第二章思考题与习题

第二章思考题与习题2.1简述过程通道的作用、类型和组成。答：生产过程通道是指在计算机的接口与被控对象（生产过程）之间进行信息传递和信息交换的连接通道，（不包括传感器、变送器和执行机构）。“外围”则包括生产过程输入输出通道和接口两部分。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。具有两个方面的基本任务：（1）把生产过程中的各种参量和执行机构的运行状态通过检测器件转换为计算机所能接收和识别的信息送入计算机，以便计算机按确定算法进行运算处理。（2）把计算机根据算术逻辑运算的结果发出的各种控制指令，以数字量或转换成模拟量的形式输出给执行机构（执行机构所能接受的控制信号），从而对被控对象进行自动控制。过程通道包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道4种。其组成如图示：2.2在计算机控制系统中，模拟量和数字量输入信息各有哪几种形式？答：模拟量输入输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类，包括温度、压力、物位、转速、成分等；数字量输入信号包括各种接点的通断状态的开关信号，如开关的闭合与断开、继电器或接触器的吸合与释放、指示灯的亮与灭、电动机的启动与停止、阀门的打开与关闭等，它们都可以用逻辑值“1”和“0”表示。此外，还包括各类数字传感器、控制器产生的编码数据和脉冲量等（电平高低状态、数字装置的输出数码等）。2.3信号调理单元的功能是什么？通常包括哪些电路？答：信号调理电路主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、滤波、线性化、共模抑制及隔离等方法，将非电量和非标准的电信号转换成标准的电信号。信号调理电路是传感器和A/D之间以及D/A和执行机构之间的桥梁。传感器输出信号不同，其相应的信号调理电路也不同，一般包括标度变换器、滤波电路、线性化处理及电参量间的转换电路等。其中：标度变换器是信号调理单元的主要部分，作用是将传感器输出的不同种类和不同电平的被测模拟电信号变换成统一的电流或电压信号。它主要包括放大、电平变换、电隔离、阻抗变换等电路，通常由电桥电路、激励恒流源、仪用放大器、隔离放大器等组成。2.4为何常采用电桥作为信号输入电路？答：非电信号的检测-不平衡电桥电桥电路是最常见的标度变换电路之一，也称为测量电桥电路，它结构简单，应用广泛2.5仪表放大器与普通运算放大器有何不同？其特点有哪些？答：普通运算放大器只起信号放大的作用，而不考虑被放大信号的特性。在检测系统中，放大器的输入信号一般为传感器的输出，其信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压，因此，一般对放大器有如下要求：1.高内阻抗。一般应远远大于信号源内阻，防止放大器的负载效应使所测电压造成偏差。2.抗共模电压干扰能力强。选用高共模抑制比CMRR的运算放大器，且进行电路的专门措施设计。3.在预定的频带宽度内有稳定的增益、良好的线性等，保证输出性能稳定。4.能外接一些适应特定要求的电路，如外接增益电阻调整增益等。对于输出阻抗大、共模电压高的输入信号，需要用到高输入阻抗和高共模抑制比的差动放大器，仪用放大器即是专为这种应用场合设计的放大器。仪用放大器又称为测量放大器、数据放大器。它可作为应变电桥、热敏电阻网络、热电偶、分流器、生物探针及气压计等各种领域传感器的放大器，还可用作记录仪的前置放大器、多路缓冲器、伺服误差放大器以及过程控制和数据采集系统中的前置放大器。2.6隔离放大器有几种形式？各有何特点？答：在有强电或强电磁干扰的环境中，为了防止电网电压或其它电磁干扰测量回路，通常在模拟量输入通道中采用隔离技术。隔离放大器的输入和输出两部分的信号和供电电源端口都是电气隔离的。隔离放大器就其隔离对象而言，分为两端口隔离和三端口隔离。两端隔离是指信号输入部分和信号输出部分电气隔离。三端口隔离指信号输入部分、信号输出部分和电源部分彼此隔离。根据隔离的媒介不同，隔离放大器主要有三种：电磁隔离（也叫变压器隔离）、光电隔离、电容隔离。两端隔离的最大隔离电压为±1000V（峰～峰值）；三端隔离的隔离电压为有效值2500V或3500V（可连续加压），且由模块的驱动电源、输入部分和输出部分的电源为隔离电源。2.7为何要使用I/V变换电路？答：电流/电压（I/V）转换器，这是因为大多数输入信号（如压力、流量、位移等）的调理电路都直接由相应的产品化器件——变送器来完成。为了将传感器输出的非标准电压信号转换为A/D转换器能直接采集的电压信号，需使用I/V变换电路，满足A/D转换器的要求。2.8在选择和使用多路转换开关需要考虑哪几个问题？答：在计算机测控系统中，被控量与被测量的回路往往是几路或几十路，此时往往采用公共的A/D、D/A转换电路，利用多路转换开关轮流切换各被控或被测回路与A/D、D/A转换电路间的通路，以达到分时复用的目的。在选择多路开关时除考虑其通道数外，还需了解其他性能，包括通道切换时间、导通电阻、通道间的串扰误差等。2.9在模拟量输入通道中，为何通常要使用可编程放大器?可以有哪几种方法实现？答：前置放大器的任务是将模拟小信号放大到A/D转换器的量程范围内（如0~5V）。它可以分为固定增益放大器和可变增益放大器两种，前者适用于信号范围固定的传感器，后者适用于信号范围不固定的传感器。在计算机测控系统中，模拟量输入通道的变化范围会随被测量所处的环境和时间的变化而变化，因此希望能自动改变放大器的增益，使信号通过放大器后，具有合适的动态范围，即实现自动量程切换，以便于A/D转换或信号调理。此外，在多路数据采集系统中，也可能遇到各路信号动态范围不一致的情况，这时希望放大器对不同的通路具有不同的增益，以实现相同的动态输出。所以，模拟量输入通道中通常要使用可编程放大器。根据仪表放大器结构，通过改变电阻Rg就可以改变放大倍数。因此，用多路模拟开关对不同阻值的Rg进行切换，即可实现放大倍数的程控。但需考虑两个因素：1.改变Rg的同时要保证电阻参数的对称性。2.需考虑模拟开关的导通电阻值所造成的增益误差。图示为综合考虑两个因素后的实际电路，由成对调整A1、A2的反馈电阻，模拟开关中没有电流通过而不会影响电路的精度。如果需要另外的放大倍数，可以通过外接缓冲器及衰减电阻来获得，其接线如图所示，改变R1与R2的阻值比例，可获得不同的增益。2.10前置放大器和主放大器有何区别？在模拟量输入通道中通常各由何种器件承担？2.11采样保持器的作用是什么？是否所有的模拟量输入通道中都需要采样保持器？为什么？答：作用：如果被采样的模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的速度来说比较高，为了保证转换精度，就需要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。不是所有的模拟量输入通道都需要采样保持器。只有模拟信号的变化频率相对于A/D转换器的速度比较高时采用。这是因为：A/D转换器将模拟信号转换成数字量需要一定的时间，完成一次转换所需的时间称孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。如下图所示的正弦模拟信号，如果从t0时刻开始进行A/D转换，转换结束时已为t1，模拟信号已发生ΔU的变化。因此，被转换的究竟是哪一时刻的电压就很难确定，此时转换延迟所引起的可能误差是ΔU。对于一定的转换时间，最大可能的误差发生在信号过零的时刻，因为此时dU/dt最大，孔径时间tA/D一定，所以ΔU最大。令U=Umsinωt，则式中，Um为正弦模拟信号的幅值，f为信号频率。在坐标的原点取Δt=tA/D，则得原点处转换的不确定电压误差为误差的百分数为由此可知，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D转换的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信号的频率范围。2.12A/D转换器有几种类型？各有何特点？答：A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，它将模拟量转换成数字量，实现采样和量化。A/D转换器种类繁多，按转换原理可分为双积分式、逐次逼近式、Σ-Δ调制式、并行转换式、余数反馈比较式、V/F转换式等A/D转换器。1、逐次逼近型：转换时间短，抗扰性差（电压比较）ADC0809（8位），AD574（12位）2、双斜积分型：转换时间长，抗扰性好（积分）MC14433（11位），ICL7135（14位）3、全并行比较型（Flash型）：采用多个比较器，速度极高，电路规模大，成本高。4、分级型：减少并行比较ADC的位数，分级多次转换，减小电路规模，保持较高速度。5、Σ-Δ型（过采样转换器）：高速1bitDAC+数字滤波，转换成低采样率高位数字，分辨率高。2.13A/D转换器有哪些技术指标？答：A/D转换器的主要技术参数①分辨率。分辨率是指A/D转换器的最低输出位所代表的数值，通常用转换后数字cos2cosmmdUUtUftdt2mUUft/2mADUUft/1002100ADmUfU量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。例如分辨率为8位表示它可以对满量程的1/28＝1/256的增量做出反应。②量程。量程是指所能转换的电压范围，如5V、10V等。③转换精度。转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度与相对精度两种表示方法。④转换时间。转换时间是指启动A/D转换到转换结束所需的时间。⑤工作温度范围。较好的A/D转换器的工作温度为一40~85℃，较差的为0～70℃。A/D转换器的主要技术指标：－转换时间：积分型毫秒级，逐次比较微秒级，全并行纳秒级。－分辨率：数字量位数n。LSB（最低有效位）－满量程的1/2n.－线性误差：量程范围内，偏离理想转换特性的最大误差，通常为1/2LSB或1LSB－量程：能转换的电压范围。－对基准电源的要求：电源精度。注意：1、转换结束信号有两种：电平信号和脉冲信号；CPU检测到转换结束信号后，即可读取转换数据，可以采用程序查询、中断、DMA和延时(定时)四种方式读取数据。2、量化单位q：一个8位的A/D转换器，它把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为0~5V，那么，量化单位q为：q=5/28=5/256≈0.0195V=19.5mVq正好是A/D输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值。因而，这个量化误差的绝对值是转换器的分辨率和满量程范围的函数2.14一个12位的A/D转换器，孔径时间为20μs，绝对精度为±1LSB，若不使用采样保持器，为了确保转换精度，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率是多少？答：12位的A/D转换器，绝对精度为±1LSB，则相对精度为(1)/2n×100%=0.0244%则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为2.15模拟量输出通道的结构有哪几种形式？各有何特点？答：模拟量输出通道的功能是把计算机的运算结果（数字量）转换成模拟量，并输出到被选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。模拟量输出通道通常由D/A转换器、输出保持、多路切换开关和功放电路所组成。多路模拟量输出通道的结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。输出保持器的作用主要是在新的控制信号到来之前，使本次控制信号维持不变。保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种。这就决定了模拟量输出通道的两种基本结构形式。1．每个输出通道设置一个D/A转换器的结构形式620.024482201010fHzs这是一种数字保持方案。优点:转换速度快，工作可靠，即使某一路D/A转换器发生故障，也不影响其他通道的工作。缺点:使用了较多的D/A转换器，使得这种结构的价格很高。2．多个输出通道共用一个D/A转换器的结构形式模拟量保持方案。由于公用一片D/A转换器，因此必须在计算机控制下分时工作，即依次把D/A转换器转换成的模拟电压（或电流），通过多路开关传送给输出采样—保持器。优点:节省了D/A转换器。缺点：因为分时工作，只适用于通道数量多且速率要求不高的场合。它还要使用多路开关，且要求输出采样—保持器的保持时间与采样时间之比较大，这种方案工作可靠性较差。D/A芯片的工作方式：控制信号的