、1010位、位、1212位、位、1616位等。位等。 (2) (2) 轉換精度轉換精度; ; 轉換精度轉換精度= =量程量程/(A/(AD D轉換器的分辨力轉換器的分辨力* *0.5)0.5) (3) (3) 轉換速度轉換速度; ; 指完成一次轉換所用的時間，指完成一次轉換所用的時間，如如:100ms(10Hz):100ms(10Hz)；10us(100kHz) 10us(100kHz) (4) (4) 模擬信號的輸入范圍模擬信號的輸入范圍; ; 如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2 2、D/AD/A轉換過程和原理轉換過程

27、和原理 模數模數(A/D)和數模和數模(D/A) 1) D/A轉換過程轉換過程 D/A轉換器是把數字信號轉換為電壓或電流信號的裝置。轉換器是把數字信號轉換為電壓或電流信號的裝置。 2) D/A轉換器的技術指標轉換器的技術指標 (1) (1) 分辨率分辨率; ; (2) (2) 轉換精度轉換精度; ; (3) (3) 轉換速度轉換速度; ; (4) (4) 模擬信號的輸出范圍模擬信號的輸出范圍; ;華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院A/DA/D、D/AD/A轉換過程中的量化誤差實驗：轉換過程中的量化誤差實驗： 模數模數(A/D)和數模和數模(D/A) 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學

28、院二、二、 采樣保持采樣保持 信號采樣信號采樣 采樣保持是利用切斷電容器的輸入后，電容器能保持其原有電壓值的采樣保持是利用切斷電容器的輸入后，電容器能保持其原有電壓值的原理實現的原理實現的(圖圖333)。 采樣保持動作由兩種模式構成；一種是采樣模式，即采樣保持的輸出采樣保持動作由兩種模式構成；一種是采樣模式，即采樣保持的輸出跟蹤輸入值；另一種是保持模式，即保持輸出值。跟蹤輸入值；另一種是保持模式，即保持輸出值。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院二、二、 采樣保持采樣保持 信號采樣信號采樣 在采樣模式中，從保持模式移到采樣模式的瞬間，輸入值和輸出值不在采樣模式中，從保持模式移到采樣模式的瞬

29、間，輸入值和輸出值不一樣，需經過一段時間，兩值才能達到一致，這就是滯后現象，如圖一樣，需經過一段時間，兩值才能達到一致，這就是滯后現象，如圖334所示，圖中所示，圖中Ts表示開關滯后，表示開關滯后，TA表示穩定時間。進入跟蹤狀態后，一轉表示穩定時間。進入跟蹤狀態后，一轉換到保持模式、這時的輸入值便被保持，這種場合伴有各種誤差。換到保持模式、這時的輸入值便被保持，這種場合伴有各種誤差。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院二、二、 采樣定理采樣定理 信號處理技術信號處理技術1 1 采樣信號的頻譜采樣信號的頻譜 采樣過程是將采樣采樣過程是將采樣脈沖序列脈沖序列p(t)與信與信號號x(t)相乘來相

30、乘來華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院2.2.頻混現象頻混現象 采樣定理采樣定理 頻域解釋頻域解釋時域解釋時域解釋華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院3.3.采樣定理采樣定理 采樣定理采樣定理 為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2 2倍。倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。fs2fmax 需要注意的是，在對信號進行采樣時，滿足了采樣定理，只能保需要注意的是，在對信號進行采樣時，滿足了采樣定理，只能保證不發

31、生頻率混疊，只能保證對信號的頻譜作逆傅立葉變換時，證不發生頻率混疊，只能保證對信號的頻譜作逆傅立葉變換時，可以完全變換為原時域采樣信號可以完全變換為原時域采樣信號xs(t)xs(t)，而不能保證此時的采樣信，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號號能真實地反映原信號x(t)x(t)。工程實際中采樣頻率通常大于信號。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的中最高頻率成分的3 3到到5 5倍。倍。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 模數模數(A/D) 轉換器選用舉例轉換器選用舉例 采集一個頻率為采集一個頻率為20KHz20KHz的信號，要求要分辨到的信號，要求要分辨到2mV2mV電

32、壓，電壓，信號電壓的輸入范圍是信號電壓的輸入范圍是0-5V0-5V，試根據下表確定，試根據下表確定A/DA/D轉換轉換器的型號器的型號 芯片型號分辨率轉 換 時間模擬輸入范圍ADC08098位100s0-5VAD574A12位25s0-10V, 5V, 0-20V, 10VAD 67914位10s0-10V, 5V華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 模數模數(A/D) 轉換器選用舉例轉換器選用舉例 信號電壓的輸入范圍是信號電壓的輸入范圍是0-5V0-5V： ADC0809ADC0809、AD574AAD574A、AD 679AD 679均可均可 信號頻率為信號頻率為20KHz20KHz，

33、周期為，周期為5050 s s： 根據采樣定理根據采樣定理AD574AAD574A、AD 679AD 679均可均可 最小分辨電壓最小分辨電壓 ADC0809ADC0809：5/25/28 8=19.5mV=19.5mV AD574A AD574A：10/210/21212=2.44mV=2.44mV AD 679 AD 679：10/210/21414=0.61mV=0.61mV 應該選應該選AD 679AD 679華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院數據采集系統的構成數據采集系統的構成信號數字化處理的基本步驟信號數字化處理的基本步驟 物理信號物理信號對象對象傳傳感感器器電信號電信號信信

34、號號調調制制電信號電信號A/D轉換轉換數字信號數字信號單單片片機機顯顯示示D/A轉換轉換控控制制華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院數據采集系統的構成數據采集系統的構成傳感器放大電路采樣保持器單片機電平轉換電路計算機A D轉換器華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院數據采集系統的構成數據采集系統的構成各部分主要功能各部分主要功能 傳感器：將非電量轉換成電信號輸出。傳感器：將非電量轉換成電信號輸出。 放大電路：將傳感器輸出的微弱信號放大到放大電路：將傳感器輸出的微弱信號放大到A/DA/D轉換器轉換器 所能接收的幅度。所能接收的幅度。 采樣保持器：保證采樣保持器：保證A/DA/D轉換過程中信

35、號的穩定。轉換過程中信號的穩定。 A/DA/D轉換器：將模擬量轉換成數子量。轉換器：將模擬量轉換成數子量。 單片機：進行數據采集。單片機：進行數據采集。 電平轉換電路：將電平轉換電路：將TTLTTL電平轉換成電平轉換成RS232CRS232C電平。電平。 計算機：接收數據并進行處理。計算機：接收數據并進行處理。 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院8位模數位模數(A/D) 轉換器轉換器ADC0809 AD0809IN4- 2IN3- 1IN5- 3IN6- 4IN7- 5START6EOC725- 8OE- 9CLOCK-10Vcc- 11REF(+)12END- 1327- 1428 -

36、IN227 -IN126 -IN025 -ADDA24 -ADDB23 -ADDC22 -ALE2 1 - - 2 1 MSB20 -2219 -23 18 -241 7 - - 2 8 LSB 16 -REF(-)15 -26華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院模數轉換器與單片機的接口模數轉換器與單片機的接口 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院模數轉換器與單片機的接口模數轉換器與單片機的接口 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院模數轉換器與單片機接口的編程模數轉換器與單片機接口的編程查詢方式查詢方式華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院模數轉換器與單片機接口的編程模數轉換器與

37、單片機接口的編程定時采樣方式定時采樣方式 向向AD發出啟動脈沖信號后，先進行軟件延時延時時間取決于轉發出啟動脈沖信號后，先進行軟件延時延時時間取決于轉換時間換時間(例如例如0809為為100um)，延時結束后直接從，延時結束后直接從AD口讀入轉換結果?？谧x入轉換結果。因此這種方式比查詢方式轉換速度更慢，故應用較少。因此這種方式比查詢方式轉換速度更慢，故應用較少。中斷方式中斷方式 在前兩種方式中，在前兩種方式中，AD采樣過程中都要占用采樣過程中都要占用CPU大量的工作時間、大量的工作時間、降低廠降低廠CPU的工作效率。在實時性要求高，控制口較多的情況下須采用的工作效率。在實時性要求高，控制口較多

38、的情況下須采用中斷方式。在這種采樣方式中，當啟動中斷方式。在這種采樣方式中，當啟動A D轉換后，轉換后，CPU可處理其它事可處理其它事務，當務，當AD轉換結束時，由轉換結束時，由AD芯片向芯片向CPU發出發出AD轉換結束的中斷轉換結束的中斷申請，申請，CPU響應中斷后，便進入中斷服務程序，執行響應中斷后，便進入中斷服務程序，執行“讀讀AD轉換結果轉換結果”的操作。這樣，的操作。這樣，CPU和和AD芯片在時間上是并行工作的，所以提高了芯片在時間上是并行工作的，所以提高了CPU的工作效率。的工作效率。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院模數轉換器與單片機接口的編程模數轉換器與單片機接口的編程華

39、中科技大學機械學院華中科技大學機械學院A/D轉換采樣方式轉換采樣方式華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院單片機與計算機的通訊單片機與計算機的通訊同步通訊同步通訊異步通訊異步通訊華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院單片機與計算機的通訊單片機與計算機的通訊RS-232-C標準標準 RS-232-C是美國電子工業協會是美國電子工業協會(EIA)在在1969年公布助數據通信標年公布助數據通信標淮。淮。RS是推薦標準是推薦標準(Relommended stardard)的英文縮寫，的英文縮寫，232C是是標準號。標準號。 RS-232-C標推在引線連接上采用標推在引線連接上采用24針針D型插座，

40、其中有型插座，其中有20個引腳個引腳對應串行通信使用的信號，在微機通信中最常用的是其中對應串行通信使用的信號，在微機通信中最常用的是其中9個通信信個通信信號，這也就是有的串行接口板上采用號，這也就是有的串行接口板上采用9針插座的原因。針插座的原因。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院單片機與計算機的通訊單片機與計算機的通訊RS-232-C標準標準 在沒有調制解調器的連接中，最簡單的連接形式就是只使用上在沒有調制解調器的連接中，最簡單的連接形式就是只使用上述述3條線。其中條線。其中TxD與與RxD交錯連接，交錯連接，GND與與GND相連。相連。華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院單片機與

41、計算機的通訊單片機與計算機的通訊RS-232-C標準標準 MODEM控制信號控制信號 由于計算機經由于計算機經RS-232-C接口輸出的是電壓信號，不能直接連接接口輸出的是電壓信號，不能直接連接到用于較長距離傳輸數據信號的電話線上，此時需要在計算機和電到用于較長距離傳輸數據信號的電話線上，此時需要在計算機和電話網之間連人調制解調器話網之間連人調制解調器(MODEM)。MODEM能把代表邏輯能把代表邏輯“l”電電平和邏輯平和邏輯“0”電平的電壓信號調制成頻率信號。表電平的電壓信號調制成頻率信號。表6l中除去三個中除去三個基本的數據傳送信號之外，其余基本的數據傳送信號之外，其余6個信號均為個信號均為MODEM控制信號。這控制信號。這6個信號分為以下兩組：