PLC温度控制说明书

1、目录一、绪论 第2页一、本课题研究的背景和意义 第2页二、本课题在国内(外)研究现状及发展前景 第2页1、PLC在国内外的发展现状及前景 第2页2、水箱温度控制系统的发展现状和前景 第3页二、课题研究内容 第4页 一、总体方案设计 第4页 1、基本要求第4页2、方案对比第4页3、方案确定 第5页二、硬件设备的选择 第5页 1、传感器的选择 第5页（I）、热电阻的应用及原理 第5页（II）、热电偶测温的应用原理 第6页（III）、各种温度传感器的测量范围和优缺点 第8页（IV）、温度传感器型号确定 第10页（V）、温度传感器的输出电压信号第10页2、放大器的选择 第11页 （I）、放大器简述第1

2、1页（II）、放大器参数选定 第12页3、A/D转换器的选择第15页（I）、高速A/D转换器的选择方法第15页（II）、速度与分辨率的关系分 第16页（III）、误差参数分析第17页（IV）、ADC型号确定 第18页4、可编程控制器PLC的选择第19页（I）、PLC的种类第19页（II）、PLC型号选择第21页三、软件系统 第22页 1、对A/D模块进行定义编程第22页2、控制系统程序实现第22页四、系统调试 第22页 1、硬件部分第22页2、软件部分第22页参考文献 第23页心得体会： 第24页附图2 / 39一、绪论一、本课题来源及研究的目的和意义随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自

3、动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来越高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制界所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。因而，在目前尚不具有在实验室中重现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的且具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果快速转换为实际应用技术的捷径。在工业生产自动控制中，为了

4、生产安全或为了保证产品质量，对于温度、压力、流量、成分、速度等一些重要的被控参数，通常需要进行自动监测，并根据监测结果进行相应的控制。在自动监测系统中，常常设有上下限检查、报警及自动处理系统，以提醒操作人员注意，必要时采取紧急措施。作为电气专业的学生，对电气控制技术子、自动控制理论的熟练掌握是十分必要的。温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本课题通过基于PLC的多路温度自动控制装置的设计及制作，使学生树立工程的观点，系统地掌握实用自动控制系统的一般设计步骤，并在分析、计算和解决实际问题的能力等方面得到训练，为以后从事相关设计、调试和安装工作奠定必要的理论和实践基础。二、国内外PLC在温度控

5、制中的发展状况及发展趋势（1）PLC在国内外发展情况限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编

6、程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；我国对PLC的研制和应用起步比较晚，但是发展速度很快，如宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台PLC，二期工程使用的PLC数量更多。据有关资料介绍，东风汽车公司装备系统已顺利完成对老设备的更新改造，全面采用PLC，病取得了明显的经济效益。广州第二电梯厂已把PLC成功的应用于技术要求复杂的高层电梯控制上。我国对PLC技术的研究和应用与美、日、德、法等工业发达国家相比还有较大差距，但潜在市场广阔。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接

7、下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的

8、品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。（2）PLC在温度检测

9、与控制中的应用的国内外发展情况我国水箱温度控制是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。 国外对水箱温度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的水箱温度控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化。 在国内，随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制水箱温度。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出最适环境条件程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正参数，并给终端控

10、制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现水箱温度调节。该系统可自动控制加热、降温、通风。根据需要，通过编程器将温度信息输入控制中心，根据情况可随时调节自动化控制系统在大型水箱的利用。 二、课题研究内容 一、总体方案设计 1、基本要求课题研究内容是实现对水箱温度的控制。其基本要求是：通过传感器检测水箱温度，将检测到的信号通过一定的转换电路和接口设备送给中央处理器进行集中处理，并按照控制要求驱动控制设备去对水箱温度条件进行反馈控制。其实现流程为：2、方案对比要实现上述控制要求，一般实现的控制方法是：利用PLC进行集中控制或

11、利用单片机进行集中控制. （I）PLC进行控制PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。其优点是：可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低。特别是它易学易用，编程语言图文并茂，十分容易得到大众化的推广使

12、用。其不足就是价格相对单片机来说偏高，一般在一千元以上。 （II）单片机控制 高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 , 一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。 单片机生产出来后，其功能一般是固定了的。因为要对其芯片进行重新编程，其编程器PC机，价格也不低，而切，其编程语言汇编语言抽象程度高，不易为一般工作人员所能接受。 上述两种方案，各有其优点，哪一种都有其实际应用价值。3、方案确定 通过方案对比，我选择了其一用PLC进行控制。基于测试系统的综合要求，在本次设计中选择热电阻作为传感器的温度检测元件（其选择理由将会在后面硬件设备的选择里做陈述）。故本课题的测

13、试系统是用热电阻阻值的变化反映检测现场温度的变化，通过电桥电路将温度相对于热点阻电阻值的变化转变为电压的变化，电桥输出的电压信号很小（为毫伏级），经过放大器放大后，送给A/D转换器（进行模数转换），再将数字信号送给PLC进行可编程控制，通过外围设备实施对检测温度的反馈控制。 其实现流程为： 整个设计过程中主要是对热电阻进行选择、设计将热点阻阻值变化转为电压信号的电桥电路、放大器放大倍数的选择并设计其放大电路、对PLC进行可编程控制。二、硬件设备的选择 1、传感器的选择本研究课题涉及对温度信号的采集，需要我们选择一个合适的温度传感器。温度传感器我们可以用热电阻或热电偶构建电路，检测信号方便，经济

14、。（I）、热电阻的应用及原理  热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。  1、热电阻测温原理及材料    热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。 2、热电阻的结构     (1)、精通型热电阻    从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过

15、热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制     (2)、铠装热电阻    铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体它的外径一般为28mm，最小可达mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性小，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。    (3)、端面热电阻     端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕

16、制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。     (4)、隔爆型热电阻     隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于BlaB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。  3、热电阻测温系统的组成    热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：  &#

17、160;(1)、热电阻和显示仪表的分度号必须一致    (2)、为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法（II）、热电偶测温的应用原理  热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：    (1)、测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。    (2)、测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热 电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。    (3)、构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且 受大

18、小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。  1、热电偶测温基本原理    将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个连接点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一定大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。  2、热电偶的种类及结构形成    (1)、热电偶的种类    常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的

19、显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。    (2)、热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：        组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；        两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；   

20、     补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；        保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。  3、热电偶冷端的温度补偿    由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵 金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修

21、正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100。（III）、各种温度传感器的测量范围和优缺点1、热电阻(1)、PT100 型热电阻： 铂电阻温度范围 -200850金属铂材料的优点是化学稳定性好、能耐高温，容易制得纯铂，又因其电阻率p(·mm2m)大，可用较少材料制成电阻，此外其测温范围大。它的缺点是：在还原介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变电阻与温度之间的关系。(2)、CU50 型热电阻：铜电阻温度范围 -50150铜热电阻的价格便宜，线件度好，

22、工业上在-50-+150范围内使用较多。铜热电阻怕潮湿，易被腐蚀，熔点亦低2、热电偶(1)、S 型热电偶：铂铑10-铂热电偶 温度范围 01600 旧分度号 LB-3优点 1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。 3.耐氧化、耐腐浊性良好 3.可以做为标准使用。缺点 1.热电动势值小。 2.在还元性气体环境较脆弱。(特别是氢、金属蒸气) 3.补偿导线误差大。 4.价格高昂。(2、)R 型热电偶：铂铑13-铂 热电偶 温度范围 01600优点 1.耐热性、安定性、再现性良好及较优越的精确度。 2.耐氧化、耐腐浊性良好 3.可以做为标准使用。缺点 1.热电动势值小。 2.在还元性气体环境较

23、脆弱。(特别是氢、金属蒸气) 3.补偿导线误差大。 4.价格高昂。(3)、B 型热电偶：铂铑30-铂铑6 热电偶 温度范围 6001800 旧分度号 LL-2自由端在050内可以不用补偿导线优点 1.适用1000以上至1800。 2.在常温环境下热电动势非常小，不需补偿导线 3.耐氧化、耐腐浊性良好。 4.耐热性与机械强度较R型优良。缺点 1.在中低温域之热电动势极小，600以下测定温度不准确。 2.热电动势值小。 3.热电动势之直线性不佳。 4.价格高昂。(4)、K 型热电偶：镍铬-镍硅 热电偶 镍铬-镍铝 热电偶温度范围 -2001300优点 1.热电动势之直线性良好 2.1000以下耐氧

24、化性良好。 3.在金属热电偶中安定性属良好。缺点 1.不适用于还元性气体环境，特别是一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体。 2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。 3.受短范围排序之影响会产生误差。(5)、N 型热电偶：镍铬硅-镍硅 热电偶 温度范围 -2701300优点 1.热电动势之直线性良好。 2.1200以下耐氧化性良好。 3.为K型之改良型，受Green Rot之影响较小，耐热温度较K型高。缺点 1.不适用于还元性气体环境 2.热电动势与贵金属热电偶相比较经时变化较大。(6)、E 型热电偶：镍铬硅-康铜 热电偶 温度范围 -2701000优点 1.现有热电偶中感度最佳者 2.与J

25、热电偶相比耐热性良好。 3.两脚不具磁性。 4.适于氧化性气体环境。 5.价格低廉缺点 1.不适用于还元性气体环境 2.稍具履历现象。(7)、J 型热电偶：铁-康铜 热电偶 温度范围 -2101200优点 1.可使用于还元性气体环境 2.热电动势较K热电偶大20%。 3.价格较便宜，适用于中温区域。缺点 1.()脚易生锈。 2.再现性不佳(8)、T 型热电偶：铜-康铜 热电偶 温度范围 -270400优点 1.热电动势之直线性良好。 2.低温之特性良好 3.再现性良好、高精度。 4.可使用于还元性气体环境。缺点 1.使用温度限度低。 2.()脚之铜易氧化。 3. 热传导误差大。热电偶自由端温度

26、为0由热电偶测温原理知道，只今当热电偶冷端温度保持不变时，热电动势才是被测温度的单位函数。在实际应用时，由于热电偶的冷端离热端很近，冷瑞又暴露在空间，容易受到周围环境温度变化的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为此必须进行冷端温度补偿处理。（IV）、温度传感器型号确定综合上述所列工作条件、热电阻与热电偶的优缺点对比，并考虑到本课题所研究的控制对象水箱的温度（空气湿度较高）及我院现有的实验条件，我选择了PT100 型热电阻。热电阻和热电偶相比，热电偶需要补偿导线但热电阻却不需要，热电偶冷端容易受到周围环境温度变化的影响的因素对热电阻来说不存在，而且热电阻比热电偶便宜。再说金属铂材料化学稳定性好、能

27、耐高温，容易制得纯铂，其电阻率p(·mm2m)大，可用较少材料制成电阻，而且R0在100和50 条件下，是我国制成相应分度表的标准。（V）、温度传感器的输出电压信号1、热电阻电桥电路信号输出图： 2、电桥电路输出电压计算： 铂电阻：0630.74时 Rt=R0(1+At+Bt²) -1900 时 Rt=R01+At+Bt²+C(t-100)t³ R0=100 （铂电阻Pt100= 0时的电阻为100） A=3.968*/ B=-5.847*/ C=-4.22*Uab=´() （´=7.5V）此设计主要是针对水箱内的温度控制，其控制范围

28、在0630.74内，所以我们选择公式：Rt=R0(1+At+Bt²)将A、B值代入上式有：Rt=100*(1+3.968*/ * t5.847*/*t²)将Rt代入Uab=´()，可得温度每升高1，输出电压为： Uab = 2.45mV/ 2、放大器的选择 （I）、放大器简述 传感器+放大器+ADC+处理器是放大器的典型应用电路，在这种应用中，一个典型的问题是传感器提供的电压或电流非常低，在这种情况下，如何完成信号放大？在此，必需要有一个放大器，对信号放大后才能送给ADC。本课题涉及到对传感器微弱电压信号的放大，我们可以用三极管BJT作为放大元件，设计放大电路。B

29、JT的放大作用，主要是依靠它的发射极电流能够通过基区传输，然后到达集电极而实现的。为了保证这一过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置、集电结要反向偏置。BJT内各个电流之间有确定的分配关系，所以只要输入电流给定了，输出电流和输出电压便基本确定了。输入信号vi是首先通过发射结的电压变化改变输入电流IE的，再利用IE的变化去控制Ic,而表征BJT电流控制作用的参数就是电流放大系数。（II）、放大器参数选定本设计我们选择BJT-3DG6为放大器件，查得参数3DG6在Q点的=40，设计成射极偏置电路，使在温度

30、变化时，使Ic 近似维持恒定。即： （1）、针对ICBD影响，要设法使基极电流随温度的升高而自动减小； （2）、针对VBE影响，要设法使发射结的外加电压随温度的升高而自动减小；图示射极偏置电路可实现上面两点要求。 射极偏置电路图 当Vi=0 时，此时iB=IB,ic=Ic,iE=IE,i1=I1，电路稳定工作点的物理过程为：利用Rb1和Rb2组成的分压器以固定基极电位，如果I1>>IB,(I1是流经Rb1和Rb2的电流)，就可近似的认为基极电位VB=Rb2*Vcc/(Rb1+Bb2),在此条件下，当温度上升时，Ic(IE)将增加，由于IE的增加，在Re上产生的压降IE*RE也要增加

31、，IE*RE的增加部分回送到基极-发射极回路去控制VBE,使外加于管子的VBE减小，由于VBE的减小，结果牵制了Ic的增加，从而使Ic基本恒定，形成反馈控制的原理。其反馈流程图为： 本设计中，BJT为3DG6,其在Q点的值为40。在实际电路中，我们将为Rb1串联一个可变电阻Rw,其最大值为47k，Rb1=10 k，Rb2=2 k，Rc=2 k，Re=20 ，Rl=5 k.(1)、确定Q点： VB=Rb2*Vcc/(Rb1+Rb2+Rw) IcIE=(VB-VBE)/Re IB=Ic/ VcE=Vcc-IcRc-IEReVcc-Ic*(Rc+Re)调节可变电阻Rw,固定基极电位，并使基极分流（实

32、际上流过Rb1中的电流是流过Rb2中的电流与基极电流IB之和）电流： IB=60A利用上式可分别求得Q点的Ic、VCE为： Ic=IB=40*6060A=2.4mAIE VCE=VCC-ICRC-IEReVcc-Ic*(Rc+Re) =12V-2.4mA(2k+20) =7.2V(2)、求rbe,由公式rberb+（1+）re: 式中rb为基区体电阻，对于低频小功率管，rb约为200左右。re为发射结电阻，（1+）re是re折算到基极回路的等效电阻，根据PN结的V-I特性表达式，可以导出re的值为VT(mA)/IE(mA).这样上式可改写为： rbe=200+（1+）VT(mA)/IE(mA)

33、 式中VT为温度的电压当量，室温（300K）时，其值为26mA，应当注意的是，rbe的适用范围为:0.1mA<IE<5mA,实验表明，超越此范围，将带来较大的误差。前面已计算出IE=2.4mA,符合要求。 则：rbe=200+（1+40）*26(mA)/IE(mA) =200+（1+40）*26(mA)/2.4(mA) 644=0.644k （3）、求电压增益： 由前面射极偏置电路，画小信号等效电路图有： 射极偏置小信号等效电路图 Vo=-IcRL RL=RcRL Vi=Ibrbe+IeRe= Ibrbe+(1+)Re Av=Vo/Vi= -Ib *RL/ Ibrbe+(1+)Re

34、 = -RL/ rbe+(1+)Re = -40*2*5/(2+5)/0.644+(40+1)*20/1000 = - 38.5由此，射极偏置放大电路，根据其参数值，得到其放大倍数为38.5。3、A/D转换器的选择（I）、高速A/D转换器的选择方法模数转换器是连接模拟和数字世界的一个重要接口。A/D转换器将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作。A/D转换器的选择是至关重要的。所选择的A/D转换器应能确保模拟信号在数字位流中被准确地表示，并提供一个具有任何必需的数字信号处理功能的平滑接口，这一点很重要。目前的高速A/D转换器已被应用于各种仪表、成像以及通信领域中。对用户而言

35、，所有这些应用都有着相似的要求，即以较低的价格实现更高的性能。在选择高速A/D转换器时，设计师必须考虑下面几个因素：（1）、终端系统的要求（2）、成本（3）、分辨率或精度（4）、速度 （5）、性能对终端系统要求的清晰了解将简化A/D转换器的选择过程。在某些场合，它可以把所需考虑的选择参数限制为屈指可数的几个。例如，很多超声波应用采用的是每个通道需要一个A/D的数字光束成形系统。对于一个具有多达256个通道的系统而言，具有多通道和低功耗的A/D转换器是一个合适的选择。对于8进制A/D转换器来说，超声波应用是主要的终端应用。位于A/D之后的DSP或ASIC所使用的电源电压也是必需加以考虑的。越来越

36、多的高速A/D将采用3V、2.5V和1.8V的工作电源。价格是始终需要考虑的因素。如今的转换器设计师正在制作性价比更为优越的A/D转换器。（II）、速度与分辨率的关系分析目前的高速A/D最初是按速度和分辨率进行分类的。转换器的速度是指A/D能够进行转换的取样速率或每秒的取样数量。对于高速A/D来说，速度以百万取样每秒(Msps)为计量单位。分辨率是指转换器能够复制的位数精度：分辨率越高，则结果越精确。分辨率以位来计量。目前市场上的高速A/D的分辨率为816位，速度为24Gsps。速度和分辨率始终是一对矛盾。分辨率的增加通常会导致可实现速度的降低。如今的A/D设计师拥有更快的处理方法和更多的架构

37、以便从中选择有助于解决速度和分辨率这一对矛盾的转换器：目前已有16位 20 Msps、10位 300 Msps和8位 1Gsps的A/D。高速A/D的常用架构有闪存型（flash）、半闪存型（semi-flash）、SAR型和流水线型四种。SAR型 A/D通常具有1016位的分辨率。SAR的架构基于一个比较器。若要获得n位的分辨率，逐次逼近转换器就必须执行n次比较器操作，并把每一次的结果都存储在寄存器中。一个12位转换器需要12个时钟周期来完成一次转换。这种转换器的优点是硅片尺寸小、功耗低且精度高。缺点是取样速度慢，输入带宽低。闪存型A/D的分辨率被限制为8位。闪存型A/D的架构基于比较器组，

38、总共有2n-1个比较器。一个8位A/D需要256个比较器。闪存型A/D可并行执行多个转换，因此能达到非常高的速度。闪存型A/D的优点是高输入带宽和非常高的速度（达到14Gsps）。缺点是功耗大、输入电容大且分辨率低。流水线型A/D可提供1216位分辨率。流水线型A/D由无数个连续的级组成，每一级都包括一个跟踪/保持（T/H）电路、一个低分辨率A/D和 D/A以及一个包含用于提供增益的级间放大器的加法电路。流水线型A/D的优点在于功耗低，取样速率能达到100300Msps。缺点是这种A/D要求 50%的占空因数以及最小的时钟频率。一旦确定了合适的速度/分辨率组合，设计师仍然能够从市场上的几百种A

39、/D中选出最合适的一个。对终端应用更为深入的了解将揭示对附加性能的要求。用于评定A/D的最常用性能参数如下：（1）、信噪比（SNR）（2）、信号与噪声加失真之和之比（SINAD）（3）、无寄生动态范围（SFDR）（4）、差分线性误差（DNL或DLE）（5）、积分线性误差（INL或ILE）（6）、有效位数（ENOB）（7）、增益误差（8）、功耗（III）、误差参数分析速度、分辨率并非一切。分辨率确实表示了A/D转换器可以产生的数字输出编码的数量,但它并未示出这些编码是否真的对应正确的输入电压。诸如微分非线性度（Differential Nonlinearity-DNL）、积分非线性度（

40、Integral Nonlinearity-INL）、偏差和满标度误差等误差参数描述了输出编码响应输入电压的精确程度。DNL（差分线性误差）相当于转换过程中某一步骤的最大误差。当模拟输入电压升高时,每当模拟输入升高VFS/2n,输出编码应升高1LSB,这里VFS是满标度输入电压范围,它通常等于所加的基准电压。编码转换间距应该正好是1LSB（VFS/2n）。 如果编码转换发生时输入模拟电压不是比上一次转换正好大1LSB,那么就产生了DNL误差。高速A/D转换器的DNL数据表限幅一般为±0.2LSB到-1LSB和+2LSB。INL（积分线性误差）表明转换器的转换功能会

41、偏离零标度和满标度值之间的理想直线有多远。INL是贯穿整个转换功能的DNL（差分线性误差）的总和。具有高INL的A/D转换器的转换功能总曲率更高。高速A/D转换器的INL实际值范围大约是±0.2到±4LSB。 SNR（信噪比）、THD（Total Harmonic Distortion,总谐波失真）、SINAD（信号与噪声加失真之和之比）或S/（N+D）（信号与噪音加失真比）和ENOB（Effective Number of Bits 有效位数）等动态参数表示当A/D转换器的输入是由正弦波驱动时所产生的频域误差。T

42、HD是以分贝表示的输出信号的头几个谐波成份的有效值之和与输出端出现的输入信号的幅度之比。所选的谐波的数量由生产厂家而定,典型的是6个  在比较不同厂家生产的A/D转换器时,要注意他们计算THD时所取的谐波个数。如果取的谐波数太少（少于5或6个）,那么A/D转换器数据表中就会表现出人为的THD乐观值。通信应用中过大的THD会导致可能干扰其他通信通道的多余信号。 SINAD（信号与噪声加失真之和之比）是以分贝表示的输出端出现的输入信号有效值与输出信号当中频率小于采样频率一半（包括谐波但不包括直流）的所有其他频谱成份的有效值之比。SINAD可以由SNR和THD值计算出来。

43、0; ENOB（有效位数）是从SINAD推导出来的。理想A/D转换器的SINAD可以从该A/D转换器的分辨率计算出来,ENOB也可以从真实A/D转换器的SINAD测量值计算出来。   ENOB表示,如果一个理想转换器具有候选的真实转换器的SINAD,那么它所应有的分辨率。换句话说,ENOB为7.0的A/D转换器具有与完美7.0位分辨率A/D转换器相同的SINAD。 除量化噪音外绝对无失真和噪音的理想8位A/D转换器的ENOB是8。然而,真实的A/D转换器会有些误差,使其SINAD测量值小于理想值。比如,SINAD为45.4dB的A/D转换器的ENOB为7.25位,

44、与完美的7.25位A/D转换器具有相同的SINAD。 数据表中A/D转换器的ENOB数值应当由SINAD而非SNR得出,许多厂商都这样做。只有当THD优于SNR 12到15dB时ENOB才应当从SNR计算得到。还有,要注意确定ENOB的输入信号频率。频率升高时ENOB会下降。 来自不同厂家的具有类似器件号（其管脚配置也很可能相似）的A/D转换器的性能却不一定相同。仅通过阅读不同厂商的数据表来选择A/D转换器不一定合适。应当在实验室对它们进行测试。  一些厂商（如美国国家半导体公司等）提供A/D转换器评估板,允许设计工程师评估转换器的动态性能。国

45、家半导体公司的评估板带有软件,使设计者可利用计算机或不用计算机更容易地评估A/D转换器的动态性能。 如果选择了错误的A/D转换器,那么往往很难或不可能满足系统要求。选择符合系统需要性能的A/D转换器十分重要。（IV）、ADC型号确定在本次设计中，基于学院实验室的条件，我们选择与三菱FX2N系列可编程控制器配套的FX2N-4A/D 特殊功能模块JY992D65201C：（1）、FX2N-4A/D模拟特殊功能模块有四个输入通道，输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量。其最大分辨率是12位。（2）、基于电压或电流的输入/输出的选择通过用户的配线来完成，可选用的模拟范围是-10V到10V D

46、C（分辨率5mV）,或者4到20mA、-20到20mA（分辨率20A）；（3）、FX2N-4A/D和FX2N上单元之间通过缓冲存储器交换数据，FX2N-4A/D共有32缓冲存储器（每个16位）；（4）、FX2N-4A/D占用FX2N扩展总线的8个点，这8点可以分配成输入或输出。FX2N-4A/D消耗FX2N主单元或有源扩展单元5V电源槽30mA的电流。4、可编程控制器PLC的选择（I）、PLC的种类 PLC主要有三菱PLC、西门子PLC、欧姆龙PLC、AB PLC、松下PLC等品牌。 1、三菱FX系列PLC简介及型号说明：三菱FX系列PLC是由三菱公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，以逐步

47、替代三菱公司原F、F1、F2系列PLC产品。其中FX2是1991年推出的产品，FX0是在FX2之后推出的超小型PLC，近几年来又连续推出了将众多功能凝集在超小型机壳内的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有较高的性能价格比，应用广泛。它们采用整体式和模块式相结合的叠装式结构。2、西门子PLC的发展史 SIMATIC商标 S7-200是西德西门子公司的产品之一，其注册商标为SIMATIC。 西门子公司的产品最早是1975年投放市场的SIMATIC S3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器； 1979年，S3系统被SIMATIC S5所取代，该系统广泛

48、地使用了微处理器； 20世纪80年代初，S5系统进一步升级U系列PLC，较常用机型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U 1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，其机型为：S7-200、300、400 1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7（过程控制系统7）的概念，将其优势的WINCC（与WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工业现场总线）、COROS（监控系统）、SINEC（西门子工业网络）及控调技术溶为一体 现在，西门子公司又提出TIA（Totally Integrat

49、ed Automation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。3、欧姆龙PLC简介 OMRON（立石

50、公司）PLC概述 日本OMRON（立石公司）电机株式会社是世界上生产PLC的著名厂商之一。 OMRON C系列PLC产品门类齐、型号多、功能强、适应面广。大致可以分成微型、小型、中型和大型四大类产品。整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型。叠装式（或称紧凑型）结构的微型机以CJ型机最为典型，它具有超小型和超薄型的尺寸。小型PLC机以P型机和CPM型机最为典型，这两种都属坚固整体型结构。具有体积更小、指令更丰富、性能更优越，通过I/O扩展可实现10140点输入输出点数的灵活配置，并可连接可编程终端直接从屏幕上进行编程，CPM型机是OMRON产品用户目前选用最多的小型机系列产品。OMRO

51、N 中型机以C200H系列最为典型，主要有C200H、C200HS、C200HX、C200HG和C200HE等型号产品。中型机在程序容量，扫描速度和指令功能等方面都优于小型机，除具备小型机的基本功能外，它同时可配置更完善的接口单元模块，如模拟量I/O模块、温度传感器模块、高速记数模块、位置控制模块、通讯联接模块等。可以与上位计算机、下位PLC机及各种外部设备组成具有各种用途的计算机控制系统和工业自动化网络。 4、A-B PLC简介 A-B(艾伦-布拉德利Allen-Bradley)是Rockwell自动化公司的知名品牌。罗克韦尔自动化是一家工业自动化跨国公司，为制造业提供一流的动力、控制和信息技术解决方案。罗克韦尔自动化公司整合了工业自动化领域的知名品牌，致力于打造全方位自动化解决方案，帮助客户提高生产力。这些品牌包括艾伦布拉德利Allen-Bradley的控制产品和工程服务、道奇品牌Dodge的机械动力传输产品、瑞恩电气Reliance Electric制造的电机和驱动产品以及罗克韦尔软件Rockwell Software生产的工控软件。松下PLC