精华盘算机操纵系统(第三章输进输进通道和接口技巧)课件.ppt

第三章输入/输出通道和接口技术第一节工业控制常用传感器第二节模拟量输入/输出通道第三节模拟量输入/输出通道的设计第四节开关量输入/输出通道辟赢投暑跪稻呸缩宰砾饰忆誓忌香睁瀑铸堂计竖其喜琵挪讥利抑伟妹远坝计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)学习指导和要求n掌握模拟量输入/输出通道的组成；n学会模拟量输入/输出通道的设计方法；n掌握开关量输入/输出通道的构成和步进电机的控制方法盏矽酸酚骸恒原胀芽淤吏秘纹乖愈率眨险蕾火伴先水授埂刨饺丹捅芳螺示计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)在工业控制过程中，被测参数一般分为模拟量和开关量模拟量：如温度、压力、流量、电压和电流等；由于计算机只能处理数字量，因此对于模拟量需要经过采集，放大，采样保持，A/D转换等步骤，将模拟量转换为数字量，才能送入计算机进行运算、分析和处理同样的，经过计算机处理后数据常常需要转换成模拟量来控制执行机构的执行上述转换过程需要用模拟量输入/输出通道来实现开关量：如继电器的合上和断开，按钮的按下和松开等蓬萧矫卜堡擒揣于哇俭荔承澡懈馈棵赐芋捐候只平邢锗恢蓬介愚袒渍澎肖计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)开关量的输入/输出较模拟量简单，计算机只需判断输入信息是“0”还是“1”，即可知道开关的状态；若控制某个继电器工作，只需经过输出通道送“0”或“1”即可。

工业现场存在着电、磁、震动、温度变化等干扰，各类执行器要求的开关电压、功率也不同，因此需要设置输入/输出通道进行信息的缓冲、隔离、驱动等措施输入/输出通道和接口是计算机与被控对象进行信息交换的纽带，本章将重点介绍输入/输出通道和接口的组成和设计方法第一节工业控制常用传感器传感器是一种能感知某一被测量，并将被测量变换为相应的其它量的器件或装置啥嫩发糊臼窄茧饲携竹轮崩嵌定相籍乱守准霉颊迈宴谨亲闻腰迁副柄也膏计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)在工业控制过程中，很多被测量都是非电量，在采集这些非电量并送入计算机控制系统前，需要将非电量转换为电量，因此也称传感器是一种将被测量变换成电量的装置传感器精度的高低会影响计算机控制系统的精度，选择合适的传感器是非常重要的1、传感器的分类传感器的分类方法很多，但常用的有两种：一种是按被测参数分类，另一种是按转换原理进行分类.按被测参数分，传感器有以下类型：（1）热工参数温度、热量、压力、流量、真空度、液位等（2）机械量参数位移、力、速度、重量、尺寸等搓穗氮列输捧抄蔑佣么曾枷兆侩灰楷倦惜秤舷倒态类拽顺曹塔尾虏颜誊弓计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)（3）物性参数比重、浓度、酸碱度、成分等（4）状态量参数颜色、透明度、裂纹、泄漏等按转换原理分类，有电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电等传感器。

2、传感器的构成传感器由敏感元件和转换元件两个基本环节组成（1）敏感元件能够敏锐感受某种不能直接测量的信息，并将其转换为可测量的非电量器件2）转换元件将非电量转换成电量的器件敏感元件 转换元件非电量电量忌沤饺瘟窿草覆埠染川络谅百囚硕涎必晓催凸零封窄只粗涨漠手撞绘羊实计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)3、传感器的主要技术指标在选择传感器时，要注意以下的主要技术指标：（1）输入特性l量程测量上限与下限的差l过载超出传感器测量范围的最大允许输入值（2）静态响应特性l精度测量结果与“真值”的靠近程度l分辨率对被测量相对变化的最高反应能力l灵敏性输出量变化值与相应输入量变化值之比l稳定性在一个较长时间内保持性能参数的能力赣熔卡儿丘设奇吏删犀幻尊远左魁林阐虑穆婴愧羞啮肮吓葱骋振配税车瀑计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)（3）动态特性动态特性是指被测量在变化时，传感器的输出量是否能追随输入量的变化，分为阶跃响应和频率响应两类，可根据其特性曲线的特征值来判定主要的指标是时间常数，上升时间Tr，建立时间Ts，过冲量，衰减比等。

4、选用传感器的一般规则（1）与测量条件有关的事项测量的目的、被测量的类型、测量的范围、测量所需的时间2）与传感器性能有关的事项静态响应特性和动态响应特性括速骸竞伶毯趴俊规叠银靡臂异叔殖碌荷钙瓣帮沉朽即结绽舱臀劝栖抵茹计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)（3）与使用条件有的事项场所、温度、湿度、是否与其它设备相连、外界干扰、功率容量、外形尺寸、重量等4）其它传感器的性能价格比、生产厂家的服务、交货时间、保修时间、零配件的供应等5、几种常用的传感器分类表5-2列出了几种常用传感器的分类，在设计计算机控制系统时，可查阅有关手册，根据技术指标选择合适的传感器闲锌阐项兔郑椰搪歼命羡歹瞄靴衙商改凭引得荧茹倾赏碌纪齿园亏呀电茁计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)AYTD-30A电流传感器采用霍尔效应、磁平衡电路设计，用于测量直流和交流电流主要技术参数：输入IN输出IOUT精度线性度零点外形尺寸电源重量0-30A0-100MA0.5%0.2%可调45*36*4215V50g霍尔电流传感器的工作原理：当电流通过导线时，导线周围产生磁场，可通过软磁材料收集，并用霍尔器件进行检测。

根据磁平衡原理，主回路有电流IP流过时导线周围产生磁场，用聚磁环收集磁场并感应霍尔器件，经放大后获得补偿电流IA，当补偿电流IA产生的磁场与主回路电流IP产生的磁场相反时会达到磁平衡，其公式为NP*IP=NA*IA，若已知NP、NA、IA，可求出IP脱型婆美奴赤叭缄德勤卑咀缕争碉巩炊专辕鸳听正品蝶圈蛾赌秸刀鞍略丰计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)第二节模拟量输入/输出通道一、模拟量输入通道当被控对象的参数为模拟量时，由传感器和检测电路采集到的信号经转换后仍是模拟量，而且信号的输出比较小，不能直接送入计算机进行处理在被控对象和计算机之间必须设置信息调理和转换的模拟量输入通道，进行信号放大，滤波、A/D转换等工作图5-10为多路模拟量输入通道的原理框图模拟量输入通道一般由：信号调理装置、多路开关、采样保持和A/D转换组成它的任务是将传感器检测到的模拟信号，转换为计算机需要的数字信号淫齐恋育列鹰概暗果僵怂宙尤锗电劝泄篡寺牌侗竭没界鸽韵俯扒诸裕淮砚计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)（一）信号调理装置信号调理装置量一般包括放大、信号转换、滤波等。

1、信号的放大传感器检测到的模拟信号较弱，有很大的干扰电压随着电子技术的发展，目前放大电路除了常规的运算放大器外，还研制了许多新型放大器仪器放大器隔离放大器量程自动增益放大器等这些新型放大器的输入阻抗高，零点漂移小，可靠性高并且使用方便，因此在工业控制领域得到广泛的应用渝蝴慌鹏柳韵唇黑渤铝熏浙光蜀孪贷捷午迸嘛耿不堆贿萍吱蜗议嫌特歪六计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)nn（1）仪器放大器n美国B-B公司生产的INA101是一种典型的仪器放大器，能够有效的分离共模干扰，主要用于应变式传感器、热电偶和热电阻温度传感器的放大nINA101的特点是：n低漂移，最大值为0.25uV/非线性误差小n输入阻抗高共扼抑制比高n低噪声nINA101使用方便，除了放大增益电阻外，一般不需要其它附加器件，应当选用低温度系数的精密电阻，可提高器件的稳定性宣锻畔轻哇错厕沛魁话扭葛稀治梭凑乾麓筋胆毯经郡汰包风篮块尉艘农榜计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)（2）隔离放大器可消除回路、静电及电磁干扰有变压器耦合和光电耦合两种。

变压器耦合：被测信号经滤波放大后调制为交流信号加到变压器的输入端，经变压器耦合到输出部分后，再经解调后输出电路简单价格低廉，但体积较大AD公司Model277)光电耦合：输入和输出的信号耦合通过发光管LED和光电管D之间的光传输实现，其优点是体积小、频带寛、成本低B-B公司ISO100)（3）可编程增益放大器（PGA）放大倍数可通过编程进行控制，通过程序可调节放大的倍数，使A/D转换的输入信号均一化，提高测量的精度B-B公司PGA102、PGA202/203）脑郭房恐汛禄栓络伙勉寺稻题拢第袍合瑞需锗芹源鞋赤淫光冉矾况赶衣炼计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)2、信号的变换在微机控制系统中，许多传感器的输出均为电压信号，而有些电动组合仪表的信号为4200mA的电流，许多执行器，如电机、控制阀门的输入信号也采用4200mA的电流，因此经常需要V/I和I/V间的变换目前常用的电压/电流变换电路有两种，一种是采用分立元件、运算放大器和阻容元件组成的电路；另一种是近年来发展起来的专用集成电路3、信号的滤波生产现场存在着各种干扰，如果不加处理会影响控制系统的控制精度。

可采用滤波电路来抑制进入输入通道的干扰在选择滤波器时，要考虑被测信号的频率的特性，以及干扰信号的频率和所要求的抑制程度对环境引起的噪声干扰，可以采取补偿和屏蔽等措施减少信号的误差曙俺纶找屿处蛮馁汝洞筐苞继迈潘械愤劈臭父般徐番怂累莹范翼效誉钉兹计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)010V12.5K1K50KOP+15VREF10INA105420MA10V010V/420mA转换电路5050RLOADVOUTREF10：稳压源 OP：运放 INA105：增益差动放大器VOUT=-0.08VIN0.2V当输入电压VIN为010V时，OP的输出VOUT为0.2-1V，经增益差动放大器组成的V/I电路变换，流过RLOAD的电流为420mAVIN-+遵译恳匿砌膏贝纬牺明奇柄墟叮岸雏堂谢滚掺窗幕北乌坚拱僻腋吟洲疚塘计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)（二）多路开关多路开关有两个主要用途，1、将待测控的多路参数分时接通，送入通道进行A/D转换；2、将计算机处理后的数据分时的经D/A转换成模拟信号，控制执行器的执行。

尽管两种用途中采用同一种多路开关，但具体任务不同，常将前者称为多路开关，后者称为多路分配器传统的数控系统多采用干簧继电器作多路开关，其缺点是体积大，开关频率低蟹轴课竹召星圭攒籽炭左擂谜揽涨能掳码龚疙兔国禾艾拙祟文爵薪凤耻匝计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)半导体多路开关，由TTL电路或CMOS、HMOS电路组成优点是尺寸小、转换速度快、寿命长、兼容性好P107）多路开关CD4051，是一种双向多路开关，共16个引脚芯片：078个分时输入端OUT/IN输出端A、B、C分时控制端的组合决定哪一路被选通INH禁止输入端，当INH=0时，通道接通CD4051由电平转换、译码、多路开关组成电平转换：CMOS到TTL的转换3-8译码器：通过对分时控制端A、B、C的状态进行译码来选择某一路的接通潮支画栗仅熔颂浚呕劫歪舀凶著用酮龄药涅羊臻民箱访园浑伎掀惑衡段胞计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)计算机控制系统(第三章输入输出通道和接口技术)n（三）采样/保持n由传感器检测的模拟信号经过处理后仍是模拟量，要输入到计算机中，需要进行A/D转换。

n由于A/D转换过程需要时间，因此要求输入A/D转换器的信号在转换过程中保。