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1、济南大学泉城学院毕 业 论 题 目 微机控制恒应力水泥试验系统设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机设07Q1 学 生 杨志罡 学 号 20073006121 指导教师 王新华 二一一 年 五 月二十六日摘 要全自动水泥试验机是一种机电化产品。主要由微机、液压泵、溢流阀、电液比例阀、压力传感器等组成。该系统采用计算机作为主控制器，通过外部设备，对试验参数进行设定。其工作过程为：首先由计算机发给控制器试验信号，控制器对液压缸进行检测，把检测到的电压信号经过A/D转换和放大后传给计算机。计算机实现液压系统的比例控制，来达到设计的要求。关键词：试验机；液压泵；电液；比例阀；压力传感器；PI
2、DABSTRACTAutomatic electro-hydraulic compression testing machine is a kind of product of electro-machine. It is mainly made up of computer, Hydraulic pump, hydraulic cylinder override relief valve. Electronic-hydraulic servo valve, compression sensor and so on .In this system, the computer acts as m
3、ain controller, through outer equipment instate the test method, test parameter ect. The procession of work is as follows: At first, the computer send testing message testing message to the controller , and then ,the controller control the servo valve to decide the compression .At the same time the
4、compression sensor get the signal of cylinder pressure. The siginal is transmitted to the computer throuth A/D (transform) and be amplified. Secondly, the computer compare the pressure given singal and throuth PID (proportion Integral Differential)revise the control. Signal of the controller .Finall
5、y,the system close-loop control is relized ,getting to the demand.Key word:Testing Machine Hydraulic Pump Electronlic-hydraulic Servo valve Compression Sensor PID目 录摘要.IABSTRACT.II1 前言.12总体方案的确定说明.22.1动力的选择.22.2执行机构的选择.22.3传感器的选择.33液压系统的设计.43.1工况分析.43.2液压缸主要尺寸的确定.43.3液压泵的选择.63.4电动机的选择.73.5联轴器的选择.73.
6、6液压阀的选择.74传感器的选择.104.1传感器的选用原则.104.2传感器的性能指标.104.3传感器的比较和选用.115过程通道的一般结构形式.145.1过程通道的设计.145.1过程通道的其他主要部件.175.3传感器的比较和选用.196控制软件的设计.297 结论.35参考文献.36致谢.371 前言在科技飞速发展的今天，一种复合的技术机电（液）一体技术出现了。“机电一体化”（Mechatronic）一词源于日本，是机械和电子合成的一个新的专用名词。机电一体化的本质是将电机技术引用到机械控制中，即“利用传感器检测机械运动，将检测到的信号输入到计算机中，计算机得到的能够实现预算的运动的
7、控制型号”。机电一体化技术是机电工业发展的必然趋势。随着计算机技术在工程控制中的不断应用和发展，电液控制系统及其元件的数字化也成为一种必然的发展趋势；同时电液直接控制技术的发展也备受人们的关注。现有的电液直接数字控制的实现方法有两种：其一为脉宽调制为代表的控制方法，通过控制开关件的通断时间比，以获得在某段时间内流量的平均值：其二为采用步进电动机作为点机械信号转化元件的增量式控制发发。本设计在综合这两种方法优点的基础上采用了直接数字控制技术的常用方法，并用微机对流体控制元件实现嵌入式的数字控制从而使水泥压力试验机的工作性能得到改善，能很好的满足现行的国家标准对水泥检测的要求。2总体方案的确定说明
8、微机控制恒应力水泥压力试验机作为一种机电一体化产品不外乎由以下组成部分：动力传感器执行机构计算机机械机构图1-1机电一体化系统图2.1力的选择按动力源的不同可分为：液动、气动、电动三种。液压驱动：液压压力可获得较长的输出力，油液压缩性很小，压力流量均易控制，反应灵敏，可实现连续轨迹控制，但是液体对温度变化敏感。油液有泄漏等缺点。气动驱动：气体压力小，输出力小，若需要输出较大的力，则结构尺寸过大，且气体压缩性大，阻尼效果差，精确定位困难，低速不易控制。电机驱动：输出力小，控制性能好，可精确定位。但控制系统复杂。由于本设计要求输出力较大，并要求精确的加载速度，控制精度要求高。所以本设计采用液压驱动
9、。也就是用电机驱动液压泵1。2.2执行机构的选择液压执行元件是将液压介质的压力转变为机械性能的装置。他依靠压力油使执行件输出油做旋转运动或直线运动而做功。按输出运动的不同，可将液压执行元件分为三类：液压缸、液压马达、旋转马达。根据设计要求，在水泥块从收力道被压碎期间，执行元件处于准静态，而马达的输出是转矩，可执行元件应该选液压缸。2.3传感器的选择由于本设计要求恒定压力变化，主要测量压力，所以可选用灵敏度和分辨率达到要求的压力传感器。通过以上的确定，总体方案可以用以下框图1.2表示：计算机被测试件液压缸电液比例阀数字控制器压力传感器A/D转换放大器图1.2 总体方案框图3 液压系统的设计该系统
10、采用计算机作为系统主控制器，通过人机对话，进行试验方法、试验参数的设定工作。当实验开始时，由计算机给控制器发出试验信号，控制器控制电液比例阀开口度的大小，再由电液比例阀来控制液压缸对试件进行加载。同时，采用压力传感器对液压缸工作腔的油液压力进行检测，将检测到的压力信号通过A/D转换放大器进行模数转换、放大、并反馈给计算机。计算机将压力反馈信号与输入信号比较后，经过PID算法，来修正控制器的输入信号，以实现系统的闭环控制。全自动液压试验机的液压系统主要由电动机、泵、溢流阀、换向阀、电液比例阀、压力传感器、液压缸组成。电动机作为动力源液压泵提供能量，液压泵作为机械能液压能的转换元件给系统提供液压能
11、源；单向阀用来防止油液对泵的反响冲击；溢流阀作为系统的安全阀，在系统过载时提供安全保护作用；换向阀用来使油液换向；电液比例阀作为系统加载的控制元件，控制、调节系统的输出；压力传感器作为检测元件，将液压缸工作腔的压力信号通过A/D放大反馈给计算机以实现闭环控制；液压杆作为液压能机械能转换元件，对试件进行输出加载。3.1工况分析液压缸所受外负载F=FW+FF+FA式中FW是工作负载，本设计中FW为300KNFA运动部件速度变化是的惯性负载，本设计中水泥块从受力到破碎活塞运动速度为零，FF是摩擦阻力负载，本设计中FF f X G f为静摩擦系数，取0.2，G取500NFW与FF相比，可忽略不计。3.
12、2液压缸主要尺寸的确定3.21工作压力P的确定工作压力P根据负载大小及机器类型来初步确定，参照如下：主机类型工作压力机床精加工机床0.82半精加工机床35龙门刨床28拉床810农业机械、小型工业机械、工程机械辅助机构1016液压机、重型机械、起重机械2030表3.1机器类型与负载大小液压机的工作压力为2030Mpa。又根据已知条件液压传感器规格为25Mpa可知，为了安全，工作压力应取在2025Mpa之间，初取20Mpa。3.2.2 计算液压缸内径D和活塞杆直径d由于负载最大为250KN，常用液压缸的机械效率为0.90.97，取=0.9，查表，液压缸内径D与活塞杆d的关系可知：活塞杆受力情况受拉
13、伸受压缩，工作压力P (Mpa)P55P7P7活塞杆直径d(0.3-0.5)D（0.55-0.77）D(0.6-0.7)D0.7D表3-2液压缸内径D与活塞杆d的关系计算液压缸面积： = (P1P2)D2+ P2 d2= 得 P1 D2=D2=212.2cm2D=14.57圆整为标准值为 D=160mm , d=0.7D=14.570.7=10.199cm , d=100mm对于中压系统。壁厚至少应满足/D1/10,D=160,取=30mm液压缸的两腔实际有效面积为：A1= D2=162=201.06cm2A2= (D2d2)= (162100)=122.52cm2取V=0.1m/min 则q
14、=A1V=201.061040.1=2.0106L/min3.2.3 强度校核(1)活塞杆的直径d按下式校核 d 其中F为活塞杆上的作用力，为活塞杆材料的许用应力，最小许用应力为110Mpad=58.9mm d=10058.9mm符合要求(2)壁厚按下式校核：（1）PY为缸筒试验压力，PN为缸的额定压力，当PN16Mpa时，取PY=1.25PN ,即PY=1.2520=25Mpa= =19.5 =3019.5mm符合要求3. 3液圧泵的选择液压泵在整个循环中的最大工作压力为20Mpa，进油路上的压力损失为0.5Mpa，压力继电器调整压力高出系统最大压力为0.5Mpa，则P=20+0.5+0.5
15、=21Mpa.液压泵应向液压缸输出流量为2.0106L/min 回路中泄露按液压缸输入流量的10%估计，则q=1.12.0106L/min=2.21 L/min溢流阀的最小稳定溢流量为3 L/min 则液压泵流量规格最小为2.21 L/min+3 L/min=5.21 L/min性能外啮合齿轮泵双作用叶片泵限压式变量液压泵径向柱塞泵轴向柱塞泵螺杆泵输出压力低压中压高压高压高压低压流量调节不能不能能能能不能效率能较高较高高高较高输出流量脉动很大很小一般一般一般较小自吸特性好交差较差差差好对油的污染敏感性不敏感较敏感较敏感很敏感很敏感不敏感噪声大较大较大大大最小最后确定选取 10MCY141B轴向
16、柱塞泵，额定压力为31.5Mpa,转速1500r/min。3.4电动机的选择由以上计算知：泵的供油压力为21Mpa,取泵的总效率=0.9则P1 = =5.83103 W=5.83KW查表选用Y132S1-2型电动机，其额定功率为5.5KW，转速为2900r/min3.5立柱设计立柱的直径d，取a=600N/mm2，则d17.84mm取dmin=22mm。3.6联轴器的选择联轴器的选择应根据传动载荷的大小、轴向转速的高低、被连接部分的安装精度等要求来选用。由于本系统的载荷不大，转速很高，对中的同轴度误差要求很高，为了补偿液压泵和电动机在安装时两周的同轴度误差，常选用弹性联轴器，其特点是传递的补偿
17、范围很大，转速较高，弹性好，能缓冲转矩急剧变化引起的振动，能补偿轴向定位，故选用HL1型弹性柱销联轴器。3.7液压阀的选用3.7.1单向阀的选用单向阀又称止回阀，它的作用是使油只能从一个方向通过，而不能反向流动。单向阀有直动式和直角式。由于本设计中单向阀的作用主要是安装在泵的出油口，防止系统压力生高时冲击液压泵。从经济型和安装方便上考虑，选择结构简单、价格低廉的S型直通式单向阀S10AK1.其最高压力为31.5Mpa,其额定流量为10-260L/min,公称直径为6-30。3.7.2 溢流阀的选用为了防止压力过高而损害系统，必须安装起安全作用的溢流阀。其工作原理为：进油口的压力油通过阻尼作用在
18、其底部，形成一个与弹簧力相抗衡的液压力。当液压力小于调压弹簧的弹簧力时，锥阀关闭，此阀不起调节作用。随着进油口压力的提高，当液压力大于弹簧力时，锥阀开启，多余的油液流回油箱，使进油压力稳定在调定值。根据实际选择YF型溢流阀。其最高压力为732Mpa，额定流量为40L/min，公称直径为10mm，榆次系列。3.7.3换向阀的选择换向阀有电磁换向阀和电液换向阀。现在简单介绍经济实惠的电磁换向阀。电磁换向的工作原理为：通过电磁铁控制滑阀阀芯的不同位置，以改变油液的流动方向，当电磁铁断电时，滑阀由弹簧保持在中间位置或初始位置。若推动故障检查按钮可使滑阀阀芯移动。根据实际情况（流量和压力）选择电磁换向阀
19、WI6G51/OAW220-50Z4,其最大压力为31.5Mpa,其额定流量为60L/min。3.7.4 电液比例阀的选择比例阀一般具有压力补偿性能，所以它的输出压力和流量可以不受负载的影响。电磁比例阀由压力阀和移动马达两部分组成，当压力阀的线圈通进电流时，弹簧把电磁力传给锥阀，推力的大小与电流成比例。当的阀进油口处的压力油作用在锥阀上的力超过弹簧力时，锥阀打开，油液通过阀口的排出。阀口的张开开度影响电磁推力。由于电磁阀是本设计中的关键阀，故选择BYF-B10H4,其最大压力为31.5Mpa,额定流量为2500L/min。序号元件名称额定流量L/min调压范围规格1单向阀1531.5S10AK
20、12溢流阀407-32YF-L10K3换向阀6031.5WE6G51OAQ220-50Z44电液比例阀250031.5BYF-B10H4各液压阀的特性如下：表2-4 各种阀的特性3.8辅助元件的选择3.8.1 邮箱尺寸的确定油箱的有效容积（油面高度为油箱高度的80%时的容积）应根据液压系统的发热、散热平衡的原则来计算，这项计算在负载较大时是必须的，但对于一般的情况来说，油箱的有效容积可按液压泵的额定流量来估算，公式为：V=QV已知所选泵的总流量为1500100.001=15L参照下表系数类型行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金机械1-22-45-76-1210表2-5系数的确定取=6，故V=0
21、.075mm3，最后确定邮箱的尺寸为长L=580mm,宽S=450mm,高H=370mm。3.8.2 过滤器的选择由于本系统中轴向柱塞泵对油的污染很敏感，故必须设计过滤器。在液压泵的吸管道上，必须安装网式过滤器，以清除较大的颗粒杂质，保护液压泵。为了不影响液压泵的吸油能力，过滤器通油能力最好大于泵流量的2倍，故选WU16180型的网式过滤器。在回油路上安装精过滤器，以清除更细的颗粒杂质，保护液压系统的液压元件不受细微颗粒的损伤和卡死。系统泄漏的油液必须经过过滤后返回油箱，由于它不会在主油路上造成压力下降，又不承受系统的工作压力，故可选用强度较低的过滤器，过过滤器的通油能力应不小于回油管的最大流
22、量。综上可选用型号为C.SCUIB-F108磁性烧结式过滤。4 传感器的选择4.1 传感器的选用原则工程上通常是直接作用于被测量，能按一定规律将其转换为同种或别种量输出的器件为传感器。如何根据测试目的和实践条件，合理的选用传感器时会经常遇到的问题。通常选择一般注意以下几点：4.1.1 灵敏度灵敏度是指传感器在稳定工作下输出变化对输入变化的比值，用S表示，S=dy/dx,一般传感器灵敏度越高越好，灵敏度越高，意味着传感器所能感知的变化量越小。但灵敏度太高也会影响其测量范围。4.1.2 线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围越宽，则其工作量程越大。但任何传
23、感器都不容易保证其绝对的线性，在许可范围内，可以在其近似线性范围内应用。4.1.3 可靠性可靠性是一切传感器的生命，可靠性是指仪器装置等产品在规定的条件下，在规定的时间里可以完成规定功能的能力。为了保证传感器在应用中具有高的可靠性，必须选用条件适宜传感器。4.1.4 精确度传感器的精确度包括精密度和正确度。精密度是说明测量结果的分散性，正确度是说明测量值偏离真值大小的程度，属于系统误差。总而言之，精确度表示传感器输出和被测量值的一致程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实反映被测量值对整个测试系统有直接影响。4.1.5 其他除了上述一些因素外，应尽可能结构简单，体积小，中亮起，价
24、格便宜，易于更换。4.2传感器的性能指标4.2.1 精度表示测量结果与被测量的真值的靠近程度，精度一般用极限误差来表示，或者用极限误差与满量程之比按百分比表示。4.2.2 线性度表示传感器的输出和输入的关系曲线与选择的工作曲线的靠近程度。4.2.3 灵敏度是传感器的输出增量与输出之比。4.2.4 分辨率表示输出量程与满量程的输入之比。4.2.5 量程表示传感器要测量的北侧的量值。4.2.6重复性反映传感器在不使用的工作状态下，重复的给予某个相通的输入值时，其输出值的一致性。可用校准数据与响应行程书粗豪平均值之间的某个最大偏差值，对满联成输出的百分比表示。4.2.7 稳定性表示传感器在一个较长的
25、时间内保持能参数的能力，常用给出标定的有效期表示稳定性。4.2.8 零漂表示传感器在零输入状态下，输出值的漂移，一般有时间飘零和稳定零漂 。4.3传感器的比较和选用压力传感器主要有电阻应变式、压阻式、压电式压磁式电阻式。4.3.1 电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器时利用弹性敏感元件将北侧里、压力转化为应变、唯一等，然后通过粘贴与其表面的电阻应变片转化为位电阻值的变化，由转化电路（通常为电桥输入电压或电流信号）阻值的变化为：R/R(1+2u) 式中敏感栅响应变化，=/l;4.3.2 压电式压力传感器压电式压力传感器是基于压电元件的压电效应而工作的。压电效应是指某些沿一定方向受威力作用而变
26、形时的两个相对表面产生机型相反的电荷，当外力去掉后又恢复到不带电的状态晶体受力所产生的电荷量与威力的大小成正比。压电式传感器可等效位带电荷Q的电容器，其电容CA为： CA=A/式中电介质的介电常数，=R0，其中r、0分别为相对介电常数和真空介电常数。特点：线性好，频响范围宽，灵敏度高，迟滞小，结构简单，工作可靠，使用方便，抗声、磁干扰能力强要求后缀具有高的输入阻抗，应用低电容、低噪声、高电阻电缆，需老化处理以提高其稳定性。4.3.3 压阻式传感器压阻式传感器是用半导体的压阻效应而工作的。当单晶硅半导体（如P-Si，N-Si）沿某方向受到外力作用时，其电阻率发生变化，导致电阻值相对变化的现象称为
27、压阻效应。电阻相对变化为：R/R=/=/=/E式中P半导体材料的电阻率1沿1方向的压阻系数E材料的弹性模量沿2方向的应力特点：灵敏度高机械滞后小，分辨率高，测量范围大，频响范围宽，使用方便。4.3.4 压磁式传感器在机械力的作用下，铁磁材料内部产生应力或应力变化，使其磁道发生变化，当铁磁材料制成的压磁元件线圈时期磁道率变化将引起线圈电感和阻抗变化，当压磁元件同时饶有一二次线圈并在一次线圈加以激励电压时，磁道率变化将导致线圈系数变化从而使输出电势变化。4.3.5压磁式传感器电阻应变式：测量范围宽，精度高，寿命长，体积小，价格便宜，可在恶劣的条件下工作，应用范围最广泛，但有一定的非线性误差压阻式：
28、灵敏度高，机械滞后小，分辨率高，测量范围大，体积小，功耗小，使用方便，但有较大的非线性误差温度误差压电式：线性好，频响范围宽，灵敏度高，迟滞小，重复性好，结构简单，工作可靠，使用方便，无需外加电源，抗声、磁干扰能力强，温度系数低（0.02%.0C）。用来测量准静态力、压力，更适宜于动态和恶劣环境中的力的测量。压磁式：输出功率大，信号强，抗干扰能力和过载能力强，牢固可靠，寿命长，能在恶劣条件下工作。但精度较低（约1%），反应速度较低。经比较，本设计选择电阻应变式传感器，其型号为JYBY7AY。其技术参数为：量程：02030Mpa精度: 0.5%供电:24V或12VDC输出:05V，010mA反应
29、时间:5ms使用温度:-20+60。C压力过载：15%安装尺寸：M201.5外螺纹。5过程通道的一般结构形式5.1过程通道的设计过程通道包括模拟量输入电路、模拟量输出通道和数字量输入、输出通道。和数字量（或开关量）输入通道就是为此目的而开设的两种检测通道。生产过程别的被调参数（一般包括温度、压力、流量、位移、速度液面高度等等）一般都是随时间连续变化的非电物理量，因此模拟量电信号必须通过模拟量输入通道转换为响应的数字信号，才能送入计算机；而生产现场的两态开关、电平的高低、脉冲量等数字或开关信号，则应通过数字量输入通道输入计算机。计算机控制生产现场的控制通道也有两种，即模拟量输出通道及数字量输出通
30、道，计算机输出的控制信号是以数字形式给出的，有执行元件要求提供模拟的电流或电压，故采用模拟量输出通道来传达；有得执行元件值要求提供数字量（或开关量）信号故采用数字量输出通道。可见，过程通道是家算计和工业生产过程（控制对象）相互交换信息的桥梁。模拟量输入通道格局应用要求的不同，可以有不同的结构形式。5.1.1 一个通道设置一个A/D转换器如图（3）图中A/D转换器是将模拟量转换成数字量的装置，也是模拟量输入通道的关键性部件。当被测信号发生变化较快时，往往要求通道比较灵敏，而模/数转换过程要花一定的时间才能完成，转换过程终了所得的数字量不再是对应于发出转换命令那一瞬间所要转换的数据电平，因而会带来
31、一定的转换误差。上图中的采样保持器就是用来对变化的模拟信号进行快速采样，并在转化过程中“保持”该信号，以减少转换过程所造成的误差。由于这种结构形式是在每一个通道上都有的采样保持器和A/D转换器，所以允许各个通道能同时工作。这种结构通常用于需要同时得到描述系统性能各项数据的系统中。其特点是速度快、工作可靠，即使某一个通路有故障，也不会影响其它通路的工作，如果通道的数量很多要使用较多的采样保持器和A/D转化器，使用成本较高。图4-1 一个通道设置一个A/D转换器框图采样保持器A/D转换器I/O接口电路CPU采样保持器A/D转换器5.1.2 多个通道共享一个A/D转换器下图的多路或随即地转换机关分时
32、的将各种模拟信号按顺序或随机的通过采样保持器传送到公用的A/D转换器。这种结构因公用一个A/D转换器，每路地转换只能顺序进行，显然工作速度较慢可靠性也不高，但可节省硬件设备。由于采用了多个采样保持器，捕捉时间可以忽略。A/D转换器采样保持器I/O接口电路A/D转换开关CPU采样保持器4-2多通道共享一个A/D转换器5.1.3 多个通道共享采样保持器和A/D转换器下图是多个通道共享采样保持器和A/D转换器的结构框图。这种结构形式较以上两种多通道形式的速度更慢，但可以节省硬件，可靠性也差。由于采用了公用的采样保持器，因此在启动A/D转换前，必须考虑采样保持器的捕捉时间，只有当保持电容器的放电过度过
33、程结束后才允许启动A/D转换电路。CPUI/O接口电路多路转换开关采样保持器A/D转换开关图4-3多通道共享采样保持器和A/D转换器经过比较后最后选用节约成本的多通道共享采样保持器和A/D转换器5.1.4模拟量输入的一般结构下图是多路模拟量输入通道的一般组成原理框图。由图可知，模拟量输入通道一般由信号处理、多路开关、放大器、采样保持器和A/D转换器等组成A/D转换采样保持器信号处理放大器多路转换开关过程参数检测过程CPUI/O接口电路信号处理控制图4-4模拟量输入结构框图其中信号处理根据需要可包括信号放大、信号滤波、信号衰减、阻抗匹配、电平交换、非线性补偿、电流/电压转换等功能。放大器是用来把
34、传感器送来的信号从毫伏电平按比例放大到典型的模拟数字转换器输入电平（如慢刻度为10V），可选用一个具有适当闭环增益的运算放大器。如果各种信号源的信号幅值相差悬殊，可采用增益可控的可编程放大器，它的闭环增益由计算机控制。当信号源和模拟数字转换器之间因两点接地而存在地电位差，给系统带来干扰，这是，需要采用仪表放大器或隔离放大器。仪表反复打起的特点是：共模抑制力强、输入阻抗高、低漂移、增益可调。隔离放大器的主要作用是：隔离放大器测量高共模电压下的低电平信号、消除各种干扰引起的误差、避免几声失去、保护应用系统电路。控制部分是接受CPU的命令向通道中各部件发送控制信号的控制接口。他的作用是：向多路转换器
35、发送通道选通控制信号、控制放大器的增益，使采样保持器能处在采样或保持工作状态、启动A/D转换器进行转换等。5.2过程通道的其他主要部件过程通道中涉及到的部件很多，除了A/D转换器和D/A转换器之外，还有信号处理装置、多路开关、放大器、采样保持器以及大功率输出接口部件。现分述如下：5.2.1 信号处理装置在生产现场，由于各种干扰信号的存在，必须采用滤波器电路来抑制信号通道中的干扰。选择滤波器类型时，要考虑所测信号的频率和特性，以及干扰信号的频率和所要求的抑制程度。有时因环境引起的噪音干扰，可采用线路补偿或采用频蔽的措施尽量减少对有用信号的影响。有些被测参数与转换后的电信号之间成非线性关系，为提高
36、测量转换的灵敏度和便于控制的运算，需要进行线性化处理，这可采用折线近似法或采用非线性的反馈放大达到线性化的目的。5.2.2 多路转换开关多路转换开关又称为多路采样器或多路模拟开关，当有多个信号需要检测时，利用多路开关多路转换开关可将各个输入信号一次的或随机的连续接到公用放大器或A/D转换器上实现对各个输入通道的分时控制，多路开关是用来切换模拟电压信号的关键元件，为了 参数的测量精度，对它应提出较高的要求，理想的多伦路开关，其开路电阻无穷大、接通时的导通电阻应为零，此外，还要求切换速度快、噪声低、寿命长和工作可靠，控制开关动作所需要消耗的功率要小等等。目前的危机系统多采用集成的多路转换开关、噪声
37、低、寿命长和工作可靠，控制开关动作所需要消耗的功率要小等等。目前的微机系统多采用集成的多路转换开关。典型的集成多路揩干可分为4选1、双4选1、8选1、16选1等5种类型。4选1的芯片有74LS155,8选1、双8选1、16选1等五种类型。4选1的芯片有74LS155,8选1的芯片有CD4051、74LS151、AD7503等，16选1的芯片有74LS150、AD7506等等。现主要介绍8选1的芯片CD4051.CD4051是单端的8通道开关，其原理图如下：C、B、A为开关的控制输入端，INH为禁止（高电平禁止）输入端，INH禁止（高电平禁止）输入端，片内有电平转换成二进制译码器。当INH为低电
38、平时，改变C、B、A的数值（从0111）通过译码器可以溢出8种状态，在8个通道中（X0X7）选中其中的一个通道使输入和输出接通。而当INH为高电平时，不论C、B、A为何值8个通道均不同，改变输入输出的传递方向，则可用做多路开关或反向开关。CD4051有很宽的数字和模拟信号电平，数字信号为315伏模拟信号峰值为15Vp-p;当VDD-VEE=10V时其断开时的漏电流为10Pa,静态功率耗为1W。选择多路开关主要应考虑如下因素：要多少通路？是单端还是差动？电平高低如何？采用什么方式对各通路寻址？精度及切换速率等。5.2.3采样保持器A/D转换器完成一次完整的转换过程所需的时间成为转换时间。对变化较
39、快的模拟信号来说，转换期间将引起转换误差。设置一个幅值为Um频率为F的正弦信号U=则其随时间的变化率为Du/ DT =UM2f，它的最大值出现在信号过零时，所以，最大的转换误差为：uU2ft式中t为A/D转换时间。由此可知，若转换时间一定，则转换误差与信号的频率成正比。为了满足转换精度的条件下允许有较高的输入信号的频率范围，以适应某些随时间变化较快的信号的要求用采样保持器解决。采样保持器基本组成电路如图所示。它由模拟开关、保持电容和运算放大器组成。其工作原理如下： U0 Ui图4-6 采样保持器表4-1真值表输入状态接通信号输入状态接通信号INHC B ACD4051INHC B ACD405
40、100 0 001 0 04#00 0 11#01 0 15#01 1 02#01 1 06#00 1 13#01 1 17#当控制开信号为高电平（即采样阶段），模拟开关K闭合，输入信号通过放大器Al向电容C充电进行转换，在这阶段，希望电容电压维持稳定的时间越长越好。图中运算放大器A1、A2都接成跟随形式，A1的输出阻抗很低，A2的输入阻抗很高，故它接近理想的采样保持器。在模拟量输入通道内，经常采用集成化的采样保持器。如LF198、LF298、LF398等。该系列的电路结构完全一样，仅某些电气参数有些不同，其特点是：采样速度高，保持电压下降速度慢，精度高等，下图中，CH为外接保持电容，其值的选择取决于维持时间的长短。控制输入端用于控制采样或保持，当控制输入为高电平时，采样保持器处于跟随状态，为低电平时处于保持状态，逻辑电平基准输入端LR能控制信号与各种逻辑电平兼容，L-R接地时，控制电平与TTL兼容。OFFSET用于零位调整。除上述系列的采样保持器外，其他的通用芯片还有SHA-1、AD583、AD583K/S等，高分辨率芯片有SHA1144、ADC1130等。5
