DSP17.

第17章DSP硬件基础曾凡平中国科学技术大学计算机学院硬件基础2主要内容17.1模拟量输入17.2模拟量输出17.3数字系统中的电源硬件基础317.1模拟量输入生产过程中的随时间连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位、湿度等，由传感器检测并转换为模拟的电信号，通过模拟量输入通道送至计算机系统，最终经A/D转换器转化为数字量，才能交由计算机处理。多路A/D转换技术采样-保持器模拟量输入的隔离模拟输入信号的放大模拟量输入信号滤波硬件基础417.1.1.多路A/D转换技术多路A/D转换系统的结构采用集成多路A/D转换器每个模拟量输入配置一个A/D转换器多路模拟量输入复用一个A/D转换器多路开关机械触点式集成多路模拟开关图17.16多路复用方式A/D转换原理图17.16所示电路工作时，由计算机控制多路模拟开关选择某一路模拟信号，将其送至采样-保持器，再经放大、A/D转换处理变为数字量，从而完成该路模拟输入的采样与转换工作。硬件基础5机械触点式多路开关机械触点式多路开关主要有干簧继电器、水银继电器等，其中干簧继电器体积小、切换速度高、噪声小、寿命长，最适合作为模拟输入的多路开关。干簧继电器的开关频率为10~40次/秒，断开时的电阻大于1MΩ，导通电阻小于50mΩ，切换动作时间约1ms，不受环境温度影响，可通过的电压、电流容量大，动态范围宽；与电子开关相比，其缺点是体积大、工作频率低，而且通断时有机械抖动现象，故一般用于低速高精度检测系统中。图17.17为干簧继电器的原理图，线圈通/断电就使触点接触或断开。图17.17干簧继电器的原理硬件基础6集成多路模拟开关集成模拟开关是将多路半导体模拟开关集成在一个芯片上，其特点是切换速度高、体积小、应用方便，但比机械多路开关的导通电阻大，为几十至几百欧姆，而且各通道之间有时会互相串扰。硬件基础7集成多路模拟开关图17.18是AD7501的结构，通过芯片使能端EN和通道选择端A0、A1、A2，每次只选择8个输入端中的一个与公共输出端OUT接通，其真值表见主教材表2.4。EN、A0、A1、A2为数字信号输入，逻辑上兼容TTL/DTL或CMOS电平。图17.18AD7501的结构图硬件基础8集成多路模拟开关图17.19是采用AD7501构成的8路差分模拟信号输入电路，其中V1i为第i路(i=1，2，…，8)模拟输入信号的正端,V2i为第i路(i=1，2，…，8)模拟输入信号的负端，V＋为输出模拟信号的正端，V-为输出模拟信号的负端。图17.198路差分模拟信号输入电路硬件基础917.1.2.采样-保持器在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样-保持电路。在数字系统中，一般采用集成的采样-保持器。LF398硬件基础10图17.20LF398的电路原理LF398图17.20是LF398的电路原理，放大器A2作为比较器来控制开关S的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则S闭合，由A1、A3组成跟随器，并向CH端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至输出端。硬件基础11LF398图17.21是LF398典型应用电路。控制端VC为高电平时，处于采样状态，输出跟随输入；控制端VC为低电平时，处于保持状态，输出保持VC由高电平向低电平跳变瞬间的输入电压数值。引脚2所接的电阻用于直流调零，反相器及其所接电阻、电容用于交流调零。图17.21LF398的典型应用硬件基础1217.1.3.模拟量输入的隔离出于对系统抗干扰、噪声抑制及安全等因素的考虑，往往对模拟量信号输入进行隔离。根据具体情况，可以采用以下几种措施光电隔离共模电压的隔离硬件基础13光电隔离在数字系统中，一般在计算机接口和A/D转换电路之间实施光电隔离。这种隔离保证了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底的电气隔离，而且由于是在数字接口部分隔离，使得其实现简单、造价低廉。图17.22模拟量信号输入的光电隔离硬件基础14共模电压的隔离共模电压是指多根信号线上的电压相对参考电压的相等的部分。常用的共模电压隔离措施有以下几种：光电隔离这种隔离即前面所述的模拟量信号输入光电隔离技术，它实现了模拟部分和数字部分的电气隔离，能够克服光电隔离输出、输入两端设备的地线间的共模干扰，但无法克服模拟信号之间的共模干扰。电容隔离技术隔离放大器硬件基础15电容隔离技术原理见图17.23。平时，开关S1i(i=1,2,...,n)处于闭合状态，Ci的电压跟踪Vi的输入值，开关S2i(i=1,2,...,n)处于断开状态。需检测Vi时，则令S1i断开，S2i闭合，放大器A的输出经采样-保持器送至A/D转换器化为数字量，然后开关再恢复平时的状态。在采样、转换过程中，放大器A不与任何模拟量信号输入共地，电容Ci的电压均为差模电压，这样就克服了共模电压的影响。图17.23共模电压的电容隔离技术硬件基础16隔离放大器隔离放大器包括高性能的运算放大器、调制解调器、信号耦合变压器、输出运算放大器、滤波器和电源几个部分。输入、输出和电源都是由变压器隔离的，没有任何电路连接，从而实现了输入信号、输出信号及电源的隔离。图17.24给出了GF289型集成隔离放大器的原理图。图17.24GF289型集成隔离放大器原理图硬件基础17隔离放大器图17.25介绍了GF289型集成隔离放大器的典型接线。若每一路模拟量信号输入都采用这种放大器隔离，就可以从根本上消除共模电压的影响。图17.25GF289型集成隔离放大器的典型接线硬件基础1817.1.4.模拟输入信号的放大传感器的输出信号通常都是弱信号，需经放大才能进行A/D转换，信号放大是控制系统中不可缺少的环节。集成放大器体积小、精度高、可靠性好、开环增益大，利用它们可构成比例、加减、积分、微分等运算，因此得到广泛应用。测量放大器程控增益放大器硬件基础19测量放大器传感器的输出信号一般较弱，且其中含有各种共模干扰，这就要求对其放大的电路具有很高的共模抑制比和高增益、高输入阻抗、低噪声，习惯上称这种放大器为测量放大器或仪表放大器。图17.26是四个运放构成的仪表放大器电路，其中，运算放大器A1A3构成仪表放大器，A4用于实现零输出的综合补偿。图17.26四个运放构成的仪表放大器电路硬件基础20测量放大器集成仪表放大器外接元件少，无需精密匹配电阻，使用灵活，能够处理从几微伏到几伏的电压信号，可对差分交/直流信号进行精密放大，适合于快速采样，能够抑制从直流到数百兆赫频率的噪声信号。常用的集成仪表放大器有AD521、AD522、ZF603、ZF605和BG004等。图17.27AD521的典型接线图图17.28AD522的典型接线图硬件基础21程控增益放大器为了减少A/D转换的误差，应使模拟量输入信号的幅值范围尽可能接近A/D转换器的量程。如果采用固定增益的放大电路，当输入信号幅值波动范围大时无法在输入信号的整个变化范围内实现减少误差的目的。另外，当有多路模拟量信号输入时，各信号的幅值也可能相差悬殊，采用固定增益的放大电路同样会造成大信号转换精度高而小信号转换误差大的后果。这时，可以采用程控增益放大器来解决这个问题。硬件基础22程控增益放大器图17.29程控增益放大器原理图17.29是程控增益放大器的原理。模拟开关S1~S3由计算机程序来控制，任何时候至少有一个开关是闭合的。通常由软件控制使模拟开关中的某一个或某几个闭合，然后进行A/D转换，并由转换结果判断放大倍数是否合适，如不合适则改变开关状态，直至达到可能的最佳的放大倍数。硬件基础23程控增益放大器图17.30CD4051组成的程控增益放大器图17.30是用8选1的模拟开关CD4051组成的程控增益放大器电路。图中A、B、C是输入通道地址选择端，通过计算机的并行输出口控制，每次只选中8个输入Y0~Y7中的一路与公共端COM接通。此电路可实现8种不同的放大倍数。硬件基础2417.1.5.模拟量输入信号滤波工业现场的环境往往非常恶劣，致使由传感器得到的模拟量信号中混有噪声信号，用长线传输时尤为突出，严重时噪声信号可能淹没真实信号，如不加处理，就会导致系统控制失败。因此，必须进行模拟量信号滤波处理以抑制噪声，提高信噪比。硬件滤波是指在模拟信号进入A/D转换器前，用硬件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计，可以滤除模拟输入信号中的特定频段的噪声信号。按是否采用有源器件，滤波器可以分为有源滤波器和无源滤波器两大类；按滤波的频段，又可以分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。FLT-U2集成RC滤波器硬件基础25FLT-U2集成RC滤波器FLT-U2是采用厚膜混合集成技术制造的，其内部有四级运放和RC元件，前三级组成滤波器，第四级是独立的，可用做增益级、缓冲级或形成附加单极点的滤波器。FLT-U2的工作电源电压范围宽，可为5~15V，输入阻抗达5M，频率范围为0.001~2106Hz，Q值（特征频率下的滤波电路的电压放大倍数的模与通带电压放大倍数之比）范围在0.1~1000之间，通带截止频率准确度为5，单位增益带宽为5MHz。图17.31FLT-U2的电路原理图硬件基础26FLT-U2集成RC滤波器图17.32FLT-U2的外部引脚图硬件基础27FLT-U2集成RC滤波器图17.33FLT-U2的典型应用线路图硬件基础2817.2模拟量输出在数字系统中，有些被控对象或执行机构需要模拟量信号输入，这就要求计算机把计算好的数字控制量转换为模拟量信号输出出去。从数字量到模拟量的转换，一般采用集成D/A转换器实现。硬件基础29模拟量信号输出的两个共性问题由于D/A转换器的种类繁多，不同种类的D/A转换器的具体使用方法也不尽相同。此处仅介绍模拟量信号输出的两个共性问题：多通道D/A转换系统设计每一个通道设置一个独立的D/A转换器多通道复用一个D/A转换器模拟量信号输出的光电隔离硬件基础30每通道设置一个独立的D/A转换器这种方案的优点是转换速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。但是，如果模拟量信号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的D/A转换器时，这一问题尤为严重。硬件基础31多通道复用一个D/A转换器这个方案是由计算机通过多路模拟开关分时地把一个D/A转换器的输出送至各个采样-保持放大器，并由保持电容对模拟量信号进行保持。该方案优点是成本较低，缺点是电路结构复杂、精度低、可靠性差，受运算放大器的输入阻抗、模拟开关和保持电容的漏电阻等因素的影响，导致保持电容上的电压信号逐渐衰减，需要计算机定时刷新输出，也因此占用了CPU的大量时间。此方案适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。图17.34多路复用方式D/A转换原理硬件基础32模拟量信号输出的光电隔离在工业现场应用中，为了消除公共地线带来的干扰，提高系统的安全性和可靠性，应采用光电隔离措施来隔离数字系统与现场被控设备。模拟量信号输出的光电隔离，一般在计算机与D/A转换器之间的数字接口部分进行，其原理见图17.35。注意对模拟开关的通道选择控制部分也应采取光电隔离措施。图17.35带光电隔离的多通道复用方式D/A转换的原理图硬件基础3317.3数字系统中的电源交流电源系统直流稳压电源设计基准电源隔离电源硬件基础3417.3.1.交流电源系统交流电源通常和电网相连接，然而，工业现场的电网所接负载极其复杂，导致电网出现浪涌、尖峰、过压、欠压等现象，给数字系统的运行带来了严重的干扰，甚至会使系统无法正常工作。因此，除按需要设计、计算有关交流电源系统的电路和参数外，还要考虑交流电源的净化问题。硬件基础3517.3.2.直流稳压电源设计在数字系统中，不同的场合需要用到不同电压等级的直流稳压电源供电，如±5V、±12V、±15V、18V和