信號接口技術(shù)信號接口技術(shù)開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)輸入信號的電氣隔離

在機電一體化系統(tǒng)中，機械開關(guān)信號一般為強電信號，需要把強電部分與弱電的微機系統(tǒng)在電氣上隔離開來，最常用的是使用光電藕合。圖4—25所示為開關(guān)量輸入信號的光電隔離電路。R1、R2分別為限流電阻。開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)輸入信號的電氣隔離開關(guān)量信號的輸入開關(guān)量信號的輸入歐姆龍可編程控制器的輸入電路歐姆龍可編程控制器的輸入電路開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理在機電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)常要使用按鈕開關(guān)、搬鈕開關(guān)、多位開關(guān)、接觸器、繼電器等。它們常常是開關(guān)量的輸入源。由于這類開關(guān)大都是機械開關(guān)，當開關(guān)觸點閉合時，在達到穩(wěn)定之前會產(chǎn)生短暫的抖動，彈跳抖動的時間一般可達數(shù)毫秒。如圖4—26所示。開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理微機對開關(guān)信號采樣時，必須消除這種抖動，否則會造成錯誤采樣。消除抖動的方法可從軟件和硬件上著手。軟件的方法是經(jīng)過一段延時后再讀入信號，若兩個采樣值不同、則繼續(xù)采樣，直到兩個采樣值相同，延遲時間應(yīng)比抖動周期長。硬件的方法是在接口電路中加“‘防抖動電路，圖中是由2個“與非”門組成的RS觸發(fā)器，開關(guān)K在常開狀態(tài)下．輸出為l，一旦開關(guān)K閉合、則在剛一閉合的瞬間，RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出為0，此時，雖然開關(guān)要抖動幾次，但不會影響觸發(fā)器的輸出。開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理開關(guān)信號的接口技術(shù)光電隔離技術(shù)為了避免外部設(shè)備的電源干擾，防止被控對象電路的強電反竄，通常采取將微機的前后向通道與被連模塊在電氣上隔離的方法。過去常用隔離變壓器或中間繼電器來實現(xiàn)，而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替。光電藕合器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起，以光作為媒介來傳輸信息的。其封裝形式有管形、雙列直插式、光導(dǎo)纖維連接等。發(fā)光器件一般為砷化嫁紅外發(fā)光二極管。圖4—28所示為幾種主要光電耦合器類型。開關(guān)信號的接口技術(shù)光電隔離技術(shù)開關(guān)信號的接口技術(shù)光電耦合器具的特點：(1)信號采取光一電形式耦合，發(fā)光部分與受光部分無電氣回路、絕緣電阻高達1010—1012歐姆，絕緣電壓為1000一5000V，因而具有極高的電氣隔離性能，避免輸出端與輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾。(2)由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，動態(tài)電阻很?。畬ο到y(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強，共模抑制比高，不受磁場影響，特別是用于長線傳輸時作為終端負載，可以大大地提高信噪比。(3)光電耦合器可以耦合零到數(shù)千赫的信號，且響應(yīng)速度快(一般為幾毫秒，甚至少10ns)，可以用于高速信號的傳輸。開關(guān)信號的接口技術(shù)光電耦合器具的特點：開關(guān)量信號的輸入根據(jù)安全標準，系統(tǒng)的限位開關(guān)須接成常閉狀態(tài)。當工作臺的運動超過其物理有效行程將使限位開關(guān)打開。限位開關(guān)輸入信號的有效電平可以通過主機命令進行選擇。原點開關(guān)為常開狀態(tài)。

開關(guān)量信號的輸入根據(jù)安全標準，系統(tǒng)的限位開關(guān)須接成常閉狀態(tài)。開關(guān)量信號的輸出開關(guān)量信號的輸出歐姆龍可編程控制器的晶體管輸出電路歐姆龍可編程控制器的晶體管輸出電路開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離

開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離

當被控設(shè)備遠離單片機時，光電隔離接口電路設(shè)計如圖4—30所示。該電路為電流環(huán)發(fā)送和接受電路，可以極大地提高系統(tǒng)的抗干擾性能，最大傳輸距離可達900m，傳輸速率可達50Kb／s，但必須保證傳輸線中環(huán)路連線電阻＜30歐姆，當該阻值過大時，l00歐姆的限流電阻相應(yīng)減小。開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路

開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路

開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路開關(guān)量信號的輸出單片機輸出通道接口方式

開關(guān)量信號的輸出單片機輸出通道接口方式開關(guān)量信號的輸出單片機模擬輸出接口方式

開關(guān)量信號的輸出單片機模擬輸出接口方式信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。

一、信號調(diào)理的目的

信號調(diào)理1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。

信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。一、信號調(diào)理的目二、信號放大

信號調(diào)理信號放大目的幅度增加(1)抗干擾;(2)阻抗匹配2分類放大器直流放大器交流放大器電荷放大器

時間域頻率域幅度增大低頻保留,高頻截止幅度增大高頻保留,低頻截止

電荷增大△ZV

1目的電橋二、信號放大信號調(diào)理信號放大目的幅度增加(1)抗干擾;22直流放大電路

1)反相放大器

信號放大電路

反饋電阻RF值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠大于信號源Ui的內(nèi)阻。反相放大器是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器2直流放大電路1)反相放大器信號放大電路反饋電阻2)同相放大器

信號放大電路

同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。

同相放大器也是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:2)同相放大器信號放大電路同相放大器具有輸入阻抗非常高3交流放大電路

信號放大電路

若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。

R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。

3交流放大電路信號放大電路若只需要放大交流信號，可4電荷放大器信號放大電路

F+4電荷放大器信號放大電路F+5電橋信號放大電路

1）直流電橋●平衡條件dV5電橋信號放大電路1）直流電橋dV信號放大電路

2）交流電橋●平衡條件~信號放大電路2）交流電橋~信號放大電路

應(yīng)變片的粘貼R2R4R1R3R4R1R2R3UE信號放大電路應(yīng)變片的粘貼R2R4R1R3R4R1三、信號的濾波

信號抗干擾措施濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．1濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分）

低通高通帶通帶阻實驗三、信號的濾波信號抗干擾措施濾波器是一種選頻裝置，可三、信號的濾波

信號抗干擾措施三、信號的濾波信號抗干擾措施5RC無源濾波器

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件。

1)一階RC低通濾波器

信號抗干擾措施—濾波

5RC無源濾波器在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這2)一階RC高通濾波器

3)RC帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)信號抗干擾措施—濾波

2)一階RC高通濾波器3)RC帶通濾波器可以看作為低屏蔽是模擬傳輸中抑制干擾的重要手段，屏蔽的意義既包含了屏蔽干擾源，又包含了屏蔽接收體。屏蔽設(shè)施的實現(xiàn)，可以利用銅或鋁等低阻材料或者用磁性材料做成的容器將需要屏蔽的部分包起來，以防電或磁的相互感應(yīng)。1屏蔽的分類屏蔽這種方法對防止以“場”形式耦合的干擾是十分有效的，因此根據(jù)場的性質(zhì)不同，屏蔽可分為電場屏蔽及電磁場屏蔽。(1)電場屏蔽：由靜電學(xué)知道，處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部各點都是等電位的，即導(dǎo)體內(nèi)部無電力線。利用金屬導(dǎo)體的這一性質(zhì)，加上接地措施，則靜電場的電力線就在接地的金屬導(dǎo)體處中斷，起到隔離電場的作用，需要強調(diào)的是靜電屏蔽罩必須接地。信號抗干擾措施—屏蔽

屏蔽是模擬傳輸中抑制干擾的重要手段，屏蔽的意(2)電磁場屏蔽：電磁場屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電磁場對屏蔽金屬的作用，在屏蔽金屬表面產(chǎn)生電渦流，由電渦流產(chǎn)生的磁場抵消或減弱干擾磁場的影響、從而達到屏蔽的效果。一般所謂的屏蔽多數(shù)是指電磁屏蔽，電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，對于低頻磁場干擾的屏蔽效果是非常小的。基于電渦流反磁場作用的電磁屏蔽．從原理上講與屏蔽體是否接地無關(guān)，但在一般應(yīng)用中屏蔽體都是接他的，目的是讓屏蔽體兼作靜電屏蔽之用?？紤]到高頻集膚效應(yīng)，電渦流僅流過屏蔽層的表面一層，因此屏蔽層的厚度只需考慮機械強度就可以了，當必須在屏蔽層上開孔與槽時要注意孔、槽的位置和方向，應(yīng)盡量不影響電渦流的形成途徑，以免影響屏蔽效果。電磁屏蔽對于低頻磁通干擾的屏蔽效果是比較差的，因此在低頻磁通干擾時，要采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體的內(nèi)部．防止其干擾作用。為了有效地進行低頻磁屏蔽，屏蔽層材料要選用諸如坡莫合金之類對低磁通密度有高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，同時要有一定的厚度，以減少磁阻。由鐵氧體壓制成的罐狀磁芯可作為磁屏蔽使用，并可以把它和電磁屏蔽導(dǎo)體一同使用。為了提高屏蔽效果，可采用多層屏蔽。第一層用低導(dǎo)磁率的鐵磁材料，使場強降低，第二層用高導(dǎo)磁鐵磁材料，以充分發(fā)揮其屏蔽作用。信號抗干擾措施—屏蔽

(2)電磁場屏蔽：電磁場屏蔽是采用導(dǎo)電良好的光藕合器抗干擾使用光藕合器切斷地環(huán)路電流干擾是十分有效的。其原理圖見圖3—44。由于兩個電路之間采用光束來藕合，所以能將兩個電路的地電位完全隔離，這樣兩電路的地電位即使不同也不會造成干擾，這對數(shù)字電路尤為重要。信號抗干擾措施—光藕

光藕合器抗干擾使用光藕合器切斷地環(huán)路電流一、模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)信號處理技術(shù)1、A/D轉(zhuǎn)換

1)A/D轉(zhuǎn)換過程采樣――利用采樣脈沖序列p(t)，從連續(xù)時間信號x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x(nTs)的過程．

編碼――將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M制數(shù)字的過程。

量化――把采樣信號x（nTs）經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化．一、模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)信號處理技術(shù)1、A2)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標

模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)(1)分辨率;

用輸出二進制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。

(2)轉(zhuǎn)換精度;

轉(zhuǎn)換精度=量程/(A／D轉(zhuǎn)換器的分辨力*0.5)

(3)轉(zhuǎn)換速度;指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時間，如:100ms(10Hz)；10us(100kHz)(4)模擬信號的輸入范圍;如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。2)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D2、D/A轉(zhuǎn)換過程和原理

模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)1)D/A轉(zhuǎn)換過程D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號的裝置。2)D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標

(1)分辨率;(2)轉(zhuǎn)換精度;(3)轉(zhuǎn)換速度;(4)模擬信號的輸出范圍;2、D/A轉(zhuǎn)換過程和原理模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/AA/D、D/A轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差實驗：

模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)A/D、D/A轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差實驗：模數(shù)(A/D二、采樣保持

信號采樣采樣保持是利用切斷電容器的輸入后，電容器能保持其原有電壓值的原理實現(xiàn)的(圖3—33)。采樣保持動作由兩種模式構(gòu)成；一種是采樣模式，即采樣保持的輸出跟蹤輸入值；另一種是保持模式，即保持輸出值。二、采樣保持信號采樣采樣保持是利用切二、采樣保持

信號采樣在采樣模式中，從保持模式移到采樣模式的瞬間，輸入值和輸出值不一樣，需經(jīng)過一段時間，兩值才能達到一致，這就是滯后現(xiàn)象，如圖3—34所示，圖中Ts表示開關(guān)滯后，TA表示穩(wěn)定時間。進入跟蹤狀態(tài)后，一轉(zhuǎn)換到保持模式、這時的輸入值便被保持，這種場合伴有各種誤差。二、采樣保持信號采樣在采樣模式中，從二、采樣定理

信號處理技術(shù)1采樣信號的頻譜

采樣過程是將采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)相乘來．二、采樣定理信號處理技術(shù)1采樣信號的頻譜采樣過程2.頻混現(xiàn)象

采樣定理

頻域解釋時域解釋2.頻混現(xiàn)象采樣定理頻域解釋時域解釋3.采樣定理

采樣定理

為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。fs＞2fmax

需要注意的是，在對信號進行采樣時，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻率混疊，只能保證對信號的頻譜作逆傅立葉變換時，可以完全變換為原時域采樣信號xs(t)，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號x(t)。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。3.采樣定理采樣定理為保證采樣后模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例采集一個頻率為20KHz的信號，要求要分辨到2mV電壓，信號電壓的輸入范圍是0-5V，試根據(jù)下表確定A/D轉(zhuǎn)換器的型號

芯片型號分辨率轉(zhuǎn)換時間模擬輸入范圍ADC08098位100s0-5VAD574A12位25s0-10V,±5V,0-20V,±10VAD67914位10s0-10V,±5V模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例采集一個頻率為20KHz模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例信號電壓的輸入范圍是0-5V：ADC0809、AD574A、AD679均可信號頻率為20KHz，周期為50s：根據(jù)采樣定理AD574A、AD679均可最小分辨電壓ADC0809：5/28=19.5mVAD574A：10/212=2.44mVAD679：10/214=0.61mV應(yīng)該選AD679模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例信號電壓的輸入范圍是0-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成信號數(shù)字化處理的基本步驟

物理信號對象傳感器電信號信號調(diào)制電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號單片機顯示D/A轉(zhuǎn)換控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成信號數(shù)字化處理的基本步驟物理信號對象傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器放大電路采樣保持器單片機電平轉(zhuǎn)換電路計算機AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成放大電路采樣保持器電平轉(zhuǎn)換電路AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成各部分主要功能傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。放大電路：將傳感器輸出的微弱信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器所能接收的幅度。采樣保持器：保證A/D轉(zhuǎn)換過程中信號的穩(wěn)定。A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)子量。單片機：進行數(shù)據(jù)采集。電平轉(zhuǎn)換電路：將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232C電平。計算機：接收數(shù)據(jù)并進行處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成各部分主要功能傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成電信號8位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器ADC0809

AD0809IN4--2IN3--1IN5--3IN6--4IN7--5START—6EOC—72ˉ5--8OE--9CLOCK-10Vcc--11REF(+)—12END--132ˉ7-1428--IN227--IN126--IN025--ADDA24--ADDB23--ADDC22--ALE21--2ˉ1MSB20--2ˉ219--2ˉ318--2ˉ417--2ˉ8LSB16--REF(-)15--2ˉ68位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程查詢方式模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程查詢方式模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程定時采樣方式向A／D發(fā)出啟動脈沖信號后，先進行軟件延時．延時時間取決于轉(zhuǎn)換時間(例如0809為100um)，延時結(jié)束后直接從A／D口讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此這種方式比查詢方式轉(zhuǎn)換速度更慢，故應(yīng)用較少。中斷方式在前兩種方式中，A／D采樣過程中都要占用CPU大量的工作時間、降低廠CPU的工作效率。在實時性要求高，控制口較多的情況下須采用中斷方式。在這種采樣方式中，當啟動A／D轉(zhuǎn)換后，CPU可處理其它事務(wù)，當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，由A／D芯片向CPU發(fā)出A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束的中斷申請，CPU響應(yīng)中斷后，便進入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行“讀A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果”的操作。這樣，CPU和A／D芯片在時間上是并行工作的，所以提高了CPU的工作效率。模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程定時采樣方式模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程A/D轉(zhuǎn)換采樣方式A/D轉(zhuǎn)換采樣方式單片機與計算機的通訊同步通訊異步通訊單片機與計算機的通訊同步通訊異步通訊單片機與計算機的通訊RS-232-C標準RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)在1969年公布助數(shù)據(jù)通信標淮。RS是推薦標準(Relommendedstardard)的英文縮寫，232—C是標準號。RS-232-C標推在引線連接上采用24針D型插座，其中有20個引腳對應(yīng)串行通信使用的信號，在微機通信中最常用的是其中9個通信信號，這也就是有的串行接口板上采用9針插座的原因。單片機與計算機的通訊RS-232-C標準單片機與計算機的通訊RS-232-C標準在沒有調(diào)制解調(diào)器的連接中，最簡單的連接形式就是只使用上述3條線。其中TxD與RxD交錯連接，GND與GND相連。單片機與計算機的通訊RS-232-C標準單片機與計算機的通訊RS-232-C標準MODEM控制信號由于計算機經(jīng)RS-232-C接口輸出的是電壓信號，不能直接連接到用于較長距離傳輸數(shù)據(jù)信號的電話線上，此時需要在計算機和電話網(wǎng)之間連人調(diào)制解調(diào)器(MODEM)。MODEM能把代表邏輯“l(fā)”電平和邏輯“0”電平的電壓信號調(diào)制成頻率信號。表6—l中除去三個基本的數(shù)據(jù)傳送信號之外，其余6個信號均為MODEM控制信號。這6個信號分為以下兩組：單片機與計算機的通訊RS-232-C標準MO單片機與計算機的通訊RS-232-C標準RS-232-C電平(1)邏輯“0”：在十5V一十15V之間；（0V）(2)邏輯“1”：在一5V一一15V之間。（5V）2。傳送速率：一9600波特。3．傳輸距離如果無MODEM，傳輸導(dǎo)線長度限制在50m內(nèi)單片機與計算機的通訊RS-232-C標準單片機與計算機的通訊RS-232-C標準RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)在1969年公布助數(shù)據(jù)通信標淮。RS是推薦標準(Relommendedstardard)的英文縮寫，232—C是標準號。RS-232-C標推在引線連接上采用24針D型插座，其中有20個引腳對應(yīng)串行通信使用的信號，在微機通信中最常用的是其中9個通信信號，這也就是有的串行接口板上采用9針插座的原因。單片機與計算機的通訊RS-232-C標準單片機與計算機的通訊RS-232-C標準RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)在1969年公布助數(shù)據(jù)通信標淮。RS是推薦標準(Relommendedstardard)的英文縮寫，232—C是標準號。RS-232-C標推在引線連接上采用24針D型插座，其中有20個引腳對應(yīng)串行通信使用的信號，在微機通信中最常用的是其中9個通信信號，這也就是有的串行接口板上采用9針插座的原因。單片機與計算機的通訊RS-232-C標準單片機與計算機的接口RXDTXDGNDTXDRXDGNDPCMCS51單片機與計算機的接口RXDTXDGNDTXDRXDGNDPC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成非線性信號的軟件處理方法

查表法：是一種分段線性差值法，它是根據(jù)精度要求對非線性曲線進行分段，用若干段折線逼近曲線，將折點坐標存入數(shù)據(jù)表中，測量時首先要明確對應(yīng)輸入段的斜率進行線性插值，即得輸出值。工作量大，占用內(nèi)存多，但是適合于單片機的數(shù)據(jù)處理。曲線擬合法：這種方法是采用n次多項式來逼近非線性曲線，該多項式的各個系數(shù)由最小二乘法確定。該方法簡單、使用，適合于計算機的數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成非線性信號的軟件處理方法查表法：是一種分信號接口技術(shù)信號接口技術(shù)開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)輸入信號的電氣隔離

在機電一體化系統(tǒng)中，機械開關(guān)信號一般為強電信號，需要把強電部分與弱電的微機系統(tǒng)在電氣上隔離開來，最常用的是使用光電藕合。圖4—25所示為開關(guān)量輸入信號的光電隔離電路。R1、R2分別為限流電阻。開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)輸入信號的電氣隔離開關(guān)量信號的輸入開關(guān)量信號的輸入歐姆龍可編程控制器的輸入電路歐姆龍可編程控制器的輸入電路開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理在機電一體化系統(tǒng)中，經(jīng)常要使用按鈕開關(guān)、搬鈕開關(guān)、多位開關(guān)、接觸器、繼電器等。它們常常是開關(guān)量的輸入源。由于這類開關(guān)大都是機械開關(guān)，當開關(guān)觸點閉合時，在達到穩(wěn)定之前會產(chǎn)生短暫的抖動，彈跳抖動的時間一般可達數(shù)毫秒。如圖4—26所示。開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理微機對開關(guān)信號采樣時，必須消除這種抖動，否則會造成錯誤采樣。消除抖動的方法可從軟件和硬件上著手。軟件的方法是經(jīng)過一段延時后再讀入信號，若兩個采樣值不同、則繼續(xù)采樣，直到兩個采樣值相同，延遲時間應(yīng)比抖動周期長。硬件的方法是在接口電路中加“‘防抖動電路，圖中是由2個“與非”門組成的RS觸發(fā)器，開關(guān)K在常開狀態(tài)下．輸出為l，一旦開關(guān)K閉合、則在剛一閉合的瞬間，RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出為0，此時，雖然開關(guān)要抖動幾次，但不會影響觸發(fā)器的輸出。開關(guān)信號的接口技術(shù)開關(guān)信號的去抖處理開關(guān)信號的接口技術(shù)光電隔離技術(shù)為了避免外部設(shè)備的電源干擾，防止被控對象電路的強電反竄，通常采取將微機的前后向通道與被連模塊在電氣上隔離的方法。過去常用隔離變壓器或中間繼電器來實現(xiàn)，而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替。光電藕合器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起，以光作為媒介來傳輸信息的。其封裝形式有管形、雙列直插式、光導(dǎo)纖維連接等。發(fā)光器件一般為砷化嫁紅外發(fā)光二極管。圖4—28所示為幾種主要光電耦合器類型。開關(guān)信號的接口技術(shù)光電隔離技術(shù)開關(guān)信號的接口技術(shù)光電耦合器具的特點：(1)信號采取光一電形式耦合，發(fā)光部分與受光部分無電氣回路、絕緣電阻高達1010—1012歐姆，絕緣電壓為1000一5000V，因而具有極高的電氣隔離性能，避免輸出端與輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾。(2)由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，動態(tài)電阻很?。畬ο到y(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強，共模抑制比高，不受磁場影響，特別是用于長線傳輸時作為終端負載，可以大大地提高信噪比。(3)光電耦合器可以耦合零到數(shù)千赫的信號，且響應(yīng)速度快(一般為幾毫秒，甚至少10ns)，可以用于高速信號的傳輸。開關(guān)信號的接口技術(shù)光電耦合器具的特點：開關(guān)量信號的輸入根據(jù)安全標準，系統(tǒng)的限位開關(guān)須接成常閉狀態(tài)。當工作臺的運動超過其物理有效行程將使限位開關(guān)打開。限位開關(guān)輸入信號的有效電平可以通過主機命令進行選擇。原點開關(guān)為常開狀態(tài)。

開關(guān)量信號的輸入根據(jù)安全標準，系統(tǒng)的限位開關(guān)須接成常閉狀態(tài)。開關(guān)量信號的輸出開關(guān)量信號的輸出歐姆龍可編程控制器的晶體管輸出電路歐姆龍可編程控制器的晶體管輸出電路開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離

開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離

當被控設(shè)備遠離單片機時，光電隔離接口電路設(shè)計如圖4—30所示。該電路為電流環(huán)發(fā)送和接受電路，可以極大地提高系統(tǒng)的抗干擾性能，最大傳輸距離可達900m，傳輸速率可達50Kb／s，但必須保證傳輸線中環(huán)路連線電阻＜30歐姆，當該阻值過大時，l00歐姆的限流電阻相應(yīng)減小。開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的電氣隔離開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路

開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路

開關(guān)量信號的輸出開關(guān)信號輸出的驅(qū)動電路開關(guān)量信號的輸出單片機輸出通道接口方式

開關(guān)量信號的輸出單片機輸出通道接口方式開關(guān)量信號的輸出單片機模擬輸出接口方式

開關(guān)量信號的輸出單片機模擬輸出接口方式信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。

一、信號調(diào)理的目的

信號調(diào)理1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。

信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。一、信號調(diào)理的目二、信號放大

信號調(diào)理信號放大目的幅度增加(1)抗干擾;(2)阻抗匹配2分類放大器直流放大器交流放大器電荷放大器

時間域頻率域幅度增大低頻保留,高頻截止幅度增大高頻保留,低頻截止

電荷增大△ZV

1目的電橋二、信號放大信號調(diào)理信號放大目的幅度增加(1)抗干擾;22直流放大電路

1)反相放大器

信號放大電路

反饋電阻RF值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠大于信號源Ui的內(nèi)阻。反相放大器是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器2直流放大電路1)反相放大器信號放大電路反饋電阻2)同相放大器

信號放大電路

同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。

同相放大器也是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:2)同相放大器信號放大電路同相放大器具有輸入阻抗非常高3交流放大電路

信號放大電路

若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。

R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。

3交流放大電路信號放大電路若只需要放大交流信號，可4電荷放大器信號放大電路

F+4電荷放大器信號放大電路F+5電橋信號放大電路

1）直流電橋●平衡條件dV5電橋信號放大電路1）直流電橋dV信號放大電路

2）交流電橋●平衡條件~信號放大電路2）交流電橋~信號放大電路

應(yīng)變片的粘貼R2R4R1R3R4R1R2R3UE信號放大電路應(yīng)變片的粘貼R2R4R1R3R4R1三、信號的濾波

信號抗干擾措施濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．1濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分）

低通高通帶通帶阻實驗三、信號的濾波信號抗干擾措施濾波器是一種選頻裝置，可三、信號的濾波

信號抗干擾措施三、信號的濾波信號抗干擾措施5RC無源濾波器

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件。

1)一階RC低通濾波器

信號抗干擾措施—濾波

5RC無源濾波器在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這2)一階RC高通濾波器

3)RC帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)信號抗干擾措施—濾波

2)一階RC高通濾波器3)RC帶通濾波器可以看作為低屏蔽是模擬傳輸中抑制干擾的重要手段，屏蔽的意義既包含了屏蔽干擾源，又包含了屏蔽接收體。屏蔽設(shè)施的實現(xiàn)，可以利用銅或鋁等低阻材料或者用磁性材料做成的容器將需要屏蔽的部分包起來，以防電或磁的相互感應(yīng)。1屏蔽的分類屏蔽這種方法對防止以“場”形式耦合的干擾是十分有效的，因此根據(jù)場的性質(zhì)不同，屏蔽可分為電場屏蔽及電磁場屏蔽。(1)電場屏蔽：由靜電學(xué)知道，處于靜電平衡狀態(tài)下的導(dǎo)體內(nèi)部各點都是等電位的，即導(dǎo)體內(nèi)部無電力線。利用金屬導(dǎo)體的這一性質(zhì)，加上接地措施，則靜電場的電力線就在接地的金屬導(dǎo)體處中斷，起到隔離電場的作用，需要強調(diào)的是靜電屏蔽罩必須接地。信號抗干擾措施—屏蔽

屏蔽是模擬傳輸中抑制干擾的重要手段，屏蔽的意(2)電磁場屏蔽：電磁場屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電磁場對屏蔽金屬的作用，在屏蔽金屬表面產(chǎn)生電渦流，由電渦流產(chǎn)生的磁場抵消或減弱干擾磁場的影響、從而達到屏蔽的效果。一般所謂的屏蔽多數(shù)是指電磁屏蔽，電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的影響，對于低頻磁場干擾的屏蔽效果是非常小的。基于電渦流反磁場作用的電磁屏蔽．從原理上講與屏蔽體是否接地無關(guān)，但在一般應(yīng)用中屏蔽體都是接他的，目的是讓屏蔽體兼作靜電屏蔽之用。考慮到高頻集膚效應(yīng)，電渦流僅流過屏蔽層的表面一層，因此屏蔽層的厚度只需考慮機械強度就可以了，當必須在屏蔽層上開孔與槽時要注意孔、槽的位置和方向，應(yīng)盡量不影響電渦流的形成途徑，以免影響屏蔽效果。電磁屏蔽對于低頻磁通干擾的屏蔽效果是比較差的，因此在低頻磁通干擾時，要采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體的內(nèi)部．防止其干擾作用。為了有效地進行低頻磁屏蔽，屏蔽層材料要選用諸如坡莫合金之類對低磁通密度有高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，同時要有一定的厚度，以減少磁阻。由鐵氧體壓制成的罐狀磁芯可作為磁屏蔽使用，并可以把它和電磁屏蔽導(dǎo)體一同使用。為了提高屏蔽效果，可采用多層屏蔽。第一層用低導(dǎo)磁率的鐵磁材料，使場強降低，第二層用高導(dǎo)磁鐵磁材料，以充分發(fā)揮其屏蔽作用。信號抗干擾措施—屏蔽

(2)電磁場屏蔽：電磁場屏蔽是采用導(dǎo)電良好的光藕合器抗干擾使用光藕合器切斷地環(huán)路電流干擾是十分有效的。其原理圖見圖3—44。由于兩個電路之間采用光束來藕合，所以能將兩個電路的地電位完全隔離，這樣兩電路的地電位即使不同也不會造成干擾，這對數(shù)字電路尤為重要。信號抗干擾措施—光藕

光藕合器抗干擾使用光藕合器切斷地環(huán)路電流一、模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)信號處理技術(shù)1、A/D轉(zhuǎn)換

1)A/D轉(zhuǎn)換過程采樣――利用采樣脈沖序列p(t)，從連續(xù)時間信號x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x(nTs)的過程．

編碼――將離散幅值經(jīng)過量化以后變?yōu)槎M制數(shù)字的過程。

量化――把采樣信號x（nTs）經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這一過程稱為量化．一、模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)信號處理技術(shù)1、A2)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標

模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)(1)分辨率;

用輸出二進制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。

(2)轉(zhuǎn)換精度;

轉(zhuǎn)換精度=量程/(A／D轉(zhuǎn)換器的分辨力*0.5)

(3)轉(zhuǎn)換速度;指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時間，如:100ms(10Hz)；10us(100kHz)(4)模擬信號的輸入范圍;如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等。2)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D2、D/A轉(zhuǎn)換過程和原理

模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)1)D/A轉(zhuǎn)換過程D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號的裝置。2)D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標

(1)分辨率;(2)轉(zhuǎn)換精度;(3)轉(zhuǎn)換速度;(4)模擬信號的輸出范圍;2、D/A轉(zhuǎn)換過程和原理模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/AA/D、D/A轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差實驗：

模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)A/D、D/A轉(zhuǎn)換過程中的量化誤差實驗：模數(shù)(A/D二、采樣保持

信號采樣采樣保持是利用切斷電容器的輸入后，電容器能保持其原有電壓值的原理實現(xiàn)的(圖3—33)。采樣保持動作由兩種模式構(gòu)成；一種是采樣模式，即采樣保持的輸出跟蹤輸入值；另一種是保持模式，即保持輸出值。二、采樣保持信號采樣采樣保持是利用切二、采樣保持

信號采樣在采樣模式中，從保持模式移到采樣模式的瞬間，輸入值和輸出值不一樣，需經(jīng)過一段時間，兩值才能達到一致，這就是滯后現(xiàn)象，如圖3—34所示，圖中Ts表示開關(guān)滯后，TA表示穩(wěn)定時間。進入跟蹤狀態(tài)后，一轉(zhuǎn)換到保持模式、這時的輸入值便被保持，這種場合伴有各種誤差。二、采樣保持信號采樣在采樣模式中，從二、采樣定理

信號處理技術(shù)1采樣信號的頻譜

采樣過程是將采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)相乘來．二、采樣定理信號處理技術(shù)1采樣信號的頻譜采樣過程2.頻混現(xiàn)象

采樣定理

頻域解釋時域解釋2.頻混現(xiàn)象采樣定理頻域解釋時域解釋3.采樣定理

采樣定理

為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。fs＞2fmax

需要注意的是，在對信號進行采樣時，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻率混疊，只能保證對信號的頻譜作逆傅立葉變換時，可以完全變換為原時域采樣信號xs(t)，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號x(t)。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。3.采樣定理采樣定理為保證采樣后模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例采集一個頻率為20KHz的信號，要求要分辨到2mV電壓，信號電壓的輸入范圍是0-5V，試根據(jù)下表確定A/D轉(zhuǎn)換器的型號

芯片型號分辨率轉(zhuǎn)換時間模擬輸入范圍ADC08098位100s0-5VAD574A12位25s0-10V,±5V,0-20V,±10VAD67914位10s0-10V,±5V模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例采集一個頻率為20KHz模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例信號電壓的輸入范圍是0-5V：ADC0809、AD574A、AD679均可信號頻率為20KHz，周期為50s：根據(jù)采樣定理AD574A、AD679均可最小分辨電壓ADC0809：5/28=19.5mVAD574A：10/212=2.44mVAD679：10/214=0.61mV應(yīng)該選AD679模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器選用舉例信號電壓的輸入范圍是0-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成信號數(shù)字化處理的基本步驟

物理信號對象傳感器電信號信號調(diào)制電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號單片機顯示D/A轉(zhuǎn)換控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成信號數(shù)字化處理的基本步驟物理信號對象傳感數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器放大電路采樣保持器單片機電平轉(zhuǎn)換電路計算機AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成放大電路采樣保持器電平轉(zhuǎn)換電路AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成各部分主要功能傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。放大電路：將傳感器輸出的微弱信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器所能接收的幅度。采樣保持器：保證A/D轉(zhuǎn)換過程中信號的穩(wěn)定。A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)子量。單片機：進行數(shù)據(jù)采集。電平轉(zhuǎn)換電路：將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232C電平。計算機：接收數(shù)據(jù)并進行處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成各部分主要功能傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成電信號8位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器ADC0809

AD0809IN4--2IN3--1IN5--3IN6--4IN7--5START—6EOC—72ˉ5--8OE--9CLOCK-10Vcc--11REF(+)—12END--132ˉ7-1428--IN227--IN126--IN025--ADDA24--ADDB23--ADDC22--ALE21--2ˉ1MSB20--2ˉ219--2ˉ318--2ˉ417--2ˉ8LSB16--REF(-)15--2ˉ68位模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程查詢方式模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程查詢方式模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機接口的編程定時采樣方式向A／D發(fā)出啟動脈沖信號后，先進行軟件延時．延時時間取決于轉(zhuǎn)換時間(例如0809為100um)，延時結(jié)束后直接從A／D口讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果。因此這種方式比查詢方式轉(zhuǎn)換速度更慢，故應(yīng)