1、信号接口技术,开关信号的接口技术,开关输入信号的电气隔离 在机电一体化系统中，机械开关信号一般为强电信号，需要把强电部分与弱电的微机系统在电气上隔离开来，最常用的是使用光电藕合。图425所示为开关量输入信号的光电隔离电路。R1、R2分别为限流电阻。,开关量信号的输入,欧姆龙可编程控制器的输入电路,开关信号的接口技术,开关信号的去抖处理 在机电一体化系统中，经常要使用按钮开关、搬钮开关、多位开 关、接触器、继电器等。它们常常是开关量的输入源。由于这类开关大都是机械开关，当开关触点闭合时，在达到稳定之前会产生短暂的抖动，弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。如图426所示。,开关信号的接口技术,开关信号的
2、去抖处理 微机对开关信号采样时，必须消除这种抖动，否则会造成错误采样。消除抖动的方法可从软件和硬件上着手。软件的方法是经过一段延时后再读入信号，若两个采样值不同、则继续采样，直到两个采样值相同，延迟时间应比抖动周期长。硬件的方法是在接口电路中加“防抖动电路，图中是由2个“与非”门组成的RS触发器，开关K在常开状态下输出为l，一旦开关K闭合、则在刚一闭合的瞬间，RS触发器翻转，输出为0，此时，虽然开关要抖动几次，但不会影响触发器的输出。,开关信号的接口技术,光电隔离技术 为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上隔离的方法。过去常用隔离变
3、压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。光电藕合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒介来传输信息的。其封装形式有管形、双列直插式、光导纤维连接等。发光器件一般为砷化嫁红外发光二极管。图428所示为几种主要光电耦合器类型。,开关信号的接口技术,光电耦合器具的特点：(1)信号采取光一电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路、绝缘电阻高达10101012欧姆，绝缘电压为1000一5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端与输入端之间可能产生的反馈和干扰。(2)由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰
4、能力强，共模抑制比高，不受磁场影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。(3)光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快(一般为几毫秒，甚至少10ns)，可以用于高速信号的传输。,开关量信号的输入,根据安全标准，系统的限位开关须接成常闭状态。当工作台的运动超过其物理有效行程将使限位开关打开。限位开关输入信号的有效电平可以通过主机命令进行选择。原点开关为常开状态。,开关量信号的输出,欧姆龙可编程控制器的晶体管输出电路,开关量信号的输出,开关信号输出的电气隔离,开关量信号的输出,开关信号输出的电气隔离 当被控设备远离单片机时，光电隔离接口电路设计如图430所示。该电路为电
5、流环发送和接受电路，可以极大地提高系统的抗干扰性能，最大传输距离可达900m，传输速率可达 50Kbs，但必须保证传输线中环路连线电阻30欧姆，当该阻值过大时，l00欧姆的限流电阻相应减小。,开关量信号的输出,开关信号输出的驱动电路,开关量信号的输出,开关信号输出的驱动电路,开关量信号的输出,单片机输出通道接口方式,开关量信号的输出,单片机模拟输出接口方式,信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。,一、 信号调理的目的,信号调理,二、 信号放大,信号调理,2 分类,放大器,直流放大器,交流放大器,电荷放大器,时间域 频率域 幅度增大 低频保留,高频截止幅度增大 高频保留,低频截止电荷增大Z V
6、,1 目的,电桥,2 直流放大电路,1) 反相放大器,信号放大电路,反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:,2)同相放大器,信号放大电路,同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。,同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为:,3 交流放大电路,信号放大电路,若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。,R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。,
7、4 电荷放大器,信号放大电路,5 电桥,信号放大电路,1）直流电桥平衡条件,信号放大电路,2）交流电桥平衡条件,信号放大电路,应变片的粘贴,三、 信号的滤波,信号抗干扰措施,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分,1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,低通,高通,带通,带阻,实验,三、 信号的滤波,信号抗干扰措施,5 RC无源滤波器,在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。,1) 一阶RC低通滤波器,信号抗干扰措施 滤波,2) 一阶RC高通滤波器,3)
8、RC带通滤波器,信号抗干扰措施 滤波,屏蔽是模拟传输中抑制干扰的重要手段，屏蔽的意义既包含了屏蔽干扰源，又包含了屏蔽接收体。屏蔽设施的实现，可以利用铜或铝等低阻材料或者用磁性材料做成的容器将需要屏蔽的部分包起来，以防电或磁的相互感应。1屏蔽的分类 屏蔽这种方法对防止以“场”形式耦合的干扰是十分有效的，因此根据场的性质不同，屏蔽可分为电场屏蔽及电磁场屏蔽。(1)电场屏蔽：由静电学知道，处于静电平衡状态下的导体内部各点都是等电位的，即导体内部无电力线。利用金属导体的这一性质，加上接地措施，则静电场的电力线就在接地的金属导体处中断，起到隔离电场的作用，需要强调的是静电屏蔽罩必须接地。,信号抗干扰措施
9、 屏蔽,(2)电磁场屏蔽：电磁场屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频电磁场对屏蔽金属的作用，在屏蔽金属表面产生电涡流，由电涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响、从而达到屏蔽的效果。一般所谓的屏蔽多数是指电磁屏蔽，电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，对于低频磁场干扰的屏蔽效果是非常小的。基于电涡流反磁场作用的电磁屏蔽从原理上讲与屏蔽体是否接地无关，但在一般应用中屏蔽体都是接他的，目的是让屏蔽体兼作静电屏蔽之用。考虑到高频集肤效应，电涡流仅流过屏蔽层的表面一层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度就可以了，当必须在屏蔽层上开孔与槽时要注意孔、槽的位置和方向，应尽量不影响电涡流的形成途径
10、，以免影响屏蔽效果。电磁屏蔽对于低频磁通干扰的屏蔽效果是比较差的，因此在低频磁通干扰时，要采用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体的内部防止其干扰作用。为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时要有一定的厚度，以减少磁阻。由铁氧体压制成的罐状磁芯可作为磁屏蔽使用，并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用。为了提高屏蔽效果，可采用多层屏蔽。第一层用低导磁率的铁磁材料，使场强降低，第二层用高导磁铁磁材料，以充分发挥其屏蔽作用。,信号抗干扰措施 屏蔽,光藕合器抗干扰 使用光藕合器切断地环路电流干扰是十分有效的。其原理图见图344。由
11、于两个电路之间采用光束来藕合，所以能将两个电路的地电位完全隔离，这样两电路的地电位即使不同也不会造成干扰，这对数字电路尤为重要。,信号抗干扰措施 光藕,一、 模数(A/D)和数模(D/A),信号处理技术,1、A/D转换,1) A/D转换过程,采样利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x(nTs)的过程,编码将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。,2) A/D转换器的技术指标,模数(A/D)和数模(D/A),(1) 分辨率;用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。 (2) 转换精度
12、;转换精度=量程/(AD转换器的分辨力*0.5) (3) 转换速度;指完成一次转换所用的时间，如:100ms(10Hz)；10us(100kHz) (4) 模拟信号的输入范围;如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。,2、D/A转换过程和原理,模数(A/D)和数模(D/A),1) D/A转换过程,D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。,A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：,模数(A/D)和数模(D/A),二、 采样保持,信号采样,采样保持是利用切断电容器的输入后，电容器能保持其原有电压值的原理实现的(图333)。采样保持动作由两种模式构成；一种是采样模式，即采样保持的
13、输出跟踪输入值；另一种是保持模式，即保持输出值。,二、 采样保持,信号采样,在采样模式中，从保持模式移到采样模式的瞬间，输入值和输出值不一样，需经过一段时间，两值才能达到一致，这就是滞后现象，如图334所示，图中Ts表示开关滞后，TA表示稳定时间。进入跟踪状态后，一转换到保持模式、这时的输入值便被保持，这种场合伴有各种误差。,二、 采样定理,信号处理技术,1 采样信号的频谱,采样过程是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相乘来,2.频混现象,采样定理,频域解释,3.采样定理,采样定理,为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本
14、法则，称为采样定理。,fs2fmax,需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，只能保证对信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号xs(t)，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。,模数(A/D) 转换器选用举例,采集一个频率为20KHz的信号，要求要分辨到2mV电压，信号电压的输入范围是0-5V，试根据下表确定A/D转换器的型号,模数(A/D) 转换器选用举例,信号电压的输入范围是0-5V： ADC0809、AD574A、AD 679均可 信号频率为20KHz，周期为50s：
15、 根据采样定理AD574A、AD 679均可 最小分辨电压ADC0809：5/28=19.5mVAD574A：10/212=2.44mVAD 679：10/214=0.61mV 应该选AD 679,数据采集系统的构成,信号数字化处理的基本步骤,数据采集系统的构成,数据采集系统的构成,各部分主要功能,传感器：将非电量转换成电信号输出。 放大电路：将传感器输出的微弱信号放大到A/D转换器 所能接收的幅度。 采样保持器：保证A/D转换过程中信号的稳定。 A/D转换器：将模拟量转换成数子量。 单片机：进行数据采集。 电平转换电路：将TTL电平转换成RS232C电平。 计算机：接收数据并进行处理。,8位
16、模数(A/D) 转换器ADC0809,模数转换器与单片机的接口,模数转换器与单片机的接口,模数转换器与单片机接口的编程,查询方式,模数转换器与单片机接口的编程,定时采样方式 向AD发出启动脉冲信号后，先进行软件延时延时时间取决于转换时间(例如0809为100um)，延时结束后直接从AD口读入转换结果。因此这种方式比查询方式转换速度更慢，故应用较少。中断方式 在前两种方式中，AD采样过程中都要占用CPU大量的工作时间、降低厂CPU的工作效率。在实时性要求高，控制口较多的情况下须采用中断方式。在这种采样方式中，当启动A D转换后，CPU可处理其它事务，当AD转换结束时，由AD芯片向CPU发出AD转
17、换结束的中断申请，CPU响应中断后，便进入中断服务程序，执行“读AD转换结果”的操作。这样，CPU和AD芯片在时间上是并行工作的，所以提高了CPU的工作效率。,模数转换器与单片机接口的编程,A/D转换采样方式,单片机与计算机的通讯,同步通讯,异步通讯,单片机与计算机的通讯,RS-232-C标准RS-232-C是美国电子工业协会(EIA)在1969年公布助数据通信标淮。RS是推荐标准(Relommended stardard)的英文缩写，232C是标准号。RS-232-C标推在引线连接上采用24针D型插座，其中有20个引脚对应串行通信使用的信号，在微机通信中最常用的是其中9个通信信号，这也就是有
18、的串行接口板上采用9针插座的原因。,单片机与计算机的通讯,RS-232-C标准在没有调制解调器的连接中，最简单的连接形式就是只使用上述3条线。其中TxD与RxD交错连接，GND与GND相连。,单片机与计算机的通讯,RS-232-C标准 MODEM控制信号由于计算机经RS-232-C接口输出的是电压信号，不能直接连接到用于较长距离传输数据信号的电话线上，此时需要在计算机和电话网之间连人调制解调器(MODEM)。MODEM能把代表逻辑“l”电平和逻辑“0”电平的电压信号调制成频率信号。表6l中除去三个基本的数据传送信号之外，其余6个信号均为MODEM控制信号。这6个信号分为以下两组：,单片机与计算
19、机的通讯,RS-232-C标准RS-232-C电平 (1)逻辑“0”：在十5V一十15V之间；（0V） (2)逻辑“1”：在一5V一一15V之间。 （5V） 2。传送速率：一9600波特。 3传输距离 如果无MODEM，传输导线长度限制在50m内,单片机与计算机的通讯,RS-232-C标准RS-232-C是美国电子工业协会(EIA)在1969年公布助数据通信标淮。RS是推荐标准(Relommended stardard)的英文缩写，232C是标准号。RS-232-C标推在引线连接上采用24针D型插座，其中有20个引脚对应串行通信使用的信号，在微机通信中最常用的是其中9个通信信号，这也就是有的串
20、行接口板上采用9针插座的原因。,单片机与计算机的通讯,RS-232-C标准RS-232-C是美国电子工业协会(EIA)在1969年公布助数据通信标淮。RS是推荐标准(Relommended stardard)的英文缩写，232C是标准号。RS-232-C标推在引线连接上采用24针D型插座，其中有20个引脚对应串行通信使用的信号，在微机通信中最常用的是其中9个通信信号，这也就是有的串行接口板上采用9针插座的原因。,单片机与计算机的接口,数据采集系统的构成,非线性信号的软件处理方法,查表法：是一种分段线性差值法，它是根据精度要求对非线性曲线进行分段，用若干段折线逼近曲线，将折点坐标存入数据表中，测量时首先要明确对应输入段的斜率进行线性插值，即得输出值。工作量大，占用内存多，但是适合于单片机的数据处理。曲线拟合法：这种方法是采用n次多项式来逼近非线性曲线，该多项式的各个系数由最小二乘法确定。该方法简单、使用，适合于计算机的数据处理。,
