过程输入输出通道

范立南 李雪飞 编著 机械工业出版社,计算机控制技术 第2章 过程输入输出通道,第2章 过程输入输出通道,2.1 信号的采样与恢复 2.2 模拟量输入通道 2.3 模拟量输出通道 2.4 数字量输入输出通道,2.1 信号的采样与恢复,2.1.1 信号的采样过程,1信号类型,在计算机控制系统中，常用的信号有3种类型。 （1）模拟信号 在时间和幅值上均连续取值而不发生突变的信号，一般用十进制数表示。这是控制对象需要的信号。 （2）离散模拟信号 在时间上不连续，而在幅值上连续取值的信号。这是在信号变换过程中需要的中间信号。 （3）数字（离散）信号 在时间和幅值上均不连续取值的信号，通常用二进制代码形式表示。这是计算机需要的信号。,2.1 信号的采样与恢复,输入和输出计算机的信息转换如图2-1所示。,图2-1 输入和输出计算机的信息转换,2.1 信号的采样与恢复,2采样过程及其数学描述,将模拟信号转换为离散模拟信号的过程称为采样过程。实现这个采样过程的装置称为采样器，又叫采样开关。采样器可以用一个按一定周期闭合的开关来表示，其采样周期为T，每次闭合的持续时间为。连续的输入信号经过采样器S后，变成离散的脉冲序列，如图2-2所示。,2.1 信号的采样与恢复,图2-2 连续信号的采样过程,2.1 信号的采样与恢复,采样器的闭合时间通常远远小于采样周期T，也远远小于被控对象连续部分的所有时间常数。在分析时，可以认为= 0 。这样，采样器就相当于一个理想采样器，它等效于一个理想的单位脉冲序列发生器，能够产生以T为周期的单位脉冲序列，其数学表达式为,（2-1）,式中，T为采样周期；K为整数。,2.1 信号的采样与恢复,这样，理想采样器的输入信号和采样器的输出信号之间存在下面的关系,（2-2）,等价地，还可以写成,（2-3）,在分析一个系统时，一般都是讨论零状态响应，控制作用也都是零时刻开始施加的，因此采样器的输入信号在时为零。这时，式（2-1）、式（2-2）和式（2-3）中的求和下限应该取零。,2.1 信号的采样与恢复,由于在整个控制过程中，采样周期一般是不变的，所以也可以记为或简记为。由上所述，在理想采样器的作用下，采样过程如图2-3所示。,图2-3 连续信号的理想采样过程,2.1 信号的采样与恢复,2.1.2 采样定理,在计算机控制系统中对连续信号进行采样，是要用抽取的离散信号序列代表相应的连续信号来参与控制运算，所以要求采样到的离散信号序列能够表达相应的连续信号的基本特征。为使离散信号能不失真地恢复为原来的连续信号，对采样角频率有一定的要求，香农（Shannon）采样定理则定量地给出了采样角频率的选择原则。,采样定理：如果连续信号具有有限频谱，其最高频率为，则对进行周期采样且采样角频率时，连续信号可以由采样信号惟一确定，亦即可以从不失真地恢复。,2.1 信号的采样与恢复,对其采样定理进行解释性说明：,对于信号和分别求出傅里叶变换以便得到频谱函数，设它们的傅里叶变换分别用和表示，则有,（2-4）,（2-5）,2.1 信号的采样与恢复,由于是一个周期为T的周期函数，因此可以展开如下的傅里叶级数形式,（2-6）,式中，为采样角频率；为傅里叶系数，且有,（2-7）,2.1 信号的采样与恢复,将式（2-7）代入式（2-6）得,（2-8）,再把式（2-8）代入式（2-2）得,（2-9）,2.1 信号的采样与恢复,所以，,（2-10）,的傅里叶变换为,2.1 信号的采样与恢复,连续信号的频谱为，它是单一的连续频谱，如图2-4所示。,图2-4 连续信号频谱,2.1 信号的采样与恢复,而由式（2-10）给出的采样信号的频谱则是以采样角频率为周期的无穷多个频谱之和，如图2-5曲线1所示。,k=0时对应的频谱为采样频谱的主频谱，它包含了连续信号x(t)的全部信息，其形状与连续频谱相同，但幅值是后者的1/T。其余频谱是采样频谱的补分量，如图2-5曲线2所示。,设max为连续信号频谱中的最大角频率，则图2-5表示的是 的情况；,如果,，则如图2-6所示，采样频谱中的,补分量相互交叠，使采样器输出信号失真。,2.1 信号的采样与恢复,2.1 信号的采样与恢复,2.1 信号的采样与恢复,由以上分析，可知要想从采样信号 中不失真地恢复连续信号 ，采样角频率 必须满足,（2-11）,2.1 信号的采样与恢复,在计算机控制系统中，连续信号通常是非周期性的，其频谱中的最高频率可能是无限的，为了避免频率混淆问题，可以在采样前对连续信号进行滤波，滤除其中频率高于 的分量，使其成为具有有限频谱的连续信号。另外，对于实际系统中的非周期的连续信号，其频率幅值随着采样频率的增加会衰减得很小。因此，只要选择足够高的采样频率，频率混淆现象的影响就会很小以至于可以忽略不计，基本不影响控制性能。,2.1 信号的采样与恢复,2.1.3 信息的恢复过程和零阶保持器,为了实现对被控对象的有效控制，必须把离散信号恢复为连续信号。采样定理从理论上给出了从采样信号 恢复为原来连续信号 的条件，可以注意到，信号的恢复需要通过一个理想的低通滤波器滤除 中的高频分量，滤波器的输出就是原来的连续信号 。理想的低通滤波器在物理上是很难实现的，因此在工程上通常采用接近理想滤波器特性的零阶保持器来代替。,2.1 信号的采样与恢复,1零阶保持器,零阶保持器的作用是把采样时刻kT的采样值恒定不变地保持（外推）到（k+1）T时刻，也就是说，在 时间区间内，它的输出量一直保持为 这个值，从而使得两个采样点之间不为零值。这样，零阶保持器把离散信号恢复成了一个阶梯波形信号 ，如图2-7所示。,图2-7采样和保持电路的结构及前后信号对比,2.1 信号的采样与恢复,如果取两个采样点的中点做平滑，平滑后的信号与原来连续信号 相比有1/2个采样周期的滞后，成为 ，如图2-7所示。因此，无论采样周期T取多么小，经零阶保持器恢复的连续信号都是带有时间滞后的。一般情况下，采样周期T都很小，可以将这种滞后忽略。,2.1 信号的采样与恢复,2零阶保持器的数学模型,零阶保持器的输出信号 的数学描述可以写成,（2-12）,它的拉氏变换为,（2-13）,2.1 信号的采样与恢复,由此可以看出，零阶保持器的传递函数为,（2-14）,零阶保持器的频率特性为,（2-15）,式中 为采样角频率。,2.1 信号的采样与恢复,零阶保持器的频率特性曲线如图2-8所示。,图2-8 零阶保持器的频率特性,2.1 信号的采样与恢复,由图2-8可见，零阶保持器的幅度谱随着频率的增高而逐渐减小，这说明它确实是一个低通滤波器，但并不是一个理想的低通滤波器，高频分量仍能通过一部分。因此，经零阶保持器恢复的连续信号与原来的信号有一些差别。另外，信号通过零阶保持器之后会产生滞后相移，由图2-7的虚线可见， 比 平均滞后 ，采样周期越大，滞后越大，相当于引入一个纯滞后环节，这对闭环系统的稳定性是不利的。,2.1 信号的采样与恢复,3零阶保持器的实现,零阶保持器可以用无源网络来近似实现。如果将零阶保持器传递函数中的 展开成幂级数,取级数的前两项可得,（2-16）,2.1 信号的采样与恢复,式（2-16）可以用图2-9所示的RC无源网络来实现。,图2-9 用RC无源网络近似零阶保持器,2.1 信号的采样与恢复,假如取级数的前3项，则,（2-17）,式（2-17）可以用图2-10所示的RLC无源网络来实现。,图2-10 用RLC无源网络近似零阶保持器,2.2 模拟量输入通道,2.2.1 模拟量输入通道的一般组成,模拟量输入通道的一般组成框图如图2-11所示。,图2-11 模拟量输入通道的组成框图,2.2 模拟量输入通道,1信号调理电路,在计算机控制系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类。因此，信号调理电路的设计主要是根据传感器输出的信号、变送器输出的信号及A/D转换器的具体情况而有所不同。,2.2 模拟量输入通道, 电流信号：一般为010mA（01.5k负载）或420mA（0500负载）。 电压信号：一般为05V或15V信号。,传感器输出的信号包括：, 电压信号：一般为mV或V信号。 电阻信号：单位为，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。 电流信号：一般为mA或A信号。,变送器输出的信号包括：,2.2 模拟量输入通道,以上这些信号往往不能直接送入A/D转换器，对于较小的电压信号需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如05V，15V，010V，-5+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。,2.2 模拟量输入通道,I / V变换电路主要有两种形式：无源I / V变换电路和有源I / V变换电路。,（1）无源I/V变换电路,无源I / V变换电路如图2-12所示。,图2-12 无源I/V变换电路,2.2 模拟量输入通道,图中R2为精密电阻，通过此电阻可将电流信号转换为电压信号。当输入电流为010mA时，可取R1=100，R2=500，这样输出的电压就为05V；当输入电流为420mA时，可取R1=100，R2=250，这样输出的电压就为15V。,2.2 模拟量输入通道,（2）有源I/V变换电路,有源I/V变换电路如图2-13所示。,图2-13 有源I/V变换电路,2.2 模拟量输入通道,利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。这里R1应该取精密电阻。该放大电路的电压放大倍数为,（2-18）,当输入电流为010mA时，可取R1=200，R3=100k，R4=150k，这样输出的电压就为05V；当输入电流为420mA时，可取R1=200，R3=100k，R4=25k，这样输出的电压就为15V。,2.2 模拟量输入通道,RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将420mA输入信号转换为05V输出信号，具有很高的性价比，它包含一个高级运算放大器，一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准，其总转换精度为0.1%，共模抑制比可达86dB，共模输入范围达±40V。RCV420的功能框图如图2-14所示。,集成I/V变换电路RCV420:,2.2 模拟量输入通道,图2-14 RCV420的功能框图,2.2 模拟量输入通道,RCV420的引脚排列如图2-15所示。,图2-15 RCV420的引脚排列,2.2 模拟量输入通道,RCV420芯片的各引脚功能如下。,+IN，-IN：正、负信号输入端。 CT：输入中心抽头。 V+，V-：正、负电源端。 Ref Com：基准公共端。 NC：空端。 Ref Noise Reduction：基准降噪端。 Ref Trim：基准调整端。 Ref fB：基准反馈端。 Ref in，Ref OUT：基准输入、输出端。 Rcv Com：接收公共端。 Rcv OUT：接收输出端。 Rcv fB：接收反馈端。,2.2 模拟量输入通道,对于4mA20mA的输入电流和05V的输出电压，要求电路的的传输阻抗为,（V/mA）,为了得到期望的输出（输入4mA时，输出0V；输入20mA时，输出5V），运算放大器的输出必须有一个偏置电压为,=-（4mA）(0.3125V/mA)=-1.25V,2.2 模拟量输入通道,输入电流信号连接到+IN或-IN端，取决于信号的极性，并通过中间抽头CT返回地。两个精密电阻RS将输入电流信号经差分放大电路放大，转换成一个与之成正比的电压信号。运算放大电路的电压增益为,5V/（16mA）（75）=4.1667,位于放大电路反馈通