微机控制技术
第二章输入/输出接口技术
本章主要内容
1、基本概念
2、模拟量输出通道
3、模拟量输入通道
4、开关量输入输出接口
5、I/O通道抗干扰技术
基本概念
输入输出通道
信号的采样
采样定理
量化及量化误差
问题:连续信号离散信号?误差?
I/O通道:计算机和生产过程之间的信息传送和转换的连接通道
输入通道:将被控对象的信号提供给计算机的通道
输出通道:计算机的控制信号作用于被控对象的通道。
I/O通道分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。
基本概念
1、信号的采样过程
对于一个连续的信号首先通过采样开关,按预定的时间间隔取连续变化信号的瞬间值,形成一系列等间隔的离散信号,再经过A/D转换器将离散信号进行量化处理,转换为时间上和幅值上都离散的数字信号。
计算机控制系统采用离散的采样数据进行处理,模拟控制系统采用连续信号进行控制。计算机控制系统也称为离散系统,或采样数据系统。
计算机控制中采样形式有:
(1)周期采样即采样间隔为常数tk-tk-1=T(k=0,1,2,…)T称为采样周期
(2)多阶采样 tk-tk-r=常数(r>1)
(3)随机采样即没有固定的采样周期,根据需要选择采样时刻
应用最多的是周期采样。
。
其中f(t)是连续函数,s(t)为开关函数,f*(t)为采样函数,即f(t)在时间上离散以后的值。
设两次开关闭合的间隔时间为T,开关闭合的时间为τ, s(t)可用一系列宽度为τ的矩形脉冲之和来表示。在采样系统中,一般将T称为采样周期,τ称为采样时间。
()
由于脉冲宽度τ一般远小于采样周期T,即τ/T→0,可用单位脉冲函数δ(t)来替代开关脉冲,用单位脉冲序列δT(t)替代开关函数s(t)。
单位脉冲是一种理想脉冲,幅值无穷大,宽度无穷小,面积(单位脉冲冲量)为1。单位脉冲序列可表示为:
()
式中n=0,±1,±2,…,±∞;T为采样周期。
用脉冲函数代替采样函数,采样过程用公式可表示为:
()
由单位脉冲函数的性质则有:
在实际应用中,物理上可实现的时间函数f(t)当时间为负值时无意义,故式()可简为:
()
()
2、采样定理
采样后的信号跟采样周期T的合理选取密切相关,合理地选取采样周期T是能否再现f(t)的关键。 T过大会造成信息的丢失,T过小带来过多的数据存储和计算,加重计算机的负担。
香农定理(Shannon)证明,对一个具有有限频谱的连续函数(频带为)进行采样,仅当采样频率时,采样函数能不失真地恢复到原函数。其中为输入信号所含的最高频率。
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