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第2章 输入/输出接口与过程通道;2.3信号的采样和量化;2.3信号的采样和量化;2.3.1信号的采样;（a）模拟信号数字化处理过程;图2-4 （b）采样过程的模拟;在实际应用中，由于τ远小于T，即τ/T→0，故常用单位脉冲函数δ（t）来代替开关脉冲，用单位脉冲序列δT（t）代替开关函数s（t）。 由于;这样，就可以以离散函数f *（t）来代替采样函数fs（t：）;2.3.2采样定理及频率的选择;香农（Shannon）采样定理： 若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f ≥ 2 fmax，采样信号就能完全恢复原信号。 应当指出，香农采样定理仅给出了采样信号能恢复模拟信号的理论依据。 实际工程中，采样周期的选择要考虑诸多因素。工程上，采样频率一般取f ≥（4~10）fmax 。;2.3.3 量化过程;模拟信号可以具有无穷多的数值，而一组数码是有限的，因此用数码来逼近模拟信号是近似的，量化过程是一个类似四舍五入的过程。 量化单位 q 是指量化后二进制数的最低位所对应的模拟量的值。设fmax和fmin为转换信号的最大值和最小值，则量化单位为：;例如，模拟信号fmax=16V、fmin=0V，取i=4;2.4 模拟量输入通道信号调理电路;2.4 模拟量输入通道信号调理电路;2.4 模拟量输入通道信号调理电路;2.4.1信号的放大;测量放大器常用在应变片传感器、热电偶温度传感器等微弱信号的输出放大中。这类放大器一般由三个运算放大器组成. 前两级组成具有对称结构的差动放大电路，其作用是阻抗变换（高输入阻抗）和增益调整；后一级为功率输出级，它将A1、A2的差动输入双端输出信号转换为单端输出信号，且提高共模抑制比。RG用来调节放大器的增益.;由图可知，第一级：;目前有许多集成测量放大器芯片可供用户选用。如AD521、AD522等。AD522的典型应用如图2-8所示。 ;可编程增益放大器;1、组合PGA;2、集成PGA;2.4.2 I/V变换电路;一、无源I/V变换;二、有源I/V变换;2.5 模拟开关及采样保持;2.5 模拟开关及采样保持;目前广泛采用的模拟开关有：机械式和电子式 机械式的指采用干簧继电器、湿簧继电器组成的模拟开关。导通电阻低，开路电阻无穷大，但响应速度比较慢，而且使用久了触点不易清洗，易有误动作，寿命短。通常在低速、高精??的系统中采用。 电子式模拟开关由各类半导体工艺制作的模拟开关，有晶体管和场效应管两种，其特点是速度快、寿命长易于集成、体积小。;1. CD4051;图2-14 CD4051电路原理图;2. 多路模拟开关应用举例;改变数据线A2~A0即可分别选通U1或U2芯片的8通道之一。芯片的选通则由数据线A3的状态决定。 优点:连线简单； 缺点:并联得越多，不导通通道加在导通通道上的泄漏电流越大。 ;U3的每一个输入端对应前级芯片的一个输出端，最多可扩展为64路。 地址低4位用于U1、U2芯片的允许输入和通道控制，每次只允许选中一个芯片的一个输入端。 地址高4位用于控制U3芯片的输入和输出。 ;选用多路模拟开关应注意的问题： （1）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，可选用机械触点式开关。 （2）尽可能选取单片模拟开关集成电路；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。 （3）在选择多路模拟开关的速度时，要考虑到后级采样保持电路和A/D转换的速度，只需略大于它们的速度即可，不必一味追求高速。 （4）在使用高精度采样/保持和A/D转换进行精密数据采集和测量时，需考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需注意模拟开关漂移特性。 ;2.5.2 采样保持器;采样保持器的主要作用为： （1）在采样时间内，快速跟踪输入的模拟信号；在保持时间内，保持采样值不变，为A/D转换器提供恒定的转换信号。 （2）在多路采样系统中，通过采样保持器，可以实现多路信号的同步采样。 （3）在模拟量输出通道中，作为零阶保持器，复现离散的数字信号。 （4）在多路输出通道中，把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，也常利用采样保持器保证输出的稳定性。;1. 采样保持电路的工作原理;工作原理： 模拟开关AS闭合时，进入采样状态（跟踪），由于A1输出阻抗小，A1输出端给电容CH快速充电，输出跟随输入变化；模拟开关AS断开时，进入保持状态，由于A2输入阻抗大，输入电流几乎为0，保证输出端的电压值不变。 保持电容CH的选择： 性能的好坏在S/H电路中有着举足轻重的作用，保持电容通常是外接的，一般选取聚苯乙烯、聚四氟乙烯等高质量的电容器。一般来说，CH电容越小，可提高采样频率，但会降低精度，且下降率也会增大。;2. 常用的采样保持器;（a）LF198/298/398原理图