第二章：计算机控制系统接口技术

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3．多路开关的选择 选择多路开关时，主要考虑的因素有：通路数目，单端 还是差动输入，电平高低，对各通路的寻址方式，开关切换 时需要多少时间才能稳定到要求的精度，最大切换速率是多 少，各通路间允许的最大串扰误差等等。通常是根据数据采 集的要求，抓住主要因素，进行具体选择。 三、放大器 放大器的功能是将小信号放大或大信号衰减到适合于 A/D输入电压要求的范围。在实际应用中，一次仪表的安装环 境和输出特性是各种各样和十分复杂的，选用哪种类型的放 大省取决于应用场合。对于微弱信号的放大来说，常有以下 选择： ①低漂移运算放大器：它的特点是温度漂移极小（如 <1uv/c），适用于一般的弱信号放大。这类放大器有美国 AD 公司的 AD OP-7和 AD5I7等。 ②仪表放大器：它也称测量放大器或数据放大器。其主要 特点是具有很高的共模抑制能力，此外还具有高输入阻抗， 较低的失调电压，较少的温度漂移系数，低的输出阻抗，有
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2．采样保持器（S/H） 为了对变化较快，即工作频率较高的模拟信号进行采样， 可以在A/D前加入采样保持器（Sample/Hold）。采样保持器 又称采样保持放大器（SHA），其原理如图2-14所示。它由 模拟开关，储能元件（电容C）和缓冲放大器组成。当施加 控制信号后，K闭合为采样阶段，模拟信号迅速向电容充电 到输入电压值（这个时间越短越好）；控制信号去除，K断 开为保持阶段，为让 A/D对保持电容 C上的电压进行整量化， 希望电容维持稳定电压的时间长一些为好。由于充电时间远 小于 A中转换时间，保持器的电压下降率又较低，于是大大 减小了孔径误差。
D R1 I C R2
+5V I + V R1 +
R2 + C R 3 A R4 (b) 有源I/V变换电路 有源I R5 V
(a) 无源I/V变换电路 无源I
图 2-2 电流/电压变换电路
4.2. 有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件 有源 变换是利用有源器件——运算放大器 变换是利用有源器件 运算放大器 和电阻电容组成，如图3-2（ ）所示。 和电阻电容组成，如图 （b）所示。利用同相 放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出 放大电路，把电阻 上的输入电压变成标准输出 电压。 电压。该同相放大电路的放大倍数为
• 一、输入信号的处理 • 为了保证 A/D转换的精度，模拟信号在输入到 A/D之前首先应进行适当处理。根据需要，信号处理 可选择小信号放大，大信号衰减，信号滤波，阻抗匹 配，非线性补偿和电流/电压转换等方法。 • 1．信号滤波 • 由于工业现场干扰因素多，来自工业现场的模拟 信号中常混杂有干扰信号，应该通过滤波使有用输入 信号中的最高频率低于采样频率的一半。滤波方法有 硬件法和软件法之分，硬件方法常用RC滤波器和有 源滤波器来滤除高于有用信号频率的那部分于扰，也 有称之为模拟预滤波；用软件方法可以滤除与有用信 号频率重合的那部分干扰，如卡尔曼滤波等。软件法 将在下一章介绍。
• 伺服放大器也叫功率放大器，用于将计算机信号放大以驱 伺服放大器也叫功率放大器， 动机械及电气设备 • 常用有两种标准：Ⅱ型仪表标准：DDZ-Ⅱ(0~10mA) 常用有两种标准： 型仪表标准：DDZⅢ型仪表标准：DDZ- Ⅲ(4~20mA) 型仪表标准：DDZ-
五、执行机构
– 2. 手动到自动的无扰动切换： 手动到自动的无扰动切换：
操作规则：将手动的值调整到与自动接近时，再切换（ 操作规则：将手动的值调整到与自动接近时，再切换（自动到 手动） 手动）
–
从手动到自动的切换：通过输出回采， 从手动到自动的切换：通过输出回采，使自动值接 近于手动。 近于手动。
• 三、伺服放大器
R4 V G= = 1+ IR1 R3 (3-1)
若取R1=200 ，R3=100k ，R4=150k ，则 若取 就对应电压输出V的 输入电流 I 的0 ~ 10 mA就对应电压输出 的0 ~ 5 就对应电压输出 V；若取 ；若取R1=200 ，R3=100k ，R4=25k ，则4 ~ 20 mA的输入电流对应于 ~ 5 V的电压输出。 的输入电流对应于1 的电压输出。 的输入电流对应于 的电压输出
第二章
计算机控制系统接口技术
过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数 字量输入通道和数字量输出通道。 （1）模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模 拟输入信号经检测、变换和预处理，最终变换为数字信号 送入计算机。常见的模拟量有压力、温度、液位、流量和 成分等。 （2）模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为 连续的电压或电流信号，经功放后送到执行部件对生产过 程或装置进行控制。
• 2．统一信号电平 • 输入信号可能是毫伏级电压或毫安级电流信号， 应变成统一的信号电平。例如可变成0～50 mV的统 一小信号电平或 0～5 V（1～5 V）的大信号电平。 即使从变送器来的 0～10mA或4～20 mA的标准信号 一般也要经如图2—3的电阻网络，进行电流／电压 转换，将0～10 mA的信号变换成 0～50 mV的电压 信号，其精度达 0.02％。
• 3．非线性补偿 • 大多数传感器的输出信号与被测参数之间 呈非线性关系，例如：铂锗一铂热电偶在0～ 1000C间电势与温度关系的非线性约为6％。 非线性的线性化也有硬件和软件两种方法，应 用硬件方法时，是利用运放构成负反馈来实现。 例如在DDZ一III型仪表的变送器中，就加入了 非线性校正电路。用软件方法实现线性化的问 题将在下一章数据采集与处理系统中介绍。 • 除上述几种处理技术外，对不同的模拟信 号还可能要进行其它一些处理。例如热电偶测 温时要进行冷端补偿；热电阻测温时要用桥路 法或恒流法实现电阻/电压变换等等。
• 为保证 A/D中精度，对小信号要放大而大信号 要衰减。可以每一路都用一个变送器，但这会 使成本大大增加。为此，可在A/D之前设置一 个增益可变的放大器，对不同输入信号用程序 来设置相应的放大系数，这就是可编程序放大 器。下面介绍两种可编程序放大器的实现方案。
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1．采用增益可调的仪表放大器方案 仪表放大器除共模抑制能力强，输入阻抗高，漂 移低外，有的还具有增益可调功能。如AM-542， 543。图2-12是这种增益可调的方案框图。 • 通常，由于各路模拟信号和A/D的电压范围已知， 故可算出对应信号源要求的放大系数。可预先将各路 放大倍数的等效数字量存入RAM中，当CPU要求输 入第n路信号时，则由CPU控制将第n路对应的放大 倍数从RAM中取出，经数据总线送入AM542相应端 接点，这样信号便按预先设定放大倍数进行放大。
• 二、多路开关 • 多路开关又称多路转换器，其作用是将各 被测模拟量按某种方式，如顺序切换方式或随 机切换方式分时地输入到公共的放大器或A/D 转换器上。 • 1．多路开关的种类 • 多路开关有机械触点式和电子式两种。 • （1）机械触点式多路开关常用的有干簧或湿 簧继电器。这类开关具有结构简单，闭合时接 触电阻小，断开时阻抗高，工作寿命较长，不 受环境温度影响等优点。
• 多路输出保持的实现方法： 多路输出保持的实现方法：
– 1. 模拟保持式：一个 模拟保持式：一个D/A，数个保持器，要求刷新。 ，数个保持器，要求刷新。 特点是：要求性能参数较高， 特点是：要求性能参数较高，为了维持输出稳定常需要进行刷新 操作。 操作。 – 2. 数字保持式：用REG（寄存器）保存数字量，用多个D/A，数 数字保持式： （寄存器）保存数字量，用多个 ， 字保持，不用刷新。 字保持，不用刷新。 特点是：简单可靠，成本较高，但目前采用数字保持式较多。 特点是：简单可靠，成本较高，但目前采用数字保持式较多。
• 缺点：导通电阻大，驱动部分和开关元件不独立，从 而影响了小信号的测量精度。 • （2）常用的电子开关有C-MOS和FET单片多路开关， 如CD4051等。 • 2.多路开关的连接方式 • (1)单端输入：一般用于高电平输入信号，由于采用 一个通道传送一路信号，通道的利用率较高。但这种 方式无法消除共模干扰，所以当共模信号Ucm和信号 电平Uin相比幅值较大时不宜采用。 • (2)差动输入：抗共模干扰能力较强，一般应用在低 电平输入，现场干扰较严重，信号源和多路开关距离 较远，或者输入信号有各自独立的参考电压的场合。 • (3)伪差动输入：信号地和模拟地共点，它适合于信 号源距离较近的场合，在保证全通道使用的情况下， 提高了对干扰的抑制能力，所以这是一种经济实用的 连接方式。
2.1模拟信号输入接口
图2-1 模拟量输入通道一般组成
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通常，人们把过程工艺参数转换为电量的 设备称为传感器或一次仪表。传感器的主要任 务是检测，在过程控制中，为了避免低电平模 拟信号传输带来的麻烦，经常将测量元件的输 出信号经如温度变送器、压力变送器和流量变 量器等进行变换。它们将温度、压力和流量的 电信号变换成 0～10 mA（DDZ—I型仪表）或 4～20 mA（DDZ一II型仪表）的统一信号，这 一部分不属于模拟量输入通道，而常归属于工 程检测技术和自动化仪表；但现在的计算机控 制系统中许多模拟输入通道中包含了变送器部 分的功能。
（3）数字量输入通道：也称开关量输入通道。凡是以电平 高低和开关通断等两位状态表示的信号统称为数字量或开 关量。主要有三种形式：一种是以若干位二进制数表示的 数字量，它们并行输入到计算机，如拨码盘开关输出的 BCD码等。另一种是仅以一位M进制数表示的开关量，如 启停信号和限位信号等。还有一种是频率信号，它是以串 行形式进入计算机的，如来自转速表，涡轮流量计、感应 同步器和流量积算等信号。这些信号都要通过数字量输入 通道进入计算机。 （4）数字量输出通道：有的执行部件只要求提供数字量， 例如步进电机，控制电机启停和报警信号等，这时应采用 数字量输出通道。
R E G D/A 模拟 多路 开关 保持器 OUT
接T
• 二、手动备用
• 由手动控制输出的装置，作为自动控制系统失效 由手动控制输出的装置， 或调试阶段的备用部件。 或调试阶段的备用部件。