计算机控制系统的硬件基础

图2.17 干簧继电器的原理
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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。
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集成多路模拟开关
图2.18是AD7501的结构，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2.11 继电器式开关量输出
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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。
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
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常用措施
隔离处理 电平转换和功率放大
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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。

使用光电隔离器件的注意事项
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
图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理 联系，从而达到了隔离的
目的。
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使用光电隔离器件的注意事项
图2.10 低压小功率开关量输出
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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 。
小功率低压开关量输出
继电器输出
晶闸管输出
功率场效应管输出
图2.5 消除开关抖动的电路
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
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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2.16 多路复用方式A/D转换原理
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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10~40次/秒，断开时的 电阻大于 1MΩ ，导通电阻小于 50mΩ ，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2.18 AD7501的结构图
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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。
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使用光电隔离器件的注意事项
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。
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。
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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(0≤t≤T)， 这些控制是通过计算机开关量输出通道来实现的。
开关量输入信号的类型 开关量信号输入通道
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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。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。
集成功率电子开关输出
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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
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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。
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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。
第二章 计算机控制系统设计的 硬件基础
2.1 开关量输入 2.2 开关量输出 2.3 模拟量输入 2.4 模拟量输出 2.5 计算机控制系统中的电源 2.6 信号采样与重构 2.7 数字滤波
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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。
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、ST 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
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使用光电隔离器件的注意事项
输出端工作电流
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。
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。
图2.19 8路差分模拟信号输入电路
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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。
LF398
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LF398
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
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开关量输入的常用预处理方法
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 滤波处理 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
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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2.20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IN+的电压高于IN-的电压，则S闭合，由A1、A3组成跟随 器，并向 CH 端外接的保持电容充电；IN+ 的电压低于 IN- 的电压时， 则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3 组成的跟随器 输出至输出端。
图2.20 LF398的电路原理
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1. 多路A/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 机械触点式 集成多路模拟开关
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。
图2.7 开关量光电耦合输入电路
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光电耦合器件原理与使用