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1、第22章 模拟量通道与信号离散化原理,22.1 模拟量输入通道 22.1.1 模拟量输入通道的一般组成 22.1.2 采样/保持-A/D转换的触发方式 22.1.3 A/D转换结果的传输方式 22.1.4 A/D转换的结果 22.1.5 “采集卡+端子板”构成的AI通道 22.1.6 AI通道的程序设计 22.2 模拟量输出通道 22.2.1 模拟量输出通道的一般组成 22.2.2 “采集卡+端子板”构成的AO通道 22.2.3 AO通道的程序设计 22.3 信号离散化原理,第22章 模拟量通道与信号离散化原理,22.3.1 采样信号的时间离散化 22.3.2 量化信号的数值离散化 22.4
2、训练内容1AI通道和AO通道程序设计 22.5 训练内容2信号离散化原理 22.6 阅读材料 22.6.1 AI通道的信号调理 22.6.2 AO通道的信号驱动 22.6.3 计算机对外设触发的方式 22.6.4 计算机与外设之间的数据传输方式 22.6.5 T形电阻网络D/A转换器的原理,第22章 模拟量通道与信号离散化原理,22.6.6 逐位逼近式A/D转换器的原理 22.6.7 相同周期三角波与正弦波的同频率采样比较,22.1 模拟量输入通道,22.1.1 模拟量输入通道的一般组成 22.1.2 采样/保持-A/D转换的触发方式 22.1.3 A/D转换结果的传输方式 22.1.4 A/
3、D转换的结果 22.1.5 “采集卡+端子板”构成的AI通道 22.1.6 AI通道的程序设计,22.1.1 模拟量输入通道的一般组成,1) 首先用一个多路选择开关(Multiplexer，MUX)决定哪一路信号进入通道。 2) 可编程序放大器的放大倍数也称增益(Gain)，可以通过应用程序对每一路通道设置不同的增益。 3) 采样开关在接到采样触发信号时闭合，对这一时刻的信号采样。 4) 保持器由一个电容器和一个电压跟随器组成。 5) A/D转换器(Analog to Digital，习惯记为A/D)把当前保持器中的电压值转换成一定位数的数字信号。,22.1.1 模拟量输入通道的一般组成,图2
4、2-1 AI通道的一般组成,22.1.1 模拟量输入通道的一般组成,图22-2 采样和保持 a) 原理框图 b) 工作时序 c) 各信号波形,22.1.2 采样/保持-A/D转换的触发方式,1) 软件触发。在程序中用代码行实现触发。程序运行中，执行代码行时产生触发信号。这种触发方式简单易行，但是，在程序代码中，周期Ts的精度和稳定性不易保证。 2) 硬件触发。时间基准由硬件时钟给出。触发信号源由专门的硬件定时器实现，精度高、稳定。对于采样周期固定的AI通道，要保证采样周期Ts的精度和稳定性，需要用硬件触发。 3) 外部触发。触发源来自AI通道以外。,22.1.3 A/D转换结果的传输方式,1)
5、 查询方式。应用程序执行触发语句后，接着执行查询A/D转换完成标志位的语句。若本次A/D转换已完成，就从数据输入端口读取数据；若未完成，则再次查询标志位，如此循环直至本次A/D转换完成。这种传输方式简单易行，但是，CPU执行这一查询循环要占用时间，不能进行其它操作。 2) 中断方式。一次转换完成后，A/D转换器主动向CPU发出中断请求，CPU执行中断服务程序，再从端口读取数据。 3) 直接存储器访问方式(Direct Memory Access，DMA)。用于高速外设的大批数据传输。器访问方式(Direct Memory Access，DMA)。,22.1.3 A/D转换结果的传输方式,图22
6、-3 3位A/D转换的结果,22.1.4 A/D转换的结果,A/D转换的结果是二进制数据，放在端口寄存器中，必须传输到内存。如前所述，“数据已就绪”，必须使CPU知道，才能开始数据传输操作。,22.1.5 “采集卡+端子板”构成的AI通道,1. PCL-812PG采集卡 2. ACL-8112PG采集卡,1. PCL-812PG采集卡,(1) 基本规格 由附录2a知道，PCL-812PG采集卡的16路AI通道中的每一路都可以把模拟电压信号转换成12位数字信号。 (2) 信号连接 见附录2a和附录3a。 (3) 工作模式 PCL-812PG采集卡把三种触发方式与三种传输方式的搭配称为工作模式。
7、(4) 端口寄存器 附录2a给出了PCL-812PG的AI通道和AO通道的各个端口功能、偏移地址和数据格式。,2. ACL-8112PG采集卡,ACL-8112PG采集卡与PCL-812PG的基本规格相同。但是为模拟量输入输出通道设计了37芯D形连接器，所以这种采集卡的AI通道和AO通道的端子板也必须使用37芯D形连接器。,22.1.6 AI通道的程序设计,1. AI通道程序的基本流程 2.软件触发与查询传输的实现 3.字节的拼接和拆分 4.信号的编码和解码,1. AI通道程序的基本流程,1) 怎样正确访问到采集卡？ 2) 当前允许哪一路模拟信号进入？ 3) 允许进入的这一路信号需要放大几倍？
8、 4) 怎样约定A/D转换触发方式？ 5) 怎样约定A/D转换结果的传输方式？ 6) 怎样实现一次A/D转换触发？ 7) 怎样知道本次A/D转换已完成？ 8) 如果A/D转换所得数据是12位，必然要占两个字节，怎样分别输入内存？ 9) 怎样把输入的数据重新拼接成12位？ 10) 怎样把12位二进制数解码为Range(比如-10V，+10V)范围的十进制电压值？,2.软件触发与查询传输的实现,1) 执行触发A/D转换的语句。 2) 查询转换完成标志位DRDY，判断转换是否完成；若尚未完成，再次查询DRDY，若必要，可以执行等待语句后再查询DRDY。 3) 若转换已完成，从数据输入端口读取结果。
9、4) 再一次触发A/D转换。,3.字节的拼接和拆分,图22-4 字节的拼接和拆分 a) 拼接结果 b) 拆分结果,4.信号的编码和解码,(1) 双极性信号的编码和解码 n位二进制数字信号可以表示2n个数值，比如，12位二进制数 (2) 单极性信号的编码和解码 图22-5b是三位二进制码与0V，+10V单极性电压信号的对应。,(1) 双极性信号的编码和解码 n位二进制数字信号可以表示2n个数值，比如，12位二进制数,图22-5 三位二进制码与模拟电压信号的对应 a) 双极性信号 b) 单极性信号,(1) 双极性信号的编码和解码 n位二进制数字信号可以表示2n个数值，比如，12位二进制数,表22-
10、1 用12位数字信号对-10+10V双极性模拟电压信号编码,(1) 双极性信号的编码和解码 n位二进制数字信号可以表示2n个数值，比如，12位二进制数,图22-6 采用软件触发和查询传输 的AI通道程序基本流程,(2) 单极性信号的编码和解码 图22-5b是三位二进制码与0V，+10V单极性电压信号的对应。,表22-2 用12位数字信号对0+10V单极性模拟电压信号编码,22.2 模拟量输出通道,22.2.1 模拟量输出通道的一般组成 22.2.2 “采集卡+端子板”构成的AO通道 22.2.3 AO通道的程序设计,22.2.1 模拟量输出通道的一般组成,图22-7 AO通道的两种组成方式 a
11、) 每一路一个D/A转换器 b) 多路共用一个D/A转换器,22.2.2 “采集卡+端子板”构成的AO通道,1. PCL-812PG采集卡 2. ACL-8112PG采集卡,1. PCL-812PG采集卡,PCL-812PG采集卡有两路AO通道，每一通道采用各自的D/A转换器，两个D/A转换器是12位的。若采用内部参考电压，输出电压范围是0+5V或0+10V；若采用外部参考电压，可获得其它输出电压范围。,2. ACL-8112PG采集卡,ACL-8112PG采集卡与PCL-812PG采集卡的基本规格相同，但与PCL-812PG采集卡不同的是模拟量连接器的设计。,22.2.3 AO通道的程序设计
12、,图22-8 AO通道程序的基本流程,22.3 信号离散化原理,22.3.1 采样信号的时间离散化 22.3.2 量化信号的数值离散化,22.3.1 采样信号的时间离散化,图22-9 采样周期的影响 a) 较大 b) 较小,22.3.2 量化信号的数值离散化,1.量化因子 2.量化误差,1.量化因子,图22-10 量化因子的影响 a) q较大 b) q较小,2.量化误差,工程实际中，设计模拟量通道时，为保证满意的量化精度，应根据误差的要求选择AI通道的输入范围，并选择A/D转换器的位数，使q足够小。信号很微弱的情形下，常在AI通道前端的信号调理级对被测信号进行电压放大或衰减，以适合AI通道的输
13、入范围。也可以反过来，改变AI通道的输入范围来适应信号调理电路的输出。比如，PCL-812PG和ACL-8112PG两种采集卡都有多档输入范围，可以通过跳线或程序改变输入范围的设置。,22.4 训练内容1AI通道和AO通道程序设计,1.理解计算机AI通道的工作过程。 2.理解计算机AO通道的工作过程。 3.能正确地把全部设备和器材连接成系统。 4.能在采集卡说明书(见附录2a)中查阅有关寄存器的地址、功能和数据格式，正确编写程序代码。 5.能在Turbo C2.0环境下编写、调试简单的AI通道和AO通道程序。,22.4 训练内容1AI通道和AO通道程序设计,图22-11 AI通道和AO通道训练
14、内容的系统连接 a) 用PCL-812PG采集卡和PCLD-880端子板 b) 用ACL-8112PG采集卡和ACLD-9188端子板,1.运行AI通道参考程序,1) 向AI10通道输入一个直流电压信号，用数字多用表同时在端子板的AI10通道输入端子处监视，记录工控机与数字多用表两者的示值。 2) 在Turbo C2.0环境下，单步运行该程序，利用“Watch”区域观察有关变量的值，确认程序中的关键语句及其作用。 3) 把AI通道参考程序改写成子函数。,1.运行AO通道参考程序,1) 键入一个电压值，用数字多用表在端子板的AO1通道输出端子处测量，记录键入电压值与数字多用表的示值。 2) 在T
15、urbo C2.0环境下，单步运行该程序，利用“Watch”区域观察有关变量的值，确认并记录程序中的关键语句及其作用。 3) 把AO通道参考程序改写成子函数。,2. AO通道编程简易函数信号发生器,1) 由AO1通道输出一个方波信号，周期、占空比、直流电平可键入。 2) 由AO1通道输出一个锯齿波，周期、上升斜率、直流电平可键入。 3) 由AO1通道输出一个正弦波，频率、峰-峰值、直流电平可键入。 4) 把上述正弦信号的频率2、3、4、5、6倍后与原信号合成后输出。 5) 产生两个正弦信号，相位差为90，分别经由AO1和AO2输出。 6) 由AO1通道输出一个梯形波(一个周期内有斜坡-平顶-负
16、斜坡)信号，周期、上升斜率和宽度、平顶宽度、直流电平可键入。 1) 输入一个正弦信号u(t)，把相位后移90，并加适当直流电平后输出。 2) 输入一个含有适当直流电平的正弦信号u(t)，把Deltau(k)=u(k)-u(k-1)输出。 3) 输入一个直流电压信号u(t)，把u(k)累加到Sigmau(k)中，输出Sigma至Sigmau(k)达到+10V，持续若干个采样周期后，输出通道清零，这一过程用5ms完成后重复。 4) 输入一个方波信号u(t)，积分成三角波后输出。,22.5 训练内容2信号离散化原理,1.理解模拟信号时间离散化的原理。 2.理解模拟信号数值离散化的原理。 1. AI通道的时间离散化演示 2. AI通道的数值离散化演示,22.5 训练内容2信号离散化原理,图22-12 观察量化结果的4级放大电路框图,1. AI通道的时间离散化演示,(1) 用不同采样周期对一个正弦波采样 用函数信号发生器作为信号源，把幅值适当的50Hz正弦信号送至AI通道输入端
