第二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)過程通道設(shè)計(jì)方法(第四講)

2.3模擬量輸出通道設(shè)計(jì)方法

模擬量輸出通道的任務(wù)：將計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，轉(zhuǎn)換輸出的模擬信號(hào)可能是電壓或電流信號(hào)。這些轉(zhuǎn)換后的信號(hào)送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作從而達(dá)到系統(tǒng)對被控對象調(diào)節(jié)的目的。2.3.1模擬量輸出通道的組成2.3.2模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)1當(dāng)前第1頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.3.1模擬量輸出通道的組成AO通道的任務(wù)是把經(jīng)過計(jì)算機(jī)或控制器處理得到的某些數(shù)據(jù)送回物理系統(tǒng)，對系統(tǒng)物理量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

AO通道一般由接口電路、數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器、輸出保持器、多路開關(guān)和電壓/電流(V/I)變換器等構(gòu)成。2當(dāng)前第2頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)1)每個(gè)通道單獨(dú)設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)模擬量輸出通道結(jié)構(gòu)圖特點(diǎn)：1.一路輸出通道使用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器

2.D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部一般都帶有數(shù)據(jù)鎖存器

3.D/A轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)、信號(hào)保持作用

4.結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，精度較高、通道獨(dú)立

5.缺點(diǎn)是所需D/A轉(zhuǎn)換器芯片較多為何不需要多路開關(guān)？3當(dāng)前第3頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2)多通道共享D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.多路輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器

2.每一路通道都配有一個(gè)采樣保持放大器

3.D/A轉(zhuǎn)換器只起數(shù)字到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換作用

4.采樣保持器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)保持功能

5.節(jié)省D/A轉(zhuǎn)換器，但電路復(fù)雜，精度差，可靠性低、占

用主機(jī)時(shí)間

4當(dāng)前第4頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.3.2模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題：D/A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的接口(硬件設(shè)計(jì))及其程序設(shè)計(jì)(軟件設(shè)計(jì))1.D/A轉(zhuǎn)換器

將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出有電流和電壓兩種方式電壓輸出又有單極性和雙極性兩種方式5當(dāng)前第5頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)1)D/A轉(zhuǎn)換器的原理

D/A轉(zhuǎn)換器一般由基準(zhǔn)電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器和模擬電子開關(guān)組成。其中核心是“解碼網(wǎng)絡(luò)”，常見有“權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)”和“T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)”。6當(dāng)前第6頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)①

權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)—4位D/A轉(zhuǎn)換器

可以把數(shù)字0000~1111B轉(zhuǎn)換成大小不同的電流，從而在運(yùn)算放大器輸出端得到大小不同的電壓。權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖權(quán)電阻7當(dāng)前第7頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)②T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖運(yùn)放輸出端的電壓通式為：8當(dāng)前第8頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2)D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

分辨率

精度

線性度

轉(zhuǎn)換時(shí)間

輸出方式：5~10V或20mA~3A9當(dāng)前第9頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.D/A轉(zhuǎn)換器接口及程序設(shè)計(jì)

一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器接口，必須根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換芯片，通過外圍接口電路及器件，完成D/A轉(zhuǎn)換的信號(hào)處理。1)D/A轉(zhuǎn)換器的接口技術(shù)計(jì)算機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器一般是通過接口電路完成連接的。接口電路主要完成地址譯碼、產(chǎn)生控制信號(hào)等功能。需要考慮的問題如下：

①D/A轉(zhuǎn)換器中是否包含寄存器②D/A轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)的連接(片選信號(hào)、寫信號(hào)、啟動(dòng)信號(hào))10當(dāng)前第10頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2)D/A轉(zhuǎn)換器的程序設(shè)計(jì)①并行D/A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用(DAC0832)8位D/A轉(zhuǎn)換器帶兩個(gè)輸入鎖存，可直接與CPU或8031單片機(jī)相連以電流形式輸出；當(dāng)轉(zhuǎn)換為電壓輸出時(shí)，應(yīng)外接運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式三種方法多芯片工作時(shí)，同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)各模擬量的同時(shí)輸出同系列芯片還有DAC0830、DAC083111當(dāng)前第11頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)(a)

單緩沖方式：單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。(b)

雙緩沖方式：雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情形。

(c)直通方式：直通方式是資料不經(jīng)兩級鎖存器鎖存，即CS，XFER，WR1，WR2均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線路和不帶微機(jī)的控制系統(tǒng)，不過在使用時(shí)，必須通過另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。12當(dāng)前第12頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)DAC0832結(jié)構(gòu)圖及引腳選通邏輯控制13當(dāng)前第13頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)各引腳功能如下：DI0-DI7：數(shù)據(jù)輸入，其中DI0為最低有效位LSB，DI7為最高有效位MSB。CS：片選信號(hào)，輸入，低電平有效。WR1：寫信號(hào)1，輸入，低電平有效。ILE：輸入允許鎖存信號(hào)，輸入，高電平有效

WR2：寫信號(hào)2，輸入，低電平有效。XFER(TransferControlSignal):傳送控制信號(hào)，輸入，低電平有效。Iout1：DAC電流輸出端1，一般作為運(yùn)算放大器差動(dòng)輸入信號(hào)之一。Iout2：DAC電流輸出端2，一般作為運(yùn)算放大器另一個(gè)差動(dòng)輸入信號(hào)。Rfb：固化在芯片內(nèi)的反饋電阻連接端，用于連接運(yùn)算放大器的輸出端。Vref：基準(zhǔn)電壓源端，輸入，10VDC~10VDC。VCC：工作電壓源端，輸入，5VDC~15VDC。AGND：模擬電路地DGND：數(shù)字電路地14當(dāng)前第14頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)

當(dāng)ILE、CS和WR1同時(shí)有效時(shí)，8位輸入寄存器端為高電平“1”，此時(shí)寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D的電平變化；反之，當(dāng)LE1端為低電平“0”時(shí)，原D端輸入數(shù)據(jù)被鎖存于Q端，在此期間D端電平的變化不影響Q端。當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時(shí)DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當(dāng)LE2端為低電平“0”時(shí)，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，可以把WR2和XFER直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個(gè)寄存器都分別接成受控方式。15當(dāng)前第15頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)DAC0832時(shí)序圖16當(dāng)前第16頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)DAC0832與8031單片機(jī)接口電路圖—單緩沖方式017當(dāng)前第17頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)電流輸出時(shí)的應(yīng)用電路18當(dāng)前第18頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)ORG3000HSTART：MOVDPTR,#7FFFH；建立DAC0832地址

MOVA,#nnH；待轉(zhuǎn)換數(shù)字量送入ALOOP：MOVX@DPTR，A；將數(shù)字量送至

DAC0832并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換19當(dāng)前第19頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)D/A轉(zhuǎn)換器的單極性輸出方式

補(bǔ)充：20當(dāng)前第20頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)D/A轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出方式

A2的作用是將A1的單向輸出變?yōu)殡p向輸出。21當(dāng)前第21頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)②串行D/A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用(TLC5628)

TLC5628是TI公司生產(chǎn)的可輸出8路模擬電壓信號(hào)的串行D/A轉(zhuǎn)換器，4個(gè)輸入端子，采用+5V電源供電。接口電路：TLC5628與8031單片機(jī)接口原理圖

22當(dāng)前第22頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)3.模擬量輸出模塊(ADAM-4024)4路模擬輸出、12位分辨率

輸出誤差小、低輸出電阻

輸入信號(hào)使用RS-485串行總線傳送

輸出信號(hào)可以是電壓(0V～±10V)或電流信號(hào)(0mA～20mA或4mA～20mA)

支持Modbus協(xié)議23當(dāng)前第23頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.1數(shù)字量過程通道的設(shè)計(jì)方法2.2模擬量輸入通道設(shè)計(jì)方法 2.3模擬量輸出通道設(shè)計(jì)方法2.4電氣控制器與執(zhí)行器

2.5小結(jié)

24當(dāng)前第24頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.4電氣控制器與執(zhí)行器2.4.1接觸器

接觸器主要用于控制電動(dòng)機(jī)、電熱設(shè)備、電焊機(jī)、電容器組等，能頻繁地接通或斷開交直流主電路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。它具有低電壓釋放保護(hù)功能，在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制線路中被廣泛應(yīng)用。

25當(dāng)前第25頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.4.2電磁閥

電磁閥是受電磁力控制開/閉的閥體，主要應(yīng)用于液體或氣體構(gòu)成的液路、氣路控制場合，屬于開關(guān)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是DO控制。大量應(yīng)用于液壓，氣壓系統(tǒng)中，尤其在自動(dòng)化生產(chǎn)線中使用廣泛。

電磁閥相當(dāng)于開關(guān)的作用。26當(dāng)前第26頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.4.3三相異步交流電機(jī)與變頻器

異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在各種電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣，需求量最大。

變頻調(diào)速（VariableVelocityVariableFrequency）是一項(xiàng)集現(xiàn)代電力電子和計(jì)算機(jī)于一體的高效節(jié)能技術(shù)，其基本原理是通過改變電源的頻率達(dá)到改變交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，可以節(jié)約能源。27當(dāng)前第27頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，即通過改變電機(jī)工作電源頻率方式控制交流電動(dòng)機(jī)。變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。

變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。目前常用的通用變頻器即屬于交-直-交變頻器，以下簡稱變頻器。28當(dāng)前第28頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)圖2.41交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)框圖變頻器的工作可以分為兩個(gè)基本過程：（1）先將電源的三相或單項(xiàng)交流電經(jīng)整流橋整流成直流電（交-直變換），這方面的技術(shù)已經(jīng)解決。（2）再把直流電“逆變”成頻率任意可調(diào)的三相交流電（直-交變換），這是長期以來要解決和不斷完善的核心問題。29當(dāng)前第29頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.4.4執(zhí)行器的作用

工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般都是由檢測、調(diào)節(jié)、執(zhí)行等部分和調(diào)節(jié)對象所組成。生產(chǎn)過程的被控變量從變送器引入，經(jīng)CPU運(yùn)算處理后輸出操作指令給執(zhí)行器控制生產(chǎn)過程，執(zhí)行器將操作指令進(jìn)行功率放大，并轉(zhuǎn)換為輸出軸相應(yīng)的轉(zhuǎn)角或直線位移，連續(xù)地或斷續(xù)地去推動(dòng)各種控制機(jī)構(gòu)，如控制閥門、擋板，控制操縱變量變化，以完成對各種被控參量的控制。

執(zhí)行器主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成，將調(diào)節(jié)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成為力或力矩的部分叫做電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而各種類型的調(diào)節(jié)閥或其他類似作用的調(diào)節(jié)設(shè)備則統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也稱為控制機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥或控制閥。30當(dāng)前第30頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)比較項(xiàng)目氣動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器液動(dòng)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜簡單體積中小大推力中小大配管配線較復(fù)雜簡單復(fù)雜動(dòng)作滯后大小小頻率響應(yīng)狹寬狹維護(hù)檢修簡單復(fù)雜簡單使用場合防火防爆隔爆型才防火防爆要注意火花溫度影響較小較大較大成本低高高表2.4氣、電、液執(zhí)行器特點(diǎn)比較31當(dāng)前第31頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.4.5執(zhí)行器的構(gòu)成1.氣動(dòng)執(zhí)行器構(gòu)成

氣動(dòng)執(zhí)行器（俗稱氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥）是以壓縮空氣為動(dòng)力能源的一種自動(dòng)執(zhí)行器。它接受調(diào)節(jié)儀表送來的壓力信號(hào)直接改變被調(diào)介質(zhì)(如液體、氣體、蒸汽等)的流量，使生產(chǎn)過程按預(yù)定的要求正常進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。

氣動(dòng)執(zhí)行器主要有二種構(gòu)成：開環(huán)和閉環(huán)。開環(huán)氣動(dòng)執(zhí)行器只能用在控制精度要求不高的場合；閉環(huán)氣動(dòng)執(zhí)行器用在控制精度要求較高的場合。32當(dāng)前第32頁\共有36頁\編于星期三\8點(diǎn)2.電動(dòng)執(zhí)行器構(gòu)成

電動(dòng)執(zhí)行器(俗稱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥)是把來自調(diào)節(jié)儀表的輸出電信號(hào)(或其他調(diào)節(jié)、控制信號(hào))用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換