[信息與通信]第2章計算機控制系統的硬件設計技術(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 低電平模擬信號帶來的麻煩，經常要將測量元件的輸出信號經變送器變送，如壓力變送器、溫度變送器、流量變送器等，將溫度、壓力、流量的電信號變成 0～10mA，或 4～ 20mA的統一信號 模擬量輸入通道的組成 模擬量輸入通道一般由 I/V變換，多路轉換器，采樣保持器、A/D轉換器、 I/O接口及控制邏輯組成。 過程參數由傳感元件和變送器測量并轉換為標準的電流形式后送至 I/V變換器；在微機的控制下，由多路開關將各個過程參數依次地切換到后級，進行放大、采樣和 A/D轉換，實現過程參數的巡回檢測。 作用： 是將電阻、電感、電容等參數的變化變換為電壓或電流輸出的一種測量電路。 特點： 具有靈敏度高、測量范圍寬、容易實現溫度補償等優點。 信號調理和 I/V變換 1. 信號調理 信號調理主要通過非電量的轉換、信號的變換、放大、濾波、線性化及隔離等方法 將非電信號和非標準信號轉換成標準的電信號 。 是傳感器和Ａ／Ｄ轉換以及Ｄ／Ａ和執行機構之間的橋梁。 1）非電信號的檢測 —— 不平衡電橋 下圖為一個用熱敏電阻來測量溫度的測量電橋。電阻 R1,R2,R3為精密電阻， RPt為熱敏電阻， E端接激勵源， A,B端接到后級的測量放大電路 一般情況下： R2＝ R3,R1=100歐，0℃ 時， RPt為 100歐，此時電橋平衡，輸出為 0。 當溫度變化時， RPt的阻值是溫度的函數為： Rpt(t)=R0+a(t)t=R0+dR a(t) 為電阻溫度系數， t為溫度 RtPt???0)(?ERRRRRUR AB22103 ))(( ????因此，某溫度下，產生不平衡電壓 ,由不平衡電壓推算出溫度值。 注意：工業中用熱敏電阻測量溫度，當測量電路離控制柜很遠時，熱敏電阻與調理電路之間連接宜采用三線制，而不是兩線制接法。因采用兩線制，由 于導線電阻存在，容易產 生誤差。熱敏電阻與調理 電路之間三線制接法如圖 A和 B分別接在兩個互相抵消 的橋臂上，引線引起的誤差 和溫度變化引起的誤差一起 被補償掉。 作用：將弱電信號放大成需要的標準電信號。如上述電橋輸出電壓一般達不到要求的標準電壓，故需要放大器放大。 選擇因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等 常見器件： uA741,LF347(低精度 ) OP07,OP27(中等精度 ) ICL7650(高精度 ) 兩線制：儀表到控制柜或者計算機只有兩根線 三線制：儀表到控制柜或者計算機有三根線 2）信號放大電路 基于 ILC7650的前置放大電路 AD526可編程儀用放大器 自校零放大器 R2為精密電阻 2IRV ?2. I/V變換 變送器輸出的信號為 0~10mA或 4~20mA統一信號，需要經過IV變換變成電壓后才成處理。 1) 無源 I/V變換 當輸入電流 I范圍已知時，輸出電壓 V的范圍就確定。 如：當輸入 I為 0～ 10mA時，取 R1=100歐 R2=500歐，則 V=0~5V 當輸入 I為 4～ 20mA時，取 R1=100歐 R2=250歐，則 V=1~5V 思考：圖中 R1和電容 C起什么作用？二極管 D作用是什么？ 濾波和輸出限幅 利用有源器件運算放大器和電阻組成，圖中電容 C起濾波。 R2精密取樣電阻， 250歐， V1=I*R2, V=I*R2*Rf/R3 R3=1K歐， R4為 （平衡電阻），調節 Rf使 010mA對應05V 2）有源 I/V變換 V1 也可用同相放大電路： A=1+R4/R3 若取 R3=100KΩ， R4=150KΩ，R1=200Ω，則 0～ 10mA輸入對應于 0～ 5V的電壓輸出。若取R3=100KΩ， R4=25KΩ，R1=200Ω，則 4～ 20mA輸入對應于 1～ 5V的電壓輸出 多路轉換器 多路轉換器也稱多路開關。 作用： 是用于切換模擬電壓信號的關鍵元件，可將各個模擬輸入信號依次或隨機地接到公用放大器上或 A/D轉換器上，完成“多到一”的轉換。 要求：理想開關是開路狀態時電阻無窮大，接通時電阻為 0，切換快、噪音小、壽命長、工作可靠。 常用多路開關有：CD4051,AD7501,LF13508等。 CD4051的原理： INH為高電平時， 8個通道均不通 采樣： 計算機每隔一定的時間間隔逐點的采入模擬信號的瞬時值的過程，把時間上連續，幅值上也連續的模擬信號轉變成一連串脈沖輸出信號。 采樣開關 K（采樣器）：執行采樣過程的裝置。 采樣周期：采樣開關每次通斷的時間間隔 T。 采樣時間（采樣寬度）：采樣開關每次閉合的時間 τ。 理想采樣開關：當 ，稱為理想采樣開關。 采樣開關的波形如下圖 0?? 采樣、量化及采樣 /保持器 1. 信號的采樣 采樣信號 y*(t)： 時間上離散，幅值上連續的信號 采樣過程： 將時間和幅值均連續的模擬信號 y(t)變換為采樣信號的過程稱為采樣過程或離散過程。 信號的采樣過程表示如下： KTy ( t ) y *( t )KTy ( t ) y *( t )0??普通采樣開關 理想采樣開關 思考： 由采樣過程知，連續信號經過采樣以后所得采樣信號 y*(t)不是取全部時間上的信號值，而是取某些時間上的值，即 y*(t)是 y(t)的取樣？那么處理后的采樣信號會不會造成原來信號的丟失呢？也就是說 是否能由處理后的采樣信號來復現原來的模擬信號 y(t)呢？ 問題就取決于采樣周期 T的大小。 香農采樣定理： 當采樣頻率 f≥2fmax (模擬信號的最高頻率），那么采樣信號 y*(t)就能唯一地復現 y(t)。 實際應用中，常取 f≥（ 5~10） fmax 。 背景： 采樣信號是時間上離散、幅值上連續的信號，本質是 離散的模擬信號 ，不能直接進入計算機。 含義： 用一組數碼（二進制碼）來逼近采樣信號的幅值。將采樣信號的幅值變為數字信號 D。 量化過程： 將采樣信號轉化為數字信號的過程。 物理器件： A/D轉換器。 量化單位 q： 設 A/D 轉換器的位數為 n(分辨率 )，采樣信號的幅值變化范圍為 則量化單位 yym in m a x~2. 信號的量化 m in m ax21nyyq ???量化過程實際是一個用 q去度量采樣幅值高低的小數歸整過程。 由于量化過程是一個小數歸整過程，因而存在量化誤差，量化誤差是 177。 q/2。 () 1000 50( ) 2 0inV m VDq m V? ? ?假如 q＝ 20mV,則量化誤差為 177。 10mV,當某時刻采樣信號的幅值是 1V時，量化結果是多少？ 當采樣信號的幅值是 ，量化結果是多少？ 當某時刻采樣信號的幅值是 ，量化結果是多少？ 結論： q＝ 20mV, 幅值為 ，其量化結果都是 50. 因為量化誤差為 177。 q/2 ＝ 177。 10mV, A/D轉換器的位數越高，量化單位 q越小，量化越精確 。 () 1009 5 0 . 4 5 5 0( ) 2 0inV mVDq mV? ? ? ?() 990 4 9 . 5 5 0( ) 2 0inV mVDq mV? ? ? ?1) 孔徑時間和孔徑誤差的消除 孔徑時間： 完成一次 A/D轉換所需要的時間。 孔徑誤差： 每一個采樣時刻的最大轉換誤差。 對于一個時變的模擬信號而言，孔徑時間決定孔徑誤差。 如圖正弦模擬信號 對于一定的轉換時間，因為 在 0時刻最大，所以誤差最大可能發生在信號過 0的時刻。所以在原點有： tUU m ?s in?3. 采樣保持器 dU dt/2m A DU U f t???采樣保持器的基本組成電路如圖：由輸入輸出緩沖器 A A2和采樣開關 K、保持電容 CH組成。 誤差百分數為 所以，為了確保 A/D轉換的精度，必須限制輸入信號的頻率范圍。或者加采樣保持器，提高模擬輸入信號的頻率范圍。 結論：為達到轉換所規定的精度，要求 A/D轉換器在轉換時間內輸入模擬量的變化幅度應小于 A/D轉換量化誤差 1002100 / ????? DAmftU U ??2) 原理 工作原理：采樣時， K閉合， VIN通過 A1對 CH快速充電， VOUT跟隨 VIN；保持期間， K斷開，因 A2的輸入阻抗高， VOUT＝ VC保持不變。采樣器一旦進入保持，馬上啟動 A/D轉換器，確保轉換期間輸入恒定。 3) 常見采樣保持器 常用采樣保持器有 LF39 AD582等。 注意： 當被測量信號變化緩慢， A/D轉換時間足夠短，可以不加采樣保持器。 － LF398 采樣保持控制引腳 8：高電平，采樣；低電平，保持 CH外接高品質電容，其減小可以提高采樣頻率。但會減低精度。 獲取時間： CH為 , 信號精度 ％的獲取時間為 25us，保持期間，電壓下降每秒 3mV，若 A/D轉換時間為 100us時，保持器輸出電壓下降約 300uV 定義： 實現采樣和量化過程的器件 原理： 將輸入電壓與已知電壓比較進行的。 比較將按某一方式獲得的數字量 D轉換成電壓模擬量 U0，同時將 U0和輸入模擬電壓 Ux比較，若兩者相等，則數字量 D就是對輸入模擬量 Ux轉換的結果，若不等則進一步修數字量 D，直至 U0＝ Ux為止。 逐次逼近式 雙積分 A/D轉換器 A/D轉換器及其接口技術 1. A/D轉換器工作原理 2. A/D轉換器基本結構 1）逐次逼近 A/D轉換器 思想： 類似于用天平稱重，由 D/A轉換器從高位到低位逐位增加轉換位數，產生不同的已知電壓，將輸入電壓逐次與這些電壓比較而實現。 轉換過程： 啟動開始，控制邏輯給 逐次逼近寄存器 SAR(Successive Approximation Register)最高位置1， SAR的數字量給 D/A轉換輸出 入電壓 Ux在比較器上比較；若 Uc≤Ux，則確認最高位為 1的同時置次高位為 1；若 UcUx，則將最高位清零，同時置次高位為 1；如此由最高位至最低位逐一比較。 SAR的輸出數字量即為 Ux的轉換數字量 特點： 精度高，速度快，轉換時間固定，易于微機接口，廣泛應用于計算機控制系統中。 2）雙積分式 A/D轉換器 思想： 對模擬輸入電壓和參考電壓進行積分，變換成與模擬輸入電壓平均值成正比的時間間隔，然后將該時間間隔轉換成計數脈沖，最后將代表模擬量輸入電壓大小的脈沖數轉換成 BCD碼輸出。 特點： 抗干擾能力強，轉換速度慢。 （ 1） 分辨率 是衡量 A/D轉換器分辨模擬量最小變化程度的技術指標，通常用數字量的位數 n（字長）來表示。 3. A/D轉換器主要技術指標 假設 n＝ 8，滿量程輸入為 ， 85 . 1 2 2 2 0V m V?則， LSB對應于模擬電壓 即， q＝ 20mV 12n12n分辨率為 n位，表示能對滿量程輸入的 的增量作出反應，即數字量的最低有效位 (LSB)對應于滿量程輸入的 。 85 . 1 2 ( 2 1 ) 2 0 . 0 7 8V m V??（ 2） 轉換時間 是指 A/D轉換器完成一次模擬到數字轉換所需要的時間。 （ 3） 線性誤差 是指 A/D轉換器的理想轉換特性（量化特性）應該是線性的，但實際轉換特性并非如此。在滿量程輸入范圍內， 偏移理想轉換特性的最大誤差定義為線性誤差。 線性誤差通常用 LSB表示，如 LSB/2，或 177。 1LSB。 (Least Significant Bit ) （ 4） 量程 是指所能轉換的輸入電壓范圍，如－ 5～＋ 5V， 0～ 10V，0～ 5V。 （ 5） 對基準電源的要求 基準電源的精度對整個系統的精度產生很大影響，可考慮外接精密基準電源。 A/D轉換器及其接口技術 ADC0809是一種帶有 8通道模擬開關的 8位逐次逼近式的 A/D轉換器，其轉換時間 100μs，線性誤差 177。 LSB/2。 8通道輸入 通道選擇 數字輸出 8 通 道模 擬開 關D O O ～ D O 7E O C控 制 與 時 序三 態 輸出 鎖 存緩 沖 器( 1 )G N DV R E F －C B AA L EV I N 0地 址 鎖 存和 譯 碼2 5 6 RT 型 電 阻 網 絡開 關 樹 S A R＋－AO EV R E F ＋V C CV I N 7V I N 6V I N 5V