第二章输入输出接口与过程通道

1、12.1.2 2.1.2 数字量输入通道数字量输入通道1.1.数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构 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 2RS触发器触发器(Flip-flop)消除开关两次反跳电路消除开关两次反跳电路 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，使按键因抖动而产生按下时，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。R S Q Q0 1 1 01 0 0 11 1

2、RSQQ+ 5 V K R 4 5 R 3 &32.1.3 2.1.3 数字量输出通道数字量输出通道1.1.数字量输出通道的结构数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路出口地址译码电路等组成等组成 。 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 4 2. 2.输出驱动电路输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是在数字量输出通道中，关键是驱动驱动，因为从锁存器中出来的是，因为从锁存器中出来的是TTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动

3、电路。电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。 （1）小功率直流驱动电路）小功率直流驱动电路 功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。继电器包括线圈和触点。 因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管D，J为继电器的线圈。为继电器的线圈。 D的作用为泄流作用，通过的作用为泄流作用，通过D放掉放掉J上所带的电荷，防止反向击穿。上所带的电荷，防止反向击穿。 R的作用是限流电阻。的作用是限流电阻。 作用过程作用过程：当：当TTL电平为电平为1时，晶体管截止，时，晶体管截止，J不吸合不吸合 当当T

4、TL电平为电平为0时，晶体管导通，时，晶体管导通，J吸合吸合 10015+ 5 V 交 流 电 源 R L R 2 C S C R R 1 D I/ O 接 口 零 交 叉 电 路 触 发 电 路 62.2 A/D转换器及其接口技术2.2.0 A/D转换基础知识转换基础知识 1. A/D转换方式转换方式 2. A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 3. 逐位逼近法逐位逼近法2.2.1 A/D转换器转换器 1. 8位位A/D转换器转换器ADC0809 2. 12位位A/D转换器转换器AD574A 2.2.2 A/D转换器接口技术转换器接口技术 1. ADC0809与与PC总线工业控制机

5、接口总线工业控制机接口 2. AD574A与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 7对一个对一个n位的逐位逼近式位的逐位逼近式A/D 转换输出的二进制数转换输出的二进制数字量字量B与输入模拟电压与输入模拟电压VIN、正基准电压、正基准电压VREF+、负、负基准电压基准电压VREF-的关系为的关系为例题例题: 假设有一个假设有一个8位的位的ADC ，VREF+ = 5.00V，VREF- = 0V，则，则VIN=0V、2.5V对应的数字量输出分别为多对应的数字量输出分别为多少少?nREFREFREFINVVVVB200H 3. 逐位逼近法逐位逼近法 80H8trapezoidalA/D9C

6、BA所选通道所选通道000VIN0001VIN1010VIN2011VIN3100VIN4101VIN5110VIN6111VIN7101) 12位位A/D转换器转换器AD574A两种模拟输入方式两种模拟输入方式(a) 单极性输入单极性输入BIPOFF=0V；(b) 双极性输入双极性输入BIPOFF=10VAD574A15 V100 k15 VREF INREF OUT高4位中4位低4位BIP OFF5 V15 VDGND10 VIN20 VINAGND010 V020 V模拟输入15 VAD574AREF INREF OUT高4位中4位低4位BIP OFF5 V15 VDGND10 VIN2

7、0 VINAGND5 V模拟输入15 V10 V100 k100 100 100 100 (a)(b)11 2）引脚特性：）引脚特性：DO0DO11：12位数字量输出。位数字量输出。R/C：数据读：数据读/启动信号。启动信号。 R/C=1时，时， 读取转换结果；读取转换结果； R/C=0时，启动时，启动A/D转换。转换。12/8：输出数据长度选择信号。输出数据长度选择信号。 12/8=1，D11D0并行输出；并行输出； 12/8=0，D11D4与与D3D0分时输出。分时输出。A0：字节选择信号。字节选择信号。在转换启动时，在转换启动时，A0=0代表选择代表选择AD574A作为作为12位转换器使

8、用，位转换器使用，在读数据时，在读数据时，A0=1代表读低代表读低4位。位。 STS：AD574A的工作状态信号。的工作状态信号。STS=1表示正处于转换状态；表示正处于转换状态；STS=0表示转换完毕。表示转换完毕。CPU可用查询或中断可用查询或中断方式了解转换过程是否结束。方式了解转换过程是否结束。AD574A12345678910111213142827262524232221201918171615+5 V8/12CSA0C/RCEVCCREF OUTAGNDREF INVEEBIP OFF10 VIN20 VINDGNDDO0DO1DO2DO3DO4DO5DO6DO7DO8DO9DO

9、10DO11STS12AD574A控制信号功能表控制信号功能表3）控制逻辑）控制逻辑CS8CE12/A0功功 能能1000启动启动12位转换位转换1001启动启动8位转换位转换1011允许允许12位并行输出位并行输出1010010101允许低允许低4位输出位输出01 8CSC/R允许高允许高8位输出位输出禁止，无操作禁止，无操作禁止，无操作禁止，无操作131ADC0809与与PC总线工业控制机接口总线工业控制机接口 n ADC0809与PC总线工业控制机接口电路图 14n （1 1）确定选择模拟通道号）确定选择模拟通道号 n （2 2）输出启动信号）输出启动信号 n （3 3）查询是否转换结束

10、）查询是否转换结束 n （4 4）读取转换结果）读取转换结果分析程序流程分析程序流程152 2ADC574AADC574A与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口162.3 模拟量输入通道模拟量输入通道17 模拟量输入通道的模拟量输入通道的任务任务是把从系统中检测到的模拟信号，是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 传感器传感器是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多是将生产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器的输出是直流电压数传感器的输出是直流电压( (或电流或电流) )信号，也有一些传感器把信号，也有一

11、些传感器把电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。电阻值、电容值、电感值的变化作为输出量。 为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量为了避免低电平模拟信号传输带来的麻烦，经常要将测量元件的输出信号经元件的输出信号经变送器变送器变送，如温度变送器、压力变送器、变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成流量变送器等，将温度、压力、流量的电信号变成0 010mA10mA或或4 420mA20mA的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。的统一信号，然后经过模拟量输入通道来处理。 2.3 模拟量输入通道模拟量输入通道182.3.1 2.3.1 模拟量输入通道

12、的组成模拟量输入通道的组成 过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流(或电压或电压)形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和各个过程参数依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现转换，实现过程参数的巡回检测。过程参数的巡回检测。 模拟量输入通道一般模拟量输入通道一般由由I/V变换，多路转换器、采样保持变换，多路转换器、采样保持器、器、A/D转换器、接口及控制逻辑转换器、接口及控制逻辑等组成。等组成。192.3.2 I/V2.3.2 I/V变换变换

13、n变送器输出的信号为变送器输出的信号为010mA或或420mA的统一的统一信号，需要经过信号，需要经过I/V变换变成电压信号后才能处理。变换变成电压信号后才能处理。nDDZ-型的输出信号标准为型的输出信号标准为010mA,nDDZ-型和型和DDZ-S的输出信号标准为的输出信号标准为420mA。 n1.无源无源I/V变换变换 n2.有源有源I/V变换变换 20nI/V变换的基本思想：电流变换的基本思想：电流 n变换电路中各部分的作用：变换电路中各部分的作用： R1:限流电阻限流电阻 D:将电压钳制在将电压钳制在5V+0.3V以内以内 R2:电压采样电阻，其压降即为输出电压，精密电阻。电压采样电阻

14、，其压降即为输出电压，精密电阻。 C和和R1：组成阻容低通滤波电路。：组成阻容低通滤波电路。1.1.无源无源I/VI/V变换变换电压电压精密精密电阻电阻V=R2*IR1R2CIV+5V 无源无源I/V变换电路变换电路D212.2.有源有源I/VI/V变换变换 利用有源器件利用有源器件运算放大器运算放大器和电阻组成。与无源变换的区和电阻组成。与无源变换的区别在于信号的隔离上。电流不能直接流过别在于信号的隔离上。电流不能直接流过R2,Vi=I*R1。 利用运算放大器的虚短利用运算放大器的虚短(Empty short)和虚断和虚断(Empty break)的概念，我们可以求出该同相放大电路的放大倍数

15、。的概念，我们可以求出该同相放大电路的放大倍数。 合理选择相应的电阻合理选择相应的电阻R4，就可以得到相应的电压输出，就可以得到相应的电压输出Vo。 有源有源I/V变换电路变换电路 AR1R3R2R4R5CIVOViA=1+R4/R3VO=A*R1*I输入阻抗高，输出阻抗低输入阻抗高，输出阻抗低输出限流，保护运放输出限流，保护运放100K200150K50K22n2.量化量化 所谓所谓，就是采用一组数码，就是采用一组数码(如二进制码如二进制码)来来离散模离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟拟信号的幅值，将其转换为数字信号。也就是怎样将离散模拟变量变为二进制码，二进制数的

16、大小和量化单位有关。变量变为二进制码，二进制数的大小和量化单位有关。 ：将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程。 ：执行量化动作的装置是：执行量化动作的装置是A/D转换器。转换器。 ：字长为：字长为n的的A/D转换器把转换器把yminymax范围内变化的采样范围内变化的采样信号变换为数字信号变换为数字02n-1，其最低有效位，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量所对应的模拟量q称为量化单位。称为量化单位。 ：量化过程实际上是一个用：量化过程实际上是一个用q去度量采样值幅值高低去度量采样值幅值高低的小数归整过程，如同人们用单位长度的小数归整过程，如

17、同人们用单位长度(毫米或其它毫米或其它)去度量人去度量人的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量的身高一样。由于量化过程是一个小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差为化误差，量化误差为(1/2)q。 q=20mV时，量化误差为时，量化误差为10mV，0.9901.009V范范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字50。 23(3) 采样保持原理采样保持原理 在在A/D转换过程中，如果输入信号变化较大，那么就会引起转换过程中，如果输入信号变化较大，那么就会引起转换误差。一般情况下，采样信号不直接送至转换误差。一般情况下，采样信号不直接

18、送至A/D转换器转换，转换器转换，需要加保持器进行信号保持，并把某时刻的采样值保持到需要加保持器进行信号保持，并把某时刻的采样值保持到A/D转转换结束。换结束。 输入输出缓冲器输入输出缓冲器A1，A2 采样开关采样开关K 保持电容保持电容CH 采样保持器的基本组成：采样保持器的基本组成：24(4)常用的采样保持器常用的采样保持器LF398、AD582 选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。选择采样保持器的主要因素有：获取时间，电压下降率。 LF398的保持电容的保持电容CH取为取为0.01F时，信号达到时，信号达到0.01%精度精度所需的获取时间所需的获取时间(采样时间采样时间)为

19、为25s，保持期间的输出电压下降率，保持期间的输出电压下降率为每秒为每秒0.3mV。 LF398的的采样保持控制引脚采样保持控制引脚8： 高电平高电平1，采样，采样 低电平低电平0，保持，保持 CH为保持电容，将其减小为保持电容，将其减小可以提高采样频率但会降低精度。可以提高采样频率但会降低精度。2526该模板采集一个数据的过程该模板采集一个数据的过程1通道选择通道选择PC0PC2,通道禁止通道禁止 PC3 ,LF398 ADC574的的STS+反相器，反相器，STS=0时时LF398为采样状态。为采样状态。2启动启动AD574A进行进行A/D转换转换,STS=1时时LF398保持保持.AD5

20、74A的的R/C, CS, CE PC4-PC6 3查询查询AD574A是否转换是否转换结束结束 STS PA74读取转换结果读取转换结果STS由由1变为变为0后，读低后，读低4位位 PA0-PA3，高，高8位位 B口口 27 （1）DAC0832结构框图（组成）结构框图（组成） D7 1 D6 1 D5 1 D4 1 D3 1 D2 1 D1 1 D0 1 VREF 1 IOUT2 1 IOUT1 1 VCC 1 DGNDRfb 1 AGND 1 ILE 1 8 位 输入 寄存器 1 8 位 DAC 寄存器 1 8 位 D/A 转换器 1 MSB 1 13 1 14 1 15 1 16 1

21、4 1 5 1 6 1 7 1 19 1 1 1 2 1 模拟信号输出 18 1 17 1 CS 1 WR1 1 WR2 1 XFER 1 LSB 1 LE1 1 LE2 1 12 1 8 1 11 1 9 1 3 1 20 1 10 1 Rfb 1 LE=1 时， 输出跟随输入 1 LE=0 时，输出被锁存 1 电源 数据信号输入 控制信号输入 28 （3）DAC0832的工作方式：的工作方式：LE1LE21输入的数字数据直接进入输入的数字数据直接进入D/A转换器。转换器。LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1A.直通方式直通

22、方式29LE11，或者，或者LE21两个寄存器之一始终处于直通状态；两个寄存器之一始终处于直通状态；另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）。另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）。LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1B.单缓冲方式单缓冲方式 （3）DAC0832的工作方式：的工作方式：30C.双缓冲方式双缓冲方式LE10，并且，并且LE20两个寄存器都处于受控（缓冲）状态；两个寄存器都处于受控（缓冲）状态；能够对一个数据进行能够对一个数据进行D/A转换的同时，输入下一转换的同时，输入下一个要转换的数据，可以有效地提高转换速度个要转

23、换的数据，可以有效地提高转换速度。 LE2LE1DAC0832输入输入寄寄存存器器DI0DI7D/A转转换换器器DAC寄寄存存器器Iout1 （3）DAC0832的工作方式：的工作方式：31与与DAC0832的两点区别的两点区别 ： 可用可用BYTElBYTE2控制数据的输入：控制数据的输入： 高电平时高电平时DI0-DI11 这这12位同时存入两寄存器；位同时存入两寄存器； 低电平时只将低低电平时只将低4位位DI0-DI3存入存入4位输入寄存器。位输入寄存器。 DAC1210有有12条数据输入线，因此采用条数据输入线，因此采用24脚脚 双列直插封装。双列直插封装。322.4.2 D/A2.4

24、.2 D/A转换器接口技术转换器接口技术1 1 8 8位位D/AD/A转换器转换器08320832与与PCPC总线工业控制机接口总线工业控制机接口DAC0832工作方式为单缓冲寄存器工作方式为单缓冲寄存器1. 端口地址端口地址+IOW有效有效 CS有效有效 LE1高电平高电平 输入寄存器直通输入寄存器直通输入数输入数据进行据进行D/A转换。转换。 2. IOW变高变高 CS变高变高 LE1低电平低电平 输入寄存器输入寄存器锁存锁存 D/A转换输出保持。转换输出保持。 33工作过程：工作过程： 1. 锁存高锁存高8位数据：位数据：Y0有效有效 BYTE1/BYTE2 高电平高电平当当 IOW 有

25、效有效 D0-D7 写入高写入高8位输入寄存器，位输入寄存器， D0-D3 写入低写入低4位输入寄存器。位输入寄存器。 2.锁存低锁存低4位数据：位数据：Y1有效有效BYTE1/BYTE2 低电平低电平当当IOW有效有效高高8位输入数据被锁存，位输入数据被锁存，D0-D3写入低写入低4位输入寄位输入寄存器，原内容被冲掉。存器，原内容被冲掉。 3.输入寄存器数据送到输入寄存器数据送到DAC寄存器寄存器： Y2有效有效XFER低电平低电平当当 IOW 有效有效输入寄存器数据传送到输入寄存器数据传送到DAC寄存器，寄存器，并开始并开始D/A转换。转换。 4. DAC寄存器锁存，寄存器锁存， D/A

26、输出保持输出保持： Y2, IOW 变高电变高电平平 DAC寄存器锁存数据，保持寄存器锁存数据，保持D/A转换输出。转换输出。 34 若若 D为 输 入 数 字 量 ，为 输 入 数 字 量 ，VREF为基准参考电压，且为为基准参考电压，且为n位位D/A转换器，则有：转换器，则有： 761076102222DDDDD其中，OUT1REF2nDVV 对于对于DAC0832，n=8，则，则VREF/256是常数。是常数。 显然，显然，VOUT1和和 D 成正比关系，输入数字量成正比关系，输入数字量 D 为为 00H 时，时，VOUT1也为也为 0 ；输入数字量；输入数字量 D 为为FFH即即255

27、时，时，VOUT1 为与为与 VREF 极性相反的最大值。极性相反的最大值。 1、VOUT1为单极性输出为单极性输出35 2、VOUT2为双极性输出为双极性输出R1=2RR3=2RR4=RR2=RI3OUT1REF1(1)22REFnnDDVVV O U T2又因，可得V1230IIIREF11VIROUT122VIROUT233VIR1REFOUT2312()OUTVVVRRR 推得，36对于双极性的情况：对于双极性的情况：当输入数字量当输入数字量D小于小于 80 H即即128时，输出模拟电压为负；时，输出模拟电压为负；当输入数字量当输入数字量D大于大于 80 H即即128时，输出模拟电压为

28、正。时，输出模拟电压为正。 1(1)2REFnDVVO U T2 由上式，对于由上式，对于8位位D/A转换器，有：转换器，有：D=0时，时，D=80H，D=FFH，out1out2REFV=0,V= - V77REFout1REFout2REF88 1V22V=-V-,V=-V(-1)02221288 1255255,(1)22outREFREFoutREFREFVVVVVV OUT1REF2nDVV 3738n 所谓所谓干扰干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能，就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。正常工作的破坏因素。 n 克服干扰的措施克服干扰的措施：硬

29、件措施，软件措施，软硬结合的措施。：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。 n 干扰的来源干扰的来源：外部干扰和内部干扰。：外部干扰和内部干扰。n 外部干扰与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的；外部干扰与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的；n 内部干扰则是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰则是由系统结构、制造工艺等决定的。 外部干扰外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度(humidity) 等气象条件。等气象条件。 内部干扰内部干扰主要是分布电容主要是分布电容(distributed capacitance)、分、分布电感引起的耦合感应布

30、电感引起的耦合感应(coupling induction)，电磁场辐射感应，电磁场辐射感应(radiation induction)，长线传输的波反射，长线传输的波反射(wave reflect)，多点，多点接地造成的电位差接地造成的电位差(potential difference)引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，寄生振荡(parasitic oscillation)引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。 392.6.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术n1.1.串模干扰串模干扰( (Series Mode interference ) )及及其抑制方法其抑制

31、方法 (1)(1)串模干扰串模干扰：所谓串模干扰是指叠加在被测信所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。也称为常态干扰。号上的干扰噪声。也称为常态干扰。 40（2 2）串模干扰的抑制方法）串模干扰的抑制方法n 如果串模干扰频率如果串模干扰频率fc比被测信号频率比被测信号频率f 高高，则采用，则采用输入低通输入低通滤波器滤波器来抑制高频率串模干扰；来抑制高频率串模干扰；n如果如果fc 比比f 低低，则采用，则采用高通滤波器高通滤波器来抑制低频串模干扰；来抑制低频串模干扰；n如果如果fc落在落在f频谱的频谱的两侧两侧，则应用，则应用带通滤波器带通滤波器(band-pass filter)。n

32、一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。串串模模干干扰扰示示意意图图41n 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/DA/D转换器转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信

33、号的瞬时值。若干扰信号是周期性进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性( (periodicity) )的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。 n 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模或者尽可能早地完成模/ /数转换或采取隔离和屏蔽等措施。数转换

34、或采取隔离和屏蔽等措施。 n 从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。 n 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。 42 2共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法 n (1)共模干扰共模干扰(Common Mode interference

35、) 是指模是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。共模干扰也称为共态干扰。 n 被测信号被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm 。共模干扰示意图共模干扰示意图43单端对地输入和双端不对地输入单端对地输入和双端不对地输入 对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须时的共模干扰电压将全部成为串模干

36、扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。采用双端输入不对地方式，如右图所示。 ZS、ZS1、ZS2为信号源为信号源US的内阻抗，的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端输入端A和和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为： ZZZUUccscmA111ZZZUUccscmB222UZZZZZZUUUcmBAABcsccsc22211144(2)共模干扰的抑制方法共模干扰的抑制方法n 变压

37、器隔离变压器隔离 光电隔离光电隔离 浮地屏蔽浮地屏蔽n 采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比 45(2)长线传输干扰的抑制方法 采用采用终端阻抗匹配终端阻抗匹配(Terminal impedance matching )或始端阻抗匹配或始端阻抗匹配(Before impedance matching），），可以消除长线传输中的波反射或者把它可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。抑制到最低限度。 为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线双绞线（twisted pair）和）和同轴电缆同轴电缆（coaxial cab

38、le）作信号线。作信号线。 终端匹配：终端匹配： 终端并联电阻终端并联电阻 始端匹配：始端匹配： 始端串联电阻始端串联电阻46 数字程序控制系统由数字程序控制系统由输入装置输入装置，输出装置输出装置，控制器和插补器控制器和插补器等四大部分组成。等四大部分组成。 其中其中，控制器和插补器功能以及部分输入输控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担。出功能由计算机承担。 插补器插补器(interpolator)：用于完成插补计算：用于完成插补计算,就是按给定的基本数据就是按给定的基本数据(如直线的终点坐标如直线的终点坐标,圆弧圆弧的起的起,终点坐标等终点坐标等),插补插补(插值插值)中间坐

39、标数据中间坐标数据,从而从而把曲线形状描述出来的一种计算。把曲线形状描述出来的一种计算。47例例3.2：设加工第一象限逆圆弧设加工第一象限逆圆弧 ，已知起点的坐标为，已知起点的坐标为A(4，0)，终点的坐标为，终点的坐标为B(0，4)，试进行插补计算并作出，试进行插补计算并作出走步轨迹图。走步轨迹图。 4849（2）工作原理：）工作原理： 对于三相步进电机的对于三相步进电机的A、B、C这三个开关，每个这三个开关，每个开关闭合，就会产生一个脉冲。开关闭合，就会产生一个脉冲。A相与相与1、3对齐对齐 A相通电相通电A相与相与0、2对齐对齐B相通电相通电C相通电相通电A相通电相通电B相与相与1、3对

40、齐对齐C相与相与0、2对齐对齐50 结论：结论： 定子按定子按A B C A相轮流通电，相轮流通电， 则磁场沿则磁场沿A、B、C方向转动方向转动360度角，度角， 转子沿转子沿ABC方向转动了方向转动了一个齿距一个齿距的位置。的位置。 齿数为齿数为4，齿距角，齿距角90，即一个齿距转动，即一个齿距转动90。51angular pitch)step angle) （1）如果步进电机转子的齿数为）如果步进电机转子的齿数为Z，则它的，则它的齿距角齿距角Z为为 Z=2Z=360/Z（2）因步进电机运行）因步进电机运行 N 拍可使转子转动一个齿距位置，而拍可使转子转动一个齿距位置，而每一拍步进一次，则每

41、一拍步进一次，则步距角步距角为为 =ZN=360/(NZ) 其中：其中：N是步进电机工作拍数，是步进电机工作拍数，Z是转子的齿数。是转子的齿数。 例例1：对于转子有对于转子有4个齿的三相步进电机，若采用三拍方式，个齿的三相步进电机，若采用三拍方式，则它的齿距角是则它的齿距角是 Z=360/Z =360/4=90 例例2：对于转子有对于转子有20个齿且采用三拍方式的步进电机而言，个齿且采用三拍方式的步进电机而言，其步距角是其步距角是 =360/(320)=6 523.3.2 3.3.2 步进电机的工作方式步进电机的工作方式1 1单三拍工作方式单三拍工作方式单相通电单相通电 2 2双三拍工作方式双

42、三拍工作方式双相通电双相通电3 3三相六拍工作方式三相六拍工作方式单相双相交叉通电单相双相交叉通电533、步进电机控制的输出字表、步进电机控制的输出字表(Output characteristic diagram) 8255的的PA、PB口分别控制口分别控制x, y轴步进电机。轴步进电机。 输出数据输出数据“ 1”表示通电，表示通电，“ 0”表示断电。表示断电。 54第四章第四章 常规及复杂控制技术常规及复杂控制技术 计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指计算机控制系统的设计，是指在给定系统性能指标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字标的条件下，设计出控制器的控制规律和相应的数字控

43、制算法。控制算法。 常规控制技术介绍数字控制器的常规控制技术介绍数字控制器的连续化连续化设计技设计技术和术和离散化离散化设计技术；设计技术； 复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制、前复杂控制技术介绍纯滞后控制、串级控制、前馈馈反馈控制、解耦控制、模糊控制等技术。反馈控制、解耦控制、模糊控制等技术。 55n 设计方法：数字控制器的连续化设计是设计方法：数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器有的零阶保持器和采样器，在，在S S域中按连续系统进行初步设计，域中按连续系统进行初步设计，求出连续控制器，然后通过某种近似，将连续控制器离散化为求出连续控制器，然后通过

44、某种近似，将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。数字控制器，并由计算机来实现。 4.1.1 数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤 4.1.2 数字数字PID控制器的设计控制器的设计 4.1.3 数字数字PID控制器的改进控制器的改进 4.1.4 数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定4.1 数字控制器的连续化设计技术数字控制器的连续化设计技术Numerical Controller Continuous Design Technique564.1.1 数字控制器的连续化设计步骤数字控制器的连续化设计步骤n1. 设计假想的连续控制器设计假想的连续控制器D(s)

45、 结构图可以简化为：结构图可以简化为： 已知已知G(s)来求来求D(s)的方法有很多种，比如频率特性法、根轨迹法等。的方法有很多种，比如频率特性法、根轨迹法等。 572选择采样周期选择采样周期T n香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率。香农采样定理给出了从采样信号恢复连续信号的最低采样频率。 n在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器在计算机控制系统中，完成信号恢复功能一般由零阶保持器H(s)来实现。零阶保持器的传递函数为来实现。零阶保持器的传递函数为 sesHsT1)(22()1 112( )(1)2TsTssTsTeTH sTsTess 从上式可以看出，零阶保

46、持器将对控制信号产生从上式可以看出，零阶保持器将对控制信号产生附加相移附加相移(滞后滞后)。对于小的采样周期，可把零阶保持器。对于小的采样周期，可把零阶保持器H(s)近似为：近似为：222sin22sin)(1)(TTTTeTTTjeeejejHjjjjTj2T2T2T2T2258 假定假定相位裕量相位裕量（phase margin）可减少可减少515，则采，则采样周期应选为：样周期应选为： 其中其中C是连续控制系统的是连续控制系统的剪切频率剪切频率（cut frequency）。 按上式的经验法选择的采样周期相当短。因此，采用连续按上式的经验法选择的采样周期相当短。因此，采用连续化设计方法，

47、用数字控制器去近似连续控制器，要有相当短的化设计方法，用数字控制器去近似连续控制器，要有相当短的采样周期。采样周期。22)21 (2)(111)(TssTTeTsTssTsTsesH593将将D(s)离散化为离散化为D(z) (1)(1)双线性变换法双线性变换法( (bilinear transformation) ) (2)(2)前向差分法前向差分法( (forward difference) )(3)(3)后向差分法后向差分法( (backward difference) ) 60(1)双线性变换法双线性变换法 (bilinear transformation) 塔斯廷（塔斯廷（Tusti

48、n )近似法近似法 112)()(zzTssDzDs与与z之间互为线性变换之间互为线性变换2121212122sTsTsTsTeeezsTsTsT112zzTs61双线性变换也可从数值积分的梯形法对应得到。设积分控制规律为双线性变换也可从数值积分的梯形法对应得到。设积分控制规律为 两边求拉氏变换后可推导得出控制器为两边求拉氏变换后可推导得出控制器为 当用梯形法求积分运算可得算式如下当用梯形法求积分运算可得算式如下 上式两边求上式两边求Z Z变换后可推导得出数字控制器为变换后可推导得出数字控制器为 tdttetu0)()(ssEsUsD1)()()() 1()(2) 1()(kekeTkuku1

49、12)(1121)()()(zzTssDzzTzEzUzD62(2)前向差分法前向差分法 (forward difference)n利用级数展开可将z=esT写成以下形式 z=esT=1+sT+1+sT n由上式可得 Tzs1TzssDzD1)()(63前向差分法也可由数值微分中得到。设微分控制规律为前向差分法也可由数值微分中得到。设微分控制规律为dttdetu)()(两边求拉氏变换后可推导出控制器为采用前向差分近似可得上式两边求Z变换后可推导出数字控制器为ssEsUsD)()()(Tkekeku)() 1()(TzssDTzzEzUzD1)(1)()()(64(3)后向差分法后向差分法 (b

50、ackward difference) 利用级数展开还可将z=esT写成以下形式 111sTsTzeesTTzzs1TzzssDzD1)()( 65 双线性变换的优点在于，它把左半双线性变换的优点在于，它把左半S S平平面转换到单位圆内。如果使用双线性变换，面转换到单位圆内。如果使用双线性变换，一个稳定的连续控制系统在变换之后仍将是一个稳定的连续控制系统在变换之后仍将是稳定的，可是使用前向差分法，就可能把它稳定的，可是使用前向差分法，就可能把它变换为一个不稳定的离散控制系统。变换为一个不稳定的离散控制系统。 664设计由计算机实现的控制算法设计由计算机实现的控制算法 数字控制器数字控制器D(z

51、)的一般形式为下式，其中的一般形式为下式，其中nm,各系数各系数ai, bi为实数，且有为实数，且有n个极点和个极点和m个零点。个零点。上式用时域表示为上式用时域表示为nnmmzazazbzbbzEzUzD111101)()()(1212101( )() ( )() ( )nnmmU za za za zU zbb zb zE z 1201( )(1)(2)()( )(1)()nmu kau ka u ka u knb e kbe kb e km D(z) 的控制算法的控制算法675校验校验 控制器控制器D(z)设计完并求出控制算法后，须按下图所示的设计完并求出控制算法后，须按下图所示的计算机

52、控制系统检验其闭环特性是否符合设计要求，这一步计算机控制系统检验其闭环特性是否符合设计要求，这一步可由计算机控制系统的数字仿真计算来验证，如果满足设计可由计算机控制系统的数字仿真计算来验证，如果满足设计要求设计结束，否则应修改设计。要求设计结束，否则应修改设计。 68694.1.2 数字数字PID控制器的设计控制器的设计 n 根据偏差的比例根据偏差的比例(P)、积分、积分(I)、微分、微分(D)进行进行控制控制(简称简称PID控制控制)，是控制系统中应用最为广泛，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。的一种控制规律。 n 优点：优点： 原理简单原理简单 通用性强通用性强70 1模拟模拟PID

53、调节器调节器对应的模拟对应的模拟PID调节器的传递函数为调节器的传递函数为 PID控制规律为控制规律为 其中其中KP为比例增益，为比例增益，KP与比例度与比例度成倒数关系即成倒数关系即KP=1/， TI为积分时间常数，为积分时间常数，TD为微分时间常数，为微分时间常数，u(t)为控制量，为控制量，e(t)为为偏差。偏差。 tDIPdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()()11 ()()()(sTsTKsEsUsDDIP 71u r e y Kp Ki/S Kd S G(S) 7273 比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，KP的加大，会引起系统的不稳定；

54、 积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡； 微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 742数字数字PID控制器控制器 当采样周期相当短时，用当采样周期相当短时，用求和代替积求和代替积分分、用、用后向差分代替微分后向差分代替微分，使模拟，使模拟PID离散离散化变为差分方程。化变为差分方程。 (1)数字数字PID位置型控制算式位置型控制算式 (positional arith

55、metic formula) (2)数字数字PID增量型控制算式增量型控制算式 (incremental arithmetic formula) 75(1)数字数字PID位置型控制算式位置型控制算式 0( )(1)( )( )( )kPDiITe ke ku kKe ke iTTTT1)e(ke(k)dtde(t)kitiTedtte00)()(tDIPdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()( 将模拟将模拟PID控制规律变换成差分方程，可做如下近似：控制规律变换成差分方程，可做如下近似：76 因为模拟仪表调节器的调节动作是连续的，任何瞬间的控制量输出都对应于执行机构的具体位置。即u

56、(k)对应于阀的具体开度大小。所以该算式称为位置型算式。 数字PID控制器输出通常将输出量送给D/A转换器。然后，D/A转换器作如下内容： 1.保存u(k) 2.数字量转化为模拟量 3.作用于执行机构但是，位置型算式具有如下缺点：1.累加偏差 2.占用大量内存 3.编程不方便0( )(1)( )( )( )kPDiITe ke ku kKe ke iTTT7710(1)(1)( ) (1)(2)kDPiITTu kKe ke ie ke kTT根据位置型算式：根据位置型算式：可以写出第可以写出第(k-1)时刻的控制量时刻的控制量u(k-1)用用u(k)-u(k-1)可以得到二者的可以得到二者的

57、增量增量( )( )(1)( ) ( )2 (1)(2)DPITTu kKe ke ke ke ke ke kTT(2)数字数字PID增量型控制算式增量型控制算式 0( )(1)( )( )( )kPDiITe ke ku kKe ke iTTT ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)DPPPITTKe ke kKe kKe ke ke kTT比例增益比例增益积分增益积分增益KI微分增益微分增益KD783、数字、数字PID控制算法实现方式比较控制算法实现方式比较 在控制系统中：在控制系统中： 如执行机构采用如执行机构采用调节阀调节阀，则控制量对应阀门的，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机

58、构的位置，此时控制器应采用数开度，表征了执行机构的位置，此时控制器应采用数字字PID位置型位置型控制算法；控制算法； 如执行机构采用如执行机构采用步进电机步进电机，每个采样周期，控，每个采样周期，控制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此制器输出的控制量，是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字时控制器应采用数字PID增量型增量型控制算法。控制算法。 794数字数字PID控制算式流程控制算式流程 012012( )( )(1)(2)2(1)(1)DDPPIDPu kq e kq e kq e kTTTqKqKTTTTqKT 为编程方便，可将增量式算法整理成如下形式为编程方便，可将增

59、量式算法整理成如下形式：( )( )(1)( )( )2 (1)(2)PIDu kKe ke kK e kKe ke ke k80离线计算离线计算q0,q1,q2置置e(k-1)=e(k-2)=0将将A/D结果赋给结果赋给y(k)求求e(k)=r(k)-y(k)计算控制增量计算控制增量u(k)将将u(k)输出给输出给D/Ae(k-2)=e(k-1)e(k-1)=e(k)采样时刻到采样时刻到否否？A/DD/A被被控控对对象象NY增量式增量式算法流程算法流程8112( )1sD ss 分别用双线性变换法、前向差分法分别用双线性变换法、前向差分法和后向差分法求出对应的和后向差分法求出对应的，已知：,

60、 T=1秒 ( )D z82已知某连续控制器的传递函数已知某连续控制器的传递函数sssD085. 017. 01)(欲用数字欲用数字PID算法实现之，试分别写出其相应算法实现之，试分别写出其相应的位置型和增量型的位置型和增量型PID算法输出表达式。设采算法输出表达式。设采样周期样周期T=0.2s。83已知，已知，；T=1s 。要求：。要求：（1）分别写出）分别写出D1(s)、D2(s)相对应的增量型相对应的增量型PID算法的输出表达式。算法的输出表达式。（2）计算）计算D1(s)及及D2(s)时时KP、KI和和KD的值是的值是多少？多少？ sssD05. 015. 01)(1sSD218)(2