过程输入输出通道设计共117页文档
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第2章 过程输入输出通道1
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信号的采样和多路开关
• 由于输入的模拟信号在时间上是连续量， 所以一般的A/D转换过程为： • 采样、保持、量化和编码。如图所示。
模拟信号
采 样保 持量 化编 码数字信号
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信号的采样和多路开关
◆ 信号的采样
离散信号的采样形式
•
• •
周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即采样周 期＝常量（T）（k＝0，1，2….）。T为采样周期。 多阶采样：在这种形式下，是周期性的重复。 随机采样：这种采样形式没有固定的采样周期，是
偏移2进制码
不变
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多路开关
• 多路开关：计算机的工作速度很快，而被测参数变化较慢， 一台计算机可以共几十个到十几个回路使用，但是计算机 在某一时刻只能接收一个通道信号因此必须 通过多路转 换分时进入计算机，必须实现一到多的转换
◆采样信号与数字信号的区别
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信号的采样和多路开关
◆ 编码 把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码
编码的任务由A/D转换器完成
单极性变码：二进制码
◆ 双极性(正负)信息的 3种表示方法 符号－数值码：符号位+原码，正为0，负为1 偏移二进制码：符号位正为1，负为0， 正值时，符号+原码；
负值时，符号位+原码取反+最低位加1
补码表示法：数值与偏移二进制码相同，符号想反
01:48:57
注记：常用的双极性编码
数 正基准 富基准 符号-数值码 2的补码 偏移2进制码
+7
+6
+7/8
+6/8
-7/8
-6/8
0111
0110
信号的采样和多路开关
• 由于输入的模拟信号在时间上是连续量， 所以一般的A/D转换过程为： • 采样、保持、量化和编码。如图所示。
模拟信号
采 样保 持量 化编 码数字信号
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信号的采样和多路开关
◆ 信号的采样
离散信号的采样形式
•
• •
周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即采样周 期＝常量（T）（k＝0，1，2….）。T为采样周期。 多阶采样：在这种形式下，是周期性的重复。 随机采样：这种采样形式没有固定的采样周期，是
偏移2进制码
不变
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多路开关
• 多路开关：计算机的工作速度很快，而被测参数变化较慢， 一台计算机可以共几十个到十几个回路使用，但是计算机 在某一时刻只能接收一个通道信号因此必须 通过多路转 换分时进入计算机，必须实现一到多的转换
◆采样信号与数字信号的区别
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信号的采样和多路开关
◆ 编码 把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码
编码的任务由A/D转换器完成
单极性变码：二进制码
◆ 双极性(正负)信息的 3种表示方法 符号－数值码：符号位+原码，正为0，负为1 偏移二进制码：符号位正为1，负为0， 正值时，符号+原码；
负值时，符号位+原码取反+最低位加1
补码表示法：数值与偏移二进制码相同，符号想反
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注记：常用的双极性编码
数 正基准 富基准 符号-数值码 2的补码 偏移2进制码
+7
+6
+7/8
+6/8
-7/8
-6/8
0111
0110
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。
过程输入输出通道技术
7 V EE
3 公共端 OUT/IN
ＩＮＨ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０
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表5．2 CD4051的真值表
输入状态
Ｃ
Ｂ
Ａ
０
０
０
０
０
１
０
１
０
０
１
１
１
０
０
１
０
１
１
１
０
１
１
１
接通通道
ＣＤ４０５１
０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７
2．CD4067B／CD4097B
CD4067B是16通道双向多路模拟开关。CD4097B为双向双8 通道多路模拟开关。
5．2．l 过程输入输出通道与CPU交换的信息类型
过程输入输出通道与CPU交换的信息类型有三种：
1．数据信息：反映生产现场的参数及状态的信 息，它包括数字量、开关量和模拟量。
2．状态信息：又叫做应答信息、握手信息，它反
映过程通道的状态，如准备就绪信号等。
3．控制信息：用来控制过程通道的启动和停止等
信息，如三态门的打开和关闭、触发器的启动 等。 在过程输入输出通道中，必须设置一个与CPU联系的接口 电路，传送数据信息、状态信息和控制信息。
1．控制信息的传递路径：即根据控制的任务在众多的信 息源中进行选择，以确定该信息传送的路径和目的地。
2．控制信息传送的顺序：计算机控制的过程就是执行 程序的过程，为确保进程正确无误，接口电路应根据 控制程序的要求，适时地发出一组有序的门控信号。
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在过程通道接口电路设计中应解决以下问题： 1．触发方式：有序的门控信号的主要作用就是严
第2章 过程输入输出通道
x * (t ) x(t ) T (t ) x(t )
K
x KT t KT
第三章常规数字控制器的设计方法 第二章过程输入输出通道 11
K
t KT
2.1 信号采样与恢复
一、信号的采样过程 (3)采样信号的物理意义
第三章常规数字控制器的设计方法 第二章过程输入输出通道 12
第三章常规数字控制器的设计方法 第二章过程输入输出通道 17
2.1 信号采样与恢复
三、信息的恢复过程和零阶保持器
1、零阶保持器
如果取两个采样点的中点做平滑，平滑后的信号与 1 原来连续信号x (t ) 相比有1/2个采样周期的滞后，成为 x(t T ) 2 如上图b所示。一般情况下，采样周期T 都很小，可以将 这种滞后忽略。
设连续信号为 把 x (t ) 之间用泰勒级数展开，取其展开式近似表达即可得保持其的阶。
x(t) ，采样点的值为 x (nT ) （n 1 ）T t nT 在 与 t
，
1 x(t ) x(nT)+x '(nT )(t nT ) x "(nT )(t nT ) 2 ... 2 第三章常规数字控制器的设计方法 第二章过程输入输出通道 16
s 2max
采样频谱中的补分量相互交叠
第三章常规数字控制器的设计方法 第二章过程输入输出通道 13
2.1 信号采样与恢复
二、采样定理
图a
图b 图a 采样信号频谱
s 2max
图b 采样信号频谱
s＜2max
第三章常规数字控制器的设计方法 第二章过程输入输出通道 14
2.1 信号采样与恢复
过程输入输出通道
3．转换结束信号的处理方式
当A／D转换结束时，A／D转换器芯片内部的转换结束触 发器置位，并输出转换结束标志电平，以通知主机读取转换结 果的数字量。
主机判断A／D转换结束的方法有3种：即中断、查询和延 时方式。这3种方式的选择往往取决于A／D转换器的速度和应 用系统总体设计要求以及程序的安排。
4．时钟信号的连接
LF398是一种反馈型采样/保持器，也是较为通用的采样/保持器，与 LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采 样速率高，保持电压慢和精度高等优点。其采样时间小于10μs，输入阻抗 为1010，保持电容为1μF时，其下降速度为5mV/min。双电源供电，电源 范围宽，可以从±5V到±18V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。
最大不可调误差小于±1LSB。
ADC0809的内部结构图
CLOCK
START
1N0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7
ADDA ADDB ADDC ALE
通道 选择 开关
地址锁存 和译码
定时和控制
逐次逼近 寄存器SAR
比较器
DAC
8位
三态 锁存 缓冲器
ADC0809
Vcc
GND VREF(+)
道选择信号 • START和ALE的信号宽度不小于100μs
• EOC：转换结束信号 • EOC由低→高表示转换结束 • EOC可作为CPU的中断请求信号 • OE：输出允许信号，高电平有效 • OE有效时，打开输出三态门，输出转换后的数字量 • D7~D0：输出数据线。 • VREF(+)，VREF(-)：参考电压。 • VCC：工作电压+5V • 一般VREF（+）与Vcc连接在一起，VREF（-）与GND连接
第2章过程输入输出通道
过程输入输出通道的组成与功能
◆模拟量输入（AI）通道：把从控制对象检测得到的时间连 续模拟信号（如温度,压力,流量,液位等）(1-10V,4-20mA) 变换成二进制的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测 通道) ◆模拟量输出（AO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接 口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道, 连续调节阀).
一、 信号的采样过程 (2)采样信号描述
采样器的闭合时间τ通常远远小于采样周期T，也远远小于被控 对象连续部分的所有时间常数。在分析时，可以认为τ= 0 。
这样理想采样器就等效于一个理想的单位脉冲序列发生器，能
够产生以T为周期的单位脉冲序列。理想采样过程如下图：
连续信号的理想采样过程
第三章常规第数二字章控过程制输器入的输设出计通方道法 10
第三章常规第数二字章控过程制输器入的输设出计通、 信号的采样过程 2．采样过程及数学描述
连续信号的采样过程
第三章常规第数二字章控过程制输器入的输设出计通方道法 7
2.1 信号采样与恢复
一、 信号的采样过程 (1)采样过程
1)周期采样：以相同的时间间隔进行采样，即 tk+1-tk=T(常量)(k=0,1,2…)，T为采样周期。 2)多阶采样：也称周期非均匀性采样，在这种形式下， tk+r-tk是周期性的重复，即tk+r-tk=T，r>1。 3)随机采样：顾名思义，这种采样形式没有固定的采 样周期，是根据需要来选择采样时刻。
2.1 信号采样与恢复
三、信息的恢复过程和零阶保持器
由于采样信号在两个采样点时刻上有值，而在两个 采样点之间无值，为了使得两个采样点之间为连续信号 过渡，以前一时刻的采样点值为参考值作外推，使得两 个采样点之间不为零值。可以实现采样点值不同外推功 能的装置或者器件就称为外推器或者保持器。
第二章过程通道设计方法1-65页精选文档
(2) 使通道具备抗噪声的能力，防止噪声引发误动作。 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现
场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施 转换成计算机能接收的逻辑信号，这个过程称为信号 调理。(电平变换和噪声抑制过程称为信号调理。)
2020/4/25
信息与电气工程学院
山东科技大学
3
计算机控制系统
信息与电气工程学院
山东科技大学
8
计算机控制系统
(3) 交流接点信号输入电路
保护整流桥
滤波电路
“0”
交流信号→ 直流信号
交流输入电路
2020/4/25
信息与电气工程学院
山东科技大学
9
计算机控制系统
2. 数字脉冲信号输入调理电路-计脉冲个数
+12V
+ V CC
R1 R3
R2
去
C
Z
计
数
器
光
选择不同稳压值的稳压管
7406
MOC 3041
T2
SCR T1
G
47 ~220V
0.01 F
广泛应用与交直流电机调速系统、随动系统中。
2020/4/25
信息与电气工程学院
山东科技大学
19
计算机控制系统
5. 固态继电器输出接口电路 无触点开关
零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。
2020/4/25
信息与电气工程学院
2020/4/25
信息与电气工程学院
山东科技大学
21
计算机控制系统
第三讲
2.2 模拟量输入通道设计方法
模拟量输入通道的任务：完成模拟量信号 到数字量信号的转换。
➢ 2.2.1 模拟量输入通道的组成 ➢ 2.2.2 I/V变换、多路开关、仪用放大器 及采样保持器 ➢ 2.2.3 模拟量输入通道的设计
场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离等措施 转换成计算机能接收的逻辑信号，这个过程称为信号 调理。(电平变换和噪声抑制过程称为信号调理。)
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保护整流桥
滤波电路
“0”
交流信号→ 直流信号
交流输入电路
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2. 数字脉冲信号输入调理电路-计脉冲个数
+12V
+ V CC
R1 R3
R2
去
C
Z
计
数
器
光
选择不同稳压值的稳压管
7406
MOC 3041
T2
SCR T1
G
47 ~220V
0.01 F
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5. 固态继电器输出接口电路 无触点开关
零交叉电路在交流电过零时产生触发信号，减少干扰。
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第三讲
2.2 模拟量输入通道设计方法
模拟量输入通道的任务：完成模拟量信号 到数字量信号的转换。
➢ 2.2.1 模拟量输入通道的组成 ➢ 2.2.2 I/V变换、多路开关、仪用放大器 及采样保持器 ➢ 2.2.3 模拟量输入通道的设计
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31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
过程输入输出通道设计
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部