计算机控制技术教案(第二章)

1、计算机控制技术教案计算机控制技术教案 计算机控制技术教案计算机控制技术教案计算机控制技术教案计算机控制技术教案y(t) 控制规律D(Z)D/A被控对象反馈装置A/Du(t)u*(t)b(t)b*(t)r (nT)A/D ：模数转换器，将模拟信号转换为数字信号D/A ：数模转换器，将数字信号转换为模拟信号b*(t) : 对模拟信号b(t)进行采样所得到的数字信号u*(t) : 计算机控制输出的数字信号被连续化为u(t) 计算机控制技术教案计算机控制技术教案怎样获得和控制外界温度？计算机怎样测量交流电压？计算机怎样知道你按下的是哪一个控制按钮？计算机怎样控制电机的启动和停止？计算机怎样控制电机转速

2、？计算机控制技术教案计算机控制技术教案 接口就是计算机与外部设备之间交换信息的桥梁。过程通道 计算机与生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（物理上连接） （数字量）（数字量/模拟量）数字量数字量过程通道输入通道输出通道数字量输入通道模拟量输入通道数字量输出通道模拟量输出通道计算机控制技术教案计算机控制技术教案数字量（开关量） 0、1两个数来表示某信号的两种状态，如开关的开合，指示灯亮灭，继电器、接触器的吸合与释放等。模拟量 连续信号，信号是时间的连续函数。如温度量，湿度，电压，电流，压力等。tA计算机控制技术教案计算机控制技术教案 （1）通道结构 主要有输入缓冲器、输入调理电路和地址译

3、码电路等 输入输入缓缓冲器冲器输入输入调理调理电路电路地址译码器地址译码器PC总线来自生产过程计算机控制技术教案计算机控制技术教案输入缓冲器输入缓冲器 将调理好的数字逻辑信号暂存起来信号调理信号调理 将现场输入的开关量状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号的过程叫信号调理。输入调理电路输入调理电路1. 小功率输入调理电路2. 大功率输入调理电路计算机控制技术教案计算机控制技术教案小功率输入调理电路+5VK+5V采用积分电路（小功率）采用积分电路（小功率）采用采用R-SR-S触发器（小功率）触发器（小功率）计算机控制技术教案计算机控制技术教案（4）接 口 硬 件 通

4、 常 采 用 三 态 门 缓 冲 器74LS244，获取数字量信息。读数程序 MOV DX， Port IN AL， DX Port 是系统分配给该输入通道的地址值。计算机控制技术教案计算机控制技术教案（5）地址译码器 选通缓冲器，读入数字量译码器地址线片选练习：请设计电机启停按钮输入电路?计算机控制技术教案计算机控制技术教案（6）大功率输入调理电路计算机控制技术教案计算机控制技术教案 通道结构：由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路输出输出锁锁存器存器输出输出驱动器驱动器地址译码器地址译码器PC总线来自生产过程计算机控制技术教案计算机控制技术教案输出锁存器输出锁存器 8位输出锁存器7

5、4LS273（常用）输出驱动电路输出驱动电路 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达林顿阵列输出驱动继电器电路大功率输出驱动电路大功率输出驱动电路固态继电器SSR大功率交流驱动电路计算机控制技术教案计算机控制技术教案小功率直流驱动电路功率晶体管J+24V 功率晶体管输出驱动继电器MC1416驱动7个继电器练习：请设计电机启停控制输出电路？计算机控制技术教案计算机控制技术教案大功率驱动电路 1）直流SSR 2）交流SSR SSR采用光电耦合技术进行隔离。 输入电流小，输出无触点，体积小，重量轻，无机械噪声，无抖动，开关速度快，工作可靠等优点。计算机控制技术教案计算机控

6、制技术教案计算机控制技术教案计算机控制技术教案课堂讨论题系统名称：自助银行门禁系统要求：能采用两种方式开关门； 能自动记录自动门开关次数； 请设计开关门控制系统结构计算机控制技术教案计算机控制技术教案 完整的模拟量输入通道结构图生产过程传感器变送器多路开关I/V放大器采样保持器A/D接口电路PC总线计算机控制技术教案计算机控制技术教案1)1)传感器传感器 用于将被测物理信号转化为电信号的器件。常用传感器举例常用传感器举例：温度测量：热电阻（0 200 度）热电偶（200 1500 度）压力测量：弹簧位移、压敏器件流量测量：压力差原理位移测量：电位器、光栅 速度测量：电磁感应 计算机控制技术教案

7、计算机控制技术教案2)变送器变送器 用于将传感器信号进行初步处理。包括： a. 信号滤波：实现一个低通滤波器，滤除常见高频干扰 b. 小信号放大：小信号易受干扰，不易传输，要进行放大。 c. I与V变换：将电压、电流、电阻信号统一变换为规定标准信号，以利于传输使用。 常见标准： 计算机接口标准：范围05v 型仪表标准： 范围010mA 型仪表标准： 范围420mA d.非线性补偿：对实际物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操作，使其成为线性关系，这部分工作亦可由计算机软件完成。 计算机控制技术教案计算机控制技术教案3)3)多路开关多路开关 用于分时选择某一路信号通过进行后续处理。 1.功

8、能：可用作多对一多路选择器或一对多多路分配器。模拟多路开关一般均是双向的。 2.原理：采用输入地址译码，用译码信号控制开关，任一时刻至多只有一个开关闭合。译码输出输出/入入地址地址输入输入/出出计算机控制技术教案计算机控制技术教案 多路开关有机械式和电子式两类： (1) 机械式一般用干簧继电器实现：通过外部线圈产生磁场，使之吸合或断开。其特点是结构简单，导通电阻小，断路电阻大，但速度慢，工作频率低。 (2) 电子式一般用MOS场效应三级管实现。特点是速度快，工作频率高，缺点是开、闭时都有一定的电阻。而普通的硅三级管导通有压降，不适用。MOS管导通只有较小的电阻。信号信号信号信号控制计算机控制技

9、术教案计算机控制技术教案 CMOS4000系列中的 CD 4051 8选一 CD 4052 4选一*2 CD 4053 2选一*3以CD4051为例，是一个16pin封装双列直插式芯片管脚包括：电源脚3个模拟信号线9个地线3个使能端1个INH使用中Uss、Uee可共地，Udd工作电压在315V，INH接片选1 8 16 9 in4in6outin7in5INHuEEuSSin2uDDin1in0in3BAC地址计算机控制技术教案计算机控制技术教案4)I/V放大器用于改善电路特性，主要是加大输入阻抗，增加驱动能力，亦用于无变送器时的小信号放大。用于改善电路特性时，放大倍数为1。无源I/V变换25

10、010021RR50010021RRI=010mA V=05V I=420mA V=15V计算机控制技术教案计算机控制技术教案有源I/V变换343431RRVVRVRRV放大系数A=?I1R2R3R4RVVIRRRVRRV13434)1 ()1 (虚短路虚断路虚短路虚断路（1 1）线性放）线性放大区；（大区；（2 2）负反馈状态。）负反馈状态。计算机控制技术教案计算机控制技术教案5)A/D5)A/D转换器转换器 模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。数字量模拟量A/DA/DA/D转换器原理转换器原理 逐次逼近式转换器原理双斜积分式转换原理电压频率（V/F）原理计算机控制技术教案计算机控制技术教

11、案逐次逼近式转换原理逐次逼近式转换原理 +-模拟输入电压DAC输出DAC逐次逼近寄存器SAR时钟比较器1423B4B3B2B1DAC满量程输出1010101010转换开始转换结束转换结果t t04/168/1612/16模拟输入精度高，速度快、抗干扰性能相对较差常用的有8位ADC0809，12位AD574计算机控制技术教案计算机控制技术教案采样采样采样是按一定时间间隔重复进行的，这个时间间隔称为：采样周期，用T表示。计算机控制系统以数字系统控制模拟对象，其特征是采样,故又称其为：采样控制系统将 A/D 转换过程用每隔采样周期 T 瞬间闭合一次的理想开关来等效：采样开关。)(*te)(teT计算

12、机控制技术教案计算机控制技术教案采样数学模型采样数学模型e(t)t理想的单位脉冲序列理想的单位脉冲序列T T：采样周期，：采样周期，n n：整数：整数)(tTnTnTtt)()(0t5T)(tT计算机控制技术教案计算机控制技术教案采样过程可以看成是脉冲调制过程采样过程可以看成是脉冲调制过程, ,模拟信号模拟信号e(t)e(t)采样后：采样后：nnTnTtnTenTttettete)()()()()()()(*t0e*(t)0e(t)t0t5T)(tT计算机控制技术教案计算机控制技术教案采样特性采样特性连续信号采样后，采样间隔内的信号信息丢失，存在失真;采样周期 T 小，采样频率 Ws 高，则有

13、利于减少失真;连续信号本身变化慢，即其最高频率分量 Wmax 低，则允许较慢的采样频率;问题：Ws 和 Wmax 间怎样的关系可以满足要求？香农香农(Shannon)(Shannon)定理：定理： 如果随时间变化的模拟信号的最高频率为max，只要按照采样频率 s 2max 进行采样，那么取出的样品系列 (f1*(t)，f2*(t)，) 就足以代表(或恢复)f(t)。 实际当中，常取Ws(5-10)Wmax 。计算机控制技术教案计算机控制技术教案量化 将采样信号的幅值一组数码（如二进制码）来逼近，量化执行者就是A/D转换器。 量化单位也就是数字量最低能表示的模拟量的值，也就是最小能分辨率的值。

14、假设采样信号幅值变化范围为YminYmax ，A/D 字长为n，数字量范围 0 ， 量化单位 如果现在幅值为y，则A/D转换后数字量为存在的误差称为量化误差 12 n12 nmixmanyyqBqyq21计算机控制技术教案计算机控制技术教案A/DA/D转换器主要技术指标转换器主要技术指标转换时间由模拟量到数字量转换所需时间，反应A/D的速度；分辩率通常用转换后的数子量的位数表示，最小能分辩出满量程的1/(2n-1)的增量值；线性误差转换都是基于线性系统得到的数子量，但实际并非如此，在满量程输入范围内，偏离理想转换值的最大误差定义为线性误差；量程输入电压范围，一般-5+5V，05V，010V等；

15、基准电源的精度要求，使用精密电源。 计算机控制技术教案计算机控制技术教案MCS-51系列单片机和ADC0809的接口计算机控制技术教案计算机控制技术教案计算机控制技术教案计算机控制技术教案6)6)采样保持器采样保持器用于在A/D转换期间保持输入电平,常用采样保持器：LF398，AD582等。 1. 孔径误差：由于A/D转换时间内输入信号变化而引起的误差2. 保持器工作原理：a. 控制信号有效，K闭合，CH充电至模拟输入IN的电平。b. 控制信号撤消，K断开，CH保持的电平经运放由模拟输出 OUT端送出。闭合时充电快（R小），断开时运放内阻大，无或少漏流。因为充电采样时间远小于A/D转换时间，所

16、以减少了孔径误差。K+_CHOUT控制信号RIN计算机控制技术教案计算机控制技术教案传感器输入通道接口计算机控制技术教案计算机控制技术教案模拟量输出通道结构型式模拟量输出通道结构型式根据输出信号方式，可以有两种基本结构根据输出信号方式，可以有两种基本结构型式：型式： 一个通道设置一个一个通道设置一个D/AD/A转换器转换器 ( (一对一一对一) ) 多一个通道共用一个多一个通道共用一个D/AD/A转换器转换器 ( (多对一多对一) ) 模拟信号PC总线接口D/AV/I和自动/手动切换计算机控制技术教案计算机控制技术教案一对一模拟量输出通道组成模拟PC选通信号缓冲寄存器缓冲高存器输出寄存器D/A

17、V/I和自/手动切换输出寄存器D/AV/I和自/手动切换计算机控制技术教案计算机控制技术教案多对一模拟量输出通道组成模拟PC选通信号接口D/AV/I和自/手动切换V/I和自/手动切换多路开关采样保持采样保持计算机控制技术教案计算机控制技术教案数模转换（D/A）：将数字量转换成模拟量的过程n位D/A转换器（T型电阻网络：由T型电阻解码网络，参考电压UR，n位切换开关Si，电阻网络，运算放大器等构成）ADD/A计算机控制技术教案计算机控制技术教案T型电阻网络D/A转换 UR R S1 S2 S3 R A1 d1 d2 d3 (MSB) 2RI8RI4RI2RI2R 2R 2R 4RIUo R dn

18、-1 dn (LSB) 1R2nInI2RnI2R1R2nI2R 2R 2R Io Sn-1 Sn R1 A2 A3 An-1 An 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 - + + N 计算机控制技术教案计算机控制技术教案假设4位D/A转换，则)2222(16)2222(16)2222(161814121168420011223311000011223340312213012301230DDDDRURRIUDDDDRUDDDDRURUDRUDRUDRUDIDIDIDIDIRRRRRRRRRRR上式中D不是0就是1，0表示切换开关与参考电压UR接通，该位有电流输入。当为n位二进制输入时，则)

19、22.22(20001122111DDDDRURUnnnnnRRUIIRRR22RUR计算机控制技术教案计算机控制技术教案当输入数字全为零时：当输入数字全为1时，即满刻度输出为最低有效位LSB为00U) 12(21max0nnRRURURURUnRLSB210由此可见，D/A转换器是提供电流的器件，所以在D/A的输出加运算放大器才能转换成模拟电压信号。 D/A的输出电压不仅与二进制码有关，而且与运算放大器的反馈电阻R1 ，基准电压UREF有关。计算机控制技术教案计算机控制技术教案D/A转换器主要参数 分辨率：与A/D相同 精度：实际值与理论值的误差 稳定时间：输入为满刻度值时，其输出达到稳定所

20、需的时间。 输入编码：二进制，BCD码等。 计算机控制技术教案计算机控制技术教案8位D/A转换器DAC0832 引脚说明：D0D7：数据线CS：片选Xfer：传输片选ILE：数据输入允许WR1/WR2：写信号Iout1/Iout2:电流互补输出。即：Iout1 + Iout2=常数Rfb ：反馈电阻VREF/AGND：基准源，模拟地VCC/GND：逻辑电源电流输出反馈电阻标准源写信号Iout1Iout2RfbVrefVGNDWR1WR2数据XferD0D7CSILE传输片选片选输入允许计算机控制技术教案计算机控制技术教案D7D6D0D1D2D3D4D58位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转

21、换电路RfVREFIout2Iout1RfILECSWR1WR2XFERDAC0832AGNDVCCDGNDLE1LE2M1M3M2DAC0832内部结构计算机控制技术教案计算机控制技术教案单极性与双极性电压输出电路 单极性电压输出电路R3RfbIout1Iout2AGNDVout1C2R2R1C1-12VnREFouTDVV21计算机控制技术教案计算机控制技术教案双极性电压输出电路i1i2Vout2i=0R3=2RR2=RR1=2RVout1VREFu=0) 12()2()(112321311212nREFREFouTREFouTouTouTREFouTDVVVRVRVRVRVRVRV计算机

22、控制技术教案计算机控制技术教案-+OAVout.P0P2.7WR8051D7D0DAC0832+5VVCCILEVREFRfIout1Iout2AGNDDGNDCSXFERWR1WR2DAC0832应用电路计算机控制技术教案计算机控制技术教案作业：模拟量输出通道设计要求： 8通道模拟量输出 D/A选用DAC0832多路开关CD4051 计算机控制技术教案计算机控制技术教案 干扰造成计算机的设备不能正常工作的破坏因素干扰源产生干扰的源泉 内干扰由系统结构，制造工艺等决定外部干扰主要是来自空间电或磁的影响，还有环境温度、湿度等电网噪声电网中大功率设备感性负载的启动等产生分布电容，电感引起的耦合感应电磁辐射感应长线传输的波反射多点接地引起电位差热噪声计算机控制技术教案计算机控制技术教案干扰的分类 不论什么样的干扰源，对计算机的干扰总是通过传导和直接辐射两种途径进入计算机控制系统的，其耦合的方式有静电耦合、互感耦合、共阻抗耦合、电磁场辐射耦合等。 按干扰的作用方式不同，可以分为常态和共态干扰两种。计算机控制技术教案计算机控制技术教案常态干扰：叠加在被测信号上的干扰噪声，又称为串模干扰。计算机控制技术教案计算机控制技术教案共态干扰：A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压，又称为共模干扰。计算机控制技术教案计算机控制技术教案常用抗干扰措施常用抗干扰措施 硬件措施 ,可抗绝大多数