《信号输入输出》PPT课件

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1、第七章信号的输入输出技术7.1单片机应用系统的结构7.2模拟信号的输入—传感器技术7.3模拟信号的输入--A/D转换7.4模拟信号的输出--D/A转换7.5开关量的输入输出7.6信号输入输出实验7.1单片机应用系统的结构图7.1单片机应用系统的基本结构单片机应用系统的核心任务：根据一定的输入（前向通道），结合一定的处理算法，然后作出一定的输出响应（后向通道）。输入：包括模拟输入和数字输入，电量信号输入和非电量信号输入。对于非电量输入需要通过传感器将非电物理量转换为模拟电信号。预处理：一般包括放大器和滤波器两部分：信号经过放大器的放大变为具有一定幅值的模拟输入信号；滤波器（低

2、通或带通）的作用则是滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。A/D转换：将模拟信号转换为数字信号。MCS-51单片机是整个系统的控制和处理核心，它是一个数字处理芯片，要求所有的输入和输出都是具有TTL电平的数字信号。这样模拟信号要想输入到单片机中必须先将其转换成数字信号。A/D转换器的任务就是在满足奈奎斯特采样定理的条件下，将模拟信号转换为数字信号。对于开关量，可以很容易的映射成数字的0或者1，即TTL的低电平和高电平，映射后的这些数字信号就可以直接输入到单片机内部。输出：处理的结果需要输出，对于开关量的输出，可以简单地经过映射部件，将单片机的T

3、TL电平输出信号转换成所需要的开关量进行输出。D/A转换：有些输出需要以模拟信号的形式存在（如语音信号），单片机输出的TTL电平数字信号必须经过D/A转换。由于转换后模拟信号中往往含有许多高频成分，因此也需要通过滤波器滤除这些高频信号，以获得平滑的模拟输出信号。有时候，输出的模拟信号还有电压、电流、功率等要求，D/A转换后的模拟信号需要经过一定的模拟电路来满足这些要求。7.2模拟信号的输入—传感器技术传感器：将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置，也叫变换器、换能器或探测器。通常，传感器由敏感元件和转换电路组成，如图：图7.2传感器结构示意图敏感元件

4、：传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件：传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号。信号调理和转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理和转换电路，进行放大、运算调制等。辅助电路：主要是指电源。7.2.1传感器的分类１、按传感器的物理量：可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器；２、按传感器工作原理：可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。３、按传感器输出信号的性质：可分为：输出为开关量（“１”和"０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

5、7.2.2传感器特性选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题：当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号;又能使噪声干扰小，要

6、求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。2、响应特性传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽;结构型传感器

7、，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。3、线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间