計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第二章ppt課件

1、第二章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 硬件基礎(chǔ) 2.1 開關(guān)量輸入開關(guān)量輸入 2.2 開關(guān)量輸出開關(guān)量輸出 2.3 模擬量輸入模擬量輸入 2.4 模擬量輸出模擬量輸出 2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的電源計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的電源 2.6 信號(hào)采樣與重構(gòu)信號(hào)采樣與重構(gòu) 2.7 數(shù)字濾波數(shù)字濾波 2.1 開關(guān)量輸入 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,為了獲取系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)定信息,經(jīng)常需要進(jìn)行開關(guān)量信號(hào)的輸入。開關(guān)量的共同特征是幅值離散，可以用一位或多位二進(jìn)制碼表示。 開關(guān)量輸入信號(hào)的類型 開關(guān)量信號(hào)輸入通道 1. 開關(guān)量輸入信號(hào)的類型 開關(guān)量輸入信號(hào)有以下基本類型 一位的狀態(tài)信號(hào)。如閥門的閉合與開啟、電機(jī)的啟動(dòng)與停止、觸點(diǎn)

2、的接通與斷開。 成組的開關(guān)信號(hào)。如用于設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的撥碼開關(guān)組等。 數(shù)字脈沖信號(hào)。許多數(shù)字式傳感器(如轉(zhuǎn)速、位移、流量的數(shù)字傳感器)將被測(cè)物理量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，這些信號(hào)也可歸結(jié)為開關(guān)量。 2. 開關(guān)量信號(hào)輸入通道 針對(duì)不同性質(zhì)的開關(guān)量輸入信號(hào)，可以采取不同的方法輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。一般的系統(tǒng)設(shè)定信息和狀態(tài)信息可以采用并行接口輸入；極限報(bào)警信號(hào)采用中斷方式處理；數(shù)字脈沖信號(hào)可以使用系統(tǒng)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量其脈沖寬度、周期或脈沖個(gè)數(shù)。 出于安全或抗干擾等方面的考慮，現(xiàn)場(chǎng)的開關(guān)量輸入至計(jì)算機(jī)接口前，一般需要進(jìn)行預(yù)處理，然后再送至接口。 幾種常用的預(yù)處理方法圖2.1 開關(guān)量輸入通道的典型結(jié)構(gòu)開關(guān)

3、量輸入的常用預(yù)處理方法q 信號(hào)轉(zhuǎn)換處理 q 安全保護(hù)措施 q 消除機(jī)械抖動(dòng)影響 q 濾波處理 q 隔離處理 q 光電耦合器件原理與使用 信號(hào)轉(zhuǎn)換處理 從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開關(guān)量或數(shù)字量，在邏輯上表現(xiàn)為邏輯“1或邏輯“0”，信號(hào)形式則可能是電壓、電流信號(hào)或開關(guān)的通斷，其幅值范圍也往往不符合數(shù)字電路的電平范圍要求，因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。圖2.2 電壓或電流輸入電路圖2.3 開關(guān)觸點(diǎn)輸入電路安全保護(hù)措施 在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，必須針對(duì)可能出現(xiàn)的輸入過(guò)電壓、瞬間尖峰或極性接反的情況，預(yù)先采取安全保護(hù)措施。圖2.4 輸入保護(hù)電路消除機(jī)械抖動(dòng)影響 操作按鈕、繼電器觸點(diǎn)、行程開關(guān)等機(jī)械裝置在接通或斷開時(shí)均

4、要產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)，體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的輸入上就是輸入信號(hào)在邏輯0和1之間多次振蕩，如不適當(dāng)處理就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的錯(cuò)誤控制。圖2.5 消除開關(guān)抖動(dòng)的電路濾波處理 由于長(zhǎng)線傳輸、電路內(nèi)部干擾影響，使得輸入信號(hào)帶有噪聲信號(hào)，這有可能導(dǎo)致誤讀信號(hào)而出錯(cuò)。圖2.6給出一種用RC濾波電路去除接口噪聲的方法，它同樣可以消除開關(guān)的抖動(dòng)信號(hào)。圖2.6 RC濾波電路隔離處理 從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取的開關(guān)量或數(shù)字量的信號(hào)電平往往高于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯電平，即使輸入開關(guān)量電壓本身不高，也有可能從現(xiàn)場(chǎng)引入意外的高壓信號(hào)，因此必須采取電隔離措施，以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。常用的隔離措施是采用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)的。圖2.7給出了兩種開關(guān)量光電耦合

5、輸入電路，它們除了實(shí)現(xiàn)電氣隔離之外，還具有電平轉(zhuǎn)換功能。圖2.7 開關(guān)量光電耦合輸入電路光電耦合器件原理與使用 光電耦合器件是一種常用且非常有效的電隔離手段，由于它價(jià)格低廉、可靠性好，被廣泛地用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的隔離保護(hù)。根據(jù)輸入級(jí)的不同，用于開關(guān)量隔離的光電隔離器件可分為三極管型、可控硅型等幾種，但其工作原理都是采用光作為傳輸信號(hào)的媒介，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。 使用光電隔離器件的注意事項(xiàng)圖2.8 三極管輸出型光電隔離器件原理 當(dāng)輸入側(cè)流過(guò)一定的電流IF 時(shí)，發(fā)光二極管開始發(fā)光，它觸發(fā)光敏三極管使其導(dǎo)通；當(dāng)撤去該電流時(shí)，發(fā)光二極管熄滅、三極管截止。這樣，就實(shí)現(xiàn)了以光路來(lái)傳遞信號(hào)，保證了兩側(cè)電

6、路沒有電氣聯(lián)系，從而達(dá)到了隔離的目的。 使用光電隔離器件的注意事項(xiàng)q 輸入側(cè)導(dǎo)通電流 q 頻率特性 q 輸出端工作電流 q 輸出端暗電流 q 隔離電壓 q 電源隔離 輸入側(cè)導(dǎo)通電流 要使光電隔離器件的導(dǎo)通，必須在其輸入側(cè)提供足夠大的導(dǎo)通電流，以使發(fā)光二極管發(fā)光。不同的光電隔離器件的導(dǎo)通電流也不同，典型的導(dǎo)通電流 IF=10mA。頻率特性 受發(fā)光二極管和光敏元件響應(yīng)時(shí)間的影響，光電隔離器件只能通過(guò)一定頻率以下的脈沖信號(hào)。因而，在傳送高頻信號(hào)時(shí)，應(yīng)該考慮光電隔器件的頻率特性，選擇通過(guò)頻率較高的光電隔離器。 輸出端工作電流 光電隔離器輸出端的灌電流不能超過(guò)額定值，否則就會(huì)使元件發(fā)生損壞。一般輸出端額

7、定電流在mA量級(jí)，不能直接驅(qū)動(dòng)大功率外部設(shè)備，因此通常從光電隔離器至外設(shè)之間還需設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路。 輸出端暗電流 這是指光電隔離器處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),流經(jīng)輸出端元件的電流，此值越小越好。在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，應(yīng)考慮由于輸出端暗電流而可能引起的誤觸發(fā)，并予以處理。輸出端工作電流 光電隔離器輸出端的灌電流不能超過(guò)額定值，否則就會(huì)使元件發(fā)生損壞。一般輸出端額定電流在 mA量級(jí)，不能直接驅(qū)動(dòng)大功率外部設(shè)備，因此通常從光電隔離器至外設(shè)之間還需設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路。 輸出端暗電流 這是指光電隔離器處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，流經(jīng)輸出端元件的電流，此值越小越好。在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，應(yīng)考慮由于輸出端暗電流而可能引起的誤觸發(fā)，并予以處理。隔離電

8、壓 它是光電隔離器的一個(gè)重要參數(shù)，表示了其電壓隔離的能力。電源隔離 輸出光隔兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。無(wú)論是輸入隔離還是輸出隔離，只要采取光電隔離措施，就必須保證被隔離部分之間電氣完全隔離，否則就起不到隔離作用了。 2.2 開關(guān)量輸出 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開/關(guān)或啟/停，某些控制算法也需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定時(shí)間T內(nèi)的全負(fù)荷工作時(shí)間 t(0tT)，這些控制是通過(guò)計(jì)算機(jī)開關(guān)量輸出通道來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，開關(guān)量輸出信號(hào)用于控制各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，因此要考慮電平轉(zhuǎn)換、功率放大、抗干擾及安全等問題。針對(duì)具體情況，往往采取一些措施。圖2.9 典型的開關(guān)量輸出通道結(jié)構(gòu)常用措施q

9、 隔離處理q 電平轉(zhuǎn)換和功率放大隔離處理 當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸出信號(hào)用于控制較大功率的設(shè)備時(shí)，為防止現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上的強(qiáng)電磁干擾或高電壓通過(guò)輸出控制通道進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般需要采取光電隔離措施隔離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。圖2.10和圖2.11(a)均是采用了光電隔離的開關(guān)量輸出電路。 圖2.10 低壓小功率開關(guān)量輸出電平轉(zhuǎn)換和功率放大 計(jì)算機(jī)通過(guò)并行接口電路輸出的開關(guān)量信號(hào)，往往是低壓直流信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，這種信號(hào)無(wú)論是電壓等級(jí)、還是輸出功率，均無(wú)法滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，所以應(yīng)該進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大，再送往執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。 小功率低壓開關(guān)量輸出 繼電器輸出 可控硅輸出 功率場(chǎng)效應(yīng)輸出 集成功率電子開關(guān)

10、輸出 小功率低壓開關(guān)量輸出 對(duì)于低壓小功率開關(guān)量輸出，可采用晶體管、OC門或運(yùn)放等方式輸出，圖2.10給出的兩種電路一般僅能提供幾十毫安級(jí)的輸出驅(qū)動(dòng)電流，可以驅(qū)動(dòng)低壓電磁閥、指示燈等。圖2.10 低壓小功率開關(guān)量輸出繼電器輸出 繼電器經(jīng)常用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的開關(guān)量輸出功率放大，即利用繼電器作為計(jì)算機(jī)輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)控制較大功率設(shè)備或控制接觸器的通斷以驅(qū)動(dòng)更大功率的負(fù)載，從而完成從直流低壓到交流(或直流)高壓、從小功率到大功率的轉(zhuǎn)換。使用繼電器輸出時(shí)，為克服線圈反電勢(shì)，常在繼電器的線圈上并聯(lián)一個(gè)反向二級(jí)管。繼電器輸出也可以提供電氣隔離功能，但其觸點(diǎn)在通斷瞬間往往容易產(chǎn)生火花而引

11、起干擾，還是必須予以注意的，一般可采用阻容電路予以吸收。圖2.11 繼電器式開關(guān)量輸出可控硅輸出 作為一種大功率半導(dǎo)體無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)器件，可控硅具有以較小的功率來(lái)控制大功率的特點(diǎn)，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中被廣泛地用作功率執(zhí)行元件，一般是由計(jì)算機(jī)發(fā)出數(shù)字觸發(fā)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)其通斷控制。圖2.12是采用可控硅輸出型光電隔離器驅(qū)動(dòng)雙向可控硅的電路圖，圖中與可控硅并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)用于吸收帶感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的與電流不同步的過(guò)壓，可控硅門極電阻則用于提高抗干擾能力，以防誤觸發(fā)。圖2.12 光電隔離的雙向可控硅輸出功率場(chǎng)效應(yīng)輸出 功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是壓控電子開關(guān)，只要在其柵極G和源極S之間加上足夠的控制電壓，漏

12、極D和源極S之間可導(dǎo)通。MOSFET的柵極控制電流為微安級(jí)，而導(dǎo)通后漏極D和源極S之間允許通過(guò)較大的電流，如IRF640導(dǎo)通時(shí)，D、S間允許通過(guò)的最大電流可達(dá)18安培。圖2.13 功率場(chǎng)效晶體管的典型使用方法集成功率電子開關(guān)輸出 集成功率電子開關(guān)是一種可由數(shù)字電路直接驅(qū)動(dòng)的直流電子邏輯開關(guān)，具有開關(guān)速度快、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，一般用于直流負(fù)載且電流不大(幾安培以下)的場(chǎng)合，有時(shí)也可在交流場(chǎng)合使用，常用于微電機(jī)、電磁閥的驅(qū)動(dòng)或取代機(jī)械觸點(diǎn)或繼電器作為開關(guān)量輸出器件。常用的集成功率電子開關(guān)有 TWH8751、TWH8728 等。 圖2.14是TWH8751的引腳圖，其中V+和V-是外接電

13、源的正端和地、VIN 是輸入端、ST 是控制端、Vo 是輸出端，當(dāng)輸入端的電平高于控制端的電平時(shí)，輸出端導(dǎo)通。圖2.15是TWH8751作為直流輸出開關(guān)的接線方法，當(dāng)ST為低電平時(shí)，負(fù)載得電。 圖2.14 TWH8751外引腳圖圖2.15 TWH8751作為直流輸出開關(guān) 2.3 模擬量輸入 生產(chǎn)過(guò)程中的隨時(shí)間連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、液位、濕度等，由傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為模擬的電信號(hào)，通過(guò)模擬量輸入通道送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，最終經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才能交由計(jì)算機(jī)處理。 多路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) 采樣保持器 模擬量輸入的隔離 模擬輸入信號(hào)的放大 模擬量輸入信號(hào)濾波 1. 多路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)

14、多路多路A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 采用集成多路采用集成多路A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 每個(gè)模擬量輸入配置一個(gè)每個(gè)模擬量輸入配置一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 多路模擬量輸入復(fù)用一個(gè)多路模擬量輸入復(fù)用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 多路開關(guān)多路開關(guān) 機(jī)械觸點(diǎn)式機(jī)械觸點(diǎn)式 集成多路模擬開關(guān)集成多路模擬開關(guān) 圖2.16 多路復(fù)用方式A/D轉(zhuǎn)換原理圖2.16所示電路工作時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制多路模擬開關(guān)選擇某一路模擬信號(hào)，將其送至采樣保持器，再經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換處理變?yōu)閿?shù)字量，從而完成該路模擬輸入的采樣與轉(zhuǎn)換工作。機(jī)械觸點(diǎn)式多路開關(guān) 機(jī)械觸點(diǎn)式多路開關(guān)主要有干簧繼電器、水銀繼電器等，其中干簧繼電器體積小、切換速度高、噪聲

15、小、壽命長(zhǎng)，最適合作為模擬輸入的多路開關(guān)。干簧繼電器的開關(guān)頻率為1040次/秒，斷開時(shí)的電阻大于 1M ，導(dǎo)通電阻小于 50m ，切換動(dòng)作時(shí)間約 1ms，不受環(huán)境溫度影響，可通過(guò)的電壓、電流容量大，動(dòng)態(tài)范圍寬；與電子開關(guān)相比，其缺點(diǎn)是體積大、工作頻率低，而且通斷時(shí)有機(jī)械抖動(dòng)現(xiàn)象，故一般用于低速高精度檢測(cè)系統(tǒng)中。圖 2.17為干簧繼電器的原理，線圈通/斷電就使觸點(diǎn)接觸或斷開。 圖2.17 干簧繼電器的原理集成多路模擬開關(guān) 集成模擬開關(guān)是將多路半導(dǎo)體模擬開關(guān)集成在一個(gè)芯片上，其特點(diǎn)是切換速度高、體積小、應(yīng)用方便，但比機(jī)械多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻大，為幾十幾百歐姆，而且各通道之間有時(shí)會(huì)互相串?dāng)_。集成多路模

16、擬開關(guān) 圖2.18是AD7501的結(jié)構(gòu)，通過(guò)芯片使能端EN和通道選擇端A1、A2、A3，每次只選擇8個(gè)輸入端中的一個(gè)與公共輸出端OUT接通，其真值表見表2.4。EN、A1、A2、A3為數(shù)字信號(hào)輸入，邏輯上兼容TTL/DTL或CMOS電平。圖2.18 AD7501的結(jié)構(gòu)圖 集成多路模擬開關(guān) 圖2.19是采用AD7501構(gòu)成的8路差動(dòng)模擬信號(hào)輸入電路，其中V1i為第 i 路 (i=1，2，8) 模擬輸入信號(hào)的正端,V2i 為第 i 路 ( i=1，2，8) 模擬輸入信號(hào)的負(fù)端，V為輸出模擬信號(hào)的正端，V-為輸出模擬信號(hào)的負(fù)端。 圖2.19 八路差動(dòng)模擬信號(hào)輸入電路 2. 采樣保持器 在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換

17、時(shí)，如果模擬信號(hào)的頻率較高，就會(huì)由于A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間(即轉(zhuǎn)換時(shí)間)而造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，克服的方法是在A/D轉(zhuǎn)換器之前設(shè)置采樣保持電路。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般采用集成的采樣保持器。 LF398LF398 圖2.20是LF398的電路原理，放大器A2作為比較器來(lái)控制開關(guān)S的通斷，若IN+的電壓高于IN-的電壓，則K閉合，由A1、A3組成跟隨器，并向 CH 端外接的保持電容充電；IN+ 的電壓低于 IN- 的電壓時(shí)，則S斷開，外接電容保持S斷開時(shí)刻的電壓，并經(jīng)A3 組成的跟隨器輸出至輸出端。 圖2.20 LF398的電路原理LF398 圖2.21是 LF398典型應(yīng)用電路?？刂贫薞C為高電

18、平時(shí)，處于采樣狀態(tài)，輸出跟隨輸入；控制端 VC 為低電平時(shí)，處于保持狀態(tài)，輸出保持VC由高電平向低電平跳變瞬間的輸入電壓數(shù)值。引腳2所接的電阻用于直流調(diào)零，反向器及其所接電阻、電容用于交流調(diào)零。 圖2.21 LF398的典型應(yīng)用 3. 模擬量輸入的隔離 出于對(duì)系統(tǒng)抗干擾、噪聲抑制及安全等因素的考慮，往往對(duì)模擬量信號(hào)輸入進(jìn)行隔離。根據(jù)具體情況，可以采用以下幾種措施 光電隔離 共模電壓的隔離光電隔離光電隔離 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般在計(jì)算機(jī)接口和A/D轉(zhuǎn)換電路之間實(shí)施光電隔離 。這種隔離保證了模擬量信號(hào)輸入部分和計(jì)算機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)之間的徹底的電氣隔離，而且由于是在數(shù)字接口部分隔離，使得其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、

19、造價(jià)低廉。圖2.22 模擬量信號(hào)輸入的光電隔離共模電壓的隔離共模電壓是指多根信號(hào)線上的電壓相對(duì)參考電壓的相等的部分。 常用的共模電壓隔離措施有以下幾種： 光電隔離 這種隔離即前面所述的模擬量信號(hào)輸入光電隔離技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了模擬部分和數(shù)字部分的電氣隔離，能夠克服光電隔離輸出、輸入兩端設(shè)備的地線間的共模干擾，但無(wú)法克服模擬信號(hào)之間的共模干擾。 電容隔離技術(shù) 隔離放大器 電容隔離技術(shù)電容隔離技術(shù) 原理見圖2.23。 平時(shí)，開關(guān)S1i(i=1,2,.,n)處于閉合狀態(tài)，Ci的電壓跟蹤Vi的輸入值，開關(guān)S2i(i=1,2,.,n)處于斷開狀態(tài)。需檢測(cè)Vi時(shí)，則令S1i斷開,S2i閉合，放大器A的輸出經(jīng)采樣

20、保持器送至A/D轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量，然后開關(guān)再恢復(fù)平時(shí)的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過(guò)程中，放大器A不與任何模擬量信號(hào)輸入共地，電容Ci的電壓均為差模電壓，這樣就克服了共模電壓的影響。 圖2.23 共模電壓的電容隔離技術(shù)隔離放大器 隔離放大器包括高性能的運(yùn)算放大器、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)耦合變壓器、輸出運(yùn)算放大器、濾波器和電源幾個(gè)部分。輸入、輸出和電源都是由變壓器隔離的，沒有任何電路連接，從而實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào)、輸出信號(hào)及電源的隔離。圖2.24給出了GF289型集成隔離放大器的原理圖。圖2.24 GF289型隔離放大器原理圖隔離放大器 圖2.25介紹了GF289型集成隔離放大器的典型接線。若每一路模擬量信號(hào)輸入都采

21、用這種放大器隔離，就可以從根本上消除共模電壓的影響。 圖2.25 GF289型集成隔離放大器的典型接線 4. 模擬輸入信號(hào)的放大 傳感器的輸出信號(hào)通常都是弱信號(hào)，需經(jīng)放大才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，信號(hào)放大是控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)。集成放大器體積小、精度高、可靠性好、開環(huán)增益大，利用它們可構(gòu)成比例、加減、積分、微分等運(yùn)算，因此得到廣泛應(yīng)用。 測(cè)量放大器 程控增益放大器 測(cè)量放大器測(cè)量放大器 傳感器的輸出信號(hào)一般較弱，且其中含有各種共模干擾，這就要求對(duì)其放大的電路具有很高的共模抑制比和高增益、高輸入阻抗、低噪聲，習(xí)慣上稱這種放大器為測(cè)量放大器或儀表放大器。圖2.26是四個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器電路，其中

22、，運(yùn)算放大器放A1A3構(gòu)成儀表放大器，A4用于實(shí)現(xiàn)零輸出的綜合補(bǔ)償。 圖2.26 是四運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器電路 測(cè)量放大器測(cè)量放大器 集成儀表放大器外接元件少，無(wú)需精密匹配電阻，使用靈活，能夠處理從幾微伏到幾伏的電壓信號(hào)，可對(duì)差動(dòng)交/直流信號(hào)進(jìn)行精密放大，適合于快速采樣，能夠抑制從直流到數(shù)百兆赫頻率的噪聲信號(hào)。常用的集成儀表放大器有AD521、AD522、ZF603、ZF605和BG004等。 圖2.27 AD521的典型接線圖 圖2.28 AD522的典型接線圖 程控增益放大器 為了減少A/D轉(zhuǎn)換的誤差，應(yīng)使模擬量輸入信號(hào)的幅值范圍盡可能接近A/D轉(zhuǎn)換器的量程。如果采用固定增益的放大電路，當(dāng)

23、輸入信號(hào)幅值波動(dòng)范圍大時(shí)無(wú)法在輸入信號(hào)的整個(gè)變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)減少誤差的目的。另外，當(dāng)有多路模擬量信號(hào)輸入時(shí)，各信號(hào)的幅值也可能相差懸殊，采用固定增益的放大電路同樣會(huì)造成大信號(hào)轉(zhuǎn)換精度高而小信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差大的后果。這時(shí)，可以采用程控增益放大器來(lái)解決這個(gè)問題。程控增益放大器圖2.29 程控增益放大器原理 圖2.29是程控增益放大器的原理。模擬開關(guān)S1S3由計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制，任何時(shí)候至少有一個(gè)開關(guān)是閉合的。通常由軟件控制使模擬開關(guān)中的某一個(gè)或某幾個(gè)閉合，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并由轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷放大倍數(shù)是否合適，如不合適則改變開關(guān)狀態(tài)，直至達(dá)到可能的最佳的放大倍數(shù)。 程控增益放大器圖2.30 CD4051組成

24、的程控增益放大器 圖2.30是用8選1的模擬開關(guān)CD4051組成的程控增益放大器電路。圖中A、B、C是輸入通道地址選擇端，通過(guò)計(jì)算機(jī)的并行輸出口控制，每次只選中8個(gè)輸入Y0Y7中的一路與公共端COM接通。此電路可實(shí)現(xiàn)8種不同的放大倍數(shù)。 5. 模擬量輸入信號(hào)濾波 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境往往非常惡劣，致使由傳感器得到的模擬量信號(hào)中混有噪聲信號(hào)，用長(zhǎng)線傳輸時(shí)尤為突出，嚴(yán)重時(shí)噪聲信號(hào)可能淹沒真實(shí)信號(hào)，如不加處理，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制失敗。因而，必須進(jìn)行模擬量信號(hào)濾波處理以抑制噪聲，提高信噪比。硬件濾波是指在模擬信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器前，用硬件電路進(jìn)行濾波。通過(guò)合理的濾波電路的設(shè)計(jì)，可以濾除模擬輸入信號(hào)中的特定頻段

25、的噪聲信號(hào)。按是否采用有源器件，濾波器可以分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩大類；按濾波的頻段，又可以分為低通濾波、高通濾波、帶通濾波和帶阻濾波。 FLT-U2集成RC濾波器 FLT-U2集成RC濾波器 FLT-U2是采用厚膜混合集成技術(shù)制造的，其內(nèi)部有四級(jí)運(yùn)放和RC元件，前三級(jí)組成濾波器，第四級(jí)是獨(dú)立的，可用做增益級(jí)、緩沖級(jí)或形成附加單極點(diǎn)的濾波器。FLT-U2的工作電源電壓范圍寬，可為515V，輸入阻抗達(dá)5M，頻率范圍為0.0012106Hz，Q值特征頻率下的濾波電路的電壓放大倍數(shù)的模與通帶電壓放大倍數(shù)之比范圍在0.11000之間，通帶截止頻率準(zhǔn)確度為5，單位增益帶寬為5MHz。 圖2.31 F

26、LT-U2的電路原理圖FLT-U2集成RC濾波器圖2.32 FLT-U2的外部引腳圖FLT-U2集成RC濾波器圖2.33 FLT-U2的典型應(yīng)用線路圖 2.4 模擬量輸出 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，有些被控對(duì)象或執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要模擬量信號(hào)輸入，這就要求計(jì)算機(jī)把計(jì)算好的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)輸出出去。從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，一般采用集成D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。 模擬量信號(hào)輸出的兩個(gè)共性問題 由于D/A轉(zhuǎn)換器的種類繁多，不同種類的D/A轉(zhuǎn)換器的具體使用方法也不盡相同。此處僅介紹模擬量信號(hào)輸出的兩個(gè)共性問題 多通道D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì) 每一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器 多通道復(fù)用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器 模擬量信號(hào)輸

27、出的光電隔離 每通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障也不會(huì)影響其他通道的工作，相應(yīng)軟件的編制也比較簡(jiǎn)單。但是，如果模擬量信號(hào)輸出通道較多，就會(huì)使系統(tǒng)造價(jià)增加很多，尤其是采用高精度的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，這一問題尤為嚴(yán)重。多通道復(fù)用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器 這個(gè)方案是由計(jì)算機(jī)通過(guò)多路模擬開關(guān)分時(shí)地把一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出送至各個(gè)采樣保持放大器，并由保持電容對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行保持。該方案優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、可靠性差，受運(yùn)算放大器的輸入阻抗、模擬開關(guān)和保持電容的漏電阻等因素的影響，導(dǎo)致保持電容上的電壓信號(hào)逐漸衰減，需要計(jì)算機(jī)定時(shí)刷

28、新輸出，也因此占用了CPU的大量時(shí)間。此方案適用于輸出通道不多且對(duì)速度要求不高的場(chǎng)合。 圖2.34 多路復(fù)用方式D/A轉(zhuǎn)換原理模擬量信號(hào)輸出的光電隔離 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，為了消除公共地線帶來(lái)的干擾，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，應(yīng)采用光電隔離措施來(lái)隔離計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備。模擬量信號(hào)輸出的光電隔離，一般在計(jì)算機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字接口部分進(jìn)行，其原理見圖2.35。注意對(duì)模擬開關(guān)的通道選擇控制部分也應(yīng)采取光電隔離措施。圖2.35 帶光電隔離的多通道復(fù)用方式D/A轉(zhuǎn)換的原理圖2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的電源q 交流電源系統(tǒng)q 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) q 基準(zhǔn)電源 q 隔離電源 1.交流電源系統(tǒng) 交

29、流電源通常和電網(wǎng)相連接，然而，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電網(wǎng)所接負(fù)載極其復(fù)雜，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌、尖峰、過(guò)壓、欠壓等現(xiàn)象，給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)瓜到y(tǒng)無(wú)法正常工作。因而，除按需要設(shè)計(jì)、計(jì)算有關(guān)交流電源系統(tǒng)的電路和參數(shù)外，還要考慮交流電源的凈化問題。 2.直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，不同的場(chǎng)合需要用到不同電壓等級(jí)的直流穩(wěn)壓電源供電，如5V、12V、15V、18V和24V等等。下面，介紹一下直流穩(wěn)壓電源的一般設(shè)計(jì)方法。 直流穩(wěn)壓電源可以采用分立元件設(shè)計(jì)，但更多的采用集成穩(wěn)壓器來(lái)設(shè)計(jì)。集成穩(wěn)壓器具有體積小、可靠性高、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 幾種常用的集成穩(wěn)壓器幾種常見的集成穩(wěn)壓器

30、三端輸出電壓固定式集成穩(wěn)壓器 W7800系列三端固定式正輸出集成穩(wěn)壓器 W7900系列三端固定式負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器 三端輸出電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 W7800系列三端固定式正輸出集成穩(wěn)壓器 該系列器件只有輸入端1、輸出端2和公共端3。其外型、管腳和接法見圖2.36。使用時(shí)需在輸入端和輸出端與公共端之間各并聯(lián)一個(gè)電容。C1是輸入濾波電容，一般為0.33F，用來(lái)改善紋波和抑制高頻干擾。C2是輸出電容，一般為0.1F,用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)需要可以附加其它的輸入濾波電容和輸出電容。圖2.36 W7800系列集成穩(wěn)壓器W7900系列三端固定式負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器 W7900系列是三端固定式負(fù)輸出集成穩(wěn)壓

31、器，它與W7800系列穩(wěn)壓器在使用的接法上基本相同。值得注意的是W7800系列的管殼是公共端，而W7900系列的管殼為輸入端。 圖2.37 W7900系列典型接線圖 三端輸出電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器q W117、W217、W317正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 q W137、W237、W337負(fù)輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器負(fù)輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 q W137、W237、W337是負(fù)輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，是負(fù)輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，其主要參數(shù)和表其主要參數(shù)和表2.8基本相同，但輸入、輸出電壓均為負(fù)值?；鞠嗤?，但輸入、輸出電壓均為負(fù)值。 W117、

32、W217、W317正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 W117、W217、W317是正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，使用方便，內(nèi)部具有過(guò)熱、過(guò)流等保護(hù)措施，比W7800系列穩(wěn)壓器有更高的穩(wěn)壓精度。 圖2.40是用W317組成的可調(diào)式穩(wěn)壓電源，其輸出電壓V0=VR1+VR2。其中，VR1為電阻R1兩端的電壓，也即為W317的3腳和1腳之間的基準(zhǔn)電壓1.25V；VR2為可變電阻R2兩端的電壓，滿足VR2=( I1 + VR1/R1)R2。由于I1很小可以忽略，于是V0=1.25(1+R2/R1) ，改變R2的阻值，即可改變輸出電壓值。若R2取為6.8K的電位器，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓1.2537V連續(xù)可調(diào)。圖

33、中的C1、C2的作用與圖2.36中的C1、C2的作用相同。C0為濾波電容，D1、D2是穩(wěn)壓器的短路保護(hù)二極管，用于在輸入端或輸出端發(fā)生對(duì)地短路時(shí)釋放電容C2或C3上存儲(chǔ)的電荷。 圖2.40 W317組成的1.2537V穩(wěn)壓電源W117、W217、W317正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 3. 基準(zhǔn)電源 一般A/D、D/A轉(zhuǎn)換器都需要由外部提供參考電源，在A/D、D/A轉(zhuǎn)換器選定后，轉(zhuǎn)換精確度主要取決于參考電源的精度；高精度放大電路需要提供高精度的工作電源，其關(guān)鍵也在于要有精密的參考電源，習(xí)慣上，我們常稱之為基準(zhǔn)電源 。 AD580系列高精度電壓基準(zhǔn)集成電路 AD580系列高精度電壓基準(zhǔn)集成電路

34、AD580系列高精度電壓基準(zhǔn)集成電路具有輸出電壓精度高、溫漂小、輸出噪聲低和動(dòng)態(tài)內(nèi)阻小等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流能力很小，一般不能作為穩(wěn)壓器使用，主要用于為A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路或其他電路提供參考電源。 AD589 AD584AD589 AD589是雙端、具有溫度補(bǔ)償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)，其高穩(wěn)定性主要取決于芯片上元件的匹配和熱跟蹤，低輸出阻抗使得不需外接元件就能在負(fù)荷變化條件下保持全精度。AD589在輸入電流在50A5mA之間時(shí)提供固定的1.2V輸出電壓。使用圖2.41所示的線路可以得到1.2V或更小的基準(zhǔn)電壓。圖2.41 AD589應(yīng)用電路AD584 AD584在芯片制作階段經(jīng)過(guò)激光調(diào)整，具有很好的溫度

35、系數(shù)和輸出電壓的穩(wěn)定精度。通過(guò)引腳編程可以輸出四種常用的電壓，通過(guò)外接電阻還可以得到其它幅值的輸出電壓。輸入電壓可在4.540V之間變化。下面介紹AD584的幾種應(yīng)用電路。 AD584的幾種應(yīng)用電路 正電壓基準(zhǔn)輸出 負(fù)電壓基準(zhǔn)輸出 精密限流器 精密電流源 5V電壓跟蹤基準(zhǔn)圖2.42 AD584的引腳圖正電壓基準(zhǔn)輸出 圖圖2.43中，中，1端為基準(zhǔn)電壓輸出端，端為基準(zhǔn)電壓輸出端，2端為端為5V端，端，3端為端為2.5V端。當(dāng)端。當(dāng)1端與端與2、3端都各自互不連接時(shí)，端都各自互不連接時(shí)，1端輸出端輸出10.000V基準(zhǔn)基準(zhǔn)電壓；若將電壓；若將3端和端和2端連接起來(lái)，端連接起來(lái)，1端電壓輸出為端電壓

36、輸出為7.500V；若將；若將2端和端和1端連接起來(lái)，端連接起來(lái)，1端電壓則為端電壓則為5.000V；若將；若將3端和端和1端連接起來(lái)，在端連接起來(lái)，在1端可以得到端可以得到2.500V基準(zhǔn)電壓輸出?；鶞?zhǔn)電壓輸出。圖2.43 正電壓基準(zhǔn)輸出負(fù)電壓基準(zhǔn)輸出 如圖2.44所示，使用雙端齊納方式的AD584，分別可以得到值為5.000V、7.500V和10.000V的負(fù)基準(zhǔn)電壓輸出。圖2.44 負(fù)電壓基準(zhǔn)輸出精密限流器應(yīng)用圖2.45所示的電路，AD584可被用作精密限流器。 圖2.45 AD584構(gòu)成的精密限流器精密電流源 AD584外接少量的元件可構(gòu)成能提供小電流的電流源，應(yīng)用電路見圖2.46。圖

37、中RC為精密電阻，其兩端電壓被運(yùn)算放大器AD547保持在2.5V，所提供電流為2.5V/RC，此電路能提供低到毫、微級(jí)的穩(wěn)定電流。圖2.46 AD584構(gòu)成的精密電流源精密電流源 若需要能提供較大電流的電流源，可使用圖2.47提供的電路。圖2.47 可提供大電流的精密電流源5V電壓跟蹤基準(zhǔn)使用圖2.48所示的電路可以提供5V電壓跟蹤基準(zhǔn)。圖2.48 5V電壓跟蹤基準(zhǔn) 4. 隔離電源 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和抗干擾能力，需要使用隔離技術(shù)如光電隔離等用于隔離計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與信號(hào)輸入、輸出通道以及系統(tǒng)中互聯(lián)的單元。而實(shí)施隔離技術(shù)，最基本的要求是被隔離的各個(gè)部分由獨(dú)立的或相互

38、隔離的電源供電，以切斷各個(gè)部分間的電路聯(lián)系。因而，隔離電源在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中是不可缺少的。 兩種得到隔離電源的方法兩種得到隔離電源的方法 采用不同的電源變壓器或相互獨(dú)立的變壓器付邊繞組的輸出為各隔離部分供電，將它們分別進(jìn)行整流、穩(wěn)壓等處理，就可獲得互相隔離的直流電源。這種方法可以有效到抑制高頻干擾對(duì)系統(tǒng)的影響及系統(tǒng)各部分之間的相互影響，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但需要額外的變壓器或變壓器繞組，使得系統(tǒng)的體積變大。 采用帶電壓隔離的DCDC轉(zhuǎn)換器，它不僅可以實(shí)現(xiàn)直流電壓到直流電壓的隔離轉(zhuǎn)換，還可以實(shí)現(xiàn)通道與通道之間、輸出與輸入之間的隔離。 圖2.49 DCDC轉(zhuǎn)換隔離電源兩種得到隔離電源的方法 DCDC轉(zhuǎn)換器

39、的基本原理見圖2.49。圖中，輸入級(jí)濾波器用于抑制來(lái)自系統(tǒng)電源的噪聲和從調(diào)制器反饋回的脈動(dòng)信號(hào)，調(diào)制器把直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)以使其可以通過(guò)變壓器，由變壓器實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和隔離，輸出解調(diào)器分離出所需的直流電平，輸出級(jí)濾波器抑制輸出噪聲和脈動(dòng)信號(hào)。 兩種得到隔離電源的方法圖2.50給出了DCDC轉(zhuǎn)換器隔離電源的應(yīng)用電路。 圖2.50 DCDC轉(zhuǎn)換隔離電源應(yīng)用 2.6 信號(hào)采樣與重構(gòu)q 1. 信號(hào)類型定義 q 2. 信號(hào)采樣 q 3. 采樣機(jī)理描述 q 4. 采樣定理q 5. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期的選擇q 6. 信號(hào)重構(gòu) 1. 信號(hào)類型定義 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，存在多種類型的信號(hào)，圖2.51給出

40、了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各處的信號(hào)形式。圖2.51典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各處的信號(hào)形式 為便于后續(xù)的描述和分析，下面定義幾種類型信號(hào)，并在圖2.52中給出了圖解。 信號(hào)類型定義q 連續(xù)信號(hào)q 模擬信號(hào) q 離散信號(hào) q 采樣信號(hào) q 數(shù)字信號(hào)圖2.52 信號(hào)類型圖解連續(xù)信號(hào) 連續(xù)信號(hào)是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號(hào)，它的幅值可以是連續(xù)的、也可以是斷續(xù)的。連續(xù)信號(hào)的一種特殊情況是幅值整量化的連續(xù)信號(hào)，如D/A轉(zhuǎn)換器輸出的臺(tái)階式信號(hào)，這種信號(hào)稱為分段連續(xù)信號(hào)。 模擬信號(hào) 模擬信號(hào)是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號(hào)，它的幅值在某一時(shí)間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號(hào)是連續(xù)信號(hào)的一個(gè)子集，在大多數(shù)場(chǎng)合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來(lái)，均指模擬信號(hào)。離散信號(hào) 離散信號(hào)是僅在各個(gè)離散時(shí)間瞬時(shí)上有定義的信號(hào)。采樣信號(hào) 采樣信號(hào)是離散信號(hào)的子集，它是取模擬信號(hào)在離散時(shí)間瞬時(shí)上的值構(gòu)成的信號(hào)序列，因此其幅值可以是模擬信號(hào)的連續(xù)幅值范圍內(nèi)的任意值，即其在時(shí)間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場(chǎng)合中，我們提及