計算機(jī)控制 (7)課件

第二章過程通道2.1過程參數(shù)采樣原理2.2模擬量輸入通道2.3D/A、A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)2.4模擬量輸出通道2.1過程參數(shù)采樣原理2.1.1采樣過程與數(shù)學(xué)描述2.1.2采樣定理2.1.3采樣周期選擇2.1.4多路采樣裝置X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)采樣開關(guān)(b)連續(xù)信號(c)開關(guān)函數(shù)2.1.1采樣過程與數(shù)學(xué)描述X*(t)kT05T3TT7T1調(diào)制器X(t)X*(t)P(t)(d)采樣信號(e)采樣過程x*(t)=p(t)x(t)τ0＜＜T因，所以分析時可近似認(rèn)為τ0為0，以單位脈沖函數(shù)δ(t)代替p(t)。理論表達(dá)形式：δ(t)＝{0∞

t=0t≠0工程表達(dá)形式：δ(t)＝{01

t=0t≠0單位脈沖序列：δT(t)kT0數(shù)學(xué)表達(dá)式：單位脈沖函數(shù)定義：采樣過程數(shù)學(xué)描述:考慮物理上可實(shí)現(xiàn)，又可近似為：可見，x*(t)具有離散信號的特性。2.1.2采樣定理對于角頻率范圍為（）的連續(xù)信號進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率時，采樣器的輸出信號x*(t)就能充分表征原始的連續(xù)信號x(t)，換言之，為使采樣信號的頻譜能無失真地恢復(fù)原來的連續(xù)信號的頻譜，采樣周期T必須小于輸入信號變化最小周期的1/2，即：由于被控對象一般具有低通濾波特性，因而x(t)的帶寬是有限的，其的振幅譜圖如下：（1）（2）2.1.3采樣周期選擇影響采樣周期選擇的因素：（1）加于生產(chǎn)過程的擾動程度；（2）被控過程的動態(tài)特性；（3）使用的控制方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型；（4）被控過程所要求的控制品質(zhì)指標(biāo)。采樣周期選取的一般原則：（1）系統(tǒng)受擾動情況。若擾動和噪聲都較小，采樣周期T應(yīng)選大些；。對于擾動頻繁和噪聲大的系統(tǒng)，采樣周期T應(yīng)選小些；（2）被控系統(tǒng)動態(tài)特性。滯后時間大的系統(tǒng)，采樣周期T應(yīng)選大些；。對于快速系統(tǒng)，采樣周期T應(yīng)選小些；（3）控制品質(zhì)指標(biāo)要求。若超調(diào)量為主要指標(biāo)，采樣周期T應(yīng)選大些；。若希望過渡過程時間短些，采樣周期T應(yīng)選小些；被控參數(shù)采樣周期T(S)主汽壓力、汽包壓力、爐膛負(fù)壓、凝汽器真空、汽包水位、汽機(jī)轉(zhuǎn)速

1流量、主汽溫度、一般壓力真空和電氣參量3～5一般液位6～8一般溫度15～30成分：15－60采樣周期參考值2.1.4多路采樣裝置為什么采用多路采樣裝置？1、多路采樣器結(jié)構(gòu)組成（1）采樣控制器（2）采樣驅(qū)動器（3）采樣開關(guān)列驅(qū)動器采樣控制器行驅(qū)動器A/DI/O計算機(jī)I/O采樣開關(guān)矩陣現(xiàn)場信號K（1）導(dǎo)通電阻Ron應(yīng)盡量小，開路電阻Roff盡量大；（2）開關(guān)切換時間短、遲延小，穩(wěn)定時間短；（3）能正確處理微弱電壓電流信號；（4）輸入/輸出之間線性度、穩(wěn)定度好；（5）工作壽命長。2、采樣開關(guān)技術(shù)要求3、典型采樣開關(guān)介紹1）繼電器式采樣開關(guān)類型：。干簧繼電器。濕簧（水銀）繼電器采樣速度：干簧繼電器100點(diǎn)/ST=10ms濕簧（水銀）繼電器200點(diǎn)/ST=5ms＋－UNS氮?dú)饣善兘鹩|點(diǎn)激磁線圈玻璃管干簧繼電器開關(guān)：干簧優(yōu)點(diǎn)：開路電阻>1000M、閉合電阻<50m受環(huán)境溫度影響小。缺點(diǎn)：開閉抖動現(xiàn)象，速度低，吸合不放現(xiàn)象，壽命短。結(jié)構(gòu)：飛渡電容V1VnC1CnRLRc浮地現(xiàn)場模入量至A/D由于放大器輸入阻抗很高，所以飛電容上的信號衰減可忽略不計。2）飛渡電容繼電器特點(diǎn)：?，F(xiàn)場（變送器、傳感器）與主系統(tǒng)隔離，抗共模干擾能力強(qiáng)；。信號源內(nèi)阻與飛電容起到低通濾波作用，對常規(guī)噪聲有較強(qiáng)抑制作用；。結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，速度低。07I/OI/OI/OCBACD4051VccVEEVssOUT/ININH雙向8取1交直流開關(guān)03I/OI/OI/OBACD4052VccVEEVssOUT/IN(A)INHI/O03ABOUT/IN(B)雙4取1雙向交直流開關(guān)3）集成電路模擬電子開關(guān)07CBAAD7501VccVDDOUTEN6VSSA7A6A0單向8取1直流開關(guān)015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3單向16取1直流開關(guān)性能型號Ron()Roff(M)漏電流Is(nA)路數(shù)AD7501170~3000.2~28AD7502170~3000.2~2雙4AD75064000.0516CD4051270雙向MC1150L500100158MX53C500250310幾種典型模擬開關(guān)電氣性能ViVoutRC網(wǎng)絡(luò)變壓器采樣器信號轉(zhuǎn)換隔離Vi（1）（2）S1S2S3P3P1P2VoutP1P2P3Vout4）變壓器采樣開關(guān)變壓器采樣開關(guān)特點(diǎn)：（1）每路輸入均采用變壓器隔離，抗共模干擾能力強(qiáng)；（2）開關(guān)速度快；（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高。5)采樣保持器適用于一些變化較頻繁信號的檢測，主要作用有以下：（1）保持模擬量信號在采樣A/D期間不變；（2）減少D/A輸出脈沖特性，保證控制信號輸出的連續(xù)性；（3）通過一路D/A輸出，把信號分配到多路輸出，實(shí)現(xiàn)多路同步動作；（4）實(shí)現(xiàn)多路D/A的同步動作。原理組成、保持電容CH、輸入輸出緩沖器、輸入開關(guān)及控制電路inputCHA1A2快速充電回路高阻抗運(yùn)放CH電能損耗?。?）32路模入擴(kuò)展015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A30～15路模入16～31路模入A3A2A4A1A000－0FH10－1FH4、應(yīng)用舉例015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3A3A2A4A1A0015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3DCBAA500－0FH10－1FH20－2FH30－3FH注：考慮全譯碼時應(yīng)將A7,A6加入（2）64路模入擴(kuò)展2.2模擬量輸入通道2.2.1一般組成2.2.2設(shè)計中需考慮的問題生產(chǎn)過程檢測傳感器信號處理信號處理信號處理多路采樣電路K采樣保持A/DI/O接口計算機(jī)采樣控制器（1）信號處理（小信號放大、濾波、衰減、阻抗匹配、電平轉(zhuǎn)換、非線性補(bǔ)償、V/I轉(zhuǎn)換等）；（2）多路采樣電路；（3）微弱信號放大器K；（4）采樣保持器；（5）A/D轉(zhuǎn)換器（6）I/O接口。2.2.1一般組成（1）電平統(tǒng)一、信號匹配（一般統(tǒng)一為mA、mv、v）；（2）采用可編程放大器，對于不同幅度的信號，在線調(diào)整增益；（3）抗干擾措施：隔離、屏蔽接地、浮置、電源逆變；（4）采樣保持：對于快變信號，需考慮采用采樣保持或有效值轉(zhuǎn)換器。2.2.2設(shè)計中需考慮的問題2.3.1D/A轉(zhuǎn)換2.3.2A/D轉(zhuǎn)換2.3.3A/D、D/A主要技術(shù)指標(biāo)2.3.4典型芯片介紹2.3D/A、A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)2.3.1D/A轉(zhuǎn)換組成：基準(zhǔn)源、模擬二進(jìn)制開關(guān)、精密電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器1、權(quán)電阻D/A網(wǎng)絡(luò)（4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)）EK0＋－a323a222a121a020K1K2K323R22R21R20RII/2I/4I/8URf（1）設(shè)輸入二進(jìn)制數(shù)字量為4位網(wǎng)絡(luò)：D4=a020+a121+a222+a323=n位網(wǎng)絡(luò)：Dn=a020+a121+…+an-12n-1=設(shè)基準(zhǔn)電流I=E/R（2）輸出電流4位網(wǎng)絡(luò)n位網(wǎng)絡(luò)結(jié)論：隨著網(wǎng)絡(luò)輸入二進(jìn)制數(shù)字量的增加，網(wǎng)絡(luò)輸出電流也隨之增加。（3）輸出電壓4位網(wǎng)絡(luò)n位網(wǎng)絡(luò)各位權(quán)電阻值不相同，離散性較大，轉(zhuǎn)換位數(shù)增多時，易產(chǎn)生一致性誤差。（4）存在問題2、R-2R電流相加型D/A網(wǎng)絡(luò)R＋－a323a222a121a020K1K0K2K3U2RR2RR2RR2R2RE2III/2I/4I/8I/8（1）設(shè)輸入二進(jìn)制數(shù)字量為4位網(wǎng)絡(luò)：D4=a020+a121+a222+a323=n位網(wǎng)絡(luò)：Dn=a020+a121+…+an-12n-1=設(shè)基準(zhǔn)電流I=E/2R（2）輸出電流4位網(wǎng)絡(luò)n位網(wǎng)絡(luò)（3）輸出電壓4位網(wǎng)絡(luò)n位網(wǎng)絡(luò)K0-K3全部閉合時，K0-K3全部閉合時，誤差分析：D/A位數(shù)越多量化誤差越小，I誤差：I/2n-1、U誤差：E/2n常用方式：計數(shù)比較式－結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，速度慢，較少采用。逐次逼近式－精度速度較理想，適合一般模入使用，16位以下A/D采用普遍。雙斜率積分式－精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用精度要求較高場合。2.3.2A/D轉(zhuǎn)換1、逐次逼近式（1）結(jié)構(gòu)組成:＋－D/A網(wǎng)絡(luò)SAR移位寄存器時序控制邏輯VfVxD7D6D0啟動結(jié)束E0VxVft1000010001100111、逐次逼近寄存器SAR、D/A網(wǎng)絡(luò)、比較器、時序控制邏輯（2）轉(zhuǎn)換原理（3）特點(diǎn)1）精度高，速度快（10位A/D可達(dá)微秒級）2）抗干擾能力不夠強(qiáng)，信號變化較大時，會產(chǎn)生線性誤差。（1）結(jié)構(gòu)組成0TTATBtABVcxVCAVCB固定積分時間放電時間基準(zhǔn)源E與Vx極性相反＋－＋－控制邏輯計數(shù)器EVxC積分電路比較器時鐘啟動結(jié)束KVcx(2)轉(zhuǎn)換原理2、雙斜率積分式、消除干擾及噪聲能力強(qiáng)，精度高；、轉(zhuǎn)換速度慢；、適用場合：信號慢變，采樣頻率要求較低，精度要求較高，干擾嚴(yán)重的情況。（3）特點(diǎn)2.3.3A/D、D/A主要技術(shù)指標(biāo)1、A/D主要指標(biāo)（1）分辨率：一般以A/D的位數(shù)表示；（2）量程：即測量范圍；（3）精度：結(jié)果相對實(shí)際值得準(zhǔn)確度；（4）轉(zhuǎn)換時間：從A/D啟動至輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)；（5）輸出電平：多為與TTL、CMOS電平兼容；（6）工作溫度：－40－＋85℃；（7）基準(zhǔn)源：要求外部提供精密基準(zhǔn)電壓；（8）輸出編碼：二進(jìn)制原碼、補(bǔ)碼、BCD碼。（1）分辨率；（2）穩(wěn)定時間：從輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)到輸出穩(wěn)定電信號；（3）輸出電特性：電流型（mA）、電壓型（V）；（4）輸入編碼：二進(jìn)制原碼、補(bǔ)碼、BCD碼、反碼。2、D/A主要指標(biāo)2.3.4典型芯片介紹1、ADC0809轉(zhuǎn)換原理：逐次逼近式技術(shù)指標(biāo)：CLK:0-640kHz，一般為500kHz精度：±1LSB功耗：15mw量程：－5V～＋5V+_IN7IN6IN08路模擬開關(guān)地址譯碼鎖存CBAALEVccGNDVREF(+)VREF(-)OESTARTCLKEOCD7D6D0時序與控制邏輯SA