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1、第二章 过程通道和数据采集系统,黄松清安徽工业大学 电气信息学院 自动化系2013年2月,内容提要,概述模拟量输入通道A/D与D/A转换技术数据采集系统模拟量输出通道过程通道的抗干扰措施小结,1 概述,过程通道：计算机和生产过程之间设置的信息传送和转换的连接通道。（AI、AO、DI、DO）,计算机控制系统组成框图,1 概述 2/10,过程通道的组成和功能 数字量输入（DI）通道：把从控制对象检测得到的数字码、开关量、脉冲量或中断请求信号经过输入缓冲器在接口的控制下送给计算机(检测通道),自动重合闸原理图,60%以上是单相对地短路！,高压真空断路器,LN2-10型户内式SF6断路器,高压负荷开关
2、,一般与熔断器串联使用！,高压隔离开关,1 概述 3/10,数字量输出（DO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口输出数字信号、脉冲信号或开关信号(控制通道,电磁阀),1 概述 4/10,模拟量输入（AI）通道：把从控制对象检测得到的时间连续模拟信号（如温度、压力、流量、液位等）(1-10V?,4-20mA)变换成二进制(?)的数字信号，然后经接口送入到计算机(检测通道)模拟量输出（AO）通道：把从计算机输出的数字信号通过接口由它变换成相应的模拟量信号输出给控制对象(控制通道,连续调节阀)AI、AO比较重要，有不少特殊问题要解决!,1.概述 5/10,信号转换中的采样、量化和编码 计算机控制
3、系统，就必须首先解决模拟量和数字量之间的转换问题。转换过程大体上要解决如下三个问题：采样（Sample）量化（Quantity）编码（Coding）【数字传输！】,1 采样概述（6/10）,信号的采样 把时间连续的信号转换为一连串时间不连续的脉冲信号，这个过程称为“采样”，又称为“抽样”、“取样”,1 概述 7/10,采样后的脉冲信号称为采样信号，采样信号在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的 香农（Shannon）采样定理【奈奎斯特】：若信号的最高频率为fmax，只要采样频率f 2 fmax，采样信号就能唯一复现原信号。,二倍频的内涵,采样说明,C：信道容量S/N：信号与噪功率比,W：信
4、道带宽,采样的分类：周期采样、多阶采样、随机采样周期采样多阶采样：多阶采样也称为周期非均匀采样，相邻两采样点间的间隔非均匀,但任一数据与其后第N 个采样点间的间隔均匀,采样间隔呈周期分布。图中,d 表示时间延迟,T 表示采样间隔的变化周期随机采样：在采取子样时，对采样的部位或时间均不施加任何人为的意志，能使任何部位的量都有机会采出的采样方法,1 概述 8/10,量化 采样信号经过整量化成为数字信号的过程称为整量化过程,1 概述 9/10,整量化过程是一个数值分层过程。四舍五入过程量化单位 q 是A/D转换器最低位二进制位（LSB）所代表的物理量，量化误差(精度)为q/2采样信号与数字信号的区别
5、实际应用中,f=(510)fmax,采样、编码（调制）、传送,多路复用技术,多路复用技术（续）,1 概述 10/10,编码(格雷码、多项式、循环码、曼切斯特等)把量化信号转换为二进制代码的过程称为编码 编码的任务由A/D转换器完成 双极性(正负)信息的 3种表示方法 符号数值码 偏移二进制码 补码表示法,注记：常用的双极性编码,注记：常用的双极性编码关系,内容提要,概述模拟量输入通道D/A与A/D转换技术数据采集系统模拟量输出通道过程通道的抗干扰措施小结,2 模拟量输入通道,模拟量输入通道的一般组成 一般由信号处理、多路转换器、放大器、采样/保持器和A/D转换器组成,2 模拟量输入、输出通道
6、2/10,检测：把非电量的工艺参数（如温度、压力、流量等）通过传感器转换为电量（一般为直流电压或电流）信号处理：包括信号滤波、小信号（微伏信号）放大、信号衰减、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压转换等,2 模拟量输入输出通道 3/10,多路转换器 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(三态门是否具有此能力？)。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 选择要求,2 模拟量输入、输出通道 3-2/10,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
7、长106107;工作频率400Hz;小信号中速度(10400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,多路转换器,2 模拟量输入输出通道 4/10,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
8、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.,2 模拟量输入输出通道 5/10,采样/保持器 作用：在采样时，其输出能够跟随输入变化；而在保持状态时，能使输出值不变。最简单的采样/保持器是由开关和电容组成：,2 模拟量输入输出通道 5-2/10,采样中问题 A/D转换器完成一次转换过程的时间称为转换时间;转换期间将引起误差;误差估计:Vf=5V;12位的A/D;基准电压10.24V;量化误差为最低位的一半;转换时间0.1ms.则信号最高频率为,2 模拟量输入输出通道 5-3/10,采样
9、/保持器工作机理 LF398的原理图.指标:CH=0.01F;0.01%精度获取时间25s;保持器下降速度3mv/s;转换时间100 s;保持器下降电压300 v,2 模拟量输入输出通道 6/10,CD4051介绍：单边8通道多路调制器/多路解调器。其引脚结构如图所示。,模拟量输入输出通道 7/10,C、B、A为二进制控制输入端，INH为禁止输入端（高电平禁止）。改变IN/OUT07及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。其真值表如下所示：,2 模拟量输入输出通道 8/10,当采样的通道比较多，可以将两个或两个以上的多路开关并联起来。两个8路开关扩展成16路的多路开关的方法如图所示。,2 模拟量输入输出通道 9/10,转换(孔径)时间tA/D：完成一次A/D转换需要的时间。转换(孔径)误差：采样时刻的最大转换误差。转换(孔径)误差的消除：采用采样保持器,2 模拟量输入输出通道 10/10,采样保持器LF398介绍,2 模拟量输入输出通道 8+/10,当采样的通道比较多，可以将两个以上的多路开关并联起来。四个8路开关扩展成16路的差动输入方法下图。,2 模拟量输入输出通道 8+/10,8个8路开关扩展成64路的输入方法参见微型计算机控制技术（第3版），图3.20，P.57。谢剑英等，国防工业出版社，2001,
