集散控制系统第二章：计算机控制的硬件基础

第二章：计算机控制系统的硬件基础第二章：计算机控制的硬件基础曾兴柱西安电力高等专科学校动力系2008年9月第二章：计算机控制系统的硬件基础§2-1:模拟量输入回路一、主要作用和一般组成主要作用：将被测的各种模拟参数转换成数字信号，输入到计算机进行加工处理。生产过程检测传感器信号处理信号处理信号处理多路采样电路K采样保持A/DI/O接口计算机采样控制器第二章：计算机控制系统的硬件基础1、组成（1）信号处理装置（小信号放大、滤波、衰减、阻抗匹配、电平转换、非线性补偿、V/I转换等）；（2）多路采样电路；（3）微弱信号放大器K；（4）采样保持器；（5）A/D转换器（6）I/O接口。第二章：计算机控制系统的硬件基础2、信号处理装置组成：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。★标度变换器：作用：把经由各种传感器所得到的不同种类和不同电平的被测模拟信号变换成统一的标准信号。★滤波电路：作用：滤掉或消除干扰信号，保留或增强有用信号。★线性化处理：有些电信号转换后与被测参量呈现非线性。所以必须对信号进行线性化处理，使它接近线性化。★电参量间的转换电路：主要进行电信号之间的转换。第二章：计算机控制系统的硬件基础★I/V变换下图所示的无源I/V变换主要是利用无源器件电阻来实现，并加滤波和输出限幅等保护措施。对于0～10mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，且R2为精密电阻，这样当输入的电流为0～10mA电流时，输出的电压为0～5V。第二章：计算机控制系统的硬件基础3、多路转换器作用：把各路模拟量分时接到A／D转换器进行转换，实现CPU对各路模拟量分时采样。◆当多个信号共用一个A/D转换器时，就需要这个器件◆理想工作状态：开路电阻无穷大，导通电阻为0。要求切换速度快。两大类：—机械触点式,干簧继电器,机械振子继电器—电子开关式,晶体管开关,集成电路开关,场效应管第二章：计算机控制系统的硬件基础选择要求—机械触点式,干簧继电器接触电阻小,断开电阻大;寿命长10^6~10^7;工作频率400Hz;小信号中速度(10~400点/s)—电子开关式工作频率高达1000点/s,体积小,寿命长.缺点导通电阻大,小信号测量精度受影响选择考虑因数:通路多少;电平高低;单端/差动输入方式;寻址方式;切换速率;切换时要多长时间才能稳定到要求精度＋－UNS氮气簧片镀金触点激磁线圈玻璃管第二章：计算机控制系统的硬件基础集成电路模拟开关电路的组成：开关矩阵及逻辑控制电路。开关矩阵——模拟开关的组合逻辑控制电路——在软件或通道控制电路的控制下，以一定速度，按顺序输入被测模拟信号。（CD4051，AD7501）芯片的选择：（1）通道的数量（2）切换速度（3）开关电阻第二章：计算机控制系统的硬件基础列驱动器采样控制器行驱动器A/DI/O计算机I/O采样开关矩阵现场信号K第二章：计算机控制系统的硬件基础CD4051组成：逻辑电平转换、二进制译码器及8个开关电路。主要特性：直流供电电源：VDD＝+5V～+15V，数字信号电位变化范围：3～15V输入电压：UIN＝0～VDD，模拟信号峰峰值：15V第二章：计算机控制系统的硬件基础4。采样保持器原因：1、A/D转换需要一定的时间，如果转换过程中模拟量信号发生变化，会引起转换误差影响转换精度2、能够采集同一时间的若干个模拟量4.1适用于一些变化较频繁信号的检测，主要作用有以下：（1）保持模拟量信号在采样A/D期间不变；（2）减少D/A输出脉冲特性，保证控制信号输出的连续性；（3）通过一路D/A输出，把信号分配到多路输出，实现多路同步动作；（4）实现多路D/A的同步动作。第二章：计算机控制系统的硬件基础4.2原理组成1、保持电容CH2、输入输出缓冲器3、输入开关及控制电路第二章：计算机控制系统的硬件基础4.3采样与量化1．采样过程采样过程：用采样开关将模拟信号按一定时间间隔抽样成离散模拟信号的过程。f(t)Kf*(t)T第二章：计算机控制系统的硬件基础香农(Shannon)定理：如果随时间变化的模拟信号的最高频率为ωmax，只要按照采样频率ωS≥2ωmax进行采样，那么取出的样品系列(f1*(t)，f2*(t)，…)就足以代表(或恢复)f(t)。采样周期的选择：（1）系统受扰动情况。若扰动和噪声都较小，采样周期T应选大些；。对于扰动频繁和噪声大的系统，采样周期T应选小些；（2）被控系统动态特性。滞后时间大的系统，采样周期T应选大些；。对于快速系统，采样周期T应选小些；第二章：计算机控制系统的硬件基础（3）控制品质指标要求。若超调量为主要指标，采样周期T应选大些；。若希望过渡过程时间短些，采样周期T应选小些；(抑制扰动能力强。)右图列举了常见被控参数采样周期参考值被控参数采样周期T(S)主汽压力、汽包压力、炉膛负压、凝汽器真空、汽包水位、汽机转速1流量、主汽温度、一般压力真空和电气参量3～5一般液位6～8一般温度15～30成分：15－60关于（3）的解释：•采样周期太小，会使积分作用、微分作用不明显。同时，因受微机计算精度的影响，当采样周期小到一定程度时，前后两次采样的差别反映不出来，使调节作用因此而减弱。•执行机构的动作惯性大，采样周期的选择要与之适应，否则执行机构来不及反应数字控制器输出值的变化。第二章：计算机控制系统的硬件基础4.4量化过程：是用一组数码(如二进制码)来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换成数字信号。fmax：转换信号的最大值；fmin：转换信号的最小值；i：转换后二进制数的位数。量化单位为：iffq2minmax第二章：计算机控制系统的硬件基础4.5采样保持器的主要性能参数（1）采集时间：当采样保持器工作在采样方式采样保持器的输出从原来的保持值转变到新的采样值，并稳定输入信号值所需的时间。（2）孔径时间：采样保持器进入保持工作方式后，采样开关从闭合状态转变为断开状态所需要的时间。（3）保持电压衰减率：采样保持器进入保持工作方式后，由于保持电容的漏电流及其他杂散电流的的存在，引起保持电压下降的速率。（4）直通馈入：输入信号通过采样保持开关的极间电容穿通到保持电容上的现象。5数据放大器把传感器的信号从毫伏电平按比例放大到典型的A／D转换器输入电平。6A／D转换器把通道输入的模拟量转换成数字量，通过I/O接口电路送入CPU。第二章：计算机控制系统的硬件基础组成：逐次逼近寄存器SARD／A转换器比较器时序（时钟）置数选择逻辑工作过程：如果Ui≥UO，应予保留；如果UiUO，应予清除。6.1逐次逼近式A／D转换器特点1）精度高，速度快（10位A/D可达微秒级）2）抗干扰能力不够强，信号变化较大时，会产生线性误差。第二章：计算机控制系统的硬件基础例：设：数码寄存器为4位，满刻度值1v，Vi=0.65v，用逐次逼近式A/D转换器转换成二进制数。V0Vin0.5V(1000)0.75V(1100)0.625V(1010)0.6875V(1011)量化单位vq0625.0161214第二章：计算机控制系统的硬件基础6.2双积分式方法：测量模拟输入电压向电容充电的固定时间及测量在已知标准电压下放电所需的时间。工作过程：优点：消除干扰和电源噪声的能力强，精度高。缺点：转换速度慢。适用场合：信号慢变，采样频率要求较低，精度要求较高，干扰严重的情况。基准源E与Vx极性相反xTxVTE＋－＋－控制逻辑计数器EVxC积分电路比较器时钟启动结束KVcxATBTCBVATCAV0TTATBtABVcxVCAVCB固定积分时间放电时间第二章：计算机控制系统的硬件基础6.3并行比较式A/D转换器并行比较A/D转换器是现在速度最快的A/D转换器，采样速率在1Gsps以上，通常成为闪烁式A/D转换器。现代发展的高速A/D转换器的电路结构主要采用这种全并行的A/D转换器。并行比较A/D转换器虽然转换速度高，但分辨率不高，功耗大，成本高。第二章：计算机控制系统的硬件基础第二章：计算机控制系统的硬件基础7放大器◆A/D转换器的输入电压一般都有一定范围，而变送器过来的信号一般都是MA级的，所以必须经过放大(一般的A/D满度电压10V)◆可编程序放大器是一种通用性强的高级放大器，可以根据需要用程序来改变它的放大倍数◆当多路输入的信号源电平相差较大时,用同一增益放大器去放大高/低电平信号,可能使得低电平信号测量精度降低,而高电平信号有可能超出A/D转换器的输入范围.采用编程序放大器,使A/D转换器满量程达到均一化,提高多路采集的精度.第二章：计算机控制系统的硬件基础8A／D转换器的主要技术参数分辨率是指能使转换后数字量变化1的最小模拟输入量。n位二进制数最低位具有的权值就是它的分辨率。（位数）8.2转换精度►绝对精度（绝对误差）对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论之差来衡量。►相对精度（相对误差）用相对于满量程的百分比表示，常用最低有效位数表示。如10位A／D转换器，满量程为10V。►绝对精度为1/2×10/210=±4.88mV，►相对精度为l／210×1/2×100％≈0.1％。8.l分辨率N2满刻度值分辨率第二章：计算机控制系统的硬件基础3．量程：量程是指所能转换的电压范围。（单极性、双极性）4．转换时间（转换速率）转换时间是指启动A／D到转换结束所需的时间。•积分型毫秒级低速A/D•逐次逼近微秒级中速A/D•全并行/串并行纳秒级高速A/D5．工作温度范围较好的转换器件工作温度为-40～85℃，差的只有0～70℃。第二章：计算机控制系统的硬件基础9多通道模拟输入板9.1共享S／H和A／D形式.这种结构比较简单，但对各个通道的采样是串行进行的，采样时间比较长，通道之间有时间差。第二章：计算机控制系统的硬件基础9.2共享A／D形式。这种结构为每一路模拟信号配置一个采样保持器，并用同一个控制信号进行控制，其最大特点是可以实现多通道的无时间差采样。第二章：计算机控制系统的硬件基础9.3并行转换结构形式。这种结构为每一路模拟信号配置一个A／D转换器及相应的放大器与采样保持器，适用于要求实时性、伺步性和采样频率高的场合。这种结构用到较多的硬件设备，但随着硬件成本的下降，对高性能系统具有极大的发展潜力。第二章：计算机控制系统的硬件基础9.4共享放大器形式。这种结构中所有通道共用一个可编程放大器，共享程度高。但由于使用低电平切换，容易引入干扰噪声信号，应注意屏蔽及补偿等抗干扰措施。第二章：计算机控制系统的硬件基础10.A/D转换器的选择原则（1）根据数据采集精度要求选择A/D转换器精度及分辨率。（2）根据模拟量的特性确定A/D的量程范围和极性（3）根据信号的变化率和转换精度，确定A/D的转换速度（4）选择适当的环境参数（温度、功耗、可靠性）（5）据计算机接口特征，选择A/D的输出状态。（串行和并行等）（6）其他（成本、市场供货等）常用芯片简介（ADC0809，ICL7109，AD574）第二章：计算机控制系统的硬件基础作业1、任何模数转换器都包括采样、保持、量化和编码四个过程，请说明这些概念的定义以及每个过程的作用。2、有一5位逐次逼近型模数转换器，输入电压的范围位0~15V，请画出当输入电压为9.7V时逐次逼近的过程，并说明转换完成时的结果是多少？3、设被测温度变化范围为0~1200。C，如果要求误差不超过0.4。C，应选用分辨率为多少位的模数转换器？第二章：计算机控制系统的硬件基础§2-2：模拟量输出通道1模拟量输出通道的作用模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是将CPU输出的数字信号转换成模拟信号去驱动相应的执行机构，以达到控制的目的。2模拟量输出通道的结构形式一个实际的计算机控制系统中，往往需要多路的模拟量输出，其实现方法有两种。(1)每个通道设置一个独立的D/A转换器，如下图所示。第二章：计算机控制系统的硬件基础(2)多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持器来实现第二章：计算机控制系统的硬件基础3.D/A转换组成：基准源、