【正文】 （ 4） 采樣定理 的應(yīng)用 由于所有的信號(hào)并非都是 “ 有限帶寬 ” ，所以在實(shí)際應(yīng)用中，往 往所取的實(shí)際采樣頻率 fS比兩倍 fmax大，一般而言， fS至少取 4 fmax。 （ 2）采樣過(guò)程分析 一個(gè)連續(xù)變化的信號(hào)，經(jīng)采 樣后形成一組脈沖序列。 把以一定時(shí)間間隔 T逐點(diǎn)采集連續(xù)的模擬信號(hào)，并保持一 個(gè)時(shí)間 t， 使被采集的信號(hào)變成時(shí)間上離散、幅值等于采樣時(shí)刻該信號(hào) 瞬時(shí)值的一組方波序列信號(hào)。輸出通道的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。 模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大，通過(guò)采 樣 /保持器（ S/H） 送入 A/D轉(zhuǎn)換器。 ④ 頻率信號(hào)，能滿足 TTL電平要求的直接輸入 I/O口；不滿足則應(yīng)通 過(guò)放大、整形變換成 TTL電平信號(hào)后再送入。根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的大小、類型，輸入通道的結(jié)構(gòu)類型如 表所示。 課程內(nèi)容2 信號(hào) 輸出 信號(hào) 輸入 主機(jī)箱 數(shù)據(jù)采集與控制通道 通用計(jì)算機(jī) CR T 打印機(jī) 鍵盤 磁盤 驅(qū)動(dòng)器 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) （ 1）分辨率和精度 （ 2）模擬量輸入通道的數(shù)量 （ 3）采樣頻率 （ 4）數(shù)據(jù)處理的要求 ① 新型快速、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展； ② 數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理緊密結(jié)合； ③ 智能傳感器的發(fā)展； ④ 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，適合不同環(huán)境的要求。 ② 將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器送來(lái)的模擬電信號(hào)按一定的次序巡回地采 樣、進(jìn)行 A／ D轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即完成數(shù)據(jù)的采集。 它是由輸出通道將微機(jī) 運(yùn)算的結(jié)果變成控制參量送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)取得相應(yīng)的控制效果 。 課堂討論： 模擬信號(hào)調(diào)理的主要功能是什么？ 采樣定理與采樣周期的確定。 課時(shí)授課計(jì)劃 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 重點(diǎn)與難點(diǎn)： 重點(diǎn)： 輸入 /輸出通道的設(shè)計(jì)方法； 難點(diǎn)：模擬量輸入通道的信號(hào)調(diào)理。 它是通過(guò)被測(cè)信號(hào)的輸入通 道 ， 將傳感器送來(lái)的過(guò)程參數(shù) ， 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入微機(jī)； “ 控 ” ， 即所謂的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過(guò)程 。即確定數(shù)據(jù)采樣周期，同時(shí)也能為系統(tǒng)提供時(shí)間 基淮。 ⑤ 當(dāng)過(guò)程參數(shù)越限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。結(jié)構(gòu)型式取決于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境、輸出信號(hào)的類型、數(shù)量、大 小等。 課程內(nèi)容4 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 輸入通道結(jié)構(gòu)類型表 傳感器輸出信號(hào) 輸入通道結(jié)構(gòu) TTL 電平 TTL 電平信號(hào) 大信號(hào)電流 0~10m A 4~20m A 大信號(hào) 模擬電壓 V A / D 單片機(jī) V / F 單片機(jī) 放大 V / F I / V I / V V / F I / V 放大 A / D 單片機(jī) I / V 放大 V / F 放大 整形 單片機(jī) 單片機(jī) 防抖 整形 單片機(jī) 單片機(jī) 小信號(hào)模擬電 壓 mV 、 μ V 放大 A / D 單片機(jī) 單片機(jī) 頻率 信號(hào) A / D 單 片機(jī) 單片機(jī) 單片機(jī) 小信號(hào)電流 mA 、 μ A 小信號(hào) 非 TTL 開關(guān) 信號(hào) 課程內(nèi)容5 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) ③ 以電流為輸出信號(hào)的傳感器或傳感儀表則應(yīng)通過(guò) I/V轉(zhuǎn)換，將電 流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。如圖所示。 （ 2）輸出通道一般結(jié)構(gòu) 取決于被測(cè)對(duì)象和控制任務(wù)。 傳感器 放大器 S / H A/ D CP U 傳感器 傳感器 傳感器 多路開關(guān) M UX … 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程內(nèi)容7 裝置 過(guò)零切換 隔離電源 頻率調(diào)制系統(tǒng) 直流伺 服裝置 頻率量 數(shù)字控 制裝置 直流伺 服裝置 開關(guān)量 控制裝置 數(shù)字量 開關(guān)量 數(shù)字量輸出控制 M CS 51 光電隔離 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng) 光電隔離 光電隔離 V / F 頻率量輸出信號(hào)調(diào)節(jié) DC — DC 功率控制電源 直流驅(qū)動(dòng)功放 直流驅(qū)動(dòng)功放 D / A 輸出通道結(jié)構(gòu)圖 課程內(nèi)容8 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 采樣定理 把連續(xù)變化量變成離散量的過(guò)程。 ??? KK tt 1 常量（ T）（ K=0、 …… ） 課程內(nèi)容9 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 連續(xù)時(shí)間函數(shù) x（ t） 經(jīng)過(guò)等間隔理想采樣后離散信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 利用頻率卷積定理： ? ?tx ? ?t? ? ?t? t t 0 3 T 2 T 1 T 1 T 2 T 3 T ? ?tx ? ?tx? 調(diào)制器 采樣器原理圖 ? ? ? ? ? ?ttxtx T??? —— 等間隔的脈沖序列 ??tT?? ? ? ?? ?? NtttT ??由于 —— 稱為采樣頻率 f)()()()()(* ffxttxtx T ??? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ?????????????????? nf sfxTnf sffxTnf sfTfxfx 111)()( ??所以 課程內(nèi)容10 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 由上式，可畫出采樣波形 圖，如圖所示。 如何確定采樣頻率，使得采 樣結(jié)果 x*(t)既不失真于 x(t)， 又不致因采樣過(guò)于頻繁而耗費(fèi)微 機(jī)的時(shí)間？ ? ?tx ? ?tT? ? ?tx* 0 0 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 6T 5T 4T 3T 2T 1 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T 6T 5T 4T 3T 2T 1 T t t 采樣前后信號(hào)波形的變化 課程內(nèi)容11 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) （ 3）采樣定理 如果 x（ t） 是有限帶寬信 號(hào)，其最高頻率為 fmax， 要 采樣頻率 fS≥ 2fmax， 那 么，一定可以由采樣信號(hào) x*（ t） 無(wú)失真 地恢復(fù)出連 續(xù)信號(hào) x（ t）。 （ 2）信號(hào)調(diào)節(jié)電路的結(jié)構(gòu) ① 對(duì)于單路小信號(hào)（電流或電壓），如下圖 a所示，必須經(jīng)過(guò)小 信號(hào)放大環(huán)節(jié)。 ③ 對(duì)于大信號(hào)輸出傳感器，可以省去小信號(hào)放大。在多路選擇開關(guān)之后設(shè)置一可編程增 益放大器，利用計(jì)算機(jī)編程控制增益，以滿足各通道對(duì)信號(hào)增益的要求。功 率放大器 A3為后級(jí)，它不僅切斷共模 干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換 成單端輸出方式，以滿足負(fù)載的需要。 為此，輸入（引腳 l 或引腳 3）端必須與 電源的地線相連構(gòu)成 回路。 ② 可編程增益放大器原理結(jié)構(gòu) 它是測(cè)量放大器電路的擴(kuò) 展，增加了增益模擬開關(guān)和驅(qū) 動(dòng)電路。 S 2 39。 Y 數(shù)據(jù)處理 A / D 轉(zhuǎn)換 大于當(dāng)前量程？ P G A 在最低檔？ P G A 增益降一檔 轉(zhuǎn)換后最高位 =0 ？ P G A 在最高檔？ P G A 增益升一檔 超量程處理 Y Y Y 自動(dòng)量程切換 自動(dòng)量程切換流程圖 課程內(nèi)容18 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) ④ 可編程增益放大器集成芯片 常用的可編程增益放大器芯片有 AD52 AD62 PGA100、 PGA10 LH0084等。 敏感公共端 V OUT 15 11 12 2 1 3 16 13 10 9 8 7 6 5 4 V CC 1. 33 k 10 .8 k 1. 2k 10 .8 k 1. 2k 10 .8 k 模擬地 V I N1 增益 / 通道 選擇 V I N2 V I N3 增益調(diào)整 增益調(diào)整 X 10 +V CC 邏輯地 X1 00 失調(diào)調(diào)整 PGA102原理結(jié)構(gòu)圖 課程內(nèi)容19 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) (3)隔離放大器 ① 隔離放大器特點(diǎn) 避免各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。 課程內(nèi)容20 課程內(nèi)容21 15V b c 3 2 1 5 4 + 15V 10k 1 隔離電源 濾波 調(diào)制 A1 解調(diào) 濾波 2 隔離電源 100 kH z 電源振蕩器 穩(wěn)壓器 A2 100k 100k 15V + 15V 輸入 7 + 6 15V + 15V 輸出 8 10 9 電源 a e d 輸入屏蔽 V0177。 10V的直流電壓。光耦合隔離放大器是通過(guò)輸入極激勵(lì)發(fā)光管，由光電管將光信號(hào)耦合到輸出極，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，同時(shí)保證了輸入和輸出間的電氣隔離。 如果不調(diào)零， W1可不接。 課程內(nèi)容25 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 0 ~ 10V 1k +15V 50k INA105 4~20m A OUT 10V OPA27 2 3 1 6 5 2