计算机控制系统第2章输入输出接口与过程通道技术

计算机控制系统第2章输入输出接口与过程通道技术第一页，共104页。2.1输入输出过程通道概述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。

第二页，共104页。图2-1输入输出过程通道组成结构图第三页，共104页。表2-1生产过程输入输出信息来源与用途第四页，共104页。2.2模拟量输入通道

图2-2模拟量输入通道方框图第五页，共104页。2.2.1信号调理在进一步作模拟或数字处理之前，必须对输入信号作适当调理，即通过放大、电平变换、电隔离、阻抗变换、线性化和滤波，将传感器输出的电信号尽可能不失真地转变为标准的电流或电压信号（通常为4～20mA、0～5V等）。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。第六页，共104页。表2-2常见信号调理单元的构成与功能第七页，共104页。1．电桥电路图2-3热电偶变送器输入电路第八页，共104页。(2-1)

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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。

第九页，共104页。2．仪表放大器经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低，经电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。为此，测量电路中常设有模拟放大环节（一般为线性放大环节）。第十页，共104页。图2-4仪表放大器结构第十一页，共104页。(2-4)

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第十二页，共104页。图2-5AD620引脚图图2-6AD620典型应用第十三页，共104页。图2-7AD620在压力检测电路中的应用第十四页，共104页。3．隔离放大器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。隔离放大器的符号图2-8所示，其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。第十五页，共104页。图2-8隔离放大器的符号第十六页，共104页。图2-9变压器耦合两端隔离放大器第十七页，共104页。图2-10AD210电路结构第十八页，共104页。图2-11AD210在热电偶测量中的应用第十九页，共104页。4．电流/电压（I/V）转换器在计算机测控系统的模拟量输入通道调理电路中，除标度变换器、滤波、线性化校正、零点和满刻度调整等电路外，往往还包括电流/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。

第二十页，共104页。图2-12二线制变送器的连接第二十一页，共104页。图2-13无源I/V变换电路第二十二页，共104页。图2-14有源同相输入I/V变换电路第二十三页，共104页。图2-15有源反相输入I/V变换电路第二十四页，共104页。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。

2.2.2多路转换开关第二十五页，共104页。1．CD4051图2-16CD4051结构原理图第二十六页，共104页。图2-17CD4051引脚图第二十七页，共104页。表2-3CD4051真值表第二十八页，共104页。图2-18CD4052结构原理图第二十九页，共104页。图2-19CD4052引脚图第三十页，共104页。表2-4CD4052真值表第三十一页，共104页。2.2.3可编程增益放大器（PGA）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。第三十二页，共104页。图2-20用仪表放大器实现的可编程增益放大器第三十三页，共104页。图2-21LH0084电路结构第三十四页，共104页。2.2.4采样保持器1．采样保持器的作用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转换时间。对于随时间变化的模拟信号来说，转换时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差。

第三十五页，共104页。图2-22正弦模拟信号第三十六页，共104页。(2-10)

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第三十七页，共104页。图2-23采样保持电路2．采样保持器的组成与工作原理采样保持电路由输入缓冲放大器A1、模拟开关AS、模拟信号存储电容CH和输出缓冲放大器A2组成，如图2-23所示。第三十八页，共104页。3．采样保持器的主要参数(1)孔径时间TAP(2)捕捉时间TAC(3)保持电压下降率第三十九页，共104页。图2-24LF398采样保持器原理图4．常用采样保持器芯片第四十页，共104页。图2-25LF398典型应用第四十一页，共104页。图2-26AD582原理及外引脚第四十二页，共104页。图2-27AD582应用电路第四十三页，共104页。2.2.5A/D转换器

1．A/D转换器类型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。第四十四页，共104页。2．A/D转换器的主要技术参数(1)分辨率(2)量程(3)转换精度(4)转换时间(5)工作温度范围第四十五页，共104页。图2-28AD574原理框图3．12位A/D转换器AD574

第四十六页，共104页。图2-29AD574单极性输入电路图2-30AD574双极性输入电路第四十七页，共104页。图2-31AD574与外部的连接4．A/D转换器与系统的连接及举例第四十八页，共104页。2.2.6模拟量输入通道设计举例图2-328通道模拟输入板第四十九页，共104页。2.3模拟量输出接口与通道2.3.1模拟量输出通道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。第五十页，共104页。图2-33数字量保持方案1．每个输出通道设置一个D/A转换器的结构形式第五十一页，共104页。图2-34模拟量保持方案2．多个输出通道共用一个D/A转换器的结构形式第五十二页，共104页。2.3.2D/A转换器及其接口

1．D/A转换技术指标(1)分辨率(2)稳定时间(3)线性误差(4)输出方式和极性(5)温度范围第五十三页，共104页。图2-35DAC1210原理图2．12位D/A转换器DAC1210第五十四页，共104页。图2-36DAC1210与PC/XT总线的接口3．DAC1210与CPU的连接第五十五页，共104页。2.3.3电压/电流（V/I）转换器

工业现场的智能仪表和执行器常常要以电流方式传输，这是因为在长距离传输信号时容易引入干扰，而电流传输具有较强的抗干扰能力。因此，许多场合必须经过电压/电流（V/I）转换电路，将电压信号转换成电流信号。第五十六页，共104页。图2-37V/I转换电路a)、b)电流串联负反馈形式c)电流并联负反馈形式d)电流并联正反馈形式第五十七页，共104页。2.4数字量（开关量）输入输出通道2.4.1概述

开关量输入输出通道一般由三部分组成：CPU接口逻辑、输入缓冲器和输出锁存器、输入输出电气接口(亦即开关量输入信号调理和输出信号驱动电路)。一般情况下，各种开关量输入输出通道的前两部分往往大同小异，所不同的主要在于输入输出(I／O)电气接口。典型的开关量输入输出通道结构如图图2-38所示。第五十八页，共104页。图2-38典型的开关量输入/输出通道第五十九页，共104页。2.4.2数字量（开关量）输入通道图2-39数字量输入通道结构图数字量输入通道主要由输入调理电路、输入缓冲器、输入地址译码电路等组成，如图2-39所示。

第六十页，共104页。图2-40数字量输入通道(1)小功率输入调理电路a)积分电路数字量输入b)R-S触发器数字量输入1．输入调理电路第六十一页，共104页。图2-41采用光电耦合器隔离开关量输入(2)大功率输入调理电路第六十二页，共104页。图2-42输入电平变换2．开关量输入隔离及电平变换图2-43隔离及电平变换电路第六十三页，共104页。2.4.3数字量（开关量）输出通道图2-44数字量输出通道数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码等组成，如图2-44所示。

第六十四页，共104页。图2-45光电隔离开关量输出电路第六十五页，共104页。1．小功率驱动电路图2-46小功率驱动电路第六十六页，共104页。2．中功率驱动电路图2-47中功率驱动电路第六十七页，共104页。图2-48ULN2003达林顿阵列驱动器a)ULN2003结构图b)复合管内部结构第六十八页，共104页。3．大功率驱动电路图2-49过零型固态继电器的结构第六十九页，共104页。2.5过程通道的抗干扰与可靠性设计影响系统安全可靠运行的主要因素来自系统内部和外部的各种干扰。所谓干扰，就是有用信号以外的噪声或造成计算机控制系统不能正常工作的破坏因素。第七十页，共104页。1．干扰来源(1)电源干扰

(2)空间干扰(3)设备干扰

2.5.1干扰源与干扰的耦合第七十一页，共104页。2．干扰信号的耦合方式(1)直接耦合方式(2)静电耦合方式（电容性耦合方式）(3)电磁耦合方式（电感性耦合方式）(4)共阻抗耦合方式(5)电磁场辐射耦合方式(6)漏电耦合方式（电阻性耦合）第七十二页，共104页。图2-50静电耦合示意图第七十三页，共104页。图2-51电磁耦合示意图第七十四页，共104页。图2-52电源共阻抗耦合干扰第七十五页，共104页。图2-53公共地线耦合干扰第七十六页，共104页。图2-54输出阻抗耦合干扰第七十七页，共104页。图2-55电阻耦合的等效电路1、2为平行线第七十八页，共104页。2.5.2过程通道抗干扰措施干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线，而且首当其冲是A/D和各种输入装置。所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰性能。第七十九页，共104页。图2-56干扰信号形式第八十页，共104页。1．串模干扰及其抑制叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰，用Vg表示。串模干扰使接收电路的一个输入端相对于另一输入端产生电位差，因此也称为差模干扰，如图2-57所示。

图2-57串模干扰示意图图2-58热电偶线路中的串模噪声第八十一页，共104页。抑制串模干扰的措施有：(1)采用输入滤波器(2)采用双积分式或-调制式A/D转换器(3)用双绞线作信号引线(4)电磁屏蔽和良好的接地第八十二页，共104页。图2-59二级阻容滤波器网络第八十三页，共104页。2．共模干扰及其抑制共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。共模干扰通过过程通道串入主机，其一般表现形式如图2-60所示，其中VS为信号源，Vg为共模噪声电压。

图2-60共模干扰示意图图2-61热电偶测温线路中的共模噪声第八十四页，共104页。图2-62共模噪声电压Ucm的影响第八十五页，共104页。抑制共模干扰的措施有：(1)采用仪表放大器做信号前置放大(2)采用隔离技术将地电位隔开(3)利用浮地屏蔽第八十六页，共104页。图2-63双线传输电路第八十七页，共104页。图2-64脉冲光电耦合第八十八页，共104页。图2-65双层浮地屏蔽保护原理图第八十九页，共104页。2.6测量数据的预处理在计算机控制系统中，生产过程的被测参数经输入通道转换成数字信号，输入计算机中。这些数字信号（数据）被运算、显示之前一般要进行一些预处理，其中最基本的为数字滤波、线性化处理、标度变换和系统误差的自动校准。第九十页，共104页。2.6.1数字滤波所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入信号进行数学处理，减少干扰在信号中的比重，提高信号的真实性。这种滤波方法不需要增加硬设备，只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到信号滤波的目的。第九十一页，共104页。1．限幅滤波(2-33)2．中位值滤波法如采样值是y1、y2、y3，且有

y1≤y2≤y3，则y2作为本次采样的有效信号。

第九十二页，共104页。3．算术平均滤波法(2-34)4．递推平均滤波法(2-35)第九十三页，共104页。5．加权递推平均滤波法(2-36)6．一阶惯性滤波法(2-37)第九十四页，共104页。以上讨论了六种数字滤波方法，在实际应用中，究竟选取哪一种数字滤波方法，应视具体情况而定。平均值滤波法适用于周期性干扰，中位值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰，惯性滤波法适用于高频或低频的干扰信号，加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控对象。如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤波法或限幅滤波法，然后再用平均值滤波法。如果应用不恰当，非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。第九十五页，共104页。计算机从模拟量输入通道得到的检测信号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系。例如，差压变送器输出的孔板差压信号同实际的流量成平方根关系；热电偶的热电势与其所测温度成非线性关系等。而在计算机内部参与运算和控制的二进制数希望与被测参数成线性关系，其目的是既便于运算又便于显示。为此，必须对非线性参