计算机控制系统 第二章.

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1、第二章 计算机控制系统设计的 硬件基础 q 2.1 开关量输入 q 2.2 开关量输出 q 2.3 模拟量输入 q 2.4 模拟量输出 q 2.5 计算机控制系统中的电源 q 2.6 信号采样与重构 q 2.7 数字滤波 1 2.1 开关量输入 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行 状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输 入。开关量的共同特征是幅值离散，可以用1位 或多位二进制码表示。 q 开关量输入信号的类型 q 开关量信号输入通道 2 1. 开关量输入信号的类型 开关量输入信号有以下基本类型 1位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电 机的起动与停止、触点的接通与断开。 成组的开关信号。

2、如用于设定系统参数的拨 码开关组等。 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速 、位移、流量的数字传感器)将被测物理量值 转换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开 关量。 3 2. 开关量信号输入通道 针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计 算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系 统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。 出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机 接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。 几种常用的预处理方法 图2.1 开关量输入通道的典型结构 4 开关量输

3、入的常用预处理方法 q 信号转换处理 q 安全保护措施 q 消除机械抖动影响 q 滤波处理 q 隔离处理 q 光电耦合器件原理与使用 5 信号转换处理 从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑 上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是 电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往 往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进 行转换处理。 图2.2 电压或电流输入电路图2.3 开关触点输入电路 6 安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可 能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情 况，预先采取安全保护措施。 图2.4 输入保护电路 7 消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行

4、程开关等机械装 置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计 算机的输入上就是输入信号在逻辑“0”和“1”之间 多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错误 控制。 图2.5 消除开关抖动的电路 8 滤波处理 由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输 入信号带有噪声信号，这有可能导致误读信号而 出错。图2.6给出一种用RC滤波电路去除接口噪 声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。 图2.6 RC滤波电路 9 隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往 往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压 本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因 此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安

5、全。 常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给 出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电 气隔离之外，还具有电平转换功能。 图2.7 开关量光电耦合输入电路 10 光电耦合器件原理与使用 光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于 它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备与计算机系统 之间的隔离保护。根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电 隔离器件可分为三极管型、晶闸管型等几种，但其工作原理都 是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。 使用光电隔离器件的注意事项 图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理 当输入侧流过一定的 电流IF 时，发光二极管开 始发光，它触发光

6、电三极 管使其导通；当撤去该电 流时，发光二极管熄灭、 三极管截止。这样，就实 现了以光路来传递信号， 保证了两侧电路没有电气 联系，从而达到了隔离的 目的。 11 使用光电隔离器件的注意事项 q 输入侧导通电流 要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足 够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电 隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。 q 频率特性 受发光二极管和光电元件响应时间的影响，光电 隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此， 在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特 性，选择通过频率较高的光电隔离器。 12 使用光电隔离器件的注意事项 q 输出端

7、工作电流 光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否 则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA 量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光 电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。 q 输出端暗电流 这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端 元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应 考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以 处理。 13 q 隔离电压 它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压 隔离的能力。 q 电源隔离 输出光隔两侧的供电电源必须完全隔离。无论是 输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就 必须保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不 到隔离作用了。

8、 使用光电隔离器件的注意事项 14 2.2 开关量输出 在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些 控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内的全负荷工作时间 t(0tT)， 这些控制是通过计算机开关量输出通道来实现的。 在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场设备，因此要 考虑电平转换、功率放大、抗干扰及安全等问题。针对具体情况，往往采 取一些措施。 图2.9 典型的开关量输出通道结构 15 常用措施 q 隔离处理 q 电平转换和功率放大 16 隔离处理 当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大 功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电 压通过输出通道

9、进入计算机系统，一般需要采取光电隔 离措施隔离现场设备和计算机系统。图2.10是采用了光 电隔离的开关量输出电路。 图2.10 低压小功率开关量输出 17 电平转换和功率放大 计算机通过并行接口电路输出的开关量信号， 往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是 电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的 要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往 执行机构 。 q 小功率低压开关量输出 q 继电器输出 q 晶闸管输出 q 功率场效应管输出 q 集成功率电子开关输出 18 小功率低压开关量输出 对于低压小功率开关量输出，可采用晶体 管、OC门或运放等方式输出，图2.10给出的两 种电路一般

10、仅能提供几十毫安级的输出驱动电 流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。 图2.10 低压小功率开关量输出 19 继电器输出 继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即 利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较 大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成 从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。使用继 电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反 向二极管。继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断 瞬间往往容易产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可 采用阻容电路予以吸收。 图2.11 继电器式开关量输出 20

11、 晶闸管输出 作为一种大功率半导体无触点开关器件，晶闸管具有以较小的 功率来控制大功率的特点，因此在计算机控制系统中被广泛地用作 功率执行元件，一般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断 控制。图2.12是采用晶闸管输出型光电隔离器驱动双向晶闸管的电 路图，图中与晶闸管并联的RC网络用于吸收带感性负载时产生的与 电流不同步的过压，晶闸管门极电阻则用于提高抗干扰能力，以防 误触发。 图2.12 光电隔离的双向晶闸管输出 21 功率场效应管输出 功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其 栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S 之间即可导通。MOSFET的栅极控制电流为微

12、安级，而 导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流，如 IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18A。 图2.13 功率场效应管的典型使用方法 22 集成功率电子开关输出 集成功率电子开关是一种可由数字电路直接驱动的直流电子逻辑 开关，具有开关速度快、无触点、无噪声、寿命长等特点，一般用于 直流负载且电流不大(几安培以下)的场合，有时也可在交流场合使用 ，常用于微电机、电磁阀的驱动或取代机械触点或继电器作为开关量 输出器件。常用的集成功率电子开关有 TWH8751、TWH8728 等。 图2.14是TWH8751的引脚图，其中V+和V-是外接电源的正端和地 、VIN 是输入端、S

13、T 是控制端、VO 是输出端，当输入端的电平高于控 制端的电平时，输出端导通。图2.15是TWH8751作为直流输出开关的 接线方法，当ST为低电平时，负载得电。 图2.14 TWH8751的引脚图图2.15 TWH8751作为直流输出开关 23 2.3 模拟量输入 生产过程中的随时间连续变化的物理量，如温度 、压力、流量、液位、湿度等，由传感器检测并转换 为模拟的电信号，通过模拟量输入通道送至计算机系 统，最终经A/D转换器转化为数字量，才能交由计算机 处理。 q 多路A/D转换技术 q 采样-保持器 q 模拟量输入的隔离 q 模拟输入信号的放大 q 模拟量输入信号滤波 24 1. 多路A/

14、D转换技术 多路A/D转换系统的结构 采用集成多路A/D转换器 每个模拟量输入配置一个A/D转换器 多路模拟量输入复用一个A/D转换器 多路开关 q 机械触点式 集成多路模拟开关 图2.16 多路复用方式A/D转换原理 图2.16所示电路 工作时，由计 算机控制多路 模拟开关选择 某一路模拟信 号，将其送至 采样-保持器， 再经放大、A/D 转换处理变为 数字量，从而 完成该路模拟 输入的采样与 转换工作。 25 机械触点式多路开关 机械触点式多路开关主要有干簧继电器、水银继电器等，其中 干簧继电器体积小、切换速度高、噪声小、寿命长，最适合作为模 拟输入的多路开关。干簧继电器的开关频率为104

15、0次/秒，断开时的 电阻大于 1M ，导通电阻小于 50m ，切换动作时间约 1ms，不 受环境温度影响，可通过的电压、电流容量大，动态范围宽；与电 子开关相比，其缺点是体积大、工作频率低，而且通断时有机械抖 动现象，故一般用于低速高精度检测系统中。图2.17为干簧继电器的 原理图，线圈通/断电就使触点接触或断开。 图2.17 干簧继电器的原理 26 集成多路模拟开关 集成模拟开关是将多路半导体模拟开关集成 在一个芯片上，其特点是切换速度高、体积小、 应用方便，但比机械多路开关的导通电阻大，为 几十至几百欧姆，而且各通道之间有时会互相串 扰。 27 集成多路模拟开关 图2.18是AD7501的

16、结构，通过芯片使能端EN和通道选择 端A0、A1、A2 ，每次只选择8个输入端中的一个与公共输出端 OUT接通，其真值表见主教材表2.4。EN、A0、A1、A2为数字 信号输入，逻辑上兼容TTL/DTL或CMOS电平。 图2.18 AD7501的结构图 28 集成多路模拟开关 图2.19是采用AD7501构成的8路差分模拟信号输入电路， 其中V1i为第 i 路 (i=1，2，8) 模拟输入信号的正端,V2i 为 第 i 路 ( i=1，2，8) 模拟输入信号的负端，V为输出模拟 信号的正端，V-为输出模拟信号的负端。 图2.19 8路差分模拟信号输入电路 29 2. 采样-保持器 在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就 会由于A/D转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的 转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样-保 持电路。在计算机控制系统中，一般采用集成的采样-保 持器。 q LF398 30 LF398 图2.20是LF398的电路原理，放大器A2作为比较器来控制开关S 的通断，若I