2021-5-41 第 八 章 外 部 輸 入 輸 出 擴(kuò) 展8.1 開(kāi) 關(guān) 量 接 口8.2 模 擬 信 號(hào) 輸 入 通 道8.3 模 擬 信 號(hào) 輸 出 通 道 2021-5-42 8.1 開(kāi) 關(guān) 量 接 口 l 開(kāi) 關(guān) 量 的 輸 入 與 輸 出 ， 從 原 理 上 講 十 分 簡(jiǎn) 單 。 CPU只 要 通 過(guò) 對(duì) 輸 入 信 息 分 析 是 “ 1”還 是 “ 0”， 即 可 知開(kāi) 關(guān) 是 合 上 還 是 斷 開(kāi) 。 如 果 控 制 某 個(gè) 執(zhí) 行 器 的 工 作狀 態(tài) ， 只 需 送 出 “ 0”或 “ 1”， 即 可 由 操 作 機(jī) 構(gòu) 執(zhí) 行 。但 是 由 于 工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 存 在 著 電 、 磁 、 振 動(dòng) 、 溫 度 等 各種 干 擾 及 各 類 執(zhí) 行 器 所 要 求 的 開(kāi) 關(guān) 電 壓 量 級(jí) 及 功 率不 同 ， 所 以 在 接 口 電 路 中 除 根 據(jù) 需 要 選 用 不 同 的 元器 件 外 ， 還 需 要 采 用 各 種 緩 沖 、 隔 離 與 驅(qū) 動(dòng) 措 施 。 2021-5-43 8.1.1 開(kāi) 關(guān) 量 接 口 驅(qū) 動(dòng) 由 于 單 片 機(jī) 輸 出 的 TTL信 號(hào) 驅(qū) 動(dòng) 能 力 較 小 ， 因 此 經(jīng) 常 需 要 配置 專 門 電 路 ， 以 提 高 驅(qū) 動(dòng) 能 力 。 有 時(shí) 外 電 路 需 要 較 高 的 邏 輯 電 平 ，所 以 也 需 要 電 平 轉(zhuǎn) 換 。1. 單 向 驅(qū) 動(dòng) 電 路 在 輸 出 地 址 信 號(hào) 或 單 向 開(kāi) 關(guān) 控 制 信 號(hào) 時(shí) ， 可 使 用 單 向 驅(qū) 動(dòng) 電路 ， 常 用 的 有 74LS04， 74LS125/126等 。 在 多 路 TTL信 號(hào) 輸 出 時(shí) ，一 般 選 用 三 態(tài) 門 電 路 ， 譬 如 74LS240/241/244等 。 下 面 以 74LS244為 例 說(shuō) 明 單 向 驅(qū) 動(dòng) 電 路 的 使 用 。 2021-5-44 8.1 開(kāi) 關(guān) 量 接 口2. 雙 向 驅(qū) 動(dòng) 電 路 常 用 的 雙 向 驅(qū) 動(dòng) 電 路 有 74LS242/243/245等 。 74LS245由 雙 向 三 態(tài)門 電 路 構(gòu) 成 ， 在 多 路 數(shù) 據(jù) 輸 入 輸 出 時(shí) 用 作 數(shù) 據(jù) 總 線 驅(qū) 動(dòng) 器 。3. OC門 驅(qū) 動(dòng) 電 路 OC門 電 路 可 由 晶 體 管 構(gòu) 成 ， 也 可 選 用 TTL OC門 ， 如 7405/06/07、7416/17等 。 這 些 OC門 都 具 有 高 壓 輸 出 功 能 ， 除 用 于 提 高 驅(qū) 動(dòng) 能 力 外 ，還 可 實(shí) 現(xiàn) 電 平 變 換 ， 驅(qū) 動(dòng) MOS電 路 。 7407驅(qū) 動(dòng) PMOS電 路 ， 最 高 輸 出 電壓 可 達(dá) 30V。 R PMOS7407 +10V-5V1K7407與 PMOS電 路 的 聯(lián) 接C0.1F 2021-5-45 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口 l 光 耦 合 器 是 以 光 為 媒 介 傳 輸 信 號(hào) 的 器 件 ， 它 把 一 個(gè) 發(fā) 光 二 極管 和 一 個(gè) 光 敏 三 極 管 封 裝 在 一 個(gè) 管 殼 內(nèi) ， 發(fā) 光 二 極 管 加 上 正向 輸 入 電 壓 信 號(hào) （ 1.1V） 就 會(huì) 發(fā) 光 ， 光 信 號(hào) 作 用 在 光 敏 三極 管 基 極 產(chǎn) 生 基 極 光 電 流 使 三 極 管 導(dǎo) 通 ， 輸 出 電 信 號(hào) 。 一 、 輸 出 接 口 隔 離 2021-5-46 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口主 要 特 性 參 數(shù) 有 以 下 幾 個(gè) 方 面 ： l （ 1） 導(dǎo) 通 電 流 和 截 止 電 流 ： 對(duì) 于 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 場(chǎng) 合 ， 光 電 隔 離主 要 用 其 非 線 性 輸 出 特 性 。 當(dāng) 發(fā) 光 二 極 管 二 端 通 以 一 定 電 流時(shí) ， 光 耦 合 器 輸 出 端 處 于 導(dǎo) 通 狀 態(tài) ； 當(dāng) 流 過(guò) 發(fā) 光 二 極 管 的 電流 小 于 某 一 值 時(shí) ， 光 耦 合 器 輸 出 端 截 止 。 不 同 的 光 耦 合 器 通常 有 不 同 的 導(dǎo) 通 電 流 ， 一 般 典 型 值 為 10mA。l （ 2） 頻 率 響 應(yīng) ： 受 發(fā) 光 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 響 應(yīng) 時(shí) 間 的 影 響 ，開(kāi) 關(guān) 信 號(hào) 傳 輸 速 度 和 頻 率 受 光 耦 合 器 頻 率 特 性 的 影 響 。 因 此 ，在 高 頻 信 號(hào) 傳 輸 中 要 考 慮 其 頻 率 特 性 。 在 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 通 道 中 ，輸 出 開(kāi) 關(guān) 信 號(hào) 頻 率 一 般 較 低 ， 不 會(huì) 受 光 耦 合 器 頻 率 特 性 影 響 。 2021-5-47 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口l （ 3） 輸 出 端 工 作 電 流 ： 是 指 光 耦 合 器 導(dǎo) 通 時(shí) ， 流 過(guò) 光 敏 三 極管 的 額 定 電 流 。 該 值 表 示 了 光 耦 合 器 的 驅(qū) 動(dòng) 能 力 ， 一 般 為mA量 級(jí) 。 l （ 4） 輸 出 端 暗 電 流 ： 是 指 光 耦 合 器 處 于 截 止 狀 態(tài) 時(shí) 輸 出 端 流過(guò) 的 電 流 。 對(duì) 光 耦 合 器 來(lái) 說(shuō) ， 此 值 越 小 越 好 ， 以 防 止 輸 出 端的 誤 觸 發(fā) 。l （ 5） 輸 入 輸 出 壓 降 ： 分 別 指 發(fā) 光 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 的 導(dǎo) 通壓 降 。 l （ 6） 隔 離 電 壓 ： 表 示 了 光 耦 合 器 對(duì) 電 壓 的 隔 離 能 力 。光 耦 合 器 二 極 管 側(cè) 的 驅(qū) 動(dòng) 可 直 接 用 門 電 路 去 驅(qū) 動(dòng) ， 一 般 的 門 電 路 驅(qū) 動(dòng) 能 力有 限 ， 常 用 帶 OC門 的 電 路 （ 如 7406、 7407） 進(jìn) 行 驅(qū) 動(dòng) 。 2021-5-48 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口l 繼 電 器 方 式 的 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 ， 是 目 前 最 常 用 的 一 種 輸 出 方 式 ，一 般 在 驅(qū) 動(dòng) 大 型 設(shè) 備 時(shí) ， 往 往 利 用 繼 電 器 作 為 測(cè) 控 系 統(tǒng) 輸 出至 輸 出 驅(qū) 動(dòng) 級(jí) 之 間 的 第 一 級(jí) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 。 通 過(guò) 該 級(jí) 繼 電 器 輸 出 ，可 完 成 從 低 壓 直 流 到 高 壓 交 流 的 過(guò) 渡 。l 由 于 繼 電 器 的 控 制 線 圈 有 一 定 的 電 感 ， 在 關(guān) 斷 瞬 間 會(huì) 產(chǎn) 生 較大 的 反 電 勢(shì) ， 因 此 在 繼 電 器 的 線 圈 上 常 常 反 向 并 聯(lián) 一 個(gè) 二 極管 用 于 電 感 反 向 放 電 ， 以 保 護(hù) 驅(qū) 動(dòng) 晶 體 管 不 被 擊 穿 。l 不 同 的 繼 電 器 ， 允 許 驅(qū) 動(dòng) 電 流 也 不 一 樣 。 對(duì) 于 需 要 較 大 驅(qū) 動(dòng)電 流 的 繼 電 器 ， 可 以 采 用 達(dá) 林 頓 輸 出 的 光 隔 直 接 驅(qū) 動(dòng) ； 也 可以 在 光 耦 與 繼 電 器 之 間 再 加 一 級(jí) 三 極 管 驅(qū) 動(dòng) 。二 、 繼 電 器 輸 出 接 口 2021-5-49 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口l 雙 向 晶 閘 管 具 有 雙 向 導(dǎo) 通 功 能 ， 能 在 交 流 、 大 電 流 場(chǎng) 合 使 用 ，且 開(kāi) 關(guān) 無(wú) 觸 點(diǎn) ， 因 此 在 工 業(yè) 控 制 領(lǐng) 域 有 著 極 為 廣 泛 的 應(yīng) 用 。傳 統(tǒng) 的 雙 向 晶 閘 管 隔 離 驅(qū) 動(dòng) 電 路 的 設(shè) 計(jì) ， 是 采 用 一 般 的 光 隔離 器 和 三 極 管 驅(qū) 動(dòng) 電 路 。 現(xiàn) 在 已 有 與 之 配 套 的 光 隔 離 器 產(chǎn) 品 ，這 種 器 件 稱 為 光 耦 合 雙 向 晶 閘 管 驅(qū) 動(dòng) 器 。 l 與 一 般 的 光 耦 不 同 ， 在 于 其 輸 出 部 分 是 一 硅 光 敏 雙 向 晶 閘 管 ，有 的 還 帶 有 過(guò) 零 觸 發(fā) 檢 測(cè) 器 ， 以 保 證 在 電 壓 接 近 為 零 時(shí) 觸 發(fā)晶 閘 管 。 常 用 的 有 MOC3000系 列 等 ， 運(yùn) 用 于 不 同 負(fù) 載 電 壓 使用 ， 如 MOC3011用 于 110V交 流 ， 而 MOC3041等 可 適 用 于220V交 流 使 用 ， 用 MOC3000系 列 光 電 耦 合 器 直 接 驅(qū) 動(dòng) 雙 向晶 閘 管 ， 大 大 簡(jiǎn) 化 了 傳 統(tǒng) 的 晶 閘 管 隔 離 驅(qū) 動(dòng) 電 路 的 設(shè) 計(jì) 。三 、 雙 向 晶 閘 管 輸 出 接 口 2021-5-410 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口l 固 態(tài) 繼 電 器 （ SSR） 是 近 年 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一 種 新 型 電 子 繼 電 器 ，其 輸 入 控 制 電 流 小 ， 用 TTL、 HTL、 COMS等 集 成 電 路 或 加簡(jiǎn) 單 的 輔 助 電 路 就 可 直 接 驅(qū) 動(dòng) ， 因 此 適 宜 于 在 微 機(jī) 測(cè) 控 系 統(tǒng)中 作 為 輸 出 通 道 的 控 制 元 件 ； 其 輸 出 利 用 晶 體 管 或 晶 閘 管 驅(qū)動(dòng) ， 無(wú) 觸 點(diǎn) 。 與 普 通 的 電 磁 式 繼 電 器 和 磁 力 開(kāi) 關(guān) 相 比 ， 具 有 無(wú) 機(jī) 械 噪 聲 、無(wú) 抖 動(dòng) 和 回 跳 、 開(kāi) 關(guān) 速 度 快 、 體 積 小 、 重 量 輕 、 壽 命 長(zhǎng) 、 工作 可 靠 等 特 點(diǎn) ， 并 且 耐 沖 力 、 抗 潮 濕 、 抗 腐 蝕 ， 因 此 在 微 機(jī)測(cè) 控 等 領(lǐng) 域 中 ， 已 逐 步 取 代 傳 統(tǒng) 的 電 磁 式 繼 電 器 和 磁 力 開(kāi) 關(guān)作 為 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 控 制 元 件 。四 、 固 態(tài) 繼 電 器 輸 出 接 口 2021-5-411 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口l 固 態(tài) 繼 電 器 由 光 電 耦 合 電 路 、 觸 發(fā) 電 路 、 開(kāi) 關(guān) 電 路 、 過(guò) 零 控制 電 路 和 吸 收 電 路 五 部 分 構(gòu) 成 。 這 五 部 分 被 封 裝 在 一 個(gè) 六 面體 外 殼 內(nèi) ， 成 為 一 個(gè) 整 體 ， 外 面 有 四 個(gè) 引 腳 （ 圖 中 的 、 、 、 ） 。 如 果 是 過(guò) 零 型 SSR 就 包 括 “ 過(guò) 零 控 制 電 路 ” 部 分 ，而 非 過(guò) 零 型 SSR則 沒(méi) 有 這 部 分 電 路 。 2021-5-412 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口l 直 流 型 固 態(tài) 繼 電 器 主 要 用 于 直 流 大 功 率 控 制 場(chǎng) 合 。其 輸 入 端 為 一 光 電 耦 合 電 路 ， 因 此 可 用 OC門 或 晶 體管 直 接 驅(qū) 動(dòng) ， 驅(qū) 動(dòng) 電 流 一 般 3 30mA， 輸 入 電 壓 為5 30V， 因 此 在 電 路 設(shè) 計(jì) 時(shí) 可 選 用 適 當(dāng) 的 電 壓 和 限流 電 阻 。 其 輸 出 端 為 晶 體 管 輸 出 ， 輸 出 電 壓 30180V。 1、 直 流 型 固 態(tài) 繼 電 器 注 意 在 輸 出 端 為 感 性 負(fù) 載 時(shí) ， 要 接 保 護(hù) 二 極 管 用 于 防 止 直 流 固態(tài) 繼 電 器 由 于 突 然 截 止 所 引 起 的 高 電 壓 。 2021-5-413 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口l 交 流 型 固 態(tài) 繼 電 器 分 為 非 過(guò) 零 型 和 過(guò) 零 型 ， 二 者 都是 用 雙 向 晶 閘 管 作 為 開(kāi) 關(guān) 器 件 ， 用 于 交 流 大 功 率 驅(qū)動(dòng) 場(chǎng) 合 。l 非 過(guò) 零 型 SSR， 在 輸 入 信 號(hào) 時(shí) ， 不 管 負(fù) 載 電 源 電 壓相 位 如 何 ， 負(fù) 載 端 立 即 導(dǎo) 通 ； 而 過(guò) 零 型 必 須 在 負(fù) 載電 源 電 壓 接 近 零 且 輸 入 控 制 信 號(hào) 有 效 時(shí) ， 輸 出 端 負(fù)載 電 源 才 導(dǎo) 通 ， 可 以 抑 制 射 頻 干 擾 。 當(dāng) 輸 入 端 的 控制 電 壓 撤 消 后 ， 流 過(guò) 雙 向 晶 閘 管 負(fù) 載 電 流 為 零 時(shí) 才關(guān) 斷 。 、 交 流 型 固 態(tài) 繼 電 器 2021-5-414 8.1.2 開(kāi) 關(guān) 量 輸 出 接 口過(guò) 零 型 基 本 控 制 非 過(guò) 零 型 TTL控 制 2021-5-415 在 測(cè) 量 和 工 業(yè) 實(shí) 時(shí) 控 制 中 ， 經(jīng) 常 需 要 對(duì) 現(xiàn) 場(chǎng) 物 理 量 進(jìn) 行 測(cè) 量 ， 或者 采 集 下 來(lái) 進(jìn) 行 處 理 。 這 就 需 要 構(gòu) 成 一 個(gè) 模 擬 信 號(hào) 的 輸 入 通 道 ， 如 圖所 示 。 單 片機(jī) 或微 處理 器低 通濾 波 采 樣保 持 A/D轉(zhuǎn) 換傳感器 前 置放 大 模 擬 輸 入 通 道 8.2 模 擬 信 號(hào) 輸 入 通 道 2021-5-416 8.2.1 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) l 1、 分 辨 率 ADC的 分 辨 率 是 指 使 輸 出 數(shù) 字 量 變 化 一 個(gè) 相 鄰 數(shù) 碼所 需 輸 入 模 擬 電 壓 的 變 化 量 。 常 用 二 進(jìn) 制 的 位 數(shù) 表示 。 例 如 12位 ADC的 分 辨 率 就 是 12位 ， 或 者 說(shuō) 分 辨率 為 滿 刻 度 FS的 1/ 。 一 個(gè) 10V滿 刻 度 的 12位ADC能 分 辨 輸 入 電 壓 變 化 最 小 值 是 10V 1/ =2.4mV。 2021-5-417 8.2.1 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)l 量 化 誤 差 ADC把 模 擬 量 變 為 數(shù) 字 量 ， 用 數(shù) 字 量 近 似 表 示 模擬 量 ， 這 個(gè) 過(guò) 程 稱 為 量 化 。 量 化 誤 差 是 ADC的 有 限 位 數(shù) 對(duì) 模擬 量 進(jìn) 行 量 化 而 引 起 的 誤 差 。 實(shí) 際 上 ， 要 準(zhǔn) 確 表 示 模 擬 量 ，ADC的 位 數(shù) 需 很 大 甚 至 無(wú) 窮 大 。 一 個(gè) 分 辨 率 有 限 的 ADC的 階梯 狀 轉(zhuǎn) 換 特 性 曲 線 與 具 有 無(wú) 限 分 辨 率 的 ADC轉(zhuǎn) 換 特 性 曲 線（ 直 線 ） 之 間 的 最 大 偏 差 即 是 量 化 誤 差 。 2021-5-418 8.2.1 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)l 偏 移 誤 差 是 指 輸 入 信 號(hào) 為 零 時(shí) ， 輸 出 信 號(hào) 不 為 零 的值 ， 所 以 有 時(shí) 又 稱 為 零 值 誤 差 。 假 定 ADC沒(méi) 有 非 線性 誤 差 ， 則 其 轉(zhuǎn) 換 特 性 曲 線 各 階 梯 中 點(diǎn) 的 連 線 必 定是 直 線 ， 這 條 直 線 與 橫 軸 相 交 點(diǎn) 所 對(duì) 應(yīng) 的 輸 入 電 壓值 就 是 偏 移 誤 差 。l 滿 刻 度 誤 差 又 稱 為 增 益 誤 差 。 ADC的 滿 刻 度 誤 差 是指 滿 刻 度 輸 出 數(shù) 碼 所 對(duì) 應(yīng) 的 實(shí) 際 輸 入 電 壓 與 理 想 輸入 電 壓 之 差 。 2021-5-419 8.2.1 A/D轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)l 線 性 度 有 時(shí) 又 稱 為 非 線 性 度 ， 它 是 指 轉(zhuǎn) 換 器 實(shí) 際 的 轉(zhuǎn) 換 特 性 與 理 想 直 線的 最 大 偏 差 。l 絕 對(duì) 精 度 在 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 換 器 中 ， 任 何 數(shù) 碼 所 對(duì) 應(yīng) 的 實(shí) 際 模 擬 量 輸 入 與 理 論 模 擬 輸 入 之 差的 最 大 值 ， 稱 為 絕 對(duì) 精 度 。 對(duì) 于 ADC而 言 ， 可 以 在 每 一 個(gè) 階 梯 的 水 平 中點(diǎn) 進(jìn) 行 測(cè) 量 ， 它 包 括 了 所 有 的 誤 差 。l 轉(zhuǎn) 換 速 率 ADC的 轉(zhuǎn) 換 速 率 是 能 夠 重 復(fù) 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 的 速 度 ， 即 每 秒 轉(zhuǎn) 換 的 次 數(shù) 。而 完 成 一 次 A/D轉(zhuǎn) 換 所 需 的 時(shí) 間 （ 包 括 穩(wěn) 定 時(shí) 間 ） ， 則 是 轉(zhuǎn) 換 速 率 的 倒 數(shù) 。 2021-5-420 必 要 性 1. 任 何 運(yùn) 放 都 具 有 零 漂 和 溫 漂 ， 影 響 測(cè) 量 精 度 2. 低 溫 漂 、 零 漂 的 器 件 價(jià) 格 高 3. 前 置 放 大 器 的 放 大 倍 數(shù) 與 反 饋 電 阻 精 度 相 關(guān) ， 往 往 需要 高 精 度 的 電 阻 ， 帶 來(lái) 放 大 倍 數(shù) 不 準(zhǔn) 確 8.2.2 自 校 正 測(cè) 量 電 路 2021-5-421 多路開(kāi)關(guān) 放大器 A/D CPUVrefVinVgnd 8.2.2 自 校 正 測(cè) 量 電 路 設(shè) 計(jì) 2021-5-422 CPU控 制 多 路 開(kāi) 關(guān) ， 分 時(shí) 測(cè) 量 基 準(zhǔn) 點(diǎn) 壓 Vref、 測(cè) 量 信 號(hào) Vin、 零 點(diǎn) Vgnd，經(jīng) A/D轉(zhuǎn) 換 得 到 的 數(shù) 字 量 分 別 為 Mref、 Min和 Mgnd。則 測(cè) 量 信 號(hào) Vin的 測(cè) 量 值 M為 refgndref gndin VMM MMM 可 以 看 出 ， 測(cè) 量 值 與 放 大 器 的 放 大 倍 數(shù) 無(wú) 關(guān) ， 從 而 消 除 了 放 大 倍 數(shù)隨 時(shí) 間 、 溫 度 的 變 化 而 帶 來(lái) 的 測(cè) 量 精 度 問(wèn) 題 。將 零 點(diǎn) 剪 掉 ， 具 有 良 好 的 抑 制 零 漂8.2.2自 校 正 測(cè) 量 電 路 工 作 原 理 2021-5-423 #define ADCResult XBYTE0 xfffe#define SelectChan P1#define Vcal 5.0sbit ADOver P17;sbit ADStart P16;unsigned int Vgnd,Vin,Vref; float Vm;main() unsigned char i; for(i=0;i2;i+) ADStart = 0; ADStart = 1; while（ ADOver = 0) ;if(i = 0) Vref = ADCResult; elseif(i = 1) Vin = ADCResult; else Vgnd = ADCResult;Vm = (float)(Vin Vgnd) / (float)(Vref - Vgnd)Vm = Vm * Vcal;8.2.2自 校 正 測(cè) 量 程 序 2021-5-424 采 樣 得 到 的 數(shù) 據(jù) 必 須 經(jīng) 過(guò) 數(shù) 據(jù) 處 理 ， 才 能 用 于 顯 示 、 控 制 等 。 l標(biāo) 度 變 換 （ 工 程 量 變 換 ）l數(shù) 字 濾 波l其 他 8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-425 經(jīng) 過(guò) A/D轉(zhuǎn) 換 得 到 的 不 具 有 量 綱 的 數(shù) 字 量 轉(zhuǎn) 換 成 具 有 量 綱 的 數(shù) 值 。線 形 參 數(shù) 標(biāo) 度 變 換 0000 NN NNAAAA mxmx 其 中 ： A0 為 參 數(shù) 量 程 的 起 點(diǎn) 值 ， 一 次 測(cè) 量 儀 表 的 下 限 Am 為 參 數(shù) 量 程 的 終 點(diǎn) 值 ， 一 次 測(cè) 量 儀 表 的 上 限 Ax 為 參 數(shù) 測(cè) 量 值 ， 工 程 量 N0 為 量 程 起 點(diǎn) 對(duì) 應(yīng) 的 A/D轉(zhuǎn) 換 后 的 值 ， 儀 表 下 限 對(duì) 應(yīng) 的 數(shù) 字 量 Nm 為 量 程 終 點(diǎn) 對(duì) 應(yīng) 的 A/D轉(zhuǎn) 換 后 的 值 ， 儀 表 上 限 對(duì) 應(yīng) 的 數(shù) 字 量 Nx 為 測(cè) 量 值 對(duì) 應(yīng) 的 A/D轉(zhuǎn) 換 后 的 值 8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理一 、 標(biāo) 度 變 換 2021-5-426 非 線 性 情 況 比 較 復(fù) 雜 ， 通 常 采 用 查 表 法 ， 或 分 段 線 性 化 的 方 法 8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理非 線 形 參 數(shù) 標(biāo) 度 變 換 2021-5-427 測(cè) 量 過(guò) 程 的 干 擾 噪 聲 主 要 有 兩 大 類 ： 工 頻 干 擾 、 隨 機(jī) 干 擾 。l 限 幅 濾 波l 中 位 值 濾 波 法l 算 術(shù) 平 均 濾 波 法l 遞 推 平 均 濾 波 法 （ 又 稱 滑 動(dòng) 平 均 濾 波 法 ）l 中 位 值 平 均 濾 波 法 （ 又 稱 防 脈 沖 干 擾 平 均 濾 波 法 ） l限 幅 平 均 濾 波 法l 一 階 滯 后 濾 波 法l 加 權(quán) 遞 推 平 均 濾 波 法l 消 抖 濾 波 法 8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理二 、 數(shù) 字 濾 波 2021-5-428 數(shù) 字 濾 波 的 設(shè) 計(jì) l 1 算 術(shù) 平 均 值 法 算 術(shù) 平 均 值 法 就 是 對(duì) 某 一 點(diǎn) 的 數(shù) 值 連 續(xù) 多 次 采 樣 ， 取 其算 術(shù) 平 均 值 。 適 用 于 一 般 信 號(hào) 本 身 在 一 定 數(shù) 值 范 圍 附 近上 下 波 動(dòng) 的 情 況 。 算 術(shù) 平 均 值 濾 波 ， 一 般 多 次 采 樣 取3 5次 即 可 。l 2 中 值 濾 波 法 中 值 濾 波 就 是 連 續(xù) 采 集 N個(gè) 數(shù) 據(jù) ， 從 中 選 取 一 個(gè) 中 間 值作 為 該 點(diǎn) 的 采 樣 結(jié) 果 。 8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-429 算 數(shù) 平 均 值 濾 波 程 序 #defineN12charfilter()intsum=0;for(count=0;countN;count+)sum+=get_ad();delay();return(char)(sum/N);8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-430 中 位 值 濾 波 程 序/*N值 可 根 據(jù) 實(shí) 際 情 況 調(diào) 整排 序 采 用 冒 泡 法 */#defineN11charfilter()charvalue_bufN;charcount,i,j,temp;for(count=0;countN;count+)value_bufcount=get_ad();delay(); for(j=0;jN-1;j+)for(i=0;ivalue_bufi+1)temp=value_buf;value_buf=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;returnvalue_buf(N-1)/2;8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-431 l 3 防 脈 沖 干 擾 平 均 值 濾 波 法l 單 片 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 經(jīng) 常 會(huì) 遇 到 尖 脈 沖 干 擾 。 干 擾 通 常 只 影 響 個(gè) 別 采 樣點(diǎn) 的 數(shù) 據(jù) ， 此 數(shù) 據(jù) 與 其 他 采 樣 點(diǎn) 的 數(shù) 據(jù) 相 差 比 較 大 。 如 果 采 用 防 脈沖 干 擾 平 均 值 濾 波 法 ， 即 對(duì) 采 樣 的 N個(gè) 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 比 較 ， 去 掉 其 中 最 大值 和 最 小 值 ， 然 后 計(jì) 算 余 下 的 平 均 值 。 可 以 濾 去 脈 沖 干 擾 所 形 成 的最 大 和 最 小 數(shù) 據(jù) 。l 4 滑 動(dòng) 平 均 值 濾 波 法l 滑 動(dòng) 平 均 值 濾 波 法 采 用 隊(duì) 列 作 為 測(cè) 量 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 ， 隊(duì) 列 的 隊(duì) 長(zhǎng) 為 N，每 進(jìn) 行 一 次 新 的 測(cè) 量 ， 把 測(cè) 量 結(jié) 果 放 入 隊(duì) 尾 ， 而 扔 掉 原 來(lái) 隊(duì) 首 的 一個(gè) 數(shù) 據(jù) ， 這 樣 在 隊(duì) 列 中 始 終 有 N個(gè) 數(shù) 據(jù) 。 對(duì) N個(gè) 數(shù) 據(jù) 求 算 術(shù) 平 均 值 ，就 可 得 到 測(cè) 量 結(jié) 果 。l 8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-432 限 幅 濾 波 程 序/*A值 可 根 據(jù) 實(shí) 際 情 況 調(diào) 整value為 有 效 值 ， new_value為 當(dāng) 前 采 樣 值 濾 波 程 序 返 回 有 效 的 實(shí) 際 值 */#defineA10charvalue;charfilter()charnew_value;new_value=get_ad();if(new_value-valueA)|(value-new_valueA)returnvalue;returnnew_value;8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-433 遞 推 平 均 值 濾 波 程 序 #defineN12charvalue_bufN;chari=0;charfilter()charcount;intsum=0;value_bufi+=get_ad();if(i=N)i=0;for(count=0;countN,count+)sum=value_bufcount;return(char)(sum/N);8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-434 中 位 值 平 均 濾 波 程 序#defineN12charfilter()charcount,i,j;charvalue_bufN;intsum=0;for(count=0;countN;count+)value_bufcount=get_ad();delay(); for(j=0;jN-1;j+)for(i=0;ivalue_bufi+1)temp=value_buf;value_buf=value_bufi+1;value_bufi+1=temp;for(count=1;countN-1;count+)sum+=valuecount;return(char)(sum/(N-2);8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-435 l 5 一 階 低 通 濾 波 法l 一 階 低 通 濾 波 法 就 是 利 用 軟 件 完 成 RC低 通 濾 波 器 的 算 法 ， 這 種 方法 適 用 于 變 化 緩 慢 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 。 用 RC低 通 濾 波 器 來(lái) 抑 制 高 頻 干擾 ， 只 保 存 低 頻 有 用 信 號(hào) 。 一 階 低 通 數(shù) 字 濾 波 器 的 公 式 為 ：l Yn = ( 1 - K ) Yn-1+ K Xn l 式 中 ： K： 數(shù) 字 濾 波 器 的 時(shí) 間 常 數(shù) ；l Xn： 第 n次 采 樣 時(shí) 的 濾 波 器 輸 入 ；l Y n： 第 n次 采 樣 時(shí) 的 濾 波 器 輸 出 。 8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-436 一 階 滯 后 濾 波 程 序 （ 低 通 濾 波 ）#definea50charvalue;charfilter()charnew_value;new_value=get_ad();return(100-a)*value+a*new_value)/100;8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-437 加 權(quán) 遞 推 平 均 濾 波 程 序/*coe數(shù) 組 為 加 權(quán) 系 數(shù) 表 ， 存 在 程 序 存 儲(chǔ) 區(qū) 。 */#defineN12charcodecoeN=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12;charcodesum_coe=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;charfilter()charcount;charvalue_bufN;intsum=0;for(count=0,countN;count+)value_bufcount=get_ad();delay(); for(count=0,count=N)returnnew_value;delay();new_value=get_ad();returnvalue;8.2.3 數(shù) 據(jù) 處 理 2021-5-439 在 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 計(jì) 算 機(jī) 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 往 往 需 要 輸 出 ； 或 經(jīng)過(guò) 控 制 算 法 計(jì) 算 后 輸 出 控 制 信 號(hào) 用 于 調(diào) 節(jié) 或 控 制 受 控 對(duì) 象 。 在很 多 情 況 下 ， 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 需 要 輸 出 模 擬 量 信 號(hào) 。 為 適 應(yīng) 信 號(hào) 遠(yuǎn) 傳 需 要 ， 需 要 把 計(jì) 算 機(jī) 經(jīng) D/A輸 出 的 電 壓 信號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 受 控 對(duì) 象 所 需 要 的 電 流 信 號(hào) 。 工 業(yè) 常 用 信 號(hào) ：l 0-10mAl 4-20mA 8.3 模 擬 信 號(hào) 輸 出 通 道 2021-5-440 8.3.1 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 性 能 指 標(biāo) l 分 辨 率 分 辨 率 是 指 輸 入 數(shù) 字 量 的 最 低 有 效 位 （ LSB） 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 所 對(duì) 應(yīng) 的 輸 出模 擬 量 （ 常 為 電 壓 ） 的 變 化 量 。 它 反 映 了 輸 出 模 擬 量 的 最 小 變 化 值 。 分辨 率 與 輸 入 數(shù) 字 量 的 位 數(shù) 有 確 定 的 關(guān) 系 ， 可 以 表 示 成 FS / 。 FS表 示 滿量 程 輸 入 值 ， n為 二 進(jìn) 制 位 數(shù) 。 對(duì) 于 5V的 滿 量 程 ， 采 用 位 的 DAC時(shí) ，分 辨 率 為 5V/256 19.5mV； 當(dāng) 采 用 12位 的 DAC時(shí) ， 分 辨 率 則 為 5V/4096 1.22mV。 顯 然 ， 位 數(shù) 越 多 分 辨 率 就 越 高 。l 線 性 度 線 性 度 （ 也 稱 非 線 性 誤 差 ） 是 實(shí) 際 轉(zhuǎn) 換 特 性 曲 線 與 理 想 直 線 特 性 之 間 的最 大 偏 差 。 常 以 相 對(duì) 于 滿 量 程 的 百 分 數(shù) 表 示 。 如 是 指 實(shí) 際 輸 出 值與 理 論 值 之 差 在 滿 刻 度 的 以 內(nèi) 。 2021-5-441 8.3.1 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 性 能 指 標(biāo)l 絕 對(duì) 精 度 （ 簡(jiǎn) 稱 精 度 ） 是 指 在 整 個(gè) 刻 度 范 圍 內(nèi) ， 任一 輸 入 數(shù) 碼 所 對(duì) 應(yīng) 的 模 擬 量 實(shí) 際 輸 出 值 與 理 論 值 之間 的 最 大 誤 差 。 絕 對(duì) 精 度 是 由 DAC的 增 益 誤 差 （ 當(dāng)輸 入 數(shù) 碼 為 全 1時(shí) ， 實(shí) 際 輸 出 值 與 理 想 輸 出 值 之 差 ） 、零 點(diǎn) 誤 差 （ 數(shù) 碼 輸 入 為 全 時(shí) ， DAC的 非 零 輸 出值 ） 、 非 線 性 誤 差 和 噪 聲 等 引 起 的 。 絕 對(duì) 精 度 （ 即最 大 誤 差 ） 應(yīng) 小 于 1個(gè) LSB。l 相 對(duì) 精 度 與 絕 對(duì) 精 度 表 示 同 一 含 義 ， 用 最 大 誤 差 相對(duì) 于 滿 刻 度 的 百 分 比 表 示 。 2021-5-442 8.3.1 D/A轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 性 能 指 標(biāo)l 建 立 時(shí) 間 是 指 輸 入 的 數(shù) 字 量 發(fā) 生 滿 刻 度 變 化 時(shí) ， 輸 出 模 擬 信號(hào) 達(dá) 到 滿 刻 度 值 的 1/2LSB所 需 的 時(shí) 間 。 是 描 述 D/A轉(zhuǎn) 換 速率 的 一 個(gè) 動(dòng) 態(tài) 指 標(biāo) 。 電 流 輸 出 型 DAC的 建 立 時(shí) 間 短 。 電 壓 輸出 型 DAC的 建 立 時(shí) 間 主 要 決 定 于 運(yùn) 算 放 大 器 的 響 應(yīng) 時(shí) 間 。 根據(jù) 建 立 時(shí) 間 的 長(zhǎng) 短 ， 可 以 將 DAC分 成 超 高 速 （ 1S)、 高 速（ 10 1S） 、 中 速 （ 100 10S） 、 低 速 （ 100S） 幾 檔 。 應(yīng) 當(dāng) 注 意 ， 精 度 和 分 辨 率 具 有 一 定 的 聯(lián) 系 ， 但 概 念 不 同 。DAC的 位 數(shù) 多 時(shí) ， 分 辨 率 會(huì) 提 高 ， 對(duì) 應(yīng) 于 影 響 精 度 的 量 化 誤差 會(huì) 減 小 。 但 其 它 誤 差 （ 如 溫 度 漂 移 、 線 性 不 良 等 ） 的 影 響仍 會(huì) 使 DAC的 精 度 變 差 。 2021-5-443 1. 05V電 壓 轉(zhuǎn) 換 電 流 輸 出 電 路 05V電 壓 轉(zhuǎn) 換 電 流 輸 出 電 路 可 把 05V直 流 電 壓 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 010mA的 電 流 信 號(hào) 。 該 電 路 是 一 種 電 壓 比 較 型 跟 隨 器 ， 當(dāng) Vf VIN時(shí) ， 運(yùn) 算 放大 器 A1使 輸 出 V1下 降 ， A2輸 出 的 V2上 升 ， IL增 大 ， 于 是 Vf上 升 。 當(dāng) VfVIN時(shí) ， A1的 輸 出 V1上 升 ， A2的 輸 出 V2下 降 ， IL減 小 ， 于 是 Vf下 降 。 由 此可 見(jiàn) ， 當(dāng) Vf VIN時(shí) 輸 出 量 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) ， 使 Vf=VIN,于 是 。 當(dāng) R 7、 W穩(wěn) 定 性 好 ， 運(yùn) 算 放 大 器 A1、 、 A2有 較 高 的 增益 時(shí) ， 有 較 高 的 線 性 精 度 。 當(dāng) R7+W=500 時(shí) ， 輸 出 電 流 IL為 010mA。 WR VI 7 INL 8.3.2 電 壓 輸 出 通 道 2021-5-444 0-5V轉(zhuǎn) 0-10mA電 路R6 R3R1R2VINVf A1R4 VECR5 +- A2 RL IL0 10mA+- W R7V1 V2 0-10V轉(zhuǎn) 0-10mA電 路VIN R6R1R2 A R3R4+ Vf RLBG1 RfVoVE IoBG2R5- 8.3.3 電 流 輸 出 通 道 2021-5-445 2.0 10V電 壓 轉(zhuǎn) 換 電 流 輸 出 電 路把 010V直 流 電 壓 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 010mA的 直 流 電 流 輸 出 電 路 。 該 電 路 實(shí) 際 上 是 一 種電 壓 電 流 變 換 器 ， 其 輸 出 電 流 與 輸 入 電 壓 有 著 良 好 的 線 性 關(guān) 系 。 圖 中 運(yùn) 算 放大 器 接 成 差 動(dòng) 輸 入 方 式 ， 起 比 較 器 的 作 用 ， 把 輸 入 信 號(hào) VIN與 反 饋 信 號(hào) Vf進(jìn) 行 比較 。 晶 體 管 BG1、 BG2構(gòu) 成 電 流 輸 出 級(jí) 。 輸 出 電 流 I0經(jīng) 電 阻 Rf得 到 反 饋 電 壓 Vf， 再經(jīng) R3、 R4加 到 運(yùn) 算 放 大 器 的 兩 個(gè) 輸 入 端 。 由 于 有 較 強(qiáng) 的 電 流 負(fù) 反 饋 ， 所 以 可 獲得 良 好 的 線 性 關(guān) 系 。 反 饋 電 阻 的 值 與 信 號(hào) 范 圍 有 關(guān) ， 當(dāng) I IN=010V時(shí) ， Rf=200 ，則 IO=010mA。 R1、 R2的 參 考 值 為 100K ， R3、 R4的 參 考 值 為 20K 。 8.3.3 電 流 輸 出 通 道 2021-5-4 46 3.幾 種 電 壓 轉(zhuǎn) 換 電 流 輸 出 電 路