第2章 计算机控制系统的硬件设计技术ppt课件.ppt

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1、计算机控制技术电子与电气工程学院第2章计算机控制系统的硬件设计技术2.4模拟量输入通道2.4模拟量输入通道模拟量输入通道的主要作用是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。在模拟输入通道中要完成模拟输入信号的变换、滤波、采样、放大、保持、模数转换等。典型的模拟量输入通道如下图所示。图中（a）所示为共享A/D和采样保持器（S/H）的模拟量输入通道结构形式，（b）为只共享A/D，各模拟信号分别设置采样保持器S/H的结构形式，（c）为弱信号的输入结构形式，设置有前置放大器。1.信号的采集生产过程的参数有非电参量和电参量。在模拟量输入通道中，首先要将非

2、电参量，如压力、温度、速度、位移、流量、液位等物理量转换成电量。信号的采集一般是通过传感器或变送器来实现。传感器输出模拟电量可以是电压或电流。大信号电压输出可直接与A/D转换器的输入相连；大信号电流输出可达10mA或20mA，通过0.5k精密电阻变换成+5V或+10V电压；小信号电流输出，需要经I/V变换后，再进行放大；小信号电压只有几毫伏或几十毫伏，需要进行信号放大。2.I/V变换变送器输出的（0-10）mA或（4-20）mA标准电流信号，需要经过I/V处理变成电压信号后才能处理，一般采用电阻网络进行I/V变换。（1）无源I/V变换R2为精密电阻，C为滤波电容，D

3、为限幅二极管。无源变换即指只通过电阻，电容来实现的R1与R2串联关系，电容通交流，隔直流功能对于0～10mA输入信号，可取R1=100，R2=500，且R2为精密电阻，这样当I为0～10mA电流时，输出的V为0～5V；对于4～20mA输入信号，可取R1=100，R2=250，且R2为精密电阻，这样当输入的电流为4～20mA时，输出的V为1～5V。（2）有源I/V变换有源I/V变换是利用有源器件运算放大器和电阻组成，如图所示。利用运算放大器A和电阻构成同相放大电路，将R1上产生的输入电压变换成输出电压。该同相放大电路的放大倍数为A=1+R4/R3.3.多路转换器多路转

4、换器也称多路开关。在实际的控制系统中，被测量往往是几路或几十路。对这些回路的模拟量进行采集和A/D转换时，为了共享A/D转换器以节省硬件，可以利用多路转换器切换各被测量与A/D转换电路的通路，达到分时转换的目的。另外，由于计算机的工作速度远远快于被测量的变化，因此计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。在模拟量的输入通道中，多路转换器是“多选一”；在模拟量的输出通道中，多路转换器是“一选多”，每次只选择一个控制回路输出，故也称为多路分配器。常用的集成电路芯片—

5、CD4051（双向、单端、8路），CD4052（单向、双端、4路），AD7506（单向、单端、16路）等现已常用的8路模拟开关CD4051为例：构成：电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。工作过程：当禁止输入端时，断开，即S0-S7端与Sm端不能接通；A、B、C是3根二进制的控制输入端。当禁止输入端时，前后级通道接通，即Sm=SABCCD4051原理图CD4051通道选择表多路开关（多路转换器）的特性直接影响输入输出模拟量的精度，选用多路开关时，必须根据实际系统的要求，选用合适的芯片。在应用中应注意以下方面的问题：（1）通道的数量常用模拟开关通道数量一般提供8路、

6、16路等。通道数量越多，寄生电容和电流越大，不仅影响传输精度和切换速度，而且还会增加不同通道之间的相互干扰。（2）切换速度所选多路开关的切换速度应能满足数据采集速率的要求。（3）开关电阻理想开关的接通电阻应为零，断开时为无穷大。4.采样保持器A/D转换器完成一次完整的转换过程是需要一定时间的。在转换过程中，如果模拟量变化，将引起转换误差，直接影响到转换精度，特别是对变化较快的模拟信号误差会更大。为此，为了保证A/D转换的精度，需采用采样保持器，其主要作用是在A/D进行转换期间，保持输入模拟量的大小不变；A/D转换结束后，立即跟随模拟量变化，即进行采样。（1）采样保持

7、器的工作原理采样保持器的基本组成电路如下图所示。构成：由输入输出缓冲放大器A1、A2；采样开关S；保持电容CH等组成。它有两种工作方式，一种是采样方式，一种是保持方式。工作过程：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。采样保持器在采样期间，不启动A/D转换器，保持期间，立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换精度。（2）采样频率的确定为了使采样得到的信号