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1、自动化概论,第二单元 信息与信号,第四节 信号转换放大与干扰消减,2.4.1 信号转换与放大 1.信号转换 传感器的输出信号形式取决于传感器本身，为了传输的需要、为了接收设备对信号形式、种类及大小、变化特性需要等，信号在传输、施用中可能进行一次或多次的转换。 比如电阻式传感器，其信号形式为阻值，不便于传输，应考虑转换为电压信号； 模拟信号要与数字设备相连，要考虑模拟信号向数字信号的转换； 数字信号要驱动模拟设备，则需转换为模拟量; 电信号转换为光信号通过光纤传输等。,2、信号放大 通常传感器输出信号很小，不宜传输、不便施用，有些器件、设备对信号有阈值要求，特别是对于数字设备及逻辑设备而言，存在
2、高电平与低电平的定义，所以信号应符合标准，否则可能造成逻辑上的错误。 信号传递、转换或施用前过程中需要进行适当的放大，放大后的信号应具有原信号的全部信息特征。,2.4.2 干扰与消减 根据信号的种类，对于信号的传输有不同技术要求与传输方式。 工程应用中的信号大多数为电信号，信号的传输则是以传输导线为主。,1信号管线的阻抗特性影响 电信号沿导线传输，电荷会受到导体的电阻作用，导线与导线、导线与器件间存在着电容，即存在着对能量的储存，同时传输导线上也存在着感抗，对于信号的变化也会产生抑制作用； 气压信号沿管线传输时，也会受到管线的阻力作用，信号路线也存在着容量。 这些阻碍作用、容量储存等因素会将导
3、致信号能量的损失，信号数值降低；原始信号的变化不及时得到反映，时间上赞成滞后。,特别对于脉冲信号、频率信号等，因管线的频率响应会赞成信号波形失真，频带范围受限，甚至可能造成振荡干扰。 导线的质量本身也可能在信号通过时产生噪声。,2周围环境的电磁、静电干扰 环境中存在的电磁场将在信号传输导线中产生电磁感应，导线中会出现感应电势迭加在原始信号中，特别严重时会淹没原始信号。 静电感应也是一种干扰源，在传输导线各处，静电感应强度不一，沿信号线各处静电电位不等，同样产生附加的电势。 除此以外，电源波动、雷电、温度、湿度的变化及接触点等均可能在传输线上产生附加电势。,3干扰的消减与滤除 干扰无处不在，信号
4、中或多或少都存在扰动，需要去设法消减、滤除干扰，保证信息的真实性。 （1）在信号传输中，要考虑信号的电磁屏蔽、防雷防静电、接地问题，以及导线的特性阻抗匹配等技术问题； （2）同时考虑对信号种类的选择，不同类型的信号自身抗干扰的能力不同，因此选择一种适合的、可行的信号类型进行传输。 （3）信号接收中一般可借助滤波去除干扰。 滤波的方法有多种，考虑信号的特征频率、频谱等特性，通过高通、低通、带通与带阻、采样频率等手段尽可能地去除干扰，获得真实的信号。,第五节 信号制式与传输规则,一个信息源点（信息产生者）被传递到信息终点（消费者）获得应用按系统图示实施： 当信号从信源点装载信息经过传输网络传递到目
5、的系统后，应能被准确的接收，并正确分离出其中的信息。需要发送方与接收方都能理解并共同遵守的信号传输标准、约定或规则。 在自动化领域中，要从信号中得出操作指令、数据信息，必须清楚指令、数据信息是以什么格式、组织关系被赋予到信号的什么特征上的，也就是说必须首先找出操作指令、数据与信号特征间的关系信号制式或协议,2.5.1 信号制式 在现代信息传递网络出现之前，信息主要是在两个硬件间单向的、一对一交换，信息功能主要在于两硬件间连接、控制。信息较单一、容量小、格式简单，信息载体主要是模拟量或简单脉冲量信号，信息传输依靠单回路结构即可实现，信息传递系统结构简单。 信号制在这种简单的信息传输系统中，采用的
6、两硬件间实现传递与接收、相互理解、共同遵守的信息传递规则。,功能： 主要是规定了建立、维持及断开物理通道所需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性。其作用是确保信号能在物理通道上传输； 约定了信息的一种简单表达形式，如用电流的大小来表示一个温度信息的大小，或者控制作用的强弱。其作用是描述信息加载部位。 1、模拟信号制式 用于模拟量设备之间进行信息的传递。 电动类早期：0-10mA.DC与0-2V.DC信号标准， 现国际标准：4-20mA.DC与1-5V.DC。 气动类：主要采用20-100KPa气压信号制式。,这种信号制式能表达的信息单一，模式简单，主要是用模拟信号量P的数值大小来描述所要表
7、达的信息程度X。 具有唯一性，一个确定的信息、数据对应一个确定的信号大小。反之，一个确定的信号大小，对应着一个确定的信息、数据大小。 两者之间的关系可表示为：,例1一个差压变送器测量容器液位，已知容器液位范围为H=03M，对应的变送器输出信号范围为电流I=420mA。求：（1）变送器输出电流为12mA时，对应容器液位H为多少？（2）若已知容器液位为2m，变送器输出电流为多少？ 解：在测量变送中，通常是正比线性关系迭加信号的。 （1）变送器输出电流为12mA时，容器液位H为： （2）变送器输出电流I为： 如温度传感变送装置检测0-1000温度信息并正比的以4-20mA.DC信号形式传递给显示仪表
8、，当显示仪表接到16mA.DC（有效信号一半）电流时，将显示出500； 某控制装置产生20-100KPa的气压信号送控制阀，当控制阀接到60KPa（有效信号一半）气压时，将驱动阀门开度为50%。,（2）脉冲（开关）信号制式 脉冲是指在很短时间内出现的电压或电流信号。 脉冲具有较多的特征参数，加上脉冲信号通常具有突变性、短促性，可以承载更多的信息，除常规数据信息以外，还用于承载操作指令。在自动控制、数字技术、计算机、通讯及多种电器装置等方面得到广泛的应用。 脉冲承载信息所用的特征主要集中于脉冲宽度、作用时刻（上升或下降）、脉冲高低电平（幅度）、脉冲周期、脉冲频率、脉冲个数等。,在数字逻辑系统中，
9、脉冲“高、低”电平表示数字“0、1”（图2-16所示）、逻辑“真、假”等； 脉冲作用时刻可用于描述某种作用动作时刻并触发该动作；脉冲宽度可用于描述并维持某种作用或动作的持续时间；脉冲频率或个数可用于表示某种信息的程度或数据大小； 转速测量中使用脉冲编码器来表示转速与转向；在逻辑控制装置中应用脉冲来实现各种逻辑运算等。定时器内使用秒脉冲来实现计数与定时（图2-17所示）,2.5.2 通讯协议 现代传输是在复杂网络结构实体（硬件、软件）间多对多、双向、数字化方式进行信息交换，信息复杂、海量。需要一整套传输规则来约束、控制实体间的信息交换，保证信息传递与交换正常进行。 通讯协议、网络协议：网络系统中
10、两实体间相互理解、共同遵守的控制信息传递与交换的规则集合。网络协议三要素：语义、语法和时序规则三部分。语义：规定通信双方彼此“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息，执行的动作和返回的应答； 语法：规定通信双方彼此“如何讲”，即确定协议元素的格式，如数据和控制信息的格式； 时序：规定了信息交换的次序。,协议只有通过权威的组织标准化，才能为业界共同遵守，为商用产品所采纳，才能使信息传递网络协同工作，顺利完成信息传递功能。 不同网络，其网络系统结构不同，描述其通信控制功能的协议也不同。换言之，不同的协议规定了不同性质的网络。,图2-18 OSI开放互连系统七层协议,第1层
11、物理层完成传递信息和协议附加信息转换为光信号或电信号在网络上传输的功能； 第2层数据链路层实现网络地址寻址、路由的功能，提供点对点通信； 第3层网络（接入）层完成分组传送和路由选择功能，实现网络上的交换； 第4层传输层完成控制源端到目的端的数据传输； 第5层会话层在面向连接协议中完成维持与目的端应用程序的对话功能； 第6层表示层定义数据网络抽象和表示的协议，作为实用例程序库来实现的； 第7层应用层，支持分布式应用软件提供管理功能，也是网络通信所必需的用户应用程序接口。,协议的工作可这样表述：发送信息的主机先将信息传到应用层，由上往下传送，数据经过每一层时，所使用的协议都给信息加上一个协议头，然
12、后将加上协议头的信息传到下一层，下一层所使用的协议再给它加上一个协议头，继续向下传递，最后由物理层经硬件设备发送到网络上。接收信息的计算机则相反，信息是由下往上传递的，每经过一层时，都剥去相应的协议头，然后继续向上传递。最后传给用户的信息将是剥去所有协议头的，即最原始的信息。 这七层协议并非被具体协议全部定义。 按OSI协议，前述简单信息传递网络中所定义的信号制式，相当于只使用了第一、二层及第七层。,HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和
13、控制室设备之间的通信协议； HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品； HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问；,HART协议采用不同的频率信号（2200Hz表示“0”，1200Hz表示“1”）来传送数字信号。如图2-19所示。 HART协议在420mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于音频信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，兼容
14、了与现有模拟系统,（a）电流环上的HART信号波形 （b）模拟电流上的HART信号 图2-19 HART协议,本讲思考,1、信号传输应考虑哪些实际问题？采取哪些措施？ 2、十字路口交通信号灯以何种媒介传递哪些信息？分别通过媒介的何种特征实现的？ 3、电气设备的启停开关的动作传递了哪些信息？,信号换算是指从信号中得出所含的信息、数据。 要从信号中得出信息、数据，必须清楚信息、数据是以什么形式、关系迭加到信号上的。也就是说必须首先找出信息、数据与信号特征间的存在的关系。,自动化概论 第二单元 信息技术与信号应用,四、信号的换算,自动化概论 第二单元 信息技术与信号应用,四、信号的换算,1线性关系-
15、信息量、数据大小与信号特征量间为线性正比关系,a,b,P,P,a,a,b,b,P,X2,X,X2,X2,X1,X1,X1,a,X,X,(a),(b),(c),自动化概论 第二单元 信息技术与信号应用,四、信号的换算,例1一个差压变送器测量容器液位，已知容器液位范围为H=03M，对应的变送器输出信号范围为电流I=420mA。 求：（1）变送器输出电流为12mA时，对应容器液位H为多少？ （2）若已知容器液位为2m，变送器输出电流为多少？ 解：变送器在测量变送中，通常是采用正比线性关系迭加信号的。 （1）变送器输出电流为12mA时，容器液位H为： （2）变送器输出电流I为：,自动化概论 第二单元
16、信息技术与信号应用,四、信号的换算,2、非线性关系 信息量、数据与信号特征量间关系为非线性关系。 当关系为非线性时，通常可能采用曲线法、或者求出其函数式，进行换算，或者查对关系表实现换算。 如图2-13所示热电阻值与温度关系。（a）为曲线关系，(b)为数学近似关系。,自动化概论 第二单元 信息技术与信号应用,四、信号的换算,例2：一支分度号为Cu50的热电阻，已知温度与电阻值关系为RtRo（1AtBt2Ct3），其中A4.288991031/；B-2.1331071/； C1.2331091 /；它在0C时的电阻Ro50。 （1）在200C时，它的电阻值Rt为多少欧？ （2）若已知电阻为85，此时温度为多少？ 解：（1）由温度求电阻 如精确计算，根据公式RtRo（1AtBt2Ct3） Rt50（14.28899 10-320
