过程输入输出通道剖析
合集下载
第3章 过程输入输出通道
；读转换值低4位地址
；读A/D转换低4位 ； 送R2 ；读转换值高8位地址 ；读A/D转换高8 位 ；送R3 ；结束
返回本章首页
3.3 模拟量输出通道
一、模拟量输出通道的结构
1. 共用D/A 转换器形式结构图
保持器
放大变换
通道1
微型 计算 机
D/A 接口 电路 转 换 器
多 路 开 关
保持器
放大变换
线编址，从而有过程通道与存储器独立编址、过程
通道与存储器统一编址等常用方法。
2. 间接编址方式
通过接口对过程通道进行编址，此时的通道地址 不与地址总线相连。
3.2 模拟量输入通道
模入通道的功能是对过程量（即模拟量）进行 变换、放大、采样和模/数转换，使其变为二进制数 字信号并送入计算机 。
一、模拟量输入通道的结构
(2) 器件主要结构特性和应用特性
数字量输入特性
包括码制、数据格式以及逻辑电平。
模拟输出特性
目前D/A芯片多为电流输出型
锁存特性及转换控制
有些 D/A芯片内部不带锁存器，必须外加。
参考电源
参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量。
返回本章首页
三、D/A转换器与单片机的接口 1. DAC0832与8051的接口 （1） 直通方式
INC DPTR MOVX @DPTR , A DJNZ R7,LOOP CLR EX0
； 修改RAM区地址
； 修改通道号 ；启动A/D转换 ；8路未采集完，返回 ；采集完，关中断
LOOP: RETI
；中断返回
AD574（12位）与8051单片机的硬件接口电路。
8051
八、A/D转换器软件编程
CPU获取A/D转换的结果有两种办法：一是用查询、一 是用中断。
讲义 第二章 输入输出接口与过程通道
第二章输入输出接口与过程通道接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入接口和输出接口。
接口技术是研究计算机与外部设备之间如何交换信息的技术。
外部设备的各种信息通过输入接口送到计算机进行处理，计算机的各种信息通过输出接口送到外部设备进行控制。
尤其在工业过程的计算机控制系统中，输入输出接口无时无刻都在起着重要的作用，因为信息的交换是时刻发生的。
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道，它包括模拟量输入通道（AI），模拟量输出通道（AO），数字量（开关量）输入通道（DI），数字量（开关量）输出通道（DO）。
在计算机控制系统中，工控机必须经过过程通道和生产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部分。
本章对工业控制机的输入输出接口和过程通道进行设计和分析。
【补充知识】采用输入输出（I/O）接口的必要性：键盘，鼠标，磁盘，扫描仪，U盘等是大家熟悉的输入设备，而磁盘，CRT，打印机，绘图仪等则是最常见的输出设备。
所有这些设备可以统称为计算机的外围设备，简称外设（Peripherals），或I/O设备。
为了让这些设备能够按照计算机的要求有次序的输入或接收数据，CPU必须能够控制这些输入输出设备的启动和停止，以及了解它们的当前工作状态，并据此送出相应的控制命令。
通常，我们把计算机与外设之间的这种交换数据，状态，和控制命令的过程统称为通信（Communication）。
CPU与外设交换信息的过程，和它与存储器的交换数据一样，也是在控制信号的作用下，通过数据总线来完成的。
但后者要简单的多。
因为存储器芯片的存取速度与CPU是在同一数量级的，而且存储器本身具有数据缓冲的能力。
因此，CPU可以通过数据总线方便，迅速的与存储器进行数据交换。
而外设则不同，因为外部设备的种类繁多，要求也各不相同，容易带来以下许多问题，因此大多不能直接通过数据总线直接连接。
过程输入输出通道详解
3.1.1 数字量输入通道
2.输入调理电路 数字量输入通道的基本功能就是接收外部装 置或生产过程的状态信号。这此状态信号的 形式可能是电压、电流、开关的触点，容易 引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。 为了将外部数字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够接收的逻辑电 平信号，这些过程称为信号调理。下面针对 不同情况分别介绍相应的信号调理技术。
3.1 数字量输入输出通道
3.1.1 数字量输入通道
1.数字量输入通道的结构 数字量输入通道的结构 数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平号， 数字量输入通道将现场开关信号转换成计算机需要的电平号， 以二进制数字量的形式输入计算机， 以二进制数字量的形式输入计算机，计算机通过三态缓冲器读 取状态信息。数字量输入通道主要由输入调理电路、 取状态信息。数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲 器和接口电路组成。如图3-1所示 所示。 器和接口电路组成。如图 所示。 图3-1 数字量输入通道结构
3.2.3采样保持器
2、常用的采样保持器 图3-18 LF398的典型应用 的典型应用
3.2.3采样保持器
3、采样/保持器的主要参数 ●采集时间（捕捉时间）：当置于采样方式时，输出跟 踪输入需要的时间。采集时间T是指从采样开始到输出 稳定之间的时间。 ●转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位。 V/s ●孔径时间：当采样保持器从采样转入保持时，采样开 关完全断开所需的时间，即进入保持控制后，实际的 保持点会滞后真正要求保持点一段时间，一般是纳秒 级。这个时间由器件的开关动作时间决定。 ●下跌率（衰减率）：在进入保持阶段后，由于开关的 漏电流及保持电容泄漏，输出电压会下降，以mV/s表 示。在选择保持电容的容量时要折中地考虑采集时间 和下跌率。
第2章 过程输入输出通道1
01:48:57
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
01:48:57
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
01:48:57
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
01:48:57
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
01:48:57
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
01:48:57
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
01:48:57
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
(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。
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
第3章 过程输入输出通道
3.2 数字量输入/输出通道
3.2.1 数字量输入通道
数字量输入通道的
任务是把被控对象的开关 状态信号（或数字信号） 传送给计算机。这种通道 简称DI（Digital Input） 通道。
为了防止干扰常采用
光电隔离技术，TLP521 光耦内部结构图及引脚图 如图3－2所示。
8/48
第3章 过程输入输出通道
LF198/298/398由三个部分组成： 1) 输入电路 2) 输出电路 3) 逻辑控制电路 当控制逻辑IN（+）为高电平时，通过A3电路控制开关K闭合， 使输入电压经过A1放大并输出，与此同时，向保持电容（接6端） 充电。 当控制逻辑IN（+）为低电平时，开关K打开，保持电容上 的电压维持输出，以达到保持原来输出的目的。IN（－）一般接 地。 LF198/298/398的典型应用如图3-7和图3-8。
所
示
。
30kΩ
1 V+ V+
1
8
控制逻
辑
输入 2
-
偏置 3
+A1
4 V- 偏置
2
7
逻辑参
K
+A
5 输出
LF198
考
LF298
2
LF398
VIN
3
6
Cb
逻辑 8
-
逻辑 参考 7
+ A3
300Ω
V-
4
5
VOU
T
6 保持电容
（a）原理框图
（b）引脚排列图（双列直插 式）
图3-6 LF198/298/398原理框图及引脚排列
第3章 过程输入输出通道
第3章 过程输入输出通道
图2-2电流/电压变换电路
❖ 二极管保护作用
2） 有源I/V变换
D +5V
R1
+
I
C R2 V
-
(a) 无源I/V变换电路
R2
I
+ R1
CR3
+
R5
A
-
R4
(b) 有源I/V变换电路
V
G V 1R4
IR1
R3
图2-2电流/电压变换电路
若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，则输入电流I 的0～10 mA就对应电压输出V的0～5 V； 若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4～20 mA的 输入电流对应于1～5 V的电压输出。
1. 测量放大器
在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共 模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作 用。 因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的 测量放大器，也称仪表放大器。
经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器
的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输入端，
模拟信号中的信息。 这是一个原理性的误差源，若要减小这个误差，只有提高采样速率，
增加模数转换器的准确度（提高转换器的位数），当这两个参数达 到极限时，可以复现出模拟信号。然而，这两个参数是处在相互矛 盾之中，目前还无法和谐、统一。
在NI可提供的产品中：
NI PXI-5154是目前采样速率最高的模数转换器，但分辨率只有 8bits。 NI PXI-4071是目前测量分辨率最高的模块，26bits分辨率时，每秒 7次读数。 NI PXI-5922则是高速度、高分辨率二者兼顾最好的模数转换器， 24bits分辩率时500KHz采样速率；16bits分辨率时15MHz采样率。
第2章 输入输出接口与过程通道分析
第 2 章 输 入 输 出 接 口 与 过 程 通 道
.10.
2018/11/1
2.数字量输出接口
锁存：状态量需保持到下一 新值的出现为止
第 2 章 输 入 输 出 接 口 与 过 程 通 道
.11.
8位输出锁存器74LS273
根据PC总线IO写周期时序 关系，利用IOW的后沿产生 上升沿锁存数据 数据输出控制指令 MOV AL, 8FH（DATA） MOV DX, 221H（port） OUT DX, AL ；将AL中的数据输出到DX中 的片选地址端口
.20.
3．大功率交流驱动电路 固态继电器（SSR） 过零检测电路可使交流电压变化到零状态 附近时让电路接通，可减少干扰。电路接通以后，由触发电路给出 晶闸管器件的触发信号。
输入输出间采用光电耦合器进行隔离
过零型固态继电器的结构
2018/11/1
数字（开关）量输入/输出通道模板举例
第 2 章 输 入 输 出 接 口 与 过 程 通 道
微型计算机控制系统原理图
2018/11/1
微型计算机系统I/O端口与地址分配
端口：那些能够被CPU直接访问的接口电路中的 寄存器(用以暂存CPU与外设之间传输的数据、 状态、控制信息)统称端口
1.I/O端口及I/O操作 （1）数据端口(存放数据，起数据缓冲作用) （2）状态端口(指示准备就绪、忙、出错等) （3）控制端口(存放各种命令和控制字) （CPU通过地址对不同的接口或端口加以区分） 2. I/O端口编址方式 （1）统一编址 (与存储单元一样统一编址，同样访问，灵活性强) （2）独立编址 (单独编址，专门的I/O指令访问，程序清晰、译码简单、 执行速度快，但指令功能有限。Intel的80X86系列采 用)
《过程通道》PPT课件
，应取CH =1000μF。当CH ≥400μF时，采样时间tA
C与CH有经验公式
tAC=CH/40
式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样
时间，单位为s。
三、模拟信号的调理
在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型： 传感器输出的信号
① 电压信号：一般为mV或μV信号。 ② 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号， 通过电桥转换成mV信号。 ③ 电流信号：一般为mA或μA信号。
多路开关实例：CD4051
•CD4051是8通道多路 开关 •带有3个通道选择输 入端A、B、C，用于选 择8个通道之一 •一个禁止输入端INH， 高电平时，禁止模拟 信号输入；低电平时 允许模拟信号输入
VDD与VSS的电平差为 －0.5 ~15V
CD4051的真值表
输入状态
ＩＮＨ Ｃ
Ｂ
０
０
０
０
（以直流电桥为例） 直流电桥的平衡条件
R1R3 R2 R4
Uo
Uab
U ad
( R1 R1 R2
R4 )U R3 R4
R1R3 R2R4 U (R1 R2 )(R3 R4 )
设：热电阻：R1 R0 (t)t
3.2 运算放大器
运算放大器本质上是一个高增益的负反馈 直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、 乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外 设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放 大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及 交流放大器等测试装置。
的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、
工作可靠。 实际多路开关性能：导通电阻10几欧，开关速度几百
纳秒
多类开关的分类： 1) 单向多路开关(1对多或多对1)，如AD7501（8路）、 AD8506(16路)； 2) 双向多路开关（1对多且多对1），如CD4051； 3）矩阵多路开关（多对多），如MT8816；
C与CH有经验公式
tAC=CH/40
式中，CH为保持电容的容量，单位为μF；tAC为采样
时间，单位为s。
三、模拟信号的调理
在计算机控制系统中，模拟量输入信号类型： 传感器输出的信号
① 电压信号：一般为mV或μV信号。 ② 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号， 通过电桥转换成mV信号。 ③ 电流信号：一般为mA或μA信号。
多路开关实例：CD4051
•CD4051是8通道多路 开关 •带有3个通道选择输 入端A、B、C，用于选 择8个通道之一 •一个禁止输入端INH， 高电平时，禁止模拟 信号输入；低电平时 允许模拟信号输入
VDD与VSS的电平差为 －0.5 ~15V
CD4051的真值表
输入状态
ＩＮＨ Ｃ
Ｂ
０
０
０
０
（以直流电桥为例） 直流电桥的平衡条件
R1R3 R2 R4
Uo
Uab
U ad
( R1 R1 R2
R4 )U R3 R4
R1R3 R2R4 U (R1 R2 )(R3 R4 )
设：热电阻：R1 R0 (t)t
3.2 运算放大器
运算放大器本质上是一个高增益的负反馈 直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、 乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外 设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放 大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及 交流放大器等测试装置。
的导通电阻应为零，切换速度快、噪声小、寿命长、
工作可靠。 实际多路开关性能：导通电阻10几欧，开关速度几百
纳秒
多类开关的分类： 1) 单向多路开关(1对多或多对1)，如AD7501（8路）、 AD8506(16路)； 2) 双向多路开关（1对多且多对1），如CD4051； 3）矩阵多路开关（多对多），如MT8816；
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
36
SM331的8个模拟量输入通道共用一 个积分式A／D转换部件，即通过模拟切 换开关，各输入通道按顺序一个接一个 地转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值 起，一直持续到再次开始转换的时间称 模入模块的循环时间，它是模块中所有 活动的模拟量输入通道的转换时间的总 和。
37
实际上，循环时间是对外部模拟量 信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为20ms，8个 输入通道都接有外部信号且都需断线监 视的SM331模块，其循环时间为 (22+10)*8ms=256ms 因此，对于采样时间要求更快一些的 场合，优先选用二输入通道的SM331模 块。
激励电压 激励电压 全桥和半桥设置 全桥和半桥设置 隔离，放大， 噪声滤波 隔离，放大，噪声滤波 隔离，放大， 隔离，放大，
Demo
泛华测控 / Pansino
22
温度传感器的信号调理
绝大多数传感器均有相应的变送器，但温 度传感器的调理电路往往需自己制作，当然也 有现成的产品，但价格较高。常见的温度调理 电路采用桥式电路原理进行测量。
18
液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
测量范围： 测量范围：0.2~5m 基本测量精度： 基本测量精度：0.05%
19
压力型液位变送器
JYB-K*-**型液位变送器 型液位变送器 量 程 ： 0-0.5m,4m,100m 精度： 级 ± 精度：A级≤±0.25％ ％ B级≤±0.5％ 级 ± ％
20
27
A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数 字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算 机之间的接口，它在数据采集和控制系统中， 得到了广泛的应用。
28
3.1.1 模拟量输入通道
变送器输出的信号为0～ 变送器输出的信号为 ～10mA或4 ～ 20mA 或 的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号 变换变成 电压信号后 的统一信号 ， 需要经过 变换 变成 电压信号 后 才能处理。 对于电动单元组合仪表， 才能处理 。 对于电动单元组合仪表 ， DDZ—Ⅱ Ⅱ 号标准为0～ 型的输出信 号标准为 ～10mA，而DDZ—III型 ， 型 输出信号标准为4～ 输出信号标准为 ～20mA。 。
输入输出接口与过程通道
D/A
V/I
D/A
V/I
图2.18
多D/A结构
特点:1、一路输出通道使用一个D/A转换器
2、 D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器
3、 D/A转换器具有数字信号转换模拟信号、信号保持作用
4、 结构简单，转换速度快，工作可靠，精度较高、通道独立
5、 缺点是所需D/A转换器芯片较多
通道 1 通道 n
量电压或电流信号，去驱动相应的执行器，从而达到控制的目的; ❖ 模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成--一般是由接口电路
、数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等; ❖ 模拟量输出通道基本构成--多D/A结构（图2.18）和共享D/A结构（
图2.19）
PC 总 线
接 口 电 路
中断服务子程序：
ORG 0003H
AJMP RDDAT
RDDAT:MOVX A，@DRTR
;读转换结果
MOVX @R0，A ;存数到缓冲区
INC R0 ;修改缓冲区指针
INC R1 ;修改通道号（通道号加1）
REP: MOV A，R1
CJNE A，#08H，REP1
;完成8通道采样吗？
MOV R1，#00H
常用的集成采样保持器有LF198/298/398等， LF398它有8个引脚，2脚接1 k 电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚 接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。
LF398的采样保持控制引脚8：
高电平1，采样
低电平0，保持
CH为保持电容，将其减小
逻辑结构图如下图所示。
START：启动转换命令输入端， OE：输出使能端，高电平有效。A、B、C地址 输入线，用于选通8路模拟输入中的一路进入A/D转换。ALE：地址锁存允许信 号。EOC：转换结束信号输出。CLOCK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640 kHz。REF（+）与REF（-）：基准电压。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
e s
s
式中 s 2fs 采样角频率。
2 T
为
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
3. 零阶保持器的实现
零阶保持器可以用无源网络来近似实现。如果将零阶保持
器传递函数中的 eTs 展eT 开s成1幂级T数s1T2s2
(1) 取级数的前2项:
2!
G h s 1 e s T s1 s 1 e 1 T s 1 s 1 1 1 T s1 T Ts
又由于在整个控制过程中，采样周期一般是不变的，所以 输出信号 x*(t) 也可以记为 x(kT) 或 x(k)。由此，模拟信号的理 想采样过程如下。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
2.1.2 采样定理
第2章 过程输入输出通道
为使离散信号能不失真地恢复为原来的连续信号，对采样 角频率有一定的要求，香农（Shannon）采样定理则定量地给 出了采样角频率的选择原则。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2. 零阶保持器的数学模型
零阶保持器的传递函数为: GhsX X* hss1esTs
零阶保持器的频率特性为:
G h
j
1 e jT
e
1 2
j T
e
1 2
j T
e
1 2
j T
j
j
T
sin T
2
1 j T
e2
T 2
2 s
sin s
j
上式可用图2-9所示的RC无源网络来实现。
(2) 取级数的前3项:
G hs1s eTs1 s 11T 1 s2 1!T2s2 T1T 1 T s2 T2 2ss2
上式可用图2-10所示的RLC无源网络来实现。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.2 模拟量输入通道
① 电压信号：一般为mV或μV信号。 ② 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电 桥转换成mV信号。 ③ 电流信号：一般为mA或μA信号。 变送器输出信号： ① 电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA （0~500Ω负载）。 ② 电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。
K
即： x*(t)xKT tKT
刻开始施加的，因此采样器的输入信号在时为零。
所以，上述公式的求和下限应该取零。
x*(t)x(t)T(t)x(t) tKT K0
x*(t)xKT tKT K0
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
传感器、变送器输出信号往往不能直接送入A/D，通常 1、小电压信号经放大器放大，变换成标准电压信号，如0~5V、
1~5V 、0~10V、 -5V~+5V 等，再送入A/D转换器。 2、电流信号经I/V变换，将电流信号转换成标准电压信号，
再送入A/D转换器。
1. 为了实现对被控对象的有效控制，必须把离散信号恢复为连 续信号。 2. 采样定理从理论上给出了从采样信号 x*(t) 恢复为原来连续 信号 x(t) 的条件。 3. 可以注意到，信号的恢复需要通过一个理想的低通滤波器滤 除 x*(t) 中的高频分量，滤波器的输出就是原来的连续信号x(t)。 4. 理想的低通滤波器在物理上是很难实现的，因此在工程上通 常采用接近理想滤波器特性的零阶保持器来代替。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
输入和输出计算机的信息转换如图所示:
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2. 采样过程及其数学描述
采样过程：将模拟信号a) 转换为 离散模拟信号c)；
采样器/采样开关：实现采样过程的装置。
T：采样周期；τ：采样开关闭合的持续时间
2.2.1 模拟量输入通道的一般组成
一般由信号调理电路、多路模拟开关、前置放大器、采 样保持器和A/D转换器等组成，核心是A/D转换器。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
1. 信号调理电路 在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出
信号和变送器输出信号两类。 传感器输出信号：
采样定理： 如果连续信号 x(t) 具有有限频谱，其最高频率为ωmax，则
对 x(t) 进行周期采样且采样角频率ωs≥2ωmax时，连续信号x(t)可 以由采样信号 x*(t) 唯一确定，即可以从 x*(t) 不失真地恢复 x(t) 。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.1.3 信息的恢复过程和零阶保持器
I/V变换电路分无源和有源2种。
南通大学电气工程学院
τ通常远远小于T，在分析时，可认为τ=0，此时为理想采样
器，等效为一个理想的单位脉冲序列发生器，即一个以T为周
期的单位脉冲序列
T(t) tKT
K
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
这样，理想采样器的输入信号x(t)和采样器的输出信号x*(t)
之间存在下面的关系：
x*(t)x(t)T(t)x(t) tKT
（1）模拟信号 在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用
十进制数表示。这是控制对象需要的信号。 （2）离散模拟信号
在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信 号变换过程中需要的中间信号。 （3）数字（离散）信号
在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码 形式表示。这是计算机需要的信号。
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.1 信号的采样与恢复 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.1 信号的采样与恢复
2.1.1 信号的采样过程
1. 信号类型 在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
1. 零阶保持器 零阶保持器的作用是把采样时刻kT的采样值恒定不变地保
持（外推）到（k+1）T 时刻，也就是说，在[kT, (k+1)T] 时间 区间内，它的输出量一直保持为 x(kT) 这个值，从而使得两个 采样点之间不为零值。这样，零阶保持器把离散信号恢复成了 一个阶梯波形信号xh(t) ，如图所示。
s
式中 s 2fs 采样角频率。
2 T
为
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
3. 零阶保持器的实现
零阶保持器可以用无源网络来近似实现。如果将零阶保持
器传递函数中的 eTs 展eT 开s成1幂级T数s1T2s2
(1) 取级数的前2项:
2!
G h s 1 e s T s1 s 1 e 1 T s 1 s 1 1 1 T s1 T Ts
又由于在整个控制过程中，采样周期一般是不变的，所以 输出信号 x*(t) 也可以记为 x(kT) 或 x(k)。由此，模拟信号的理 想采样过程如下。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
2.1.2 采样定理
第2章 过程输入输出通道
为使离散信号能不失真地恢复为原来的连续信号，对采样 角频率有一定的要求，香农（Shannon）采样定理则定量地给 出了采样角频率的选择原则。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2. 零阶保持器的数学模型
零阶保持器的传递函数为: GhsX X* hss1esTs
零阶保持器的频率特性为:
G h
j
1 e jT
e
1 2
j T
e
1 2
j T
e
1 2
j T
j
j
T
sin T
2
1 j T
e2
T 2
2 s
sin s
j
上式可用图2-9所示的RC无源网络来实现。
(2) 取级数的前3项:
G hs1s eTs1 s 11T 1 s2 1!T2s2 T1T 1 T s2 T2 2ss2
上式可用图2-10所示的RLC无源网络来实现。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.2 模拟量输入通道
① 电压信号：一般为mV或μV信号。 ② 电阻信号：单位为Ω，如热电阻（RTD）信号，通过电 桥转换成mV信号。 ③ 电流信号：一般为mA或μA信号。 变送器输出信号： ① 电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA （0~500Ω负载）。 ② 电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。
K
即： x*(t)xKT tKT
刻开始施加的，因此采样器的输入信号在时为零。
所以，上述公式的求和下限应该取零。
x*(t)x(t)T(t)x(t) tKT K0
x*(t)xKT tKT K0
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
传感器、变送器输出信号往往不能直接送入A/D，通常 1、小电压信号经放大器放大，变换成标准电压信号，如0~5V、
1~5V 、0~10V、 -5V~+5V 等，再送入A/D转换器。 2、电流信号经I/V变换，将电流信号转换成标准电压信号，
再送入A/D转换器。
1. 为了实现对被控对象的有效控制，必须把离散信号恢复为连 续信号。 2. 采样定理从理论上给出了从采样信号 x*(t) 恢复为原来连续 信号 x(t) 的条件。 3. 可以注意到，信号的恢复需要通过一个理想的低通滤波器滤 除 x*(t) 中的高频分量，滤波器的输出就是原来的连续信号x(t)。 4. 理想的低通滤波器在物理上是很难实现的，因此在工程上通 常采用接近理想滤波器特性的零阶保持器来代替。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
输入和输出计算机的信息转换如图所示:
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2. 采样过程及其数学描述
采样过程：将模拟信号a) 转换为 离散模拟信号c)；
采样器/采样开关：实现采样过程的装置。
T：采样周期；τ：采样开关闭合的持续时间
2.2.1 模拟量输入通道的一般组成
一般由信号调理电路、多路模拟开关、前置放大器、采 样保持器和A/D转换器等组成，核心是A/D转换器。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
1. 信号调理电路 在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出
信号和变送器输出信号两类。 传感器输出信号：
采样定理： 如果连续信号 x(t) 具有有限频谱，其最高频率为ωmax，则
对 x(t) 进行周期采样且采样角频率ωs≥2ωmax时，连续信号x(t)可 以由采样信号 x*(t) 唯一确定，即可以从 x*(t) 不失真地恢复 x(t) 。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.1.3 信息的恢复过程和零阶保持器
I/V变换电路分无源和有源2种。
南通大学电气工程学院
τ通常远远小于T，在分析时，可认为τ=0，此时为理想采样
器，等效为一个理想的单位脉冲序列发生器，即一个以T为周
期的单位脉冲序列
T(t) tKT
K
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
这样，理想采样器的输入信号x(t)和采样器的输出信号x*(t)
之间存在下面的关系：
x*(t)x(t)T(t)x(t) tKT
（1）模拟信号 在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用
十进制数表示。这是控制对象需要的信号。 （2）离散模拟信号
在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信 号变换过程中需要的中间信号。 （3）数字（离散）信号
在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码 形式表示。这是计算机需要的信号。
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.1 信号的采样与恢复 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
2.1 信号的采样与恢复
2.1.1 信号的采样过程
1. 信号类型 在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。
南通大学电气工程学院
计算机控制技术
第2章 过程输入输出通道
1. 零阶保持器 零阶保持器的作用是把采样时刻kT的采样值恒定不变地保
持（外推）到（k+1）T 时刻，也就是说，在[kT, (k+1)T] 时间 区间内，它的输出量一直保持为 x(kT) 这个值，从而使得两个 采样点之间不为零值。这样，零阶保持器把离散信号恢复成了 一个阶梯波形信号xh(t) ，如图所示。