微型计算机控制技术：模拟量输入通道简述题 + ADC接口电路设计分析

模拟量输入通道

模拟量输入通道的结构组成

什么是传感器？选择传感器应注意哪些性能指标？
- 定义：被检测的量值形式变换为另一种与之有确定关系、且便于计量的量值形式的器件或者装置。它实现两种量值之间的变化，通常将被测物理量转换为电信号，目的是为了便于计量、检测。
- 性能指标：输入输出特性、分辨度和精确度、稳定性。
传感元件（传感器）和变送器有什么区别？
- 1、接线制与电源：传感器有二线制、三线制、四线制的，有的需要额外供电电源，有的不需要供电电源。变送器基本上是两线制且供电电源与信号为同一组线。
- 2、信号：传感器输出的信号有非标准电信号或其它形式的信号，是微弱的非标准信号，变送器输出的是标准电信号，输出信号强。远距离则以标准电流信号传输，近距离则可以用标准电压信号进行传输。
设计闭环控制系统时，如何选择传感器的精度？
- 传感器分辨率和精度一定要高于控制系统要求的精度。
模拟量输入通道进行信号处理的原因主要有什么？
- 干扰信号
- 传感器的非线性
- 输出信号不符合AD
- 特殊传感器的要求
为什么模拟信号输入需要采样保持？
- 模拟信号随着时间变化
- AD转换需要一定时间
- 为了保证转换精度，在转换器件信号应保持不变
举例说明模拟量输入通道的逻辑电路通常完成哪些工作？
- 利用逻辑电路协助计算机控制放大器、保持器和 AD 转换器和读取转换后的结果
- 协助信号依次通过放大器、保持器和 AD 转换器

模拟量输入信号调理

模拟量输入信号调理主要包括哪些方面？解决了哪些问题？
- 主要包括：电流-电压信号转换、电阻-电压信号转换、电压放大以及隔离等，调理后的信号通常为一定大小的电压信号，然后由A/D转换器变为数字信号。
- 解决如下问题：
  - 真实信号中有干扰信号
  - 测量的值不易计算
  - 测量的分辨率低
  - 传输过程中存在误差
  - 信号不符合ADC要求的类型
设计滤波器的目的是什么？滤波器的主要依据是什么？
- 目的：滤除干扰信号，提高信噪比
- 依据：信号频率和干扰频率的分布情况
无源滤波器和有源滤波器滤波效果的区别有哪些？
- 有源滤波器能够实现动态滤波，自动跟踪补偿电网中变化的谐波电流，具有高度可控性和快速响应性，补偿性能不受电网频率波动影响，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。
- 无源滤波器则由于结构简单，无法达到实时快速动态的效果，滤波效果比有源滤波器有一定差距。
模拟信号线性化处理的目的是什么？
- 线性关系是最简单的运算，线性运算在计算机上的运算下效率最高，如果传感器的输入输出存在明显非线性，则需要进行线性化处理。
三线制热电阻解决了测量中的什么问题？其工作原理是什么？
- 补偿了导线产生的误差
- 工作原理：在热电阻的一段引出一根输出线，在热电阻的另一端引出一根信号输出线和一根激励源，此时左桥臂+第一根导线电阻等于右桥臂+第二根导线电阻，将零点电位提到第三根导线的左侧，此时由于 r1=r2，所以 Vout = 0，补偿了由于长导线而造成的误差
信号放大的意义在哪里？举例说明？
- 意义：提高测量的分辨率
- 举例：一个 K 型热电偶进行AD转换器直接采集时，电压分辨率为 2mV，在300°C~400°C之间的温度分辨率达到50°C，分辨率太低；加上一个40倍的放大器后，温度分辨率将达到1.25°C
仪表放大器有什么优点？使用于什么场合？
- 非常低的直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗。
- 用于需要精确性和稳定性非常高的电路。
PGA是什么？信号放大应用中使用PGA有什么优势？
- 可编程增益放大器。PGA是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。
- 优势：放大倍数可编程。
信号放大应用中，如何选择集成运放？
- 一般场合下：都可用通用运放、PGA
- 针对微弱小信号时：仪表放大器、精密运放
- 信号源内阻较大时：高输入阻抗运放
为什么需要IV变换？
- A/D转换器接收电压信号，现场传递过来的信号往往是4~20mA的电流信号，因此要进行电流到电压的变换。
进行IV变换设计中，对采样电阻有哪些要求？
- 高精度、低温飘

多路模拟开关

模拟量输入通道中使用模拟开关的原因是什么？
- 系统中通常有多个模拟量需要采集
- 计算机某个时刻仅能访问一个外部设备：无法同时处理
模拟开关的选择主要考虑哪些因素？

双向多路开关与单向多路开关的区别是什么？如何确定应该使用单向开关还是双向开关？
- 区别
- 双向多路开关既可以作为多路开关、实现多到一的转换,又能当作反向多路开关,完成一到多的转换。
- 单向多路开关只能完成多到一的转换。
- 判断
- 若只需要分别采集多个信号源，可以使用单向开关
- 若既需要采集，又需要控制信号源，则需要使用双向开关
模拟开关对模拟量的采集精度是否有影响？为什么？
- 会有影响
- 原因
- 模拟开关在通道切换时会存在抖动过程，此时会出现瞬变现象，若此时进行采集会引入很大的误差，影响采样精度。
- 由于模拟开关存在内阻，当通道数增加或信号源内阻很大时，会产生一个较大的误差电压，影响采样精度。
分析视频任务点【图3】所示电路的功能和工作原理。
- 功能：利用两片8路单端输入的模拟开关扩展为8路双端输入的模拟开关
- 工作原理：
- 由于两片 CD4051 的控制端 C、B、A、INH 都分别连接在一起，并由 74HC373 的 Q0~Q3 端控制
- 往 nCS 输入信号时，两片 CD4051 会同时导通，因此可以看作利用两片8路单端输入的模拟开关扩展为8路双端输入的模拟开关
分析视频任务点【图4】所示电路的功能和工作原理。
- 功能：利用两片8路单端输入的模拟开关扩展为16路单端输入的模拟开关
- 工作原理：
- 两片 CD4051 的控制端 C、B、A 都分别连接在一起，并由 74HC373 的 Q0~Q2 端控制
- 两片 CD4051 的 INH 端一片直接接到 74HC373 的 Q3 端，另一片的 INH 端通过一个非门接到 74HC373 的 Q3 端
- 往 nCS 输入信号时，每次只有一片 CD4051 能导通，因此可以看作利用两片8路单端输入的模拟开关扩展为16路单端输入的模拟开关
分析视频任务点【图5】所示电路的功能和工作原理，并计算电路参数。
- 功能：利用 CD4051 设计出拥有4种放大倍数的 PGA
- 工作原理：
- 利用 CD4051 切换不同的输入电阻，从而使得 OP07 产生不同的放大倍数
- 电路参数：
- 放大倍数 = 反馈电阻输入电阻放大倍数 = \frac{反馈电阻}{输入电阻} 放大倍数=输入电阻反馈电阻
- X0导通时，OP07 的 2脚和6脚直接相连，反馈电阻和输入电阻相等，因此放大倍数为 1
- X1导通时，反馈电阻为 R1 = 36K，输入电阻为 R2 + R3 + R4 = 7.2K，因此放大倍数为 5
- X2导通时，反馈电阻为 R1 + R2 = 39.6K，输入电阻为 R3 + R4 = 3.6K，因此放大倍数为 11
- X3导通时，反馈电阻为 R1 + R2 + R3 = 41.4K，输入电阻为 R4 = 1.8K，因此放大倍数为 23

采样保持器

采样保持器在模拟量输入通道中发挥什么作用？
- 保证转换精度
是否所有模拟量输入都需要采样保持器？
- 并不是所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器，如被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D 转换的转换速度较低的话，可以不加采样保持器。只有因信号频率和采样时间导致的误差超过了设计容许值的时候才需要。
什么情况下必须使用采样保持器？
- AD转换频率低于模拟输入信号频率。
- 需要多路同时采样的情况下，如计算电源的瞬时功率。
选择采用保持器的保持电容需要考虑哪些因素？
- 选择漏电阻抗较大的电容
分析LF198芯片采样保持的工作原理。
- 当 LOGIC引脚的电压 > LOGIC_REF 引脚的电压时，LF198 芯片进入采样模式
- 当 LOGIC引脚的电压 < LOGIC_REF 引脚的电压时，LF198 芯片进入保持模式
分析孔径时间、信号频率和采样误差之间的关系。
- 误差与转换时间和信号频率成正比

采样、量化与编码

采样过程的信号变换有哪些？
- 连续模拟信号–>离散模拟信号
采样是由什么器件完成的？
- 采样器
理想采样的假设是什么？
- 采用理想的单位冲激脉冲序列作为采样脉冲
- 采用理想滤波器
什么是量化？
- 用一组数码来逼近模拟信号幅值。
量化是由什么器件完成的？
- AD转换器（ADC）
为什么量化会产生量化误差？
- 模拟信号的幅值无限可分
- 二进制数码的值是有限的
- 有限数组逼近无限可分值，归整过程必然产生误差
10位AD转换器的理论精度约为千分之一，是否采集任何频率的模拟信号都可以达到这样的精度？为什么？

采集需要尽量在接近最大量程的区域采样，采样电阻过大会影响电流本身的精度，因此不同频率的模拟信号不一定都能达到10位AD转换器的理论精度，选择合适的输入电压范围并提高AD位数才能达到最好的效果。
为什么要注重量化后的编码？

若需要量化的值没有负数时，可以直接使用原码，

若需要量化的值有正有负时，同一个数用不同的编码方式会得到不同的真值
计算机控制系统中流动的信号，从时间和幅值角度看，分为几种？各自的特点是什么？

分为两种：连续模拟量和离散模拟量，其特点如下：
- 连续模拟量
  - 时间上连续
  - 幅值上连续
- 离散模拟量
  - 时间上离散
  - 幅值上连续
采样后的编码方式由什么来确定？

由于采样后的信号仍然是模拟信号，不能直接输入计算机，因此需要先量化再编码，因此编码的方式由ADC产品厂商决定

模数转换器例题

如何进行地址分配？
- 计算机的 A9 ~ A0 地址线参与编码
- A0~A2 参与 ADC0809 的通道号编码
- A3~A5 参与 74HC138 的编码，由于 74HC138 只用到 Y6 和 Y7，因此 A5、A4 均为1， A3 可以为1 和 0 （0b111 为7，0x110 为 6）
- A6~A9 参与 74HC138 的使能，由于 74HC138 使能时，G1 为 1， G 2 a 、 G 2 b G_{2a}、G_{2b} G2a、G2b 均为 0，因此连接 G1 的 A9 为 1，连接 G 2 b G_{2b} G2b 的 A8 为 0，由于 A6 和 A7 通过一个或门连接 G 2 a G_{2a} G2a，因此 A6 和 A7 均为 0 的时候， G 2 a G_{2a} G2a 为 0
- 所以该电路的地址范围为 230H~23FH
计算机如何设置通道号，并产生通道锁存信号？
- 设置通道号
  - ADC0809 的 A、B、C 引脚为 ADC0809 的通道号设置引脚
  - 因此计算机通过与A、B、C 引脚相连的 A0、A1、A2 引脚设置通道号
- 产生锁存信号工作原理
  - ADC0809 的 ALE 引脚上升沿的时候锁存信号
- 产生锁存信号实际操作
  - 由于 ADC0809 的 ALE 引脚的信号是由 Y7 和 nIOW 通过一个或非门给出的
  - 因此 Y7 和 nIOW 引脚需要全为低电平的时候，ADC0809 的 ALE引脚才能获得上升沿信号，此时产生锁存信号
计算机如何启动转换？
- 工作原理
  - ADC0809 的 START 引脚下降沿的时候启动转换
- 实际操作
  - 由于 ADC0809 的 START 引脚的信号是由 Y7 和 nIOW 通过一个或非门给出的
  - 因此 Y7 和 nIOW 引脚存在一个引脚为高电平的时候，ADC0809 的 ALE引脚才能获得下降沿信号，此时产生锁存信号
计算机如何判断转换完成？
- 工作原理
  - ADC0809 的 EOC 引脚为高电平时转换完成
- 实际操作
  - ADC0809 的 EOC 引脚通过一个三态门与数据线 D7 连接起来
  - 当三态门的控制引脚为 0 时，EOC 引脚的电平状态才能导通到数据线 D7 中
  - 由于三态门的控制引脚信号由 Y6 和 nIOR 通过一个或门给出
  - 因此 Y6 和 nIOR 引脚全为 0 的时候，三态门的控制引脚为 0，EOC 引脚的电平状态导通到数据线 D7 中，被计算机读取到
计算机如何读取转换结果？
- 工作原理
  - 计算机读取转换结果时，先将 ADC0809 的 OE 引脚置为高电平
  - ADC0809 将转换结果输出到数据线
  - 计算机从数据线读取转换结果
  - 计算机读取完成后，将 ADC0809 的 OE 引脚置为低电平
- 实际操作
  - 由于 ADC0809 的 OE 引脚的信号是由 Y7 和 nIOR 通过一个或非门给出的
  - 读取结果前，需要先将 OE 引脚置为高电平，因此 nIOR 和 Y7 引脚需要全为 0
  - 此时计算机读取数据线数据
  - 读取完成后，需要将 OE 引脚置为低电平，因此 nIOR 和 Y7 引脚需要有一个引脚为 1

如何编程实现启动转换并读取转换结果？

U8 ADC0809_Finished(void) {}U8 ADC0809_StartChannel(U8 ch) {}void ADC0809_StartAll(U8 buffer[]) {}

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