【正文】 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 29 D 3 D 2 D 1 D 0動(dòng)驅(qū)碼譯動(dòng)驅(qū)碼譯換轉(zhuǎn)平電換轉(zhuǎn)平電0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS圖 2 4 多路模擬開(kāi)關(guān)的擴(kuò)展電路INHINH— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 30 O U T O U TC CAB BAD 0D 1D 2D 3C D 4 0 5 1 C D 4 0 5 1I N H I N HS 1S 8S 1S 8ININININ{{模擬輸入（1 8 ）模擬輸入（9 1 6）~~模擬輸出.....圖 用 CD4051多路開(kāi)關(guān)組成的 16路模擬開(kāi)關(guān)接線圖 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 31 五、 采樣保持器 當(dāng)某一通道進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換時(shí) ， 由于 A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間 ， 如果輸入信號(hào)變化較快 ，就會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)換誤差 。 為了保證 A/D轉(zhuǎn)換的精度 ， 需要應(yīng)用采樣保持器 。 ?數(shù)據(jù)采樣定理 ?采樣保持器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 32 1 數(shù)據(jù)采樣定理 離散系統(tǒng)或采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng) 把連續(xù)變化的量變成離 散量后再進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)的采樣形式 有周期采樣、多階采樣和隨機(jī)采樣。應(yīng)用最多的是周期采樣。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 33 周期采樣 就是以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，即把一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào) y(t)，按一定的時(shí)間間隔 T 轉(zhuǎn)變?yōu)樵谒矔r(shí) 0， T，2T， … 的一連串脈沖序列信號(hào) y*(t)，如圖所示。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 34 0 t 0 T 2T 3T t采樣器y ( t )*y ( t )*y( t )y ( t ) ?T圖 2 7 信號(hào)的采樣過(guò)程采樣器的常用術(shù)語(yǔ)： 采樣器或采樣開(kāi)關(guān) 執(zhí)行采樣動(dòng)作的裝置， 采樣時(shí)間或采樣寬度 τ 采樣開(kāi)關(guān)每次閉合的時(shí)間 采樣周期 T采樣開(kāi)關(guān)每次通斷的時(shí)間間隔 在實(shí)際系統(tǒng)中， ?《 T ，也就是說(shuō)，可以近似地認(rèn)為采樣信號(hào) y*(t)是 y(t)在采樣開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的瞬時(shí)值 。 圖 信號(hào)的采樣過(guò)程 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 35 由經(jīng)驗(yàn)可知，采樣頻率越高，采樣信號(hào) y*(t)越接近原信號(hào) y(t)，但若采樣頻率過(guò)高，在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中將會(huì)把許多寶貴的時(shí)間用在采樣上，從而失去了實(shí)時(shí)控制的機(jī)會(huì)。為了使采樣信號(hào) y*(t)既不失真，又不會(huì)因頻率太高而浪費(fèi)時(shí)間，我們可依據(jù)香農(nóng)采樣定理。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 36 香農(nóng)定理指出：為了使采樣信號(hào) y*(t)能完全復(fù)現(xiàn)原信號(hào) y(t)，采樣頻率 f 至少要為原信號(hào)最高有效頻率 fmax的2倍，即 f ? 2fmax。 采樣定理給出了 y*(t)唯一地復(fù)現(xiàn) y(t)所必需的最低采樣頻率。實(shí)際應(yīng)用中，常取 f ?（ 5~10） fmax。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 37 采樣保持器 零階采樣保持器 零階采樣保持器是在兩次采樣的間隔時(shí)間內(nèi)，一直保持采樣值不變直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。它的組成原理電路與工作波性如圖 (a)、 (b)所示。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 38 采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器 AA2和采樣開(kāi)關(guān) S、保持電容 CH等組成。采樣期間，開(kāi)關(guān) S閉合，輸入電壓 VIN通過(guò) A1對(duì) CH快速充電，輸出電壓 VOUT跟隨 VIN變化；保持期間，開(kāi)關(guān) S斷開(kāi)，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。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 39 INV1A 2A－＋HCO UTVSO UTVINVtt圖 2 8 采樣保持器 路電理原)a( 性波作工)b(采樣 保持圖 采樣保持器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 40 顯然，保持電容 C H的作用十分重要。實(shí)際上保持期間的電容保持電壓 VC在緩慢下降，這是由于保持電容的漏電流所致。保持電壓 VC的變化率為 式中： ID為保持期間電容的總泄漏電流，它包括放大器的輸入電流、開(kāi)關(guān)截止時(shí)的漏電流與電容內(nèi)部的漏電流等。 電容 CH值 增大電容 CH值可以減小電壓變化率，但同時(shí)又會(huì)增加充電即采樣時(shí)間，因此保持電容的容量大小與采樣精度成正比而與采樣頻率成反比。一般情況下，保持電容 CH是外接的，所以要選用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高質(zhì)量的電容器，容量為 510~1000pF。 HDCIdtd V c ?— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 41 零階集成采樣保持器 — 常用的零階集成采樣保持器有 AD58 LF198/298/398等。這里，用 TTL邏輯電平控制采樣和保持狀態(tài)，如AD582的采樣電平為 “ 0”，保持電平為 “ 1”，而LF198的則相反。 圖 3－ 9 集成采樣保持器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 42 33 前向通道中的 A/D轉(zhuǎn)換與 A/D轉(zhuǎn)換接口 ? 模擬量輸入接口（又稱(chēng)為 A/D通道） ? 模擬量輸入接口的組成 – 多路模擬切換開(kāi)關(guān) – 前置放大器 – 采樣保持器 – 模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/D） – 控制電路等 ? A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)類(lèi)似于 D/A轉(zhuǎn)換器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 43 ?在微機(jī)的各種接口中 ， 完成外設(shè)信號(hào)到微機(jī)所需數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的 ， 稱(chēng)為模擬 ∕數(shù)字轉(zhuǎn)換 （ A/D轉(zhuǎn)換 ） 器；完成微機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)到外設(shè)所需信號(hào)轉(zhuǎn)換的 ， 稱(chēng)為數(shù)字 ∕模擬轉(zhuǎn)換 （ D/A轉(zhuǎn)換 ） 器 。 ?D/A轉(zhuǎn)換器 （ Digital to Analog Converter）是一種能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電子器件； A/D 轉(zhuǎn) 換 器 （ Analog to Digital Converter） 則相反 ， 它能把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量 。 在微機(jī)控制系統(tǒng)中 ， 經(jīng)常要用到 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換器 。 它們的功能及在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的地位 ， 如圖所示 。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 44 圖 單片機(jī)和被控實(shí)體間的接口示意 返回本章首頁(yè) 當(dāng)?shù)毓δ軉纹⑿陀?jì)算機(jī)A/D多路開(kāi)關(guān)傳感器傳感器D/A被控實(shí)體變送器變送器— 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 45 331 A/D轉(zhuǎn)換器原理 ? 并行 A/D轉(zhuǎn)換器 – n位則需 2n1個(gè)比較器 ， 成本高 ， 故只應(yīng)用于轉(zhuǎn)換速度要求極高的場(chǎng)合 ? 計(jì)數(shù)器式 A/D轉(zhuǎn)換器 – 簡(jiǎn)單 、 便宜 ， 但每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖 ， 計(jì)數(shù)器加 （ 或減 ） 1， 故要逼近輸入值 ， 需輸入許多個(gè)脈沖 ， 因而轉(zhuǎn)換很慢 。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 46 1計(jì)數(shù)器式 A/D轉(zhuǎn)換器 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 47 原理：轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器和比較器組成。工作時(shí)，計(jì)數(shù)器由零開(kāi)始計(jì)數(shù)，將其計(jì)數(shù)值送往 D／ A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將生成的模擬信號(hào)與輸入模擬信號(hào)在比較器內(nèi)進(jìn)行比較，若前者小于后者，則計(jì)數(shù)值加 1，重復(fù) D／ A轉(zhuǎn)換及比較過(guò)程。當(dāng)這個(gè)信號(hào)值與輸出模擬量比較相等時(shí)（在允許的誤差范圍內(nèi)），比較器輸出一個(gè)停止計(jì)數(shù)信號(hào)給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)。此時(shí) D／ A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量就為模擬輸入值，計(jì)數(shù)器的值就是轉(zhuǎn)換成的相應(yīng)的數(shù)字量值。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 48 ? 優(yōu)點(diǎn)：這種 A／ D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理清楚 ? 缺點(diǎn)：它的轉(zhuǎn)換速度與精度之間存在著嚴(yán)重矛盾。即若要轉(zhuǎn)換速度高，則轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的誤差就大，反之亦然。所以在實(shí)際中很少使用它。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 49 331 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器（ 1） ? 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn) – 是一種間接 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。 ?模擬電壓先轉(zhuǎn)換成積分時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖數(shù)，最后將代表模擬輸入電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成 BCD碼輸出。 ?轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾十毫秒。 – 器件少 、 使用方便 、 抗干擾能力強(qiáng) 、 數(shù)據(jù)穩(wěn)定 、 價(jià)格便宜 ， 適用于非快速計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方 。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 50 331 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器（ 2） ? 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理 – 先對(duì)模擬輸入電壓 Vin進(jìn)行固定時(shí)間 t1的正向積分，積分器的輸出電壓上升的速率與輸入電壓 Vin成正比 – 當(dāng)固定時(shí)間 t1到后，計(jì)數(shù)器清零，對(duì)積分器進(jìn)行反向積分，并自動(dòng)按一定的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)。積分器的輸出電壓，從正向積分結(jié)束時(shí)的 VI開(kāi)始以恒定的斜率下降，當(dāng)反向積分使其積分器輸出為零時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，完成一次 A/D轉(zhuǎn)換工作。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 51 ? 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要幾十毫秒。 ? 優(yōu)點(diǎn)：器件少、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、價(jià)格便宜，適用于非快速計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方。 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 52 331 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器（ 3） ? 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器示意圖 控制邏輯 計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘 + 比較器 － + 積分器 － 1 2 3 積分電容 VO VI K 數(shù)據(jù)輸出 Vin VREF （基準(zhǔn)電壓） 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換的原理框圖 t1 VO t2 t A VO t1 t3 t B t t1 VI積分輸出 t2 t3 A B 雙積分 A/D的工作示意圖 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 53 331 雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器（ 4） ? 常用雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器芯片 ? MC14433 — 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) — 燕山大學(xué)自動(dòng)化系 2020/11/17 第三章 計(jì)算機(jī)輸入輸出接口技術(shù) 54 331 逐位逼近法（ 1） ? 逐位逼近式 A/D的工作原理 – 從 SAR輸出的數(shù)碼送至 D/A，其輸出電壓 Vf與模擬量輸入 Vin 比較后，再控制 SAR的數(shù)字逼近 Vin 模擬量輸入 數(shù)字量輸出 寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器 逐位逼近寄存器（ SAR） 控制時(shí)序 和邏輯電路 比較器 － + Vf（反饋電壓） 逐位逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器原理