模拟量输入输出通道的接口技术课件.pptx

1、第7章 过程控制数据处理的方法 7.1 7.1 数字滤波技术数字滤波技术 7.2 7.2 量程自动转换和标度变换量程自动转换和标度变换 7.3 7.3 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 7.4 DSP7.4 DSP在数据处理中的应用在数据处理中的应用7.1 数数字滤滤波技术术引言：引言：环境需要滤波。环境需要滤波。目的：提高信目的：提高信/噪这就是数字滤波。噪这就是数字滤波。方法：方法：模拟滤波模拟滤波 数字滤波数字滤波微机控制技术1 数字滤波器的优点 （1 1）无需增加任何硬设备。）无需增加任何硬设备。（2 2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。（3

2、3）可多通道共享，从而降低了成本。）可多通道共享，从而降低了成本。（4 4）可以对频率很低）可以对频率很低(如如0.01Hz)0.01Hz)的信号进行滤波。的信号进行滤波。（5 5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤 波方法，或改变滤波器的参数。波方法，或改变滤波器的参数。在计算机控制系统中得到广泛的应用。在计算机控制系统中得到广泛的应用。微机控制技术2数字滤波的方法数字滤波的几种常用方法：（1）程序判断滤波（2）中值滤波（3）算术平均值滤波（4）加权平均值滤波（5）滑动平均值滤波（6）RC低通数字滤波（7）复合数字滤波 微机控制技术7.1 数数字滤滤

3、波技术术7.1.1 7.1.1 程序判断滤波程序判断滤波7.1.2 7.1.2 算术平均值滤波算术平均值滤波7.1.3 7.1.3 加权平均值滤波加权平均值滤波7.1.4 7.1.4 滑动平均值滤波滑动平均值滤波7.1.5 RC7.1.5 RC低通数字滤波低通数字滤波7.1.6 7.1.6 复合数字滤波复合数字滤波7.1.7 7.1.7 各种数字滤波性能的比较各种数字滤波性能的比较7.1.1 程序判断滤断滤波（1 1）方法：）方法：根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大允许偏差大允许偏差 Y Y。若两次采样信号之间的偏差若两次

4、采样信号之间的偏差 超过超过Y Y：则表明该输入信号是干扰信号，去掉。：则表明该输入信号是干扰信号，去掉。小于小于Y Y：将信号作为本次采样值。：将信号作为本次采样值。（2 2）应用场合：）应用场合：当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，可采用程序判断法进行滤波。严重失真等，可采用程序判断法进行滤波。微机控制技术滤滤波方法限幅滤滤波 和 限速滤滤波 1 1限幅滤波限幅滤波 作法：作法：|Y|Y（k k）-Y(k

5、-1)|-Y(k-1)|Y,Y,则取则取Y Y（k k）=Y=Y（k k）|Y|Y（k k）-Y(k-1)|-Y(k-1)|Y,Y,则则Y Y（k k）=Y=Y（k-1k-1）(7-1)(7-1)式中：式中：Y Y（k k）第第 k k 次采样值；次采样值；Y(k-1)Y(k-1)第第(k-1)(k-1)次采样值；次采样值；YY相邻两次采样值允许的最大偏差。相邻两次采样值允许的最大偏差。（其大小取决于采样周期T及Y值的变化动态响应）。微机控制技术7.11 程序判断滤断滤波用途：用途：主要用于变化比较缓慢的参数，（温度、物位等）主要用于变化比较缓慢的参数，（温度、物位等）门限值门限值Y Y的选取

6、：的选取：Y Y太大，增大了系统误差允许的程度；太大，增大了系统误差允许的程度；Y Y太小，又会使计算机采样效率变低。太小，又会使计算机采样效率变低。（根据经验数据获得，必要时，也可由实验得出）。微机控制技术7.11 程序判断滤断滤波2 2限速滤波限速滤波（1 1）基本原理）基本原理 则最多可用三次采样值来决定采样结果。则最多可用三次采样值来决定采样结果。作法：当作法：当|Y(2)-Y(1)|Y(2)-Y(1)|Y Y时，再采样一次，取得时，再采样一次，取得Y(3)Y(3)，根据根据|Y(3)-Y(2)|Y(3)-Y(2)|与与Y Y的大小关系来决定本次采样值。：的大小关系来决定本次采样值。：

7、设在设在 t1 t1、t2t2、t3 t3 顺序采样值依次为为顺序采样值依次为为 Y(1)Y(1)、Y(2)Y(2)、Y(3)Y(3)，若若|Y(2)-Y(1)|Y(2)-Y(1)|Y Y，取，取 Y(2)Y(2)输入计算机输入计算机 当当|Y(2)-Y(1)|Y(2)-Y(1)|y y时，继续采样取得时，继续采样取得 Y(3)Y(3)若若|Y(3)-Y(2)|Y(3)-Y(2)|Y Y时，则取时，则取Y(3)Y(3)输入计算机输入计算机 当当|Y(3)-Y(2)|Y(3)-Y(2)|Y Y时，则取时，则取Y(3)+Y(2)/2Y(3)+Y(2)/2输入计算机输入计算机 微机控制技术(7-2)

8、7.11 程序判断滤断滤波 特点特点:限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的限速滤波是一种折衷的方法，既照顾了采样的 实时性，又顾及了采样值变化的连续性。实时性，又顾及了采样值变化的连续性。缺点：缺点：Y Y的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断的确定不够灵活，必须根据现场的情况不断 更换新值；更换新值；不能反应采样点数不能反应采样点数 N N3 3 时各采样数值受干扰时各采样数值受干扰 情况。情况。实际中，可取实际中，可取|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)/2|Y(1)-Y(2)|+|Y(2)-Y(3)/2取代取代Y Y 这样既保持限速滤波的特性，又加大了灵活性。这样既保持限速滤

9、波的特性，又加大了灵活性。（如图（如图7-17-1）微机控制技术7.11 程序判断滤断滤波 图图7-1 7-1 限速滤波程序流程图限速滤波程序流程图微机控制技术7.11 程序判断滤断滤波内存分配内存分配:20H20H、21H21H、22H 22H Y Y（1 1）、）、Y Y（2 2）、）、Y Y（3 3）23H23H、24H24H中间结果中间结果 LIMIT-LIMIT-Y Y 滤波结果存放在滤波结果存放在A A累加器中。累加器中。限速滤波程序如下：限速滤波程序如下：微机控制技术7.11 程序判断滤断滤波ORGORG8000H8000HPRODT2PRODT2：MOVMOVA A，20H20

10、H；A AY Y（1 1）CLRCLRC C；进位位清零；进位位清零SUBBSUBBA A，21H21H；计算；计算Y Y（1 1）-Y Y（2 2）JNCJNCLOOP1LOOP1；Y Y（1 1）-Y Y（2 2）0 0，转，转LOOP1LOOP1CPLCPLA A ；负数，取反加负数，取反加1 1INCINCA ALOOP1LOOP1：MOVMOV23H23H，A A；23H23HY Y（1 1）-Y Y（2 2）MOVMOVA A，21H21H；计算；计算 Y Y（2 2）-Y Y（3 3）CLRCLRC CSUBBSUBBA A，22H22HJNCJNCLOOP2LOOP2CPLCP

11、LA A ；负数，取反加负数，取反加1 1INCINCA A（2 2）程）程 序序 P197P197微机控制技术LOOP2LOOP2：MOVMOV24H24H，A A；24H24HY Y（2 2）-Y Y（3 3）ADDADDA A，23H23H；计算；计算Y Y=Y Y(1)-(1)-Y Y(2)|+|(2)|+|Y Y(2)-(2)-Y Y(3)(3)/2/2RRCRRCA AMOVMOVLIMITLIMIT，A A；（；（LIMITLIMIT）Y YMOVMOVA A，23H23HCJNECJNEA A，LIMITLIMIT，DONE1DONE1AJAMPAJAMPDONE2DONE2；

12、Y Y(1)-(1)-Y Y(2)(2)Y Y，转，转DONE2DONE2DONE1DONE1：JCJCDONE2DONE2；Y Y(1)-(1)-Y Y(2)(2)Y Y，转，转DONE2DONE2MOVMOVA A，24H24H；A A Y Y(2)-(2)-Y Y(3)(3)CJNECJNEA A，LIMITLIMIT，DONE4DONE4AJAMPAJAMPDONE5DONE5；Y Y(2)-(2)-Y Y(3)(3)Y Y，转，转DONE5DONE5DONE4DONE4：JCJCDONE5DONE5；Y Y(2)-(2)-Y Y(3)(3)Y Y，取，取Y(3)+Y(2)/2Y(3)

13、+Y(2)/2 ADD ADDA A，22H22H RRC RRCA A AJMP AJMP DONE3DONE3DONE2DONE2：MOVMOVA A，21H21H ；Y Y(1)-(1)-Y Y(2)(2)Y，取，取Y(2Y(2）DONE3DONE3：RETRETLIMIT EQU 30H 算术平均值滤波是要寻找一个Y(k)，使该值与各采样值间误差的平方和为最小，即 由一元函数求极值原理，得式(7-3)(7-3)(7-3)式中，式中，(k)(k)第第k k次次NN个采样值的算术平均值；个采样值的算术平均值；(i)(i)第第i i次采样值；次采样值；N N 采样次数。采样次数。7.12 算

14、术术平均值滤值滤波 Yx微机控制技术算术术平均值滤值滤波浮点运运算子程序 ORGORG 8000H 8000HFARIFT:MOVFARIFT:MOV R6,#40H R6,#40H ;置初值置初值0 0 MOV R2,#00H MOV R2,#00H MOV R3,#00H MOV R3,#00H MOV A,COUNT MOV A,COUNT PUSH A PUSH A MOV R0.#DATA MOV R0.#DATA7.12 算术术平均值滤值滤波 LOOP LOOP：LCALL LOADXILCALL LOADXI；R7R7（阶）（阶）R4R5R4R5X X(i i)CLRCLR 3A

15、H 3AH；执行加法；执行加法LCALLLCALL FABP FABP；R6R6（阶）（阶）R2R3+R7R2R3+R7（阶）（阶）R4R5R4R5；R4R4（阶）（阶）R2R3R2R3MOVMOVA A，R4R4；送累加和到；送累加和到R6R6（阶）（阶）R2R3R2R3MOVMOVR6R6，A ADJNZDJNZCOUNTCOUNT，LOOPLOOP；N N0 0，继续相加，继续相加LCALLLCALLFSTRFSTR；N N次采样值的累加和次采样值的累加和送送（R1R1）指向的）指向的3 3个单元个单元POPPOPA A；恢复；恢复N NMOVMOVR2R2，#00H#00H ；送；送N

16、 N到到R2R3R2R3MOVMOVR3R3，A AMOVMOVA A，#MED2#MED2XCHXCHA A，R1R1MOVMOVR0R0，A A；累加和送（；累加和送（R0R0）指向的）指向的3 3个单元中个单元中CLRCLR3CH3CHLCALLLCALL INTF INTF；将；将N N转换成浮点数转换成浮点数微机控制技术7.12 算术术平均值滤值滤波LCALLLCALLFDIVFDIV；计算；计算N N次采样值累加和的平均值次采样值累加和的平均值MOVMOVA A，R0R0MOVMOVR1R1，A ALCALLLCALLFSTRFSTR；存放平均值；存放平均值RETRETLOADXI

17、LOADXI：MOVMOV36H36H，R6R6 ；保护中间结果；保护中间结果MOVMOV37H37H，R2R2MOVMOV38H38H，R3R3MOVMOVA A，R0R0MOVMOVR3R3，A AINC INC R0R0MOVMOVA A，R0R0MOVMOVR2R2，A AINC INC R0R0MOVMOVR1R1，#MED1#MED1CLR CLR 3AH3AH7.12 算术术平均值滤值滤波LCALL LCALL INTF INTF；转换成；转换成3 3字节浮点数字节浮点数MOVMOVA A，R1R1；把；把3 3字节浮点数送到字节浮点数送到R7R7（阶）（阶）R4R5R4R5MO

18、VMOVR7R7，A AINC INC R1R1MOVMOVA A，R1R1MOVMOVR4R4，A AINC INC R1R1MOVMOVA A，R1R1MOVMOVR5R5，A ADECDECR1R1DECDECR1R1MOVMOVR6R6，36H36H ；恢复中间结果；恢复中间结果MOVMOVR2R2，37H37HMOVMOVR3R3，38H38HRETRET7.12 算术术平均值滤值滤波DATADATAEQUEQU20H20HMED1MED1EQUEQU30H30HCOUNTCOUNT EQUEQU33H33HMED2 EQU36H 7.12 算术术平均值滤值滤波说明：说明：算术平均滤

19、波主要用于对周期脉动的采样值进行算术平均滤波主要用于对周期脉动的采样值进行 平滑加工（如压力、流量等）平滑加工（如压力、流量等）对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想。对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想。随着随着 N N值的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。值的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。经验数据：经验数据：流量参数滤波时，流量参数滤波时，NN取取1212次，次，压力取压力取4 4次，次，如无噪声干扰，温度可不取平均值。如无噪声干扰，温度可不取平均值。微机控制技术 7.13 加权权平均值滤值滤波 算术平均滤波法滤波结果中取每次采样值的算术平均滤波法滤波结果中取每次采样值的1/N1/N。有时为提高滤波效果

20、，将各采样值取不同的比例，求其和作为有时为提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，求其和作为滤波结果，称为加权平均法。滤波结果，称为加权平均法。一个一个 n n 项加权平均式为项加权平均式为 式中式中C0C0、ClCl、Cn-lCn-l均为常数项，应满足下列关系：均为常数项，应满足下列关系：(7-5)(7-5)式中式中 C0C0、ClCl、C2C2、Cn-l Cn-l 为各次采样值的系数。为各次采样值的系数。111niniXCkY)(110niiC(7-5)微机控制技术7.14 滑动动平均值滤值滤波 算术平均值滤波，加权平均值滤波，适合于有脉动式算术平均值滤波，加权平均值滤波，适合于有脉动式干扰

21、的场合。干扰的场合。采用滑动平均值滤波法，可加快平均滤波的速度。采用滑动平均值滤波法，可加快平均滤波的速度。作法：在作法：在RAMRAM中建立一个数据缓冲区，中建立一个数据缓冲区，依顺序存放依顺序存放NN次采样数据，每采进一个新数据次采样数据，每采进一个新数据 就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新 数据在内的数据在内的NN个数据的算术平均值或加权平均个数据的算术平均值或加权平均 值。值。这样，每一次采样，就可计算出一个新的平均值。这样，每一次采样，就可计算出一个新的平均值。微机控制技术7.14 滑动动平均值滤值滤波滑动平均值滤波程序有两种：滑动平均值

22、滤波程序有两种：一种是滑动算术平均值滤波，一种是滑动算术平均值滤波，一种是滑动加权平均值滤波。一种是滑动加权平均值滤波。微机控制技术7.15 RC低通数数字滤滤波 前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波，前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波，适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。仿照模拟系统仿照模拟系统RCRC低通滤波器的方法，用数字形式低通滤波器的方法，用数字形式 实现低通滤波，可以提高滤波效果。实现低通滤波，可以提高滤波效果。如图如图7-37-3所示。所示。微机控制技术7.15 RC低通数数字滤滤波图图7-3 RC7-3 RC低通滤波器低

23、通滤波器微机控制技术7.15 RC低通数数字滤滤波 由图由图7-37-3，写出模拟低通滤波器的传递函数，即，写出模拟低通滤波器的传递函数，即(7-6)(7-6)其中，其中，为为 RC RC滤波器的时间常数滤波器的时间常数，RCRC。由公式（由公式（7-67-6）可以看出，）可以看出，RCRC低通滤波器实际上是一低通滤波器实际上是一个一阶滞后滤波系统。个一阶滞后滤波系统。将式将式(7-6)(7-6)离散后，可得离散后，可得 (7-7)(7-7)式中，式中，X(k)X(k)第第k k次采样值；次采样值；Y(k-1)Y(k-1)第第k-1k-1次滤波结果输出值；次滤波结果输出值；11ssYsXsG)

24、()(kXkYkY11微机控制技术 Y(k)Y(k)第第k k次滤波结果输出值；次滤波结果输出值；滤波平滑系数，滤波平滑系数，T T采样周期。采样周期。对于一个确定的采样系统而言，T为已知量，所以由 ，可得（7-8）当 1时，ln(1-)-1=，则式（7-8）可简化为 (7-9）式(68)可简化为7.15 RC低通数数字滤滤波TT或1lnT微机控制技术Te1Te17.15 RC低通数数字滤滤波 从式(7-9)中可清楚地看出，采样周期T和RC滤波器的时间常数 及相应的数字滤波器的滤波平滑系数 之间的关系。式(7-7)即为模拟RC低通滤波器的数字滤波器，可用程序来实现。微机控制技术7.1.6 复复

25、合数数字滤滤波 为进一步提高滤波效果，可以把两种或两种以上为进一步提高滤波效果，可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。滤波器，或称多级数字滤波器。例如例如 算术平均滤波算术平均滤波/加权平均滤波只能对周期性的脉动采样值进行加权平均滤波只能对周期性的脉动采样值进行平滑加工。平滑加工。中值滤波可以解决随机的脉冲干扰中值滤波可以解决随机的脉冲干扰(电网的波动，变送器的临电网的波动，变送器的临时故障等时故障等)。将二者组合起来，形成多功能的复合滤波。将二者组合起来，形成多功能的复合滤波。微机控制技术

26、1、防脉冲干扰的平均值滤波防脉冲干扰的平均值滤波 上述滤波方法的原理可由下式表示：上述滤波方法的原理可由下式表示：若若 X(1)X(2)X(N),3 N14 X(1)X(2)X(N),3 N14 (7-10)2 2、双重滤波的方法双重滤波的方法 把采样值经过低通滤波后，再经过一次高通滤波，把采样值经过低通滤波后，再经过一次高通滤波，这实际上相当于多级这实际上相当于多级 RC RC 滤波器。滤波器。2132NNXXXkY)()()()(1221NiiXN)(微机控制技术7.1.6 复复合数数字滤滤波 对于多级数字滤波，根据式(7-7)可知：第一级滤 (7-11)式中，A、B均为与滤波环节的时间常

27、数及采样时间有关的常数。(7-12)再进行一次滤波，则 Z Z（k k）=AZ=AZ（k-1k-1）+BY+BY（k k）(7-12)式中，Z(k)数字滤波器的输出值；Z(k-1)上次数字滤波器的输出值。)()()(kBXkAYkY1)()()(kBYkAZkZ1微机控制技术 将式将式(7-11)(7-11)代入式代入式(7-12)(7-12)得得 (7-13)(7-13)将式将式(612)(612)移项，并将移项，并将k k改为改为k-1k-1，则，则 Z Z（k-1k-1）-AZ-AZ（k-2k-2）=BY=BY（k-1k-1）(7-14)(7-14)将将BY(k1)BY(k1)代入式代入

28、式(7-13)(7-13)，得，得 (7-13)(7-13)式式(7-14)(7-14)即为两级数字滤波公式。据此可设计出一个采用即为两级数字滤波公式。据此可设计出一个采用n n 级级数字滤波的一般原理图。数字滤波的一般原理图。如图如图7-67-6所示。所示。)()()()(kXBkABYkAZkZ211)()()(121kBYkAZkZ)()()()(kXBkZAkAZkZ22212微机控制技术7.1.6 复复合数数字滤滤波图图7-4 n 7-4 n 级数字滤波的一般形式级数字滤波的一般形式微机控制技术7.17 各种数种数字滤滤波性能的比较较 以上介绍了七种数字滤波方法，读者可根据需要设计出

29、更多的数字滤波程序。每种滤波程序都有其各自的特点，可根据具体的测量参数进行合理的选用。微机控制技术7.17 各种数种数字滤滤波性能的比较较1.1.滤波效果滤波效果 （1 1）变化比较慢的参数，如温度，用程序判断滤波及变化比较慢的参数，如温度，用程序判断滤波及 一阶滞后滤波方法。一阶滞后滤波方法。（2 2）变化比较快的脉冲参数，如压力、流量等，则可变化比较快的脉冲参数，如压力、流量等，则可 选择算术平均和加权平均滤波法，特别是加权平选择算术平均和加权平均滤波法，特别是加权平 均滤波法更好。均滤波法更好。（3 3）要求比较高的系统，需要用复合滤波法。要求比较高的系统，需要用复合滤波法。（4 4）在

30、算术平均滤波和加权平均滤波中，其滤波效果在算术平均滤波和加权平均滤波中，其滤波效果 与所选择的采样次数与所选择的采样次数NN有关。有关。NN越大，则滤波效果越大，则滤波效果 越好，但花费的时间也愈长。越好，但花费的时间也愈长。（5 5）高通及低通滤波程序是比较特殊的滤波程序，使高通及低通滤波程序是比较特殊的滤波程序，使 用时一定要根据其特点选用用时一定要根据其特点选用。微机控制技术7.17 各种数种数字滤滤波性能的比较较 2 2滤波时间滤波时间（1 1）在考虑滤波效果的前提下，应尽量采用执行时间比较在考虑滤波效果的前提下，应尽量采用执行时间比较 短的程序，若计算机时间允许，可采用效果更好的复短

31、的程序，若计算机时间允许，可采用效果更好的复 合滤波程序。合滤波程序。（2 2）注意，数字滤波在热工和化工过程注意，数字滤波在热工和化工过程 DDC DDC系统中并非一定需系统中并非一定需 要，需根据具体情况，经过分析、实验加以选用。要，需根据具体情况，经过分析、实验加以选用。（3 3）不适当地应用数字滤波不适当地应用数字滤波(例如，可能将待控制的波滤掉例如，可能将待控制的波滤掉)，反而会降低控制效果，以至失控，因此必须给予注意。反而会降低控制效果，以至失控，因此必须给予注意。微机控制技术7.2 量程自动转换动转换和标标度变换变换1.为什么要进行标度变换 生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲

32、，如测温元件用热 电偶或热电阻，温度单位为，如 铂铑-铂热电偶 镍铬-镍铬热电偶 017.677mV 0 48.87mV 变送器：1 5V 1 5V A/D:00FFH:00FFH 0 1600 0 1200 为进一步进行显示、记录、打印以及报警等操作，必须把些数字量转换成不同的单位，以便操作人员对生产过程进行监视和管理，这就是所谓的标度变换。微机控制技术7.2 量程自动转换和标度变换2.量程自动转换另一方面，如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽时，为了提高测量精度，智能化测量仪表应能自动转换量程。微机控制技术7.2 量程自动转换动转换和标标度变换变换7.2.1 7.2.1 量

33、程自动转换量程自动转换7.2.2 7.2.2 线性参数标度变换线性参数标度变换7.2.3 7.2.3 非线性参数标度变换非线性参数标度变换 7.2.1 量程自动转换动转换由于传感器所提供的信号变化范围很宽（从微伏到伏），特别是在多回路检测系统中，当各回路的参数信号不一样时，必须提供各种量程的放大器，才能保证送到计算机的信号一致（05V）。在模拟系统中，为了放大不同的信号，往往使用不同放大倍数的放大器。而在电动单位组合仪表中，常常使用各种类型的变送器，如温度变送器、差压变送器、位移变送器等。微机控制技术7.2.1 量程自动转换但是，这种变送器造价比较贵，系统也比较复杂。随着微型机的应用，为了减少

34、硬件设备，现在已经研制出一种可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier），简称PGA。它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。这就是所谓的量程自动转换。微机控制技术7.2.1 量程自动转换可编程增益放大器分类：一种是由其他放大器外加一些控制电路组成，称为组合型PGA；集成PGA。1.集成PGA 美国B-B公司生产的PGAl01，PGAl02，PGA202/203，美国模拟器件公司生产的LHDC84等，下边以PGAl02为例说明这种电路的原理及应

35、用，其他与此类似。PGAl02是一种高速、数控增益可编程放大器，由脚和脚的电平来选择增益为1，10或100。每种增益均有独立的输入端，通过一个多路开关进行选择。微机控制技术7.2.1 量程自动转换PGAl02PGAl02的的内内部部结构结构，如，如图图7.57.5所示。其增益所示。其增益选择见选择见表表7.17.1。输 入 增 益 脚 脚 10 100 VIN1 G=1 00VIN2 G=1 010VIN3 G=1 0001无效 无效 11注：逻辑0：0V V 0.8V 逻辑1：2V V+VCC 逻辑电压是相对于脚的。微机控制技术7.2.1 量程自动转换图图7.5 PGA7.5 PGA内部结构

36、图内部结构图 微机控制技术7.2.1 量程自动转换由图7.5和表7.1可以看出，1.是一种可控制放大器反馈回路电阻的运算放大器。2.改变X10，X100两管脚的电平，即可选择VIN1，VIN2和VIN3。3.三种输入电路的反馈电阻不同，因而可得到不同 的增益。4.增益的精度也是很高的，一般也不用调整。只在 必要时才采用外接电阻电路进行修正。微机控制技术7.2.1 量程自动转换图图7.7 7.7 增益可编程仪用放大器增益可编程仪用放大器微机控制技术7.2.1 量程自动转换2.组合型PGA组合型PGA由运算放大器、仪器放大器或隔离型放大器，再加上一些附加电路组合而成。多路开关CD 4051+运算放

37、大器微机控制技术7.2.1 量程自动转换图图7.6 7.6 采用多路开关的可编程增益运算放大器采用多路开关的可编程增益运算放大器 微机控制技术在图7.6中，A1，A2，A3组成差动式放大器，A4为电压跟随器，其输入端取自共模输入端VCM，输入端接到A1，A2放大器的电源地端。A1，A2的电源电压的浮动幅度将与VCM相同，从而减弱了共模干扰的影响。实验证明，这种电路与基本电路相比，其共模抑制比至少提高20dB40dB。7.2.1 量程自动转换采用CD 4051做为模拟开关，通过一个4D锁存器与CPU总线相连，改变输入到CD 4051选择输入端C，B，A的数字，即可使R0R7 8个电阻中的一个接通

38、。这8个电阻的阻值可根据放大倍数的要求，由公式 AVl+2R8Ri来求得，从而可得到不同的放大倍数。当CD 4051所有的开关都断开时，相当于Ri，此时放大器的放大倍数为AV1。微机控制技术7.2.1 量程自动转换3.隔离放大器与PGA组成的增益可编程隔离放大器，如图7.8所示。图图7.8 7.8 增益可编程隔离放大器增益可编程隔离放大器微机控制技术7.2.1 量程自动转换如图7.8所示采用隔离放大器ISO122P和可编程放大器PGAl02可组成隔离型增益可编程放大器。这里要求ISO122P的两组15V电压分别由隔离的两组电源供电。为了实现模拟、数字完全隔离，图7.8中采用具有隔离性能的双向数

39、字耦合器ISO150，其输入端接到微型计算机地址总线Al，A0，经隔离后的数字输出端用来控制可编程放大器PGAl02的l，2端子，改变A1，A0的数字，即可得到增益为l，10，100的放大器。微机控制技术7.2.1 量程自动转换4.可编程增益放大器可进行量程自动转换。当被测参数动态范围比较宽时，使用PGA的优越性更为显著。例如在数字电压表中，其测量动态范围可从几个微伏到几百伏。对于这样大的动态范围，要想提高测量精度，必须进行量程转换。以前多用手动进行转换，现在，在智能化数字电压表中，采用 可编程增益放大器+微型机微机控制技术7.2.1 量程自动转换图图7.9 7.9 利用利用PGAPGA实现量

40、程自动转换的数字电压表原理实现量程自动转换的数字电压表原理微机控制技术7.2.1 量程自动转换设图7.9中PGA的增益为1，10，100三挡，A/D转换器为位双积分式A/D转换器，可画出用软件实现量程自动转换的流程图，如图7.10所示。微机控制技术由图7.10可以看出，首先对被测参数进行A/D转换，然后判断是否超值。若超值（某些A/D转换器可发出超值报警信号），且这时PGA的增益已经降到最低挡，则说明被测量超过数字电压表的最大量程，此时转到超量程处理；否则，把PGA的增益降一挡，再进行A/D转换并判断是否超值。若仍然超值，再做如上处理。若不超值，则判最高位是否为零，若是零，则再看增益是否为最高

41、挡。如果不是最高挡，将增益升高一级，再进行A/D转换及判断；如果最高位是1，或PGA已经升到最高挡，则说明量程已经转换到最合适挡，微型机将对此信号做进一步的处理，如数字滤波、标度变换、数字显示等。由此可见，采用可编程增益放大器可使系统选取合适的量程，以便提高测量精度。7.22 线线性参数标参数标度变换变换 线性参数标度变换是最常用的标度变换，其前提条件是被测参数值与AD转换结果为线性关系。线性标度变换的公式为：（7-15）式中，一次测量仪表的下限；一次测量仪表的上限；实际测量值（工程量）；仪表下限所对应的数字量；仪表上限所对应的数字量；测量值所对应的数字量。AAANNNNAxmxm()0000

42、A0AmAxNmNx0N微机控制技术 7.22 线线性参数标参数标度变换变换为了使程序设计简单，一般把一次测量仪表的下限所对应的AD转换值N0=0，也即使。这样式（7-15）可写成 （7-16）在很多测量系统中，仪表下限值0，此时，对应的=0，式（616）可进一步简化为 （7-17）式（7-15）、（7-16）、（7-17）即为在不同情况下的线性刻度仪表测量参数的标度变换公式。AAANNAxmxm()00AANNxmxm微机控制技术 7.22 线线性参数标参数标度变换变换 例某压力测量仪表的量程为4001200Pa，采用8位A/D转换器，设某采样周期计算机中经采样及数字滤波后的数字量为ABH，

43、求此时的压力值。解：根据题意，已知=400Pa，=1200Pa，=ABH=171D，选=FFH=255D，=0，所以采用公式（7-16 ），则 AAANNAxmxm()00 aP9364004001200255171)(微机控制技术 7.22 线线性参数标参数标度变换变换 所谓计算机标度变换程序，就是根据上述三个公式进行计算。为此，可分别把三种情况设计成不同的子程序。设计时，可以采用定点运算，也可以采用浮点运算，根据需要进行选用。为编程方便，三个公式可分别写成如下形式：其中，(7-18)111bNaAxx00001001,NNNAAAbNNAAammmm微机控制技术AAANNNNAxmxm()

44、0000022ANaAxxmmNAAa02AAANNAxmxm()00 xxNaA33mmNAa3AANNxmxm 7.22 线线性参数标参数标度变换变换 根据式（7-18）、（7-19）、（7-20）可求出不同情况下被测参数的标度变换值。现在以式（7-15）为例，说明标度变换程序的设计。微机控制技术 7.22 线线性参数标参数标度变换变换 设经AD采样及数字滤波后的采样值，一次测量仪表下限A0，一次测量仪表上限Am，仪表下限所对应的数字量N0，仪表下限所对应的数字量Nm分别存放在Nx,A0，Am,N0,Nm所对应的内存单元中。微机控制技术 7.22 线线性参数标参数标度变换变换 其标度变换程

45、序如下：其标度变换程序如下：ORG ORG 8000H 8000H ；标度变换程序；标度变换程序1 1（线性参数）（线性参数）SCACOASCACOA：MOVMOVR1R1，#DATA#DATA；NXNX浮点数存放首地址浮点数存放首地址R1R1MOVMOVR0R0，#COSTN1#COSTN1；a a1 1浮点数存放首地址浮点数存放首地址R0R0ACALLACALL FMULFMUL；a a1 1 NXNXR4R4（阶）（阶）R2R3R2R3ACALLACALL FSTRFSTR；R4R4（阶）（阶）R2R3R1R2R3R1指向的指向的3 3个个RAMRAM单元单元MOVMOVR0R0，#CO

46、STN2#COSTN2；R0R0指向指向b b1 1所在的所在的3 3个个RAMRAM单元单元ACALLACALL FADDFADD；计算；计算AXAXa a1 1 NNX X b b1R41R4（阶）（阶）R2R3R2R3ACALLACALL FSTRFSTR；A AXR1XR1指向的三个指向的三个RAMRAM单元单元微机控制技术 7.22 线线性参数标参数标度变换变换 MOVA，R1MOVR0，AMOVR1，#BCDACALL FBTD；将AX转换成BCD码，并放在以BCD为RET ；首地址的REM单元中，Bit 3CH为符号位DATA EQU20H COSTN1EQU23H COSTN2

47、EQU26H BCDEQU29H微机控制技术7.23 非线线性参数标参数标度变换变换 必须指出，前面讲的标度变换公式，只适用于线性变化的参量。如果被测参数为非线性，上面的三个公式均不再适用，需重新建立标度变换公式。一般而言，非线性参数的变化规律各不相同，故其标度变换公式亦需根据各自的具体情况建立。微机控制技术1公式变换法例如，在流量测量中，流量与差压间的关系式为 （7-21）式中，Q流量；K刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸相关；P节流装置的差压。QKP微机控制技术7.23 非线线性参数标参数标度变换变换 可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流

48、量时的标度变换公式为 （7-22）式中，被测流体的流量值 流量仪表的上限值 流量仪表的下限值 差压变送器所测得的差压值（数字量）；差压变送器上限所对应的数字量；差压变送器下限所对应的数字量。QQQNNNNQXmxm()0000QXQmQ0NxNmN0微机控制技术7.23 非线线性参数标参数标度变换变换 对于流量仪表，一般下限皆为0，即=0，所以，式（7-22）可简化为 （7-23）若取流量表下限对应的数字量=0，更可进一步简化公式：（7-24）式（7-22），（7-23），（7-24）即为不同初始条件下的流量标度变换公式。QQNNNNXmxm00QQNNXmxm微机控制技术7.23 非线线性参

49、数标参数标度变换变换 与线性刻度标度变换公式一样，由于 、都是常数，所以式（7-22）、（7-23）、（7-24）可分别记作 （7-25）式中，（7-26）式中，（7-27）式中，式（7-25）、（7-26）、（7-27）即为各种不同条件下的流量标度变换公式，根据这些公式可以设计出各种条件下的流量标度变换程序。QmQ0NmN0QKNNQxx1100KQQNNmm100QKNNxx220KQNNmm20QKNxx33KQNmm3微机控制技术 2其它标它标度变换变换法 许多非线性传感器并不象上面讲的流量传感器那样，可以写出一个简单的公式，或者虽然能够写出，但计算相当困难。这时可采用多项式插值法，也

50、可以用线性插值法或查表法进行标度变换。关于这些方法的详细内容，请参阅本章第4节。微机控制技术7.3 测量数据预处理技术测量数据预处理技术引言1.很多参数是非线性的2.很难找出准确的的数学表达式3.即便有表达式，但计算也非常复杂4.系统大多都允许一定的误差5.用软件补偿方便微机控制技术7.3 测量数据预处理技术测量数据预处理技术7.3.1 7.3.1 线性插值算法线性插值算法7.3.2 7.3.2 分段插值算法程序的设计方法分段插值算法程序的设计方法7.3.3 7.3.3 插值法在流量测量中的应用插值法在流量测量中的应用7.3.4 7.3.4 系统误差的自动校正系统误差的自动校正 7.3.1 线