畢業(yè)設計---csy2000系列傳感器與檢測技術實驗臺

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺是***在多年傳感技術教學實驗的基礎上，為適應不同類別、不同層次的專業(yè)需要，最新推出的模塊化的新產(chǎn)品，能進行五十多個實驗有微機接口，可進行數(shù)據(jù)連機處理和波形處理等。</p><p>　　在對實驗儀器整體構造和單元電路深入分析的基礎上，設計了電源聲控報警電路和將

2、模擬壓力表轉換成數(shù)字壓力表，在了解熱電阻測溫實驗基礎上，進而完成溫度閉環(huán)控制實驗，豐富了傳感器課程的實驗內(nèi)容，使傳感器系統(tǒng)實驗儀功能升級，滿足了傳感器課程的實驗要求。</p><p>　　關鍵詞：傳感器、熱電阻、溫度閉環(huán)控制。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The CSY2000 series sen

3、sor and the examination technology laboratory bench is the Zhejiang University many years production technology teaching experiment。In the installment foundation, for the adaption different category, the different level

4、 specialized need, the newest promoted modular new product, can carry on more than 50 experiments to have the microcomputer connection, may carry on data on-line processing and profile processing and so on.</p>

5、<p>　　In to tests the meter overall structure and in the unit electric circuit thorough analysis foundation, has designed the power source voice control alarm circuit and simulates the pressure gauge to transfor

6、m the digital pressure gauge, understood the thermo-element measured in the warm experimental foundation, completes the temperature closed-loop control experiment, has enriched the sensor curriculum experimental conte

7、nt, made the sensor system experiment meter function to promote, has sa</p><p>　　Key word: Sensor、 Thermo-element、Temperature closed-loop contral。</p><p><b>　　目錄</b></p><

8、;p>　　中文摘要………………………………………………………………………………… 1</p><p>　　英文摘要………………………………………………………………………………… .2</p><p>　　目錄………………………………………………………………………………………. 3</p><p>　　第一章 序論…………………………………………………………

9、…………………. 4</p><p>　　1.1 概述………………………………………………………………………………… .4</p><p>　　1.2 設計的主要任務及技術參數(shù)………………………………………………………. 4</p><p>　　1.3 傳感器技術的歷史發(fā)展概況………………………………………………………. 4</p><p>

10、　　1.4 CSY-2000 傳感器系統(tǒng)實驗臺所使用的傳感器簡介……………………………… 7</p><p>　　1.5 有關實驗臺的改進………………………………………………………………… .8</p><p>　　1.6 熱電阻測溫性能實驗……………………………………………………………… 9</p><p>　　第二章 溫度調(diào)節(jié)控制實驗的方案設計……………………

11、……………………………11</p><p>　　2.1溫度調(diào)節(jié)控制實驗………………………………………………………………… 11</p><p>　　2.2方案設計…………………………………………………………………………… .11</p><p>　　2.3方案論證及確定…………………………………………………………………… .11</p><p&

12、gt;　　第三章控制算法………………………………………………………………………… 14</p><p>　　3.1控制算法的確定……………………………………………………………………. 14</p><p>　　3.2 PID控制算法論證…………………………………………………………………. 14</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件 ……………………………………………

13、………………………… 17</p><p>　　4.1 溫度傳感器AD590…………………………………………………………………. 17</p><p>　　4.2 熱電阻Pt100介紹……………………………………………………………… 19</p><p>　　4.3 AD574A接口電路…………………………………………………………………… 20</p>

14、<p>　　4.4 AT89C51單片機管腳及內(nèi)部結構.………………………………………………… 26</p><p>　　4.5 顯示器接口芯片…………………………………………………………………… 32</p><p>　　第五章 軟件設計……………………………………………………………………… 36</p><p>　　5.1 主程序部分………………

15、………………………………………………………… 36</p><p>　　5.2 T0中斷服務子程序………………………………………………………………….36</p><p>　　5.3 INT0 中斷服務子程序部分……………………………………………………… 42</p><p>　　5.4 顯示處理程序……………………………………………………………………… 43&l

16、t;/p><p>　　參考文獻………………………………………………………………………………… 44</p><p>　　結束語…………………………………………………………………………………… 45</p><p>　　附錄……………………………………………………………………………………… 46</p><p>　　第一章 緒論</p

17、><p><b>　　1.1 概述 </b></p><p>　　CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺是浙江大學多年生產(chǎn)傳感技術教學實驗裝置的基礎上，為適應不同類別、不同層次的專業(yè)需要，最新推出的模塊化的新產(chǎn)品，能進行五十多個實驗有微機接口，可進行數(shù)據(jù)連機處理和波形處理等。但是，CSY2000系列實驗臺同樣也有一些疏漏，針對這些漏洞進行了補充，進而設計了一個溫度閉環(huán)控

18、制系統(tǒng)實驗。</p><p>　　1.2 設計的主要任務及技術參數(shù)</p><p>　　主要任務： 設計一個電源的聲控報警電路、將模擬電壓表轉換成數(shù)字電壓表及設計一個溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。要求對硬件電路進行詳細設計，每一部分電路都應有相應的說明。</p><p>　　軟件部分要求有主程序、子程序和它們的流程圖。</p><p>　　主要技術指標

19、： 溫度范圍：0~100℃</p><p><b>　　測量精度：±1℃</b></p><p>　　1.3 傳感器技術的歷史發(fā)展概況</p><p>　　為測量的目的，能感受到的某一物理量輸出的裝置叫傳感器。關于傳感器設計、制造和應用的技術稱為傳感器技術。</p><p><b>　　一 發(fā)展過程

20、：</b></p><p>　　1938年出現(xiàn)氯化鋰濕度傳感器；40年代熱敏電阻問世，并很快應用于熱工儀表；50年代出現(xiàn)了光傳感器；60年代隨著半導體和集成電路技術的開發(fā)，傳感器已應用到機器人；70年代開發(fā)了大規(guī)模集成電路和微處理機技術，傳感器得到飛速發(fā)展；80年代傳感器被譽為"最有時代性的大量生產(chǎn)的商品"；90年代傳感器已進入高技術軌道。到現(xiàn)在，傳感器的概念比以前已大大拓寬，早已

21、深入到各個領域中，成為一門新興的跨學科的傳感器工程學。</p><p><b>　　二 技術發(fā)展途徑：</b></p><p>　　在原有材料中發(fā)現(xiàn)新的效應、新的現(xiàn)象或新的反應等，這些新的發(fā)現(xiàn)有可能作為傳感器技術基礎原理，并使之應用；</p><p>　　由于開發(fā)出新材料，而使原有的某些反應或現(xiàn)象作為傳感器技術基礎原理，并使之應用。</p

22、><p>　　由于新的材料而發(fā)現(xiàn)新的效應、新的現(xiàn)象或新的反應等，這些新的發(fā)現(xiàn)有可能作為傳感器技術基礎原理，并使之應用。</p><p>　　三 現(xiàn)有的水平及趨勢：</p><p>　　美國是發(fā)展敏感元件及傳感器技術最早的國家之一，現(xiàn)已有約1300家生產(chǎn)與開發(fā)敏感元件及傳感器的廠家（公司），100多個研究所和院校。每個公司職員人數(shù)平均在500人以上，其中從事傳感器技術的研

23、究人員占該行業(yè)總人數(shù)的1／4，約為21200人。</p><p>　　美國敏感元件及傳感器產(chǎn)業(yè)的組織結構，大體分為3種模式：以大學為核心的組織結構；以企業(yè)為骨干的組織結構；政府、企業(yè)和院校聯(lián)合的組織結構。</p><p>　　目前，美國敏感元件與傳感器的種類、規(guī)格、品種約為17000余種。近年來，力敏、熱敏、磁敏、濕敏、氣敏傳感器是美國的主導性產(chǎn)品，在傳感器行業(yè)中起支配作用。其中檢測壓力、

24、速度、加速度、位置、位移、溫度的傳感器最多，這和美國努力發(fā)展工業(yè)自動化控制系統(tǒng)、航空航天、汽車、國防、醫(yī)療儀器有關。</p><p><b>　　壓力傳感器</b></p><p>　　近幾年來，美國壓阻式壓力傳感器發(fā)展很快，已經(jīng)歷了3代產(chǎn)品。第一代是以美國霍尼韋爾公司411系列為代表的產(chǎn)品；第二代是該公司的可編程控制器（PC）系列壓力傳感器；ST-3000系列壓力傳

25、感器為其第三代產(chǎn)品，它被譽為劃時代高技術產(chǎn)品。產(chǎn)品分為兩大類：壓力傳感器和差壓傳感器（變送器）。其性能為：量程比400:1，精度±0.1%FS，溫度漂移±0.35%,55℃，輸出范圍4～20mA。</p><p>　　目前，美國電容壓力傳感器精度已達到0.05％。這類傳感器以美國羅斯蒙特公司、塞特拉系統(tǒng)公司的水平為高。</p><p><b>　　溫度傳感器&

26、lt;/b></p><p>　　目前，美國YSI公司生產(chǎn)的熱敏電阻器在溫度為0～80℃時，互換公差為士0.05℃；40～125℃時為士0.1℃。該產(chǎn)品具有高互換性、高穩(wěn)定性等特點。</p><p><b>　　濕度傳感器</b></p><p>　　美國是研究生產(chǎn)濕度傳感器的主要國家。美國共有171個廠家生產(chǎn)濕度傳感器與敏感元件。例如P

27、anamtrics公司生產(chǎn)的用于軍事裝置中的氧化鋁薄膜濕度傳感器，可檢測－110℃～＋60℃露點的寬廣溫度范圍。</p><p>　　近幾年，濕度敏感元件及傳感器每年都以15％的速率增長，80年代已進入民用市場，占市場的25％左右。</p><p><b>　　氣體傳感器</b></p><p>　　氣體傳感器是化學傳感器最活躍的一支。美國約有

28、520多個生產(chǎn)氣體傳感器的廠家。其中以生產(chǎn)檢測二氧化碳、一氧化碳、碳氫化合氣體、二氧化硫等氣體傳感器的廠家為最多。目前半導體氣體傳感器產(chǎn)量最大，其中以二氧化錫（SnO2）為材料的氣體傳感器最為實用，已經(jīng)商品化。</p><p><b>　　磁敏傳感器</b></p><p>　　美國在磁敏元件及傳感器研制和生產(chǎn)中居世界領先地位。美國貝爾公司生產(chǎn)的霍爾元件線性好、工作度

29、范圍寬，可工作到－269℃。近年來，隨著半導體工藝的發(fā)展，霍爾器件性能有較大的提高，已經(jīng)發(fā)展到薄膜化和集成化階段。</p><p>　　美國貝爾實驗室、IMB公司等現(xiàn)已從事強磁性金屬薄膜電阻器件的生產(chǎn)，并把它用于磁頭上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的坡莫合金和線圈磁頭，確保音像設備的高保真度。</p><p>　　美國十分注重基礎技術研究，開發(fā)出很多新技術，如由美國凱氏大學近幾年開發(fā)的新技術：自動停止腐蝕技術、

30、直接鍵合技術、犧牲層技術、多晶硅制備技術、有機薄膜制備技術、金屬氧化物薄膜制備技術、L-B膜制備技術等，它改變了過去控制腐蝕速度和腐蝕時間的做法，由事先設定好要求腐蝕的膜片的深度，采用電化學法進行腐蝕。腐蝕的進行由1臺計算機控制。硅片腐蝕厚度可達微米級，且腐蝕均勻，成品率可達90％以上。</p><p>　　國外傳感器技術的發(fā)展趨勢：</p><p>　　1 大力發(fā)展和應用半導體、高分子、

31、陶瓷、光纖和生物膜等新型功能材料；</p><p>　　2 采用微電子技術和微機械加工技術，實現(xiàn)敏感元件和傳感器的微型化、集成化和一體化；</p><p>　　3 采用數(shù)字技術和計算機技術，實現(xiàn)傳感器的數(shù)字化、智能化和多功能化；</p><p>　　4 在傳統(tǒng)的結構型傳感器基礎上采用高新技術成果，發(fā)展新型、復合型傳感器；</p><p>　　

32、5 不斷拓展應用領域，大力發(fā)展各具特色的新產(chǎn)品。</p><p>　　當今傳感器的明顯發(fā)展趨勢是從傳統(tǒng)的傳感器設計和應用轉向以微機械加工技術為基礎的微傳感器和智能化傳</p><p>　　新型半導體傳感元件的出現(xiàn)率先為設計新型傳感器開辟了全新的途徑，已經(jīng)獲得廣泛應用的擴散硅壓力（差壓）傳感器是這種小型集成化的典型。硅具有良好的機械性能和壓電電阻效應，硬度大，受力不發(fā)生滯后或蠕變，穩(wěn)定性、重

33、復性好。它可以利用半導體工藝的離子注入，各向同性或異性地刻蝕，有選擇性地摻雜，也適用微細加工工藝、硅熔接工藝等方便地進行精細加工，做出形狀復雜的零件。硅傳感器的信號處理與檢測元件可以實現(xiàn)整體集成。 </p><p>　　硅微傳感器和微電子系統(tǒng)以及微執(zhí)行器很可能全部制造在一個芯片上形成單片集成，構成一個閉環(huán)工作系統(tǒng)，這一目標的實現(xiàn)和應用，不僅是傳感技術概念的擴展和引伸，還會在工業(yè)過程控制、航空航天領域、生物醫(yī)學和健

34、康保健方面，以及未來的新興技術領域發(fā)揮巨大作用。</p><p><b>　　智能化：</b></p><p>　　單片機的出現(xiàn)進一步促進了檢測轉換技術與信號處理的結合。傳統(tǒng)的對檢測變換單一信號處理，可擴展到同時對被測對象內(nèi)部狀態(tài)信號和環(huán)境狀態(tài)信號進行多信號處理，在將來，新一代的傳感器都將由一個結構敏感元件和一個表面功能器件復合構成。在傳感器設計中所應用的信號處理新方

35、法，如信號相關、多路輸入信號比較、數(shù)字濾波、采用處理等，現(xiàn)已普遍采用微機數(shù)字化技術來實現(xiàn)，這樣不僅使測量功能多樣化，還將帶有不同測量功能的電路成為緊湊的整體，從而提高檢測性能，采用單片機通過軟件開發(fā)使之具有智能的傳感器，應該是能適應被測參數(shù)的變化來自動補償、自動校正、自選量程、自尋故障、配有數(shù)字輸出，實現(xiàn)雙向通信，并具有較強的環(huán)境適應性。</p><p><b>　　微型化：</b><

36、/p><p>　　各類傳感器的發(fā)展，在尺寸上都經(jīng)歷不斷縮小的過程。向納米尺度深入已成為各類傳感器的共同目標，發(fā)展過程是：</p><p>　　物理傳感器→集成傳感器→納米傳感器。</p><p>　　化學傳感器→微型傳感器→分子傳感器。</p><p>　　生物傳感器→微型傳感器→受體傳感器。</p><p>　?。ㄗⅲ悍?/p>

37、子傳感器和受體傳感器都是納米傳感器。）</p><p>　　微傳感器及其工藝是80年代中期國際上崛起的一項非常值得重視的高新技術，經(jīng)過10余年的功夫，一代嶄新的微傳感器已經(jīng)</p><p>　　為實現(xiàn)數(shù)字測量和控制系統(tǒng)兩者的綜合，第二代的智能式傳感器必然要全數(shù)字化。它的優(yōu)點是能夠消除許多由模擬電路有關的誤差來源，不再使用A/D和D/A轉換器，提高測量準確度。全數(shù)字式傳感器主要采用諧振原理，

38、通過諧振頻率或頻率分布與某種測量參數(shù)特殊性關聯(lián)起來，直接提供數(shù)字輸出。這種結構簡單無活動部件的傳感器首先要解決穩(wěn)定而高性能的材料元件，再要應用數(shù)學模型技術來充分了解測量結構的振動模式，應用先進的實時信號處理技術來進行多頻相位和振幅分析，同時改進溫度補償技術以取得較高靈敏度和可靠性。</p><p><b>　　陣列化：</b></p><p>　　在多種新技術發(fā)展中，

39、常需要陣列化傳感器裝置。同類型微傳感器的陣列化，可通過余度技術來提高測量的可靠性，通過多數(shù)的邏輯平均值（排除個別明顯的差異值）來提高測量結果的穩(wěn)定性。最終得到穩(wěn)定可靠的測量結果。所以，利用同類傳感器陣列，可使原本用單一傳感器測量的不甚可靠的功能裝置成為可靠的功能裝置。不同類型的微傳感器組成陣列，目的不是為了測量，而是為了獲得一個功能優(yōu)良的控制單元。</p><p>　　主要國家及研究機構：</p>

40、<p>　　美國的有霍尼威爾公司（全美從事傳感器技術研究最大的中心、包括它的固態(tài)電子學開發(fā)中心和生產(chǎn)中心）、IC公司、TI公司、 ENDEVCO公司、Kulit公司、斯倫貝格工業(yè)公司航空航天傳感器分公司等。英國的Bell&Howell公司、Solartron公司、LandPyrometers公司、Druck公司、Sangamo公司。德國的西門子公司、荷蘭的飛利蒲公司、丹麥的B&K公司。日本的NEC、東芝、松下、

41、富士通、三菱公司、日本橫河電機株式會社等。</p><p>　　1.4 CSY-2000傳感器系統(tǒng)實驗臺所使用的傳感器簡介</p><p>　　CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺是多年生產(chǎn)傳感技術教學實驗裝置的基礎上，為適應不同類別、不同層次的專業(yè)需要，最新推出的模塊化的新產(chǎn)品。</p><p>　　本實驗臺主要用于各大、中專院校及職業(yè)院校開設的"

42、傳感器原理與技術""自動化檢測技術""非電量電測技術""工業(yè)自動化儀表與控制""機械量電測"等課程的實驗教學。實驗臺普通型包含主控箱，實驗桌，十個模板、十五個傳感器，根據(jù)需要還可提供7種傳感器合模板，能進行五十多個實驗。</p><p>　　其優(yōu)點在于： 模塊化結構能適應不同專業(yè)的需要，不同專業(yè)可以有不同的菜單，模塊可以不斷

43、增加，本公司還可以為用戶的特殊要求制作模板。一個模塊對應一類傳感器，便于進行實驗，獲得更好的實驗效果。提供可比較完整的多種信號源，除原有的交、直流源，激勵源，振動臺外，新增了氣壓源，溫度源，回轉源。溫度源控溫精度可達±0.2℃，可用于標定與科研。 大部分傳感器實現(xiàn)了定性到定量的提升。利用本實驗臺含有的計算機接口及相關軟件更有利于進行數(shù)據(jù)分析，比較貼金工業(yè)實際測量。 利用主控臺的共用源，指導教師和學生自己可以開發(fā)與組織新實驗并用

44、于學生課程設計、畢業(yè)設計和自制裝置。</p><p>　　實驗臺組成： CSY2000系列傳感器與檢測技術實驗臺由主控臺、三源板(溫度源、轉動源、振動源)、15個傳感器和相應的實驗模板、數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件、實驗臺桌六部分組成。 主控臺部分，提供高穩(wěn)定的±15V、＋5V、±2V－±10V可調(diào)、＋2V－＋24V可調(diào)四種直流穩(wěn)壓電源；主控臺面板上還裝有電壓、頻率、轉速的3位半數(shù)顯表。

45、音頻信號源（音頻振蕩器）0.4KHz~10KHz（可調(diào)）；低頻信號源（低頻振蕩器）1Hz~30Hz(可調(diào))；氣壓源0－15kpa可調(diào)；高精度溫度控制儀表（控制精度±0.5℃），RS232計算機串行接口；流量計。三源板：裝有振動臺1HZ－30HZ（可調(diào)）；旋轉源0－2400轉／分（可調(diào)）；加熱源＜200℃（可調(diào)）。傳感器：基本型傳感器包括：電阻應變式傳感器、擴散硅壓力傳感器、差動變壓器、電容式傳感器、霍爾式位移傳感器、霍爾式轉速

46、傳感器、磁電轉速傳感器、壓電式傳感器、電渦流位移傳感器、光纖位移傳感器、光電轉速傳感器、集成溫度傳感器、K型熱電偶、E型熱電偶、Pt100鉑電阻、濕敏傳感器、氣敏傳感器共十七種。<p><p>增強型部分：可增加PSD位置傳感器、扭矩傳感器、超聲位</p><p>　　1.5 有關實驗臺的改進</p><p>　　一、在電源設備上加設一個聲控報警裝置，以防電壓過高損壞實

47、驗臺。本人選擇蜂鳴器報警電路，簡單實用。</p><p>　　二、將模擬電壓表轉換成數(shù)字電壓表。使用AD574A即可。 </p><p>　　1.6 熱電阻測溫性能實驗</p><p>　　一、實驗目的： 了解熱電阻測量溫度的性能與應用范圍。</p><p>　　二、基本原理： 利用導體電阻隨溫度變化的特性，熱點阻用于測量時，要求其材<

48、/p><p>　　料電阻溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性好，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關系。</p><p>　　常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在0～100℃以內(nèi)，電阻Rt與溫度t的關系為：</p><p>　　Rt=R0(1+A+B^2)</p><p>　　R0系溫度為0時的電阻。本實驗R0=100℃，A=3.9684*10-2/℃，B=-5.847*

49、10^(-7)/ ℃,鉑電阻為三線連接，其中一端接二根引線主要為消除引線電阻對測量的影響。</p><p>　　需用器件與單元：熱電偶K型、Pt100熱電阻、加熱源、溫度控制單元、溫 </p><p>　　度傳感器實驗摸板、數(shù)顯單元、萬用表。</p><p><b>　　實驗步驟：</b></p><p>　　注意

50、：首先根據(jù)實驗臺型號，仔細閱讀“溫控儀表操作說明”，學會基本參數(shù)設定。</p><p>　　將熱電偶插入臺面三源板加熱源的一個傳感器安置孔中。將K型熱電偶自由端引線插入主控面板上的熱電偶Ek插孔上，紅線為正極，注意熱電偶護套中已安置了二支熱電偶K行和E行，它們的熱電勢值不同，從熱電偶分度表中可以判斷。</p><p>　　將加熱器的220V電源插頭插入主控箱面板上的220V控制電源板上。&

51、lt;/p><p>　　將主控箱的風扇源與三源板的冷卻風扇對應相連，電機轉速電壓旋至最大。</p><p>　　將Pt100鉑電阻三根線引入“Rt”輸入的a、b上：用萬用表歐姆擋測出Pt100三根線中其中短接的二根線接b端。</p><p>　　在端點a與地之間加直流源2V，合上主控箱電源開關，調(diào)Rw1使電橋平衡，即橋路輸出端b和中心活動點之間在室溫下輸出為零。<

52、/p><p>　　加±15V模塊電源，調(diào)Rw3使V02=0，接上數(shù)顯單元，撥2V電壓顯示擋，使數(shù)顯為0。</p><p>　　設定溫度值為50℃，將Pt100探頭插入加熱源另一個插孔中，開啟加熱開關，待溫度控制在50℃時記錄下讀數(shù)值，重新設定溫度值為50℃+n·△t，建議△t=5℃，n=1……10,每隔1n讀出數(shù)顯表輸出電壓與溫度值。</p><p>

53、;　　溫度調(diào)節(jié)控制實驗的方案設計</p><p>　　2.1 溫度調(diào)節(jié)實驗</p><p>　　實驗目的：掌握溫度調(diào)節(jié)原理及控制方式和相關軟件的開發(fā)，本實驗為開放型實驗。</p><p>　　實驗部件：溫度儀表，K型熱電偶，數(shù)據(jù)采集板及相關軟件 (自備)</p><p><b>　　實驗步驟：</b></p>

54、<p>　　如圖組成溫度測控系統(tǒng)。</p><p>　　“溫度部分”的控制方式開關置于“外”位，打開溫度控制開關，此時實驗臺上的“溫度儀表”僅作為溫度顯示及變送器使用，控制調(diào)節(jié)功能不起作用。</p><p>　　桌面三源板上加熱器插頭插入面板上的加熱器插座，并在加熱孔中插入K型標準熱電偶，并接入面板“傳感器輸入” 插孔。</p><p>　　信號輸出端

55、(V0)，引出標準溫度信號至外部數(shù)據(jù)采集板相應的Ai接口，對應關系為：0-200℃/0-5V，編制有關控制軟件。</p><p>　　外部調(diào)節(jié)輸出控制信號(0-5V)接入“控制輸入”端(Vi)， 經(jīng)內(nèi)部電壓功率轉換器，實現(xiàn)對加熱器的功率控制，控制關系為：0-5/0-100%(p)。</p><p>　　控制過程中，如感到過度過程較長，可對加熱器進行強行冷卻，將面板上電機調(diào)速旋轉置瞬時針最大

56、，從“2-24V”端引出“24V”至桌面(冷卻風扇)插孔，進行手動冷卻，也可將24V電源接入數(shù)據(jù)采集板D0控制輸出端(繼電器常開觸點)，再</p><p>　　接入“冷卻風扇”進行自動冷卻。</p><p><b>　　2.2 方案設計</b></p><p>　　方案設計：以AT89C51單片機為核心，PID算法作為控制算法，設計一個溫度閉環(huán)

57、控制系統(tǒng)。其中：以實驗臺上的溫度控制器給定一個值，使加熱器對溫度傳感器模板上的AD590進行加熱，并使用熱點阻Pt100進行測溫，得到信號值經(jīng)過放大后，經(jīng)過AD574A為轉換器進行模/數(shù)轉換，進入單片機進行處理，決定進行加熱或冷卻MC14499為驅動器，CMOS LED顯示器</p><p>　　根據(jù)實驗要求實驗模板選擇溫度傳感器摸板，其中選擇熱電阻Pt100作為測量傳感器，而AD590作為被測溫量。</p

58、><p>　　2.3 方案論證及確定</p><p><b>　　一、控制結構的選擇</b></p><p>　　根據(jù)該系統(tǒng)特點和控制要求，可以知道溫度是唯一被測量，所以采用單閉環(huán)控制即可實現(xiàn)其功能。由于系統(tǒng)中對精度要求不是很高，所以在算法上采用傳統(tǒng)PID算法即可，其框圖如下：</p><p><b>　　R<

59、;/b></p><p>　　二、 測量元件的選擇</p><p>　　在對CSY2000傳感器上的基礎上，改進后做一個溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。測量范圍（0～100℃），控制精度±1℃。</p><p>　　測量變送部件是系統(tǒng)的信息來源，他直接影響到系統(tǒng)的精度和控制質量。在這個系統(tǒng)中，溫度是待測量，那么就應該選擇一種適合該系統(tǒng)使用的溫度傳感器。目前，能夠測

60、量溫度的傳感器很多，但大體上可分為幾類： 石英振蕩傳感器，熱電偶、熱電阻溫度傳感器，熱敏電阻傳感器，集成半導體傳感器。</p><p>　　下面對它們作以簡要介紹：</p><p>　　（一） 熱電偶傳感器</p><p>　　它是一種古老的傳感器，但由于自身的一系列優(yōu)點，目前仍在測溫領域廣泛使用。熱電偶傳感器可以分為以下幾種：</p><p&g

61、t;　?。?） 鉑銠—鉑熱電偶</p><p>　　該熱電偶在1300℃以下范圍內(nèi)可長期使用，在良好的環(huán)境下可短期測量 1000℃的高溫。</p><p>　　（2） 鎳鉻—鎳硅熱電偶 </p><p>　　該熱電偶化學性質穩(wěn)定，可在氧化性或中性介質中長期測量 900℃以下的溫度。</p><p>　　（3） 鎳鉻—考銅熱電偶</

62、p><p>　　適用于還原性或中性介質中，長期使用溫度不可超過600℃高溫，短期使用可達1800℃。</p><p>　?。?） 鉑佬30—鉑佬6熱電偶。長期使用1600℃高溫，短期使用可達1800℃。</p><p>　?。ǘ?熱電阻傳感器</p><p>　　熱電阻由電阻體、絕緣管和接線盒等主要部件組成，其中，電阻體是最主要部分。在工業(yè)上

63、廣泛采用熱電阻傳感器進行200～500℃范圍的溫度測量。測量特點是精度高，適用于低溫測量。測量時電流不宜過大。一般為4～5mA。</p><p>　?。ㄈ?熱敏電阻傳感器</p><p>　　熱敏電阻傳感器應用范圍更廣，可以用于溫度測量、溫度控制、溫度補償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅、自動增益調(diào)整、氣壓穩(wěn)定、氣體和液體分析、火災報警、過負荷檢測以及紅外探測等方面。</p><p>

64、　　在溫度測量等方面，熱敏電阻可以用于液體、氣體、固體、固熔體、深井、高空氣象、冰川等方面的溫度測量。測溫范圍一般為-10℃～+300℃，也可以作到-200℃～+10℃。</p><p>　?。ㄋ模?集成溫度傳感器</p><p>　　集成溫度傳感器體積小、壽命長、使用方便、價格低、線性好，但起測溫范圍窄，只可測量180℃以下的溫度。</p><p>　　AD590

65、是比較典型的集成溫度傳感器，它是一種絕對溫度-電流傳感器，功耗地，對激勵電壓變化不敏感，用長線傳輸信號時不會因電壓降或感應的噪聲而產(chǎn)生誤差，抑制抗干擾能力很強。測溫范圍在-55℃～+150℃內(nèi)優(yōu)于其他溫度傳感器。</p><p>　　根據(jù)實驗要求實驗模板選擇溫度傳感器摸板，其中選擇熱電阻Pt100作為測溫傳感器，而AD590作為被測量。</p><p>　　三、 輸入輸出過程通道的確定&l

66、t;/p><p>　　在系統(tǒng)中，選擇A/D574進行A/D轉換。A/D轉換器的作用就是把模擬量轉換成數(shù)字量，以便于計算機進行處理。常用的A/D轉換器一般為逐次比較型A/D轉換器，在精度，速度和價格上都適中，8位AD0809轉換器和12位轉換器AD574A 為其中最常用的。</p><p>　　A574A型快速12位逐次比較式A/D轉換器為美國模擬器件公司產(chǎn)品，是一種內(nèi)部由雙片雙極型電路組成的2

67、8腳雙列直插式標準封裝的集成A/D轉換器。無須外接元器件就可以獨立完成A/D轉換功能。其符合本系統(tǒng)要求。</p><p>　　四、 PC機的確定</p><p>　　微機是控制系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)設計的重要組成部分，隨著微型計算機在工業(yè)控制中的應用，各種工業(yè)控制機產(chǎn)品紛紛推出。而MCS-51系列中的8031功能較少，本身沒有數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，必須外接存儲器。而89C51單片機本身包含

68、4KB字節(jié)的閃存程序存儲器和256個字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲器，又可分別擴展64KB外部RAM存儲器和64KB外部程序存儲器?？梢允褂布Y構簡化，功能加強，故選擇AT89C51單片機。</p><p>　　五、 執(zhí)行機構的確定</p><p>　　選擇實驗臺的加熱器及冷卻風扇分別進行加熱和冷卻工作</p><p>　　六、 外圍設備的確定</p><

69、p>　　一個完整的控制系統(tǒng)必須有必要的外圍設備，根據(jù)系統(tǒng)的要求，選擇CMOS LED顯示，驅動器選擇MC14499，其功能和原理將在第四章中進行詳細介紹。</p><p>　　第三章 控制算法</p><p>　　3.1 控制算法的確定</p><p>　　控制算法是指為了實現(xiàn)控制功能和控制規(guī)律由微機所實現(xiàn)的控制計算方法，它通常變成相應的程序儲存起來，一旦

70、微型機投入運行就需要執(zhí)行這些程序。</p><p>　　控制算法是微型機控制系統(tǒng)的靈魂，它反映了系統(tǒng)的水平，沒有合適的控制算法，即使硬件再舍得投資，再高檔的計算機和外圍設備，也不能實現(xiàn)控制要求。因此確定適當?shù)目刂扑惴ㄓ葹橹匾?lt;/p><p>　　常用的算法有以下幾種：</p><p>　?。?）采用模擬設計方法的PID算法。</p><p>

71、;　?。?）采用直接數(shù)字設計方法的最少拍控制和大林算法。</p><p>　?。?）采用現(xiàn)代控制理論設計的最小方差控制。</p><p>　　考慮本系統(tǒng)的控制要求精度及實際情況采用PID算法即可。</p><p>　　3.2 PID控制算法論證</p><p>　　一、 PID控制規(guī)律</p><p>　　在數(shù)字控制

72、系統(tǒng)出現(xiàn)以前，大多工業(yè)生產(chǎn)中的控制系統(tǒng)都是模擬控制系統(tǒng)或稱連續(xù)控制系統(tǒng)。其控制規(guī)律大多采用PID控制方式。PID控制是按比例（P）、積分(I)、微分(D)進行的控制，是多年來在工業(yè)中應用最為廣泛的一種控制規(guī)律。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)和不需要精確的知道對象數(shù)學模型等優(yōu)點。能適應相當多的工業(yè)對象的控制要求。</p><p>　　在用計算機實行PID控制時，不僅僅是單純把PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是與計算機的編程靈活以

73、及邏輯判斷能結合起來，使PID控制得到改進和完善，更加有效方便、靈活多樣。它是微型機控制系統(tǒng)中一種最常用的控制算法。</p><p><b>　　R </b></p><p>　　PID的模擬表達式為：</p><p>　　U(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/d(t)]</p><

74、;p>　　式中，u為控制器的輸出信號，e(t)被控量y與給定植r的偏差Kp為比例增益，Ti為積分時間。Td為微分時間。該式寫成傳遞函數(shù)形式為：</p><p>　　u(s)/E(s)=kp(1+1/Ti+Tds)</p><p>　　二、 PID控制算式的離散化</p><p>　　由于微型機控制的都是時間上的離散控制，為了便于與用微型機實現(xiàn)PID控制，必須把

75、模擬式離散化，既把模擬PID變成數(shù)字PID。將對應的積分方程式變?yōu)椴罘址匠淌?。于是得到如下式?lt;/p><p>　　u(k)=kp{e(k)+T/Ti∑e(j)+Td/T[e(k)-e(k-1))]}</p><p>　　其中，u(k)為第K個采樣時刻的控制量，△t=T為采樣周期，e(k)與e(k-1)分別為第k次和第k-1次采樣時刻的偏差值，k=012……為采樣序號。</p>

76、<p>　　該式稱為位置式PID算式。這是由于它的輸出u(k)是與執(zhí)行機構的位置一一對應的。</p><p>　　但是，位置式PID算式在實際計算時很不方便，要想計算u(k),不僅需要本次與上次的偏差信號e(k)與e(k-1)，而且還要在積分項∑e(i)中把歷次偏差信號e(j)相加。這樣不僅金計算復雜還要占用大量的內(nèi)存，因此，必須對位置式進行改造。經(jīng)一系列推導，可得出下式：</p>&

77、lt;p>　　△u(k)=u(k)-u(k-1)=</p><p>　　kp[e(k)-e(k-1)]-(T/Ti)e(k)-(Td/T)[e(k)-2e(k-1)+e(k+1)]=</p><p>　　kp[e(k)-e(k-1)]+ki*e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]</p><p>　　式中 ki=kp(T/Ti)為積分系數(shù)，k

78、d=kp(Td/T稱為微分系數(shù)。</p><p>　　由于式中的△u(k)對應于第k個采樣時刻的輸出增量，所以稱上式為增量式PID算式，而第K個采樣時刻的控制量，而第K個采樣時刻的控制量u(k)=u(k-1)+△u(k)</p><p>　　可見，增量型的計算只需用到e(k-1),e(k-2)和u(k-1)著三個歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)已在前面的時刻存入內(nèi)存儲器中，在每個采樣周期，采用平移法更新

79、這些數(shù)據(jù)，既在計算出△u(k)后，首先將e(k-1)存入e(k-2)單元，再將e(k) 存入e(k-1)單元，把u(k)存入u(k-1)單元，以便下一采樣周期的計算做好準備。</p><p>　　增量時具有明顯的優(yōu)點，它編程簡單，對歷史數(shù)據(jù)要求不高，而且可以遞推使用占用內(nèi)存單元少，運算速度快。</p><p>　　為了計算的簡便和編程的方便，增量式可以寫成下面更加簡明的公式：</p&

80、gt;<p>　　△u(k)=q0*e(k)+q1*e(k-1)+q2*e(k-2)</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　q0= kp(1+T/Ti+Td/T)</p><p>　　q1=-kp(1+2Td/T)</p><p>　　q2=kp(Td/T)</p>

81、<p>　　系數(shù)q0、q1、q2可以事先離線算好，存入內(nèi)存單元中，按式計算△u(k),每次只要做三次乘法和二次加法即可。</p><p><b>　　第四章 系統(tǒng)硬件</b></p><p>　　4.1 溫度傳感器AD590</p><p>　　集成溫敏傳感器將溫敏晶體管及其外圍電路集成在同一片芯片上，構成集測量、放大、電源供電電路

82、于一體的高性能測溫傳感器。其典型的工作溫度范圍是（-50-150），具體數(shù)值可能因型號和封裝形式不同而不同。</p><p>　　按輸出電量類型的不同來區(qū)分，集成溫敏傳感器可分為電壓型、電流型和頻率輸出型三大類。電壓輸出型傳感器的優(yōu)點是直接輸出電壓，且輸出阻抗低，易于同讀出或控制電路接口；電流輸出型傳感器輸出阻抗極高，因此可以簡單地使用雙股絞線傳輸數(shù)百米遠，而不必考慮傳輸導線的電阻，也不必考慮選擇開關或多路轉換器

83、引入的接觸電阻造成的誤差；頻率輸出型傳感器除了具有與電流輸出型傳感器相似的優(yōu)點外，還便于與數(shù)字化器件如計算機相連接。 </p><p>　　集成溫度傳感器實質上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的b-e結壓降的不飽和值VBE與熱力學溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關系實現(xiàn)對溫度的檢測：</p><p>　　式中，K—波爾茲常數(shù)；q—電子電荷絕對值。</p><p

84、>　　集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0℃時輸出為0，溫度25℃時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1A/K。 </p><p>　　AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：</p><p>　　

85、流過器件的電流（A）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即： </p><p>　　式中： —流過器件（AD590）的電流，單位為A；</p><p>　　T—熱力學溫度，單位為K。</p><p>　　2、AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃。</p><p>　　3、AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可

86、在4V~6V范圍變化，電流 變化1A，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。</p><p>　　4、輸出電阻為710M。</p><p>　　5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。 </p><p>　　

87、一、AD590的應用電路</p><p><b>　　1、基本應用電路</b></p><p>　　圖1（a）是AD590的封裝形式，圖1（b）是AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器R2的電阻之和為1k時，輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路

88、進行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使VO=273.2mV。或在室溫下(25℃)條件下調(diào)整電位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。</p><p>　　2、攝氏溫度測量電路</p><p>　　如圖2所示，電位器R2用于調(diào)整零點，R4用于調(diào)整運放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0℃時調(diào)整R2，

89、使輸出VO=0，然后在100℃時調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復調(diào)整多次，直至0℃時，VO=0mV，100℃時VO=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25℃，那么VO應為25mV。冰水混合物是0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。</p><p>　　要使圖2中的輸出為200mV/℃，可通過增大反饋電阻（圖中反饋電阻由R3與電位器R4串聯(lián)而成）來實現(xiàn)。另外，測量華氏溫度（符號為℉）時，因華氏溫度等于

90、熱力學溫度減去255.4再乘以9/5，故若要求輸出為1mV/℉，則調(diào)整反饋電阻約為180k，使得溫度為0℃時， VO=17.8mV；溫度為100℃時，VO=197.8mV。AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出10V。</p><p>　　3、溫差測量電路及其應用</p><p>　　(1). 電路與原理分析</p><p>　　<![end

91、if]> 圖3是利用兩個AD590測量兩點溫度差的電路。在反饋電阻為100k的情況下，設1#和2# AD590處的溫度分別為 （℃）和 （℃），則輸出電壓為 。圖中電位器R2用于調(diào)零。電位器R4用于調(diào)整運放LF355的增益。</p><p>　　由基爾霍夫電流定律： 1）</p><p>　　由運算放大器的特性知

92、： 2）</p><p><b>　　3）</b></p><p>　　調(diào)節(jié)調(diào)零電位器R2使： 4）</p><p>　　由（1）、（2）、（4）可得： </p>

93、<p><b>　　設：R4=90k</b></p><p><b>　　則有： = </b></p><p>　　= 5）</p><p>　　其中， 為溫度差，單位為℃。</p><p>　　

94、由式（5）知，改變 的值可以改變VO的大小。</p><p>　　4.2 熱電阻Pt100介紹</p><p>　　鉑是一種貴金屬，其主要優(yōu)點是物力化學性能穩(wěn)定，并且有良好的工藝性，易于提純，可以制成極細的鉑絲（直徑可達到0.02mm或更細）或極薄的鉑箔。它的缺點是電阻溫度系數(shù)較小。</p><p>　　我國已采用IEC標準制作鉑電阻溫度計。按IEC標準，鉑的使用溫

95、度范圍為-200～650℃。鉑電阻溫度計除作溫度標準外，還廣泛用于高精度的工業(yè)測量。由于鉑為貴金屬，在測量精度要求不高的場合下，均采用銅電阻。鉑電阻阻值與溫度變化之間的關系可近似用下式表示：</p><p>　　在-200～0℃范圍內(nèi)</p><p>　　Rt=R0[1+At+Bt^2+C(t-100)^3]</p><p>　　在0～850℃范圍內(nèi)</p&g

96、t;<p>　　Rt=R0(1+At+Bt^2)</p><p>　　式中 R0 Rt—分別為0℃和t℃時的阻值；</p><p>　　對于常用的工業(yè)鉑電阻，A=3.90802×10^(-3）/℃,B=-5.802×10^(-7)℃^(-2),C=-4.27350×10^(-12) ℃^(-4).</p><p>　　4.

97、3 AD574A接口電路</p><p>　　一、 模擬量輸入/輸出接口技術</p><p>　　由于計算機本身只能處理數(shù)字量(二進制代碼)。而在計算機應用領域中，特別是在實時控制系統(tǒng)中，常需要把外界連續(xù)變化的物理量(如溫度、壓力、流量、速度)，變成數(shù)字量輸入計算機進行加工、處理。反之，也需要把計算機計算結果的數(shù)字量轉換成連續(xù)變化的模擬量輸出，用以控制，調(diào)節(jié)些執(zhí)行機構,實現(xiàn)對被控對象的控制

98、。若輸入的是非電量信號，就需要通過傳感器其轉換成電信號，這種把模擬量變成數(shù)字量和把數(shù)字量轉換成模擬量，就稱為模/數(shù)和數(shù)/模轉換。實現(xiàn)這類轉換的器件，就稱為模/數(shù)(A/D)和數(shù)/模(D/A)轉換器。圖5.48 是具有模擬量輸入和輸出的MCS-51 應用系統(tǒng)。</p><p>　　圖3 具有模擬量輸入和輸出的MCS-51 應用系統(tǒng)</p><p>　　模/數(shù)和數(shù)/模轉換技術是數(shù)字測量和數(shù)字控制

99、領域中的一個專門分支，有很多專門介紹A/D、D/A 轉換技術與原理的專著。也有大量商品化的A/D、D/A 轉換器。作為有明確應用目的單片機產(chǎn)品設計人員來說，只需要正確合理地選用現(xiàn)有的A/D、D/A 轉換器，了解它們的功能和接口方法，達到應用的目的。這一節(jié)我們從應用的角度出發(fā)，介紹幾種常用的A/D、D/A 轉換器和MCS-51 系統(tǒng)的接口邏輯設計和相應的程序設計。</p><p>　　二、 A/D 芯片介紹及其接

100、口設計</p><p>　　A/D 轉換器能把輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號,這樣微處理機就能從傳感器，變送器或其它模擬裝置中獲得信息。從而大大地擴寬了計算機的應用領域。A/D 轉換器的應用范圍極廣，品種及類型很多。根據(jù)A/D 電路的工作原理可分為以下幾大類型：</p><p>　　雙積分型A/D 轉換器，一般具有精度高，抗干擾性好，價格便宜等優(yōu)點，但轉換速度慢，廣泛用于數(shù)字儀表；逐次逼近比

101、較型A/D 轉換器，在精度、速度和價格上都適中；</p><p>　　并行A/D 轉換器，這是一種采用編碼技術實現(xiàn)的高速A/D 轉換器。</p><p><b>　　(1) 采樣和量化</b></p><p>　　在A/D 轉換中，一般要完成采樣、量化和編碼3 個內(nèi)容。</p><p>　　1. 采樣(取樣、抽樣)<

102、;/p><p>　　被轉換的模擬信號在時間上是連續(xù)的，它有無限多個瞬時值。而A/D 轉換過程總是需要時間的，不可能把每一個瞬時值都一一轉換為數(shù)字量。因此，必須在連續(xù)變化的模擬量上按一定規(guī)律(周期地)取出其中的某一些瞬時值(樣點)來代表這個連續(xù)的模擬量。這個過程就是采樣。采樣是通過采樣器實現(xiàn)的。采樣器(電子模擬開關)在控制脈沖s(t)的控制下，周期地把隨時間連續(xù)變化的模擬信號f(t)轉變位時間上離散的模擬信號fs(t)

103、。圖1 為采樣過程的采樣器輸入輸出波形。從圖中可以看出，只有在采樣瞬間τ允許輸入信號f(t)通過采樣器，其它時間開關斷開，無信號輸出。采樣器的輸出fs(t)是一系列窄脈沖，而脈沖的包絡線是與輸入信號相同的。</p><p>　　圖1 采樣器輸入輸出波形</p><p>　　從圖中可看到，在采樣點上采得的信號fs(t)的值和原始輸入信號f (t)在相應時間的瞬時值是一樣的。即f (t)在該瞬

104、間無論是何值都會在fs(t)的幅度上如實地反映出來，所以采樣后的信號在量值上是連續(xù)的。樣點值保留了，非樣點值都被舍掉了。人們自然要問，這樣會不會丟失信息？輸出信號能否如實地再現(xiàn)原始輸入信號？如何進行采樣才能使得被采樣的樣品序列能完全代表原始輸入信號？著名的奈奎斯特采樣定理回答了這個問題。采樣定理指出：當采樣器的采樣頻率fo 高于或至少等于輸入信號的最高頻率fm 的兩倍 (即fo≥fm) 時，采樣輸出信號fs(t) (樣品序列脈沖)能代表

105、或恢復成輸入模擬信號f (t)。這里的“最高頻率”是指包括干擾信號在內(nèi)的輸入信號經(jīng)頻譜分析后得到的最高頻率分量?！盎謴汀笔侵笜悠沸蛄忻}沖fs(t)通過截止頻率為fm 的理想低通濾波器后，能得到原始信號fs(t)。在應用中，一般采樣頻率fo 為最高頻率fm 的4~8 倍。對一些簡單的模擬信號的頻譜范圍一般是已知的，如溫度變化頻率低于1Hz，音頻信號范圍為20~20000Hz，機械振動一般低于幾kHz。對于</p><p

106、>　　一些復雜信號就需要用付氏變換算出，或使用頻譜分析儀測得。</p><p>　　2. 整量化 (量化)</p><p>　　每當用數(shù)量表示連續(xù)物理量時，都會遇到量化問題。量化過程是A/D 轉換的核心。所謂量化，就是以一定的量化單位，把數(shù)值上連續(xù)的模擬量通過量化裝置轉變?yōu)殡x散的階躍量的過程。</p><p>　　例如，用太平稱量重物就是量化過程。這里太平為量

107、化裝置，重物為模擬量，最小砝碼重量為量化單位，平衡時砝碼的讀數(shù)為階躍量(數(shù)字量)。從原理上講，量化相當于只取近似整數(shù)商的除法運算。量化單位用q 表示，對于模擬量小于一個q 的部分，可以用舍掉的方法使之整量化，但為了減小誤差通常采用“4 舍5 入”的方法使之整量化。這種整量化方法的輸入輸出特性如圖2 所示,圖中虛線表示量化單位為0 時的特性，實現(xiàn)表示實際特性。</p><p>　　圖2 量化特性和量化誤差</

108、p><p>　　量化過程既然有舍入問題，就必然存在舍入誤差，這個誤差時由于量化引起的，故稱為量化誤差。如以ε=x(t)-y(t)表示量化誤差，從圖5.57(c)可見，量化誤差有正有負，最大為±q/2，平均誤差為0。最大誤差隨量化單位而改變，q 愈小ε也愈小。</p><p>　　(2) A/D 轉換器的基本原理 </p><p>　　1. 雙積分型A/D

109、轉換器雙積分型A/D 轉換器屬于間接電壓/數(shù)字轉換器，它把輸入電壓轉換為與其平均值成正比的時間間隔，同時把此時間間隔轉變?yōu)閿?shù)字。原理框圖如圖5.58 所示。</p><p>　　圖5.58 雙積分型A/D 轉換器原理框圖</p><p>　　轉換過程分采樣和比較兩個階段。在采樣階段中，S1 閉合，積分器從原始狀態(tài)(Vout=0)對Vi 進行固定時間(T1)的積分。當積分到T1結束時，S1

110、斷開，這時</p><p>　　采樣階段結束就立即進入比較階段。這時S2 (或S3) 閉合，把與Vi 極性相反的基準電壓VR 接向積分器，積分器輸出為</p><p>　　這里，后一項VR 的積分輸出，因VR 為固定值，所以</p><p>　　當t = tx 時，Vout 恢復到初始狀態(tài)(Vout=0)，即</p><p>　　因T1 和V

111、R 都是固定值，所以tx 與—— Vi成正比</p><p>　　輸出電壓Vout 的變化如圖5.45 所示。從圖中可以看出，Vi 大VA 也大，從而tx 也長(比較階段的斜率由VR 決定，VR 不變，斜率不變)。Vi 到數(shù)字量的轉換是通過時間/數(shù)字轉換實現(xiàn)的。在tx 期間對脈沖源來的脈沖進行計數(shù)，得到的數(shù)字量即代表Vi 的數(shù)字量。在轉換過程中因進行了兩次積分故稱為雙積分型A/D 轉換器。這種轉換器測量的是Vi