《第2章 过程输入输出通道技术PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 过程输入输出通道技术PPT讲稿.ppt（104页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第2章 过程输入输出通道技术第1页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 22.12.1过程输入输出通道概述过程输入输出通道概述接口：接口：是计算机与外围设备交换信息的桥梁是计算机与外围设备交换信息的桥梁过程输入输出通道过程输入输出通道：微机与生产过程之间信号传递与转换的过：微机与生产过程之间信号传递与转换的过程通道。包括模拟量和开关量输入输出通道。程通道。包括模拟量和开关量输入输出通道。模拟量输入通道模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计度
2、、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计算机。算机。模拟量输出通道模拟量输出通道则把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信则把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设备的控制。备的控制。开关量输入通道开关量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。开关量输出通道开关量输出通道把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的执行机构
3、和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进电机及继电器灯装置。电机及继电器灯装置。第2页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 32.22.2数字量输入通道（数字量输入通道（DIDI）数字量输入接口电路：把现场的各种开关信号变成计算机内部数字量输入接口电路：把现场的各种开关信号变成计算机内部处理的标准信号处理的标准信号。数字量（开关量）信号包括：数字量（开关量）信号包括：开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触开关的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、马达的启动和停止、可
4、控硅的通和断，器的吸合与释放、马达的启动和停止、可控硅的通和断，等等。等等。这些信号的共同特征是以二进制的逻辑这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1 1”和和“0 0”出现的，出现的，所以把这类信号统称为数字信号所以把这类信号统称为数字信号。本节内容包含：本节内容包含：一、数字量输入通道的结构一、数字量输入通道的结构二、数字量输入调理电路二、数字量输入调理电路三、数字量输入接口电路三、数字量输入接口电路第3页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 4生产过程PC总线一、数字量输入通道的结构一、数字量输入通道的结构数字量输入通道数字量输入通道主要由
5、主要由输入缓冲器输入缓冲器、输入调理电路输入调理电路、输入输入地址译码电路地址译码电路组成。其结构如下：组成。其结构如下：第4页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 5二、二、输入调理电路输入调理电路数字量（开关量）输入通道的数字量（开关量）输入通道的基本功能基本功能就是接受外部装置或就是接受外部装置或生产过程的状态信号。生产过程的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，必然这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点，必然引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。为了将外部开关量信号输入到
6、计算机，必须将现场输入为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接受的逻辑信号，这些功能称为计算机能够接受的逻辑信号，这些功能称为信号调理信号调理。第5页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 61、小功率小功率输入信号调理电路输入信号调理电路将接点的接通和断开动作，转换成将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般应为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信
7、号，一般应加入有加入有较长时间常数的积分电路较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。来消除这种振荡。下图是一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。下图是一种简单的采用积分电路消除开关抖动的方法。AOA2O2O1A1第6页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 72、大功率大功率输入信号调理电路输入信号调理电路在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入在大功率系统中，需要从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。由于大功率开关电路采用较高的直流电源，在输信号。由于大功率开关电路采用较高的直流电源，在输入开关状态信号时可能对计算机控制系统带来干
8、扰和破入开关状态信号时可能对计算机控制系统带来干扰和破坏，故需要将这类开关信号经光电隔离后才能与计算机坏，故需要将这类开关信号经光电隔离后才能与计算机相连，以确保计算机正常运行。这种情况下，为了使接相连，以确保计算机正常运行。这种情况下，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压。以上的直流电压。第7页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 8常见开关量输入接口电路1.直流输入接口电路：见下图第8页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 92.交流输入接口电
9、路：见下图第9页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 103.交、直流输入接口电路：第10页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 11三、数字量输入接口技术三、数字量输入接口技术1、输入接口元件、输入接口元件数字量输入接口元件常用三态门缓冲器数字量输入接口元件常用三态门缓冲器74LS244取得状取得状态信息态信息。特点：特点：74LS244共有共有8个通个通道，可输入道，可输入8个开关状个开关状态。态。作用：作用：74LS244可用来隔可用来隔离输入和输出线路，在离输入和输出线路，在两者之间起缓
10、冲作用。两者之间起缓冲作用。第11页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 122 2、数字量输入接口、数字量输入接口经过端口地址译码，得到片选信号经过端口地址译码，得到片选信号CS，且在执行，且在执行IN指令时，指令时，产生产生IOR信号，则被测的状态信息通过输入接口送到信号，则被测的状态信息通过输入接口送到PCPC总线的数据线上，然后装入总线的数据线上，然后装入ALAL寄存器。寄存器。第12页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 13（2 2）数字量输入接口）数字量输入接口完成取数的指令完成取
11、数的指令：MOV DX,port 地址送地址送DXDXIN AL,DX 从端口读数，送从端口读数，送ALAL第13页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 142.3 2.3 数字量输出通道数字量输出通道(DO)(DO)数字量输出通道：把计算机内部信号转换成现场执行机构的各数字量输出通道：把计算机内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。种开关信号。本节内容包含：本节内容包含：一、数字量输出通道的结构一、数字量输出通道的结构二、数字量输出驱动电路二、数字量输出驱动电路三、数字量输出接口电路三、数字量输出接口电路第14页，共104页，编辑于2022
12、年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 15一、数字量输出通道的结构一、数字量输出通道的结构组织量输出通道组织量输出通道主要由主要由输出锁存器输出锁存器、输出驱动电路输出驱动电路、输出输出口地址译码电路口地址译码电路组成。组成。生产过程PC总线第15页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 16二、输出驱动电路二、输出驱动电路(drive circuit of output)要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号。行控制的驱动信号。根据生产过程开关器件功
13、率和工作电压的不同，可有根据生产过程开关器件功率和工作电压的不同，可有多种数字量放大电路的构成方式。如：功率晶体管、晶闸多种数字量放大电路的构成方式。如：功率晶体管、晶闸管、大功率场效应管和继电器。管、大功率场效应管和继电器。在开关信号从输出缓冲器到驱动电路之前，往往要在开关信号从输出缓冲器到驱动电路之前，往往要对其进行隔离，以避免现场设备的开关和起停干扰计算对其进行隔离，以避免现场设备的开关和起停干扰计算机控制系统或引入强电进系统。机控制系统或引入强电进系统。第16页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 171 1、输出接口光电隔离、输出接口
14、光电隔离(photoelectricity isolating)photoelectricity isolating)在计算机控制系统中，输出开关量大部分都是在计算机控制系统中，输出开关量大部分都是TTL或或CMOS电平，输出电流较小，一般不能直电平，输出电流较小，一般不能直接驱动发光二极管，所以通常会加驱动电路，如接驱动发光二极管，所以通常会加驱动电路，如7406、7407，或者加一级驱动三极管。，或者加一级驱动三极管。第17页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 18为了保证输入与输出端在电气上隔离，两端的电源必须独为了保证输入与输出端在电
15、气上隔离，两端的电源必须独立。如图中立。如图中VDD、VCC。工作原理：在上图中，当开关量输出端工作原理：在上图中，当开关量输出端PA0输出高电输出高电平时，经反相驱动电路后变为低电平，使发光二极管平时，经反相驱动电路后变为低电平，使发光二极管有电流通过并发光，光线使得光敏三极管导通，从而有电流通过并发光，光线使得光敏三极管导通，从而在集电极上产生输出电压在集电极上产生输出电压UO，该电压便可以用来控制，该电压便可以用来控制外部电路外部电路.第18页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 19（1）晶体管输出接口电路：只能带直流负载2 2、三种接
16、口输出电路、三种接口输出电路第19页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 20（2）晶闸管输出接口电路：只能带交流负载第20页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 21（3）继电器输出接口电路：交直流负载均可带第21页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 223 3、继电器继电器(relay)(relay)输出驱动电路输出驱动电路（1 1）触点式继电器输出）触点式继电器输出继电器是电器控制中常用控制器件，由线圈和触点（常开和继电器是电器控制中常用
17、控制器件，由线圈和触点（常开和常闭）构成。常闭）构成。原理：当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触点闭合或原理：当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触点闭合或断开，线圈不通电时，开关触点断开或闭合。断开，线圈不通电时，开关触点断开或闭合。第22页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 23工作原理：当开关量输出端工作原理：当开关量输出端PA0输出高电平时，经反相驱动输出高电平时，经反相驱动器器7406变为低电平，发光二极管发光，从而光敏三极管导通，变为低电平，发光二极管发光，从而光敏三极管导通，使得晶体管使得晶体管VT导通，故使继电器导通，故使继电器
18、K的线圈通电，继电器的触的线圈通电，继电器的触点闭合，使得负载点闭合，使得负载RL与与220V电源接通。反之则断开。电源接通。反之则断开。图中二极管图中二极管VD保护晶体管保护晶体管VT不被击穿。不被击穿。第23页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 24分析：当继电器分析：当继电器K吸合时，二极管吸合时，二极管VD截至，电路正常工截至，电路正常工作。当继电器作。当继电器K释放时，由于继电器线圈电感的存在，释放时，由于继电器线圈电感的存在，因而具有储存有电能，而此时晶体管因而具有储存有电能，而此时晶体管VT截至，故在线圈截至，故在线圈两端产生较
19、高的感应电势，此电势方向为上负下正，正两端产生较高的感应电势，此电势方向为上负下正，正端加到端加到VT的集电极上，当感应电势与的集电极上，当感应电势与VCC的和大于的和大于VT的集电极反向电压时，的集电极反向电压时，VT被击穿。加入二极管被击穿。加入二极管VD后，后，继电器线圈产生的感应电势由二极管继电器线圈产生的感应电势由二极管VD流过，钳住了流过，钳住了VT集电极端的电压，因而集电极端的电压，因而VT得到保护。得到保护。第24页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 25（2 2）固态继电器输出）固态继电器输出(solid state rel
20、ay)(solid state relay)优点：优点：触点式继电器在开关瞬间，触点容易产生电火花，触点式继电器在开关瞬间，触点容易产生电火花，从而引起干扰。固态继电器（从而引起干扰。固态继电器（SSR）则克服了这方面）则克服了这方面问题。问题。原理：原理：SSR用晶体管或者可控硅代替常规继电器的触点用晶体管或者可控硅代替常规继电器的触点开关，并用光电隔离器作为前级。因此固态继电器实际开关，并用光电隔离器作为前级。因此固态继电器实际上是一种光电隔离器的无触点开关。固态继电器分直流上是一种光电隔离器的无触点开关。固态继电器分直流型和交流型两大类。下图为直流型型和交流型两大类。下图为直流型SSR电
21、路原理图：电路原理图：第25页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 26直流型直流型SSR的输入级为光电隔离器，输出级为大功率晶体的输入级为光电隔离器，输出级为大功率晶体管（输出工作电压可达管（输出工作电压可达30V-180V）。）。应用：应用：主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机的控主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机的控制、直流步进电机控制和电磁阀门的开启与关闭等。制、直流步进电机控制和电磁阀门的开启与关闭等。第26页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 27下图为采用直流下图为采用
22、直流SSR控制三相步进电机的电路原理图控制三相步进电机的电路原理图上图中步进电机的上图中步进电机的A、B、C三相，每相由一个直流型三相，每相由一个直流型SSR控控制。制。第27页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 28三、数字量输出接口技术三、数字量输出接口技术1、输出接口元件、输出接口元件当对生产过程进行控制时，当对生产过程进行控制时，一般应对计算机送出的一般应对计算机送出的控制状态进行保持，直控制状态进行保持，直到重新刷新为止。所以到重新刷新为止。所以需要利用输出接口对其需要利用输出接口对其进行锁存，一般采用锁进行锁存，一般采用锁存器存器
23、74LS27374LS273。特点：特点：74LS27374LS273有有8 8个通道，个通道，可输出可输出8 8个开关状态，个开关状态，并可驱动并可驱动8 8个输出装置。个输出装置。第28页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 292、数字量输出接口、数字量输出接口经过端口地址译码，得经过端口地址译码，得到片选信号到片选信号CSCS，执行，执行OUTOUT指令时，产生指令时，产生IOWIOW信号，利用信号，利用IOW的后的后沿产生的上升沿可以锁沿产生的上升沿可以锁存数据；存数据；用下列指令完成数据输出控制用下列指令完成数据输出控制：MOV A
24、L,DATA MOV DX,port OUT DX,AL第29页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 30PCL-730是研华公司推出的是研华公司推出的32通道隔离型通道隔离型I/O板卡，提供板卡，提供16路开关量隔离输入和路开关量隔离输入和16路开关量隔离输出，其结路开关量隔离输出，其结构图如下所示：构图如下所示：四、数字量输入输出通道模板举例四、数字量输入输出通道模板举例第30页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 31D0-D7:D0-D7:数据线；数据线；A0-A9:A0-A9:地址线；
25、地址线；CS1,CS2:CS1,CS2:寄存器选通信号寄存器选通信号;分别为低分别为低8 8位寄存器选通和高位寄存器选通和高8 8位寄存器选通位寄存器选通;IDI;IDI0 0-IDI-IDI1515:16:16路隔离开关量输入通道路隔离开关量输入通道,IDO,IDO0 0-IDO-IDO1515:16:16路隔离开关量输出路隔离开关量输出通道。通道。第31页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 322.4 2.4 模拟量输入通道模拟量输入通道AI(P30)AI(P30)2.4.1 组成组成模拟量输入通道模拟量输入通道一般由一般由I/V变换，多
26、路转换器，采样保持器、变换，多路转换器，采样保持器、A/D转换器、转换器、I/O接口及控制逻辑组成。接口及控制逻辑组成。采采样样保保持持器器I/O主主机机控制逻辑控制逻辑A/D多多路路转转换换器器信号信号调理调理或或I/VI/V变换变换变变送送器器过过程程参参数数保保持持器器接接口口电电路路模拟量输入通道模拟量输入通道过程参数由过程参数由传感元件传感元件和和变送器变送器测量并转换为标准的测量并转换为标准的电流电流形式后送至形式后送至I/V变变换器换器；在微机的控制下，由；在微机的控制下，由多路开关多路开关将各个过程参数依次地切换将各个过程参数依次地切换到后级，进行放大、采样和到后级，进行放大、
27、采样和A/D转换，实现过程参数的巡回检测。转换，实现过程参数的巡回检测。第32页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 332.4.2 2.4.2 信号调理和信号调理和I/VI/V变换变换一、信号调理一、信号调理信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信号滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信号转换成标准的电信号。是传感器和转换以及转换成标准的电信号。是传感器和转换以及和执行机构之间的桥梁。和执行机构之间的桥梁。1 1、非电信号的检测、非电信号
28、的检测不平衡电桥不平衡电桥作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。电流输出的一种测量电路。特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等优点。等优点。第33页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 34下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻R1,R2,R3R1,R2,R3为精密电阻，为精密电阻，R RPtPt为热敏电阻，为热敏电阻，E E端接激励源，端接激励源
29、，A,BA,B端接到后端接到后级的测量放大电路级的测量放大电路一般情况下：一般情况下：R2R2R3,R1=100R3,R1=100欧，欧，0 0时，时，R RPtPt为为100欧，此时电桥平衡，欧，此时电桥平衡，输出为输出为0。当温度变化时，当温度变化时，R RPtPt的阻值是温度的函的阻值是温度的函数为：数为：为电阻温度系数，为电阻温度系数，t为温度为温度第34页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 35因此，某温度下，产生不平衡电压因此，某温度下，产生不平衡电压,由不平衡电压推算由不平衡电压推算出温度值。出温度值。注意：工业中用热敏电阻测量
30、温度，当测量电路离控制注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控制柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采用三柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采用三线制，而不是两线制线制，而不是两线制接法。因采用两线制，由接法。因采用两线制，由于导线电阻存在，容易产于导线电阻存在，容易产生误差。热敏电阻与调理生误差。热敏电阻与调理电路之间三线制接法如图电路之间三线制接法如图第35页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 362 2、信号放大电路、信号放大电路作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上述电作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上述电
31、桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故需要放桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故需要放大器放大。大器放大。选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等常见器件：常见器件：uA741,LF347(低精度低精度)OP-07,OP-27(中等精度中等精度)ICL7650(高精度高精度)两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线第36页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 37二、二、I/VI/V变换变
32、换1、无源、无源I/V变换变换无源无源I/V变换如图所示：变换如图所示：R2为精密电阻为精密电阻当输入电流当输入电流I范围已知时，输出电压范围已知时，输出电压V的范围就确定。的范围就确定。如：当输入如：当输入I为为010mA时，取时，取R2=500欧，则欧，则V=05V 当输入当输入I为为420mA时，取时，取R2=250欧，则欧，则V=15V思考：图中思考：图中R1和电容和电容C起什么作用？二极管起什么作用？二极管D作用是什么？作用是什么？滤波和输出限幅滤波和输出限幅第37页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 382 2、有源、有源I/VI
33、/V变换变换有源有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容图中电容C起滤波。起滤波。第38页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 392 2、有源、有源I/VI/V变换变换有源有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组成，图中电容中电容C起滤波。起滤波。根据理想运算放大器知识根据理想运算放大器知识：,由短路特性得由短路特性得 故故当输入当输入I为为010mA时，取时，取R1=200欧，则欧，则Vi=02V取取R3=100千欧，千
34、欧，R4=150千欧，则千欧，则A=2.5,则输出为则输出为05V当输入当输入I为为420mA时，取时，取R1=200欧，则欧，则Vi=0.84V取取R3=100千欧，千欧，R4=25千欧，则千欧，则A=1.25,则输出为则输出为15V第39页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 402.4.3 2.4.3 多路转换器多路转换器()()多路转换器也称多路开关。多路转换器也称多路开关。作用作用：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各个模拟输：是用于切换模拟电压信号的关键元件，可将各个模拟输入信号依次或随即地接到公用放大器上或入信号依次或随即地接
35、到公用放大器上或A/D转换器上，完转换器上，完成成“多到一多到一”的转换。的转换。要求：理想开关是开路状态时电阻无穷大，接通时电阻为要求：理想开关是开路状态时电阻无穷大，接通时电阻为0，切换快、噪音小、寿命长、工作可靠。切换快、噪音小、寿命长、工作可靠。常用多路开关有：常用多路开关有：CD4051,AD7501,LF13508等。等。CD4051的原理见的原理见P32图图2.20。第40页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 412.4.4 2.4.4 采样、量化及采样采样、量化及采样/保持器保持器一、信号的采样一、信号的采样：采样：采样：计算
36、机每隔一定的时间间隔逐点的采入模拟信号的瞬时计算机每隔一定的时间间隔逐点的采入模拟信号的瞬时值的过程。值的过程。采样开关采样开关K K（采样器（采样器）：执行采样过程的装置。）：执行采样过程的装置。采样周期采样周期：采样开关每次通断的时间间隔：采样开关每次通断的时间间隔T T。采样时间（采样宽度）采样时间（采样宽度）：采样开关每次闭合的时间：采样开关每次闭合的时间。理想采样开关理想采样开关：当：当 ，称为理想采样开关。，称为理想采样开关。采样开关的波形如下图采样开关的波形如下图第41页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 42采样信号采样信号y
37、 y*(t t)：时间上离散，幅值上连续的信号：时间上离散，幅值上连续的信号采样过程采样过程：将时间和幅值均连续的模拟信号：将时间和幅值均连续的模拟信号y y(t t)变换为采变换为采样信号的过程称为样信号的过程称为采样过程采样过程或离散过程。或离散过程。信号的采样过程表示如下信号的采样过程表示如下：普通采样开关理想采样开关第42页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 43思考：由采样过程知，连续信号经过采样以后所得采样信号思考：由采样过程知，连续信号经过采样以后所得采样信号y y*(*(t t)不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值，
38、不是取全部时间上的信号值，而是取某些时间上的值，即即y y*(*(t t)是是y y(t t)的取样？的取样？那么处理后的采样信号会不会那么处理后的采样信号会不会造成原来信号的丢失呢？也就是说是否能由处理后的采造成原来信号的丢失呢？也就是说是否能由处理后的采样信号来复现原来的模拟信号样信号来复现原来的模拟信号y y(t t)呢？呢？问题就取决于采样周期问题就取决于采样周期T的大小。的大小。香农采样定理：当采样频率香农采样定理：当采样频率f2fmax(模拟信号的最高频率）模拟信号的最高频率），那么采样信号，那么采样信号y*(t)就能唯一地复现就能唯一地复现y(t)。实际应用中，常取实际应用中，常
39、取 f（510）fmax。第43页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 44二、信号的量化二、信号的量化背景：采样信号是时间上离散、幅值上连续的信号，本质是背景：采样信号是时间上离散、幅值上连续的信号，本质是离散的模拟信号，不能直接进入计算机。离散的模拟信号，不能直接进入计算机。含义：含义：用一组二进制码来逼近采样信号的幅值。将采样用一组二进制码来逼近采样信号的幅值。将采样信号的幅值变为数字信号信号的幅值变为数字信号D D。量化过程：量化过程：将采样信号转化为数字信号的过程。将采样信号转化为数字信号的过程。物理器件：物理器件：A/DA/D转换器
40、。转换器。量化单位量化单位q q：设设A/D A/D 转换器的位数为转换器的位数为n(n(分辨率分辨率)，采样信号，采样信号的幅值变化范围为的幅值变化范围为 则量化单位则量化单位第44页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 45量化过程实际是一个用量化过程实际是一个用q去度量采样幅值高低的小数归整过去度量采样幅值高低的小数归整过程程。由于量化过程是一个由于量化过程是一个小数归整小数归整过程，因而存在过程，因而存在量化误差量化误差，量化误差量化误差是是q q/2/2。假如假如q q20mV,20mV,则量化误差为则量化误差为10mV,10mV,当
41、某时刻采样信号的幅当某时刻采样信号的幅值是值是1V1V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？第45页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 46当采样信号的幅值是当采样信号的幅值是0.990V0.990V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？当某时刻采样信号的幅值是当某时刻采样信号的幅值是1.009V1.009V时，量化结果是多少？时，量化结果是多少？结论：结论：q q20mV20mV,幅值为幅值为0.990V-1.009V0.990V-1.009V范围内时的采样信范围内时的采样信号，其量化结果都是号，其量化结果都是50.50.因为量化误差为
42、因为量化误差为q q/2/2 10mV,10mV,A/DA/D转换器的位数越高，量化单位转换器的位数越高，量化单位q q越小，量化越精确。越小，量化越精确。第46页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 47三、信号的保持信号的保持因为因为A/DA/D转换器转换过程（信号的量化过程）需要一定时间，转换器转换过程（信号的量化过程）需要一定时间，如果在信号的量化过程中现场输入电压信号变化快且其幅值如果在信号的量化过程中现场输入电压信号变化快且其幅值变化超过变化超过q q/2/2，就不能保证，就不能保证A/DA/D转换精度。因此，采样信转换精度。因此，
43、采样信号在进入号在进入A/DA/D转换器之前转换器之前一般一般需要将其保持。需要将其保持。信号的保持：信号的保持：将采样信号将采样信号T T时刻的幅值保持到时刻的幅值保持到T+1T+1时刻的过程。时刻的过程。完成信号保持的装置：保持器完成信号保持的装置：保持器第47页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 48保持器信号保持过程信号保持过程通常，将采样功能和保持功能集成在一起，称其为采样保持通常，将采样功能和保持功能集成在一起，称其为采样保持器。器。第48页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 4
44、9四、采样保持器（四、采样保持器（P35P35）1 1、孔径时间和孔径误差的消除、孔径时间和孔径误差的消除孔径时间：完成一次孔径时间：完成一次A/DA/D转换所需要的时间。转换所需要的时间。孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差。孔径误差：每一个采样时刻的最大转换误差。对于一个时变的模拟信号而言，孔径时间决定孔径误差。对于一个时变的模拟信号而言，孔径时间决定孔径误差。如如P34P34图图2.222.22所示正弦模拟信号。对于一定的转换时间，因所示正弦模拟信号。对于一定的转换时间，因为为 在在0 0时刻最大，所以误差最大可能发生在信号过时刻最大，所以误差最大可能发生在信号过0 0的时刻。所以在原
45、点有：的时刻。所以在原点有：第49页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 502 2、原理、原理采样保持器的基本组成电路如图：由输入输出缓冲器采样保持器的基本组成电路如图：由输入输出缓冲器A A1 1、A A2 2和采样开和采样开关关K K、保持电容、保持电容C CH H组成。组成。误差百分数为误差百分数为所以，为了确保所以，为了确保A/DA/D转换的精度，要么必须限制输入信号的频率范围。转换的精度，要么必须限制输入信号的频率范围。或者加采样保持器，提高模拟输入信号的频率范围。或者加采样保持器，提高模拟输入信号的频率范围。结论：为达到转换所规定
46、的精度，要求结论：为达到转换所规定的精度，要求A/DA/D转换器在转换时间内将输入转换器在转换时间内将输入模拟量的变化幅度应小于模拟量的变化幅度应小于A/DA/D转换量化误差转换量化误差第50页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 51工作原理：采样时，工作原理：采样时，K K闭合，闭合，VINVIN通过通过A1A1对对CHCH快速充电，快速充电，VOUTVOUT跟跟随随VINVIN；保持期间，；保持期间，K K断开，因断开，因A2A2的输入阻抗高，的输入阻抗高，VOUTVOUTVCVC保持保持不变。采样器一旦进入保持，马上启动不变。采样器一旦
47、进入保持，马上启动A/DA/D转换器，确保转换期转换器，确保转换期间输入恒定。间输入恒定。3 3、常见采样保持器、常见采样保持器常用采样保持器有常用采样保持器有LF398LF398、AD582AD582等等。注意：当被测量信号变化缓慢，注意：当被测量信号变化缓慢，A/DA/D转换时间足够短，可转换时间足够短，可以不加采样保持器。以不加采样保持器。第51页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 522.4.5 A/D2.4.5 A/D转换器转换器(P23)(P23)一、一、A/D转换器工作原理转换器工作原理定义：实现采样和量化过程的器件定义：实现采
48、样和量化过程的器件原理：将输入电压与已知电压原理：将输入电压与已知电压比较比较进行的。进行的。比较将按某一方式获得的数字量比较将按某一方式获得的数字量D D转换成电压模拟量转换成电压模拟量U0U0，同时将，同时将U0U0和输入模拟电压和输入模拟电压UxUx比较，若两者相等，则数字量比较，若两者相等，则数字量D D就是对输入就是对输入模拟量模拟量UxUx转换的结果，若不等则进一步修数字量转换的结果，若不等则进一步修数字量D D，直至，直至U0U0UxUx为止。为止。二、二、A/DA/D转换器基本结构转换器基本结构根据采用的比较原理分直接比较式根据采用的比较原理分直接比较式A/DA/D转换器和间接
49、比较式转换器和间接比较式A/DA/D转换器。转换器。直接比较式：计数式、逐次逼近式和并行比较式直接比较式：计数式、逐次逼近式和并行比较式间接比较式：双积分间接比较式：双积分A/DA/D转换器转换器第52页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 531 1、并行、并行A/DA/D转换器转换器 思想：思想：u uI I为输入电压，为输入电压，V VREFREF为已知的参考电压。比较器输出为已知的参考电压。比较器输出u uo o为为0 0或或者者1 1，因此该比较器就是输出为一位的，因此该比较器就是输出为一位的A/DA/D转换器。转换器。特点：由于转换
50、是并行的，因而是转换速度最快；随着特点：由于转换是并行的，因而是转换速度最快；随着分辨率分辨率n n的提高，比较器数目按几何级数的提高，比较器数目按几何级数2 2n n-1-1增加增加,因此该因此该种种A/DA/D转换器分辨率较低。转换器分辨率较低。第53页，共104页，编辑于2022年，星期一10/11/2022计算机控制技术计算机控制技术 542 2、逐次逼近、逐次逼近A/DA/D转换器转换器 思想：类似于用天平称重，由思想：类似于用天平称重，由D/AD/A转换转换器从高位到低位逐位增加转换位数，产器从高位到低位逐位增加转换位数，产生不同的已知电压，将输入电压逐次与生不同的已知电压，将输入