第2章过程通道

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
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
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)
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
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）
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
ENVBiblioteka cVDD VSSOUT 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
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:
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
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
（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
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:
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
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 )
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
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
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。
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。
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