计算机控制系统(第三章 输入输出通道和接口技术)

第三章输入/输出通道和接口技术第一节工业控制常用传感器第二节模拟量输入/输出通道第三节模拟量输入/输出通道的设计第四节开关量输入/输出通道学习指导和要求掌握模拟量输入/输出通道的组成；学会模拟量输入/输出通道的设计方法；掌握开关量输入/输出通道的构成和步进电机的控制方法。在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量。●模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采集，放大，采样保持，A/D转换等步骤，将模拟量转换为数字量，才能送入计算机进行运算、分析和处理。同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来控制执行机构的执行。上述转换过程需要用模拟量输入/输出通道来实现。●开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等。开关量的输入/输出较模拟量简单，计算机只需判断输入信息是“0”还是“1”，即可知道开关的状态；若控制某个继电器工作，只需经过输出通道送“0”或“1”即可。工业现场存在着电、磁、震动、温度变化等干扰，各类执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入/输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施。输入/输出通道和接口是计算机与被控对象进行信息交换的纽带，本章将重点介绍输入/输出通道和接口的组成和设计方法。第一节工业控制常用传感器传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相应的其它量的器件或装置。在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置。传感器精度的高低会影响计算机控制系统的精度，选择合适的传感器是非常重要的。1、传感器的分类传感器的分类方法很多，但常用的有两种：一种是按被测参数分类，另一种是按转换原理进行分类.按被测参数分，传感器有以下类型：（1）热工参数温度、热量、压力、流量、真空度、液位等（2）机械量参数位移、力、速度、重量、尺寸等（3）物性参数比重、浓度、酸碱度、成分等（4）状态量参数颜色、透明度、裂纹、泄漏等按转换原理分类，有电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电等传感器。2、传感器的构成传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成（1）敏感元件能够敏锐感受某种不能直接测量的信息，并将其转换为可测量的非电量器件。（2）转换元件将非电量转换成电量的器件。敏感元件转换元件非电量电量3、传感器的主要技术指标在选择传感器时，要注意以下的主要技术指标：（1）输入特性l量程测量上限与下限的差l过载超出传感器测量范围的最大允许输入值（2）静态响应特性l精度测量结果与“真值”的靠近程度l分辨率对被测量相对变化的最高反应能力l灵敏性输出量变化值与相应输入量变化值之比l稳定性在一个较长时间内保持性能参数的能力（3）动态特性动态特性是指被测量在变化时，传感器的输出量是否能追随输入量的变化，分为阶跃响应和频率响应两类，可根据其特性曲线的特征值来判定。主要的指标是时间常数τ，上升时间Tr，建立时间Ts，过冲量α，衰减比δ等。4、选用传感器的一般规则（1）与测量条件有关的事项测量的目的、被测量的类型、测量的范围、测量所需的时间。（2）与传感器性能有关的事项静态响应特性和动态响应特性。（3）与使用条件有的事项场所、温度、湿度、是否与其它设备相连、外界干扰、功率容量、外形尺寸、重量等。（4）其它传感器的性能价格比、生产厂家的服务、交货时间、保修时间、零配件的供应等。5、几种常用的传感器分类表5-2列出了几种常用传感器的分类，在设计计算机控制系统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器。AYTD-30A电流传感器采用霍尔效应、磁平衡电路设计，用于测量直流和交流电流。主要技术参数：输入IN输出IOUT精度线性度零点外形尺寸电源重量0-30A0-100MA0.5%0.2%可调45*36*42±15V50g霍尔电流传感器的工作原理：当电流通过导线时，导线周围产生磁场，可通过软磁材料收集，并用霍尔器件进行检测。根据磁平衡原理，主回路有电流IP流过时导线周围产生磁场，用聚磁环收集磁场并感应霍尔器件，经放大后获得补偿电流IA，当补偿电流IA产生的磁场与主回路电流IP产生的磁场相反时会达到磁平衡，其公式为NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA，可求出IP。第二节模拟量输入/输出通道一、模拟量输入通道当被控对象的参数为模拟量时，由传感器和检测电路采集到的信号经转换后仍是模拟量，而且信号的输出比较小，不能直接送入计算机进行处理。在被控对象和计算机之间必须设置信息调理和转换的模拟量输入通道，进行信号放大，滤波、A/D转换等工作。图5-10为多路模拟量输入通道的原理框图。模拟量输入通道一般由：信号调理装置、多路开关、采样保持和A/D转换组成。它的任务是将传感器检测到的模拟信号，转换为计算机需要的数字信号。（一）信号调理装置信号调理装置量一般包括放大、信号转换、滤波等。1、信号的放大传感器检测到的模拟信号较弱，有很大的干扰电压。随着电子技术的发展，目前放大电路除了常规的运算放大器外，还研制了许多新型放大器。●仪器放大器●隔离放大器●量程自动增益放大器等这些新型放大器的输入阻抗高，零点漂移小，可靠性高并且使用方便，因此在工业控制领域得到广泛的应用。（1）仪器放大器美国B-B公司生产的INA101是一种典型的仪器放大器，能够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和热电阻温度传感器的放大。INA101的特点是：●低漂移，最大值为0.25uV/℃●非线性误差小●输入阻抗高●共扼抑制比高●低噪声INA101使用方便，除了放大增益电阻外，一般不需要其它附加器件，应当选用低温度系数的精密电阻，可提高器件的稳定性。（2）隔离放大器可消除回路、静电及电磁干扰。有变压器耦合和光电耦合两种。变压器耦合：被测信号经滤波放大后调制为交流信号加到变压器的输入端，经变压器耦合到输出部分后，再经解调后输出。电路简单价格低廉，但体积较大。（AD公司Model277)光电耦合：输入和输出的信号耦合通过发光管LED和光电管D之间的光传输实现，其优点是体积小、频带寛、成本低。(B-B公司ISO100)（3）可编程增益放大器（PGA）放大倍数可通过编程进行控制，通过程序可调节放大的倍数，使A/D转换的输入信号均一化，提高测量的精度。（B-B公司PGA102、PGA202/203）2、信号的变换在微机控制系统中，许多传感器的输出均为电压信号，而有些电动组合仪表的信号为4~200mA的电流，许多执行器，如电机、控制阀门的输入信号也采用4~200mA的电流，因此经常需要V/I和I/V间的变换。目前常用的电压/电流变换电路有两种，一种是采用分立元件、运算放大器和阻容元件组成的电路；另一种是近年来发展起来的专用集成电路。3、信号的滤波生产现场存在着各种干扰，如果不加处理会影响控制系统的控制精度。可采用滤波电路来抑制进入输入通道的干扰。在选择滤波器时，要考虑被测信号的频率的特性，以及干扰信号的频率和所要求的抑制程度。对环境引起的噪声干扰，可以采取补偿和屏蔽等措施减少信号的误差。0~10V12.5K1K50KOP+15VREF10INA1054~20MA10V0~10V/4~20mA转换电路50Ω50ΩRLOADVOUTREF10：稳压源OP：运放INA105：增益差动放大器VOUT=-0.08VIN–0.2V当输入电压VIN为0~10V时，OP的输出VOUT为–0.2~-1V，经增益差动放大器组成的V/I电路变换，流过RLOAD的电流为4~20mA。VIN-+（二）多路开关多路开关有两个主要用途，1、将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换；2、将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，控制执行器的执行。尽管两种用途中采用同一种多路开关，但具体任务不同，常将前者称为多路开关，后者称为多路分配器。传统的数控系统多采用干簧继电器作多路开关，其缺点是体积大，开关频率低。半导体多路开关，由TTL电路或CMOS、HMOS电路组成。优点是尺寸小、转换速度快、寿命长、兼容性好。（P107）多路开关CD4051，是一种双向多路开关，共16个引脚。芯片：0~78个分时输入端OUT/IN输出端A、B、C分时控制端的组合决定哪一路被选通INH禁止输入端，当INH=0时，通道接通CD4051由电平转换、译码、多路开关组成。电平转换：CMOS到TTL的转换3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来选择某一路的接通。（三）采样/保持由传感器检测的模拟信号经过处理后仍是模拟量，要输入到计算机中，需要进行A/D转换。由于A/D转换过程需要时间，因此要求输入A/D转换器的信号在转换过程中保持不变，在A/D转换结果后，此信号又能随传感器的采集信号变化而变化；完成上述过程的器件称采样/保持器，简称S/H（Sample/Hold）。S/H有两个主要功能：采样和保持采样：将模拟信号变为一串脉冲信号，采样的输出跟随模拟量输入的变化。保持：保持采样时的信号不变，直到保持命令撤消为止，以便完成A/D转换。1、采样/保持器的基本的组成电路5-20所示为采样/保持器的基本组成电路。采样/保持器由两个缓冲器A1、A2和采样开关S，保持电容CH组成。（1）采样：S闭合，通过A1向CH快速充电，VOUT跟随VIN变化。（2）保持：S断开，当A2的输入阻抗很高时，VOUT=VIN不变。采样/保持器一旦进入保持阶段，便可启动A/D转换器进行转换。2、常用的采样/保持器常用的采样/保持器有美国AD公司的AD582、AD585、AD346、AD389和国家半导体公司的LF198/298/398等。LF198是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样/保持器，它具有采样速度快，保持性能好，精度高等优点。LF198芯片引脚和原理图如图5-21所示。LF198芯片引脚的功能如下：（1）VIN：模拟量输入（2）VOUT：模拟量输出。（3）逻辑和逻辑参考：高电平时采样，低电平时保持。（4）偏差：可外接电阻调整采样/保持器的偏差。（5）CH：保持电容引脚端，外接保持电容器。3、采样保持器的有关参数(1)孔径时间TAP孔径时间指保持命令发出后到逻辑输入控制的开关完全断开所需时间。TAP的存在影响A/D转换的精度。(2)捕捉时间TAC捕捉时间是采样命令发出后，输出值从保持值到达当前输入信号值所需时间。TAC影响采样频率的提高。（四）A/D转换器完成模拟量转换成数字量的器件称为模/数转换器，简称A/D转换器。1、A/D转换器的分类A/D转换器的种类很多，通常有以下3种分类方法：（1）按位数有8位、10位、12位、16位等。位数越多，分辨率越高，但价格也越贵。（2）按结构有单一的A/D转换器，内含多路开关的A/D转换器、多功能A/D转换器（含多路开关、放大器和采样保持器）。（3）按转换方式有逐次逼近型、双积分型、V/F变换器。其中逐次逼近型A/D转换器具有精度高，转换速度快等优点，得到了广泛的应用。2、A/D转换器的主要技术指标在选用A/D转换器时要考虑以下主要技术指标。（1）分辨率输入量达到满量程时，能识别的最小的输入增量称为分辨率。即能够转换的数字量的最低有效位（LSB），对应于满量程输入时的1/2n。例如，当n=8，满量程输入为5.12V，LSB=20mA。（2）转换时间完成一次模拟量到数字量转换所需的时间。（3）线性误差实际转换结果与理想线性转换结果的误差，常用±LSB表示。（4）转换精度转换结果相对于实际值的准确度。其误差一般由温度、环境等因素引起。3、常用的A/D转换器（1）普通型A/D转换器AD7574。AD7574如图5-22所示。采用CMOS工艺，单片型，含有内部时钟振荡器，芯片内部设有比较器和控制逻辑，采用R-2RT型解码网络，采用逐次逼近方式进行A/D转换。该芯片功耗低（30mW），转换速度快（15μs），易于和微机连接，在过程控制和智能化仪表中得到广泛的应用。（2）带仪器放大器的A/D转换器AD670。AD670的结构如图5-23所示。片内集成有前