计算机控制系统—采样保持器

—计算机控制系统—
计算机控制生产现场的控制通道也有两个，即 模拟量输出通道及数字量输出通道。
计算机输出的控制信号是以数字形式给出的。 有的执行元件如连续调节阀要求提供模拟的电流或 电压，故应采用模拟量输出通道来实现；有的执行 元件如电磁开关只要求提供数字量（或开关量）， 故应采用数字量输出通道。
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第5章 过程通道
5.1 模拟量输入通道 5.2 模拟量输出通道 5.3 开关量输入/输出通道
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过程通道的作用与分类
在计算机控制系统中，为了实现对生产过程的控制， 需要及时对被控对象的各种参数进行检测，并将其转换 成计算机可以接收的数据形式送入计算机进行处理；处 理后的结果还需变换成合适的控制信号输出至被控对象， 以控制执行机构的动作。因此在计算机和被控对象之间， 必须设置进行信息传递和转换的连接通道，即过程通 道。
在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其种 类、型号都比较多，有8通道、16通道、甚至32通道的。常 用的多路开关有CD4051(或MC14051)、AD7501等。
多路开关CD4051
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图8-8 多路开关CD4051
CD4051是8通道多路开关，由逻辑电平转换、二进制译码器和8 个开关电路组成。
多路转换器
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多个信号源（如16个）来的数据，如果共用一个模 拟量通道输入微型计算机进行处理，就用模拟多路转换 器按某种顺序或随机地把输入信号换接到公用放大器或 采样保持器。
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为了提高过程参数的测量精度，一般对多路开关也提 出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大， 其导通时的电阻为零。此外，还希望它切换速度快，噪声 小，寿命长，工作可靠。
过程报警信号、操作人员请求信号等
对执行器进行控制，显示、记录等
对执行器进行控制，灯显示、报警显示等
5.1 模拟量输入通道
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模拟量输入通道的任务是，把从控制对象检测 得到的模拟信号，变换成二进制数字信号，经接口 送入计算机。
2020/2/2
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一、模拟量输入通道的一般结构形式 1. 单路模拟量输入通道的结构 (1)传感器 其作用是把工业现场的各种非电物理量检测出来，并转 换成相应的电信号。 (2)信号调理电路 模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强等.但由于传 感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的 电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理 。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器( ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送 到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。主要包括信号 的放大、滤波、隔离、变换以及线性化处理等内容。
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• 2.多路模拟量输入通道的结构 (1)多通道并联输入 多通道并联输入由若干个单路模拟 量输入通道组成。
• (2)多通道共用A/D转换器件形成 • 多路开关的作用是能按要求切换模拟量输入信号，确
保其中的某一路引入A/D转换器。
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模拟量输入通道一般由信号处理器、多路转换器(多路 开关)、放大器、采样—保持器(S/H)和A／D转换器组成。
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(3)采样保持器(S/H) 一般来讲，输入的模拟信号都是变化的。采样器是一
种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的 值。采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一 段时间，以供模数转换器转换，直到下一个采样时间再取 出一个模拟信号值来代替原来的值。 (4)A/D转换器 A/D转换器的作用是将输入的模拟信号的 采样值转换为相应的数字信号。
可见，过程通道是计算机与工业生产过程（控制对象） 相互交换信息的桥梁。表5-1的来源和输出信息的用途。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
信息种类 模拟量输入 数字量输入 脉冲计数器 中断请求 模拟量输出 数字量输出
输入信息来源或输出信息的用途
温度、压力、物位、转速、成分及其它能转换成模拟 电信号的量 接点的通断状态，电平的高低状态，限位开关状态， 数字装置的输出数码 脉冲形式的输入信号
图中C、B、A是二进制的控制输入端，INH是允许输入端。
图8-7 模拟量输入通道的一般组成
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信号处理
根据需要，包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻 抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流／电压转换等。
在计算机控制系统中，传感器(如压敏元件、热敏元件、 光敏元件等)输出的各种信号在进行A/D转换之前，都应转 变成一定的电压或电流信号，如0～10mA、4～20mA的直 流电流，或0～±5V的直流电压。这些需要通过信号放大、 电平转换、电流/电压转换等电路实现。
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 数字量输出通道
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生产过程的被调参数（一般包括压力、流量、温 度、液面高度等等），一般都是随时间连续变化的模 拟量，通过传感器和变送器，把它们转换为标椎的模 拟电流或电压（l～10V，4～20mA等）。由于计算机 只能识别数字量，故模拟电信号必须通过模拟量输入 通道转换为相应的数字信号，才能送入计算机；而生 产现场的两态开关，电平的高低、脉冲量等数字或开 关信号，则应通过数字量输入通道输入计算机。
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由于工业现场经常存在着多种干扰源，来自现 场的模拟信号中常混杂有干扰信号，因此必须进行 信号滤波。用有源滤波器或无源滤波器(如RC电路等) 进行信号滤波，可有效滤除信号中的干扰成分。此 外，也可以采用软件滤波，即数字滤波的方法。
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另外，有些检测信号与被测物理量之间会呈现非线 性特性。例如，用热敏元件测量温度，由于热敏元件存 在非线性，所得到的温度-电压曲线存在非线性特性。因 此，测得的电压值不能反映温度的线性变化，应作适当 处理，使之接近线性化。在硬件上可采用加负反馈放大 器或采用非线性补偿电路的办法达到此目的。在软件上 可以用线性插值等线性化处理程序来解决。