3006121杨志罡微机控制恒应力水泥压力试验机

1、济南大学泉城学院济南大学泉城学院 毕毕 业业 论论 题题 目目 微机控制恒应力水泥试验系统设计 专专 业业 机械设计制造及其自动化 班班 级级 机设 07q1 学学 生生 杨志罡 学学 号号 20073006121 指导教师指导教师 王新华 二一一 年 五 月二十六日 摘 要 全自动水泥试验机是一种机电化产品。主要由微机、液压泵、溢流阀、电液比 例阀、压力传感器等组成。该系统采用计算机作为主控制器，通过外部设备，对试 验参数进行设定。其工作过程为：首先由计算机发给控制器试验信号，控制器对液 压缸进行检测，把检测到的电压信号经过 a/d 转换和放大后传给计算机。计算机实 现液压系统的比例控制，来

2、达到设计的要求。 关键词：试验机；液压泵；电液；比例阀；压力传感器；pid abstract automatic electro-hydraulic compression testing machine is a kind of product of electro-machine. it is mainly made up of computer, hydraulic pump, hydraulic cylinder override relief valve. electronic-hydraulic servo valve, compression sensor and so on .

3、in this system, the computer acts as main controller, through outer equipment instate the test method, test parameter ect. the procession of work is as follows: at first, the computer send testing message testing message to the controller , and then ,the controller control the servo valve to decide

4、the compression .at the same time the compression sensor get the signal of cylinder pressure. the siginal is transmitted to the computer throuth a/d (transform) and be amplified. secondly, the computer compare the pressure given singal and throuth pid (proportion integral differential)revise the con

5、trol. signal of the controller .finally,the system close-loop control is relized ,getting to the demand. key word:testing machine hydraulic pump electronlic-hydraulic servo valve compression sensor pid 目 录 摘要.i abstract.ii 1 前 言.1 2 总体方案的确定说明.2 2.1 动力的选择.2 2.2 执行机构的选择.2 2.3 传感器的选择.3 3 液压系统的设计.4 3.1

6、工况分析.4 3.2 液压缸主要尺寸的确定.4 3.3 液压泵的选择.6 3.4 电动机的选择.7 3.5 联轴器的选择.7 3.6 液压阀的选择.7 4 传感器的选择.10 4.1 传感器的选用原则.10 4.2 传感器的性能指标.10 4.3 传感器的比较和选用.11 5 过程通道的一般结构形式.14 5.1 过程通道的设计.14 5.1 过程通道的其他主要部件.17 5.3 传感器的比较和选用.19 6 控制软件的设计.29 7 结论.35 参考文献.36 致谢.37 1 前言 在科技飞速发展的今天，一种复合的技术机电（液）一体技术出现了。 “机 电一体化” （mechatronic）一

7、词源于日本，是机械和电子合成的一个新的专用名词。 机电一体化的本质是将电机技术引用到机械控制中，即“利用传感器检测机械运动， 将检测到的信号输入到计算机中，计算机得到的能够实现预算的运动的控制型号” 。 机电一体化技术是机电工业发展的必然趋势。 随着计算机技术在工程控制中的不断应用和发展，电液控制系统及其元件的数 字化也成为一种必然的发展趋势；同时电液直接控制技术的发展也备受人们的关注。 现有的电液直接数字控制的实现方法有两种：其一为脉宽调制为代表的控制方法， 通过控制开关件的通断时间比，以获得在某段时间内流量的平均值：其二为采用步 进电动机作为点机械信号转化元件的增量式控制发发。本设计在综合

8、这两种方法 优点的基础上采用了直接数字控制技术的常用方法，并用微机对流体控制元件实现 嵌入式的数字控制从而使水泥压力试验机的工作性能得到改善，能很好的满足现行 的国家标准对水泥检测的要求。 2 2 总体方案的确定说明 微机控制恒应力水泥压力试验机作为一种机电一体化产品不外乎由以下组成部 分： 图 1-1 机电一体化系统图 2.1 力的选择 按动力源的不同可分为：液动、气动、电动三种。 液压驱动：液压压力可获得较长的输出力，油液压缩性很小，压力流量均易控 制，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，但是液体对温度变化敏感。油液有泄漏等缺 点。 气动驱动：气体压力小，输出力小，若需要输出较大的力，则结构尺寸

9、过大， 且气体压缩性大，阻尼效果差，精确定位困难，低速不易控制。 电机驱动：输出力小，控制性能好，可精确定位。但控制系统复杂。由于本设 计要求输出力较大，并要求精确的加载速度，控制精度要求高。所以本设计采用液 压驱动。也就是用电机驱动液压泵1。 2.2 执行机构的选择 液压执行元件是将液压介质的压力转变为机械性能的装置。他依靠压力油使执 行件输出油做旋转运动或直线运动而做功。按输出运动的不同，可将液压执行元件 分为三类：液压缸、液压马达、旋转马达。 计算机 执行机构 机械机构 传感器 传感器 传感器 动力 根据设计要求，在水泥块从收力道被压碎期间，执行元件处于准静态，而马达 的输出是转矩，可执

10、行元件应该选液压缸。 2.3 传感器的选择 由于本设计要求恒定压力变化，主要测量压力，所以可选用灵敏度和分辨率达 到要求的压力传感器。 通过以上的确定，总体方案可以用以下框图 1.2 表示： 图 1.2 总体方案框图 计 算 机 数字控制 器 被 测 试 件 电液比例 阀 液压缸 a/d 转换放 大器 压力传感 器 3 3 液压系统的设计 该系统采用计算机作为系统主控制器，通过人机对话，进行试验方法、试验参 数的设定工作。当实验开始时，由计算机给控制器发出试验信号，控制器控制电液 比例阀开口度的大小，再由电液比例阀来控制液压缸对试件进行加载。同时，采用 压力传感器对液压缸工作腔的油液压力进行检

11、测，将检测到的压力信号通过 a/d 转 换放大器进行模数转换、放大、并反馈给计算机。计算机将压力反馈信号与输入信 号比较后，经过 pid 算法，来修正控制器的输入信号，以实现系统的闭环控制。 全自动液压试验机的液压系统主要由电动机、泵、溢流阀、换向阀、电液比例 阀、压力传感器、液压缸组成。电动机作为动力源液压泵提供能量，液压泵作为机 械能液压能的转换元件给系统提供液压能源；单向阀用来防止油液对泵的反响冲 击；溢流阀作为系统的安全阀，在系统过载时提供安全保护作用；换向阀用来使油 液换向；电液比例阀作为系统加载的控制元件，控制、调节系统的输出；压力传感 器作为检测元件，将液压缸工作腔的压力信号通过

12、 a/d 放大反馈给计算机以实现闭 环控制；液压杆作为液压能机械能转换元件，对试件进行输出加载。 3.1 工况分析 液压缸所受外负载 f=fw+ff+fa 式中 fw是工作负载，本设计中 fw为 300kn fa运动部件速度变化是的惯性负载，本设计中水泥块从受力到破碎活塞运动速 度为零，ff是摩擦阻力负载，本设计中 ff f x g f 为静摩擦系数，取 0.2，g 取 500n fw与 ff相比，可忽略不计。 3.2 液压缸主要尺寸的确定 3.21 工作压力 p 的确定 工作压力 p 根据负载大小及机器类型来初步确定，参照如下： 主机类型工作压力 精加工机床 0.82 半精加工机床 35 龙

13、门刨床龙门刨床 2 28 8 机 床拉床 810 农业机械、小型工业机械、工程机械辅助 机构 1016 液压机、重型机械、起重机械 2030 表 3.1 机器类型与负载大小 液压机的工作压力为 2030mpa。又根据已知条件液压传感器规格为 25mpa 可 知，为了安全，工作压力应取在 2025mpa 之间，初取 20mpa。 3.2.2 计算液压缸内径 d 和活塞杆直径 d 由于负载最大为 250kn，常用液压缸的机械效率 为 0.90.97，取 =0.9， 查表，液压缸内径 d 与活塞杆 d 的关系可知： 受压缩，工作压力 p (mpa)活塞杆受力 情况 受拉伸 p55p7p7 活塞杆直径

14、 d (0.3-0.5)d （0.55-0.77） d (0.6-0.7)d0.7d 表 3-2 液压缸内径 d 与活塞杆 d 的关系 计算液压缸面积： = (p1p2)d2+ p2 d2= f 4 300kn 0.9 得 p1 d2= 4 300kn 0.9 d2=212.2cm2 d=14.57212.2 圆整为标准值为 d=160mm , d=0.7d=14.570.7=10.199cm , d=100mm 对于中压系统。壁厚 至少应满足 /d1/10,d=160,取 =30mm 液压缸的两腔实际有效面积为：a1= d2=162=201.06cm2 4 4 a2= (d2d2)= (16

15、2100)=122.52cm2 4 4 取 v=0.1m/min 则 q=a1v=201.061040.1=2.0106l/min 3.2.3 强度校核 (1)活塞杆的直径 d 按下式校核 d 其中 f 为活塞杆上的作用力，为活塞杆材料的许用应力，最小许用 4 f a 应力为 110mpa d=58.9mm d=10058.9mm 4 f a 符合要求 (2)壁厚 按下式校核： （1） 2 d 0.4 1.3 y y ap ap py为缸筒试验压力，pn为缸的额定压力，当 pn16mpa 时，取 py=1.25pn ,即 py=1.2520=25mpa = =19.5 =3019.5mm 0.

16、1601100.4 25 (1) 2110 1.3 25 符合要求 3. 3 液圧泵的选择 液压泵在整个循环中的最大工作压力为 20mpa，进油路上的压力损失为 0.5mpa，压力继电器调整压力高出系统最大压力为 0.5mpa，则 p=20+0.5+0.5=21mpa. 液压泵应向液压缸输出流量为 2.0106l/min 回路中泄露按液压缸输入流量的 10%估 计，则 q=1.12.0106l/min=2.21 l/min 溢流阀的最小稳定溢流量为 3 l/min 则液压泵流量规格最小为 2.21 l/min+3 l/min=5.21 l/min 性能外啮合齿 轮泵 双作用叶 片泵 限压式变

17、量液压泵 径向柱塞 泵 轴向柱塞 泵 螺杆泵 输出压力低压中压高压高压高压低压 流量调节不能不能能能能不能 效率能较高较高高高较高 输出流量 脉动 很大很小一般一般一般较小 自吸特性好交差较差差差好 对油的污 染敏感性 不敏感较敏感较敏感很敏感很敏感不敏感 噪声大较大较大大大最小 最后确定选取 10mcy141b 轴向柱塞泵，额定压力为 31.5mpa,转速 1500r/min。 3.4 电动机的选择 由以上计算知：泵的供油压力为 21mpa,取泵的总效率 =0.9 则 p1 = =5.83103 w=5.83kw pq 66 21 101500 10 10 0.9 60 查表选用 y132s

18、1-2 型电动机，其额定功率为 5.5kw，转速为 2900r/min 3.5 立柱设计 立柱的直径 d，取a=600n/mm2，则 d17.84mm 取 dmin=22mm。 4 f a 3.6 联轴器的选择 联轴器的选择应根据传动载荷的大小、轴向转速的高低、被连接部分的安装精 度等要求来选用。由于本系统的载荷不大，转速很高，对中的同轴度误差要求很高， 为了补偿液压泵和电动机在安装时两周的同轴度误差，常选用弹性联轴器，其特点 是传递的补偿范围很大，转速较高，弹性好，能缓冲转矩急剧变化引起的振动，能 补偿轴向定位，故选用 hl1 型弹性柱销联轴器。 3.7 液压阀的选用 3.7.1 单向阀的选

19、用 单向阀又称止回阀，它的作用是使油只能从一个方向通过，而不能反向流动。 单向阀有直动式和直角式。 由于本设计中单向阀的作用主要是安装在泵的出油口，防止系统压力生高时冲 击液压泵。从经济型和安装方便上考虑，选择结构简单、价格低廉的 s 型直通式单 向阀s10ak1.其最高压力为 31.5mpa,其额定流量为 10-260l/min,公称直径为 6- 30。 3.7.2 溢流阀的选用 为了防止压力过高而损害系统，必须安装起安全作用的溢流阀。其工作原理为： 进油口的压力油通过阻尼作用在其底部，形成一个与弹簧力相抗衡的液压力。当液 压力小于调压弹簧的弹簧力时，锥阀关闭，此阀不起调节作用。随着进油口压

20、力的 提高，当液压力大于弹簧力时，锥阀开启，多余的油液流回油箱，使进油压力稳定 在调定值。根据实际选择 yf 型溢流阀。其最高压力为 732mpa，额定流量为 40l/min，公称直径为 10mm，榆次系列。 3.7.3 换向阀的选择 换向阀有电磁换向阀和电液换向阀。现在简单介绍经济实惠的电磁换向阀。电 磁换向的工作原理为：通过电磁铁控制滑阀阀芯的不同位置，以改变油液的流动方 向，当电磁铁断电时，滑阀由弹簧保持在中间位置或初始位置。若推动故障检查按 钮可使滑阀阀芯移动。根据实际情况（流量和压力）选择电磁换向阀 wi6g51/oaw220-50z4,其最大压力为 31.5mpa,其额定流量为 6

21、0l/min。 3.7.4 电液比例阀的选择 比例阀一般具有压力补偿性能，所以它的输出压力和流量可以不受负载的影响。 电磁比例阀由压力阀和移动马达两部分组成，当压力阀的线圈通进电流时，弹 簧把电磁力传给锥阀，推力的大小与电流成比例。当的阀进油口处的压力油作用在 锥阀上的力超过弹簧力时，锥阀打开，油液通过阀口的排出。阀口的张开开度影响 电磁推力。由于电磁阀是本设计中的关键阀，故选择 byf-b10h4,其最大压力为 31.5mpa,额定流量为 2500l/min。 各液压阀的特性如下： 表 2-4 各种阀的特性 3.8 辅助元件的选择 3.8.1 邮箱尺寸的确定 油箱的有效容积（油面高度为油箱高

22、度的 80%时的容积）应根据液压系统的发 热、散热平衡的原则来计算，这项计算在负载较大时是必须的，但对于一般的情况 来说，油箱的有效容积可按液压泵的额定流量来估算，公式为： v=qv 已知所选泵的总流量为 1500100.001=15l 参照下表 系数类型行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金机械 1-22-45-76-1210 表 2-5 系数的确定 取 =6，故 v=0.075mm3，最后确定邮箱的尺寸为长 l=580mm,宽 s=450mm,高 h=370mm。 3.8.2 过滤器的选择 由于本系统中轴向柱塞泵对油的污染很敏感，故必须设计过滤器。 在液压泵的吸管道上，必须安装网式过滤器，以

23、清除较大的颗粒杂质，保护液 压泵。为了不影响液压泵的吸油能力，过滤器通油能力最好大于泵流量的 2 倍，故 选 wu16180 型的网式过滤器。 在回油路上安装精过滤器，以清除更细的颗粒杂质，保护液压系统的液压元件 不受细微颗粒的损伤和卡死。系统泄漏的油液必须经过过滤后返回油箱，由于它不 会在主油路上造成压力下降，又不承受系统的工作压力，故可选用强度较低的过滤 器，过过滤器的通油能力应不小于回油管的最大流量。 综上可选用型号为 c.scuib-f108 磁性烧结式过滤。 序号元件名称额定流量 l/min 调压范围规格 1 单向阀 1531.5s10ak1 2 溢流阀 407-32yf-l10k

24、3 换向阀 6031.5we6g51oaq220-50z4 4 电液比例阀 250031.5byf-b10h4 4 传感器的选择 4.1 传感器的选用原则 工程上通常是直接作用于被测量，能按一定规律将其转换为同种或别种量输出 的器件为传感器。如何根据测试目的和实践条件，合理的选用传感器时会经常遇到 的问题。通常选择一般注意以下几点： 4.1.1 灵敏度 灵敏度是指传感器在稳定工作下输出变化对输入变化的比值，用 s 表示， s=dy/dx,一般传感器灵敏度越高越好，灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化 量越小。但灵敏度太高也会影响其测量范围。 4.1.2 线性范围 任何传感器都有一定的线性范围

25、，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性 范围越宽，则其工作量程越大。但任何传感器都不容易保证其绝对的线性，在许可 范围内，可以在其近似线性范围内应用。 4.1.3 可靠性 可靠性是一切传感器的生命，可靠性是指仪器装置等产品在规定的条件下，在 规定的时间里可以完成规定功能的能力。为了保证传感器在应用中具有高的可靠性， 必须选用条件适宜传感器。 4.1.4 精确度 传感器的精确度包括精密度和正确度。精密度是说明测量结果的分散性，正确 度是说明测量值偏离真值大小的程度，属于系统误差。总而言之，精确度表示传感 器输出和被测量值的一致程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否 真实反映被测量值

26、对整个测试系统有直接影响。 4.1.5 其他 除了上述一些因素外，应尽可能结构简单，体积小，中亮起，价格便宜，易于 更换。 4.2 传感器的性能指标 4.2.1 精度 表示测量结果与被测量的真值的靠近程度，精度一般用极限误差来表示，或者 用极限误差与满量程之比按百分比表示。 4.2.2 线性度 表示传感器的输出和输入的关系曲线与选择的工作曲线的靠近程度。 4.2.3 灵敏度 是传感器的输出增量与输出之比。 4.2.4 分辨率 表示输出量程与满量程的输入之比。 4.2.5 量程 表示传感器要测量的北侧的量值。 4.2.6 重复性 反映传感器在不使用的工作状态下，重复的给予某个相通的输入值时，其输

27、出 值的一致性。可用校准数据与响应行程书粗豪平均值之间的某个最大偏差值，对满 联成输出的百分比表示。 4.2.7 稳定性 表示传感器在一个较长的时间内保持能参数的能力，常用给出标定的有效期表 示稳定性。 4.2.8 零漂 表示传感器在零输入状态下，输出值的漂移，一般有时间飘零和稳定零漂 。 4.3 传感器的比较和选用 压力传感器主要有电阻应变式、压阻式、压电式压磁式电阻式。 4.3.1 电阻应变式压力传感器 电阻应变式压力传感器时利用弹性敏感元件将北侧里、压力转化为应变、唯一 等，然后通过粘贴与其表面的电阻应变片转化为位电阻值的变化，由转化电路（通 常为电桥输入电压或电流信号） 阻值的变化为：

28、 r/r(1+2u) 式中 敏感栅响应变化，=/l; 4.3.2 压电式压力传感器 压电式压力传感器是基于压电元件的压电效应而工作的。压电效应是指某些沿 一定方向受威力作用而变形时的两个相对表面产生机型相反的电荷，当外力去掉后 又恢复到不带电的状态晶体受力所产生的电荷量与威力的大小成正比。压电式传感 器可等效位带电荷 q 的电容器，其电容 ca为： ca=a/ 式中 电介质的介电常数，=r0，其中 r、0 分别为相对介电常数 和真空介电常数。 特点：线性好，频响范围宽，灵敏度高，迟滞小，结构简单，工作可靠，使用 方便，抗声、磁干扰能力强要求后缀具有高的输入阻抗，应用低电容、低噪声、高 电阻电缆

29、，需老化处理以提高其稳定性。 4.3.3 压阻式传感器 压阻式传感器是用半导体的压阻效应而工作的。当单晶硅半导体（如 p-si，n- si）沿某方向受到外力作用时，其电阻率发生变化，导致电阻值相对变化的现象称 为压阻效应。 电阻相对变化为：r/r=/=/=/e 式中 p半导体材料的电阻率 1沿 1 方向的压阻系数 e材料的弹性模量 沿 2 方向的应力 特点：灵敏度高机械滞后小，分辨率高，测量范围大，频响范围宽，使用方便。 4.3.4 压磁式传感器 在机械力的作用下，铁磁材料内部产生应力或应力变化，使其磁道发生变化， 当铁磁材料制成的压磁元件线圈时期磁道率变化将引起线圈电感和阻抗变化，当压 磁元

30、件同时饶有一二次线圈并在一次线圈加以激励电压时，磁道率变化将导致线圈 系数变化从而使输出电势变化。 4.3.5 压磁式传感器 电阻应变式：测量范围宽，精度高，寿命长，体积小，价格便宜，可在恶劣的 条件下工作，应用范围最广泛，但有一定的非线性误差 压阻式：灵敏度高，机械滞后小，分辨率高，测量范围大，体积小，功耗小， 使用方便，但有较大的非线性误差温度误差 压电式：线性好，频响范围宽，灵敏度高，迟滞小，重复性好，结构简单，工 作可靠，使用方便，无需外加电源，抗声、磁干扰能力强，温度系数低 （0.02%.0c） 。用来测量准静态力、压力，更适宜于动态和恶劣环境中的力的测量。 压磁式：输出功率大，信号

31、强，抗干扰能力和过载能力强，牢固可靠，寿命长， 能在恶劣条件下工作。但精度较低（约 1%） ，反应速度较低。 经比较，本设计选择电阻应变式传感器，其型号为 jyby7ay。其技术参数为： 量程：02030mpa 精度: 0.5% 供电:24v 或 12vdc 输出:05v，010ma 反应时间:5ms 使用温度:-20+60。c 压力过载：15% 安装尺寸：m201.5 外螺纹。 5 过程通道的一般结构形式 5.1 过程通道的设计 过程通道包括模拟量输入电路、模拟量输出通道和数字量输入、输出通道。和 数字量（或开关量）输入通道就是为此目的而开设的两种检测通道。生产过程别的 被调参数（一般包括温

32、度、压力、流量、位移、速度液面高度等等）一般都是随时 间连续变化的非电物理量，因此模拟量电信号必须通过模拟量输入通道转换为响应 的数字信号，才能送入计算机；而生产现场的两态开关、电平的高低、脉冲量等数 字或开关信号，则应通过数字量输入通道输入计算机。 计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道及数字量输出通 道，计算机输出的控制信号是以数字形式给出的，有执行元件要求提供模拟的电流 或电压，故采用模拟量输出通道来传达；有得执行元件值要求提供数字量（或开关 量）信号故采用数字量输出通道。 可见，过程通道是家算计和工业生产过程（控制对象）相互交换信息的桥梁。 模拟量输入通道格局应用要求的

33、不同，可以有不同的结构形式。 5.1.1 一个通道设置一个 a/d 转换器 如图（3） 图中 a/d 转换器是将模拟量转换成数字量的装置，也是模拟量输入通道的关键 性部件。当被测信号发生变化较快时，往往要求通道比较灵敏，而模/数转换过程要 花一定的时间才能完成，转换过程终了所得的数字量不再是对应于发出转换命令那 一瞬间所要转换的数据电平，因而会带来一定的转换误差。上图中的采样保持器就 是用来对变化的模拟信号进行快速采样，并在转化过程中“保持”该信号，以减少 转换过程所造成的误差。 由于这种结构形式是在每一个通道上都有的采样保持器和 a/d 转换器，所以允 许各个通道能同时工作。 。这种结构通常

34、用于需要同时得到描述系统性能各项数据的 系统中。其特点是速度快、工作可靠，即使某一个通路有故障，也不会影响其它通 路的工作，如果通道的数量很多要使用较多的采样保持器和 a/d 转化器，使用成本 较高。 图 4-1 一个通道设置一个 a/d 转换器框图 5.1.2 多个通道共享一个 a/d 转换器 下图的多路或随即地转换机关分时的将各种模拟信号按顺序或随机的通过采样 保持器传送到公用的 a/d 转换器。 这种结构因公用一个 a/d 转换器，每路地转换只能顺序进行，显然工作速度较 慢可靠性也不高，但可节省硬件设备。由于采用了多个采样保持器，捕捉时间可以 忽略。 4-2 多通道共享一个 a/d 转换

35、器 5.1.3 多个通道共享采样保持器和 a/d 转换器 下图是多个通道共享采样保持器和 a/d 转换器的结构框图。这种结构形式较以 采样保 持器a/d 转 换器 a/d 转 换器 采样保 持器 i/o 接 口 电 路 cpu 采样保 持器 a/d 转 换器 采样保 持器 a/d 转 换 开 关 cpu i/o 接 口 电 路 上两种多通道形式的速度更慢，但可以节省硬件，可靠性也差。由于采用了公用的 采样保持器，因此在启动 a/d 转换前，必须考虑采样保持器的捕捉时间，只有当保 持电容器的放电过度过程结束后才允许启动 a/d 转换电路。 图 4-3 多通道共享采样保持器和 a/d 转换器 经过

36、比较后最后选用节约成本的多通道共享采样保持器和 a/d 转换器 5.1.4 模拟量输入的一般结构 下图是多路模拟量输入通道的一般组成原理框图。由图可知，模拟量输入通道 一般由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和 a/d 转换器等组成 过程 图 4-4 模拟量输入结构框图 其中信号处理根据需要可包括信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电 平交换、非线性补偿、电流/电压转换等功能。 放大器是用来把传感器送来的信号从毫伏电平按比例放大到典型的模拟数字转 换器输入电平（如慢刻度为 10v） ，可选用一个具有适当闭环增益的运算放大器。如 果各种信号源的信号幅值相差悬殊，可采用增益可控的可编程放大

37、器，它的闭环增 多 路 转 换 开 关 采样保 持器 a/d 转换 开关 i/o 接口 电路 cpu 过 程 参 数 检 测 信号处 理 信号处理 多 路 转 换 开 关 放大器 a/d 转 换 i/o 接 口 电 路 采样 保持 器 控制 cpu 益由计算机控制。当信号源和模拟数字转换器之间因两点接地而存在地电位差，给 系统带来干扰，这是，需要采用仪表放大器或隔离放大器。仪表反复打起的特点是： 共模抑制力强、输入阻抗高、低漂移、增益可调。隔离放大器的主要作用是：隔离 放大器测量高共模电压下的低电平信号、消除各种干扰引起的误差、避免几声失去、 保护应用系统电路。 控制部分是接受 cpu 的命令

38、向通道中各部件发送控制信号的控制接口。他的作 用是：向多路转换器发送通道选通控制信号、控制放大器的增益，使采样保持器能 处在采样或保持工作状态、启动 a/d 转换器进行转换等。 5.2 过程通道的其他主要部件 过程通道中涉及到的部件很多，除了 a/d 转换器和 d/a 转换器之外，还有信号 处理装置、多路开关、放大器、采样保持器以及大功率输出接口部件。现分述如下： 5.2.1 信号处理装置 在生产现场，由于各种干扰信号的存在，必须采用滤波器电路来抑制信号通道 中的干扰。选择滤波器类型时，要考虑所测信号的频率和特性，以及干扰信号的频 率和所要求的抑制程度。有时因环境引起的噪音干扰，可采用线路补偿

39、或采用频蔽 的措施尽量减少对有用信号的影响。有些被测参数与转换后的电信号之间成非线性 关系，为提高测量转换的灵敏度和便于控制的运算，需要进行线性化处理，这可采 用折线近似法或采用非线性的反馈放大达到线性化的目的。 5.2.2 多路转换开关 多路转换开关又称为多路采样器或多路模拟开关，当有多个信号需要检测时， 利用多路开关多路转换开关可将各个输入信号一次的或随机的连续接到公用放大器 或 a/d 转换器上实现对各个输入通道的分时控制，多路开关是用来切换模拟电压信 号的关键元件，为了 参数的测量精度，对它应提出较高的要求，理想的多伦路开关， 其开路电阻无穷大、接通时的导通电阻应为零，此外，还要求切换

40、速度快、噪声低、 寿命长和工作可靠，控制开关动作所需要消耗的功率要小等等。 目前的危机系统多采用集成的多路转换开关、噪声低、寿命长和工作可靠，控 制开关动作所需要消耗的功率要小等等。 目前的微机系统多采用集成的多路转换开关。典型的集成多路揩干可分为 4 选 1、双 4 选 1、8 选 1、16 选 1 等 5 种类型。4 选 1 的芯片有 74ls155,8 选 1、双 8 选 1、16 选 1 等五种类型。4 选 1 的芯片有 74ls155,8 选 1 的芯片有 cd4051、74ls151、ad7503 等，16 选 1 的芯片有 74ls150、ad7506 等等。现主要 介绍 8 选

41、 1 的芯片 cd4051. cd4051 是单端的 8 通道开关，其原理图如下： c、b、a 为开关的控制输入端，inh 为禁止（高电平禁止）输入端，inh 禁止 （高电平禁止）输入端，片内有电平转换成二进制译码器。当 inh 为低电平时，改 变 c、b、a 的数值（从 0111）通过译码器可以溢出 8 种状态，在 8 个通道中 （x0x7）选中其中的一个通道使输入和输出接通。而当 inh 为高电平时，不论 c、b、a 为何值 8 个通道均不同，改变输入输出的传递方向，则可用做多路开关或 反向开关。cd4051 有很宽的数字和模拟信号电平，数字信号为 315 伏模拟信 号峰值为 15vp-p

42、;当 vdd-vee=10v 时其断开时的漏电流为10pa,静态功率耗为 1w。 选择多路开关主要应考虑如下因素：要多少通路？是单端还是差动？电平高低 如何？采用什么方式对各通路寻址？精度及切换速率等。 5.2.3 采样保持器 a/d 转换器完成一次完整的转换过程所需的时间成为转换时间。对变化较快的 模拟信号来说，转换期间将引起转换误差。设置一个幅值为 um 频率为 f 的正弦信 号 u=则其随时间的变化率为 du/ dt =um2f，它的最大值出现在信号过零时，所以， 最大的转换误差为： uu2ft 式中 t 为 a/d 转换时间。 由此可知，若转换时间一定，则转换误差与信号的频率成正比。为

43、了满足转换 精度的条件下允许有较高的输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信 号的要求用采样保持器解决。 采样保持器基本组成电路如图所示。它由模拟开关、保持电容和运算放大器组 成。其工作原理如下： u0 ui 图 4-6 采样保持器 表 4-1 真值表 输入状态接通信号输入状态接通信号 inhc b acd4051inhc b acd4051 00 0 001 0 04# 00 0 11#01 0 15# 01 1 02#01 1 06# 00 1 13#01 1 17# 当控制开信号为高电平（即采样阶段） ，模拟开关 k 闭合，输入信号通过放大 器 al 向电容 c 充电进行转换，在

44、这阶段，希望电容电压维持稳定的时间越长越好。 图中运算放大器 a1、a2 都接成跟随形式，a1 的输出阻抗很低，a2 的输入阻抗很 高，故它接近理想的采样保持器。 在模拟量输入通道内，经常采用集成化的采样保持器。如 lf198、lf298、lf398 等。该系列的电路结构完全一样，仅某些电气参数有些不同， 其特点是：采样速度高，保持电压下降速度慢，精度高等，下图中，ch 为外接保 持电容，其值的选择取决于维持时间的长短。控制输入端用于控制采样或保持，当 控制输入为高电平时，采样保持器处于跟随状态，为低电平时处于保持状态，逻辑 电平基准输入端 lr 能控制信号与各种逻辑电平兼容，l-r 接地时，

45、控制电平与 ttl 兼容。offset 用于零位调整。 除上述系列的采样保持器外，其他的通用芯片还有 sha-1、ad583、ad583k/s 等，高分辨率芯片有 sha1144、adc1130 等。 5.3 a/d、d/a 转换器 由 a/d 和 d/a 关系到系统的精度，而精度是恒应力水泥压力机得生命。因此， a/d 和 d/a 的选择非常重要，很有必要做详细介绍。 5.3.1 a/d 转换器 1） 、a/d 转换器的主要技术指标 无论是分析或设计 a/d 转换器（简称 adc）接口电路，还是面对课题项目 adc 芯片，都会涉及到有关 adc 的技术指标及术语。因材，弄起清一些常出现的 a

46、dc 主要性能指标术语的确切含义以及有关的基本概念是非常必要的 （1）分辨率 对于 adc 来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所输入模拟电压的变 化量。转化器的分辨率定义为满刻度电压与 2n之比值，其中 n 为 adc 的位数，例 如：具有 12 位分辨率的 adc 能偶分辨出满刻度的 1/212 或满刻度的 0.0245%。分 辨率是指能使转换后数字量变化 1 的最小模拟输入量。 （2）量程 量程是指所能转换的电压范围。如 3v、5v、10v 等。 （3）量化误差 量化误差是由 adc 的有限分辨率而引起的误差。在不计其它误差的情况下，一 个分辨率有限的 adc 的阶梯状转移特性曲线

47、与具有无限分辨率的 adc 转移特性曲 线（直线）之间的最大偏差，称之为量化误差。分辨率高的 adc 具有较小的量化误 差。 （4）转换精度 转化精度是指转换后所得结果相对实际值的准确度。有绝对精度和相对精度两 种不同的而表示方法。 在一个转化器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的电压值之差并不 是一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。对于 adc 而言，可以在每个阶梯 的水平中心点进行测量它包括所有的误差，也包括量化误差。绝对精度常用数字量 得位数表示，如绝对精度为1/21sb 相对精度与绝对精度想色，所不同的是把这个最大偏差表示为慢刻度模拟电压 的百分数，或用二进制分数来表示相对

48、应的数字量。它通常不包括能被用户消除的 刻度误差。相对误差是用于满量程的百分比表示。如满量程为 10v 的 8 位 a/d 转换 器，其绝对精度为 1/210/28=19.5mv ，而 8 位 a/d 的相对精度为 1/28100%0.39%。 精度和分辨率不能混淆，即使分辨率很高，但温度漂移、线性不良等原因可能 造成精度并不是很高。 （5）转化时间 转换时间是指 a/d 到转换结束所需要的时间。不同型号、不同分辨率的器件、 转换时间相差很大。一般几 us几百 ms，逐次逼近时 a/d 转换器的转换时间为 1200us。再设计模拟量输入通道时，应按实际应用的需要和成本来确定这一项参 数的选择。

49、 （6）转换速率 adc 的转化速率就是能偶重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完 成一次 a/d 转换所需的时间（b 包括稳定时间）即转换时间，则是它的倒数。 （7）工作温度范围 较好的 a/d 转换器的工作温度为-4085。 。c 较差的为 070 。c 。应根据具 体应用要求查器件手册，选择使用的型号，超过工作温度范围，将不能保证达到额 定精度指标。 2）a/d 转换器的选择要点 超大规模集成电路技术的发展，使集成 a/d 转换器的发展速度惊人。品种繁多、 性能各异的满足不同要求的集成 a/d 转换器不断涌现。在设计数据采集系太难过、 测控系统和智能仪器仪表时，首先碰到的就是如何

50、选择合适的 a/d 转换器以满足应 用系统设计要求的问题。下面从不同角度介绍选择 a/d 转换器的要点 （1）如何确定 a/d 转化器的位数 a/d 转换器位数的确定与整个测量系统所要测量控制的范围和精度有关，但又 不能唯一确定系统的精度。因为系统精度设计的还击较多，包括传感器变换精度、 信号预处理电路精度和 a/d 转换器及输出电路、伺服机构精度，甚至还包括传感器 变换精度、信号预处理电路精度和 a/d 转换器及输出电路、伺服机构精度，甚至还 包括软件控制算法。然而估计时，a/d 转换器的位数至少要比总精度要求的最低分 辨率率高一位（虽然分辨率与转换精度是不同的概念，但没有基本的分辨率就谈不

51、 上转换精度，精度是在分辨率的基础上反映的） 。实际选取的 a/d 转化器的位数应 与其它还击所能达到的精度相适应。只要不低于它们就行，选的太高既没有意义， 而且价格还有高很多。因为，我们这次课题的精度要求是 1/2000，用 8 位的 a/d 转 化器的精度是 1/28=1/256,精度不够，而 y 用 12 位的 a/d 转换器的精度是 12/212， 精度刚好过了 1/2000。这样即达到了要求也没有太浪费，所以我们这次就选择 12 位 的 a/d 转换器。 （2） 如何确定 a/d 转换器的转换速率 a/d 转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这 就是 a/d

52、 转换器的转换时间；其倒数就是每秒钟能完成的转换次数，称为转换速率。 用不同的原理实现的 a/d 转换器其转换时间是大不相同的。总的来说，积分型、电 荷平衡型和跟踪比较性 a/d 转换器转换速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不 等，只能构成低速 a/d 转换器，一般适用于对温度、压力、流量等，缓变参量的检 测和控制。逐次比较型 a/d 转换器的转换时间可从几 us 到 100us 左右，属于中速 a/d 转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。转换时间 最短的高速 a/d 转化器是用那些用双极型或 cmos 工艺进程的全并行、串并行和电 压转移函数型的 a/d 转换器。转

53、换时间仅 20100ns 即转换速率可达 10- 50msps。高速 a/d 转换器适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、 视频数字转换系统等。根据我们所选择的课题要死 u 可以确定我们要用中速 a/d 转 换器。根据上面一系列的分析，再结合我们课题的要求以及应用的广泛性和价格的 合理性我们选择 a/d574 为这次课题中的 a/d 转换器。 3)ad574 的介绍 ad574a 是美国模拟器件公司生产的 12 位主次逼近型快速 a/d 转换器。转换 速度最大为 35us，转换精度0.05%，是目前我国市场应用最广泛、价格适中的 a/d 转换器。ad574a 片内配有三态输出缓冲电

54、路，因而可直接与各种典型的 8 位 或 16 位的微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，这使它在不需要任何外部电路 和时钟信号的情况下完成一切 a/d 转换功能，应用非常方便。ad574 是由两个大规 模集成电路组成的，每一部分都设有模拟数字电路，因而以最低的成本而获得最高 的性能和适应性。分辨率为 12 位，转换时间 1535us。ad574 有六个等级，其中 ad574aj、ad574ak、ad574al，适用于 0+70.c 温度范围内工作： ad574as、ad574at 和 ad574av 可用在-55+125.c 温度范围内工作。 （1） ad574 的内部结构与引脚功能 ad57

55、4 的内部结构框图如下图所示，它由模拟芯片和数字芯片二片混合组成， 其中模拟芯片就是 ad565 型 快速 12 单片集成 d/a 转换器芯片和参考电压组成。 它包括高速电流输出开关电路、激光切割膜片式电阻网络，故其精度高，可达 1/4sb。数字芯片则包括高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、模拟控 制电路以及三态输出数据锁存器等。 （2） ad574a 的主要特性总结如下： 非线性误差：ad574aj 为1lsb；ad574ak 为1/2lsb。 转换速度：最大转换时间 35us,属于中档速度 输入模拟信号范围可为 0+10v，0+20v,也可为双极性+-5v 或+- 10v。 ad5

56、74a 有两个模拟输入端，分别用于不同的电压范围：10vin 适用于+-5v 的模拟输入，20vin 适用于10v 的模拟输入。输出为 12 位，即 db0db11。 用不同的控制信号，即可以实现高精度的 12 位变换，又可作为快速的 8 位转换。 转换后的数据有两种读出方式：12 位一次输出：8 位、4 位分两次输出。设有三态 输出缓存器，可直接与 8 位或 16 位的微处理器接口。 三组电源：+5v,vcc(+12v+15v), vee(-1215v)。由于转换精度高，所提供 电源必须有良好的稳定性，并加以充分滤波，以防止高频噪声的干扰。 内设高精度的参考电压（10.00v）只需外接一只适

57、当阻值的电阻，便可向 dac 部分的解码网络提供 iref 转换操作所需要的时钟信号由内部提供，不需外接任何 元件。 低功耗：典型功耗为 390mw。 ad574 为 28 引脚双列直插式封装各引脚功能如下： db0db11-12 位数据输出，分三组，均带三态输出缓冲器。 vlogic逻辑电源+5v（4.5-5.5v） vcc正电源+15v(+13.5+16.5v) vee负电源-15v(-13.5-16.5v) agnd、dgnd模拟、数字地 ce片允许信号，高电平有效。简单应用中固定接高电平。 c片选择信号低电平有效。 r/c读/转换信号。ce=1,cs=0 时，转换开始，启动负脉冲， 4

58、00ns。ce=1,cs=0，r/c=1 时，允许读数据。 a0转换和读字节选择信号。 启动：ce=1、cs=0、r/c=0,r/c=0 时，转换开始，启动负脉冲， 400ns。ce=1, cs=0, r/c=1 时允许读数据。 读数：ce=1、cs=0、r/c=1,r/c=0、a0=0,时读取转换后高 8 位数据； ce=1、cs=0、r/c=1,r/c=0、a0=1 时，读取转换后低 4 位数据（低 4 位+0000） 。 12/8 输出数据形式选择信号。 12/8 端接 pin1(vlogic)时，数据按 12 位形式输出； 12/8 端接 pin15(dgnd)时，数据按 8 位形式输

59、出； sts转换状态信号。转换开始 sts=1;转换结束 sts=0。 表 4-2 ad574 真值表 cecsr/c12/8a0操作 0 禁止 1 禁止 100 启动 12 位转换 100 1启动 8 位转换 101vlogic 一次读取 12 位输出数据 101dgnd0读取高 8 位输出数据 101dgnd1读低位输出数据尾随 4 个 0 10vin模拟信号输入。单极性 010v，双极性5v。 20vin模拟信号输入。单极性 020v,双极性10v。 refout参考输出。 bipoff双极性偏置。 4）ad574 与模拟输入量得连接 通过改变 ad574 引脚 8、10、12 的外接电

60、路，可使 ad574a 进行单极性和双极 性模拟信号的转换，因为 ad574a 有单极性输入电路和双极性输入电路两种方式， 所以我们必须故居实际的需要来选定一种。若控制对象只要求一个方向的控制信号， 则可选用单极性输入，如要求两个方向的控制信号，则应选择双极性输入，在这里 我们必须对 ad574 进行调零，所以有正负之别，必须选用双极性输入。下图为双极 性转换电路。 图 49a/d574 双极性输入电路 通过改变 ad574 引脚 8、10、12 的外接电路，可使 ad574a 进行单极性和双极 性模拟信号的转换。 图中 ad574 引脚 13 的输入电压范围分别为 010v 或-5+5v(双