计算机控制技术

计算机控制技术第1页，课件共91页，创作于2023年2月计算机输入输出通道分类第一类：模拟量输入通道模拟量是连续变换的量，许多参数（温度、压力、流量等）先通过检测装置转换成相应的模拟量信号，然后转换成数字量信号输入计算机；第二类：模拟量输出通道执行机构要用模拟信号控制，而计算机输出的是数字信号，这就要求用相应的电路将数字量输出，并转换成模拟量；第2页，课件共91页，创作于2023年2月第三类：数字量（开关量）输入通道控制信息的状态，如开关、按钮和继电器的触点等，他们只有两种状态：断开和闭合，对这类信号的拾取需要通过数字量输入通道来实现；第四类：数字量（开关量）输出通道有一类对象的控制只需二值逻辑就可实现，如指示灯的亮和灭、电机的运行和停止、晶闸管的通和断以及闸门的开和关等，数字量输出通道就是担当这个任务的。第3页，课件共91页，创作于2023年2月第一节信号的采样与复现生产过程的状态和参数输入到计算机是通过采样来完成的，采样保留了连续信号在采样时刻的信息，而不计采样间隔之间的信息。采样频率高时，采到的信号密集，采样信号就可以近似代表原来的连续信号。第4页，课件共91页，创作于2023年2月信号的采样与重构

控制系统中信号的分类模拟信号：信号是时间的连续函数离散信号：信号是时间上的离散序列采样计算机每隔一定时间T采入一次模拟信号的瞬时值的过程，我们称之为采样，时间间隔T称为采样周期。采样过程也称为连续信号的时间离散化过程。第5页，课件共91页，创作于2023年2月

1.采样过程采样过程是由采样开关实现的，如图（a）所示。采样开关每隔一定时间T闭合一次，于是原来在时间上连续的模拟信号

f（t）就变成了时间上离散的采样信号

f*（t），如图（b）、（c）所示。

第6页，课件共91页，创作于2023年2月

通常采样的持续时间是非常短的，所以可以将采样信号f

*（t）看作成一个有强度、无宽度的脉冲序列，也就是看作成单位脉冲序列被f（t）调制的结果，如下图所示。f（t）对单位脉冲序列的调制作用第7页，课件共91页，创作于2023年2月2.采样定理几个频率：最高频率ωmax采样频率ωs乃奎斯特频率（折叠频率）ωs／2第8页，课件共91页，创作于2023年2月问题：ωs

和ωmax间怎样的关系可以满足要求？通常连续信号的频谱宽度是有限的，一般为一孤立频谱，其最高频率为ωmax，如图（a）所示，而f*（t）的频谱是离散频谱，如图（b）、（c）、（d）所示。第9页，课件共91页，创作于2023年2月f（t）和f*（t）的频谱第10页，课件共91页，创作于2023年2月采样定理（香农定理）

为了保证采样信号f*（t）的频谱是被采样信号

f（t）的频谱的无重叠的重复（沿频率轴方向），以便采样信号f*（t）能反映被采样信号f（t）的变化规律，采样频率ωs（ωs=2π/T=2πf）至少应该是f（t）的频谱F（jω）的最高频率ωmax的两倍，即ωs≥2ωmax

这就是著名的采样定理，即香农定理。第11页，课件共91页，创作于2023年2月用采样周期来描述采样定理若连续信号的最高频率为ωmax，那么它完全可以用周期T≤∏／ωmax的均匀采样值来描述。采样定理的物理意义：对连续信号中所含的最高频率的正弦分量来讲，能够做到在一个采样周期内采样2次以上，那么经采样所得的脉冲序列就能包含连续信号的全部信息。第12页，课件共91页，创作于2023年2月3.混叠现象（假频现象）与滤波

如果由离散序列得到的频谱无法恢复原信号，这种由连续信号的离散化，导致离散前后频谱发生变化的现象叫假频现象，也叫混叠现象。第13页，课件共91页，创作于2023年2月滤波

采样后的周期频谱分量是分离的（不混叠），则可以通过一个理想低通滤波器把所有派生的高频频谱滤去，只保留基本频谱，这样，连续信号的频谱就可以从采样信号的频谱中不失真的获得。第14页，课件共91页，创作于2023年2月4.信号复现与零阶保持器信号的复现和保持实现方法：理想的低通滤波器实际使用的方法：接近理想的低通滤波特性的保持器采样保持器零阶保持器：采用恒值外推原理，广泛应用于离散系统中一阶保持器高阶保持器第15页，课件共91页，创作于2023年2月信号的复现从时域来说，采样信号的恢复过程就是通过离散的采样值得到连续的时间函数，如图2-1；从频域来说，就是要去除采样的旁带，保留基频分量，（课本）图2-4。第16页，课件共91页，创作于2023年2月理想的不失真的恢复需要具备3个条件1.原连续信号的频谱必须是有限带宽，即2.满足采样定理，ωs≥2ωmax3.具有理想的低通滤波器特性理想低通滤波器的截止频率，取第17页，课件共91页，创作于2023年2月设滤波器输出信号的频谱为，由于在后均为0，所以只有基本频谱才能通过理想滤波器，其余所有旁带均被滤去，所以滤波器的输出可以无失真的恢复出原连续信号，即第18页，课件共91页，创作于2023年2月S/H(Sample/Hold)

在计算机控制系统的A/D转换中，为了适应转换时间的要求，在采样开关之后，总是连接着零阶保持器，对采样开关输出的采样信号进行保持，这种结构称为采样保持结构，S/H(Sample/Hold)，连续信号通过采样开关和零阶保持器两个转换环节作用后，变为阶梯形采样保持信号。第19页，课件共91页，创作于2023年2月第二节模拟量输入通道由于计算机控制时都是对数字量进行处理，而被控对象往往是模拟量，因此需要设计电路将模拟量转化为数字量输入计算机，实现计算机对被控对象的控制，实现这一功能的电路就是模拟量输入通道。第20页，课件共91页，创作于2023年2月模拟量输入通道的结构模拟量输入通道根据不同的应用要求，可以有不同的结构形式。本文主要介绍典型的多路模拟量输入通道结构。典型的模拟量输入通道一般由信号调理电路、多路转换器、放大器、采样保持器、A/D转换器、总线接口等组成。第21页，课件共91页，创作于2023年2月多路模拟量输入通道结构图第22页，课件共91页，创作于2023年2月各部分的作用传感器：把被测对象的各种非电物理量检测出来，并转换成电信号。如热电偶能把温度转换成热电动势，应变桥式荷重传感器把受力大小转换成电位差（即将所有非电量转换成电参数）。第23页，课件共91页，创作于2023年2月信号调理电路：将传感器的输出信号做适当处理，使之成为适合A/D转换的电压信号。根据需要信号调理可选择的内容包括小信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿和电流/电压转换等。第24页，课件共91页，创作于2023年2月多路转换器：一般多路模拟量输入通道只设一个A/D转换器，多路转换器的作用是将多个传感器来的信号按一定顺序换接到A/D转换器。

放大器：把从传感器来的低电平信号放大，以达到合适的输入电压。实际上在采用变送器时其输出均为标准信号（如0-5,4-20mA),这时通道中可不设放大器。

第25页，课件共91页，创作于2023年2月采样保持器:计算机在对连续信号进行离散采样时，需要连续信号的某一时刻瞬时值，并能将这一瞬时值保持到A/D转换结束，采样保持器就是实现这一功能的电路。

第26页，课件共91页，创作于2023年2月多路转换器多路转换器又称多路开关，它是用来切换模拟电压信号的关键元件。受控的多路开关可将各信号按要求接公共放大器或A/D转换器上，以实现分时使用系统的重要资源。第27页，课件共91页，创作于2023年2月CD4051结构原理图

第28页，课件共91页，创作于2023年2月

CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端INH为“1”时，前后级通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当INH为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S1选通；……当C、B、A=111时，通道S7选通。其真值表如表3-1所示。第29页，课件共91页，创作于2023年2月第30页，课件共91页，创作于2023年2月另外1：理想的多路开关的开路电阻应为无穷大，接通时的电阻应为零。2：由于机械开关速度、寿命、噪声、体积方面的原因，已经很少采用。目前多采用电子开关，其速度快、寿命长、体积小，不足之处是导通电阻稍大，因此，为保证精度，只能进行电压切换。（若是电流信号则由于存在电阻，会产生压降，降低精度）第31页，课件共91页，创作于2023年2月采样保持器的工作过程

零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图(a)、(b)所示。第32页，课件共91页，创作于2023年2月

采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。第33页，课件共91页，创作于2023年2月采样保持器第34页，课件共91页，创作于2023年2月另外：1：实际采样时要注意它的获取时间的大小，获取时间是指从发出采样指令到采样保持输出与其输入相等所需要的时间。缩短获取时间可提高采样速率，获取时间与保持电容的容量相关。2：另一个相关指标是电压衰减率，即在保持期的采样保持器输出电压的下降率。较大的下降率会影响A/D转换结果的精度。增加保持电容的电容能量能降低下降率，但是又会延长获取时间。因此，选择保持电容时要综合考虑。第35页，课件共91页，创作于2023年2月A/D转换器的选择A/D转换器输入通道的核心部件，正确的选择A/D转换器很重要。主要技术指标1、分辨率（Resolution）分辨率是衡量A/D转换器分辨输入模拟量最小变化程度的技术指标。A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，位数越多，分辨率越高。第36页，课件共91页，创作于2023年2月分辨率的表示式为：

分辨率=Vref/2位数其中，Vref为满量程例子：若Vref=5V，8位的D/A转换器分辨率为5/256=20mV则可计算出它能分辨输入模拟电压的最小变化量为20mV第37页，课件共91页，创作于2023年2月2、转换精度（误差）实际输出值与理论值之间的最大偏差，转换精度反映了一个实际A/D转换器与一个理想A/D转换器的差值。注：即使分辨率很高，但是可能由于温度漂移、线性不良等原因造成转换值与实际值相差大，从而转换精度变低。第38页，课件共91页，创作于2023年2月3、转换速率与转换时间

转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。例如，某A/D转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间是200ns。第39页，课件共91页，创作于2023年2月第40页，课件共91页，创作于2023年2月逐位逼近式A/D转换原理一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。第41页，课件共91页，创作于2023年2月逐位逼近式A/D转换原理图

第42页，课件共91页，创作于2023年2月

当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下，

1、首先使寄存器的最高位D31，其余为0,此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VO8，送到比较器输入端与被转换的模拟量VIN=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VINVO，则保留D3=1；

2、再对下一位D2进行比较，同样先使D21,与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为VO12再进入比较器，与VIN9比较，因VINVO，则使D20；3、再下一位D1位也是如此，D11即1010，经D/A转换为VO=10，再与VIN9比较，因VINVO，则使D10；4、最后一位D01-即1001经D/A转换为VO9，再与VIN9比较，因VINVO，保留D01。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。第43页，课件共91页，创作于2023年2月

一个n位A/D转换器的模数转换表达式是

式中n——n位A/D转换器；

VR+、VR-

——基准电压源的正、负输入；

VIN——要转换的输入模拟量；

B——转换后的输出数字量。即当基准电压源确定之后，n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入模拟量VIN呈正比。第44页，课件共91页，创作于2023年2月例题3-2：一个8位A/D转换器，设VR+=5.02V，VR=0V，计算当VIN分别为0V、2.5V、5V时所对应的转换数字量。解：把已知数代入公式（2-1）：

0V、2.5V、5V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH。第45页，课件共91页，创作于2023年2月一模拟量输出通道的结构形式1.单路模拟量输出通道如图所示，单路模拟量输出通道一般由接口电路、寄存器、D/A转换器和V/I变换器等组成。单路模拟量输出通道的结构形式第三节模拟量输出通道第46页，课件共91页，创作于2023年2月2.多路模拟量输出通道多路模拟量输出通道是指所有输出模拟量共用一个D/A转换器，实现分时D/A转换，如图4-32所示。

多个通道共享D/A转换器的结构形式第47页，课件共91页，创作于2023年2月二数/模转换§1概述§2数/模（D/A）转换第48页，课件共91页，创作于2023年2月§1概述一、问题的提出

当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连接变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。A/D转换器完成模拟量→数字量的转换，D/A转换器完成数字量→模拟量的转换。

第49页，课件共91页，创作于2023年2月二、模拟接口⑴定义：A/DD/A转换器可视作一外部设备⑵功能：将微机系统的离散的数字信号和设备中连续变化的模拟量两者建立适配关系，使CPU能进行控制与监测。第50页，课件共91页，创作于2023年2月三、模拟输入输出系统数字信号模拟信号现场信号1现场信号2现场信号n微型计算机放大器放大器放大器多路开关低通滤波传感器低通滤波传感器低通滤波传感器A/D转换器采样保持器数字信号受控对象控制信号模拟信号D/A转换器放大驱动电路…传感器将各种现场的物理量测量出来并转换成电信号（模拟电压或电流）

放大器把传感器输出的信号放大到ADC所需的量程范围低通滤波器用于降低噪声、滤去高频干扰，以增加信噪比多路开关把多个现场信号分时地接通到A/D转换器采样保持器周期性地采样连续信号，并在A/D转换期间保持不变第51页，课件共91页，创作于2023年2月一、D/A变换器的基本构成模拟开关

电阻网络运算放大器权电阻网络R-2R梯形电阻网络VrefRf

模拟开关电阻网络VO数字量∑

§2数/模（D/A）转换第52页，课件共91页，创作于2023年2月二、基本变换原理运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为：VinRf

VO∑R

第53页，课件共91页，创作于2023年2月若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：VinRf

VO∑R1Rn…第54页，课件共91页，创作于2023年2月令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref，则有第55页，课件共91页，创作于2023年2月如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为若Si=1,该项对VO有贡献；若Si=0,该项对VO无贡献对应的电路第56页，课件共91页，创作于2023年2月权电阻网络2R4R8R16R32R64R128R256RVrefRf

VOS1S2S3S4S5S6S7S8这里，上式中的n=8第57页，课件共91页，创作于2023年2月如果用8位二进制代码来控制图中的S1～S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，则不同的二进制代码就对应不同输出电压VO；当代码在0～FFH之间变化时，VO相应地在0～-(255/256)Vref之间变化；为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。第58页，课件共91页，创作于2023年2月R-2R梯形电阻网络第59页，课件共91页，创作于2023年2月

DAC（数字模拟变换集成电路）是系统或设备中的一个功能器件，当将它接入系统时，不同的应用场合对其输入输出有不同的要求，DAC的输入输出特性一般考虑以下几方面：（1）输入缓冲能力：DAC的输入缓冲能力是非常重要的，具有缓冲能力（数据寄存器）的DAC芯片可直接与CPU或系统总线相连，否则必须添加锁存器。（2）输入码制：DAC输入有二进制和BCD码两种，对于单极性DAC可接收二进制和BCD码；双极性DAC接收偏移二进制或补码。三、DAC的输入输出特性：第60页，课件共91页，创作于2023年2月（3）输出类型：DAC输出有电流型和电压型两种，用户可根据需要选择，也可进行电流→电压转换。（4）输出极性：DAC有单极性和双极性两种，如果要求输出有正负变化，则必须使用双极性DAC芯片。第61页，课件共91页，创作于2023年2月

1.DAC0832与CPU的接口（1）DAC0832的性能参数

DAC0832是一片典型的8位DAC芯片分辨率：8位电流型：内部有2级缓冲器功耗：20mW

转换时间：1mS四、D/A转换器接口的设计第62页，课件共91页，创作于2023年2月（2）DAC0832引脚和内部结构如图所示

2019181716151413121112345678910VCCILEWR2XFERDI4DI5DI6DI7IOUT1IOUT2CSWR1AGNDDI3DI2DI1DI0VREFRFBDGND第63页，课件共91页，创作于2023年2月DAC0832的内部结构LE2LE1RfbAGNDDAC0832VccILEVREF输入寄存器DGNDDI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout2Iout1CSWR1WR2XFER第64页，课件共91页，创作于2023年2月2.DAC0832的数字接口8位数字输入端DI0～DI7（DI0为最低位）输入寄存器（第1级锁存）的控制端ILE、CS*、WR1*DAC寄存器（第2级锁存）的控制端XFER*、WR2*第65页，课件共91页，创作于2023年2月直通锁存器的工作方式两级缓冲寄存器都是直通锁存器LE＝1，直通（输出等于输入）LE＝0，锁存（输出保持不变）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第66页，课件共91页，创作于2023年2月DAC0832的工作方式：直通方式LE1＝LE2＝1输入的数字数据直接进入D/A转换器LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第67页，课件共91页，创作于2023年2月DAC0832的工作方式：单缓冲方式LE1＝1，或者LE2＝1两个寄存器之一始终处于直通状态另一个寄存器处于受控状态（缓冲状态）LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第68页，课件共91页，创作于2023年2月DAC0832的工作方式：双缓冲方式两个寄存器都处于受控（缓冲）状态能够对一个数据进行D/A转换的同时；输入另一个数据LE2LE1DAC0832输入寄存器DI0～DI7D/A转换器DAC寄存器Iout1第69页，课件共91页，创作于2023年2月3.DAC0832的模拟输出Iout1、Iout2——电流输出端Rfb——反馈电阻引出端（电阻在芯片内）VREF——参考电压输入端AGND——模拟信号地VCC——电源电压输入端DGND——数字信号地第70页，课件共91页，创作于2023年2月单极性电压输出Vout＝－Iout1×Rfb＝－（D/28）×VREFRfbIout2Iout1Vout+_AGNDADIVREF第71页，课件共91页，创作于2023年2月单极性电压输出：例子设VREF＝－5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：Vmax＝（255/256）×5V＝4.98VD＝00H时，最小输出电压：Vmin＝（0/256）×5V＝0VD＝01H时，一个最低有效位（LSB）电压：VLSB＝（1/256）×5V＝0.02VVout＝－（D/2n）×VREF第72页，课件共91页，创作于2023年2月双极性电压输出：电路R1（R）R3（2R）R2（2R）RfbIout2Iout1AGNDDIVREFVout1+_A1Vout2+_A2I1I2I1＋I2＝0第73页，课件共91页，创作于2023年2月双极性电压输出：公式取R2＝R3＝2R1得Vout2＝－（2Vout1＋VREF）因Vout1＝－（D/28）×VREF故

Vout2＝[（D－27）/27）]×VREF第74页，课件共91页，创作于2023年2月双极性电压输出：例子设VREF＝5VD＝FFH＝255时，最大输出电压：Vmax＝[（255－128）/128]×5V＝4.96VD＝00H时，最小输出电压：Vmin＝[（0－128）/128]×5V＝－5VD＝81H＝129时，一个最低有效位电压：VLSB＝[（129－128/128]×5V＝0.04VVout＝[（D－27）/27）]×VREF第75页，课件共91页，创作于2023年2月4.12位DAC连接由于微机的I/O指令一次只能输出8位数据，因此对于数据宽度大于8位DAC只能分两次输入数据，为此一般大于8位数据宽度的DAC内部均设计有两级数据缓冲，如12位DAC1210内部就有两级数据缓冲，内部结构如图所示。第76页，课件共91页，创作于2023年2月8位输入锁存器4位输入锁存器12位DAC存储器12位相乘型D/A转换器LELELELSBMSBDI1115DI1016DI917DI818DI719DI620DI54DI45DI36DI27DI18DI09BYTE123/BYTE2CS1

WR12WR121WR22210Vref14Iout213Iout111Rfb24Vcc3AGND24DGND

DAC1210内部结构第77页，课件共91页，创作于2023年2月第78页，课件共91页，创作于2023年2月第四节数字量输入输出通道模拟量输入通道模拟量输出通道数字量（开关量）输入通道数字量（开关量）输出通道通道分为第79页，课件共91页，创作于2023年2月1数字量输入通道（书上图2-16）通道结构：由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路构成输入缓冲器：三态门缓冲器74LS244（较为常见）输入缓冲器输入调理电路地址译码器PC总线来自生产过程第80页，课件共91页，创作于2023年2月信号调理：将现场输入的开关量状态信号经转换、滤波、保护、隔离等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号的过程叫信号调理。K+5V+5V采用积分电路（小功率）采用R-S触发器（小功率）第81页，课件共91页，创作于2023年2月信号转换电路

1).无源I/V变换电路无源I/V变换电路是利用无源器件——电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图2-2（a）所示，其中R1、R2为精密电阻。对于0~10mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样当输入电流在0~10mA量程变化时，输出的电