计算机控制 (7)课件

第二章过程通道2.1过程参数采样原理2.2模拟量输入通道2.3D/A、A/D转换技术2.4模拟量输出通道2.1过程参数采样原理2.1.1采样过程与数学描述2.1.2采样定理2.1.3采样周期选择2.1.4多路采样装置X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)采样开关(b)连续信号(c)开关函数2.1.1采样过程与数学描述X*(t)kT05T3TT7T1调制器X(t)X*(t)P(t)(d)采样信号(e)采样过程x*(t)=p(t)x(t)τ0＜＜T因，所以分析时可近似认为τ0为0，以单位脉冲函数δ(t)代替p(t)。理论表达形式：δ(t)＝{0∞

t=0t≠0工程表达形式：δ(t)＝{01

t=0t≠0单位脉冲序列：δT(t)kT0数学表达式：单位脉冲函数定义：采样过程数学描述:考虑物理上可实现，又可近似为：可见，x*(t)具有离散信号的特性。2.1.2采样定理对于角频率范围为（）的连续信号进行采样，当采样频率时，采样器的输出信号x*(t)就能充分表征原始的连续信号x(t)，换言之，为使采样信号的频谱能无失真地恢复原来的连续信号的频谱，采样周期T必须小于输入信号变化最小周期的1/2，即：由于被控对象一般具有低通滤波特性，因而x(t)的带宽是有限的，其的振幅谱图如下：（1）（2）2.1.3采样周期选择影响采样周期选择的因素：（1）加于生产过程的扰动程度；（2）被控过程的动态特性；（3）使用的控制方式和执行机构的类型；（4）被控过程所要求的控制品质指标。采样周期选取的一般原则：（1）系统受扰动情况。若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些；。对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应选小些；（2）被控系统动态特性。滞后时间大的系统，采样周期T应选大些；。对于快速系统，采样周期T应选小些；（3）控制品质指标要求。若超调量为主要指标，采样周期T应选大些；。若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小些；被控参数采样周期T(S)主汽压力、汽包压力、炉膛负压、凝汽器真空、汽包水位、汽机转速

1流量、主汽温度、一般压力真空和电气参量3～5一般液位6～8一般温度15～30成分：15－60采样周期参考值2.1.4多路采样装置为什么采用多路采样装置？1、多路采样器结构组成（1）采样控制器（2）采样驱动器（3）采样开关列驱动器采样控制器行驱动器A/DI/O计算机I/O采样开关矩阵现场信号K（1）导通电阻Ron应尽量小，开路电阻Roff尽量大；（2）开关切换时间短、迟延小，稳定时间短；（3）能正确处理微弱电压电流信号；（4）输入/输出之间线性度、稳定度好；（5）工作寿命长。2、采样开关技术要求3、典型采样开关介绍1）继电器式采样开关类型：。干簧继电器。湿簧（水银）继电器采样速度：干簧继电器100点/ST=10ms湿簧（水银）继电器200点/ST=5ms＋－UNS氮气簧片镀金触点激磁线圈玻璃管干簧继电器开关：干簧优点：开路电阻>1000M、闭合电阻<50m受环境温度影响小。缺点：开闭抖动现象，速度低，吸合不放现象，寿命短。结构：飞渡电容V1VnC1CnRLRc浮地现场模入量至A/D由于放大器输入阻抗很高，所以飞电容上的信号衰减可忽略不计。2）飞渡电容继电器特点：。现场（变送器、传感器）与主系统隔离，抗共模干扰能力强；。信号源内阻与飞电容起到低通滤波作用，对常规噪声有较强抑制作用；。结点结构复杂，价格高，速度低。07I/OI/OI/OCBACD4051VccVEEVssOUT/ININH双向8取1交直流开关03I/OI/OI/OBACD4052VccVEEVssOUT/IN(A)INHI/O03ABOUT/IN(B)双4取1双向交直流开关3）集成电路模拟电子开关07CBAAD7501VccVDDOUTEN6VSSA7A6A0单向8取1直流开关015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3单向16取1直流开关性能型号Ron()Roff(M)漏电流Is(nA)路数AD7501170~3000.2~28AD7502170~3000.2~2双4AD75064000.0516CD4051270双向MC1150L500100158MX53C500250310几种典型模拟开关电气性能ViVoutRC网络变压器采样器信号转换隔离Vi（1）（2）S1S2S3P3P1P2VoutP1P2P3Vout4）变压器采样开关变压器采样开关特点：（1）每路输入均采用变压器隔离，抗共模干扰能力强；（2）开关速度快；（3）结构复杂，价格高。5)采样保持器适用于一些变化较频繁信号的检测，主要作用有以下：（1）保持模拟量信号在采样A/D期间不变；（2）减少D/A输出脉冲特性，保证控制信号输出的连续性；（3）通过一路D/A输出，把信号分配到多路输出，实现多路同步动作；（4）实现多路D/A的同步动作。原理组成、保持电容CH、输入输出缓冲器、输入开关及控制电路inputCHA1A2快速充电回路高阻抗运放CH电能损耗小（1）32路模入扩展015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A30～15路模入16～31路模入A3A2A4A1A000－0FH10－1FH4、应用举例015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3A3A2A4A1A0015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3DCBAA500－0FH10－1FH20－2FH30－3FH注：考虑全译码时应将A7,A6加入（2）64路模入扩展2.2模拟量输入通道2.2.1一般组成2.2.2设计中需考虑的问题生产过程检测传感器信号处理信号处理信号处理多路采样电路K采样保持A/DI/O接口计算机采样控制器（1）信号处理（小信号放大、滤波、衰减、阻抗匹配、电平转换、非线性补偿、V/I转换等）；（2）多路采样电路；（3）微弱信号放大器K；（4）采样保持器；（5）A/D转换器（6）I/O接口。2.2.1一般组成（1）电平统一、信号匹配（一般统一为mA、mv、v）；（2）采用可编程放大器，对于不同幅度的信号，在线调整增益；（3）抗干扰措施：隔离、屏蔽接地、浮置、电源逆变；（4）采样保持：对于快变信号，需考虑采用采样保持或有效值转换器。2.2.2设计中需考虑的问题2.3.1D/A转换2.3.2A/D转换2.3.3A/D、D/A主要技术指标2.3.4典型芯片介绍2.3D/A、A/D转换技术2.3.1D/A转换组成：基准源、模拟二进制开关、精密电阻网络、运算放大器1、权电阻D/A网络（4位权电阻网络）EK0＋－a323a222a121a020K1K2K323R22R21R20RII/2I/4I/8URf（1）设输入二进制数字量为4位网络：D4=a020+a121+a222+a323=n位网络：Dn=a020+a121+…+an-12n-1=设基准电流I=E/R（2）输出电流4位网络n位网络结论：随着网络输入二进制数字量的增加，网络输出电流也随之增加。（3）输出电压4位网络n位网络各位权电阻值不相同，离散性较大，转换位数增多时，易产生一致性误差。（4）存在问题2、R-2R电流相加型D/A网络R＋－a323a222a121a020K1K0K2K3U2RR2RR2RR2R2RE2III/2I/4I/8I/8（1）设输入二进制数字量为4位网络：D4=a020+a121+a222+a323=n位网络：Dn=a020+a121+…+an-12n-1=设基准电流I=E/2R（2）输出电流4位网络n位网络（3）输出电压4位网络n位网络K0-K3全部闭合时，K0-K3全部闭合时，误差分析：D/A位数越多量化误差越小，I误差：I/2n-1、U误差：E/2n常用方式：计数比较式－结构简单，价格便宜，速度慢，较少采用。逐次逼近式－精度速度较理想，适合一般模入使用，16位以下A/D采用普遍。双斜率积分式－精度高，结构复杂，适用精度要求较高场合。2.3.2A/D转换1、逐次逼近式（1）结构组成:＋－D/A网络SAR移位寄存器时序控制逻辑VfVxD7D6D0启动结束E0VxVft1000010001100111、逐次逼近寄存器SAR、D/A网络、比较器、时序控制逻辑（2）转换原理（3）特点1）精度高，速度快（10位A/D可达微秒级）2）抗干扰能力不够强，信号变化较大时，会产生线性误差。（1）结构组成0TTATBtABVcxVCAVCB固定积分时间放电时间基准源E与Vx极性相反＋－＋－控制逻辑计数器EVxC积分电路比较器时钟启动结束KVcx(2)转换原理2、双斜率积分式、消除干扰及噪声能力强，精度高；、转换速度慢；、适用场合：信号慢变，采样频率要求较低，精度要求较高，干扰严重的情况。（3）特点2.3.3A/D、D/A主要技术指标1、A/D主要指标（1）分辨率：一般以A/D的位数表示；（2）量程：即测量范围；（3）精度：结果相对实际值得准确度；（4）转换时间：从A/D启动至输出二进制数据；（5）输出电平：多为与TTL、CMOS电平兼容；（6）工作温度：－40－＋85℃；（7）基准源：要求外部提供精密基准电压；（8）输出编码：二进制原码、补码、BCD码。（1）分辨率；（2）稳定时间：从输入二进制数据到输出稳定电信号；（3）输出电特性：电流型（mA）、电压型（V）；（4）输入编码：二进制原码、补码、BCD码、反码。2、D/A主要指标2.3.4典型芯片介绍1、ADC0809转换原理：逐次逼近式技术指标：CLK:0-640kHz，一般为500kHz精度：±1LSB功耗：15mw量程：－5V～＋5V+_IN7IN6IN08路模拟开关地址译码锁存CBAALEVccGNDVREF(+)VREF(-)OESTARTCLKEOCD7D6D0时序与控制逻辑SA