一种高精度模拟信号隔离电路设计作者：朱诚徐腾飞金运昌赵光锋卢兆军
来源：《现代电子技术》2020年第06期
模拟量信号干扰分析及11种解决秘诀 关键词：PLC 模拟量信号干扰 1、概述 随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各种电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，设计人员只有预先了解各种干扰才能有效保证系统可靠运行。 2、电磁干扰源及对系统的干扰 影响PLC控制系统的干扰源于一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。 干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按声音干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地面的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压送加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V 以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O 模件损坏率较高的原因），这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指用于信号两极间得干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 3、PLC 控制系统中电磁干扰的主要来源有哪些呢？ (1) 来自空间的辐射干扰： 空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC 系统置于所射频场内，就回收到辐射干扰，其影响主要通过两条路径；一是直接对PLC 内部的辐射，由电路感应产生干扰；而是对PLC 通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC 局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 (2) 来自系统外引线的干扰： 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。 (3)来自电源的干扰：
总第251期 2010年第9期 计算机与数字工程 Computer &Digital Engineering Vol.38No.9 162 高精度发动机转速信号的测量与模拟技术研究 3 赵俊杰 徐华中 (武汉理工大学自动化学院 武汉 430070) 摘 要 飞机发动机工作性能如何主要反映于发动机高、低压转子转速、燃油流量和排气温度、滑油压力等技术参数。介绍了如何实现高分辨率、高精度的发动机转速N1、N2信号测量、模拟技术工作原理以及主要性能指标、硬件设计、软件方案等。 关键词 航空发动机;综合仪表测试设备;发动机转速中图分类号 TP391 High 2p recision Engine Speed Signal Meas urement and Si mulation Technology Zhao J unjie Xu Huazhong (College of Automation ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070) Abs t rac t The performance of aircraft engine largely depends on the parameter such as the engine rotor speed in the condition of high and low pressure ,f uel flow ,exhaust temperature ,oil pressure and other technical parameters.This article discusses the implementation of the high 2resolution ,high 2precision measurement of engine speed N1,N2signals.Further 2more ,we describe the analog technology works and the main performance ,hardware and software design. Ke y Words aircraft engines ,integrated instrumentation test equipment ,engine speed Class Nu m ber TP391 1 引言 飞机发动机工作性能直接决定飞机飞行效能和安全性能,而这些情况主要反映于发动机高、低压转子转速、燃油流量和排气温度、滑油压力等技术参数指标,发动机综合仪表用于实时检测上述性能参数,供飞行机组人员查看,同时也可以作为地面机务人员维护工作使用。 综合仪表经历了模拟式仪表、数字式仪表和智能仪表三个阶段。首先模拟式仪表的基本结构是由磁机械式的,采用模拟器件组成各种电路,精度低、速度慢、适应性差;而数字化仪表如数字转速表等,主要由数字电路来实现,在测试精度、速度和仪器寿命等方面都比模拟仪器有较大的提高。随着数字信 号处理技术及大规模集成电路的发展,出现了以微机为核心的智能仪器,由于其是以功能模拟的形式存在的,无论开发还是应用,都具有极大的灵活性。随着航空工业和计算机工业的飞速发展,传统的机械式仪表已经逐渐被数字显示仪表所替代,嵌入式系统越来越多地应用于航空仪表之中[1～2]。 2 发动机转速信号的分析 发动机附件上的转速传感器是一个交流测速发电机,它感受发动机的转速并输出,它由转子和定子组成。转子一般是一个永久磁铁,定子内装有感应绕组。当磁铁转子旋转时,磁铁转子的磁场也跟着旋转,在定子绕组所在空间形成了旋转磁场。定子绕组切割磁力线产生感应电势,便有交流电输 3 收稿日期:2010年3月18日,修回日期:2010年4月20日 基金项目:中国航空工业第一集团公司技术创新基金(编号:20082016)资助。作者简介:赵俊杰,男,硕士研究生,研究方向:航空仪表与维修工程、数据采集与信号处理。
模拟信号和数字信号的特点分别是什么
第一章 复 习 题 1、模拟信号和数字信号的特点分别是什么? 2、设数字信号码元时间长度为1s μ，如采用四电平传输，求信息传输速率及符号速率。 3、接上题，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率。 4、假设频带宽度为1024kHz ，可传输2048s kbit /的比特率，试问其频带利用率为多少? 第一章 复习题答案 1、答：模拟信号的特点是幅度取值是连续的。 数字信号的特点是幅度取值是离散的。 2、答：符号速率为 Bd t N B B 661010 1 1=== - 信息传输速率为 s Mbit s bit M N R B b /2/1024log 10log 6262=?=?== 3、答：误码率＝发生误码个数／传输总码元数 7 6 105.210221-?=??= 4、答： Hz s bit //21010241020483 3 =??==频带宽度信息传输速率η 第二章 复 习 题 1、某模拟信号频谱如题图2.1所示，求满足抽样定理时的抽样频率s f 。若kHz f s 10=，试 画出抽样信号的频谱，并说明此频谱出现什么现
象? 2、画出9=l 的均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。 3、画出6.87,7==A l 的A 律压缩特性的非均匀量化信噪比曲线。 4、为什么A 律压缩特性一般A 取87．6。 5、A 律13折线编码器，8=l ，一个样值为? =93S i ，试 将其编成相应的码字，并求其编码误差与解码误 差。 6、A 律13折线编码器，8=l ，过载电压mV U 4096=，一个样值为mV u S 796-=，试将其编成相应的码字，并求 其编码电平与解码电平。 第二章 复 习 题 答 案 1、kHz f f B kHz f kHz f M M 415,5,10 =-=-=== B f <0 ∴此信号为低通型信号 满足抽样定理时，应有 kHz f f M s 10522=?=≥
光电隔离电子电路图全集 一．MSD1型湿敏原件空气翁度测量仪电路图 二．光电隔离器应用电路图 光电隔离器可以组成多种多样的应用电路。如组成光电隔离电路，长传输线隔离器，TTL电路驱动器，CMOS 电路驱动器，脉冲放大器等。目前，在A／D模拟转换开关，光斩波器，交流、直流固态继电器等方面也有广泛应用。光电隔离器的输入部分为红外发光二极管，可以采用TTL或CMOS数字电路驱动。 在图a，输出电压Vo受TTL电路反相器的控制，当反相器的控制输入信号为低电平时，信号反相使输出为高电平，红外发光二极管截止，光敏三极管不导通，Vo输出为高电平。反之Vo输出为低电平。从而实现TTL电路控制信号的隔离、传输和驱动作用。 图2为CMOS门电路通过光电隔离器为中间传输媒介，驱动电磁继电器的应用实例。当CMOS反相器的输出控制信号为高电平时．其输出信号为低电平，Q晶体管截止，红外发光二极管不导通，光电隔离器中的输出达林顿管截止，继电器控制绕组J处于释放状态。反之继电器的控制绕组J吸合，继电器的触点可完成规定的控制动作，从而实现CMOS门电路对电磁继电器控制电路的隔离和驱动。
选用输出部分为达林顿晶体管的光电隔离器，可以显著提高晶体管的电流放大系数，从而提高光电耦合部分的电流传输比CTR。这样，输入部分的红外发光二极管只需较小的正向导通电流If，就可以输出较大的负载电流，以驱动继电器、电机、灯泡等负载形式。 达林顿晶体管输出形式的光电隔离器，其电流传输比CTR可达5000％，即Ic＝5000×If ，适用于负载较大的应用场合。在采用光电隔离器驱动电磁继电器的控制绕组时，应在控制绕组两侧反向并联二极管D，以抑制吸动时瞬恋反电动势的作用，从而保护继电器产品。 · [图文] 多敏固态控制器光电输入的电路应用原理 · [图文] 线性光藕隔离放大器电路 · [图文] 采用光隔离器的电码实验操作振荡器 · [图文] AD7414/AD7415 数字输出温度传感器 · [图文] 加外部缓冲器的远程测温电路 · [图文] 具有整形作用的光耦隔离电路 · [图文] 带PNP三极管电流放大的光耦隔离电路 · [图文] 普通光耦隔离电路 · [图文] PARCOR方式语音合成电路图 · [图文] ADM方式语音合成电路图 · [图文] 用CMOS逻辑门控制AD590电路图 · [图文] 灵敏度可调节的光电继电路图 · [图文] 光敏吸合式继电路图 · [图文] 光敏晶体管施密特电路图 · [图文] 光敏晶体管及光照吸合式继电器电路图 · [图文] 光敏晶体管光敏电桥电路图 · [图文] 光敏晶体管电感桥电路图 · [图文] 光敏吸合式继电路图 · [图文] 光控玩具汽车向前停车电路图 · [图文] 光控施密特触发电路图 · [图文] 光控升压电路图 · [图文] 光控升压电路图 · [图文] 光控换向电路图 · [图文] 光控发光二极管电路图 · [图文] 光控多功能触发器电路图 · [图文] 光控串联晶闸关开关电路图 · [图文] 光控触发脉冲形成电路图 · [图文] 光控常开式交流接触器电路图 · [图文] 光控常闭式交流接触器电路图 · [图文] 光控插座电路图 · [图文] 光控 闪光管电路图 · [图文] 光控555维电器电路图 · [图文] 光可控电路图 · [图文] 光继电路图
1引言 在A/D转换器中，比较器重要性能指标是工作速度、精度、功耗、输入失调电压、正反馈时产生的回程噪声等，这些指标影响和制约着整个A/D转换器的性能。高速比较器速度较快，一般采用锁存器（Latch）结构，但是失调和回程噪声较大，精度在8位以下，用于闪烁（Flash）、流水线（Pipeline）型等高速A/D转换器[1]。高精度比较器可分辨小电压，但速度相对较慢，一般采用多级结构，且较高的精度决定失调校准的必要性。这里设计的比较器是用于输入范围2.5V、速度1MS/s、精度12位的逐次逼近型A/D转换器，为了满足A/D转换器的性能指标，则需采用中速高精度的比较器。 2比较器的设计 由于该比较器用于输入电压2.5V、速度1MS/s、精度12位的逐次逼近型A/D转换器，因此比较器的精度至少应达到1/2LSB，即0.3mV的电压，速度高于12MHz，并且需要考虑一定的设计余量，所以暂定指标为精度0.2mV、速度20MHz。该中速高精度的比较器通常采用多级结构实现。在利用锁存器速度高、功耗小等优点的基础上，采用3级前置放大器组成的预放大级提高精度；采用输入失调储存与输出失调储存技术相结合的办法降低甚至抵消失调的影响；采用共源共栅、源随器结构的前置放大器和锁存器的时钟控制来抑制回程噪声的影响；采用数字触发电路获得高性能的数字输出信号。需要注意的是必须准确处理好比较器的各个工作阶段，使其各部分协调工作，降低相互之间的干扰，以达到最优的性能。 2.1总体结构与失调校准技术 图1为比较器电路的总体结构框图，采用3级电容耦合的前置放大器加锁存比较器的结构，其中耦合电容可用于失 调储存，开关用于控制比较器工作。 图1比较器的总体结构框图 暂不考虑锁存比较器的时钟控制以及整个电路的复位工作，该比较器工作大致分为2阶段：首先是失调校准阶段， 一种中速高精度模拟电压比较器的设计 王鑫，唐广 （电子科技大学电子工程学院，四川成都610054） 摘要:设计一种中速高精度模拟电压比较器，该比较器采用3级前置放大器加锁存器和数字触发电路的多级结构，应用失调校准技术消除失调，应用共源共栅结构抑制回程噪声干扰；应用数字触发电路获得高性能数字输出信号，设计采用0.35μm5V CMOS工艺实现一个输入电压2.5V、速度1MS/s、精度12位的逐次逼近型A/D转换器。 Hspice仿真结果表明：在5V供电电压下，速度可达20MHz，准确比较0.2mV电压，有效校准20mV输入失调，功耗约1mW。 关键词:比较器；锁存器；失调校准；弱正反馈；逐次逼近 中图分类号:TN453文献标识码：A文件编号：1674-6236（2009）07-0037-03 Design of a moderate-speed and high precision analog voltage comparator WANG Xin，TANG Guang （School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu610054，China） Abstract:A moderate-speed and high precision analog voltage comparator is designed，in which a multi-stage structure consisting of three pre-amplifiers，a latch and a digital flip-flop circuit are adopted.The comparator uses an offset cancellation technique to cancel offset，uses a cascode circuit to retrain kickback noise，and uses a digital flip-flop circuit to make a high performance digital output signal.Designed and fabricated in0.35μm5V CMOS technology，the comparator is used in a range of2.5V，1MS/s，12-bit successive approximation analog-to-digital converter.Hspice simulation results show that this comparator distinguishes0.2mV at20MHz under5V supply voltage，and effectively calibrate20mV input offset，with about1mW power consumption. Key words:comparator;latch;offset cancellation;weak positive feedback;successive approximation 收稿日期:2009-02-20稿件编号:200902043 作者简介：王鑫（1983-），男，四川成都人，硕士研究生。研究方向：模拟及数模混合集成电路设计。
模拟信号是将源信号的一些特征未经编码直接通过载波的方式发出，是连续的数字信号则是通过数学方法对原有信号进行处理，编码成二进制信号后，再通过载波的方式发送编码后的数字流，是离散的特点：模拟信号：将26个字母对应26种不同的颜色要传递时用不同颜色的滤光片改变电筒射出的光的颜色这里就会表现出模拟信号不可靠（容错性差、易受干扰）的缺点人对颜色的识别可能会有偏差大气对不同颜色的光线吸收程度不同数字信号：将26个字母编码成二进制数字（可参考莫尔斯电码）通过电筒光线的闪烁来传递信号由于光线的闪烁很容易分辨且不容易受到干扰这个通信方案的可靠性就比模拟信号更强模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。1．模拟通信模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。（1）保密性差模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。（2）抗干扰能力弱电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多2．数字通信（1）数字化传输与交换的优越性①加强了通信的保密性。②提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。③可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。（2）数字化通信的缺点①占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20?64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM信号占了几个模拟话路。对某一话路而言，它的利用率降低了，或者详它对线路的要求提高了。②技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。③进行模/数转换时会带来量化误差。随着大规模集成电路的使用以及光纤等宽频带传输介质的普及，对信息的存储和传输，越来越多使用的是数字信号的方式，因此必须对模拟信号进行模/数转换，在转换中不可避免地会产生量化误差数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。模拟信号与数字信号(1)模拟信号与数字信号不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据一般采用模拟信号(AnalogSignal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；数字数据则采用数字信号(DigitalSignal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。当数字信号采用断
模拟量信号控制伺服电机 试验1 1.接线方式 2.实验设备 R88D-KT02H R88M-K20030H-S2-Z CP1H-XA40DT-D 3.实验参数设定 Pn000=1 （伺服旋转方向选择0：CW方向-右转1：CCW方向-左转）Pn001=1 （伺服控制方式选择1：速度控制—模拟量控制） Pn300=0 （速度控制选择0：模拟量力矩控制） Pn301=0 （速度控制方向选择0：正方向1：反方向） Pn302=600 （速度控制精度 600r/min） Pn303=0 （模拟量速度控制方向切换方式0：CW方向切换） Pn312=1000 （加速时间 1000ms） Pn313=1000 （减速时间 1000ms） Pn314=250 （S曲线加减速时间 250ms）
4.实验过程 使用CP1H-XA40DT-D的模拟量输出功能，使用G5模拟量速度控制功能。 模拟量与速度对应关系如下图所示： 在实验过程中，发现当模拟量输入为0v时，电机以一个很缓慢的速度向CW方向旋转，即发生了“零漂”现象。 在闭环控制中，“零漂”现象对精度的控制有一定的影响，需要抑制住“零漂”现象。 什么叫“零漂”，及如何解决“零漂”现象？ 零点漂移可描述为：输入电压为零，输出电压偏离零值的变化。它又被简称为：零漂。 零点漂移是怎样形成的：运算放大器均是采用直接耦合的方式，我们知道直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出极产生很大的变化。当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化，比如：温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。 解决“零漂”最有效的方式：随着三极管的导通工作，其温度会上升，导致扩散运动加剧Ic、Ie电流增大，随之Re两端电压增大，Vbe的电压就减小，Ib也随之减小，从而使Ic减小，形成了负反馈，这就是其抑制零漂的原理。 针对G5伺服驱动器而言，需要修改里面参数来起到抑制“零漂”的现象。 对应调整参数： 修改Pn422的数值，默认为0. 此参数的作用是模拟量偏置，以0.359mv为单位，+为CW方向，-为CCW方向。
安全栅与隔离器的区别 安全栅与隔离器的区别 隔离器 用于对现场仪表的各类信号调整、隔离，并转换成计算机、DCS、PLC等能接受的标准信号或用户指定的特殊信号。用于从电气上隔离远动设备和运行设备的一种器件，如继电器等。 安全栅 本质安全型防爆仪器仪表的关联设备，在正常情况下不影响测量系统的功能。它设置在安全场所的一侧，当本安防爆系统发生故障时，能将窜入危险场所的能量（电能）限制在安全值以，从而保证现场生产安全。 作为工业现场与控制室仪表之间的信号隔离变送器设备，信号隔离器和安全栅一直发挥着重要的作用，是工业控制系统中重要的组成部分。随着技术的进步，无论是现场的一次仪表，还是控制系统，都发生了变化，信号隔离器和安全栅也需要进一步发展适应更高的要求。飞创仪表总结多年来的实践经验，对产品进行了改进，对隔离器和安全栅的性能进行了提升，以满足市场的需求。新型的隔离器和安全栅在性能和技术指标上都较过去有了更大的进步。 一、模块化的设计保证对市场的快速响应 隔离器和安全栅一般由输入信号处理单元、隔离单元、输出信号处理单元、电源等4部份构成。根据信号的流向在输入或输出单元增加本质安全设计，从而构成隔离器和安全栅。 虽然实际应用中的隔离器和安全栅基本上都是由上述四个单元构成，但输入、输出的类型和数量的不同，组成了种类繁多的型号，为了满足市场的需求，越来越多的型号使得企业的生产负担加重，数量少品种多使得交货周期越来越长，也使得调试检验的成本增加。这些情况已经严重的阻碍了产品的市场推广。针对这种情况，宇通公司通过仔细的分析，采用模块化的设计方法，将隔离器和安全栅划分为七种功能模块，从而比较好的解决了上述问题。模块化的设计方法极大
一种中速高精度模拟电压比较器的设计 1引言 在A／D转换器中，比较器重要性能指标是工作速度、精度、功耗、输入失调电压、正反馈时产生的回程噪声等，这些指标影响和制约着整个A／D转换器的性能。高速比较器速度较快，一般采用锁存器(Latch)结构，但是失调和回程噪声较大，精度在8位以下，用于闪烁(Flash)、流水线(Pipeline)型等高速A/D转换器。高精度比较器可分辨小电压，但速度相对较慢，一般采用多级结构，且较高的精度决定失调校准的必要性。这里设计的比较器是用于输入范围2．5V、速度1MS／s、精度12位的逐次逼近型A／D转换器，为了满足A／D转换器的性能指标，则需采用中速高精度的比较器。 2比较器的设计 由于该比较器用于输入电压2．5V、速度1MS／s、精度12位的逐次逼近型A／D转换器，因此比较器的精度至少应达到1／2LSB，即0．3mV的电压，速度高于12MHz，并且需要考虑一定的设计余量，所以暂定指标为精度O．2mV、速度20MHz。该中速高精度的比较器通常采用多级结构实现。在利用锁存器速度高、功耗小等优点的基础上，采用3级前置放大器组成的预放大级提高精度；采用输入失调储存与输出失调储存技术相结合的办法降低甚至抵消失调的影响；采用共源共栅、源随器结构的前置放大器和锁存器的时钟控制来抑制回程噪声的影响；采用数字触发电路获得高性能的数字输出信号。需要注意的是必须准确处理好比较器的各个工作阶段，使其各部分协调工作，降低相互之间的干扰，以达到最优的性能。
2．1总体结构与失调校准技术 图1为比较器电路的总体结构框图。采用3级电容耦合的前置放大器加锁存比较器的结构，其中耦合电容可用于失调储存，开关用于控制比较器工作。 暂不考虑锁存比较器的时钟控制以及整个电路的复位工作，该比较器工作大致分为2阶段：首先是失调校准阶段，S1断开，S2闭合，使预放级1的正负输入端连接在中间电压Vcm上，同时，S3～S6闭合，这样预放级1的输出失调电压就存储在C1、C2上，预放级2和预放级3的输入失调电压则分别存储于C1、C2和C3、C4；然后是比较阶段，S1闭合，S2～S6断开，比较器开始比较Vcm和Vin，由于预放级1～3的失调电压绝大部分存储在电容C1～C4上，因此失调电压相互抵消，同时由于3级前置放大器增益的存在，锁存比较器失调电压的影响也减小相应倍数。 假设预放级1～3和锁存比较器的失调电压分别是Vos1、Vos2、Vos3、VosL，预放级1～3的增益分别为A1、A2、A3，开关S3、S4和S5、S6注入到电容上的电荷失配量分别为△Q3,4、△Q5,6电容C1～C4的电容量都为C，则使用失调校准技术后，比较器的残余输入失调将为： 从式(1)看出，要达到0．2mV的分辨率，还应根据锁存器的失调电压确定
模拟信号和数字信号的优缺点 模拟信号好还是数字信号好，很多人都会说数字信号，但为 什么数字信号好呢？那就有相当一部分人答不出来了，究竟模拟信 号和数字信号的优缺点在哪呢？ 模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。 1）保密性差 模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。 2）抗干扰能力弱 电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部 的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量 下降。线路越长，噪声的积累也就越多 3）不适宜远距离传输 数字化传输优点 1）加强了通信的保密性。 2）提高了抗干扰能力。 3）可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换 统一起来，可以形成一个综合数字通信网 4）适宜远距离传输
由于数字信号在传输过程中可以不断地通过整形和判决再生，因此它可以实现无噪声积累和无非线性失真的高质量长途传输。光 纤所具有的极宽传输带宽和极小传输损耗，使数字通信的广泛应用 成为可能。数字视频光传输与传统的模拟光传输相比，具有如下显 著特性： 1）可级联，随距离的增加，SNR信噪比不会下降。 2）由于是数字传输方式，采用数字编码纠错方式，具有高 稳定性和高可靠性。 3）多路信号同传时，采用数字时分复用技术（TMD），不会 产生模拟传输时的交调失真。 4）稳定性好，环境适应性高，比模拟传输系统易于维护与 调节。 5）易于实现大容量传输，且性价比高。 6）采用无压缩编码，图像信号质量高，达广播级。 在传输中，如视频监控，数据传输等，基本上都是由光端机 来进行的，而视频监控中采用最多的则是视频光端机这类传输设备。
1. 线形光耦介绍 光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。 对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。 模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。 市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍2. 芯片介绍与原理说明 HCNR200/201的内部框图如下所示 其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。 1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和 K2,即 K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得 K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。
PLC对模拟量信号的处理过程及方法模拟量信号是自动化过程控制系统中最基本的过程信号(压力、温度、流量等)输入形式。系统中的过程信号通过变送器，将这些检测信号转换为统一的电压、电流信号，并将这些信号实时的传送至控制器(PLC)。 PLC通过计算转换，将这些模拟量信号转换为内部的数值信号。从而实现系统的监控及控制。从现场的物理信号到PLC内部处理的数值信号，有以下几个步骤：
从以上PLC模拟量的信号输入流程可以看到，在自动化过程控制系统中，模拟量信号的输入是非常复杂的。但是，在现目前的工业现场，对模拟量信号的处理已基本都采用电流信号方式进行传输，
相比于电压信号方式，电流信号抗干扰能力更强，传输距离更远，信号稳定。 这里就PLC对模拟量信号的转换过程进行一个简单的分解介绍。 PLC对模拟量信号的转换 西门子S7-200SMART PLC模拟量模块对模拟量信号的转换范围 台达DVP系列模拟量模块对模拟量信号的转换范围从以上 可以看到： 1、模拟量信号接入PLC后，PLC将模拟量信号转换为了整型数据，不是浮点数(如西门子-27,648 到 27,648); 2、不同品牌的PLC对模拟量转换范围是有差异的(如西门子-27,648 到 27,648;台达-32,384 到 32,384); 3、PLC同一个模块对不同类型的模拟量信号的转换范围是一致的
(如西门子对±10 V、±5 V、±2.5 V 或 0 到 20mA的模拟量信号的转换范围均为-27,648 到 27,648); 故从以上几点我们可以知道，接入PLC的模拟量信号还需要进行再转换处理，才可以得到与实际物理量相匹配的数据;在进行数据转换处理的时候，还应该与使用的PLC模块的处理数据范围相对应。PLC数据转换处理过程 1、模拟量信号与PLC转换数据之间的转换 从以上内容知道，从PLC直接读取到的模拟量信号为整型数据，整型数据无法直观的反馈出实际的物理量大小，故为了能够直观的反馈出现场的过程信号情况，还应该将这些整型数据转换为反馈直观真实的浮点数信号。这里以台达PLC模拟量输入模块的数据处理过程为例说明。
0-5V（0-20mA）、0-75mV高精度模拟信号隔离分配模块 业界最小体积、低成本、高精度模拟信号转频率信号(V/F变换)隔离变送器，是一种将模拟直流电压信号或电流信号隔离转换成相应数字脉冲频率信号的混合集成电路。该电路在同一芯片上集成了多组高隔离的DC/DC分布电源，分别给内部输入端放大电路、调制电路和输出端解调电路、转换电路、滤波电路供电，同时还供电给几个高性能的信号隔离、AD 转换、线性化补偿、干扰抑制电路等。SMD工艺结构及新技术隔离措施使该器件能达到：电源、信号的输入/输出 3000VDC三隔离。并且能满足工业级宽温度、潮湿、震动等现场恶劣工作环境要求。产品可根据用户自定义参数要求制作，安装方式为标准SIP 16Pin PCB板焊接安装或DIN 35导轨安装。模拟信号转频率信号(V/F变换)隔离变送器IC 使用非常方便，用客户只需外接零点、满度电位器进行校准即可实现传感器模拟信号隔离转换成单位脉冲信号的隔离变送。产品可根据用户自定义参数要求制作，安装方式为标准SIP 16Pin PCB板焊接安装或DIN 35导轨安装。 模拟量光电隔离放大器变送器，是一种将模拟信号隔离放大、转换变送成按比例输出模拟量的混合集成电路。该IC在同一芯片上集成了一个多隔离的DC/DC变换电源和一组光电耦合的模拟信号隔离变送电路，输入与输出侧宽爬电距离及内部隔离措施使该芯片可实现信号输入/输出/辅助电源3KVDC 三隔离。模拟量光电隔离放大器产品采用了直流信号模拟光电耦合传输技术，所以光电隔离型产品与磁电隔离型的相比具有较强的抗EMC电磁干扰和高频信号空间干扰特性。 1、精度等级：0.1级、0.2级、0.5级,全量程内非线性度<0.2%。 2、具有较强的抗EMC电 磁干扰和高频信号空间干扰特性。3、低成本、小体积,SIP 12Pin符合UL94V-0标准阻燃封装 。4、直流电流 / 电压信号的隔离、转换及放大。5、工业现场信号隔离及长线传输。6、可外接多圈电位器进行调节零点和增益、满度校准。7、信号远程无失真传输。8、电力监控、医疗设备隔离安全栅。9、辅助电源、模拟量输入与输出之间： 3000VDC 三隔离10、辅助电源：5V,12V,15V,24VDC等单电源供电。11、PLC/PCC/DCS 及仪器仪表与传感器信号收发。12、传感器4-20mA模拟信号一进二出、二进二出隔离、放大、转换功能实现。13、工业级温度范围: -20 ~ +70 ℃。14、模拟信号地线干扰抑制及数据隔离、采集。 2、模拟量光电隔离放大器变送器采用了线性光电耦合的低成本方案，主要用于对EMC（电 磁干扰）有特殊要求的场合。IC的零点和增益、满度可通过外接多圈电位器进行调节校准，方便工业现场根据仪器设备的工作运行状态进行调节和校正。产品广泛应用在电力运行安全监控、PLC、DCS、FCS、变频器、仪器仪表、医疗设备、工业自动化等需要电量隔离采集测控的行业。
信号数据可以用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取什是否离散来确定。模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，如图1-1（a）所示。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，如图1-1（b）所示，它是对图1-1（a）的模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的信号，虽然其波形在时间上是不连续的，但其幅度取值是连续的，所以仍是模拟信号，称之为脉冲幅度调制（PAM，简称脉幅调制）信号。 数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到广泛的应用。1．模拟通信 模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在两个主要缺点。 （1）保密性差 模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。 （2）抗干扰能力弱 电信号在沿线路的传输过程中会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。 2．数字通信 （1）数字化传输与交换的优越性 ①加强了通信的保密性。语音信号经A／D变换后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经D/A变换还原成模拟信号。 数字加密处理可简单描述如下，Y1表示语音变成的数字信号Y1＝1011101100001，采用8位密码C＝10001101。在送到传输线路之前，将密码“加”到语音码中去，X＝Y1＋C（密码C连续重复），则传输的数字信号为 X＝Y1＋C＝1011101100001 Y1 ＋1000110110001 C ————————————— 0011011010000 X 显然X≠Y1，即便有人窃听到X码，也不能马上得到Y1码。在接收端，只要再将相同密码C与数码X相加，就能丰碑成原来的语音数码Y1，即 Y1＝X＋C＝0011011010000 X ＋1000110110001 C ————————————— 1011101100001 Y1 可见，语音数字化为加密处理提供了十分有利的条件，且密码的位数越多，破译密码就越困难。 ②提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过
PLC对模拟量信号是怎么进行处理的 模拟量信号是自动化过程控制系统中最基本的过程信号(压力、温度、流量等)输入形式。系统中的过程信号通过变送器，将这些检测信号转换为统一的电压、电流信号，并将这些信号实时的传送至控制器(PLC)。 PLC通过计算转换，将这些模拟量信号转换为内部的数值信号。从而实现系统的监控及控制。从现场的物理信号到PLC内部处理的数值信号，有以下几个步骤：
从以上PLC模拟量的信号输入流程可以看到，在自动化过程控制系统中，模拟量信号的输入是非常复杂的。但是，在现目前的工业现场，对模拟量信号的处理已基本都采用电流信号方式进行传输，相比于电
压信号方式，电流信号抗干扰能力更强，传输距离更远，信号稳定。这里就PLC对模拟量信号的转换过程进行一个简单的分解介绍。 1PLC对模拟量信号的转换 西门子S7-200SMART PLC模拟量模块对模拟量信号的转换范围 台达DVP系列模拟量模块对模拟量信号的转换范围 从以上可以看到： 1、模拟量信号接入PLC后，PLC将模拟量信号转换为了整型数据，不是浮点数(如西门子-27,648 到 27,648); 2、不同品牌的PLC对模拟量转换范围是有差异的(如西门子-27,648 到 27,648;台达-32,384 到 32,384); 3、PLC同一个模块对不同类型的模拟量信号的转换范围是一致的(如西门子对±10 V、±5 V、±2.5 V 或 0 到 20mA的模拟量信号的转
换范围均为-27,648 到 27,648); 故从以上几点我们可以知道，接入PLC的模拟量信号还需要进行再转换处理，才可以得到与实际物理量相匹配的数据;在进行数据转换处理的时候，还应该与使用的PLC模块的处理数据范围相对应。 2PLC数据转换处理过程 1、模拟量信号与PLC转换数据之间的转换 从以上内容知道，从PLC直接读取到的模拟量信号为整型数据，整型数据无法直观的反馈出实际的物理量大小，故为了能够直观的反馈出现场的过程信号情况，还应该将这些整型数据转换为反馈直观真实的浮点数信号。这里以台达PLC模拟量输入模块的数据处理过程为例说明。
第一章 复 习 题 1、模拟信号和数字信号的特点分别是什么? 2、设数字信号码元时间长度为1s μ，如采用四电平传输，求信息传输速率及符号速率。 3、接上题，若传输过程中2秒误1个比特，求误码率。 4、假设频带宽度为1024kHz ，可传输2048s kbit /的比特率，试问其频带利用率为多少? 第一章 复习题答案 1、答：模拟信号的特点是幅度取值是连续的。 数字信号的特点是幅度取值是离散的。 2、答：符号速率为 Bd t N B B 661010 11===- 信息传输速率为 s Mbit s bit M N R B b /2/1024log 10log 6262=?=?== 3、答：误码率＝发生误码个数／传输总码元数 76105.210 221-?=??= 4、答：Hz s bit //210 102410204833 =??==频带宽度信息传输速率η 第二章 复 习 题 1、某模拟信号频谱如题图2.1所示，求满足抽样定理时的抽样频率s f 。若kHz f s 10=，试 画出抽样信号的频谱，并说明此频谱出现什么现象? 2、画出9=l 的均匀量化信噪比曲线（忽略过载区内的量化噪声功率）。 3、画出6.87,7==A l 的A 律压缩特性的非均匀量化信噪比曲线。 4、为什么A 律压缩特性一般A 取87．6。 5、A 律13折线编码器，8=l ，一个样值为?=93S i ，试将其编成相应的码字，并求其编码误差与解码误差。 6、A 律13折线编码器，8=l ，过载电压mV U 4096=，一个样值为mV u S 796-=，试将其编
成相应的码字，并求其编码电平与解码电平。 第二章 复 习 题 答 案 1、kHz f f B kHz f kHz f M M 415,5,100=-=-=== B f <0 ∴此信号为低通型信号 满足抽样定理时，应有 kHz f f M s 10522=?=≥ 若kHz f s 10=，抽样信号的频谱为： 此频谱的一次下边带与原始频带重叠，即没有防卫带。 2、 e e e x x x N N S N l lg 2059lg 205123lg 20lg 203lg 20)/(512 ,9q +=+?=+?===均匀 3、 x x x N N S A N l q lg 2047lg 201283lg 20lg 203lg 20)/(6 .87,128,7+=+?=+?====均匀 246.87ln 16.87lg 20ln 1lg 20=+=+=A A Q )39lg 20(dB x -≤