计算机控制系统 教学课件 作者 李擎 8 过程通道2011PPT文档格式.pptx
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只适用于通道数多且速率要求不高的场合。
工作可靠较差。
计算机控制系统这种方案虽然节省了D/A转换器,但因为分时工作,只适用于通路数多且速度要求不高的场合。
除此以外,它要用多路开关,还要求输出保持器的保持时间与采样时间之比较大,因此可靠性较差。
计算机控制系统2多DA结构(数字保持方案):
转换速度快,工作可靠(故障隔离)。
计算机控制系统这种方案的优点是转换速度快,精度高,工作可靠,即使某一路D/A转换器有故障,也不会影响其他通路的工作。
其缺点是,如果输出通路数量很多,将使用较多的D/A转换器。
但随着大规模集成电路技术的发展,这个缺点正在得到逐步克服,这种方案较易实现。
计算机控制系统8.2.2D/A转换器D/A转换器是把输入的数字量转换为模拟量的器件,是模拟量输出通道的重要组成部分。
根据输出模拟量的形式,D/A转换器分为电压型和电流型两种,对于电流型输出的D/A转换器,可以外接运算放大器将输出电流转换成电压,并提高带负载能力。
常用的D/A转换器的分辨率有8位、10位、12位等,其结构大同小异,通常都带两级缓冲寄存器。
计算机控制系统1、D/A转换器主要性能指标分辨率稳定时间(转换时间)输出电平输入编码其他指标:
线性度、温度系数、相对精度、绝对精度等。
计算机控制系统分辨率计算机控制系统稳定时间(转换时间)系指DA转换器中代码有满度值的变化时,其输出达到稳定(一般稳定到与1/2LSB相当的模拟量范围内)所需的时间。
一般为几十纳秒到几微秒。
计算机控制系统输出电平不同型号的DA转换器的输出电平相差较大,一般为510V;
也有一些高压输出型的为2430V。
还有一些电流输出型,低的为20mA,高的可达3A。
2/25/202020计算机控制系统输入编码如二进制码、BCD码、双极性时的符号-数值码、补码、偏移二进制码等。
必要时可在DA转换前用微处理器进行代码转换。
计算机控制系统2、双极性模拟量输出的实现实时控制系统中被控制的物理量,如温度、压力、流量等,一般经传感器和变送器后转换为单极性的电信号:
010V或420mA。
而工业现场执行装置的控制信号有时要求是双极性的电信号(如5V或10mA)。
这时,控制系统的模拟量输出通道就必须双极性输出。
计算机控制系统用偏移二进制码,实现DA转换器的双极性输出比较容易实现,而且与微型计算机输出兼容,只要把最高位取反,就可以将补码转换成偏移二进制码。
计算机控制系统双极性输出的一般原理如图8-2所示,是在单极性输出(常选用运算放大器为反相电压输出)之后,再加一级运算放大器反相输出。
图8-2双极性模拟量输出计算机控制系统3D/A转换器与微处理器的接口
(1)8位D/A转换器与8位微处理器的接口只需通过一个8位锁存器与8位微处理器的总线连接。
图8-38位D/A与8位微处理器的接口计算机控制系统
(2)12位D/A转换器与8位微处理器的接口如果分两次传送12位数字量,DA转换器的输出就有一个中间量,这是不允许的。
为了消除这个中间量(反映在输出电压上是台阶),必须使DA转换器的所有输入位同时接收信息。
计算机控制系统采用两级锁存器(双缓冲形式)、分成低8位和高4位。
先把低8位送入第一级8位锁存器,然后再把高4位送4位锁存器,同时,把第一级8位锁存器锁存的低8位数据输入至第二级8位锁存器,使12位数据同时出现在AD7521的数据输入线上。
图8-412位D/A转换器与8位微处理器的接口计算机控制系统8.3模拟量输入通道1.信号处理器2.多路转换器(多路开关)3.放大器4.采样保持器5.A/D转换器计算机控制系统模拟量输入通道的任务是,把从控制对象检测得到的模拟信号,变换成二进制数字信号,经接口送入计算机。
2/25/202029计算机控制系统模拟量输入通道一般由信号处理器、多路转换器(多路开关)、放大器、采样保持器(S/H)和AD转换器组成。
图8-7模拟量输入通道的一般组成计算机控制系统8.3.1信号处理根据需要,包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流电压转换等。
计算机控制系统在计算机控制系统中,传感器(如压敏元件、热敏元件、光敏元件等)输出的各种信号在进行A/D转换之前,都应转变成一定的电压或电流信号,如010mA、420mA的直流电流,或05V的直流电压。
这些需要通过信号放大、电平转换、电流/电压转换等电路实现。
计算机控制系统由于工业现场经常存在着多种干扰源,来自现场的模拟信号中常混杂有干扰信号,因此必须进行信号滤波。
用有源滤波器或无源滤波器(如RC电路等)进行信号滤波,可有效滤除信号中的干扰成分。
此外,也可以采用软件滤波,即数字滤波的方法。
计算机控制系统另外,有些检测信号与被测物理量之间会呈现非线性特性。
例如,用热敏元件测量温度,由于热敏元件存在非线性,所得到的温度-电压曲线存在非线性特性。
因此,测得的电压值不能反映温度的线性变化,应作适当处理,使之接近线性化。
在硬件上可采用加负反馈放大器或采用非线性补偿电路的办法达到此目的。
在软件上可以用线性插值等线性化处理程序来解决。
计算机控制系统8.3.2多路转换器多个信号源(如16个)来的数据,如果共用一个模拟量通道输入微型计算机进行处理,就用模拟多路转换器按某种顺序或随机地把输入信号换接到公用放大器或采样保持器。
计算机控制系统为了提高过程参数的测量精度,一般对多路开关也提出了较高的要求。
理想的多路开关其开路电阻为无穷大,其导通时的电阻为零。
此外,还希望它切换速度快,噪声小,寿命长,工作可靠。
在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关,其种类、型号都比较多,有8通道、16通道、甚至32通道的。
常用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501等。
计算机控制系统多路开关CD4051图8-8多路开关CD4051CD4051是8通道多路开关,由逻辑电平转换、二进制译码器和8个开关电路组成。
图中C、B、A是二进制的控制输入端,INH是允许输入端。
计算机控制系统当INH为高电平时,不论从A、B、C端输入何值,8个通道均不通;
当INH为低电平时,允许由A、B、C端输入3位二进制数,在8路通道中选择一路将输入和输出接通。
CD4051允许双向使用,改变图中IN/OUT和OUT/IN的接法,可以实现“多到一”或“一到多”的转换。
当INH为高电平时,禁止输入(高电平禁止)。
计算机控制系统CD4051是计算机控制系统中广泛使用的模拟开关,直流供电电源为VDD=515V,输入电压UIN=0VDD,它所能传送的数字信号电位变化范围为315V,模拟信号峰峰值为15V,当VEE接负电源时,正、负模拟电压均可通过。
计算机控制系统8.3.3放大器把传感器的信号从毫伏电平按比例地放大到典型的AD转换器输入电平。
如果多个信号源来的信号幅值相差悬殊,则可以设计一个可编程序放大器,由计算机控制它的闭环增益。
计算机控制系统当模拟信号传输很长的距离时,信号源和AD转换器之间的地电位差(共模干扰)会给系统带来麻烦(即使传送距离短,有时也会出现这样的问题)。
为此,需采用仪表放大器或隔离放大器。
仪表放大器(单片AD521,AM542等)的特点是:
共模抑制能力强,输入阻抗高,漂移低。
计算机控制系统8.3.4采样保持器当被测信号变化较快,而AD转换都要一定的时间才能完成转换过程。
用S/H对变化的模拟信号进行快速“采样”,并在转换过程中“保持”该信号。
为什么要用S/H?
计算机控制系统完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。
对于随时间变化的模拟信号来说,孔径时间tA/D决定了每个采样时刻的最大转换误差。
如图所示的正弦模拟信号,如果从t0时刻开始进行A/D转换,转换结束时已为t1,模拟信号已发生U的变化。
图8-9孔径时间tA/D计算机控制系统因此,被转换的究竟是哪一时刻的电压就很难确定,此时转换延迟所引起的可能误差是U。
令U=Umsint,则式中,Um为正弦模拟信号的幅值,f为信号频率。
在U与横坐标的交点上取t=tA/D,则得交点处转换的不确定电压误差为计算机控制系统由此可知,对于一定的转换时间tA/D,误差和信号频率成正比。
为了确保A/D转换的精度,不得不限制信号的频率范围。
电压误差为那么,不影响转换精度所允许的信号最高频率:
计算机控制系统例如,一个12位的A/D转换器,孔径时间100s,基准电源为10.24V,量化误差为LSB/2所代表的电压信号,即则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为:
计算机控制系统因此,如果被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的速度来说比较高,为了保证转换精度,就需要在A/D转换之前加上采样保持电路,使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。
为了在满足转换精度的条件下,提高输入模拟信号允许的工作频率,可采用采样保持电路。
计算机控制系统也就是说,在模拟量输入通道中,只有在信号变化频率较高而A/D转换速度又不高,以致孔径误差影响转换精度时,或者要求同时进行多路采样的情况下,才需要设置采样保持电路,对于一些变化缓慢的生产过程(如石油、化工等)可以不设置保持电路。
计算机控制系统S/H的基本组成与原理为了在满足转换精度的条件下提高信号允许的工作频率可采用采样-保持器。
采样-保持器的基本组成电路如图所示,它一般由模拟开关、储能元件(电容)和缓冲放大器组成,其工作原理如下。
当控制信号为高电平(即采样阶段)时,开关S闭合,输入信号通过电阻R向电容C充电。
通常,要求充电时间越短越好,以使电容电压迅速达到输入电压值。
当控制信号为低电平(即保持阶段)时,S断开,AD转换器就根据电容C上的电压进行整量化(希望电容维持稳定电压的时间越长越好)。
控制信号开关电容状态高电平闭合充电采样低电平断开*保持图8-10采样保持器的原理结构图A/D进行量化、编码计算机控制系统选择采样-保持器时,主要应考虑如下因素:
输入信号范围,输入信号变化率和多路转换器的切换速率,采集时间应为多少才不会超过误差要求,等等。
计算机控制系统采样保持器:
LF398常用的集成采样保持器有多种,图10-11是采样一保持器LF398的原理图。
保持电容CH的选择取决于维持时间的长短。
逻辑控制输入端用于控制采样或保持。
逻辑电平基准输入端L.R能使控制信号与各种逻辑电平兼容,L.R接地时,控制电平与TTL兼容。
OFFSET端用于零位调整。
当选用CH0.01F时,信号达0.01精度的获取时间为25s,保持器电压下降率为3mVs,转换时间为100s,保持电压下降约300V。
图8-11LF398的原理图计算机控制系统LF398主要由输入缓冲放大器A1、模拟开关S、保持电容CH和输出缓冲放大器A2组成,如图所示。
A1、A2是运算放大器,都接成了射极跟随器形式,使A2的输入阻抗很大,A1的输出阻抗很低。
计算机控制系统采样状态,由于A1的输出阻抗很小,输入放大器的输出端给电容CH快速充电,Uo输出跟随Ui而变化。
为使电容电压跟随输入电压精确到0.05%之内,采样状态持续时间值应大于78倍RCH值。
当模拟开关S断开时,进入保持状态,由于A2的输入阻抗很大,输入电流很小,CH的放电时间常数非常大。
计算机控制系统这样,CH可以保持开关S断开瞬间输入的电压值,使输出端Uo的电压值保持不变。
由此可见,电容CH对采样保持精度影响很大,应选取漏电阻抗较大的电容,如聚苯乙烯或聚四氟乙烯等材料制作的电容,同时在保证采样速度的前提下,可适当增加CH的电容量。
计算机控制系统为了提高精度(即使其下降速率慢),常需要增加保持电容CH。
但CH增大时又会使其采样时间加长。
为了解决采样速度与电压下降速率之间的矛盾,可以采用如图所示的两组采样-保持电路。
图8-12快速响应、低下降的采样保持电路计算机控制系统8.3.5A/D转换器1A/D转换器性能指标分辨率量程精度转换时间输出逻辑电平对基准电源的要求计算机控制系统分辨率n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。
分辨率通常用数字量的位数来表示。
根据输入模拟信号的动态范围可以选择AD转换器位数:
即计算机控制系统量程是指所能转换的电压范围,如10V,5V,5V等。
量程:
计算机控制系统精度:
(12)LSB转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度,有绝对精度与相对精度两种表示。
绝对精度常用数字量的位数表示,如绝对精度为(1/2)LSB。
相对精度用相对于满量程的百分比表示。
例如,满量程为10V的8位A/D转换器,其绝对精度为1/210/2819.5mV,而相对精度为1/281000.39。
计算机控制系统又如满量程为10V,则10位绝对精度为4.88mV。
若用百分比来表示满量程时的相对误差,则10位相对精度为0.1。
应该注意,精度和分辨率是两个不同的概念。
即使分辨率很高,但由于温度漂移、线性不良等原因,也可以造成精度不是很高。
计算机控制系统2A/D的双极性输入对于只能输入单极性信号的A/D,如ADC0801,利用一个运算放大器,见图,将双极性信号Vx,转换为单极性信号VINVIN=V1=(Vx+VREF)/2=(2nVx/VREF+2n)/2=2n-1(Vx/VREF+1)数字量D正好是双极性信号Vx的偏移二进制码。
图8-13输入信号极性转换计算机控制系统8.4数字量输入输出通道生产过程中的一些开关量、电平信号、脉冲量,以及一些数字传感器等产生的数字信号等,通过数字量输入通道送入计算机。
如果执行机构只要求提供数字量(如开关量、脉冲量或其他形式的数字量),则应采用数字量输出通道。
数字量(开关量)输入输出通道主要由I/O缓冲和I/O电气两部分构成。
图8-17数字量输入输出通道构成计算机控制系统输入缓冲器的作用是对外部输入信号进行缓冲、加强和选通。
输出锁存器将CPU输出的数据或控制信号进行锁存,以便放大驱功执行机构作用于被控对象。
I/O缓冲功能可以用可编程接口电路(如Intel8255A)构成,也可用简单接口电路(如74LS240、244、373等)实现。
I/O缓冲计算机控制系统I/O电气转换部分的功能主要是:
滤波、隔离、功率驱动等。
I/O电气计算机控制系统8.4.1数字量输入调理来自控制装置或生产过程的各种开关量,首先要进行电平转换,将其通断状态转换成相应的高、低电平,同时还要考虑对信号进行滤波、保护、消除触点抖动,以及进行信号隔离等措施,转换成计算机能够接收的逻辑信号,完成这些功能的电路称为信号调理电路。
所采用的一般方法为:
1、用齐纳二极管或压敏电阻将瞬态尖峰嵌位在安全电平上;
2、串联一个二极管来防止反电压输入;
3、用限流电阻和齐纳二极管构成稳压电路作过电压保护;
4、用光电隔离器实现信号完全隔离;
5、用RC滤波器抑制干扰。
计算机控制系统图示的输入信号调理电路,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。
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。
计算机控制系统下图示的输入电路采用了光电隔离器,其输入、输出之间通过光耦合。
当开关S闭合时,发光二极管导通发光,光耦合作用使光敏三极管导通,对应“0”状态输入;
反之,开关S打开,则发光二极管不发光,光敏三极管截止,对应“1”状态输入。
计算机控制系统8.4.2数字量输出调理由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成。
其中输出锁存器用于锁存CPU输出的数据;
光电隔离器是为保证计算机安全、可靠地工作,将CPU与驱动电路的强电及干扰信号隔离;
输出驱动器是用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。
图8-23典型的数字量输出通道结构示意图计算机控制系统8.5信号的标度变换在微型计算机控制系统中,生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲,为进一步进行显示、记录、打印以及报警等操作,必须把这些数字量转换成不同的单位,以便操作人员对生产过程进行监视和管理,这就是所谓的标度变换。
标度变换有许多不同类型,取决于被测参数测量传感器的类型,设计时应根据实际情况选择适当的标度变换类型。
另一个方面,如果传感器和显示器的分辨率一定,而仪表的测量范围很宽时,为了提高测量精度,智能化测量仪表应能自动转换量程。
计算机控制系统8.5.1量程自动转换随着微型机的应用,为了减少硬件设备,现在已经研制出一种可编程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier,PGA)。
它是一种通用性很强的放大器,其放大倍数可根据需要用程序进行控制。
采用这种放大器,可通过程序调节放大倍数,使A/D转换器量程信号达到均一化,因而大大提高测量精度。
这就是所谓的量程自动转换。
可编程增益放大器有两种:
一种是由其他放大器外加一些控制电路组成,称为组合型PGA;
另一种是专门设计的PGA电路,即集成PGA。
2/25/202070计算机控制系统8.5.2线性参数标度转换线性参数标度变换是最常用的标度变换方法,其前提条件是被测参数值与A/D转换结果为线性关系。
线性标度变换的公式为:
式中,-测量仪表量程的下限;
-测量仪表量程的上限;
-实际测量值(工程量);
-仪表下限所对应的数字量;
-仪表上限所对应的数字量;
-测量值所对应的数字量。
2/25/202071计算机控制系统8.5.3非线性参数标度变换必须指出,前面讲的标度变换公式,只适用于线性变化的参量。
如果被测测量为非线性,上述的3个公式不再适用,需要新建立标度变换公式。
一般而言,非线性参数的变化规律各不相同,故标度变换公式亦需要根据各自的具体情况建立。
2/25/202072计算机控制系统8.6数字滤波技术数字滤波的必要性及优点:
与RC滤波器结合使用,可抑制大多数引入过程的干扰。
不需要增加硬设备。
稳定性好,且一种滤波程序可以反复调用使用灵活、方便,便于修改。
计算机控制系统数字滤波的必要性及优点:
(1)与RC滤波器结合使用,可抑制大多数引入过程的干扰
(2)不需要增加硬设备(3)稳定性好,且一种滤波程序可以反复调用(4)使用灵活、方便,便于修改计算机控制系统1.程序判断滤波关键:
正确选择y。
克服偶然的、大幅度的跳码干扰比较两个相邻采样瞬间采样值的大小y,则y(k)=y(k)|y(k)-y(k-1)|y,则y(k)=y(k-1)计算机控制系统2.算术平均值滤波其中算术平均的次数n值决定了信号的平滑度和灵敏度。
适用范围:
对具有周期性干扰噪声的信号比较有效,适用于对流量、压力及沸腾状液面一类信号作平滑处理。
计算机控制系统实现方法:
(1)可以在一个采样瞬间对一个测点多次采样后,计算出其平均值
(2)也可以对多个采样周期的平均采样值作递推滤波使用计算机控制系统3.加权递推平均滤波(滑动平均值滤波)算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数,即1/n。
若要增加新采样值在有效信号中的比重,提高系统对当前所受干扰的灵敏度,实际应用时,可采用加权递推平均滤波,其算式为常数Ci的选取是多种多样的,但应满足计算机控制系统如果是在某采样瞬间对被测参数连续采样3次,选择大小居中的数据作为有效信号中值滤波。
计算机控制系统4.惯性滤波法(一阶滞后滤波)用软件实现RC低通滤波器功能,动态方程为其中=RC,称为滤波时间常数离散化后动态方程(同3.2.2.2)计算机控制系统各种滤波方法的特点与应用
(1)平均值滤波适用于周期性干扰;
(2)中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的脉冲干扰;
(3)惯性滤波适用于高频干扰。
计算机控制系统1.计算机和过程通道交换信息有哪些方式,是如何实现的?
2.计算机控制系统的组成中为什么需要有开关量的输入输出通道?
3.请分别画出D/A转换器的单极性和双极性电压输出电路,并分别推导出输出电压与输入数字量之间的关系式(其数字量编码方式自定)。
4.选择D/A转换器的原则有哪些?
5.某执行机构的输入变化范围为420mA,灵敏度为0.05mA,应选D/A转换器的字长为多少位?
2/25/202082第8章作业与思考题计算机控制系统8.6已知8位D/A转换器的参考电压VREF为-5v,当输入数据为80H时,理论上的输出电压为多少伏?
7.12位D/A转换器DAC1210能否与8位字长的CPU连接?
为什么?
8.设有模拟信号05V和02.5V,分别用8位、10位和12位A/D转换器,试计算并列出各自的量化单位和量化误差。
9.某炉温度变化范围为01500,要求分辨率为3,温度变送器输出范围为05V。
若A/D转换器的输入范围也为05V,则求A/D转换器的字长应为多少位?
若不变,现在通过变送器零点迁移而将信号零点迁移到600度,此时系统对炉温度的分辨率为多少?
832/25/2020计算机控制系统8.10什么是采样过程、量化、孔径时间?
11.样保持器的作用是什么?
是否所有的模拟器输入通道中都需要采样保持器?
12.个8位A/D转换器,孔径时间为100s,如果要求转换误差在A/D转换器的转换精度(0.4%)内,求允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少?
13.12位A/D转换器AD574通过8255A与PC总线工业控制机接口,实现模拟量采集。
请画出接口原理图,并设计出A/D转换程序。
14.标度变换在工程
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