过程输入输出通道剖析
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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。
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。
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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：
I/V变换电路分无源和有源2种。
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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。
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第2章 过程输入输出通道
2.2 模拟量输入通道
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
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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. 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。
K
即： x*(t)xKT tKT
K
在分析一个系统时，一般都是讨论零状态响应，控制作用
也都是零时刻开始施加的，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
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第2章 过程输入输出通道
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) 。
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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
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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）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。
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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
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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。
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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。
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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:
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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
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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
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。
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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。
e s
s
式中 s 2fs 采样角频率。
2 T
为
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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
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。
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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：
I/V变换电路分无源和有源2种。
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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。
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2.2 模拟量输入通道
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
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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. 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。
K
即： x*(t)xKT tKT
K
在分析一个系统时，一般都是讨论零状态响应，控制作用
也都是零时刻开始施加的，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
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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) 。
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2.1.3 信息的恢复过程和零阶保持器
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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）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。
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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
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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。
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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。
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输入和输出计算机的信息转换如图所示:
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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
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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
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2
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e2
T 2
2 s
sin s
j
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。
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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。
e s
s
式中 s 2fs 采样角频率。
2 T
为
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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