计算机控制系统第2章.

第二章计算机控制系统设计的硬件基础2.1开关量输入2.2开关量输出2.3模拟量输入2.4模拟量输出2.5计算机控制系统中的电源2.6信号采样与重构2.7数字滤波输入输出过程通道简介过程通道的主要任务是将生产过程中的各种参量和状态通过检测器件转换成计算机所能接收的信息送入计算机，计算机按确定算法计算后，又将计算结果以数字量或转换成模拟量的形式输出给执行机构，从而对被控对象进行自动控制。因此过程通道起到了CPU和被控对象之间的信息传送和变换的桥梁作用。图2-1输入输出过程通道组成结构图信息种类输入信息来源或输出信息的用途模拟量输入数字量输入脉冲计数器模拟量输出数字量输出温度、压力、物位、转速、成分等接点的通断状态、电平高低状态、数字装置的输出数码等流量积算、电功率计算、转速及脉冲形式的输入信号等控制执行装置、显示、记录等对执行器进行控制、报警显示等表2-1生产过程输入输出信息来源与用途2.1开关量输入在计算机控制系统中，为了获取系统的运行状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输入。开关量的共同特征是幅值离散，可以用1位或多位二进制码表示。开关量输入信号的类型开关量信号输入通道1.开关量输入信号的类型开关量输入信号有以下基本类型：1位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的起动与停止、触点的接通与断开。成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。2.开关量信号输入通道针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。几种常用的预处理方法图2.1开关量输入通道的典型结构开关量输入的常用预处理方法信号转换处理安全保护措施消除机械抖动影响滤波处理隔离处理光电耦合器件原理与使用信号转换处理从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。一个理想的开关，开关闭合时电阻应为零，不论电流有多大，开关上的压降都为零；开关断开时，电阻应为无穷大，不论开关两端加上的电压有多高，流过开关的电流都为零；开关状态的转换一般应在瞬间完成。但实际上，脉冲和数字电路大都工作在开关状态，而大量的开关由晶体二极管和三极管充当，因此上面所说的理想的开关是不存在的。安全保护措施在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取安全保护措施。图2.4输入保护电路消除机械抖动影响操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计算机的输入上就是输入信号在逻辑“0”和“1”之间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错误控制。图2.5消除开关抖动的电路RS触发器：接收、存储、记忆和输出滤波处理由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输入信号带有噪声信号，这有可能导致误读信号而出错。图2.6给出一种用RC滤波电路去除接口噪声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。图2.6RC滤波电路隔离处理从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。图2.7开关量光电耦合输入电路当输入侧流过一定的电流IF时，发光二极管开始发光，它触发光电三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。图2.8三极管输出型光电隔离器件原理光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备与计算机系统之间的隔离保护。根据输入级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为三极管型、晶闸管型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。使用光电隔离器件的注意事项输入侧导通电流要使光电隔离器件导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流IF=10mA。频率特性受发光二极管和光电元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔离器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。使用光电隔离器件的注意事项输出端工作电流光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。输出端暗电流这是指光电隔离器处于截止状态时，流经输出端元件的电流，此值越小越好。在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。隔离电压它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。电源隔离两侧的供电电源必须完全隔离。无论是输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离作用了。使用光电隔离器件的注意事项2.2开关量输出在计算机控制系统中，经常需要控制执行机构的开/关或启/停，某些控制算法也需要控制执行机构在一定时间T内的全负荷工作时间t(0≤t≤T)，这些控制是通过计算机开关量输出通道来实现的。在计算机控制系统中，开关量输出信号用于控制各种现场设备，因此要考虑电平转换、功率放大、抗干扰及安全等问题。针对具体情况，往往采取一些措施。常用措施隔离处理电平转换和功率放大图2.9典型的开关量输出通道结构隔离处理当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通过输出通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。图2.10是采用了光电隔离的开关量输出电路。图2.10低压小功率开关量输出电平转换和功率放大计算机通过并行接口电路输出的开关量信号，往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往执行机构。小功率低压开关量输出继电器输出晶闸管输出功率场效应管输出集成功率电子开关输出小功率低压开关量输出对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出，图2.10给出的两种电路一般仅能提供几十毫安级的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。图2.10低压小功率开关量输出继电器输出继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大，即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反向二极管。继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可采用阻容电路予以吸收。图2.11继电器式开关量输出晶闸管输出（了解）作为一种大功率半导体无触点开关器件，晶闸管具有以较小的功率来控制大功率的特点，因此在计算机控制系统中被广泛地用作功率执行元件，一般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断控制。图2.12是采用晶闸管输出型光电隔离器驱动双向晶闸管的电路图，图中与晶闸管并联的RC网络用于吸收带感性负载时产生的与电流不同步的过压，晶闸管门极电阻则用于提高抗干扰能力，以防误触发。图2.12光电隔离的双向晶闸管输出功率场效应管输出（了解）功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S之间即可导通。MOSFET的栅极控制电流为微安级，而导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流，如IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18A。图2.13功率场效应管的典型使用方法集成功率电子开关输出（了解）集成功率电子开关是一种可由数字电路直接驱动的直流电子逻辑开关，具有开关速度快、无触点、无噪声、寿命长等特点。一般用于直流负载且电流不大(几安培以下)的场合，有时也可在交流场合使用，常用于微电机、电磁阀的驱动或取代机械触点或继电器作为开关量输出器件。常用的集成功率电子开关有TWH8751、TWH8728等。2.3模拟量输入生产过程中的随时间连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位、湿度等，由传感器检测并转换为模拟的电信号，通过模拟量输入通道送至计算机系统，最终经A/D转换器转化为数字量，才能交由计算机处理。多路A/D转换技术采样-保持器模拟量输入的隔离模拟输入信号的放大模拟量输入信号滤波图2.16多路复用方式A/D转换原理图2.16所示电路工作时，由计算机控制多路模拟开关选择某一路模拟信号，将其送至采样-保持器，再经放大、A/D转换处理变为数字量，从而完成该路模拟输入的采样与转换工作。1.多路A/D转换技术多路A/D转换系统的结构采用集成多路A/D转换器每个模拟量输入配置一个A/D转换器多路模拟量输入复用一个A/D转换器多路开关机械触点式集成多路模拟开关机械触点式多路开关机械触点式多路开关主要有干簧继电器、水银继电器等，其中干簧继电器体积小、切换速度高、噪声小、寿命长，最适合作为模拟输入的多路开关。干簧继电器的开关频率为10~40次/秒，断开时的电阻大于1MΩ，导通电阻小于50mΩ，切换动作时间约1ms，不受环境温度影响，可通过的电压、电流容量大，动态范围宽；与电子开关相比，其缺点是体积大、工作频率低，而且通断时有机械抖动现象，故一般用于低速高精度检测系统中。图2.17为干簧继电器的原理图，线圈通/断电就使触点接触或断开。图2.17干簧继电器的原理集成多路模拟开关集成模拟开关是将多路半导体模拟开关集成在一个芯片上，其特点是切换速度高、体积小、应用方便，但比机械多路开关的导通电阻大，为几十至几百欧姆，而且各通道之间有时会互相串扰。集成多路模拟开关图2.18是AD7501的结构，通过芯片使能端EN和通道选择端A0、A1、A2，每次只选择8个输入端中的一个与公共输出端OUT接通，其真值表见主教材表2.4。EN、A0、A1、A2为数字信号输入，逻辑上兼容TTL/DTL或CMOS电平。图2.18AD7501的结构图集成多路模拟开关图2.19是采用AD7501构成的8路差分模拟信号输入电路，其中V1i为第i路(i=1，2，…，8)模拟输入信号的正端,V2i为第i路(i=1，2，…，8)模拟输入信号的负端，V＋为输出模拟信号的正端，V-为输出模拟信号的负端。图2.198路差分模拟信号输入电路2.采样-保持器在进行模数转换时，如果模拟信号的频率较高，就会由于A/D转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差，克服的方法是在A/D转换器之前设置采样-保持电路。在计算机控制系统中，一般采用集成的采样-保持器。LF398LF398图2.20是LF398的电路原理，放大器A2作为比较器来控制开关S的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则S闭合，由A1、A3组成跟随器，并向CH端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则S断开，外接电容保持S断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至输出端。图2.20LF398的电路原理LF398图2.21是LF398典型应用电路。控制端VC为高电平时，处于采样状态，输出跟随输入；控制端VC为低电平时，处于保持状