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1、BC-1 仪表的分析方法,从仪表整体结构上看，模拟式控制仪表有两种构成形式：,1.仪表整机采用单个放大器，其放大器可由若干级放大电路或不同的放大器串联而成。属于这一类的仪表有DDZ-II型仪表、大部分的变送器以及气动仪表等。 2.整机由数目不等的运算放大器电路以不同形式（主要是串联形式）组装而成。采用运算放大器的仪表都属于这一类构成形式，如DDZ-III型系列、I系列和EK系列仪表等。,一、采用单个放大器的仪表分析,这类仪表一般具有如图所示的典型结构，整个仪表可以划分为：输入部分、放大器和反馈部分。,Ki输入部分的转换系数；K放大器的放大系数；Kf反馈部分的反馈系数。,当满足KKf1的条件时，
2、,特点： .在满足KKf 1的条件时，仪表的输出与输入关系仅取决于输入部分的特性和反馈部分的特性。 2.在满足KKf 1的条件时，放大器的净输入e趋向于零（ e 0）。,由于 Zi = DX Zf =Kfy Zi= Zf,因此 e= Zi -Zf = 0,分析方法,1、将仪表划分为输入部分、放大器和反馈部分；2、对各个部分分析，重点是输入部分和反馈部分；3、求出整机输出与输入之间的关系，得整机特性。比较环节的确定可以从放大器的输入端即所加位置着手；取样环节的确定可以从仪表的输出信号回路着手 。,电动仪表的两种比较方式,1.串联比较,2.并联比较,电动仪表的两种取样方式,1.电流取样,2.电压取
3、样,气动仪表的比较环节,主要有：力比较和力矩比较二种方式。力比较是输入力和反馈力作用在比较元件上，其差 值使比较元件产生微小的位移；力矩比较是输入力矩和反馈力矩作用在作为比较元件的杠杆上，其差值使杠杆产生微小的偏转。气动仪表的取样方式是将仪表输出气压信号直接引入反馈部分。,二、采用运算放大器的仪表分析方法,这类仪表的线路是由若干个运算放大器电路组装而成，主要是运算放大器电路以串联形式相联。由于每一个运算放大器电路的输出电阻很小，而输入电阻又都足够大，这样，前、后级运算放大器电路之间相互影响很小。分析这类仪表时，可以把整个仪表线路分成一个个运算放大器电路单独地进行分析，最后再综合得到整机的特性。
4、,运算放大器的基本知识及性能,1）输入端（+、-）：+端为同相输入端，-端为反相输入端。电压差Ud 的正方向是从同相端到反相端。UT 为同相端对地（正、负电源的公共端）的电压，UF 为反相端对地的电压。 2）输出端：Uo 为输出端对地的电压，即输出电压。 3）电源端（U+ 、U- ）,把运算放大器看成是双端输入、单端输出的三端器件。,1、运算放大器的引出端,2、运算放大器的使用条件,为差模输入电压,为共模输入电压,运算放大器的基本知识及性能,任何一个运算放大器，其允许承受的最大输入电压和电流都有一定的限制，制造厂规定了运算放大器的最大差模输入电压（又称差模输入范围）和最大共模输入电压（又称共模
5、输入范围）。 运算放大器的输出电压和电流也都有一定的限制，最大输出电压一般比电源电压低12V,最大输出电流一般为5mA或10mA，在仪表电路中需要输出大电流时，往往采用三极管进行电流放大。,理想运算放大器特点：1输入电阻Ri=0；2输出电阻Ro=0；3开环电压增益Ko=0； 4失调及其漂移为零。,两条重要的结论：1差模输入电压为零，即 = 0 或 UT =UF 2输入端输入电流为零，即 = 0 , = 0,运算放大器的基本知识及性能,、运算放大器的基本特征,运算放大器电路,1.反相端输入,1输出电压与输入电压成正比，其比例系数为R2/R1；2输出与输入极性相反；3反相端不接地，但UF =0，故
6、称反相端为“虚地”；4输入电阻约等于输入回路电阻R1；5输入回路电流Ii，全部流经反馈回路，即I f = Ii 。,特点：,.同相端输入,1输出电压与输入电压成正比,其比例系数为 （1+R2/R1）； 2输出与输入极性相同； 3同相端和反相端存在共模电压UC =Ui ； 4输入电阻等于运算放大起本身的共模输入电阻，其 值很大，通常为1500MW。,特点：,3.差动输入,在满足 电阻匹配条件时，差动输入放大器电路的输出电压仅仅取决于两个输入电压之差Uid = UiT -UiF ，即这种电路只放大差动信号，不放大共模信号，且与差动信号Uid 成正比，比例系数为R2/R1。输出电压与差动信号极性相同
7、。在仪表线路中，往往取得R1=R3、R2=R4，形成所谓对称差动运放电路。运算放大器输入端存在共模电压,特点： 输入电阻高,输出电阻低 它在仪表电路应用中，起隔离或缓冲作用.,4.电压跟随器,U0 = Ui,单电源供电的运算放大器电路,出于仪表总体设计的需要、便于仪表的安装以及变送器采用二线制等原因，在仪表线路中，一般都采用单电源供电，即由一组+24V电源供电。运算放大器采用单电源供电后，只影响其本身的使用条件，而并不影响运算放大器电路的运算关系和特性。,单电源供电时运算放大器的使用条件,双电源供电和单电源供电的实质是电位基准问题,2）而单电源供电是以电源负极为基准,1）双电源供电，是以正、负
8、电源公共端C为基准,单电源供电时运算放大器的使用条件,、双电源 、单电源,单电源供电时运算放大器的使用条件,DDZ-III型等系列仪表的信号范围为15V，在24V单电源供电时，显然不能满足共模输入范围的要求。为此，在仪表的电路中，采用电平移动的方法，即另加电平移动电源UB ，以便使UT 和UF 进入共模输入范围以内。另加电平移动电源UB 之后，运算放大器电路在单电源供电时以UB 为基准的运算关系，跟双电供电时以地（0V）为基准的运算关系，在形式上完全相同。,单电源供电的运算放大电路,为以UB为基准的输出电压如以地为基准的输出电压为运算放大器差模输入电压 没有改变 共模电压（应相对于0V）,如取
9、UB作为输入、输出信号的基准,UC ,单电源供电的运算放大电路,24V单电源供电的对称差动运算放大器电路，除了一般的差动运放电路的特点之外，还具有如下两个特点：1.能实现信号电平的移动。Uo只取决于Uid，而与输入信号的基准无关，同时U0又是以UB为基准，因此能把0V为基准的输入电压UiT、UiF转换为以UB为基准的输出电压Uo。 2. Uo大小与UB无关。电平移动电压VB是以共模电压形式同时加到线路的两个输入端上。在DDZ-III型仪表及其它系列仪表中，所有接收仪表的输入电路均采用这种形式的电路。,分析方法,采用运算放大器的仪表分析方法是把整个仪表线路分成一个个运算放大器电路单独地进行分析，
10、最后再综合得到整机的特性。因此，采用运算放大器的仪表线路分析的基础是单个运算放大器电路的分析。单个运算放大器电路的分析方法通常有如下两种： 1.利用基本运算放大器电路的关系式2.利用理想运算放大器输入端的两个特征,利用基本运算放大器电路的关系式,特点：基本概念明确 物理意义清楚 要点：熟练灵活掌握基本运算放大器电路的关系式，就能很容易看出运算放大器电路的运算关系，并能很快地了解整个仪表的特性。当然，仪表中的实际电路，有时可能是两种基本电路的合成，或者输入回路电阻和反馈回路电阻包含有电容等非纯阻性元件。这时可以采用叠加法、等效电源定理、Y变换、阻抗变换法等方法进行处理，将这些比较复杂的运算放大器
11、电路转化为基本电路。,利用理想运算放大器输入端的两个特征,理想运算放大器输入端的两个特征： （1）差模输入电压等于零，即Ud=0或UT=UF；（2）输入端输入电流等于零，即IbT=0，IbF=0。这两个特征是分析运算器放大电路输入输出关系的出发点关键：求得运算放大器两个输入端的电位UT和UF根据电路具体结构，找出输入、输出信号与UT、UF之间的关系，然后依据UT=UF，求出输出与输入之间的关系。方法：断开反馈又保证等效，把原电路转化为一个没有反馈的开环等效电路。,三、仪表的分析步骤,对于一只仪表，可以采用由整体到局部的方法分析，即首先对仪表作总体概貌性了解，然后将仪表划分成几个部分，再对各划分
12、部分逐一进行分析，最后综合出整机的特性。其具体步骤可以如下：1.了解仪表作用和结构框图；2.按照结构框图将整机线路划分成相应的部分；3.根据信号的传递方向，对各部分逐一进行分析； 4.综合仪表的整机特性；,根据信号的传递方向，对各部分逐一进行分析：,目的：了解各部分的结构、作用、特点、输出与输入的关系， 直至每一个元部件的作用。在分析中注意应用以下几种方法：,a) 对复杂的部分可画出其构成框图，作进一步划分，直到划分为最基本的构成部件为止。,c) 应用电路理论中的一些基本定律，如欧姆定律、分流公式、分压公式、等效电源定理、叠加定理、等，以便把复杂的电路转化为简单的形式。,b) 画等效电路。在画
13、等效电路时，可以忽略一些次要元件，以便突出主要部分，也可以把电路画成习惯的形式。,BC-2 变送器的一些共性问题,量程调整 零点调整和零点迁移 线性化 变送器信号传输方式,1. 量程调整,使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应；量程调整相当于改变变送器的输入输出特性的斜率，也就是改变变送器输出信号y与输入信号x之间的比例系数 。,量程调整的方法,模拟式变送器,改变反馈部分的反馈系数,改变测量部分转换系数,软件实现,数字式变送器,2.零点调整和零点迁移,使变送器的输出信号下限值ymia与测量范围的下限值xmin相对应,零点调整使变送器的测量起始点为零,在xmin=0时，
14、称为零点调整；在xmin0时，称为零点迁移,零点迁移是把测量的起始点由零迁移到某一数值:,当测量的起始点由零变为某一正值，称为正迁移,当测量的起始点由零变为某一负值，称为负迁移,零点调整和零点迁移的方法,零点迁移，再辅以量程调整，可以提高仪表的测量精度 。,模拟式变送器,改变放大器输入端上的调零信号z0,数字式变送器,软件实现,3. 线性化,原因：传感器组件的输出信号与被测参数之间往往存在着非线性关系,模拟式变送器非线性补偿方法:,使反馈部分与传感器组件具有相同的非线性特性,使测量部分与传感器组件具有相反的非线性特性,数字式变送器 非线性补偿方法: 软件实现,4.变送器信号传输方式,气动变送器
15、：两根气动管线,电动模拟式变送器：二线制四线制,HART通讯协议方式,数字式变送器：双向全数字量传输信号(现场总线通信方式 ),电动模拟式变送器信号传输方式,二线制 二根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号 四线制传输 供电电源和输出信号分别用二根导线传输 优点：节省连接电缆、有利于安全防爆和抗干扰,数字式变送器信号传输方式,在一条电缆上同时传输420mA的模拟信号和数字信号 HART通信协议是依照国际标准化组织(ISO)的开放式 系统互连(OSI)参考模型，简化并引用其中三层： 物理层 数据链路层 应用层,HART通讯协议 :,物理层,规定了信号的传输方法和传输介质,传送速率为1200
16、 bit/s,信号传输：基于Bell 202 通讯标准，采用频移键控(FSK)方法，在420mA基础上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波作为数字信号,传输介质:单芯带屏蔽双绞电缆 3000米多芯带屏蔽双绞电缆 1500米短距离可使用非屏蔽电缆,数据链路层, 规定了数据帧的格式和数据通讯规程,定界符定义了帧的类型和寻址格式,地址有短格式和长格式,响应码在变送器向主设备通信时才有，表示数据 通信状态和变送器工作状态,数据帧格式：由链路同步信息、寻址信息、用户信息及校验和组成,HART协议按主/从方式通讯，这意味着只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息有三种通讯模式：,点对点模式-在一条电缆上传输420mADC的 模拟信号和数字信号,多点模式-一条电缆连接多个现场设备，这是全数字通信模式,
