【正文】 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 29 D 3 D 2 D 1 D 0動驅碼譯動驅碼譯換轉平電換轉平電0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS圖 2 4 多路模擬開關的擴展電路INHINH— 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 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多路開關組成的 16路模擬開關接線圖 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 31 五、 采樣保持器 當某一通道進行 A/D轉換時 ， 由于 A/D 轉換需要一定的時間 ， 如果輸入信號變化較快 ，就會引起較大的轉換誤差 。 為了保證 A/D轉換的精度 ， 需要應用采樣保持器 。 ?數據采樣定理 ?采樣保持器 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 32 1 數據采樣定理 離散系統(tǒng)或采樣數據系統(tǒng) 把連續(xù)變化的量變成離 散量后再進行處理的計算機控制系統(tǒng)。 離散系統(tǒng)的采樣形式 有周期采樣、多階采樣和隨機采樣。應用最多的是周期采樣。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 33 周期采樣 就是以相同的時間間隔進行采樣，即把一個連續(xù)變化的模擬信號 y(t)，按一定的時間間隔 T 轉變?yōu)樵谒矔r 0， T，2T， … 的一連串脈沖序列信號 y*(t)，如圖所示。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 34 0 t 0 T 2T 3T t采樣器y ( t )*y ( t )*y( t )y ( t ) ?T圖 2 7 信號的采樣過程采樣器的常用術語： 采樣器或采樣開關 執(zhí)行采樣動作的裝置， 采樣時間或采樣寬度 τ 采樣開關每次閉合的時間 采樣周期 T采樣開關每次通斷的時間間隔 在實際系統(tǒng)中， ?《 T ，也就是說，可以近似地認為采樣信號 y*(t)是 y(t)在采樣開關閉合時的瞬時值 。 圖 信號的采樣過程 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 35 由經驗可知，采樣頻率越高，采樣信號 y*(t)越接近原信號 y(t)，但若采樣頻率過高，在實時控制系統(tǒng)中將會把許多寶貴的時間用在采樣上，從而失去了實時控制的機會。為了使采樣信號 y*(t)既不失真，又不會因頻率太高而浪費時間，我們可依據香農采樣定理。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 36 香農定理指出：為了使采樣信號 y*(t)能完全復現(xiàn)原信號 y(t)，采樣頻率 f 至少要為原信號最高有效頻率 fmax的2倍，即 f ? 2fmax。 采樣定理給出了 y*(t)唯一地復現(xiàn) y(t)所必需的最低采樣頻率。實際應用中，常取 f ?（ 5~10） fmax。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 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間內，一直保持采樣值不變直到下一個采樣時刻。它的組成原理電路與工作波性如圖 (a)、 (b)所示。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 38 采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器 AA2和采樣開關 S、保持電容 CH等組成。采樣期間，開關 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；保持期間，開關 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。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 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 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 40 顯然，保持電容 C H的作用十分重要。實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、開關截止時的漏電流與電容內部的漏電流等。 電容 CH值 增大電容 CH值可以減小電壓變化率，但同時又會增加充電即采樣時間，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、聚苯乙烯等高質量的電容器，容量為 510~1000pF。 HDCIdtd V c ?— 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 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 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 42 33 前向通道中的 A/D轉換與 A/D轉換接口 ? 模擬量輸入接口（又稱為 A/D通道） ? 模擬量輸入接口的組成 – 多路模擬切換開關 – 前置放大器 – 采樣保持器 – 模／數轉換器（ A/D） – 控制電路等 ? A/D轉換器的性能指標類似于 D/A轉換器 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 43 ?在微機的各種接口中 ， 完成外設信號到微機所需數字信號轉換的 ， 稱為模擬 ∕數字轉換 （ A/D轉換 ） 器；完成微機輸出數字信號到外設所需信號轉換的 ， 稱為數字 ∕模擬轉換 （ D/A轉換 ） 器 。 ?D/A轉換器 （ Digital to Analog Converter）是一種能把數字量轉換成模擬量的電子器件； A/D 轉 換 器 （ Analog to Digital Converter） 則相反 ， 它能把模擬量轉換成相應的數字量 。 在微機控制系統(tǒng)中 ， 經常要用到 A/D和 D/A轉換器 。 它們的功能及在實時控制系統(tǒng)中的地位 ， 如圖所示 。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 44 圖 單片機和被控實體間的接口示意 返回本章首頁 當地功能單片微型計算機A/D多路開關傳感器傳感器D/A被控實體變送器變送器— 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 45 331 A/D轉換器原理 ? 并行 A/D轉換器 – n位則需 2n1個比較器 ， 成本高 ， 故只應用于轉換速度要求極高的場合 ? 計數器式 A/D轉換器 – 簡單 、 便宜 ， 但每輸入一個時鐘脈沖 ， 計數器加 （ 或減 ） 1， 故要逼近輸入值 ， 需輸入許多個脈沖 ， 因而轉換很慢 。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 46 1計數器式 A/D轉換器 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 47 原理：轉換器、計數器和比較器組成。工作時，計數器由零開始計數，將其計數值送往 D／ A轉換器進行轉換，將生成的模擬信號與輸入模擬信號在比較器內進行比較，若前者小于后者，則計數值加 1，重復 D／ A轉換及比較過程。當這個信號值與輸出模擬量比較相等時（在允許的誤差范圍內），比較器輸出一個停止計數信號給計數器，計數器立即停止計數。此時 D／ A轉換器輸出的模擬量就為模擬輸入值，計數器的值就是轉換成的相應的數字量值。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 48 ? 優(yōu)點：這種 A／ D轉換器結構簡單、原理清楚 ? 缺點：它的轉換速度與精度之間存在著嚴重矛盾。即若要轉換速度高，則轉換器輸出與輸入的誤差就大，反之亦然。所以在實際中很少使用它。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 49 331 雙積分式 A/D轉換器（ 1） ? 雙積分式 A/D轉換器特點 – 是一種間接 A/D轉換技術。 ?模擬電壓先轉換成積分時間，然后轉換成計數脈沖數，最后將代表模擬輸入電壓大小的脈沖數轉換成 BCD碼輸出。 ?轉換時間較長，一般需要幾十毫秒。 – 器件少 、 使用方便 、 抗干擾能力強 、 數據穩(wěn)定 、 價格便宜 ， 適用于非快速計算機過程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方 。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 50 331 雙積分式 A/D轉換器（ 2） ? 雙積分式 A/D轉換器的工作原理 – 先對模擬輸入電壓 Vin進行固定時間 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 – 當固定時間 t1到后，計數器清零，對積分器進行反向積分，并自動按一定的頻率進行計數。積分器的輸出電壓，從正向積分結束時的 VI開始以恒定的斜率下降，當反向積分使其積分器輸出為零時，關閉計數器計數，完成一次 A/D轉換工作。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 51 ? 缺點：轉換時間較長，一般需要幾十毫秒。 ? 優(yōu)點：器件少、使用方便、抗干擾能力強、數據穩(wěn)定、價格便宜，適用于非快速計算機過程控制系統(tǒng)或精度要求較高的地方。 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 52 331 雙積分式 A/D轉換器（ 3） ? 雙積分式 A/D轉換器示意圖 控制邏輯 計數器 時鐘 + 比較器 － + 積分器 － 1 2 3 積分電容 VO VI K 數據輸出 Vin VREF （基準電壓） 雙積分式 A/D轉換的原理框圖 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 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 53 331 雙積分式 A/D轉換器（ 4） ? 常用雙積分式 A/D轉換器芯片 ? MC14433 — 計算機控制系統(tǒng) — 燕山大學自動化系 2020/11/17 第三章 計算機輸入輸出接口技術 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的數字逼近 Vin 模擬量輸入 數字量輸出 寄存器 D/A轉換器 逐位逼近寄存器（ SAR） 控制時序 和邏輯電路 比較器 － + Vf（反饋電壓） 逐位逼近式 A/D轉換器原理