計算機控制系統(tǒng)第二章

1、第二章 計算機控制系統(tǒng)設計的 硬件基礎 q 2.1 開關(guān)量輸入 q 2.2 開關(guān)量輸出 q 2.3 模擬量輸入 q 2.4 模擬量輸出 q 2.5 計算機控制系統(tǒng)中的電源 q 2.6 信號采樣與重構(gòu)信號采樣與重構(gòu) q 2.7 I/OI/O接口設計接口設計 2.1 開關(guān)量輸入 在計算機控制系統(tǒng)中,為了獲取系統(tǒng)的運行狀態(tài)或設定信息,經(jīng)常需要進行開關(guān)量信號的輸入。開關(guān)量的共同特征是幅值離散，可以用一位或多位二進制碼表示。q 開關(guān)量輸入信號的類型 q 開關(guān)量信號輸入通道 1. 開關(guān)量輸入信號的類型 開關(guān)量輸入信號有以下基本類型 一位的狀態(tài)信號。如閥門的閉合與開啟、電機的啟動與停止、觸點的接通與斷開。

2、成組的開關(guān)信號。如用于設定系統(tǒng)參數(shù)的撥碼開關(guān)組等。 數(shù)字脈沖信號。許多數(shù)字式傳感器(如轉(zhuǎn)速、位移、流量的數(shù)字傳感器)將被測物理量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號，這些信號也可歸結(jié)為開關(guān)量。 2. 開關(guān)量信號輸入通道 針對不同性質(zhì)的開關(guān)量輸入信號，可以采取不同的方法輸入計算機進行處理。一般的系統(tǒng)設定信息和狀態(tài)信息可以采用并行接口輸入；極限報警信號采用中斷方式處理；數(shù)字脈沖信號可以使用系統(tǒng)的定時/計數(shù)器來測量其脈沖寬度、周期或脈沖個數(shù)。 出于安全或抗干擾等方面的考慮，現(xiàn)場的開關(guān)量輸入至計算機接口前，一般需要進行預處理，然后再送至接口。 幾種常用的預處理方法圖2.1 開關(guān)量輸入通道的典型結(jié)構(gòu)開關(guān)量輸入的常用預處

3、理方法q 信號轉(zhuǎn)換處理 q 安全保護措施 q 消除機械抖動影響 q 濾波處理 q 隔離處理 q 光電耦合器件原理與使用 信號轉(zhuǎn)換處理 從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量，在邏輯上表現(xiàn)為邏輯“1”或邏輯“0”，信號形式則可能是電壓、電流信號或開關(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)觸點輸入電路安全保護措施 在設計一個計算機控制系統(tǒng)時，必須針對可能出現(xiàn)的輸入過電壓、瞬間尖峰或極性接反的情況，預先采取安全保護措施。圖2.4 輸入保護電路消除機械抖動影響 操作按鈕、繼電器觸點、行程開關(guān)等機械裝置在接通或斷開時均要產(chǎn)生機械抖動

4、，體現(xiàn)在計算機的輸入上就是輸入信號在邏輯0和1之間多次振蕩，如不適當處理就會導致計算機的錯誤控制。圖2.5 消除開關(guān)抖動的電路濾波處理 由于長線傳輸、電路內(nèi)部干擾影響，使得輸入信號帶有噪聲信號，這有可能導致誤讀信號而出錯。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)的抖動信號。圖2.6 RC濾波電路隔離處理 從工業(yè)現(xiàn)場獲取的開關(guān)量或數(shù)字量的信號電平往往高于計算機系統(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)場引入意外的高壓信號，因此必須采取電隔離措施，以保障計算機系統(tǒng)的安全。常用的隔離措施是采用光電耦合器件實現(xiàn)的。圖2.7給出了兩種開關(guān)量光電耦合輸入電路，它們

5、除了實現(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，由于它價格低廉、可靠性好，被廣泛地用于現(xiàn)場設備與計算機系統(tǒng)之間的隔離保護。根據(jù)輸入級的不同，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的媒介，實現(xiàn)電氣隔離。 使用光電隔離器件的注意事項圖2.8 三極管輸出型光電隔離器件原理 當輸入側(cè)流過一定的電流IF 時，發(fā)光二極管開始發(fā)光，它觸發(fā)光敏三極管使其導通；當撤去該電流時，發(fā)光二極管熄滅、三極管截止。這樣，就實現(xiàn)了以光路來傳遞信號，保證了兩側(cè)電路沒有電氣聯(lián)系

6、，從而達到了隔離的目的。 使用光電隔離器件的注意事項q 輸入側(cè)導通電流 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 要使光電隔離器件的導通，必須在其輸入側(cè)提供足夠大的導通電流，以使發(fā)光二極管發(fā)光。不同的光電隔離器件的導通電流也不同，典型的導通電流 IF=10mA。輸入側(cè)導通電流 頻率特性 受發(fā)光二極管和光敏元件響應時間的影響，光電隔離器件只能通過一定頻率以下的脈沖信號。因此，在傳送高頻信號時，應該考慮光電隔器件的頻率特性，選擇通過頻率較高的光電隔離器。 使用光電隔離器件的注意事項 光電隔離器輸出端的灌電流不能超過額定值，否則就會使元件發(fā)生損壞。一般輸出端額定

7、電流在mA量級，不能直接驅(qū)動大功率外部設備，因此通常從光電隔離器至外設之間還需設置驅(qū)動電路。 輸出端工作電流 輸出端暗電流 這是指光電隔離器處于截止狀態(tài)時,流經(jīng)輸出端元件的電流，此值越小越好。在設計接口電路時，應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。使用光電隔離器件的注意事項 它是光電隔離器的一個重要參數(shù)，表示了其電壓隔離的能力。 隔離電壓 輸出光隔兩側(cè)的供電電源必須完全隔離。無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。 電源隔離 使用光電隔離器件的注意事項 2.2 開關(guān)量輸出 在計算機控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要控制執(zhí)

8、行機構(gòu)的開/關(guān)或啟/停，某些控制算法需要控制執(zhí)行機構(gòu)在一定時間T內(nèi)的全負荷工作時間 t(0tT)，通過計算機開關(guān)量輸出通道來實現(xiàn)。 在計算機控制系統(tǒng)中，開關(guān)量輸出信號用于控制各種現(xiàn)場設備，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 隔離處理q 電平轉(zhuǎn)換和功率放大隔離處理 當計算機控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸出信號用于控制較大功率的設備時，為防止現(xiàn)場設備上的強電磁干擾或高電壓通過輸出控制通道進入計算機系統(tǒng)，一般需要采取光電隔離措施隔離現(xiàn)場設備和計算機系統(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

9、2.10 低壓小功率開關(guān)量輸出電平轉(zhuǎn)換和功率放大（第二節(jié)） 計算機通過并行接口電路輸出的開關(guān)量信號，往往是低壓直流信號。一般來說，這種信號無論是電壓等級、還是輸出功率，均無法滿足執(zhí)行機構(gòu)的要求，所以應該進行電平轉(zhuǎn)換和功率放大，再送往執(zhí)行機構(gòu) 。q 小功率低壓開關(guān)量輸出 q 繼電器輸出 q 可控硅輸出 q 功率場效應輸出 q 集成功率電子開關(guān)輸出 小功率低壓開關(guān)量輸出 對于低壓小功率開關(guān)量輸出，可采用晶體管、OC門或運放等方式輸出，圖2.10給出的兩種電路一般僅能提供幾十毫安級的輸出驅(qū)動電流，可以驅(qū)動低壓電磁閥、指示燈等。圖2.10 低壓小功率開關(guān)量輸出繼電器輸出 繼電器常用于計算機控制系統(tǒng)中的

10、開關(guān)量輸出功率放大，即用繼電器作為計算機輸出的執(zhí)行機構(gòu)，通過繼電器的觸點控制較大功率設備或控制接觸器的通斷以驅(qū)動更大功率的負載，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。用繼電器輸出時，為克服線圈反電勢，常在繼電器線圈上并聯(lián)一個反向二級管。繼電器輸出可以提供電氣隔離功能，但其觸點在通斷瞬間往往容易產(chǎn)生火花而引起干擾，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體無觸點開關(guān)器件，可控硅具有以較小的功率來控制大功率的特點，因此在計算機控制系統(tǒng)中被廣泛地用作功率執(zhí)行元件，一般是由計算機發(fā)出數(shù)字觸發(fā)脈沖信號實現(xiàn)其通斷控制。圖2.12是采

11、用可控硅輸出型光電隔離器驅(qū)動雙向可控硅的電路圖，圖中與可控硅并聯(lián)的RC網(wǎng)絡用于吸收帶感性負載時產(chǎn)生的與電流不同步的過壓，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效應輸出 功率場效應管(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，漏極D和源極S之間可導通。MOSFET的柵極控制電流為微安級，而導通后漏極D和源極S之間允許通過較大的電流，如IRF640導通時，D、S間允許通過的最大電流可達18安培。圖2.13 功率場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)動的直流電子邏輯開

12、關(guān)，具有開關(guān)速度快、無觸點、無噪聲、壽命長等特點，一般用于直流負載且電流不大(幾安培以下)的場合，有時也可在交流場合使用，常用于微電機、電磁閥的驅(qū)動或取代機械觸點或繼電器作為開關(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-是外接電源的正端和地、VIN 是輸入端、ST 是控制端、Vo 是輸出端，當輸入端的電平高于控制端的電平時，輸出端導通。圖2.15是TWH8751作為直流輸出開關(guān)的接線方法，當ST為低電平時，負載得電。 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

13、入 生產(chǎn)過程中的隨時間連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、液位、濕度等，由傳感器檢測并轉(zhuǎn)換為模擬的電信號，通過模擬量輸入通道送至計算機系統(tǒng)，最終經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才能交由計算機處理。q 多路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) q 采樣保持器 q 模擬量輸入的隔離 q 模擬輸入信號的放大q 模擬量輸入信號濾波 1. 多路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) 多路A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 采用集成多路A/D轉(zhuǎn)換器 每個模擬量輸入配置一個A/D轉(zhuǎn)換器 多路模擬量輸入復用一個A/D轉(zhuǎn)換器 多路開關(guān) q 機械觸點式 集成多路模擬開關(guān) 圖2.16 多路復用方式A/D轉(zhuǎn)換原理圖2.16所示電路工作時，由計算機控制多路模擬開關(guān)選擇某一路模擬信

14、號，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。機械觸點式多路開關(guān) 機械觸點式多路開關(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、噪聲小、壽命長體積小、切換速度高、噪聲小、壽命長，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，斷開時的電阻大于 1M ，導通電阻小于 50m ，切換動作時間約 1ms，不受環(huán)境溫度影響，可通過的電壓、電流容量大，動態(tài)范圍寬；與電子開關(guān)相比，其缺點缺點是體積大、工作頻率低，而且通斷時有機械抖動現(xiàn)象，故一般用于低速高精度檢測系統(tǒng)中。圖 2.17為干簧繼電器的原理，線圈通/斷電

15、就使觸點接觸或斷開。 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)是將多路半導體模擬開關(guān)集成在一個芯片上，其特點是切換速度高、體積小、應用方便，但比機械多路開關(guān)的導通電阻大，為幾十幾百歐姆，而且各通道之間有時會互相串擾。CD405l 組成：組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進制譯碼器二進制譯碼器及及8個開關(guān)電個開關(guān)電路。路。 主要特性：主要特性： 直流供電電源：直流供電電源：VDD+5V+15V， 數(shù)字信號電位變化范圍：數(shù)字信號電位變化范圍：315V 輸入電壓：輸入電壓：UIN0VDD， 模擬信號峰峰值：模擬信號峰峰值：15V圖2.18 2 2、采樣保持、采樣保持采樣保持電路：

16、采樣保持電路：對變化的模擬信號快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過程中對變化的模擬信號快速采樣，并在轉(zhuǎn)換過程中保持保持模擬信號模擬信號。 兩個工作狀態(tài)：兩個工作狀態(tài)： 采樣狀態(tài)采樣狀態(tài) 保持狀態(tài)保持狀態(tài) 2. 采樣保持器 在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，如果模擬信號的頻率較高，就會由于A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時間(即轉(zhuǎn)換時間)而造成較大的轉(zhuǎn)換誤差，克服的方法是在A/D轉(zhuǎn)換器之前設置采樣保持電路。在計算機控制系統(tǒng)中，一般采用集成的采樣保持器。 q LF398圖2.20 LF398的電路原理放大器A2作為比較器來控制開關(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

17、+ 的電壓低于 IN- 的電壓時，則S斷開，外接電容保持S斷開時刻的電壓，并經(jīng)A3 組成的跟隨器輸出至輸出端。 LF398 圖2.21是 LF398典型應用電路。控制端VC為高電平時，處于采樣狀態(tài)，輸出跟隨輸入；控制端 VC 為低電平時，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的典型應用 3. 模擬量輸入的隔離 出于對系統(tǒng)抗干擾、噪聲抑制及安全等因素的考慮，往往對模擬量信號輸入進行隔離。根據(jù)具體情況，可以采用以下幾種措施q 光電隔離q 共模電壓的隔離光電隔離光電隔離 在計算機控

18、制系統(tǒng)中，一般在計算機接口和A/D轉(zhuǎn)換電路之間實施光電隔離 。這種隔離保證了模擬量信號輸入部分和計算機數(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，使得其實現(xiàn)簡單、造價低廉。圖2.22 模擬量信號輸入的光電隔離共模干擾和差模干擾共模干擾和差模干擾編輯編輯電源線噪聲是電網(wǎng)中各種用電設備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。電源線噪聲分為兩大類：共模干擾、差模干擾。共模干擾共模干擾（Common- mode Interference）定義為任何載流導體與參考地之間的不希望有的電位差；差模干擾差模干擾（Differential-mode Interference）定義為任何兩個載流

19、導體之間的不希望有的電位差。任何電源線上傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性干擾屬于對稱性干擾；共模干擾在導線與地（機殼）之間傳輸，一般指在兩根信號線上產(chǎn)生的在兩根信號線上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲，屬于非對稱性干擾幅度相等，相位相同的噪聲，屬于非對稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。共模電壓的隔離共模電壓是指多根信號線上的電壓相對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輸入光電隔離技術(shù)，它實現(xiàn)

20、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、輸入兩端設備的地線間的共模干擾，但無法克服模擬信號之間的共模干擾。 q 電容隔離技術(shù) q 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，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Vi時，則令S1i斷開,S2i閉合，放大器A的輸出經(jīng)采樣保持器送至A/D轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量，然后開關(guān)再恢復平時的狀態(tài)。在采樣、轉(zhuǎn)換過程中，放大器A不與任何模擬量信號輸入共地，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

21、離放大器 隔離放大器包括高性能的運算放大器、調(diào)制解調(diào)器、信號耦合變壓器、輸出運算放大器、濾波器和電源幾個部分。輸入、輸出和電源都是由變壓器隔離的，沒有任何電路連接，從而實現(xiàn)了輸入信號、輸出信號及電源的隔離。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輸入都采用這種放大器隔離，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. 模擬輸入信號的放大 傳感器的輸出信號通常都是弱信號，需經(jīng)放大才能進行A/D轉(zhuǎn)換，信號放大是控制系統(tǒng)中

22、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、微分等運算，因此得到廣泛應用。 q 測量放大器 q 程控增益放大器 測量放大器測量放大器 傳感器的輸出信號一般較弱，且其中含有各種共模干擾，這就要求對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，習慣上稱這種放大器為測量放大器或儀表放大器。圖2.26是四個運放構(gòu)成的儀表放大器電路，其中，運算放大器放A1A3構(gòu)成儀表放大器，A4用于實現(xiàn)零輸出的綜合補償。 圖2.26 是四運放構(gòu)成的儀表放大器電路 測量放大器測量放大器 集成儀表放大器外接元件少，無需精密匹配電阻，使用靈活，能夠處理從幾微

23、伏到幾伏的電壓信號，可對差動交/直流信號進行精密放大，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。常用的集成儀表放大器有AD521、AD522、AD621、ZF605和BG004等。 AD621是一款易于使用、低成本、低功耗、高精度儀表放大器,適合眾多應用領 圖2.27 AD621的典型接線圖 圖2.28 AD621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，應使模擬量輸入信號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，當輸入信號幅值波動范圍大時無法在輸入信號的整個變化范圍內(nèi)實現(xiàn)減少誤差的目的。另外，當有多路模擬量信號輸入時，各信號的幅值也可能相

24、差懸殊，采用固定增益的放大電路同樣會造成大信號轉(zhuǎn)換精度高而小信號轉(zhuǎn)換誤差大的后果。這時，可以采用程控增益放大器來解決這個問題。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由計算機程序來控制，任何時候至少有一個開關(guān)是閉合的。通常由軟件控制使模擬開關(guān)中的某一個或某幾個閉合，然后進行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

25、計算機的并行輸出口控制，每次只選中8個輸入Y0Y7中的一路與公共端COM接通。此電路可實現(xiàn)8種不同的放大倍數(shù)。 5. 模擬量輸入信號濾波 工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境往往非常惡劣，致使由傳感器得到的模擬量信號中混有噪聲信號，用長線傳輸時尤為突出，嚴重時噪聲信號可能淹沒真實信號，如不加處理，就會導致系統(tǒng)控制失敗。因此，必須進行模擬量信號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進入A/D轉(zhuǎn)換器前，用硬件電路進行濾波。通過合理的濾波電路的設計，可以濾除模擬輸入信號中的特定頻段的噪聲信號。按是否采用有源器件，濾波器可以分為有源濾波器和無源濾波器兩大類；按濾波的頻段，又可以分為低通濾波、高通濾波、帶通濾

26、波和帶阻濾波。 q 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)部有四級運放和RC元件，前三級組成濾波器，第四級是獨立的，可用做增益級、緩沖級或形成附加單極點的濾波器。FLT-U2的工作電源電壓范圍寬，可為515V，輸入阻抗達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，通帶截止頻率準確度為5，單位增益帶寬為5MHz。 圖2.31 FLT-U2的電路原理圖FLT-U2集成RC濾波器圖2.33 FLT-U2的典型應用線路圖 2.4 模擬量輸出 在計算機

27、控制系統(tǒng)中，有些被控對象或執(zhí)行機構(gòu)需要模擬量信號輸入，這就要求計算機把計算好的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸出出去。從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，一般采用集成D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。 模擬量信號輸出的兩個共性問題 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輸出的兩個共性問題 多通道D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設計 每一個通道設置一個獨立的D/A轉(zhuǎn)換器 多通道復用一個D/A轉(zhuǎn)換器 模擬量信號輸出的光電隔離 每通道設置一個獨立的D/A轉(zhuǎn)換器 這種方案的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快、精度高、工作可靠，即使某一通道出現(xiàn)故障也不會影響其他通道的工作，相應軟件的編制也比較簡單。但是，如果模擬

28、量信號輸出通道較多，就會使系統(tǒng)造價增加很多，尤其是采用高精度的D/A轉(zhuǎn)換器時，這一問題尤為嚴重。多通道復用一個D/A轉(zhuǎn)換器 這個方案是由計算機通過多路模擬開關(guān)分時地把一個D/A轉(zhuǎn)換器的輸出送至各個采樣保持放大器，并由保持電容對模擬量信號進行保持。該方案優(yōu)點是成本較低，缺點是電路結(jié)構(gòu)復雜、精度低、可靠性差，受運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，導致保持電容上的電壓信號逐漸衰減，需要計算機定時刷新輸出，也因此占用了CPU的大量時間。此方案適用于輸此方案適用于輸出通道不多且對速度要求不高的場合出通道不多且對速度要求不高的場合。 圖2.34 多路復用方式D/A轉(zhuǎn)換原理模擬量信

29、號輸出的光電隔離 在工業(yè)現(xiàn)場應用中，為了消除公共地線帶來的干擾，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，應采用光電隔離措施來隔離計算機控制系統(tǒng)與現(xiàn)場被控設備。模擬量信號輸出的光電隔離，一般在計算機與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字接口部分進行，其原理見圖2.35。注意對模擬開關(guān)的通道選擇控制部分也應采取光電隔離措施。圖2.35 帶光電隔離的多通道復用方式D/A轉(zhuǎn)換的原理圖2.5 計算機控制系統(tǒng)中的電源q 交流電源系統(tǒng)q 直流穩(wěn)壓電源設計 q 基準電源 q 隔離電源 1.交流電源系統(tǒng) 交流電源通常和電網(wǎng)相連接，然而，工業(yè)現(xiàn)場的電網(wǎng)所接負載極其復雜，導致電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌、尖峰、過壓、欠壓等現(xiàn)象，給計算機控制系統(tǒng)的運行帶來了嚴

30、重的干擾，甚至會使系統(tǒng)無法正常工作。因此，除按需要設計、計算有關(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)壓電源設計 在計算機控制系統(tǒng)中，不同的場合需要用到不同電壓等級的直流穩(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)壓電源的一般設計方法。 直流穩(wěn)壓電源可以采用分立元件設計，但更多的采用集成穩(wěn)壓器來設計。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。q 幾種常用的集成穩(wěn)壓器幾種常見的集成穩(wěn)壓器 三端輸出電壓固定式集成穩(wěn)壓器 q W7800系列三端固定式正輸出集成穩(wěn)壓器 q W7900系列三端固定式負輸出集成穩(wěn)壓器 q三端輸出

31、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。使用時需在輸入端和輸出端與公共端之間各并聯(lián)一個電容。C1是輸入濾波電容，一般為0.33F，用來改善紋波和抑制高頻干擾。C2是輸出電容，一般為0.1F,用于改善負載的瞬態(tài)響應。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系列三端固定式負輸出集成穩(wěn)壓器 W7900系列是三端固定式負輸出集成穩(wěn)壓器，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

32、端。 圖2.37 W7900系列典型接線圖 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，可實現(xiàn)輸出電壓1.2537V連續(xù)可調(diào)。圖中的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)壓器的短路保護二極管，用于在輸入端或輸出端發(fā)生對地短路時釋放電

33、容C2或C3上存儲的電荷。 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，習慣上，我們常稱之為基準電源 。q TL431系列高精度電壓基準集成電路 AD580系列高精度電壓基準集成電路 AD580系列高精度電壓基準集成電路具有輸出電壓精度高、溫漂小、輸出噪聲低和動態(tài)內(nèi)阻小等優(yōu)點，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

34、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路或其他電路提供參考電源。 q AD589q AD584AD589 AD589是雙端、具有溫度補償?shù)膸峨妷夯鶞?，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荷變化條件下保持全精度。AD589在輸入電流在50A5mA之間時提供固定的1.2V輸出電壓。使用圖2.41所示的線路可以得到1.2V或更小的基準電壓。圖2.41 AD589應用電路AD584 AD584在芯片制作階段經(jīng)過激光調(diào)整，具有很好的溫度系數(shù)和輸出電壓的穩(wěn)定精度。通過引腳編程可以輸出四種常用的電壓，通過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

35、介紹AD584的幾種應用電路。 AD584的幾種應用電路 q 正電壓基準輸出q 負電壓基準輸出 q 精密限流器q 精密電流源 q 5V電壓跟蹤基準圖2.42 AD584的引腳圖正電壓基準輸出 圖2.43中，1端為基準電壓輸出端，2端為5V端，3端為2.5V端。當1端與2、3端都各自互不連接時，1端輸出10.000V基準電壓；若將3端和2端連接起來，1端電壓輸出為7.500V；若將2端和1端連接起來，1端電壓則為5.000V；若將3端和1端連接起來，在1端可以得到2.500V基準電壓輸出。圖2.43 正電壓基準輸出負電壓基準輸出 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

36、.000V、7.500V和10.000V的負基準電壓輸出。圖2.44 負電壓基準輸出精密限流器應用圖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5V電壓跟蹤基準使用圖2.48所示的電路可以提供5V電壓跟蹤基準。圖2.48 5V電壓跟蹤基準 4. 隔離電源 在計算機控制系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和抗干擾能力，需要使用隔離技術(shù)（如光電隔離等）用于隔離計算機系統(tǒng)與信號輸入、輸出通道以及系統(tǒng)中互聯(lián)的單元。而實施隔離技術(shù)，最基本的要求是被隔離的各個部分由獨立的或相互隔離的電源供電，以切斷各個部分間的電路聯(lián)系。因此，隔離電源在計算機控制系統(tǒng)中是不

37、可缺少的。q 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變壓器或相互獨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系統(tǒng)的影響及系統(tǒng)各部分之間的相互影響，且實現(xiàn)簡單，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，它不僅可以實現(xiàn)直流電壓到直流電壓的隔離轉(zhuǎn)換，還可以實現(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)換器的基本原理見圖2.49。圖中，輸入級濾波器用于抑制來自系統(tǒng)電源的噪聲和從

38、調(diào)制器反饋回的脈動信號，調(diào)制器把直流信號轉(zhuǎn)換為交流信號以使其可以通過變壓器，由變壓器實現(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，輸出級濾波器抑制輸出噪聲和脈動信號。 兩種得到隔離電源的方法圖2.50給出了DCDC轉(zhuǎn)換器隔離電源的應用電路。 圖2.50 DCDC轉(zhuǎn)換隔離電源應用 2.6 信號采樣與重構(gòu)q 1. 信號類型定義 q 2. 信號采樣 1 信號類型定義 在計算機控制系統(tǒng)中，存在多種類型的信號，圖2.51給出了典型的計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各處的信號形式。圖2.51典型計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各處的信號形式 為便于后續(xù)的描述和分析，下面定義幾種類型信號，并在圖2.52中給出了圖解。

39、 信號類型定義q 連續(xù)信號q 模擬信號 q 離散信號 q 采樣信號 q 數(shù)字信號圖2.52 信號類型圖解 連續(xù)信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續(xù)的、也可以是斷續(xù)的。連續(xù)信號的一種特殊情況是幅值整量化的連續(xù)信號，如D/A轉(zhuǎn)換器輸出的臺階式信號，這種信號稱為分段連續(xù)信號。 連續(xù)信號模擬信號 模擬信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個子集，在大多數(shù)場合與很多文獻中，將二者等同起來，均指模擬信號。 信號類型離散信號 離散信號是僅在各個離散時間瞬時上有定義的信號。離散信號采樣信號 采樣信號是離散信號的子集，它是取模擬信號在離散時

40、間瞬時上的值構(gòu)成的信號序列，因此其幅值可以是模擬信號的連續(xù)幅值范圍內(nèi)的任意值，即其在時間上是離散的、而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們提及離散信號就是指采樣信號。 數(shù)字信號 數(shù)字信號是幅值整量化的離散信號，它在時間上和幅值上均是離散的。 2 信號采樣采樣周期采樣周期T遠大于采樣脈沖寬度遠大于采樣脈沖寬度p，即即Tp。理想采樣過程：理想采樣過程：p 0 。即具有瞬時。即具有瞬時開關(guān)功能。開關(guān)功能。理想采樣信號用理想采樣信號用f *(t)表示。表示。圖圖2-53 采樣過程描述采樣過程描述均勻采樣：整個采樣過程中采樣周期不變。均勻采樣：整個采樣過程中采樣周期不變。非均勻采樣：采樣周期是變化的。非均

41、勻采樣：采樣周期是變化的。隨機采樣：采樣間隔大小隨機變化。隨機采樣：采樣間隔大小隨機變化。單速率系統(tǒng)：在一個系統(tǒng)里，各點采樣器的采樣周期均相同。單速率系統(tǒng)：在一個系統(tǒng)里，各點采樣器的采樣周期均相同。多速率系統(tǒng)：各點采樣器的采樣周期不相同。多速率系統(tǒng)：各點采樣器的采樣周期不相同。1) 采樣過程的描述采樣過程的描述2) 理想采樣信號的時域描述理想采樣信號的時域描述1. 理想采樣的數(shù)學描述理想采樣的數(shù)學描述 用用 函數(shù)來描述理想采函數(shù)來描述理想采樣開關(guān)，得到其時域數(shù)樣開關(guān)，得到其時域數(shù)學表達式為學表達式為 圖圖2.54理想采樣開關(guān)的數(shù)理想采樣開關(guān)的數(shù)學描述學描述2)理想采樣信號的時域描述理想采樣信號

42、的時域描述2. 理想采樣信號時域數(shù)學描述理想采樣信號時域數(shù)學描述 理想采樣信號理想采樣信號f *(t)是連續(xù)信號是連續(xù)信號f(t)經(jīng)過一個理想采樣開經(jīng)過一個理想采樣開關(guān)而獲得的輸出信號，它可以看作是連續(xù)信號關(guān)而獲得的輸出信號，它可以看作是連續(xù)信號f(t) 被單被單位脈沖序列串位脈沖序列串 T調(diào)制的過程調(diào)制的過程。圖圖2.55采樣器采樣器脈沖幅值調(diào)制器脈沖幅值調(diào)制器f *(t)=f(t) T=f(t)理想采樣信號理想采樣信號的時域表達式的時域表達式為：為：3) 理想采樣信號的復域描述理想采樣信號的復域描述(簡簡)1.理想采樣信號的拉氏變換理想采樣信號的拉氏變換（1）已知理想采樣信號的時域表示式）

43、已知理想采樣信號的時域表示式（2）已知連續(xù)信號的拉氏變換式）已知連續(xù)信號的拉氏變換式F(s) 北京航空航天大學 清華大學出版社2. F*(s)的特性的特性(1) F*(s)是周期函數(shù)，其周期值為是周期函數(shù)，其周期值為j s。(2) 假設假設F(s)在在ss1處有一極點，那么處有一極點，那么F*(s)必然在必然在s=s1+jm s處具有極點，處具有極點，m1，2，。，。(3) 采樣信號的拉氏變換等于連續(xù)信號的拉氏變換的乘積再離散化，則前采樣信號的拉氏變換等于連續(xù)信號的拉氏變換的乘積再離散化，則前者可從離散符號中提取出來，即者可從離散符號中提取出來，即F*(s)和和F(s)一樣，描述了采樣信號的復

44、域特性。一樣，描述了采樣信號的復域特性。 m1，2，。 圖圖2-56 F(s)及及F*(s)極點極點分布圖分布圖4) 理想采樣信號的頻域描述理想采樣信號的頻域描述1. 理想采樣信號的頻譜理想采樣信號的頻譜s=js 工程近似工程近似為：為：(1) 當當n0時，時，F(xiàn)*(j )F(j )/T，該項稱為采樣信號的基本頻譜，它，該項稱為采樣信號的基本頻譜，它正比于原連續(xù)信號正比于原連續(xù)信號f (t)的頻譜，僅幅值相差的頻譜，僅幅值相差1/T。(2) 當當n 0時，派生出以時，派生出以 s為周期的高頻諧波分量，稱為旁帶。每隔為周期的高頻諧波分量，稱為旁帶。每隔1個個 s，就重復原連續(xù)頻譜，就重復原連續(xù)頻

45、譜F(j )/T 1次，如圖次，如圖2-57(b)所示。所示。 圖圖2-57 連續(xù)信號頻譜和采樣信號頻譜連續(xù)信號頻譜和采樣信號頻譜2. 頻譜混疊頻譜混疊理想采樣信號頻譜產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象的情況：理想采樣信號頻譜產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象的情況：(1) 當連續(xù)信號的頻譜帶寬是有限時，當連續(xù)信號的頻譜帶寬是有限時， m為信號中的最高為信號中的最高頻率，若采樣頻率頻率，若采樣頻率 s /2 s /2時頻率響應產(chǎn)生混疊時頻率響應產(chǎn)生混疊3. 采樣器的靜態(tài)增益采樣器的靜態(tài)增益 若連續(xù)信號是有限帶寬，且折疊頻率若連續(xù)信號是有限帶寬，且折疊頻率 ( s /2) m ，即不產(chǎn)生混疊時，即不產(chǎn)生混疊時，sk=1/T； 若采

46、樣信號頻譜產(chǎn)生混疊時，若采樣信號頻譜產(chǎn)生混疊時， 如圖如圖2-59所示，具體等于多大，將視混疊的嚴重所示，具體等于多大，將視混疊的嚴重程度而定。程度而定。1/ksT圖圖2-59 f(t)=e-t及其采樣及其采樣信號頻譜信號頻譜5) 采樣定理采樣定理1采樣定理采樣定理如果一個連續(xù)信號不包含高于頻率如果一個連續(xù)信號不包含高于頻率 max的頻率的頻率分量分量(連續(xù)信號中所含頻率分量的最高頻率為連續(xù)信號中所含頻率分量的最高頻率為 max) ，那么就完全可以用周期，那么就完全可以用周期T2 max，那么就可以從采樣信號中不失真地，那么就可以從采樣信號中不失真地恢復原連續(xù)信號?；謴驮B續(xù)信號。2采樣信號失

47、真采樣信號失真(1) 信號的高頻分量折疊為低頻分量信號的高頻分量折疊為低頻分量 12( )cos8x tt227( )cos8x tt024681 01 2- 1- 0 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 812采樣信號失真采樣信號失真(2）隱匿）隱匿振蕩(Hidden oscillation) 如果連續(xù)信號如果連續(xù)信號x(t) 的頻率分量等于采樣頻率的頻率分量等于采樣頻率 s的整數(shù)倍的整數(shù)倍時，則該頻率分量在采樣信號中將會消失時，則該頻率分量在采樣信號中將會消失 。信號為信號為 ：采樣頻率采樣頻率 s =3rad/s。采樣序列為采樣序列為

48、這表明這表明x(kT) 中僅含有中僅含有x1 (t) 的采樣值，而的采樣值，而x2 (t) 的的采樣振蕩分量消失了。但在采樣間隔之間，采樣振蕩分量消失了。但在采樣間隔之間，x(t) 中存在中存在的振蕩稱為隱匿振蕩。的振蕩稱為隱匿振蕩。 X2(t)X1(t)x(kT)6) 前置濾波器前置濾波器 串在采樣開關(guān)串在采樣開關(guān)前的模擬低通前的模擬低通濾波器，主要濾波器，主要作用是防止采作用是防止采樣信號產(chǎn)生頻樣信號產(chǎn)生頻譜混疊，又稱譜混疊，又稱為抗混疊濾波為抗混疊濾波器。器。作用作用 濾除連續(xù)信號中濾除連續(xù)信號中高于高于 s/2的頻譜的頻譜分量，從而避免分量，從而避免采樣后出現(xiàn)頻譜采樣后出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象

49、混疊現(xiàn)象. 濾除高頻干擾濾除高頻干擾. 圖圖2-60 前置濾波前置濾波器作用器作用 7) 采樣周期的選擇 在計算機控制系統(tǒng)中，采樣頻率或采樣周期的選擇非常重要，它直接影響控制效果，而且還影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 按系統(tǒng)閉環(huán)頻帶選取 按系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)選取 按系統(tǒng)開環(huán)階躍響應的上升時間選取 根據(jù)生產(chǎn)過程控的控制的經(jīng)驗選取) 理想恢復過程理想恢復過程 信號恢復：信號恢復： 時域上時域上由離散的采樣值求出所對應的連續(xù)時間函數(shù)；由離散的采樣值求出所對應的連續(xù)時間函數(shù)； 頻域上頻域上除去采樣信號頻譜的旁帶，保留基頻分量。除去采樣信號頻譜的旁帶，保留基頻分量。 理想不失真的恢復需要具備理想不失真的恢復需要具備3個條件：個條件： 原連續(xù)信號的頻譜必須是有限帶寬的頻譜；原連續(xù)信號的頻譜必須是有限帶寬的頻譜； 采樣必須滿足采樣定理，即采樣必須滿足采樣定理，即 具有理想低通濾波器，對采樣信號進行濾波。具有理想低通濾波器，對采樣信號進行濾波。 采樣信號通過理想濾波器的恢復采樣信號通過理想濾波器的恢復 信號重構(gòu) 把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，稱為信號重構(gòu)，它是采樣的逆過程。 01( )TseH ss 零階保持器的傳遞函數(shù) 零階保持器：把采樣時刻KT處的采樣值恒定地保持到下一個采樣時刻(k+1)T。其輸出信號 ：0( )(),(1) hftf kTkTtkT零階保持器與理想低通濾