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1、计算机控制技术,第2章输入输出接口与过程通道技术,2,第二章 输入输出接口与过程通道技术 内容提要,内 容 提 要,一、输入输出过程通道概述 二、模拟量输入通道 三、模拟量输出通道 四、数字量（开关量）输入输出通道 五、测量数据的预处理技术 六、输入输出通道模板实例,3,第二章 输入输出接口与过程通道技术 输入输出接口概述,2.1输入输出接口概述,图2-1 过程通道组成结构图,过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。包括模拟输入通道、模拟输出通道、数字输入通道和数字输出通道四种，如图2-1所示。,4,表2-1 生产过程输入输出信息来源与用途,第二章 输入输出接口与过程通道
2、技术 输入输出接口概述,5,模拟输入通道完成模拟量的采集并转换成数字量送入计算机的任务。通常也把模拟量输入接口简称为AD通道。主要由信号调理单元、多路转换开关、程控放大器、采样保持器、A/D转换器和控制电路组成。,图2-2 模拟量输入通道方框图,第二章 输入输出接口与过程通道技术 模拟量输入通道,2.2 模拟量输入通道,6,传感器的作用：主要是将物理信号转变为电信号。,工业过程中主要的物理参数有：,一、传感器（自学）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,7,1.温度传感器,热电偶：测温范围宽，一般为-50 +1600 ，常用于高温测量或精度要求不高的场合，此外由于材料较柔软，便于折弯，
3、因此可以对物体表面温度进行测量。用热电偶测温时，要对其进行冷端补偿。其常用型号有：K、J、T型等,K型热电偶： -2001000 3 ，400 0 .75， 400 ,J型热电偶： -2001200 1.1 2.2 ,T型热电偶： -200200 1.5 ， -20050 0.75 ， 50200,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,8,热电阻：精度高，性能稳定，测温范围宽，一般为-200 +600 ，工业中精确测温大多用该类传感器。其类型有：Pt100、Pt50、Cu50等。工业A级的Pt100，精度为0.15 （标定前）,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,9,热敏电阻：为
4、NTC （负温度系数）型的电阻式温度传感器，其阻值高，反应灵敏，但非线性化强烈，性能不稳定，一般用于非重要的场合。其常用的型号为502AT。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,10,集成温度传感器：其特点是灵敏度高，线形好，体积小，直接输出电信号或数字信号，使用方便，精度为0.5，其常用的型号为AD590和DS18B20。,DS18B20 测量温度范围为： -55 +125 ，在-10+85 范围内,精度为0.5 ,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,11,2. 压力传感器,表压或绝压压力传感器：,PT110S-10B133型压力传感器： 测量范围：010bar(公斤） 基本
5、测量精度：0.25%FS 压力接口：M20*1.5 输出方式：420mA 接线端子: DIN接头 生产厂家:上海奇正电子,第二章 过程通道技术 模拟量输入接口技术,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,12,压差传感器：,1151型压差传感器： 测量范围： -10100kPa 基本测量精度： 0.25% 不确定度: 500Pa,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,13,微压差传感器：,B0300型压差传感器（扩散硅型）： 测量范围： 0500Pa 基本测量精度： 0.15%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,14,大气压力传感器：,PTB100型压力传感器： 测量范围：
6、 80106kPa 基本测量精度： 30Pa,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,15,3.流量传感器,涡轮型流量传感器：,LWGY-50A型涡轮流量传感器： 测量范围： 04m3/h 基本测量精度：1.5%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,16,旋涡（涡街）流量传感器：,YFl00型旋涡流量计 ： 基本测量精度： 1%,在流体中插入一个圆柱体或角柱体，则会从其两侧交替地产生旋涡。在一定的条件下，这些旋涡的发生频率与流速成正比。本流量计就是应用这个原理，通过测试旋涡的频率，实现流量测量的。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,17,电磁流量传感器：,LDCK型电磁流
7、量计 ： 基本测量精度： 0.5%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,18,超声波流量传感器：,1010SN型超声波流量计 ： 基本测量精度： 0.5%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,19,孔板式流量传感器：,HZKL-M型孔板式流量计 ： 基本测量精度： 1%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,20,4.液位传感器,磁致伸缩液位传感器：,传感器： 测量范围：0.25m 基本测量精度：0.05%,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,21,压力型液位变送器：,JYB-K*-*型液位变送器 量程：0-0.5m,4m,100m 精度：A级0.25 B级0.5
8、,第二章 输入输出接口与过程通道技术 传感器,22,信号调理的作用：主要是将传感器送来的非标准电信号转变为标准的电信号，即变送器所做的工作。,常见的标准信号： 010V 05V 420mA 15V,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,二、信号调理,23,模拟信号调理的功能,低电压信号,电流输入/输出,RTDs 和热敏电阻,热电偶,应变仪,隔离、放大噪声、滤波,电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波,隔离，放大，噪声滤波 冷端补偿,激励电源 隔离，放大，噪声滤波,激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，噪声滤波,多功能I/O,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通
9、道技术 信号调理,24,1. 桥式电路,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,电桥电路是最常见的信号调理电路之一，通常用于微电压、热电偶和应变测量中。,图2-3 热电偶变送器输入电路,I =1mA,R16=R21=10k,I1=I20.5mA。,其它电阻200,R24=RRP2=100,25,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,从图2-3可知,(2-1),铜电阻RCu用于热电偶的冷端温度补偿 ，显然，引入铜电阻RCu能完成自动补偿的条件应为：,(2-2),26,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口
10、与过程通道技术 信号调理,(2-3),一般地，变送器实际设计时要求在冷端温度为20时完全补偿，此时应有,式中 E(20，0)表示冷端温度为0时，用热电偶测量被测温度为20的热电势,27,W1用于调零点，W2用于调电流，W3用于调满刻度,2）热电偶的输入电路,第二章 过程通道技术 信号调理,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,28,热电阻,若Pt100从0100 0时变化时，输出为05V。 若采用8位A/D转换器（如ADC0809），则分辨率为100/256=0.4 ； 若采用12位A/D转换器（如AD574A），则分辨率为100/4096=0.024 ；,第二章 过程通道技术 信号调
11、理,3）热电阻的输入电路,29,2.仪表放大器,在数据采集系统中，放大器的作用一般是：, 对信号幅度放大；,增大输入阻抗，起到 隔离和缓冲前后级单元；,抑制噪声，提高信噪比；,其他作用，如电压、电流变换、量程切换、极性自动变换等。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,30,仪表放大器与普通运算放大器区别：,运算放大器只是在信号为单纯有效，而没有干扰的情况下方可用于小信号放大；,普通运算放大器对于来自信号源的共模干扰信号不能有效地起到抑制作用；,仪表放大器（测量放大器）具有高输入阻抗，低输出阻抗，强抗共模干扰能力，低温漂、低失调电压和高稳定增益。,仪表放大器广泛应用于微弱信号的检测系统
12、中，作为前置放大器；,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,31,仪表放大器的原理结构,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,32,AD620仪表放大器的内部结构,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,33,AD620仪表放大器在单电源测量中的应用,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,AD705构成的电压跟随器为AD620提供了Vref，以提高其输出摆幅的中心点，以防止信号在负半波被削波。,34,AD620仪表放大器在差分屏蔽驱动接法中的应用,在许多应用场合，常采用屏蔽电缆方法来减小输入端的噪声干扰。对屏蔽给予适当的驱动，可减小电缆电容和杂散电容造成的差分相移
13、，保证交流共模抑制比不下降。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,35,AD620仪表放大器在公共屏蔽驱动接法中的应用,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,36,3. 隔离放大器,在有强电或强电磁的干扰环境线，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道通常采用隔离技术，隔离放大器作用是在输入信号与输出信号之间保持电气隔离的同时实现输出电压与输入电压的线性传输。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,37,根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要可分为三种: 1.变压器耦合隔离放大器 2.光电耦合隔离放大器 3.电容耦合隔离放大器,隔离放大器就其隔离对象而言，分为二
14、种: 1. 两端口隔离 2. 三端口隔离。,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,38,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,两端口隔离,电源由输出电路提供,输入电源：DC15V 功耗：75mW,输出电压：7.5V 电流：2mA,最大隔离电压： 1000VP-P 最大非线性误差: 0.025%,39,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,三端口隔离(全隔离),输入电源：DC15V 功耗：1.2W,输出电压：15V 电流：5mA,最大隔离电压： 3500VP-P 最大非线性误差: 0.012%,40,第二章 输入输出接口与过程通道技术 信号调理,AD210隔离放大器在热电偶测量中的应用，其冷端采用AD590补偿。温度变化范围040，电路总增益为183（集成运放OP07的增益为100，AD210的增益为1.83）,41,4. 电流/电压转换器,工业自动化仪表采用的变送器大多是DDZ-型电动单元组合仪表，采用线性集成电路，其输出信号为420mA的国际标准。,第二章 输
