第二章 计算机控制系统过程通道设计方法 (第三讲)

优点：转换速度快，转换时间固定 缺点：抗干扰能力差
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2) A/D转换器主要性能指标及术语
分辨率(Resolution)
量化误差(Quantizing error)
线性度(Linearity)
转换精度(Conversion Accuracy)
绝对精度 相对精度
转换时间(Conversion Time)
(d) 采样信号
1
0
T
3T
5T P(t)
7T
kT
(e) 采样过程
X(t)
调制器
X*(t)
x*(t)=p(t)x(t)
因 T，所以分析时可近似认为 0 0，以单 位脉冲函数 (t ) 来代替p(t)。
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单位脉冲函数定义：
, t 0 理论表达形式： (t ) 0 , t 0 1, t 0 工程表达形式： (t ) 0 , t 0 δT(t)
限幅
精密电阻 输入 0~10mA
R1 100 R2 500
输出
0~5V
4~20mA
R1 100 R2 250
1~5V
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2) 有源I/V变换
R2 I R1 C R3
为何选用运 算放大器？
+
A
R4
R5
V
精密电阻
输入 0~10mA
R4 A 1+ R3
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3) 常见A/D转换器及其外特性
由于逐次近似寄存器式转换方式的快速性，因 此在普通A/D元件市场上有相当多的是采用该方法， 如
8位的ADC0801、0804、0808、0809；
10位的AD7570、AD573、AD575、AD579； 12位的AD574、AD578、AD7582。
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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2.2.1 模拟量输入通道的组成
AI通道的任务是把生产现场被控对象(如温度、 压力、流量、液位、电流、电压、成分等)模拟量 信号转换成计算机可以识别的数字量信号。
4-20mA 1-5V
过 程 参 数 传 感 变 送 器 信 号 调 理 多 路 模 拟 开 关 信 号 放 大 器 采 样 保 持 器 A/D 转 换 器 接 口 逻 辑 电 路 PC 总 线
模拟量输入通道的结构组成图
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2.2.2 I/V变换、多路开关、仪用放大 器及采样保持器
在设计离散系统时，香农采样定理是必须严 格遵守的一条准则，它指明了从采样信号中不失 真地复现原来连续信号的最低采样频率。
香农定理：若采样保持器的输入信号 x(t )具有有 限带宽，设输入信号 x(t )的频率分量为 f max，采样 * 频率为 f s ，则要从采样信号 x (t )中完整地复现信 号 x(t ) ，则必须满足： f s 2 f m a x 。
在实际系统中， T ，也就是说，可以近似地认为 采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。
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(a)采样开关
X(t) X(t)
X*(t)
(b)连续信号
0
t
P(t)
0
(c)开关函数
1
0
T
3T
5T
7T
KT
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X*(t)
CMOS的模拟开关电路：通过 数字量来控制传输门(TG)的接 通和断开以传输数字信号或模 拟信号
TG TG A B 11 10 二进 制译 码器 TG 优点：功耗低、速度快、体积小、 无机械式触点，使用寿命长 公共端 TG 3 缺点：导通电阻不够小 (几十欧至几 OUT/IN 百欧)，断开时有泄漏电流 (0.1微安)， TG 且通过电流一般为毫安 TG TG TG 8 VSS 7 VEE
t
采样 保持 采样 保持 采样 保持 采样 保持 采样 保持 采样 采 样 保 持 器 输 出
如图所示，它有两种 工作状态，一种是采 样状态，另一种是保 持状态。
t
时间上离散 离散模拟信号 幅值上连续
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采样保持器工作状态
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对于同步系统，几个并联的参量均取自同一瞬 时，如电力系统监控中的功率计算，就是同一时刻
当某一通道进行A/D转换时，由于A/D 转换需
要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起
较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要 应用采样保持器。 采样保持器的作用是在两次采样的间隔时间内， 一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。
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采 样 保 持 器 输 入
放构成的测量放大器，也称仪表放大器。
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可抑制共模干扰
Rs 2 R1 G (1 + ) R2 RG
调整放大器增益
(a) 经典测量放大器(AD521结构图)
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(b) 可变增益放大器
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4. 采样保持器
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C 9 逻辑 INH 6 电平 转换
CD4051原理图
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并非实际的开关，而是 CMOS的模拟开关，若 VEE，VSS的电压匹配 不足，开关就相当于一 个大内阻
Sm A 译 码 驱 动 电 平 转 换 B C INH
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
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补：扩展电路
当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片， 也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。
Sm
S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7
译 码 驱 动
电 平 转 换
A B C INH
Sm
S8 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15
A1
_ A3 +
LF398
LF398内部原理与应用电路
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2.2.3 模拟量输入通道的设计
模拟量输入通道中主要器件就是A/D转换器。 设计稳定、优良的模拟量输入通道的基础：了解 A/D转换器的原理和外部特性。
模拟量输入通道设计过程中需要主要解决的问题：
① 如何启动A/D转换 ② 如何判断A/D转换结束 ③ 如何读取并存放转换结果
译 码 驱 动
电 平 转 换
A B C INH
D3 D2 D1 D0
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3. 测量放大器
在实际工程中，传感器或变送器输出的模拟信号
一般较弱，故需要将其放大以达到A/D转换所需的量
程范围。 运算放大器：具有毫伏级的失调电压和温漂
放大器
测量放大器：高输入阻抗、低输出阻抗，低温
R1 200，R3 100 K，R4 150 K
输出 0~5V
4~20mA
R1 200，R3 100K，R4 25K
1~5V
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3) 专用I/V转换电路
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2. 多路开关(多选一)
VDD 通道IN/OUT 7654 321 0 4 2 5 112151413
漂，低失调电压和高稳定增益，抗共模干扰能力强
常用的测量放大器为AD521，AD522等。
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AD521基本连接方法
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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通道中常采用由一组运
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2. A/D转换器接口及程序设计
在模拟量输入通道设计中，A/D转换器与计算 机的连接(硬件设计)及程序设计(软件设计)是其重 要组成部分。 1) A/D转换器的接口技术
① 模拟量输入与数字量输出的连接 ② A/D转换器的启动 ③ A/D转换器结束信号的处理
2) A/D转换器的程序设计
的交流电流和电压值。而各参数要共享一个A/D转
换器，就必须保持其信号直到本次A/D转换全部完 成。但转换完成后，又要求A/D转换器的输入信号 能够随模拟量的变换而变化。 最常用的采样保持器有AD公司的AD582、 AD585、AD346、AD389、ADSHC-85，以及国家 半导体公司的LF198/298/398。
A/D转换器与计算机的接口及其程序设计。
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1. A/D转换器
常见结构：逐次逼近寄存器 √逐次逼近式速度为双积分式
双积分
△ -∑
的100倍以上
精度高于16位
高速流水线
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1) 逐次逼近寄存器式A/D转换器的基本工作原理
比较器
V I - V r ef B 2n V r ef + - V r ef 电气与自动化工程学院
⑴4～20mA电流信号适用在现场与控制室之间远距离传输，可以避免传输 导线上的压降损失引起的误差。 ⑵1～5V电压信号适于控制室内短距离联络，仪表之间可以并联连接，便
于仪表安装和维修。
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为什么选取这样的标准信号？
(a) 30V电压，30mA电流所引起的火花能量足以达到危险气
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1. I/V变换
传感器和变送器输出的信号为1~5V或4~20mA， 而A/D转换器所接收的模拟信号为0~±10V或0~±5V。 思考：(1) DDZ-II型与DDZ-III型电动单元组合仪表
的区别？
(2) DDZ-III型电动仪表为何在控制室使用电 压传输，在现场与控制室间使用电流传输？
单位脉冲序列：
0 kT
+
数学表达式： T (t ) (t - kT )
k -
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采样过程数学描述:
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 )
图2 -3 CD4051结构原理图 CD4051 结构原理图
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CD4051真值表:
输入状态 INH 0 0 0 0 0 0 0 0 C 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 接通通道 CD4051 0 1 2 3 4 5 6 7
第三讲
2.1 数字量过程通道的设计方法 2.2 模拟量输入通道设计方法
2.3 模拟量输出通道设计方法
2.4 电气控制器与执行器 2.5 小
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结
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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、测量
体燃点的平均下限，因此多数仪表采用24V供电，为了留有
余量，电流信号上限定为20mA。 (b) 为了区分无信号和信号为零，信号起始值不为零。 (c) 两线制仪表在信号为零时仍需要一定的能量供应。 (d) 4-20mA电流作用在250Ω电阻上刚好得到电压1-5V。
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1) 无源I/V变换
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数据采样过程
y( t ) y( t ) y *( t ) y* (t)

采样器
0 t 0 T T 2T 3T t
常用术语： 图2-7 信号的采样过程 采样器或采样开关--执行采样动作的装置， 采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间 采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔
1- e Gh ( s) s
图 2-8 采样保持器 - sT
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V+ 调零 2 30K
+12V 24k 1k -12V
_
A2 + _ S 300 6 CH 5 Vout
2 模拟 输入 逻辑 输入 P2.5 3
1 4 LF398 7 8 CH 6 5
输出
Vi输入 3 + MCTR 8 MREF 7
k 0
+
x (t )具有离散信号的特性。 可见，
*
☺思考：为何可以这样地近似表示？？
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采样保持器
采样保持器结构图
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零阶保持器
VIN VIN A1 S
＋
－
A2
VOUT
t VOUT t
采样 保持
CH
(a ) 原理电路
( b ) 工作波性