设计计算机控制系统的方法和原理

目录

一、计算机控制系统概述..........................................

L1计算机控制系统定义...........................................

1.2计算机控制系统构成...........................................

二、模拟量输入通道...............................................

2.1模拟量输入通道作用..........................................

2.2模拟量输入通道的构造构成....................................

2.3各部分构成的作用.............................................

信号变换器...................................................

前置滤波器...................................................

多路模拟开关.................................................

前置放大器...................................................

采样保持器...................................................

2.3.6AD转换电路............................................

三、模拟量输出通道...............................................

3.1模拟量输出通道构造..........................................

3.2D/A转换器...................................................

3.2.1D/A转换器DAC08320勺构造特点.........................

3.2.2DAC0832H勺工作原理...................................

四、实际仿真电路.................................................

一、计算机控制系统概述

1.1计算机控制系统定义

计算机控制系统(ComputerControlSystem,简称CCS)是应用计算机参与

控制并借助某些辅助部件与被控对象相联络，以获得一定控制目H勺而构成的系

统。这里口勺计算机一般指数字计算机，可以有多种规模，如从微型到大型口勺通用

或专用计算机。辅助部件重要指输入输出接口、检测装置和执行装置等。与被控

对象的联络和部件间H勺联络，可以是有线方式，如通过电缆H勺模拟信号或数字信

号进行联络；也可以是无线方式，如用红外线、微波、无线电波、光波等进行联

络。被控对象H勺范围很广，包括各行各业的生产过程、机械装置、交通工具、机

器人、试验装置、仪器仪表、家庭生活设施、家用电器和小朋友玩具等。控制目

的I可以是使被控对象日勺状态或运动过程到达某种规定，也可以是到达某种最优化

目的。

与一般控制系统相似，计算机控制系统可以是闭环的，这时计算机要不停采

集被控对象II勺多种状态信息，按照一定H勺控制方略处埋后，输出控制信息直接影

响被控对象。它也可以是开环的，这有两种方式：一种是计算机只准时间次序或

某种给定的规则影响被控对象；另一种是计算机未来自被控对象的信息处理后，

只向操作人员提供操作指导信息，然后由人工去影响被控对象。

1-2计算机控制系统构成

计算机控制系统由控制部分和被控对象构成，其控制部分包括硬件部分和软

件部分，这不一样于模拟控制器构成的系统只由硬件构成。计算机控制系统软件

包括系统软件和应用软件,系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性

程序等，它们一般由计算机制造厂为顾客配套，有一定的通用性。应用软件是为

实现特定控制FIH勺而编制啊专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处

理程序和报警处理程序等,它们波及被控对象的J自身特性和控制方略等，由实行

控制系统的专业人员自行编制。

计算机控制系统一般具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等

特点，因此可以实现高级复杂的控制措施，获得迅速精密的控制效果。计算机技

术的I发展已使整个人类社会发生了可观的I变化，自然也应用到工业生产和企业管

理中。并且，计算机所具有H勺信息处理能力，可以深入把过程控制和生产管理有

机的结合起来（如CIMS）,从而实现工厂、企业口勺全面自动化管理。

二、模拟量输入通道

2.1模拟量输入通道作用

模拟量输入通道H勺任务：实现模拟量到数字量的转换

构成关键：A/D转换器

2.2模拟量输入通道的构造构成

催第AD采样信号

nm侬孙器放大得多沌波牌变换战核

造

楝控

拟

开对

关

较

图2-1模拟量输入通道组成与结构框图~

模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器、采样保持器、A/D转换器、

接口及控制逻辑等构成。过程参数由传感元件和变送器测量并转换为电流（或电

压）形式后，再送至多路开关；在微机的控制下，由多路开关将各个过程参数

依次地切换到后级，进行采样和A/D转换，实现过程参数时巡回检测模拟量输

入通道的任务是把从系统中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口

送往计算机。传感器：它是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检

测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的输出。是将生

产过程工艺参数转换为电参数的装置，大多数传感器时输出是直流电压（或电

流）信号。为了防止低电平模拟信号传播带来的麻烦，常常要将测量元件的J输出

信号经变送器变送，如温度变送器、压力变送器、流量变送器等，将温度、压

力、流量的电信号变成0〜10mA。然后通过模拟量输入通道来处理。

2.3各部分构成的作用

2.3.1信号变换器

把多种非电模拟信号变换为A/D转换器可以接受的电信号，如电流信号、电

压信号等，还可以根据需要对这些输出信号值的变化范围进行规范化，以便A/D

转换器处理。例如，电流信号幅度的原则变化范围可以是OlOniA、4~20mA等；

电压信号幅度的原则变化范围可以是0~401nA、0~5V、3〜5V、T0~10V等。

前置滤波器

考虑到通道输入信号自身也许具有噪声，或者在传潘过程中受到了干扰的影

响，可在模拟量输入通道买样及A/D转换前加前置硬件滤波电路，以滤除输入模

拟信号中也许混有H勺高频干扰。由图27可以看出，信号变换器及前置滤波器两

个环节，可以根据每一路模拟信号的实际状况灵活设置。

2.3.3多路模拟开关

构成多回路控制系统，是计算机控制系统较之于模拟控制系统H勺独特长处。

在计算机控制系统中，往往是十几路或几十路模拟信号共用一只A/D转换器，可

以减少通道及系统日勺成本，提高A/D转换器的运用率，这种状况下，必须运用多

路模拟开关轮番切换各路被测控的模拟信号。木设计采用的多路模拟开关

CD4051,是一种集成电路芯片，其构造及逻辑框图如图2-2所示。

CD4051是具有16个引脚H勺集成电路芯片,如图2-2所示，S7~S0是8路模

拟信号的I输入引脚，Sm是1路模拟信号的输出引脚，/EN是芯片选择信号输入引

脚，只有向其输入低电平时，整个芯片才能工作，C、B、A接受3路地址信号,

用以选择8路模拟信号中的1路，芯片有2个电源引脚VDD和VEE,分别接十15V

和-15V电源,尚有一种接地引脚GND。

需要尤其注意H勺是，CD4051是容许双向使用H勺，即既可用于选择8路模拟

信号中的1路输入，也可认为1路模拟信号，从8个输出通路中选择1路输出,

一次，它也可以应用在模拟量输出通道中。

2.3.4前置放大器

用于计算机控制系统中H勺放大器，与一般测量系统中的I放大器相比，在高增

益、高稳定性极强共模克制比等方面的性能规定，没有什么差异，所不•样是的

是，由于一般状况下，前置放大器也许会多路输入共用，因此但愿放大器的J增益,

可由计算机通过编程设置或变化，以适应各路信号变化范围H勺规定，如图2-3

所示.

图2-3可变增益放大器的示意图。

图2-3中，APA2构成双端输入、输出的差动放大器，A?用作减法器，该

放大器的闭环增益可以表示为下列形式：c

一八+对

2.3.5采样保持器

模拟量输入通道H勺关健功能，就是对输入的模拟量进行A/D转换。在输入模

拟量值确定H勺状况下，A/D转换器输出H勺数字量也是确定的，但当A/D转换器接

受的模拟量随时间变化，称为模拟输入信号，且变化很快时，则在A/D转换H勺过

程中，被转换的信号量值就是不确定啊，这种不确定性，会引起一定时孔径误差，

为了减小孔径误差H勺影响，可在A/D转换之前，运用采徉保持电路构成采样保持

器对输入模拟信号进行采样、保持操作。

采样保持器一般由保持电容、采样开关及输入、输出缓冲放大器构成，

保持电容上Ch上的电压，即为采样保持器的I输出电压，输入、输出缓冲放大器

欧I共同特点是，输入电阻很大而输出电阻很小。例如，LF398是常用口勺单片采样

保持器集成电路芯片，其原理如图27所示。

逻辑输入C8）与逻辑参考I”（7）,是采样开关驱动放大器的两个差动输入

端。当L+与1均为"O’状态时，采样开关断开，LF398处于保持状态，当L从

“0”变为“1”时，采样开关闭合，LF398转入采样操作。，

92

6

图2TLF398单片采样保持器示意图一

图2-5采样保持器的等效电路〜

2.3.6AD转换电路

本设计采用8位AD转换器ADC0809oADC0809是带有8位A/D转换器、8路

多路开关以及微处理机兼容日勺控制逻辑的ICMOS组件。它是逐次迫近式A/D转换

器，可以和单片机直接接口。

IN0

IN1

IK2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

A

B

C

ALE

图2.6AD0809原理图

由上图可知，ADCO80g由一种8路模拟开关、一种地址锁存与译码器、一种

A/D转换器和一种三态输出锁存器构成。多路开关可选通8个模拟通道，容许8

路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换

完的数字量，当0E端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

三、模拟量输出通道

3.1模拟量输出通道构造

图3-1(b)共享D/A结构

3.2D/A转换器

3.2.1D/A转换器DAC0832的构造特点

DAC0832是一种8位时D/A转换器芯片，有两路差动电流信号输出，其数字

量输入端具有双重缓冲功能，可由顾客按双缓冲、单缓冲及直通方式进行线路连

接，实现数字量的输入控制，尤其是用于规定几种模拟量同步输出的场所，与微

处理器的接口非常以便。

DAC0832的规格与参数如下：

①辨别率为8位：

②转换时间约lus；

③输入电平符合TTL电平原则；

④功耗为20mWo

图8.2.1是集成D/A转换芯片DAC0832（及DAC0830和DAC0831）日勺内部构

造图。图8.2.2是其引脚图。其内部包括一种8位输入寄存器、一种8位DAC

寄存器、一种8位D/A变换器和有关控制逻辑电路构成。其中H勺8位D/A变换器

是如图8.1.1所示口勺R-2RT形电阻网络式口勺。这种D/A变换器在变化基准电压

VREF的极性后输出极性也变化。所有输入均与TTL也平兼容。

3.2.2DAC0832的工作原理

DQI)Q三r

un-Rfh

三x

8位8位8位

-loiTI

输入DACDAC

寄存器寄存器二转换器—101T2

—AGNI)

DQI)Q

LE2

一VREF

当于：二1时,输出数

据随输入变化.—DGNI)

一Vcc

当手＞0时,输出数

据被锁存.

四、实际仿真电路

根据题目规定设计日勺计算机控制系统电路图（proleus仿真）如下:

E

K

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B

aa

l

s

2

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