1、 第二章 測(cè)控通道2.1模擬輸入通道2.2模擬輸出通道2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.4單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)2.1模擬輸入通道2.1模擬輸入通道2.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型2.1.2傳感器的選用2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.5模擬輸入通道的誤差分配2.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型一、模擬輸入通道的基本組成 模擬輸入通道是測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象與計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系通道 一般說來，模擬輸入通道應(yīng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成 2.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型二、多路模擬輸入通道的基本類型和結(jié)構(gòu)按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采

2、集電路是各路共用一個(gè)還是每路各用一個(gè)，多路（N路）模擬輸入通道可分為集中采集式(簡(jiǎn)稱集中式)和分散采集式(簡(jiǎn)稱分布式)兩大類型。2.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型1、集中采集式(集中式) 分時(shí)采集型同步采集型 組成結(jié)構(gòu)圖2-1-2(a)圖2-1-2(b) 電路共同點(diǎn)N路傳感器、調(diào)理電路共用一組采集電路（MUX、S/H、A/D） 電路不同點(diǎn)MUX前不接S/HMUX前接N個(gè)S/H相鄰兩路信號(hào)采集時(shí)偏(N為信號(hào)路數(shù)T為采樣周期)MUX對(duì)N路信號(hào)依次采樣，相鄰兩路采樣時(shí)偏T/NN個(gè)采樣/保持器同時(shí)采樣，不存在采樣時(shí)偏 適用場(chǎng)合不嚴(yán)格要求同步采集的場(chǎng)合嚴(yán)格要求同步采集的場(chǎng)合圖2-1-2集中采集式

3、模擬輸入通道典型結(jié)構(gòu)a.分時(shí)采集b.同步采集2.1.1模擬輸入通道的基本結(jié)構(gòu)與組成類型2、分散采集式(分布式)集中采集式(集中式)分散采集式(分布式) 組成結(jié)構(gòu)圖2-1-2圖2-1-3 電路共同點(diǎn)都由傳感器、調(diào)理電路、采集電路三部分組成 電路不同點(diǎn)有MUX,N路共用一個(gè)S/H和A/D無MUX,N路各用一個(gè)S/H和A/D對(duì)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求長(zhǎng)短 適用場(chǎng)合適用于信號(hào)路數(shù)N不太多或中、低速測(cè)試系統(tǒng)適用于信號(hào)路數(shù)N多或高速測(cè)試系統(tǒng)圖2-1-3分散采集式模擬輸入通道結(jié)構(gòu)與集中式的差別2.1.2傳感器的選用正確選用傳感器的主要思路：首先要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家

4、有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。2.1.2傳感器的選用一、對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求范圍（量程）：具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn) 換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍(變化幅度范圍、變化頻率范圍)相一致。轉(zhuǎn)換精度和速度：轉(zhuǎn)換精度符合根據(jù)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)總精度要求分配給傳感器的精度指標(biāo)，(一般應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的十倍左右)，轉(zhuǎn)換速度符合整機(jī)要求。環(huán)境：能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、重量輕、不耗電或耗電少等等。能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求2.1.2傳感器的選用二、可優(yōu)先選用

5、的傳感器類型1.大信號(hào)輸出傳感器可省去小信號(hào)放大環(huán)節(jié) 將轉(zhuǎn)換、放大電路與傳感器做成一體，直接輸出較大的電信號(hào) 電壓型：05V，010V等 電流型：420mA，010mA等 省去了設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路的麻煩圖2-1-4 大信號(hào)輸出傳感器的使用大信號(hào)輸出傳感器的使用 2.1.2傳感器的選用2.數(shù)字式傳感器便于遠(yuǎn)距離傳送 數(shù)字式傳感器一般由頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換等 特點(diǎn)： 輸出頻率參量（脈沖） 測(cè)量精度高 抗干擾能力強(qiáng) 便于遠(yuǎn)程傳送 信號(hào)調(diào)理簡(jiǎn)單圖2-1-5頻率及開關(guān)量輸出傳感器的使用2.1.2傳感器的選用3.集成傳感器：這種集成傳感器

6、是將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路制成一體特點(diǎn)：簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小體積4.光纖傳感器：這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在較大型的系統(tǒng)中使用較多2.1.2傳感器的選用題外話：與傳感器課程的區(qū)別與聯(lián)系傳感器課程：原理、知識(shí)積累、開闊思路實(shí)際選用時(shí)：商品、作用、性價(jià)比如：應(yīng)變片、電容、壓電傳感器與壓力傳感器2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)調(diào)理包括：小信號(hào)放大、濾波、零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換、參數(shù)變換、抗干擾措施等前置放大器主放大器抗干擾濾波抗混疊濾波電容傳感器運(yùn)放式電路傳感器圖2-1-6 典型調(diào)理電路的組成框圖典型信號(hào)調(diào)理電路組

7、成框圖2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇一、前置放大器1、電路的噪聲 輸出噪聲電路在沒有信號(hào)輸入時(shí)，輸出端輸出一定幅度的波動(dòng)電壓。 輸入噪聲把電路輸出端測(cè)得的噪聲有效值VON折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益K，得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲。 等效輸入噪聲 2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2、前置放大器的作用如果加在某電路輸入端的信號(hào)幅度小到比該電路的等效輸入噪聲VIN還要低，那么這個(gè)信號(hào)就會(huì)被電路的噪聲所“淹沒”。為了不使小信號(hào)被電路噪聲所淹沒，就必須在該電路前面加一級(jí)放大器-“前置放大器”， 2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇

8、加入前置放大器后電路總輸出噪聲為總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端，即總的等效輸入噪聲為低噪聲前置放大所起的作用2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇3、前置放大器參數(shù)的選擇：（1）選用低噪聲運(yùn)放必須保證放大器本身的等效輸入噪聲比其后級(jí)電路的等效輸入噪聲低（2）放大器增益在保證不使A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)生溢出的前提下，前置放大器增益越大越好。由上式看見，K0越大，等效輸入噪聲越低。2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇【例21】前置放大器為什么要放在RC有源濾波器的前面？解：RC濾波器產(chǎn)生的電路噪聲比較大。如果把放大器放在濾波器后面，濾波器的噪聲將會(huì)被放大器放大，使電路輸出信噪比降低。我們可以用圖2-1

9、-8(a)、(b)兩種情況進(jìn)行對(duì)比來說明這一點(diǎn)。2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖2-1-8兩種調(diào)理電路的對(duì)比 二、濾波器的作用和參數(shù)選擇隔直電容的作用使調(diào)理電路的零漂電壓不會(huì)隨被測(cè)信號(hào)一起送到采集電路。隔直電容C與電壓跟隨器輸入電阻Ri形成的高通濾波器截止頻率應(yīng)很低，甚至不到1赫芝。高通濾波器濾除低頻干擾，其截止頻率應(yīng)高于需要濾除的干擾頻率。陷波器抑制交流電干擾。陷波頻率應(yīng)等于交流電干擾的頻率50Hz。低通濾波器“去混淆”，即在采樣前先濾除高頻干擾，防止高頻分量被采樣而折迭到信號(hào)頻段產(chǎn)生“混淆”。2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖2-1-9調(diào)理電路與采集電路的連接低通濾波器“去混

10、淆”，即在采樣前先濾除高頻干擾，防止高頻分量被采樣而折迭到信號(hào)頻段產(chǎn)生“混淆”。 （1）“混淆”產(chǎn)生的原因被采樣頻譜中含有高于折迭頻率fs2的頻率分量。 （2）“混淆”的危害被采樣頻譜中高于fs2的頻率分量采樣后會(huì)沿fs2折迭到(fs-fc)fs/2頻段對(duì)信號(hào)形成干擾。 2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖2-1-10 “混淆”的產(chǎn)生與消除（3）“混淆”的消除在采樣之前先用一個(gè)低通濾波器把高于fs2的頻率分量濾掉。該低通濾波器稱為“去混淆濾波器” 2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 截止頻率與采樣周期的關(guān)系： (dB/倍頻程) , （4）去混淆濾波

11、器的參數(shù)選擇陡度S：去混淆巴特沃斯低通濾波器階數(shù)最壞情況采樣時(shí)的對(duì)稱軸無用部分不用管混疊部分不能影響信號(hào)值該點(diǎn)的值應(yīng)低于A/D的量化電平即對(duì)濾波器的幅頻特性曲線提出要求【例23】已知某模擬輸入通道采用的是12位二進(jìn)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6階去混淆巴特沃斯低通濾波器，被測(cè)信號(hào)最高頻率為100Hz，試計(jì)算所需的去混淆巴特沃斯低通濾波器的截止頻率和所需的采樣周期。解：據(jù)公式(2-1-26)，6階巴特沃斯低通濾波器的陡度為，據(jù)題知，二進(jìn)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器m=12位，代入公式(2-1-24)或(2-1-27)計(jì)算得，截頻系數(shù)C應(yīng)取為5。據(jù)題知，代入公式(2-1-18)計(jì)算得，去混淆低通濾波器截止頻率也應(yīng)為100Hz。

12、將C=5、代入公式(2-1-17)計(jì)算得，采樣周期TS應(yīng)取為2ms。2.1.3信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇集中式采集電路方案的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)采樣保持器S/H的選擇采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率多路測(cè)量通道的串音問題主放大器的設(shè)置一、集中式采集電路方案的選擇四種可供選擇的方案2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇信號(hào)隨時(shí)間變化信號(hào)隨道間變化適用的集中式采集電路方案否否(a)直接相連否是(b)加程控增益放大器（PGA）是否(c)加采樣保持其（S/H）是是(d)兩樣都加基本元件： MUX + + A/D轉(zhuǎn)換二、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 1、A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)m的

13、確定 量化誤差 確定位數(shù)的原則：小信號(hào)不淹沒（分辨力）；大信號(hào)不溢出（量程）；量化誤差應(yīng)為系統(tǒng)誤差的十分之一。 具體要求：2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇測(cè)量范圍要求 測(cè)量精度要求 2、A/D轉(zhuǎn)換速度的確定 一般概念： 慢速 積分型等 幾毫秒幾十毫秒 中速 逐次比較型（常用）幾微秒100S 快速 電阻網(wǎng)絡(luò)等 20100nSA/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間：2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次再啟動(dòng)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。 A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出穩(wěn)定的數(shù)字量所需要的時(shí)間 采樣周期通道數(shù)與信號(hào)最高頻率的關(guān)系對(duì)fmax大的高頻(或高速)測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)該采取以下措施：(1)減少通道

14、數(shù)N，最好采用分散采集方式，即N=1。(2)減少截頻系數(shù)C，這應(yīng)增大去混淆低通濾波器陡度。(3)選用轉(zhuǎn)換時(shí)間tc短的A/D轉(zhuǎn)換器芯片。(4)將由CPU讀取數(shù)據(jù)改為直接存儲(chǔ)器存取(DMA)技術(shù)，以大大縮短休止時(shí)間t0。2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇3、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片的一些環(huán)境參數(shù)4、根據(jù)計(jì)算機(jī)接口特征選擇A/D轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)。2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇三、采樣保持器S/H的選擇采樣保持器的主要參數(shù) 捕捉時(shí)間tACS/H輸出電壓從原來的保持值過渡到跟蹤輸入信號(hào)Vi值(在確定的精度范圍內(nèi))所需的時(shí)間 孔徑時(shí)間tAPS/H從發(fā)出保持指令開始到模擬開關(guān)完全斷開所經(jīng)歷的時(shí)間。

15、孔徑抖動(dòng)是指多次采樣中孔徑時(shí)間的最大變化量 建立時(shí)間ts從發(fā)出保持指令開始到S/H輸出達(dá)到保持終值(在確定的精度范圍內(nèi))所需時(shí)間2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇圖2-1-14采樣/保持器的主要性能參數(shù) 指令動(dòng)作2、設(shè)置采樣保持器的必要性（1）不設(shè)置采樣保持器時(shí)，待轉(zhuǎn)換信號(hào)允許的最高頻率很低 ，由下式?jīng)Q定 2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇（2）設(shè)置采樣保持器后，待轉(zhuǎn)換信號(hào)允許的最高頻率大大提高，由下式?jīng)Q定A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間通常為幾十微秒S/H孔徑時(shí)間通常為10納秒四、采集電路的工作時(shí)序和最高允許頻率分時(shí)采樣多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其工作時(shí)序 2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇通道選定前一次轉(zhuǎn)換完成開始

16、采樣采樣結(jié)束ts秒轉(zhuǎn)換采樣脈沖保持時(shí)間tAC2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇系統(tǒng)允許的最小采樣周期為： 系統(tǒng)允許的最高信號(hào)頻率為每次轉(zhuǎn)換的工作周期為： 五、多路測(cè)量通道的串音問題串音的概念：道間串音干擾串音產(chǎn)生的原因： 模擬開關(guān)的斷開電阻不是無窮大 多路開關(guān)中存在寄生電容2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇2-1-16多路切換系統(tǒng)的等效電路減小串音干擾的措施：減小Ri,為此前級(jí)應(yīng)采用電壓跟隨器；選用Ron極小、Roff極大的開關(guān)管；減少輸出端并聯(lián)的開關(guān)數(shù)N。若N=1，則VN=0選用寄生電容小的MUX。2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇六、主放大器的設(shè)置1、主放大器的作用將MUX輸出的子樣電壓放

17、大到接近A/D滿量程，使數(shù)字轉(zhuǎn)換精度提高K倍。2、“主放大器”與“前置放大器”的區(qū)別2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇 前置放大器主放大器設(shè)置的位置在每路調(diào)理電路的前端，每路各用一個(gè)在采集電路的MUX之后，各路共用一個(gè)放大對(duì)象模擬電信號(hào)采樣脈沖放大增益固定不變浮動(dòng)可變3、主放大器增益K的確定既不能使A/D溢出，又要滿足轉(zhuǎn)換精度o的要求。 4、主放大器增益改變規(guī)則通常取取2的整數(shù)次冪 2.1.4采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇設(shè)計(jì)模擬輸入通道的步驟： 根據(jù)一般要求確定結(jié)構(gòu)方案； 根據(jù)精度要求分配誤差； 選擇元器件 一、誤差分配 在確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案之后，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的總精度要求，給各個(gè)環(huán)節(jié)分配誤差，以便選

18、擇元器件。通常傳感器和信號(hào)放大電路所占的誤差比例最大，其它各環(huán)節(jié)如采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器等誤差，可以按選擇元件精度的一般規(guī)則和具體情況而定。 選擇元件精度的一般規(guī)則是：每一個(gè)元件的精度指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)于系統(tǒng)規(guī)定的某一最嚴(yán)格的性能指標(biāo)的10倍左右。2.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合二、誤差綜合 初步選定各個(gè)元件之后，還要根據(jù)各個(gè)元件的技術(shù)特性和元件之間的相互關(guān)系核算實(shí)際誤差，并且按絕對(duì)值和的形式或方和根形式綜合各類誤差，檢查總誤差是否滿足給定的指標(biāo)。如果不合格，應(yīng)該分析誤差，重新選擇元件及進(jìn)行誤差的分析綜合，直至達(dá)到要求。2.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合【例24】設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)距離測(cè)量室內(nèi)溫

19、度的輸入通道即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。已知滿量程為100，共有8路信號(hào)，要求系統(tǒng)的總誤差為1.0(即相對(duì)誤差1%)，環(huán)境溫度為2515，電源波動(dòng)1%。試進(jìn)行誤差分配，選擇合適的器件，構(gòu)成滿足精度要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。解：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可按以下步驟進(jìn)行。1.電路方案選擇 鑒于溫度的變化一般很緩慢，故可以選擇多通道共享采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的通道結(jié)構(gòu)方案，其中傳感器和調(diào)理電路即溫度測(cè)量電路方案如圖2-1-17所示。2.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合圖2-1-17溫度傳感器及信號(hào)放大電路 2、溫度測(cè)量電路的元器件選擇溫度傳感器AD590K（由于是遠(yuǎn)距離測(cè)量，且測(cè)量范圍不大，故選擇電流輸出型集成溫度傳感器）。

20、高精度集成穩(wěn)壓源AD580LH，提供2.5V基準(zhǔn)電壓，它與AD590K共用一個(gè)直流電源US(10V)。測(cè)量放大器AD522B2.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合3、溫度測(cè)量電路的工作原理 AD590K的輸出電流與絕對(duì)溫度成正比（比例系數(shù)即靈敏度為1A/K），遠(yuǎn)傳到電阻R1（K）上產(chǎn)生的電壓Ut與攝氏溫度t的關(guān)系式為： R2、R3、W1將AD580LH提供的2.5V基準(zhǔn)電壓分壓形成偏移電壓Ub。調(diào)整電位器W1使偏移電壓Ub為273.2mV，則可使放大器AD522B的差動(dòng)輸入電壓Ui與攝氏溫度t成正比， AD522B差動(dòng)放大倍數(shù)由第、腳間所接電阻RG（由2k和W2組成）決定 2.1.5模擬輸入通

21、道的誤差分配與綜合圖2-1-17溫度傳感器及信號(hào)放大電路 溫度電流變換1A/KUs=10V0V基準(zhǔn)電壓273.2mV輸出100*t4、誤差分配由于傳感器和信號(hào)放大電路是系統(tǒng)誤差的主要部分，故將總誤差的90%(即0.9的誤差)分配至該部分。該部分的相對(duì)誤差為0.9%，數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換部分和其它環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差為0.1%。5、誤差估算（詳見教材）2.1.5模擬輸入通道的誤差分配與綜合2.2模擬輸出通道2.2模擬輸出通道 微機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)輸出通道有：數(shù)字信號(hào)通道和模擬通道兩種。模擬輸出通道的作用：模擬顯示 模擬記錄 驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)模擬通道的基本組成： D/A 保持 放大 濾波主要內(nèi)容： 基本理論， 基

22、本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)； 模擬輸出通道組成電路的選用。2.2模擬輸出通道一、零階保持與平滑濾波 從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)： “采樣”“A/D” 從數(shù)字信號(hào)恢復(fù)出模擬信號(hào)： “D/A”“保持” “采樣”將連續(xù)信號(hào)離散化。 “保持”將離散信號(hào)連續(xù)化：2.2.1模擬輸出通道的基本原理圖2-2-1（a）一階保持 (b)零階保持一階保持不容易用電路實(shí)現(xiàn) 零階保持容易用電路實(shí)現(xiàn) 圖222 零階保持的兩種實(shí)現(xiàn)電路 1、零階保持的實(shí)現(xiàn)電路 數(shù)字保持優(yōu)于模擬保持，模擬保持成本較低圖2-2-3零階保持器的輸出波形 2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理2、零階保持的輸出和響應(yīng)圖2-2-4零階保持器的沖激響應(yīng)和頻

23、率響應(yīng) 輸入：?jiǎn)挝粵_擊輸出：?jiǎn)挝痪匦蚊}沖輸出信號(hào)的頻譜，即系統(tǒng)的頻率響應(yīng) 零階保持器的單位脈沖響應(yīng)我們知道：?jiǎn)挝粵_擊信號(hào)的頻譜是一條水平線，通過觀察零階保持器的單位脈沖響應(yīng)不難發(fā)現(xiàn)，零階保持器是一個(gè)濾波器。它完全抑制了fs=1/Ts 的頻率成分，部分抑制了各次諧波成分2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理沖擊脈沖序列的輸出和頻率響應(yīng) 零階保持器的輸入可認(rèn)為是沖擊脈沖序列其輸出信號(hào)的頻譜為：基頻各次諧波3、平滑濾波器 由于各次諧波的存在，零階保持器的輸出波形呈現(xiàn)階梯狀，為平滑其輸出的形狀，需要一個(gè)低通濾波器濾掉各次諧波頻率，而保留基帶頻率。具有這種功能的低通濾波器稱為平滑濾波器。 通

24、常，取平滑濾波器的截止頻率等于信號(hào)的最高頻率，且等于保持頻率的四分之一。2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理零階保持器頻率響應(yīng)和平滑濾波器的作用 2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理二、保持周期的確定1.保持周期的意義： 每次零階保持的持續(xù)時(shí)間，即零階保持器輸出的階梯波的臺(tái)階寬度 2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理一路保持時(shí)間為t0則m路的保持周期為m*t02.保持周期與采樣周期的比例關(guān)系 模擬信號(hào)輸出通道中設(shè)定的保持周期 模擬信號(hào)輸入通道中設(shè)定的采樣周期 （1）若取 ，則 經(jīng)零階保持和平滑濾波后恢復(fù)出來的模擬信號(hào)波形與輸入通道中被采樣的輸入模擬信號(hào)

25、波形相同。 （2）若取 ，則 經(jīng)零階保持和平滑濾波后恢復(fù)出來的模擬信號(hào)波形與輸入通道中被采樣的輸入模擬信號(hào)波形相似。2.2模擬輸出通道2.2.1模擬輸出通道的基本原理2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)圖226 模擬輸出通道基本組成2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)一、數(shù)據(jù)分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)D/A轉(zhuǎn)換開始時(shí)間由寄存器控制特點(diǎn)： 每個(gè)通道配置一個(gè)輸入寄存器和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器， 微機(jī)將數(shù)據(jù)Dij分時(shí)選通至第i路輸入寄存器，第i路D/A立即對(duì)Dij進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。缺點(diǎn)： 各通道輸出的模擬信號(hào)存在時(shí)間偏斜，因此不適合于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

26、的系統(tǒng)。2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)圖2-2-8 數(shù)據(jù)保持同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)二、數(shù)據(jù)保持同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 每個(gè)通道配置兩個(gè)寄存器R1、R2和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，微機(jī)將數(shù)據(jù)Dij分時(shí)選通至第i路寄存器R1，然后同時(shí)將各路數(shù)據(jù)Dij從R1傳送到R2，各路D/A同時(shí)對(duì)Dij進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。優(yōu)點(diǎn)： 各通道輸出的模擬信號(hào)不存在時(shí)間偏斜，因此適合于要求多參量同步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)。2.2模擬輸出通道2.2.2模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 各個(gè)通道共用一個(gè)寄存器和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，各用一個(gè)S/

27、H。微機(jī)在輸出第i路數(shù)據(jù)給D/A進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，也控制第i路S/H進(jìn)行采樣，其他路S/H都處于保持狀態(tài)。 成本低、精度低三、模擬保持分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 圖2-2-9 模擬保持分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用一、D/A轉(zhuǎn)換器1、D/A位數(shù)的確定取決于輸出模擬信號(hào)所需要的動(dòng)態(tài)范圍。 若要求輸出通道不失真再現(xiàn)模擬輸入信號(hào)，則一般取A/D的位數(shù) 若要求輸出通道形成動(dòng)態(tài)范圍在20db左右的監(jiān)視波形，則一般取5-7位 2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用2、主要結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用特性的選擇數(shù)字輸入特性：接收數(shù)碼的碼制、數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平模擬輸出特性。目前多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器件均

28、屬電流輸出器件鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制直接影響與CPU的接口設(shè)計(jì)參考源。最好使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源的D/A轉(zhuǎn)換器2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用二、反多路開關(guān)和采樣保持器反多路開關(guān)的作用： 把單路串行輸出的D/A轉(zhuǎn)換電壓按道分離開來，變?yōu)槎嗦凡⑿休敵龅哪M電壓 采樣保持器的作用： 將D/A轉(zhuǎn)換后子樣電壓保持一段時(shí)間Th 2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用三、調(diào)理電路1、濾波器（1）平滑濾波器應(yīng)為低通濾波器（2）野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如數(shù)字地震儀的模擬輸出通道把記錄信號(hào)回放出來形成監(jiān)視波形，通常設(shè)置通頻帶很窄的濾波器，以濾除低頻干擾和高頻干擾。（3）有些微

29、機(jī)化測(cè)試系統(tǒng)因信號(hào)輸入通道中已有高低通濾波器濾除干擾，所以信號(hào)輸出通道中只有平滑濾波器而無其它濾波器，有些并不要求平滑電壓輸出的場(chǎng)合，平滑濾波也可以不要。2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用2、電壓/電流轉(zhuǎn)換和頻率/電壓轉(zhuǎn)換2.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用3、線性功率放大器用于模擬量控制的輸出通道采用集成功率運(yùn)算放大器可大大簡(jiǎn)化電路，并提高系統(tǒng)的可靠性。集成功率運(yùn)算放大器：OPA501、OPA511/512、OPA5412.2模擬輸出通道2.2.3模擬輸出通道組成電路的選用2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道一、開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)2.3開

30、關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道二、輸入調(diào)理電路1、小功率輸入的調(diào)理電路 清除由于接點(diǎn)的機(jī)械抖動(dòng)而產(chǎn)生的振蕩信號(hào)高電平放電+-0初始狀態(tài)：011100放電完成前不會(huì)變成低電平轉(zhuǎn)換開關(guān)：00111002.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道2、大功率輸入調(diào)理電路用光電耦合器進(jìn)行隔離2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.1開關(guān)量輸入通道三、輸入緩沖器通常采用三態(tài)門緩沖器74LS2442.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道開關(guān)量輸出的用途： 控制開關(guān)電器 開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)（代替模擬量輸出）開關(guān)量輸出驅(qū)

31、動(dòng)的概念：脈寬調(diào)制開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 控制精度比一般的模擬輸出控制高，無須改動(dòng)硬件，只需改變程序就可用于不同的控制場(chǎng)合一、開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道二、常見的輸出驅(qū)動(dòng)電路1、直流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道電流負(fù)載：不大（幾百mA）驅(qū)動(dòng)電流：夠大電流負(fù)載：不大（幾百mA）驅(qū)動(dòng)電流：很小2、晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路圖2-3-6 晶閘管交流負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道驅(qū)動(dòng)電流極小圖2-3-7 典型繼電器驅(qū)動(dòng)電路2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.2開關(guān)量輸出通道3、繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖2-3-

32、8 直流SSR與交流SSR 4、固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖2-3-9 基本的SSR驅(qū)動(dòng)電路 2.3.3開關(guān)量輸入輸出通道設(shè)計(jì)舉例一、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制2.3開關(guān)量輸入/輸出通道2.3.3開關(guān)量輸入輸出通道設(shè)計(jì)舉例步進(jìn)電機(jī)外形結(jié)構(gòu)常見步進(jìn)電機(jī)外形構(gòu)造 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造 步進(jìn)電機(jī)分類 按照力矩產(chǎn)生原理分類 激磁式 反應(yīng)式 混合式 按照定子數(shù)目分類 單定子 雙定子 多定子 按照定子勵(lì)磁相數(shù)分類 三相 四相 五相 六相 按照各相繞組的分布規(guī)律分類 徑向分相 (垂軸式) 軸向分相 (順軸式)單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 內(nèi)部結(jié)構(gòu)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖 A相定子繞

33、組通電形成磁場(chǎng) 單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 磁場(chǎng)形成步進(jìn)電機(jī)節(jié)拍運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫 單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 節(jié)拍運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫步距角： 步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。 單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序： AABBBCCCAA 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向： 順時(shí)針 步距角： 單段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 兩轉(zhuǎn)子齒定子通電順序： AACCCBBBAA 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向：逆時(shí)針 步距角：步距角： 步進(jìn)電機(jī)的定子繞組每改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱步距角。 轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角 越小 定子相數(shù)越多，步距角 越小 通電方式的節(jié)拍越多，步距角 越小式中：m 定子相數(shù) Z 轉(zhuǎn)子齒

34、數(shù) C 通電方式 C = 1 單相輪流通電、雙相輪流通電方式 C = 2 單、雙相輪流通電方式步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖2-3-10 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 二、直流馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制使用脈沖寬度調(diào)速（PWM）PWM控制的基本原理方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f (t)d (t)tOa)b)c)d)tOtOtOf(t)f (t)f(t)形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同PWM控制的基本原理i(t )e(t) 實(shí)例以上實(shí)例說明了“面積等效原理”電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波PWM控制的基本原理如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波SP