第2章过程通道

26
湿簧继电器器件
27
干簧继电器电磁特性：
激磁线圈
镀金触点
簧片
S N
玻璃管
氮气
U ＋－
●优点： 开路电阻Roff>1000MΩ 、闭合电阻Ron<50mΩ 受环境因素影响小。
●缺点： 开闭有抖动现象，速度相对低、有吸合不放现 象，寿命相对较短。
28
2）飞渡电容继电器采样开关
●结构：
现 场 模 拟 量 信 号
为什么模拟量输入通道需要设计多路采样？
1、多路采样器结构组成 （1）采样控制器 （2）采样驱动器 （3）采样开关
17
检测变
信号
输
送单元
处理单元
入
采
K
A/D
样
生
检测变
信号
电
MCS Keyboard
MCS Keyboard
送单元
处理单元
路
微
处
产
执行
输出
输
器单元
保持
出
D/A
扫
理
Printer
Printer
i0
i0
（2）网络输出电流
K0-K3全部闭合时：
I
15I 8
47
（3）网络输出电压
3
4位网络: U R I IR ai 2i3
i0 n1
n位网络: U R I IR ai 2in1
i0
K0-K3全部闭合时: U 15 E
16
误差分析：
D/A位数越多量化误差越小，其中，电
流I误差：I/2n-1、电压U误差：E/2n
0.2～2
路数
8
AD7502 170~300
0.2～2
双4
AD7506 400
0.05
16
CD4051 270
双向
MC1150L 500
100
15
8
MX53C 500
250
3
10
33
4）微型变压器耦合采样开关
Vi
RC网络
隔离
变压器 采样器
信号转换
Vout
P3 S1
S3
（1）
P1 Vout
P2
Vi
（2）
3s 2
（2）s 2max
s 0 s 3s
2
2
2
x*( j )
3s
s
0
s
3s
2 22 2
8
● 两倍于信号频率的采样速率对正弦波进行采样
采样于输入 信号峰值处
重建的波形
采样于输入信 号过零点附近 重建的波形
9
● 以每周期约三个采样点进行采样的信号波形
对输入信号采样每 周期约三个采样点
＋
Vx
Vf
现场模入信号
－
Vf 参考电压
Vf> Vx
D/A网络
E Vx
D7
Vf< Vx Vf< Vx
D6 D0
SAR移位寄存器
Vf< Vx
1000 0100 0110 0111
0
启动
时序控制逻辑 转换结束
t
时钟 Φ
4位逐次逼近式A/D转换原理
50
◆移位寄存器SAR ◆D/A网络 ◆比较运算放大器 ◆时序控制逻辑
21R I/2
－
U
I
K2
＋
22R I/4
a121
K3
设基准电流为：
23R I/8
I=E/R
a020
4位权电阻网络原理
43
（1）设输入二进制数字量为
3
4位网络：D4=a020+a121+a222+a323 = ai 2i i0 n1
n位网络：Dn=a020+a121+…+an-12n-1 = ai 2i i0
n1
ai
2in1
i0
（4）存在的问题 网络中各位权电阻阻值不相同，离散性较
大，当转换位数增多时，易产生一致性误差。
45
2、R-2R电流相加型D/A网络
组成： 基准电源、模拟二进制开关、精密电阻网络、 运算放大器
a323
a222
a121
a020
R
I －
U
＋
K0
K1
K2
K3
2R I 2R I/2 2R I/4 2R I/8
00－0FH
S15
16 S14 15
～
14
AD7506
31 路
模 S0
入
0
EN
Vcc
VDD VSS
OUT A3 A2 A1 A0
10－1FH
A4 A3 A2 A1 A0
37
（2）64路模入扩展
S15 15 A
S14 14
S0
0
EN
AD7506
Vcc
VDD VSS
OUT A3 A2 A1 A0
00－0FH
48
2.3.2 A/D转换
主要类型方式：
● 计数比较式：结构简单，价格便宜，速度 慢，较少采用。
● 逐次逼近式：精度速度较理想，适合一般模 入采样，16位以下A/D转换器应用广泛。
● 双斜率积分式：精度高，结构复杂，适用于 A/D转换精度要求较高场合。
49
1、逐次逼近式
（1）结构组成及转换原理:
14
● 采样周期选取的一般原则：
（1）系统受扰动情况 △若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些； △对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应
选小些； （2）被控系统动态特性 △滞后时间大的系统，采样周期T应选大些； △对于快速系统，采样周期T应选小些； （3）控制品质指标要求 △若超调量为主要指标，采样周期T应选大些； △若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小
由于τ 0＜＜T，所以近似认为τ 0为0，以 单位脉冲函数δ (t)代替p(t)。
4
● 单位脉冲函数：
{ ∞ t=0
理论表达形式：δ (t)＝ 0 t≠0
{ 工程表达形式：δ (t)＝
1 0
t=0 t≠0
● 单位脉冲序列：
δ T(t)
0
kT
● 数学表达式： T (t) (t kT )
k
5
● 采样过程数学描述:
A1 input
A2 CH
快速充电回路
高阻抗运放 CH电能损耗小
、保持电容CH 、输入输出缓冲器A1、A2 、输入开关及控制电路
36
4、模入通道多路采样开关设计举例
S15
15
0
S14 14
～
AD7506
15 路 模 S0 0 入
EN
Vcc
VDD VSS
OUT A3 A2 A1 A0
（1）32路模入扩展
S15 15 C
S14 14
S0
0
EN
AD7506
Vcc
VDD VSS
OUT A3 A2 A1 A0
20－2FH
S15 15 B
S14 14
S0
0
EN
AD7506
Vcc
VDD VSS
OUT A3 A2 A1 A0
S15
D
15
S14 14
AD7506
S0
0
EN
Vcc
VDD VSS
OUT A3 A2 A1 A0
2I
R
R
R
2R I/8
E
4位R-2R电流相加型网络原理
46
（1）设输入二进制数字量为
3
4位网络：D4=a020+a121+a222+a323 =ai 2i
i0 3
n位网络：Dn=a020+a121+…+an-12n-1 = ai 2i i0
设基准电流为：I=E/2R
3
n1
4位网络： I I ai 2i3 n位网络： I I ai 2in1
20
3、典型采样开关 1）继电器式采样开关
▲类型： 干簧继电器、 湿簧（水银）继电器
▲采样速度： 干簧继电器： 100点/S、T=10ms 湿簧（水银）继电器： 200点/S、T=5ms
21
干簧继电器原理
22
干簧管内部结构 双触点
单触点
23
干簧继电器器件
24
湿簧继电器原理
25
湿簧继电器结构
I/O 7 I/O
I/O
0
C
B
A
INH
CD4052 CD4051
Vcc
I/O
VEE
Vss I/O
OUT/IN
I/O
I/O
3 A 0
3 B 0 INH
Vcc
VEE
Vss
OUT/IN(A) OUT/IN(B)
B A
双向8选1交直流开关
双向双4选1交直流开关
31
AD7506 AD7501
A7 7 A6 6
输入信号x(t)；换言之，为使采样信号x*(t)
的频谱能无失真地恢复连续输入信号x(t)的频
谱，采样周期T必须小于等于输入信号中变化
最小周期 Tmin 的1/2：
即：
T
1 2
Tmin
7
由于被控对象一般具有低通滤波特性，所以x(t)的带 宽是有限的，其振幅谱图如下：
（1）s 2max
x( j)
max 0 max x*( j )
41
2.3 D/A、A/D转换技术 2.3.1 D/A转换 2.3.2 A/D转换 2.3.3 A/D、D/A主要技术指标 2.3.4 典型芯片介绍
42
2.3.1 D/A转换
1、权电阻D/A网络
组成： 基准电源、模拟二进制开关、精密电阻网络、 运算放大器
E a323 a222
K0
20R I
Rf
K1
第2章 过程通道
2.1 过程参数采样原理 2.2 模拟量输入通道（AI） 2.3 D/A、A/D转换技术 2.4 模拟量输出通道（AO） 2.5 开关量输入/输出通道（DI/DO） 2.6 过程通道抗干扰措施
1
2.1 过程参数采样原理 2.1.1 采样过程与数学描述 2.1.2 采样定理 2.1.3 采样周期选择 2.1.4 多路采样原理
V1 C1
Vn Cn
飞渡电容
RL 至A/D
Rc
浮地
由于放大器输入阻抗很高，所以飞电容上的信号衰减可忽略不计。
29
●特点： ※ 现场（传感器、变送器）与主系统隔离，
抗共模干扰能力强； ※ 信号源内阻与飞电容起到低通滤波器作
用，对工业噪声有较强抑制作用； ※ 结点结构复杂，价格高，速度较低。
30
3）模拟IC集成电子采样开关
x*(t)
x(t).T (t) x(t)
(t kT )
k
考虑物理上可实现，又可近似为：
x*(t)
x(t).T
(t)
x(t)
(t
kT
)
k 0
可见，x*(t)具有离散信号的特征。
6
2.1.2 采样定理
对于角频率范围为（ max ,max ）的
连续信号进行采样，当采样频率 s 2max
时，采样器输出信号x*(t)才能充分表征连续
2
2.1.1 采样过程与数学描述
X(t)
(a) 连续信号
0
(b) 采样开关 X(t)
t
X*(t)
P(t)
(c) 开关函数
0
1
0 T 3T 5T 7T
KT
3
X*(t)
(d) 采样信号 1
0 T 3T 5T 7T
kT
P(t)
(e) 采样过程 X(t) 调制器 X*(t) x*(t)=p(t)x(t)
些；
15
采样周期工程参考值
被控参数
主蒸汽压力、汽包压力、 炉膛负压、凝汽器真空、 汽包水位、汽轮机转速
流量、主蒸汽温度、一般 压力、真空和电气参数
一般液位参数
采样周期T(s) 0.5～1 3～5 6～8
一般温度参数
15～30
成分量： Ox, NOx, SOx,COx
15～60
16
2.1.4 多路采样原理
P3
S2
Vout
P1
P2
34
微型变压器采样开关特点： （1）每路输入均采用变压器隔离，抗共模
干扰能力强； （2）开关速度快； （3）结构复杂，价格高。
35
5）采样保持器
主要作用： （1）保持模拟量输入信号在采样、A/D转换期间不变； （2）消除D/A转换输出信号脉冲特性，保证信号连续性； （3）把多路D/A控制信号分时分配到多个输出回路； （4）实现多路D/A输出控制回路同步调节。
A0 0 EN
Vcc VDD VSS OUT
C B A
单向8选1直流开关
S15 15 S14 14
S0 0 EN
Vcc
VDD VSS
OUT A3 A2
A1 A0
单向16选1直流开关
32
几种典型集成模拟电子开关电气性能
性能 型号
AD7501
Ron( )
170~300
Roff(M )
漏电流Is (nA)
（2）网络输出电流
4位网络：
I
I
3
ai
2i3
i0
n位网络：
I
I
n1
ai
2in1
i0
结论：随着输入网络的二进制数字量增加，网络
输出电流也随之增加。
44
（3）网络输出电压
4位网络：
U
Rf
I
IR f
3
ai
i0
2i3
E
Rf R
3
ai 2i3
i0
n位网络：
U
Rf
I
IR f
n1
ai
2in1
E
i0
Rf R
重建的波形
10
● 以每周期五个采样点进行采样的信号波形
对输入信号采样每 周期约五个采样点
重建的波形
11
● 假象信号正弦波
采样频率很低时 对输入信号采样 重建的假象波形
12
● 实时采样
输入信号 采样时刻
13
2.1.3 采样周期选择 ● 影响采样周期选择的因素：
（1）生产过程受扰动程度； （2）被控过程的动态特性； （3）控制方式和执行器类型； （4）被控过程要求的控制品质指标。
Kwk.baidu.com
保持
A/D
微
I/O
处
接
理
口
器
单
元
采样控制器
40
2.2.2 模入通道设计中需考虑的问题
（1）电平统一、信号匹配（一般为mA、mv、v）； （2）采用可编程放大器，对于不同幅值模拟量信号，
在线调整增益； （3）抗干扰措施：隔离、屏蔽、接地、浮置、
电源逆变； （4）采样保持：对于快变模入信号，需考虑
采用采样保持器或有效值转换器。
器
控
描
过
执行
输出
电
器单元
保持
路
制
Data
单
元
程
开关量输入通道
Data
开关量输出通道
18
多路采样器组成
现场信号
行驱动器
多路开关 采样矩阵
列驱动器 采样控制器
K
A/D
I/O
微处理器 控制单元
I/O
19
2、采样开关技术要求 （1）导通电阻Ron应尽量小，开路电阻Roff尽量大； （2）开关切换时间短、迟延小，稳定速度快； （3）能正确处理微弱电压电流信号； （4）信号输入/输出之间线性度、稳定性好； （5）工作寿命长。
10－1FH
注：考虑全译码时应将A7,A6加入
30－3FH
A5 A4 A3 A2 A1 A0
38
2.2 模拟量输入通道 2.2.1 一般组成 2.2.2 设计中需考虑的问题
39
2.2.1 一般组成
生 产 现 场
信号处理 检
测
传
感
信号处理
变
送
器
单
元
信号处理
多 路 信 号 采 样 电 路 单 元
采样