第二章 计算机控制系统的硬件设计

1、2022-1-21计算机控制系统的硬件组成框图计算机控制系统的硬件组成框图第第2 2章章 计算机控制系统的硬件设计计算机控制系统的硬件设计常用的控制计算机性能比较 2022-1-23一、开关量输入通道的结构及组成一、开关量输入通道的结构及组成 2.1 2.1 开关量输入通道的设计开关量输入通道的设计 数字量输入通道由数字量输入通道由信号调理电路信号调理电路和和输入接口电路输入接口电路构成。构成。 DI接口电路接口电路1.1.输入保护电路输入保护电路 二、信号调理电路二、信号调理电路 2022-1-25（a a） 采用采用RCRC滤波电路滤波电路 （b b）采用）采用RSRS触发器触发器2.2.

2、开关量消抖电路开关量消抖电路 2022-1-263.3.开关量隔离电路开关量隔离电路 输入信号调理电路可以用于过电压、过电流和反压保护，还可进行RC抗干扰滤波。VD1R1CR2来自现场数字信号VD2稳压管VD2 把过电压和瞬态尖峰电压钳位在安全电平上，串联二极管VD1 防止反向电压输入，电阻R1和电容C构成抗干扰的RC滤波器，电阻R1是输入限流电阻，R2为过流熔断保护保险丝。2022-1-28 数字量输出通道主要由数字量输出通道主要由输出接口电路输出接口电路和和输出驱动电输出驱动电路路等组成。等组成。 DO接口电路接口电路2.2 2.2 开关量输出通道的设计开关量输出通道的设计 一、开关量输出

3、通道的结构及组成一、开关量输出通道的结构及组成 2022-1-29 对于低电压情况下开关量控制输出，可采用对于低电压情况下开关量控制输出，可采用三极管三极管、OCOC门门或或运放运放等方式输出。等方式输出。 1.1.直流负载驱动电路直流负载驱动电路 二、二、开关量输出驱动电路开关量输出驱动电路 6047K3 .3管极三DELV5+033图4-6 小功率三极管输出电路Di图图 4 -8 达达 林林 顿顿 阵阵 列列 驱驱 动动 电电 路路7 4 0 6达达 林林 顿顿 复复 合合 管管负负 荷荷 线线 圈圈+ 2 4 VDi1 B1 CG N D2022-1-2112.继电器输出驱动电路继电器输

4、出驱动电路D DL LK K控控制制电电流流外外部部设设备备线线圈圈铁铁芯芯触触点点衔衔铁铁2022-1-2123.固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路（1 1）DC-SSR:DC-SSR:一般用于直流大功率场合一般用于直流大功率场合（2 2）AC-SSRAC-SSR：一般用于交流大功率设备控制场合：一般用于交流大功率设备控制场合多数接电阻性负载，很少接电感性负载；过零型、移相型多数接电阻性负载，很少接电感性负载；过零型、移相型2022-1-214 2.3 2.3 模拟量输入通道的设计模拟量输入通道的设计 一、一、 模拟量输入通道的一般结构模拟量输入通道的一般结构 单路模拟量输入通道结构图单路

5、模拟量输入通道结构图传传感感器器信号信号调理调理电路电路S/HA/D微型微型计算计算机机 多路模拟量输入通道结构图多路模拟量输入通道结构图二、信号调理电路二、信号调理电路1I/V变换电路变换电路 -+A2R1RVI(a) 无无源源I I/ /V V变变换换电电路路(b) 有有源源I I/ /V V变变换换电电路路图图 2-2 电电流流/ /电电压压变变换换电电路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V2信号放大电路信号放大电路前置放大器前置放大器 VIVO1R2R图 2-5 放 大 电 路VIVO1R2R(a)同 相 放 大UsUs(b)反 相 放 大2信号放大电路信号放大电路前置放大器前

6、置放大器 前置放大器的任务前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到是将模拟输入小信号放大到A/DA/D转换的量程范围之内，如转换的量程范围之内，如0-5VDC;0-5VDC; 对单纯的微弱信号对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图同相放大或单端反相放大。如图3-53-5所示，信号源的一所示，信号源的一端若接放大器的正端为端若接放大器的正端为同相放大同相放大，同相放大电路的放大同相放大电路的放大倍数倍数G G =1+R2/R1=1+R2/R1； 若信号源的一端接放大器的负端为若信号源的一端接放大器的负端为反相放大反相放大，反相反相放大电

7、路的放大倍数放大电路的放大倍数G G = =R2/R1R2/R1。当然，这两种电路都。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。输入端共地。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)(a) 经典的前置放大器经典的前置放大器)21 (12ININOUTGSRRRRVVVG目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如AD521/522AD521/522、INA102INA102等。等。测量放大器测量放大器

8、在实际工程中在实际工程中, ,来自生产现场的传感器信号往往带有较来自生产现场的传感器信号往往带有较大的大的共模干扰共模干扰， 而单个运放电路的差动输入端难以起到很而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。好的抑制作用。 因此，因此，A/DA/D通道中的前置放大器通道中的前置放大器常采用由常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图3-6(a)3-6(a)所示。所示。 经典的测量放大器经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端量放大器的差动输入端V VININ 和和V VININ

9、 分别是两个运放分别是两个运放A1A1、A2A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。3A2A-NIN负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可变增益放大器可变增益放大器此类集成电路芯片有此类集成电路芯片有AD612/614AD612/614等。等。 把图把图3-63-6（a a）中的外接电阻）中的外接电阻R

10、GRG换成一组精密的电阻网换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为别为2 2、4 4、8 8、1616、3232、6464、128128、256256倍。显然，这一组倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关开关如果用多路模拟开关( (类似类似CD4051)CD4051)就可方便地进行增就可方便地进行增益可变的计算机数

11、字程序控制。益可变的计算机数字程序控制。3滤波电路滤波电路 若要若要消除低频干扰消除低频干扰，就需要，就需要设置高通滤波器设置高通滤波器，其截止，其截止频率应高于需要滤除的干扰频率；频率应高于需要滤除的干扰频率；若要若要消除高频干扰消除高频干扰，就需要，就需要设置低通滤波器设置低通滤波器，其截止，其截止频率应低于需要滤除的干扰频率；频率应低于需要滤除的干扰频率；若若消除某一频带以外的干扰消除某一频带以外的干扰，就需要，就需要设置带通滤波器设置带通滤波器；若要若要阻止某个频带范围内的干扰阻止某个频带范围内的干扰及噪声信号通过，可及噪声信号通过，可采用采用带阻滤波器带阻滤波器（陷波器）。（陷波器）

12、。三、多路转换开关三、多路转换开关2022-1-228HC采样保持器的组成采样保持器的组成四、采样保持器四、采样保持器保持电容保持电容CHCH的重要性：的重要性： 外接电容，决定保持时间的长短；选用外接电容，决定保持时间的长短；选用低介质损耗低介质损耗，漏电小的电容：聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯电容；其漏电小的电容：聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯电容；其容量大小与采样频率成反比：容量大小与采样频率成反比：几百皮法几百皮法0.010.01微法；微法；2022-1-230（1 1）分辨率：）分辨率： 通常用数字量的位数通常用数字量的位数n n（字长）来表示，若（字长）来表示，若n n8 8，满量程输

13、，满量程输入为入为5V5V，则，则LSBLSB对应于模拟对应于模拟 。（2 2）转换时间：）转换时间： 从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即从发出转换命令信号到转换结束信号有效的时间间隔，即完成完成 n 位转换所需要的时间。位转换所需要的时间。（3 3）转换量程：）转换量程： 所能转换的模拟量输入电压范围，如所能转换的模拟量输入电压范围，如0 05V5V，010V010V，5V5V十十5V5V等。等。82/V51. A1. AD D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标五、五、A AD D转换器及选择转换器及选择 2022-1-231 A/DA/D转换器的精度与传感器的精度有关

14、，一般转换器的精度与传感器的精度有关，一般比传比传感器的精度高一个数量级感器的精度高一个数量级； 根据输入模拟信号的动态范围可选择根据输入模拟信号的动态范围可选择A/DA/D转换器位转换器位数数n n 还必须注意：还必须注意：A/DA/D输入输出的方式输入输出的方式A/DA/D芯片对启动信号的要求芯片对启动信号的要求A/DA/D芯片与芯片与CPUCPU的配合方式的配合方式2. A2. AD D转换器的选择转换器的选择2022-1-232六、六、 模拟量输入通道的设计原则模拟量输入通道的设计原则 1. 1.如果模拟输入电压已满足如果模拟输入电压已满足A/DA/D转换量程要求，就不必再用转换量程要

15、求，就不必再用前置放大器前置放大器，前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前前置放大器可分为固定增益和可变增益两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器的传感器 ； 2.2.采样保持器采样保持器(S/H)(S/H)的选用取决于测量信号的变化频率，原的选用取决于测量信号的变化频率，原则上直流信号或变化缓慢的信号且在则上直流信号或变化缓慢的信号且在A/DA/D转换精度之内，可以转换精度之内，可以不用采样保持器。不用采样保持器。 3.A/D3.A/D转换器位数的选择主要取决于系统测量精度转换器位数的选择主要取决于系统

16、测量精度。 4.A/D4.A/D转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对转换器的转换时间或转换速率的选择取决于使用对象。象。2022-1-2342 24 4 模拟量输出通道的设计模拟量输出通道的设计 一、模拟量输出通道的结构形式一、模拟量输出通道的结构形式 共用共用D DA A转换器的结构转换器的结构 一个通路一个一个通路一个D DA A转换器的结构转换器的结构 模拟保持模拟保持。只适用于通路数量多且速度要只适用于通路数量多且速度要求不高的场合，可靠性较差。求不高的场合，可靠性较差。数字保持数字保持。转换速度快、工作可转换速度快、工作可靠。靠。2022-1-235二、模拟量输出通道的组成模

17、块二、模拟量输出通道的组成模块 D/A D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它转换器的作用是将数字量转换为模拟量，它是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系是模拟量输出通道的核心部件，是计算机和模拟系统之间的接口。统之间的接口。主要技术指标如下：主要技术指标如下：1. D/A1. D/A转换器转换器A A。分辨率：。分辨率： D/AD/A转换器的分辨率定义为基准电压转换器的分辨率定义为基准电压 与与 之比值，其中之比值，其中n n为为D/AD/A转换器的位数。转换器的位数。REFVn2B B。稳定时间。稳定时间：输入二进制数变化量是满刻度时，输入二进制数变化量是满刻度时，输出达到离终

18、值输出达到离终值 时所需的时间。时所需的时间。LSB 2/1 2022-1-236集成集成V/I转换器转换器AD6942. VI转换转换2022-1-237三、模拟量输出通道的设计原则三、模拟量输出通道的设计原则D/AD/A转换器位数的选择转换器位数的选择 D DA A转换器位数的选择取决于系统输出精度转换器位数的选择取决于系统输出精度；D DA A转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构转换器输出一般都通过功率放大器推动执行机构 对于对于D/AD/A转换器字长转换器字长n n的选择，可以由其后的执行的选择，可以由其后的执行机构的动态范围来选定机构的动态范围来选定max21Rnuumaxlg1 /lg2Runu执行机构的执行机构的死区电压死区电压 执行机构执行机构最大输入最大输入 2022-1-238D/AD/A转换器的双极性电压输出转换器的双极性电压输出 D/A D/A转换器双极性输出电路转换器双极性输出电路2022-1-239PCL-730PCL-730板卡组成框图板卡组成框图数字（开关）量输入数字（开关）量输入/ /输出通道模板举例输出通道模板举例2022-1-240程序