过程通道与数据采集系统

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内容 2.1 概述
2.2 信号的采集与恢复 2.3 D/A转换器及接口 2.4 A/D转换器及接口 2.5 计算机数据采集系统
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2.1 概述
过程通道－－实现计算机与生产过程间的信息传递 ▪ 输入通道（模拟量输入、数字量输入、脉冲信号） ▪ 输出通道（模拟量输出、数字量输出）
为 f (kT )的脉冲信号。
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2.2.2 采样定理
计算机控制系统是利用离散的信号进行控制 运算，这就带来一个问题：采用离散信号能否实 施有效的控制，或者连续信号所含的信息能否由 离散信号表示，或者从离散信号能否一定能代表 原来的连续信号。
例如：有两个不同的连续信号f1(t)和f2(t)， 假设选择采样周期都为T，如下图所示，从图中 可以看出，f1(t)和f2(t)具有相同的采样信号f *(t)， 这说明f *(t)未必能完全反映或近似的反映连续信 号。
第二章 过程通道与数据采集系统
内容与要求 ■重点掌握：过程通道的组成、采样信号与数字信 号、采样定理、零阶保持器的特性、采样/保持器 与A/D转换的工作流程。 ■一般掌握：D/A转换器的工作原理及指标，A/D转 换器的分类、原理及特点，数据采集系统的一般组 成及工作原理。 ■了解内容：DAC0832与ADC0809芯片的功能，与计 算机的接口电路设计及软件编程。
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典型的计算机控制（采集）系统
传感器
(温度、压 力）
信号 调理
采样/ 保持器
计算机进行各种数字处 理（如滤波、控制算 法）、保存、打印等
A/D
计算机
输入设备
控制对象
执行器
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D/A
输出设备
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2.2 信号的采集与恢复
2.2.0 概述
1.典型的计算机控制系统的结构如下图所示
为了突出重点，只讨论影响系统动态特性的基 本问题。为了便于数学上分析和综合，在分析和设 计计算机控制系统时，常常假定A/D、D/A转换器 的精度足够高，使得量化误差可以忽略，于是A/D、 D/A只存在物理上意义而无数学上意义。即：数字 信号与采样信号e(kT)与e*(t)，u(kT)与u*(t)是等价 的。上图可进一步简化为如下页图所示。
r(t)
e(t)
采* 样 e (t) 器
A/ D e(kT) 转 换
数字控 u(kT) 制器
(计算机)
D/ * A u (t) 转 换
保 u(t) 被控 y(t)
持
对象
器
计算机控制系统结构框图
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2. 简化结构框图： 采样器、保持器和数字控制器 的结构形式和控制规律决定系统动态特性，是研究 的主要对象。控制系统的稳态控制精度由A/D、 D/A转换器的分辨率决定。这说明A/D和D/A转换 器只影响系统稳态控制精度。不影响动态指标。
一个理想的采样开关后的输出信号，即
f * (t) f (t)T (t) f (t) (t kT ) k
在实际系统中， f (t) 0 (t 0)， f (t)只有在脉
冲发生时刻有效，记为 f (kT )。
f * (t) f (kT ) (t kT ) k
上式为理想采样信号的时域表达式，表示一串强度
模拟量输入 能转换成模拟电信号的量
数字量输入 开关状态（1或0）
脉冲量输入 脉冲形式输入信号
模拟量输出 执行装置、显示、记录
数字量输出 执行器（通/断）、报警
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2.1 概述
▪ 通常测量元件、执行元件和被控对象是模拟元件， 其输入、输出信号是模拟信号。 ▪ 计算机中只能处理数字信号。 ▪ 为了使两种信号在系统中能相互传递，在连续信 号与数字信号之间需要采样、量化与编码，在脉冲 序列和连续信号间要用保持器。 ▪ 采样器与保持器，是采样控制系统的两个特殊环 节。
f (t) (t kT )dt f (kT )
结论： 函数和任意连续有界函数的积分能够筛
选出脉冲发生时刻的函数值。
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3.采样信号的脉冲序列标示
采样开关闭合后又瞬间打开一次
（ 0），相当于在该时刻作用一个 函
数；
如果采样开关以 T 为
T (t)
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周期闭合并瞬间打开，
即可以形成一个单位
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f (t)
f *(t)
T
(a) 采样开关
f(t)
f *(t)
0T …
2T 3T 4T 5T … t
0 T 2T 3T 4T 5T
(b) 连续信号
… (c) 采样信号
信号的采样过程
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…t
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2.δ函数
函数（脉冲函数）的定义： 狄拉克（Diracபைடு நூலகம்给出了 函数的定义，即
(t)dt 1
and
(t)
0
物理意义：t=0 处有一个宽
度为零、幅值为 、强度为
1 的脉冲。
t 0
1
t 0
(t) 函 数
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函数的重要性质：采样性质（筛选性质）
f (t) (t)dt f (0)
or f (t) (t t0 )dt f (t0 )
or
数字序列的方式传递的，把连续信号变成数字序列 的过程叫做采样过程；实现采样的装置叫采样开关。
采样过程的原理下图所示，其中采样开关为理 想的采样开关，它从闭合到断开以及从断开到闭合 的时间均为零。采样开关平时处于断开状态，其输 入为连续信号f(t)，在采样开关的输出端得到采样 信号f *(t)。
定时器控制的采样开关…
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*
r(t)
e(t)
e(kT) 数字控制 u(kT)
u (t) 保 u(t) 被控 y(t)
器
持
对象
T* e (t)
(计算机)
T
器
计算机控制系统结构简化框图
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2.2.1 信号的采样过程
1.采样过程及采样开关： （1） 在计算机控制系统中，信号是以脉冲序列或
t
2T T 0 T 2T
脉冲序列，用T (t)表示 理 想 采 样 开 关 特 性
为T (t) (t kT )
k
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采样过程可以看作是脉冲调制过程，
f (t)是调制信号，T (t)是载波信号，f *(t) 是一串幅值被调制的脉冲序列。
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采样信号 f *(t) 可以看作是连续信号 f (t)经过
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