【正文】 （ 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。 ④ 顯示和打印輸出。 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。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能： ① 時(shí)鐘功能。 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 。 “ 測(cè) ” ， 即所謂的數(shù)據(jù)采集過(guò)程 。 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。第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 檢測(cè)與控制技術(shù) ◆ 課時(shí)授課計(jì)劃 ◆ 提 綱 ◆ 課 程 內(nèi) 容 精品課程 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 課題： 第 4章 輸入輸出通道接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ) 模擬量輸入通道 模擬量輸出通道 開(kāi)關(guān)量輸入／輸出通道 電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)舉例 目的與要求： 了解微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中 輸入 /輸出通道 的作用； 了解 信號(hào)調(diào)理的一般方法和信號(hào)調(diào)理電路中常用的器件和電路 ； 掌握 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本概念； 掌握 輸入 /輸出通道的一般結(jié)構(gòu)和常用器件的使用方法； 學(xué)會(huì)輸入 /輸出通道的及軟、硬件設(shè)計(jì)方法。 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。 模擬量輸入通道中，模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的方式有哪些？ 現(xiàn)代教學(xué)方法與手段： 微型計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)課程 PowerPoint 復(fù)習(xí)（提問(wèn)）： 在模擬輸入通道中，采樣 /保持器有什么作用？是否模擬輸入通 道中必須采用采樣 /保持器？為什么？ 光電耦合器使用時(shí)應(yīng)注意什么？ 課時(shí)授課計(jì)劃 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 第 4章 輸入輸出通道接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概論 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 采樣定理 信號(hào)的放大與隔離技術(shù)及常用器件 V/I和 I/V轉(zhuǎn)換電路 數(shù)據(jù)采集中的誤差分析 模擬量輸入通道 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu) 模擬量輸入通道中的常用器件及電路 模擬量輸入通道設(shè)計(jì) 課程提綱 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 模擬量輸出通道 模擬量輸出通道的一般結(jié)構(gòu) 模擬量輸出通道常用器件及電路 模擬量輸出通道設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)量輸入 /輸出通道 開(kāi)關(guān)量 I/O通道的一般結(jié)構(gòu) 開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)的調(diào)理 開(kāi)關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路 開(kāi)關(guān)量 I/O通道設(shè)計(jì) 電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)接口技術(shù) 電動(dòng)機(jī)控制接口 步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)舉例 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)要求 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)舉例 思考題與習(xí)題： P167 2. 4. 7. 10. 11. 12. 課程提綱 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 第 4章 輸入輸出通道接口技術(shù) 微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是在微機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng) 被測(cè) 、 被控對(duì)象的情況 ， 通過(guò)擴(kuò)展相應(yīng)的接口并在軟件的支持下實(shí) 現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量再到模擬量的轉(zhuǎn)換 ， 從而完成系統(tǒng)所要求的測(cè) 控目標(biāo) 。 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 。 課程內(nèi)容1 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概論 微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)生產(chǎn) 現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、記錄、存 儲(chǔ)、處理、打印、顯示及報(bào)警。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。 ③ 對(duì)數(shù)字量按預(yù)定算法進(jìn)行處理。 ⑤ 當(dāng)過(guò)程參數(shù)越限時(shí)進(jìn)行報(bào)警。 課程內(nèi)容3 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件主要由輸入通道、輸出通道組成的。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(lèi)型、數(shù)量、大 小等。 ① 傳感器 輸出信號(hào)為大信號(hào)模擬電壓 若直接滿足 A/D轉(zhuǎn)換輸入的要求，則可直接送入 A/D轉(zhuǎn)換器。 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(lèi)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(kāi)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)。 ⑤ 開(kāi)關(guān)信號(hào)，若能滿足 TTL電平要求時(shí)，可直接輸入到 I/O口，否則， 就應(yīng)進(jìn)行整形處理。如圖所示。 傳感器 放大器 S/ H A/ D CP U 單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程內(nèi)容6 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) ② 多通道典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 利用多路開(kāi)關(guān)（ MUX） 讓 多個(gè)被測(cè)對(duì)象共用同一個(gè)采集 通道，這就是多通道數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)。 （ 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)。 （ 3） 輸出數(shù)據(jù)的形式 數(shù)字信號(hào)的形式主要有開(kāi)關(guān)量 、 二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量 ， 它們可直接用于開(kāi)關(guān) 量 、 數(shù)字量控制系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng) 。 傳感器 放大器 S / H A/ D CP U 傳感器 傳感器 傳感器 多路開(kāi)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(kāi)關(guān)量 控制裝置 數(shù)字量 開(kāi)關(guān)量 數(shù)字量輸出控制 M CS 51 光電隔離 功率開(kāi)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。采樣周期為 （ 1）采樣器 采樣器相當(dāng)是調(diào)制器，被調(diào)制信號(hào)為模擬量輸入信號(hào)，以采樣開(kāi) 關(guān)的單位脈沖串作為調(diào)制頻率，以離散脈沖信號(hào)輸出。 ??? 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(chēng)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(huà)出采樣波形 圖，如圖所示。采樣的 頻率越高，離散后的信號(hào) x*(t) 愈接近連續(xù)輸入函數(shù) x(t)。 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）。 常用被測(cè)對(duì)象采樣周期的經(jīng)驗(yàn)值如表所示。 （ 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)。為了減少 經(jīng)過(guò)通道的耦合干擾，可采用隔離放大器。 ③ 對(duì)于大信號(hào)輸出傳感器，可以省去小信號(hào)放大。 課程內(nèi)容13 第四章 輸入輸出通道接口技術(shù) 對(duì)于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道，必須設(shè)置多路選擇開(kāi)關(guān)，如圖 b 所示。在多路選擇開(kāi)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。 ② 測(cè)量放大器的工作原