过程输入输出通道

1、沈阳建筑大学沈阳建筑大学信息与控制工程学院信息与控制工程学院 马斌、郭彤颖马斌、郭彤颖计算机控制技术计算机控制技术 第第2章章 过程输入输出通道设计过程输入输出通道设计 2.0 信号变换理论信号变换理论2.1 2 20 0 信号变换理论信号变换理论 1. 1. 连续信号的采样和量化连续信号的采样和量化 图图1 1 采样过程采样过程 采样过程采样过程 在计算机控制系统中，采样信号在计算机控制系统中，采样信号 是一数是一数字序列，可分解成一系列单脉冲之和。字序列，可分解成一系列单脉冲之和。 )( * tf kffftf10)(*式中，式中， f 0为为 t = 0T 时刻的单脉冲，脉冲的幅值时刻的

2、单脉冲，脉冲的幅值 f (0T) ； f 1为为 t = 1T 时刻的单脉冲，脉冲的幅值时刻的单脉冲，脉冲的幅值 f (1T) ； f k为为 t = kT 时刻的单脉冲，脉冲的幅值时刻的单脉冲，脉冲的幅值 f (kT) ； 则：则：f kf (kT)(tkT) 只有在t = kT时刻，才有(tkT)0 ，而在的所有t kT时刻，都有(tkT)0 。 。 图图2 2 对单位脉冲序列的调制对单位脉冲序列的调制 可以解释为连续时间信号可以解释为连续时间信号 被理想单位脉冲被理想单位脉冲 做了离散时间调制。做了离散时间调制。 )(tf)(t 0 )()()(*kkTtkTftf 因此：因此：量化过程

3、量化过程 图图3 3 量化过程量化过程所谓量化，就是采所谓量化，就是采用一组数码（如二用一组数码（如二进制码）来逼近离进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，散模拟信号的幅值，将其转换成数字信将其转换成数字信号。这个经量化使号。这个经量化使采样信号成为数字采样信号成为数字信号的过程称为量信号的过程称为量化过程。化过程。 2. 2. 采样定理采样定理 图图4 4 、 的频谱的频谱 及从及从 恢复恢复 （a) a) 的频谱的频谱 （b b） 的频谱的频谱 （c c） 理想的滤波器理想的滤波器 （d d） 滤波器输出信号频谱滤波器输出信号频谱 )(tf)(* tf)( jF)(* jF)( jF)(tf)

4、( jF)(* tf)(* jF)( jC 为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠的重为保证采样信号的频谱是被采样信号的频谱无重叠的重复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信号的复（沿频率轴方向），以便采样信号能反映被采样信号的变化规律，采样频率变化规律，采样频率 s(=2/T=2f)至少应是至少应是f (t)的频的频谱谱 F( j )的最高频率的最高频率max的两倍，即的两倍，即 max2 s 采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，采样定理奠定了选择采样频率的理论基础，但对于连续对象的离散控制，不易确定连续信号但对于连续对象的离散控制，不易确定连续信号的最高频率。因此，采样定理给

5、出了选择频率的的最高频率。因此，采样定理给出了选择频率的准则，在实际应用中还要根据系统的实际情况综准则，在实际应用中还要根据系统的实际情况综合考虑。合考虑。采样定理采样定理3.采样信号的复现和采样保持器采样信号的复现和采样保持器 保持器保持器 保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连保持器是一种基于时域外推原理、把采样信号转换成连续信号，实现采样点之间的插值的元件。续信号，实现采样点之间的插值的元件。零阶保持器零阶保持器 )(kTeTk)1( )(*kTe)(hte。 零阶保持器采用恒值外推原理，把每个采样值零阶保持器采用恒值外推原理，把每个采样值 一一直保持到下一个采样时刻直保持到下

6、一个采样时刻 , ,从而把采样信号从而把采样信号 变成变成了阶梯连续信号了阶梯连续信号 。 图图5 5 零阶保持器的功能零阶保持器的功能 1G2G74LS244 输入接口 D0D1D2D3D4D5D6D7 1A1 1Y1 1A2 1Y2 1A3 1Y3 1A4 1Y4 1A5 1Y5 1A6 1Y6 1A7 1Y7 1A8 1Y8 IORCS图 2 .1 数字量输入接口 PC总线 74LS273 CLR CLK 输出接口 RESET D0D1D2D3D4D5D6D7 PC总线 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 IOW CS图 2 .

7、2 数字量输出接口 IOWIOWIOWIOW PC总线 输入 缓冲 器 输入 调理 电路 地址译码器 来自生产过程 +5V C K R2 R1 原理：原理：当当K K在上时，输出上为在上时，输出上为1 1，下为，下为0 0。 当当K K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成生瞬间不闭合，造成R-SR-S触发器输入为双触发器输入为双1 1，故状态不改变。，故状态不改变。+5V K R45 R3 原理：当K 闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为1。 当K断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为0。

8、 其中，用R1、R2进行分压，C进行滤波，要合理选择参数。+5V R2 R3 C R1 +48V 去生产过程 PC总线 输 出 锁 存 器 输 出 驱 动 电 路 地址译码器 图 2.6 数字量输出通道结构 +5V 交流电源 RL R2 C SCR R1 D I/O 接口 零交叉电路 触发电路 零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器逻辑框图转换器逻辑框图-+OA模拟输入Vx数字输出启动CKDONE控制逻辑N位寄存器N位D/A转换器Vc比较器IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccADDCADC080911098765432

9、20141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN22827262524232221CD4051原理图原理图 CSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC08321109876543220141516171819131211VOUT1为单极性输出，若D为输入数字量，VREF为基准参考电压，且为n位D/A转换器，则有 VOUT1=-VREFD/2n VOUT2为双极性输出，且可推导得到VOUT2=-(R3/R1) VREF-(R3/R2)VOUT1 =VREF (D/2n-1)-1)AD694是一种420mA转换器，适当接线也可使其输出范围为020mA。AD694的主要特点是： 输出范围：420mA,020mA。 输入范围：02V或010V。 电源范围：+4.536V。 可与电流输出型D/A转换器直接配合使用，实现程控电流输出。 具有开路或超限报警功能。从这个