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dq007基于PLC的液位控制系统的设计,毕业设计
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PLC 技术概况 一、 PLC 的来源 1、在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1968年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是第一代可编程序控制器，英文名字叫 Programmable Controller（ PC）。 2、随着电子技术和计算机技术的发生， PC 的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。 3、上世纪 80 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国 A-B 公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器 Programmable Logic Controller（ PLC），并将 “PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将 PLC 简称 PC。 4、上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一 直保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统 . 5、近年，工业计算机技术（ IPC）和现场总线技术（ FCS）发展迅速，挤占了一部分 PLC 市场， PLC 增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 6、目前，世界上有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品，主要应用在汽车（ 23%）、粮食加工（ 16.4%）、化 学 /制药（ 14.6%）、金属 /矿山（ 11.5%）、纸浆 /造纸（ 11.3%）等行业。 二、典型的 PLC 产品 1、国外 施耐德公司， Quantum、 Premium、 Momentum 等； nts 罗克韦尔（ A-B 公司）， SLC、 MicroLogix、 Control Logix 等； 西门子公司， SIMATIC S7-400/300/200 系列； 日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。 2、国内 PLC 生产厂约 30 家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或 “贴牌 ”方式生产 . 三、 PLC 在我国的应用 虽然我国在 PLC 生产方面非常弱，但在 PLC 应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入 10 万台套 PLC 产品，年销售额 30 亿人民币，应用的行业也很广。 在我国，一般按 I/O 点数将 PLC 分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）： 微型： 小型： 256 I/O 中型： 1024 I/O 大型： 4096 I/O 巨型： 8192 I/O 在我国应用的 PLC 系统中， I/O 64 点以下 PLC 销售额占整个 PLC 的 47%，64 点 256 点的占 31%，合计占整个 PLC 销售额的 78%。 在我国应用的 PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。大中型集控系统采用欧美 PLC 居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及 OEM 产品采用日本的 PLC 居多。欧美 PLC在网络和软件方面具有优势，而日本 PLC 在灵活性和价位方面占优势。 我国的 PLC 供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、 OEM用户、最终用户。其中，大部分 PLC 是通过分销商和系统集成商达到最终用户的。 四、 PLC 发 展的重点 1、人机界面更加友好 PLC 制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其nts软件水平，多数 PLC 品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统，目前， PLC网络 IPC CRT 的模式被广泛应用。 2、网络通讯能力大大加强 PLC 厂家在原来 CPU 模板上提供物理层 RS232/422/485 接口的基础上，逐渐 增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔 A B 公司主推的三层网络结构体系，即 EtherNet、 ControlNet、 DeviceNet，西门子公司在 Profibus-DP 及 Profibus-FMS 网络等。 3、开放性和互操作性大大发展 PLC 在发展过程中，各 PLC 制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋 势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映： 1） IEC 形成了现场总线标准，这一标准包含 8 种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。 2） IEC 制订了基于 Windows 的编程语言标准 IEC61131-3，它规定了指令表（ IL）、梯形图（ LD）、顺序功能图（ SFC）、功能块图（ FBD）、结构化文本（ ST）五种编程语言。这是以数 字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然 PLC 开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同品牌的产品。 3） OPC 基金会推出了 OPC（ OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过 OPC 一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数 PLC 软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了 OPC 功能。 OPC 与现场总线技术的结合，是未来控制系统向 FCS 技术发展的趋势。 4、 PLC 的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。 PLC 的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制nts的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域， PLC均有成功能应用， PLC 在相当多的应用取代了昂贵的 DCS，从而使原来 PLC（顺序控制） DCS（过程控制）的模式变成 PLC IPC 模式。 5、工业以太网的发展对 PLC 有重要影响。以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于 1）硬件上如合适应工 业恶劣环境； 2）通讯机制如何提高其可靠。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各 PLC 厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。 6、 软 PLC 技术 的发展， 进入 90 年代后期 , 人们逐渐认识到 , 传统 PLC(也称硬 PLC) 自身存在着这样那样的缺点 :由于传统 PLC 的生产厂商之间的产品互相不兼容 ,缺少明确一致的标准 ,造成难以构建开放的硬件体系结构 ;各厂商产品的编程方法差别很大 ,技术专有性较强 ,工作人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某一种产品的编程 方法 ; 传统 PLC 的生产被几家厂商所垄断 ,造成 PLC 的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统 PLC发展的因素 ,工控领域的研究人员也一直在寻求解决这些问题的途径。近年来 ,随着计算机技术的迅猛发展以及 PLC 方面的国际标准的制定 ,一项打破传统 PLC 局限性的新兴技术发展起来了 ,这项技术就是软 PLC 技术。于是 PLC 进入了其发展的第 4 阶段。其特征是 :在保留 PLC 功能的前提下 ,采用面向现场总线网络的体系结构 ;采用开放的通信接口 ,如以太网、高速串口等 ;采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准 ;全部 用软件来实现传统 PLC 的功能 ,这就是国际上出现的高新技术 软 PLC 技术。 nts 毕业设计 (论文 )开题报告 信息与电子工程系 工业电气自动化技术 专业 03 级（ 1）班 课题名称： 基于 PLC 的液位控制系统的设计 学生姓名： 徐胜祥 学号 : 20030210128 指导教师： 陈国定 报告日期： 2006 年 03 月 19 日 nts1、 文献综述 “过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。随着科学技术的 飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能 源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分 (1) 在工业生产过程中 ,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。 液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点 ,难以对其进行精确控制 .在众多的控制算法中 ,模糊控制是行之有效的控制方法之一 。 但在模糊控制系统的设计过程中 ,存在大量繁琐的工作 ,如控制器结构的确定 ,隶属函数的选取、各种规则的获取 ,参数的调整等 .本文利用 PID 模糊控制 。 信号处理是过程控制中的重要组成部分。 步入 21 世纪之后 ,社会进入数字化的时代 ,而数字信 号处理器 (digital signal processor)正是这场数字化革命的核心 。 数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片 ,通过数字计算的方法对信号进行处理 与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确 ,灵活 ,抗干扰能力强 ,可靠性好和易于大规模集成等特点 。 目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟 VLSI 的最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能 .电流模式技术和方法对于诸如放大器、变换器、 A/D 和 D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、 ANN(人工 神经网络 )和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与 AI,控制与机器人等领域的发展产生重要的影响 。 信号的获取需要传感器， 适用于测液位的传感器有很多种， 主要有 热敏电阻传感器、电容式液位传感器、电感式液位传感器 等。它们各有特点，可根据液面特性选择。 模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同的形式。比 如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统， 可采用 并行转换结构。 但通道越多，成本越高， 而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难 ， 通常采用的结构是多路通道共享采样 /保持和模数转换电路。信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到 A/D 转换器所需电平。采样保持器的作用 ，一是保证 A/D 转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度；二是可将多个相关的检测点在同一时刻的状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢， A/D 转换精度能够满足要求，则 S/H 可省不 用。 A/D 将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收 。 A/D 转换器的种类很多，按工作原理可分为比较式和积分式两大类 。 比较式 A/D转换器的工作原理实质上是将被转换的模拟量与转换器产生的基准电压进行比较，从而将模拟量转换成 数字量。积分式 A/D 转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但速度较慢。逐次逼近式属于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。 积分式 A/D 转换通过对被测量进行积分，将被测量转化 成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干nts扰能力强，准确度高，但速度较慢。积分式 A/D 转换器可分电压 -时间（ V-T）转换式和电压 -频率（ V-F）转换式，每一种根据转换的特点又分为若干类。 模拟量输出通道有以下两种基本结构 （ 1） 多通道独立 D/A 转换形式 。 由于目前 D/A 转换器芯片内部一般带来数据锁存器，所以这种连接方式的不需要采样保持器。一旦数据送入 D/A 转换器只要没有新的数据输入，它就保持原来的输出值。这种结构的组成包括 I/O 接口 、 D/A 转换器 、 隔离级 、 输出级 、 执行器 。 多通道独立 D/A 转换器结构的优点是转换速度快，工作可靠、精度高且各个通道互相独立而互不影响。缺点是使用较多 D/A 转换器，投资较高。工业控制中多采用此种形式。 （ 2） 多通道共享 D/A 转换形式 。 这种形式由于 D/A 转换器是共用的，所以每一个模拟量输出通道都需要一个采样保持器 S/H, 采样保持器的作用是将 D/A 转换器输出的离散模拟量转换成执行器件能接受的连接信号，即把上一时输出的采样值保持到下一次输出。这种结构的优点是节省 D/A 转换器。由于公用一个 D/A，在 CPU 控制下分时工作， D/A 转换器依次把数字量转换成模拟电压或电流，通过多路开关给各路输出采样保持器，而保持器不能长久保持信号不变，因此这种结构精度较差，只适用转换数字要求不高、通路较多的情况 。 D/A 转换器中包含由电阻（或电容）和开关组成的网络。模拟参考电压在网络的输入端。被转换的数字信号控制网络中开关的闭合，改变网络的参数，从而使网络输出与数字量相对应的模拟电流或电压。这样就实现了数 -模转换。 DAC的种类很多，绝大多数 DAC 都为电流输出，有的兼有电流和电压输出；输出模拟量和输入数字量之间的函数关系既有线性的，也有非线性的；数字信号 输入方式有并行的，也有串行的；多数 D/A 转换器既可对普通二进制数码进行单极性转换，又可以通过改变外部接线，对补码、反码、偏移二进制码或符号 -数值码进行双级性转换。实际产品的结构不一定包括图中所有部分，但虚线中的部分则应是必备的。 2、 研究内容 基于 PLC 的液位控制系统在实际的生产应用中非常广泛。 本项目要使用浙大中控设计生产的 AE2000A 型过程控制实验对象系统、 AE2000A 型过程控制实验仪表控制台和西门子 PLC（ S7-300 系列）控制系统等 。 本项目要求学生 以 PLC 为核心， 整定 液位系统的 PID 控制参数，并应 用 PLC语句编程来控制液位的高度 。 S7-300PLC 系列是紧凑型可编程序控制器 ， 设计要求给出 PLC 液位控制系统的梯形图和程序，这就要求学生在规定的时间内完成PID 参数的计算和 PLC 系统的设计，最后要求给出一套设计图和设计说明书。 3、 初步方案 这里采用的是 水箱 液位 的 PID 调节，有两级水箱。控制一个水箱的是单回路反馈 PID 控制。单 回路系统是指在一个调节对象上用一个 PID 调节器来保持参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号 ， 其输出也只控制一个执行机构。 两个水箱的液位通过串级反馈回路来控制。 系统具体装置如下图所示。 nts 系统运行前要把需要控制液位的水箱水路上的手动阀门全部打开，打开水箱的出水阀至适当位置。系统 通过 PLC 控制液位的高度，实现方法是，通过液位传感器 把检测到的信号变成相应的电信号传到 PLC 的模拟量输入通道 中，由 PLC经过 PID 算法计算得出输出信号， 经过信号处理 输出到 执行器 电动调节阀中控制阀门的开度，使液位达到指定的 高度 ，这个过程需要一定的时间 。 输出的信号和电动调节阀的开度成正比。控制要选择控制参数，合适的控制参数可以带来满意的控制效果， 反之，控制器参数选择不合适，则会使控制质量变坏 ， 达不到预期效果。 所以 PID 参数的选择是很重要的，要很好地去整定。系统可以设定比例、积分、微分的参数，观察控制的效果，使用比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制进行实验，将它们得到的结果进行比较，就可以知道三个控制环节分别的作用。 系统的控制框图如图 2 所示 图 2：液位控制系统控制框图 其中 SV 为给定信号，由用户通过计算机设定， PV 为控制变量，它们的差是 PID 调节器的输入偏差信号，经过 PLC 的 PID 运算后输出，调节器的输出信nts号经过 PLC 的 D/A 转换成 420mA 的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使 水箱的液位保持设定值 。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到 PLC 的输入接口，再经过 A/D 转换成控制量 PV，给定值 SV 与控制量 PV 经过 PLC 的 CPU 的减法运算成了偏差信号 e ,又输入到 PID 调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。 4、工作安排 周 完成文献检索、文献综述和英文翻译 周 完成开题报告，熟悉实验装置等 周 完成 PID 控制器设计与计算、学习 S7-300，并完成编程等 周 完成实验调试 周 毕业实习 周 完成毕业论文 周 毕业答辩 nts 毕 业 设 计 论 文 文 献 综 述 学院：浙江工业大学浙西分校 系别：信息与电子工程系 班级： 03 工自（ 1）班 学生： 徐 胜 祥 指导老师：陈 国 定 日期： 2006 年 4 月 13 日 nts 摘要 ： 本文讨论 信号处理的最新发展情况， 包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器，模拟量输入通道 AI，输出量输出通道 DO。其中 AI 分为信号处理器，多路开关，采样保持器（ S/H） ,信号放大器和 A/D 转换器和 I/O 接口电路。 DO 分为 I/O 接口电路， D/A 转换器 隔离级，输出级和执行级 。 关键词 ： 信号处理的发展；传感器；模拟量输入通道； 模拟 量输出通道 1、 引言 “过程控制”是一门与工业生产过程联系十分密切的科目。随着科学技术的 飞速发展，过程控制也在日新月异的发展。它不仅在传统工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大 ，结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分 (1) 在工业生产过程中 ,液位变量是一个常见而广泛的过程参数之一。 液位控制装置具有非线性、滞后、耦合等特点 ,难以对其进行 精确控制 .在众多的控制算法中 ,模糊控制是行之有效的控制方法之一 。 但在模糊控制系统的设计过程中 ,存在大量繁琐的工作 ,如控制器结构的确定 ,隶属函数的选取、各种规则的获取 ,参数的调整等 .本文利用 PID 模糊控制 。 信号处理 是过程控制中的重要组成部分。本文讨论信号处理的最新发展情况， 包括数字信号处理和电流模式模拟信号处理的发展，信号处理所涉及到的个部分：传感器 ，模拟量输入通道 AI， 模拟 量输出通道 DO。 其中 AI 分为信号处理器，多路开关，采样保持器（ S/H） ,信号放大器和A/D 转换器和 I/O 接口电路。 DO 分为 I/O 接口电路 ， D/A 转换器隔离级，输出级和执行级。 2、 信号处理的发展 2.1 DSP 数字信号处理器的发展 步入 21 世纪之后 ,社会进入数字化的时代 ,而数字信号处理器 (digital signal processor)正是这场数字化革命的核心从 20 世纪 60 年代数字信号处理理论的崛起 ,到 20 世纪 8 年代世界上第一个单片可编程 DSP 芯片产生以来 ,数字信号处理器的发展迅猛异常 DSP 的应用范围也越来越广 ,从运算速度来看 ,MAC 时间已经从 20 世纪 80 年代初的 400n 降低到 40ns,DSP 内部关键的乘法器部件从 1980 年的占模区的 40%左右下降到 5%以下 ,片内 RAM增加了一个数量级以上 ,从制造工艺上来看 ,80 年代采用 4L 的 NMOS 工艺 ,而现在普遍采用微米 CMOS 工艺 DSPnts芯片的引脚数量从 1980 年的最多 64 个增加到现在的 200 个以上 ,引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加 ,此外随着 DSP 芯片的发展 DSP 系统的成本 ,体积 ,重量和功耗都有很大程度上的下降 。 数字信号处理是利用专用或通用数字信号处理芯片 ,通过数字计算的方法对信号进行处理 与模拟信号处理相比数字信号处理具有精确 ,灵活 ,抗干扰能力强 ,可靠性好和易于大规模集成等特点 DSP 系统 以数字信号处理为基础 ,与模拟信号处理系统相比 ,其优点 : a.接口简单 ,方便 由于数字信号的电气特性简单 ,不同的 DSP 系统相互连接时 ,在硬件接口上容易实现 b.精度高 ,稳定性好 数字信号处理仅受量化误差和有限字长的影响 ,处理过程不引入其他噪声 ,因此有较高的信噪比 另外模拟系统的性能受元器件参数性能影响较大 ,而数字系统基本不变 ,因此数字系统更便于测试 ,调试 ,及批量生产 c.编程方便 ,容易实现复杂的算法 在 DSP 系统中 ,DS 芯片提供了一个高速计算平台 ,系统功能依赖于软件编程实现 当其与现代信号处理理论和计算数 学相结合时 ,可以实现复杂的信号处理功能 d.集成方便 现代 DSP芯片都是将 DSP芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上 这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品 现代 DSP 芯片作为可编程超大规模集成 (VLSI)器件 ,通过可下载的软件或固件来实现数字信号处理功能 DSP 芯片除具有普通微处理器的高速运算和控制功能外 ,还针对高数据传输速率 ,数值运算密集的实时数字信号处理 ,在处理器结构 ,指令系统 ,和指令流程设计上做了较大改动 其结构特点有 : a.DSP 芯片普遍采用改进的哈佛结构 ,即数据总线和程序总线相互分离 ,这使得处理指令和数据可以同时进行 ,提高了处理效率 b.DSP 芯片大多采用流水线技术 ,即每条指令的执行划分为取指 ,译码 ,取数等若干步骤 ,由片内多个功能单元分别完成 这相当于多条指令并行执行 ,从而大大提高了运行速度 c.片内有多条总线可以同时进行取指和取操作数动作并且有辅助寄存器自动增减地址协助寻址 d.配有独立的乘法器 !加法器和特殊指令 ,适用于需要大量乘累加器操作的矩阵运算 ,滤波 ,FFT,Viterbi 译码和相关的专用信号处理运算 e.大多数 DSP 芯片一般都带有 DMA 控制器 ,外部存储器 ,外部存储器扩展接口 ,串行通信 ,配合片内多总线结构可以实现大吞吐量数据传送 f.DSP 芯片一般配有中断处理器 ,定时器 ,片内存储器和锁相环 (PLL)等片内集成外设 ,可以方便的实现一个嵌入式自封闭控制的处理系统 g.省电管理和低功耗 适于便携式数字终端设备 发展趋势 : DSP 内核结构进一步完善 ; DSP 和微处理器的融合 ; MPU 是低成本的 ,主要执行智能定向控制任务的通用微处理器 ,但其数字信号处理能力很差 ,DSP 功能正好与其 相互补充 ; DSP 和高档 CPU 的融合 ; DSP 和 SOC(System-on-chip)的融合 ; DSP 和 FPGA 的融合 ; 实时操作系统 RTOS 与 DSP 结合 (2) nts2.2 电流模式模拟信号处理的发展 多年来，电子工程师似乎总是认为世界是由电压所支配，安培只是从属于伏特，微电子技术 和 VLSI 的飞速发展，使得象运算放大器这样的压控 IC 基本积木块及其电路得到广泛地研究 和使用 ，从而加 大 了人们电压主宰世界的认识，以至认为象跨导放大器这样的流控器件用处 不大。然而，双级型晶体管和 MOS场效应管本质上都是控制电流输出器件 .现有的 IC 基本积木块和压控技术可很方便地实现电压控制信号处理如 VCVS 和 CCVS 电路，但 并不容易构成电流放大器及其有关电路实现如 VCCS 和 CCCS.人们常常要求模拟信号处理具有良好的电流信号处理能力，许多宽带电路的功能把电流而不是电压作为有谅参数，以这种方式实现的电路常常比用传统的电压模式处理具有更多的优点 .新近的研究表明，由标准的电压运算放大器综合的电流模式电路比用同样的器件以电压模式综合实现的电路性能好得多，跨导运放极有希望发展成为模拟 VLSI 中的模拟门阵列最基本的积木块， T-C 技术使得全集成连续时间信号处理器的单片集成化成为可能，用电流模式方法设计的 ANN 集成电路克服了电压模式 ANN 集成 电路的缺陷，可实现编程闭值的突触阵列，从而为神经计算机的 VLSI 实现提供了新的途径 。 目前，集成电路的设计由于电流模式电路技术的发展和应用而获得了新的生长点，模拟 VLSI 的最新进展使得开发和实现电流模式信号处理成为可能 .电流模式技术和方法对于诸如放大器、变换器、 A/D 和 D/A、采样数据和连续时间滤波器、自校正系统，编程系统、 ANN(人工神经网络 )和神经计算机等许多问题提供了最有吸引力的途径，并将对微电子学与信息科学、计算机科学与 AI,控制与机器人等领域的发展产生重要的影响 .在 988 年 IEEE 电路与系 统国际会议上英国B.WiIson 教授等人介绍了电流模式信号处理的一些新近进展 s，引起了人们的广泛兴趣， 1988 年和 1990 年 IEEE 电路与系统国际会议上开辟了“电流模式信号处理”专门小组报告和大会前的专题学术付论会，并把其作为 VLSI 和模拟信号处理的重点前沿方向，一场“电流模式信号处 理的热潮正在国际上迅速兴起。人们预计电流模式模拟信号处理与 IC 设计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治 VLSI 的局面，形成与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局 .发人深醒的是、二十年前就有人在此领域作过努力与 尝试 o-h 由于电压模式IC 技术的迅速发展而淹没了这些工作，也正是由于电压模式信号处理技术和VLSI 发展到今天，给电流模式信号处理的实现提供了技术上的可能性，同时随着现有模拟 VLSI 技术的迅速发展和广泛应用，使得人们得以认识电压模式信 号处理和 VLSI 技术的局限性，从而开始考虑电流模式信号处理的能力，促进了电流模式信号处理的诞生和发展 .本文旨在对这一刚刚诞生的科学生长点 电优模式信号处理的发展现状作一评述，讨论电流模式信号处理与集成电路设计的基本方法，展望其发展前景并指出有关前沿研究课题，以期促进我国在这一新 领城的研究和发展 .（ 3） 3、 液位传感器 适用于测液位的传感器有很多种，现在简要介绍几种： 3.1 热敏电阻传感器 热敏电阻 是一种利用半导体制成的敏感元nts件，其特点是电阻率随温度而易变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵活度高；热惯性小，反应速度快；体积小，结构简单；使用方便，寿命长，易实现远距离测量等特点得到广泛地应用。 作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热，当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置，如图 3-1所示。 （ 4） 3.2 电容式液位传感器 电容式液位传感器是利用被测介质液面变化为电容变化的一种介质变化型电容式传感器。 图 3-2a 是用于被测介质是非导电物质时的电容式传感器。当被测液面变化时，两电极间的介质常数将发生变化，从而导致电容的变化。 图 3-2 电容式液位传感器 1-内电极 2-外电极 3-绝缘层 图 3-2b 适用于测量导电液体的液位。液面变化时相当于外电级的面积在改变，这是一种变面积型电容传感器 （ 5） 3.3 电感式液位传感器 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感的改变 这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为 自感式和互感式两大类。图 3-4是采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值 。 （ 6） 4、 过程通道 过程通道是在微机和生产过程之间设置的信息传递和转换的连接通道 ，它包括数字量输入通道，模拟量输入通道，数字量输出通道，模拟量输出通道。生产过程的各种参数通过数字量输入通道或模拟量输入通道送入微机，微机经过计算nts机和处理后所得结果通过数字量输出 通道或模拟量输出通道送到生产过程，从而实现生产过程的控制。液位控制的过程通道是由模拟量输入通道和 模拟 量输出通道组成。 4.1 模拟量输入通道 1. AI 通道的一般结构 模拟量输入通道因检测系统本身的特点、实际应用的要求等因素的不同，可以有不同 的 形式。比如，对于高速系统，特别是需要同时得到系数众多数据的系统，可系统，可采用图 4-1 所示结构。其特点是速度快，工作可靠。即使某一通路有故障，也会影响其他通路正常工作。 但通道越多，成本越高，而且会使系统体积大，也给系统较准带来困难。如对几百路 信 号巡检采集数据，采用这种结构 很难实现。因此，通常采用的结构是多路通道共享采样 /保持和模数转换电路。 图 4-2 所示为多路模拟输入通道的一般结构。由图可见，多路 AI 由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和模数转换组成。 信号处理器的功能是对来现场的多路模拟信号滤波、隔离、电平转换、非线性补偿、电流电压转换等。多路开关将多路信号按一定顺序要求切换到放大器的输入端。放大器是将传感器输出的弱信号放大到 A/D 转换器所 需电平。采样保持器的作用 ，一是保证 A/D转换过程中被转换的模拟量保持不变，以提高转换精度； 二是可将多个相关的检测点在同一时刻的 状态量保持下来，以供分时转换和处理，确保每个检测量在时间上的一致性。若模拟输入电压信号变化缓慢， A/D转换精度能够满足要求，则 S/H可省不用。 A/D 将模拟信号转换成数字信号，以使计算机能够接收 。 nts2. AI 通道中的信号变换 1） 信号的采样 信号的采样过程如图 4-3所示。执行采样动作的是采样器 S,S每隔一个时间间隔 T 闭合一个时间 r。 T 称为采样周期， r 称为宽度。时间和幅值上均连续的模拟信号 Y(t)通过采样器后，被变换为时间上离散的采样信号 Y*(t)。模拟信号到 采样信号的变换过程称为采样过程或离散过程。 采样信号 Y*(t)是否能如实的反映模拟信号 Y(t)的所有变化与特征呢？香农采样定理指出：如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为maxF,只要按照采样频率max2Ff 进行采样，那么采样信号 Y*(t)就能唯一地复现 Y(t)。采样定理给出了 Y*(t)唯一地复现 Y(t)所需的最底采样频率。实现 应用中，常取max)105( Ff 。 2） 量化 采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍然是连续的，因为连续信号Y(t) 幅值上的变化 ，也反映在采样信号 Y*(t)上。所以，采样信号仍然不能进入微机。微机只能接受在时间上的离散，幅值上变化也不是连续的数字信号。 将采样信号 转换为数字的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是 A/D转换器 。字长为 n 的 A/D 转换器把maxF minF 范围内变化的采样信号，变换为数字 012 n ，其最低有效位所对应的模拟量 q称为量化单位。 )12/()(m i nm a x nYYq量化过程实际上是一个用 q去度量采样值幅值高低的小数归整过程，存在 q2/1 的量化误差。例如， q=20mV，量化误差为 mV10 ， 1.0090.99V范围内的采样值，其量化结果是相同的，都是数字 50。 在 A/D转换器的字长 n足够长，量化误差足够小，可以认为数字信号近似于采样信号，在这种条件下，数字信号系统可沿用采样系统的理论和方法进行分析、设计。 （ 7） 3. A/D转换器 A/D转换器的种类很多，按工作原理可分 为比较式和积分式两大类。 比较式 A/D转换器的工作原理实质上是将被转换的模拟量与转换器产生的基准电压进行比较，从而将模拟量转换成数字量。由于是准电压的产生及比较方法不同，比较式 A/D转换器中又分为若干种。其中斜坡比较式属于开环比较式，结构简单，转换的是被测量的瞬间值，但抗干扰能力差，准确度低 。逐次逼近式属nts于闭环比较式，速度快，准确度高，应用广泛。 积分式 A/D转换通过对被测量进行积分，将被测量转化成中间量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量。积分式 A/D 转换测量的平均值，它的抗干扰能力强，准确度高，但 速度较慢。积分式 A/D转换器可分电压 -时间（ V-T）转换式和电压 -频率（ V-F）转换式，每一种
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