計算機(jī)控制系統(tǒng)及應(yīng)用課件02

1、1第二章 計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的 硬件基礎(chǔ)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(jī)控制系統(tǒng)中的電源 q 2.6 信號采樣與重構(gòu) q 2.7 數(shù)字濾波 2 2.1 開關(guān)量輸入 在計算機(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)量信號的輸入。開關(guān)量的共同特征是幅值離散，可以用1位或多位二進(jìn)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 3 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 1位的狀態(tài)信號。如閥門的閉合與開啟、電機(jī)的起動與停止、觸點(diǎn)的接通與斷開。 成組的開關(guān)信號。如用于設(shè)定

2、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。4 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(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(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)5開關(guān)量輸入的常用預(yù)處理方法q 信號轉(zhuǎn)換處理

3、 q 安全保護(hù)措施 q 消除機(jī)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 6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(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7安全保護(hù)措施 在設(shè)計一個計算機(jī)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(yù)先采取安全保護(hù)措施。圖2.4 輸入保護(hù)電路8壓敏電阻：電阻值對電壓敏感 壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電

4、阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。彩電電源電路470V9消除機(jī)械抖動影響 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均要產(chǎn)生機(jī)械抖動，體現(xiàn)在計算機(jī)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(dāng)處理就會導(dǎo)致計算機(jī)的錯誤控制。圖2.5 消除開關(guān)抖動的電路10消除機(jī)械抖動影響原理S接通輸入接地為0S斷開輸入接+5V為111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(dǎo)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12隔

5、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(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(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13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(shè)備與計算機(jī)系統(tǒng)之間的隔離保護(hù)。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、晶閘管型等幾種，但其工作原理都是采用光作為

6、傳輸信號的媒介，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)流過一定的電流IF 時，發(fā)光二極管開始發(fā)光，它觸發(fā)光電三極管使其導(dǎo)通；當(dāng)撤去該電流時，發(fā)光二極管熄滅、三極管截止。這樣，就實(shí)現(xiàn)了以光路來傳遞信號，保證了兩側(cè)電路沒有電氣聯(lián)系，從而達(dá)到了隔離的目的。 14使用光電隔離器件的注意事項(xiàng)q 輸入側(cè)導(dǎo)通電流 要使光電隔離器件導(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。q 頻率特性 受發(fā)光二極管和光電元件響應(yīng)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

7、，在傳送高頻信號時，應(yīng)該考慮光電隔離器件的頻率特性，選擇通過頻率較高的光電隔離器。15使用光電隔離器件的注意事項(xiàng)q 輸出端工作電流 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。一般輸出端額定電流在mA量級，不能直接驅(qū)動大功率外部設(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)動電路。q 輸出端暗電流 這是指光電隔離器處于截止?fàn)顟B(tài)時，流經(jīng)輸出端元件的電流，此值越小越好。在設(shè)計接口電路時，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。16q 隔離電壓 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。q 電源隔離 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

8、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。 使用光電隔離器件的注意事項(xiàng)17 2.2 開關(guān)量輸出 在計算機(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)在一定時間T內(nèi)的全負(fù)荷工作時間 t(0tT)，這些控制是通過計算機(jī)開關(guān)量輸出通道來實(shí)現(xiàn)的。 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，開關(guān)量輸出信號用于控制各種現(xiàn)場設(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)18常用措施q 隔離處理q 電平轉(zhuǎn)換和功率放大19隔離處理 當(dāng)計算機(jī)控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸出信號用于控制

9、較大功率的設(shè)備時，為防止現(xiàn)場設(shè)備上的強(qiáng)電磁干擾或高電壓通過輸出通道進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)，一般需要采取光電隔離措施隔離現(xiàn)場設(shè)備和計算機(jī)系統(tǒng)。圖2.10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20電平轉(zhuǎn)換和功率放大 計算機(jī)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(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) 。q 小功率低壓開關(guān)量輸出 q 繼電器輸出 q 晶閘管輸出 q 功率場效應(yīng)管輸出 q 集成功率電子開關(guān)輸出 21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(yùn)

10、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22繼電器輸出 繼電器經(jīng)常用于計算機(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算機(jī)輸出的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過繼電器的觸點(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，為克服線圈反電勢，常在繼電器的線圈上并聯(lián)一個反向二極管。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

11、式開關(guān)量輸出23晶閘管輸出 作為一種大功率半導(dǎo)體無觸點(diǎn)開關(guān)器件，晶閘管具有以較小的功率來控制大功率的特點(diǎn)，因此在計算機(jī)控制系統(tǒng)中被廣泛地用作功率執(zhí)行元件，一般是由計算機(jī)發(fā)出數(shù)字觸發(fā)脈沖信號實(shí)現(xiàn)其通斷控制。圖2.12是采用晶閘管輸出型光電隔離器驅(qū)動雙向晶閘管的電路圖，圖中與晶閘管并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)用于吸收帶感性負(fù)載時產(chǎn)生的與電流不同步的過壓，晶閘管門極電阻則用于提高抗干擾能力，以防誤觸發(fā)。圖2.12 光電隔離的雙向晶閘管輸出24功率場效應(yīng)管輸出 功率場效應(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，漏極D和源極S之間即可導(dǎo)通。MOSFET的柵極控制電流為微安級，而導(dǎo)通后漏極D和源極S之間允許通過較大的電流，如IRF640導(dǎo)通時，D、S間允許通過的最大電流可達(dá)18A。圖2.13 功率場效應(yīng)管的典型使用方法25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關(guān)，具有開關(guān)速度快、無觸點(diǎn)、無噪聲、壽命長等特點(diǎn)，一般用于直流負(fù)載且電流不大(幾安培以下)的場合，有時也可在交流場合使用，常用于微電機(jī)、電磁閥的驅(qū)動或取代機(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)