第3章CAT系统接口

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1、NUAA 506CAT系统接口系统接口NUAA 506接口的定义与功能接口的定义与功能定义： CAT系统接口是指那些将外部设备或功能模块与计算机联接在一起的装置，它是CPU与外界进行信系交换的中转站。包括模拟接口和数字接口。接口的功能1数据缓冲功能2接收和执行CPU命令的功能3. 信号转换功能4设备选择功能 5中断管理功能 6数据宽度变换的功能 7可编程功能NUAA 506计算机为核心的计算机为核心的CATCAT系统系统模拟量模拟量输入通道电信号数字输入通道数字量传感器、放大滤波、采样保持、A/D转换以及接口电路等 很多被测量位移、速度、加速度等计算机以数字信号形式传递和处理NUAA 506模

2、拟信号检测及输出模拟信号检测及输出NUAA 506（1）作为测控系统，模拟量输入通道要对被测对象拾取必要的原始参量信号作为测控的依据。因此，必须将传感器输出的次级电信号转换成满足计算机要求的TTL逻辑电平。（2）由于传感器常常是模拟信号输出，且输出信号比较微弱，转换成计算机要求的电平时，要经过一定量的放大。这部分内容要运用一些模拟电路技术。因此，模拟量输入通道常常是一个模拟、数字等的混杂电路，是传感器集成化和微机功能集成的边界区域。这部分的电路处理技术有一定难度。（3）模拟量输入通道靠近现场，易受干扰。由于传感器输出信号一般都比较微弱，常常需要构成一个增益系统，这也是微机控制系统中最重要的一个

3、干扰进入渠道。因此，模拟量输入通道的抗干扰设计是一个重要内容。模拟量输入通道的特点模拟量输入通道的特点NUAA 506输入通道的接口技术输入通道的接口技术 在微机检测和控制系统中，各种被测信号如开关状态、温度、压力等要经过一定的通道接到微机总线，这一通道称为输入通道或前向通道，也称为传感器接口。输入通道是被测信号与微机的连接环节，是检测和控制系统的重要组成部分。信号调理NUAA 506信号调理电路信号调理电路1. 前置放大器msff2采样定理：2. 抗混叠低通滤波器否则采样信号的频谱将产生频谱重叠现象，需抗混叠低通滤波器滤除高于 的高频分量。采样频率通常取mfmsff)53(NUAA 506多

4、路模拟开关多路模拟开关 一般情况下，对于多点巡回检测系统、多参数测量系统，多路模拟信号共用一个AD转换器。由于系统中只有一台微机，微机只能分时对这些信号进行采样。为了满足分时传送，系统须配置多路转换开关，多路开关的选择由微机控制。 对多点巡回检测系统，各路传感器输出的电平可能会有较大的差异，一般在AD转换前都要经过放大，然后经AD转换后进入微机。当传感器输出的信号较微弱时，应先进行调理放大，以防多路开关引入较大的误差。当传感器输出信号电压较大时，多路转换开关可直接与传感器输出信号相连。经过多路转换开关的信号，一般要再经过一级放大以满足AD转换器的要求。NUAA 506多路模拟开关多路模拟开关主

5、要参数：1. 导通电阻小、断开电阻大2. 通道数目3. 最大输入电压4. 通道串扰5. 切换速度NUAA 506 目前微机控制系统所使用的多路开关大都集成在一个集成芯片中，种类很多，并且有不同的功能和用途。如：CD4051(双向，8路)、AD7501(单向，8路)、CD4052(单向、差动、4路)、 AD7506(单向，16路)等。 所谓双向双向，就是既可以实现多到一的转换，也可以完成一到多的转换；而单向单向则只能完成多到一的转换。 差动差动即有两个开关同时动作，从而完成差动信号的切换。多路模拟开关多路模拟开关CD4051CD4052AD7506NUAA 506多路模拟开关多路模拟开关AD75

6、01功能管脚图NUAA 506多路模拟开关多路模拟开关AD7501真值表AD7503真值表NUAA 506多路模拟开关多路模拟开关CD4051功能管脚图CD4051真值表NUAA 506模拟量与数字量模拟量与数字量 模拟量连续变化的物理量n数字量数字量时间和数值上都离散的量时间和数值上都离散的量模拟模拟/数字转换器数字转换器ADCDAC数字数字/模拟转换器模拟转换器NUAA 506数字信号数字信号模拟信号模拟信号现场信号现场信号1现场信号现场信号2现场信号现场信号n微型微型计算机计算机放大器放大器放大器放大器放大器放大器多多路路开开关关低通滤波低通滤波传感器传感器低通滤波低通滤波传感器传感器低

7、通滤波低通滤波传感器传感器A/D转换器转换器采样保持器采样保持器数字信号数字信号受控对象受控对象控制信号控制信号模拟信号模拟信号D/A转换器转换器放大驱动电路放大驱动电路传感器传感器将各种现场的物理量测量出来将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）并转换成电信号（模拟电压或电流） 放大器放大器把传感器输出的信号放大到把传感器输出的信号放大到ADC所需所需的量程范围的量程范围低通滤波器低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比以增加信噪比多路开关多路开关把多个现场信号分时地接通到把多个现场信号分时地接通到A/D转换器转换器采样保持器采样保持器

8、周期性地采样连续信号，周期性地采样连续信号，并在并在A/D转换期间保持不变转换期间保持不变 模拟输入输出系统模拟输入输出系统NUAA 506采样采样/ /保持电路保持电路(S/H)(S/H) 当被测模拟信号变化较快时，要求输入通道也能及时反应，而模数转换是需要一定的时间才能完成的。如果在AD转换过程中模拟输入发生了显著变化，使得转换得到的数字量不能真正代表发出命令的那一瞬间所要转换的电平。为了克服这一缺点，对于快速动态信号在AD转换器前面应设置采样保持器，以防采样过程中信号发生变化。 模拟量转换成数字量，通常经历采样、保持、量化和模拟量转换成数字量，通常经历采样、保持、量化和编码四个步骤。编码

9、四个步骤。 NUAA 506采样采样/ /保持电路保持电路(S/H)(S/H)采样 指周期的获取模拟信号瞬时值，得到一系列样值脉冲，用这些时间上离散的信号脉冲代替原来的模拟信号的过程。NUAA 506采样采样/ /保持电路保持电路(S/H)(S/H)保持 AD转换过程中，采样点越多，采样值反映的输入情号越真实。但是采样点多，采样频率就高，采样时间就短。量化和编码需要一定时间才能完成。因此在转换(量化相编码)时间内只能保持采样点的值不变，才能保证转换精度。NUAA 506采样采样/ /保持电路保持电路(S/H)(S/H)采样/保持原理图NUAA 506采样保持器的主要技术参数采样采样/ /保持电

10、路保持电路(S/H)(S/H)1. 采集时间：表示采样保持器输出达到输入值需要的时间，典型值约10s；2. 孔径时间：是保持电路转入保持状态所需要的时间，典型值约100ns；3. 偏移电压：由输入放大器的偏移电压及状态转换过程的差额电压造成的约5mV；4. 增益误差：保持器增益通常为1或1，实际存在误差，其典型值约0.05%NUAA 506采样采样/ /保持电路保持电路(S/H)(S/H)采样定理奈奎斯持奈奎斯持(Nyquist)采样采样定理：定理：在理想的数据采集系统中，为了使采样输出信号能无失真地复现原输入信号，必须使采样频率至少为输入信号最高有效频率的两倍，否则会出现频率混叠误差。NUA

11、A 506 采样后的信号虽然时间上不连续，但幅度仍然连续，仍为模采样后的信号虽然时间上不连续，但幅度仍然连续，仍为模拟信号，必须经过量化，转换成数字信号，才能送入计算机。拟信号，必须经过量化，转换成数字信号，才能送入计算机。量化过程即是进行量化过程即是进行A AD D转换的过程，转换的过程，A AD D转换将采样后的模转换将采样后的模拟信号转换成数字量。图为采样信号，幅值在拟信号转换成数字量。图为采样信号，幅值在0 05 5之间。采用四之间。采用四舍五入的方法，进行量化处理，得到离散的量化值，幅度在舍五入的方法，进行量化处理，得到离散的量化值，幅度在0 0，1 1，2 25 5中取值。中取值。