1、计算机控制技术,秦 川,第三章 过程通道和数据采集系统,过程通道完成计算机和生产过程之间的信息转换和传递的装置,一般分为两类: 过程输入通道 模拟量输入通道数字量输入通道 过程输出通道 模拟量输出通道数字量输出通道,3.1 数据采集系统,一 模拟量输入通道,1单通道,3.1 数据采集系统,2多通道,3.1 数据采集系统,3信号调理 信号变换将非电量（温度、压力、流量等）转换成标准电量将非标准电量（电压、电流等）转换成标准电量 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。如热电耦温度线性化等。 滤波有源滤波、无源滤波（RC网络）,3.1 数据采集
2、系统,4多路转换器（多路模拟开关）AD7501 AD7503 AD7506(单向)CD4051 CD4053 CD4067 CD4097(双向),作用：把各路模拟量分时接到AD转换器进行转换， 实现了CPU对各路模拟量分时采样。,3.1 数据采集系统,3.1 数据采集系统,5运算放大器（放大、缩小） a)单端输入放大电路主要型号：OP07(单运放)；LM358,LM458(双运放);LM324,LM224(四运放) b)双端输入放大电路（差分放大器、差动放大器）仪用放大器主要型号：AD521,AD520等。特点：CMRR高 c)可编程放大器（程控放大器）,3.1 数据采集系统,6 采样、量化及
3、常用的采样保持器,信号的采样 采样过程：以周期时间间隔T，把时间与幅值连续的模拟信号转变为连串脉冲输出信号。 为采样宽度，即K闭合的时间。,3.1 数据采集系统,香农采样定量：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。,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。,3.1 数据采集系统,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。 注意：此处的f 不是频率,量化误差： (1/2)q,量化单位：A/D转换器的最低二进制有效位(LSB)对应的模拟量。,3.1 数据采集系统
4、,孔径时间tA/D：是指对ADC发出采样命令(采样时钟边沿)时刻与实际开始采样时刻之间的时间间隔 孔径误差：采样时刻的最大转换误差。为了保证A/D转换精度，希望在孔径时间tA/D内，最大信号的变化幅度小于A/D转换器的量化误差。 孔径误差的消除：采用采样保持器,3.1 数据采集系统,孔径时间内，信号的变化导致转换误差，A/D转换器需要采样保持器来提高输入信号的频率范围。 采样保持器：把t=KT时刻的采样值保持到A/D转换结束。 采样：K闭合，CH快速充电，VOUT跟随VIN 保持：K断开，VOUT保持VC 缓慢变化的信号无需采样保持器,3.1 数据采集系统,LF398 采样保持控制引脚8：高电
5、平，采样 低电平，保持 CH外接高品质电容，其减小可以提高采样频率。 获取时间：CH为0.01uF时, 时间为25us,3.1 数据采集系统,7A/D转换器a).类型：逐次逼近式、双积分式、计数比较式逐次逼近式芯片：ADC0809(8路8位)，AD574(12位),b).主要性能指标：分辨率一般用数字量的位数表示转换时间绝对精度，相对精度转换后所得结果相 对于实际值的准确度 c).A/D输出编码方式符号数值码、偏移二进制码、补码、BCD码 d).输出方式并行、串行、分时顺序输出,3.1 数据采集系统,12位AD转换器AD5741) 芯片特性采用原理 逐次逼近式 内部结构 三态缓冲器、时钟脉冲
6、源和基准电源输入电压 单路单极性或双极性分辨率 12位转换时间 25S封装形式 28脚双列直插式,3.1 数据采集系统,3.1 数据采集系统,3.1 数据采集系统,单、双极性应用 单极性：BIP OFF接0V 双极性：BIP OFF接10V,3.1 数据采集系统,二、数据采集系统举例,器件：AD574A, LF398, CD4051,8255A 指标 8通道模拟量输入 12位A/D转换（25us)，量程010V 查询应答方式 电路逻辑： 通道选择-PC0-PC2, 通道禁止-PC3 LF398采样和保持-ADC574的STS+反相器 AD547A的R/C, CS, CE -PC4-PC6 转换
7、状态检测STS-PA7 数据输入：高4位-PA0-PA3，低8位-B口,3.1 数据采集系统,通道选择-PC0-PC2, 通道禁止-PC3 LF398采样和保持-ADC574的STS+反相器 AD547A的R/C, CS, CE -PC4-PC6 转换状态检测STS-PA7 数据输入：高4位-PA0-PA3，低8位-B口,3.2 模拟量输出通道,功能：把计算机的运算结果转换成模拟量，并输出到被 选中的某一控制回路上，完成对执行机构的控制动作。 组成：DA转换器、多路切换开关、输出保持器、 低通滤波电路和功放电路。,输出保持器的作用：将前一采样时刻的输出信号保持到下一个 采样时刻，重新得到新的输
8、出信号。输出保持方案：数字量保持方案；模拟量保持方案。,3.2 模拟量输出通道,1单通道结构（数字量保持结构方式）,3.2 模拟量输出通道,2多通道共用D/A结构（模拟量保持方式）,3.2 模拟量输出通道,3接口电路与D/A输入形式有关一般有两种 a). 并行D/A 8位D/A,3.2 模拟量输出通道,12位D/A采用双级缓冲,3.2 模拟量输出通道,b). 串行D/A 两线：DATA,SCLK,4D/A转换器DAC08328位并行DAC1210 12位并行MAX543BCPA串行12位输出形式：电流输出电压输出,3.3 过程通道的抗干扰措施,一、干扰的来源和干扰的分类,1干扰的来源 电磁辐射
9、 直接传导,2按干扰的作用方式 常态干扰（串模干扰）：指叠加在被测信号上的干扰噪声。 共态干扰（共模干扰）：指模数转换器两个输入端上公有的干扰电压。,3.3 过程通道的抗干扰措施,3.3 过程通道的抗干扰措施,二、串模干扰及其抑制方法,串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰或正态干扰。,3.3 过程通道的抗干扰措施,抑制串模干扰的措施： 加输入滤波器 串模干扰信号频率大于被测信号频率低通输入滤波器 串模干扰信号频率小于被测信号频率高通输入滤波器 串模干扰信号在被测信号频率两侧带通滤波器。 尖峰类常态干扰采用双积分A/D数字平均值滤波 来自电磁感应的干扰尽早将信号放大或转换、隔离、屏
10、蔽 干扰变化速度与信号相等时应消除干扰的原因,另外可以 利用数字滤波技术对已经进入计算机的带有常态干扰的数据进行处理,3.3 过程通道的抗干扰措施,三、共模干扰及其抑制方法,共模干扰是指同时加到模数转换器两 个输入端上的公有的干扰电压。,3.3 过程通道的抗干扰措施,计算机控制系统中，待转换的被测信号有单端对地输入 和双端不对地输入两种输入方式。,3.3 过程通道的抗干扰措施,一般情况下共模干扰电压Ucm总是转化成一定的常态干扰Un 出现在两个输入端Un=UA-UB 为衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比 CMRR(Common Mode Rejection Ratio)来表示：
11、CMRR=20lg(Ucm/Un)(dB),对于单端对地输入方式：无共模抑制能力 对于双端不对地输入方式：Un越小，CMRR越大，抗共模干扰能力越强,3.3 过程通道的抗干扰措施,抑制共模干扰的措施： 采用双端对地输入运放或A/D 采用变压器或光耦将信号与数字部分隔离 采用浮地双层屏蔽放大器 采用仪表放大器提高CMRR,3.3 过程通道的抗干扰措施,浮地是指利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空,也即输入信号的地与大地无导体连接,3.3 过程通道的抗干扰措施,四、其他抗干扰措施,印制电路板设计 解耦电容0.010.1uF 采用高抗干扰电源 采用公共接地点,阶段作业,设计一个16路温度采集系统，要求:,选择某一类型的温度传感器 被测温度LED轮流显示 可设置任意一路温度上下限值，越限自动报警 提供打印机接口及通信接口,提交： 系统完整的电气原理图 主程序框图及相关子程序流程图 有关说明性材料完成时间：两星期,
