計算機控制系統(tǒng)第二章

第二章計算機控制系統(tǒng)設(shè)計的

硬件基礎(chǔ)

2.1開關(guān)量輸入

2.2開關(guān)量輸出

2.3模擬量輸入

2.4模擬量輸出

2.5計算機控制系統(tǒng)中的電源

2.6信號采樣與重構(gòu)

2.7數(shù)字濾波

1計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!

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(shè)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1位或多位二進制碼表示。

開關(guān)量輸入信號的類型

開關(guān)量信號輸入通道

2計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!

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、電機的起動與停止、觸點的接通與斷開。成組的開關(guān)信號。如用于設(shè)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。3計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!開關(guān)量輸入的常用預(yù)處理方法

信號轉(zhuǎn)換處理

安全保護措施

消除機械抖動影響

濾波處理

隔離處理

光電耦合器件原理與使用

4計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!安全保護措施在設(shè)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(yù)先采取安全保護措施。圖2.4輸入保護電路5計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!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2.6RC濾波電路6計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!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、晶閘管型等幾種，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(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，從而達到了隔離的目的。

7計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!使用光電隔離器件的注意事項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。

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。8計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!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)行機構(gòu)的開/關(guān)或啟/停，某些控制算法也需要控制執(zhí)行機構(gòu)在一定時間T內(nèi)的全負荷工作時間t(0≤t≤T)，這些控制是通過計算機開關(guān)量輸出通道來實現(xiàn)的。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(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)9計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!隔離處理當(dāng)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(shè)備時，為防止現(xiàn)場設(shè)備上的強電磁干擾或高電壓通過輸出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(shè)備和計算機系統(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10計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!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11計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!晶閘管輸出作為一種大功率半導(dǎo)體無觸點開關(guān)器件，晶閘管具有以較小的功率來控制大功率的特點，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12計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!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、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(dāng)輸入端的電平高于控制端的電平時，輸出端導(dǎo)通。圖2.15是TWH8751作為直流輸出開關(guān)的接線方法，當(dāng)ST為低電平時，負載得電。圖2.14TWH8751的引腳圖圖2.15TWH8751作為直流輸出開關(guān)13計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!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(fù)用一個A/D轉(zhuǎn)換器多路開關(guān)

機械觸點式

集成多路模擬開關(guān)

圖2.16多路復(fù)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。14計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!集成多路模擬開關(guān)集成模擬開關(guān)是將多路半導(dǎo)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(yīng)用方便，但比機械多路開關(guān)的導(dǎo)通電阻大，為幾十至幾百歐姆，而且各通道之間有時會互相串?dāng)_。15計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!集成多路模擬開關(guān)圖2.19是采用AD7501構(gòu)成的8路差分模擬信號輸入電路，其中V1i為第i路(i=1，2，…，8)模擬輸入信號的正端,V2i

為第i路(i=1，2，…，8)模擬輸入信號的負端，V＋為輸出模擬信號的正端，V-為輸出模擬信號的負端。圖2.198路差分模擬信號輸入電路

16計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!LF398圖2.20是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S閉合，由A1、A3組成跟隨器，并向CH端外接的保持電容充電；IN+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。圖2.20LF398的電路原理17計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!

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

光電隔離

共模電壓的隔離18計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!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)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(shè)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。

電容隔離技術(shù)

隔離放大器

19計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!隔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2.24GF289型集成隔離放大器原理圖20計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!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(yīng)用。

測量放大器

程控增益放大器21計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!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，能夠處理從幾微伏到幾伏的電壓信號，可對差分交/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、ZF603、ZF605和BG004等。圖2.27AD521的典型接線圖圖2.28AD522的典型接線圖

22計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!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)S1~S3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)。23計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!

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(dǎo)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(shè)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、帶通濾波和帶阻濾波。

FLT-U2集成RC濾波器

24計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!FLT-U2集成RC濾波器圖2.32FLT-U2的外部引腳圖25計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!

2.4模擬量輸出在計算機控制系統(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)。26計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!每通道設(shè)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(yīng)軟件的編制也比較簡單。但是，如果模擬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。27計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!模擬量信號輸出的光電隔離在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)采取光電隔離措施。圖2.35帶光電隔離的多通道復(fù)用方式D/A轉(zhuǎn)換的原理圖28計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!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(fù)雜，導(dǎo)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)的運行帶來了嚴重的干擾，甚至?xí)瓜到y(tǒng)無法正常工作。因此，除按需要設(shè)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。

29計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!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

W7800系列三端固定式正輸出集成穩(wěn)壓器

W7900系列三端固定式負輸出集成穩(wěn)壓器

三端輸出電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器30計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!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系列的管殼為輸入端。圖2.37W7900系列典型接線圖31計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!W117、W217、W317三端

電壓正輸出可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

W117、W217、W317是正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，使用方便，內(nèi)部具有過熱、過流等保護措施，比W7800系列穩(wěn)壓器有更高的穩(wěn)壓精度。32計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!

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(xí)慣上，我們常稱之為基準電源。

AD580系列高精度電壓基準集成電路

33計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!AD589AD589是雙端、具有溫度補償?shù)膸峨妷夯鶞剩涓叻€(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50A~5mA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2.41AD589應(yīng)用電路34計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!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(dāng)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35計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!精密限流器應(yīng)用圖2.45所示的電路，AD584可被用作精密限流器。圖2.45AD584構(gòu)成的精密限流器36計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!精密電流源若需要能提供較大電流的電流源，可使用圖2.47提供的電路。圖2.47可提供大電流的精密電流源37計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!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)中是不可缺少的。

兩種得到隔離電源的方法38計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!圖2.49DC－DC轉(zhuǎn)換隔離電源兩種得到隔離電源的方法DC－DC轉(zhuǎn)換隔離電源的基本原理見圖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。39計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!

2.6信號采樣與重構(gòu)

1.信號類型定義

2.信號采樣

3.采樣機理描述

4.采樣定理

5.計算機控制系統(tǒng)中采樣周期的選擇

6.信號重構(gòu)40計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!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。信號類型定義

連續(xù)信號

模擬信號

離散信號及采樣信號

數(shù)字信號圖2.52信號類型圖解41計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!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。42計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!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。43計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!采樣類型周期采樣

指相鄰兩次采樣的時間間隔相等，也稱為普通采樣。這里，相鄰兩次采樣之間的時間間隔稱為采樣周期，記為T。采樣頻率定義為fs=1/T；采樣角頻率定義為ωs=2πfs=2π/T。周期采樣的采樣時刻為0、T、2T、3T、。

44計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!多速采樣如果一個系統(tǒng)中有多個采樣開關(guān)，每個采樣開關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。在某些計算機控制系統(tǒng)中，為提高控制質(zhì)量，對變化比較快的模擬量采用較高的速率進行采樣和控制，對變化比較緩慢的模擬量采用較低的速率進行采樣和控制，這就是多速采樣。多速采樣可以用同步采樣進行等效分析。隨機采樣

若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機采樣。隨機采樣主要用于不要求控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

采樣類型45計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!

4.采樣定理采樣定理:如果連續(xù)信號f(t)具有有限頻譜，其最高頻率為ωmax,則對f(t)進行周期采樣且采樣角頻率ωs≥2ωmax時，連續(xù)信號可以由采樣信號唯一確定，亦即可以從f*(t)無失真地恢復(fù)f(t)。ωs/2稱為奈奎斯特頻率。46計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!6.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。

零階保持器

一階保持器47計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!

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(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)量輸入至計算機接口前，一般需要進行預(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)48計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!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49計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!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，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(dāng)處理就會導(dǎo)致計算機的錯誤控制。圖2.5消除開關(guān)抖動的電路50計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!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51計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!使用光電隔離器件的注意事項輸入側(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。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，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。52計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!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。

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53計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!常用措施

隔離處理

電平轉(zhuǎn)換和功率放大54計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!電平轉(zhuǎn)換和功率放大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(yīng)該進行電平轉(zhuǎn)換和功率放大，再送往執(zhí)行機構(gòu)。

小功率低壓開關(guān)量輸出

繼電器輸出

晶閘管輸出

功率場效應(yīng)管輸出

集成功率電子開關(guān)輸出55計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!繼電器輸出繼電器經(jīng)常用于計算機控制系統(tǒng)中的開關(guān)量輸出功率放大，即利用繼電器作為計算機輸出的執(zhí)行機構(gòu)，通過繼電器的觸點控制較大功率設(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繼電器式開關(guān)量輸出56計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁!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18A。圖2.13功率場效應(yīng)管的典型使用方法57計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁!2.3模擬量輸入生產(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。

多路A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)

采樣-保持器

模擬量輸入的隔離

模擬輸入信號的放大

模擬量輸入信號濾波58計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁!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，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10~40次/秒，斷開時的電阻大于1MΩ，導(dǎo)通電阻小于50mΩ，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圖，線圈通/斷電就使觸點接觸或斷開。圖2.17干簧繼電器的原理59計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁!集成多路模擬開關(guān)圖2.18是AD7501的結(jié)構(gòu)，通過芯片使能端EN和通道選擇端A0、A1、A2

，每次只選擇8個輸入端中的一個與公共輸出端OUT接通，其真值表見主教材表2.4。EN、A0、A1、A2為數(shù)字信號輸入，邏輯上兼容TTL/DTL或CMOS電平。圖2.18AD7501的結(jié)構(gòu)圖

60計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁!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(shè)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。

LF39861計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁!LF398圖2.21是LF398典型應(yīng)用電路?？刂贫薞C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，反相器及其所接電阻、電容用于交流調(diào)零。圖2.21LF398的典型應(yīng)用62計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁!光電隔離在計算機控制系統(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63計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁!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(fù)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)64計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁!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2.25GF289型集成隔離放大器的典型接線65計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁!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(xí)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2.26四個運放構(gòu)成的儀表放大器電路

66計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁!程控增益放大器為了減少A/D轉(zhuǎn)換的誤差，應(yīng)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(dāng)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(dāng)有多路模擬量信號輸入時，各信號的幅值也可能相差懸殊，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。67計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁!程控增益放大器圖2.30CD4051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，通過計算機的并行輸出口控制，每次只選中8個輸入Y0~Y7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)。68計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁!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5~15V，輸入阻抗達5M，頻率范圍為0.001~2106Hz，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0.1~1000之間，通帶截止頻率準確度為5，單位增益帶寬為5MHz。圖2.31FLT-U2的電路原理圖69計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第69頁!FLT-U2集成RC濾波器圖2.33FLT-U2的典型應(yīng)用線路圖70計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第70頁!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(shè)計

每一個通道設(shè)置一個獨立的D/A轉(zhuǎn)換器

多通道復(fù)用一個D/A轉(zhuǎn)換器

模擬量信號輸出的光電隔離71計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第71頁!多通道復(fù)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(fù)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(dǎo)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。此方案適用于輸出通道不多且對速度要求不高的場合。圖2.34多路復(fù)用方式D/A轉(zhuǎn)換原理72計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第72頁!2.5計算機控制系統(tǒng)中的電源

交流電源系統(tǒng)

直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

基準電源

隔離電源73計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第73頁!

2.直流穩(wěn)壓電源設(shè)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(shè)計方法。直流穩(wěn)壓電源可以采用分立元件設(shè)計，但更多的采用集成穩(wěn)壓器來設(shè)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。

幾種常用的集成穩(wěn)壓器74計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第74頁!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。其外形、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0.33μF，用來改善紋波和抑制高頻干擾。C2是輸出電容，一般為0.1μF,用于改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)需要可以附加其他的輸入濾波電容和輸出電容。圖2.36W7800系列集成穩(wěn)壓器75計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第75頁!三端輸出電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

W117、W217、W317正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器W137、W237、W337負輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器W137、W237、W337是負輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，其主要參數(shù)和主教材表2.8基本相同，但輸入、輸出電壓均為負值。

76計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第76頁!圖2.40是用W317組成的可調(diào)式穩(wěn)壓電源，其輸出電壓VO=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VO=1.25(1+R2/R1)，改變R2的阻值，即可改變輸出電壓值。若R2取為6.8kΩ的電位器，可實現(xiàn)輸出電壓1.25~37V連續(xù)可調(diào)。圖中C1、C2的作用與圖2.36中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容C2或C3上存儲的電荷。圖2.40W317組成的1.25~37V穩(wěn)壓電源W117、W217、W317三端

電壓正輸出可調(diào)式集成穩(wěn)壓器

77計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第77頁!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A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路或其他電路提供參考電源。

AD589

AD58478計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第78頁!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他幅值的輸出電壓。輸入電壓可在4.5~40V之間變化。下面介紹AD584的幾種應(yīng)用電路。AD584的幾種應(yīng)用電路

正電壓基準輸出

負電壓基準輸出

精密限流器

精密電流源

5V電壓跟蹤基準圖2.42AD584的引腳圖79計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第79頁!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－5.000V、－7.500V和－10.000V的負基準電壓輸出。圖2.44負電壓基準輸出80計算機控制系統(tǒng)第二章共92頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第80頁!精密電流源AD584外接少量的元件可構(gòu)成能提供小電流的電流源，應(yīng)用電路見圖2.46。圖中RC為精密電阻，其兩端電壓被運算放大器AD547保持在2.5V，所提供電流為2.5V/RC，此電路能提供低到毫安、微安級的穩(wěn)定電流。圖2.46AD584構(gòu)成的精密