计算机控制系统及应用课件04

1、12.5 计算机控制系统中的电源q 交流电源系统q 直流稳压电源设计 q 基准电源 q 隔离电源2 1.交流电源系统 交流电源通常和电网相连接，然而，工业现场的电网所接负载极其复杂，导致电网出现浪涌、尖峰、过压、欠压等现象，给计算机控制系统的运行带来了严重的干扰，甚至会使系统无法正常工作。因此，除按需要设计、计算有关交流电源系统的电路和参数外，还要考虑交流电源的净化问题。 3 2.直流稳压电源设计 在计算机控制系统中，不同的场合需要用到不同电压等级的直流稳压电源供电，如5V、12V、15V、18V和24V，等等。下面，介绍一下直流稳压电源的一般设计方法。 直流稳压电源可以采用分立元件设计，但更

2、多的采用集成稳压器来设计。集成稳压器具有体积小、可靠性高、成本低、使用方便等优点。q 几种常用的集成稳压器4几种常见的集成稳压器 三端输出电压固定式集成稳压器 q W7800系列三端固定式正输出集成稳压器 q W7900系列三端固定式负输出集成稳压器 三端输出电压可调式集成稳压器 5W7800系列三端固定式正输出集成稳压器 该系列器件只有输入端1、输出端2和公共端3。其外形、管脚和接法见图2.36。使用时需在输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容。C1是输入滤波电容，一般为0.33F，用来改善纹波和抑制高频干扰。C2是输出电容，一般为0.1F,用于改善负载的瞬态响应。根据需要可以附加其他的输

3、入滤波电容和输出电容。图2.36 W7800系列集成稳压器6W7900系列三端固定式负输出集成稳压器 W7900系列是三端固定式负输出集成稳压器，它与W7800系列稳压器在使用的接法上基本相同。值得注意的是W7800系列的管壳是公共端，而W7900系列的管壳为输入端。 图2.37 W7900系列典型接线图7 三端输出电压可调式集成稳压器 W117、W217、W317正输出三端电压可调式集成稳压器 W137、W237、W337负输出三端电压可调式集成稳压器 W137、W237、W337是负输出三端电压可调式集成稳压器，其主要参数和主教材表2.8基本相同，但输入、输出电压均为负值。 8W117、W

4、217、W317三端电压正输出可调式集成稳压器 W117、W217、W317是正输出三端电压可调式集成稳压器，使用方便，内部具有过热、过流等保护措施，比W7800系列稳压器有更高的稳压精度。9 图2.40是用W317组成的可调式稳压电源，其输出电压VO=VR1+VR2。其中，VR1为电阻R1两端的电压，也即为W317的3脚和1脚之间的基准电压1.25V；VR2为可变电阻R2两端的电压，满足VR2=( I1 + VR1/R1)R2。由于I1很小可以忽略，于是VO=1.25(1+R2/R1) ，改变R2的阻值，即可改变输出电压值。若R2取为6.8k的电位器，可实现输出电压1.2537V连续可调。图

5、中C1、C2的作用与图2.36中C1、C2的作用相同。C0为滤波电容，D1、D2是稳压器的短路保护二极管，用于在输入端或输出端发生对地短路时释放电容C2或C3上存储的电荷。 图2.40 W317组成的1.2537V稳压电源W117、W217、W317三端电压正输出可调式集成稳压器10 3. 基准电源 一般A/D、D/A转换器都需要由外部提供参考电源，在A/D、D/A转换器选定后，转换精确度主要取决于参考电源的精度；高精度放大电路需要提供高精度的工作电源，其关键也在于要有精密的参考电源，习惯上，我们常称之为基准电源 。q AD580系列高精度电压基准集成电路 11AD580系列高精度电压基准集成

6、电路 AD580系列高精度电压基准集成电路具有输出电压精度高、温漂小、输出噪声低和动态内阻小等优点，但输出电流能力很小，一般不能作为稳压器使用，主要用于为A/D、D/A转换电路或其他电路提供参考电源。 q AD589q AD58412AD589 AD589是双端、具有温度补偿的带隙电压基准，其高稳定性主要取决于芯片上元件的匹配和热跟踪，低输出阻抗使得不需外接元件就能在负荷变化条件下保持全精度。AD589在输入电流在50A5mA之间时提供固定的1.2V输出电压。使用图2.41所示的线路可以得到1.2V或更小的基准电压。图2.41 AD589应用电路13AD584 AD584在芯片制作阶段经过激光

7、调整，具有很好的温度系数和输出电压的稳定精度。通过引脚编程可以输出四种常用的电压，通过外接电阻还可以得到其他幅值的输出电压。输入电压可在4.540V之间变化。下面介绍AD584的几种应用电路。 AD584的几种应用电路 q 正电压基准输出q 负电压基准输出 q 精密限流器q 精密电流源 q 5V电压跟踪基准图2.42 AD584的引脚图14正电压基准输出 图2.43中，1端为基准电压输出端，2端为5V端，3端为2.5V端。当1端与2、3端都各自互不连接时，1端输出10.000V基准电压；若将3端和2端连接起来，1端电压输出为7.500V；若将2端和1端连接起来，1端电压则为5.000V；若将3

8、端和1端连接起来，在1端可以得到2.500V基准电压输出。图2.43 正电压基准输出15负电压基准输出 如图2.44所示，使用双端齐纳方式的AD584，分别可以得到值为5.000V、7.500V和10.000V的负基准电压输出。图2.44 负电压基准输出16精密限流器应用图2.45所示的电路，AD584可被用作精密限流器。 图2.45 AD584构成的精密限流器17精密电流源 AD584外接少量的元件可构成能提供小电流的电流源，应用电路见图2.46。图中RC为精密电阻，其两端电压被运算放大器AD547保持在2.5V，所提供电流为2.5V/RC，此电路能提供低到毫安、微安级的稳定电流。图2.46

9、 AD584构成的精密电流源18精密电流源 若需要能提供较大电流的电流源，可使用图2.47提供的电路。图2.47 可提供大电流的精密电流源195V电压跟踪基准使用图2.48所示的电路可以提供5V电压跟踪基准。图2.48 5V电压跟踪基准 20 4. 隔离电源 在计算机控制系统中，为了提高系统运行的安全性、可靠性和抗干扰能力，需要使用隔离技术（如光电隔离等）用于隔离计算机系统与信号输入、输出通道以及系统中互联的单元。而实施隔离技术，最基本的要求是被隔离的各个部分由独立的或相互隔离的电源供电，以切断各个部分间的电路联系。因此，隔离电源在计算机控制系统中是不可缺少的。q 两种得到隔离电源的方法21两

10、种得到隔离电源的方法 采用不同的电源变压器或相互独立的变压器二次绕组的输出为各隔离部分供电，将它们分别进行整流、稳压等处理，就可获得互相隔离的直流电源。这种方法可以有效到抑制高频干扰对系统的影响及系统各部分之间的相互影响，且实现简单，但需要额外的变压器或变压器绕组，使得系统的体积变大。 采用带电压隔离的DCDC转换器，它不仅可以实现直流电压到直流电压的隔离转换，还可以实现通道与通道之间、输出与输入之间的隔离。 22图2.49 DCDC转换隔离电源两种得到隔离电源的方法 DCDC转换隔离电源的基本原理见图2.49。图中，输入级滤波器用于抑制来自系统电源的噪声和从调制器反馈回的脉动信号，调制器把直

11、流信号转换为交流信号以使其可以通过变压器，由变压器实现电压转换和隔离，输出解调器分离出所需的直流电平，输出级滤波器抑制输出噪声和脉动信号。 23两种得到隔离电源的方法图2.50给出了DCDC转换隔离电源的应用电路。 图2.50 DCDC转换隔离电源应用24 2.6 信号采样与重构q 1. 信号类型定义 q 2. 信号采样 q 3. 采样机理描述 q 4. 采样定理q 5. 计算机控制系统中采样周期的选择q 6. 信号重构25 1. 信号类型定义 在计算机控制系统中，存在多种类型的信号，图2.51给出了典型的计算机控制系统的结构及其各处的信号形式。图2.51典型计算机控制系统的结构及其各处的信号

12、形式26 为便于后续的描述和分析，下面定义几种类型信号，并在图2.52中给出了图解。 信号类型定义q 连续信号q 模拟信号 q 离散信号 及采样信号 q 数字信号图2.52 信号类型图解27连续信号 连续信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值可以是连续的、也可以是断续的。连续信号的一种特殊情况是幅值整量化的连续信号，如D/A转换器输出的台阶式信号，这种信号称为分段连续信号。 28模拟信号 模拟信号是在整个时间范围均有定义的信号，它的幅值在某一时间范围内是连续的。模拟信号是连续信号的一个子集，在大多数场合与很多文献中，将二者等同起来，均指模拟信号。29离散信号及采样信号 离散信号是仅在各个

13、离散时间瞬时上有定义的信号。 采样信号是离散信号的子集，它是取模拟信号在离散时间瞬时上的值构成的信号序列，因此其幅值可以是模拟信号的连续幅值范围内的任意值，即其在时间上是离散的，而幅值上是连续的。在很多场合中，我们提及离散信号就是指采样信号。 30数字信号 数字信号是幅值整量化的离散信号，它在时间上和幅值上均是离散的。31 2. 信号采样 采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。 在计算机控制系统中，采样过程是不可缺少的。对时间和幅值均连续的模拟信号经过采样得到在时间上离散、幅值连续的脉冲序列，由A/D转换器整量化后才能送入计算机进行处理和运算。 完成

14、采样操作的装置称为采样器或采样开关。图2.53 理想采样开关的采样过程32采样类型q 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。这里，相邻两次采样之间的时间间隔称为采样周期，记为T。采样频率定义为fs=1/T；采样角频率定义为s=2fs=2/T。周期采样的采样时刻为0、T、2T、3T、。 33采样类型q同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。q非同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。34q多速采样 如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，

15、则称多速采样。在某些计算机控制系统中，为提高控制质量，对变化比较快的模拟量采用较高的速率进行采样和控制，对变化比较缓慢的模拟量采用较低的速率进行采样和控制，这就是多速采样。多速采样可以用同步采样进行等效分析。 q随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。随机采样主要用于不要求控制的数据采集系统。 采样类型35 3. 采样机理描述kTkTtt)()(则采样信号可表示为)()()(*ttftfTkkTtkTftf)()()(*或理想采样开关可表示为36 4. 采样定理 采样定理: 如果连续信号f(t)具有有限频谱，其最高频率为max,则对f(t)进行周期采样且采样角频率s 2max时，连续信号可以由采样信号唯一确定，亦即可以从f*(t)无失真地恢复f(t) 。 s /2称为奈奎斯特频率。 37 5. 采样周期的选择 在计算机控制系统中，采样频率或采样周期的选择非常重要，它直接影响控制效果，而且还影响着系统的稳定性。 按系统闭环频带选取 按系统的开环传递函数选取 按系统开环阶跃响应的上升时间选取 根据生产过程控制的经验选取38 6. 信号重构 把离散信号变为连续信号的过程