過程輸入輸出通道

1、沈陽建筑大學(xué)沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院信息與控制工程學(xué)院 馬斌、郭彤穎馬斌、郭彤穎計(jì)算機(jī)控制技術(shù)計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 第第2章章 過程輸入輸出通道設(shè)計(jì)過程輸入輸出通道設(shè)計(jì) 2.0 信號(hào)變換理論信號(hào)變換理論2.1 2 20 0 信號(hào)變換理論信號(hào)變換理論 1. 1. 連續(xù)信號(hào)的采樣和量化連續(xù)信號(hào)的采樣和量化 圖圖1 1 采樣過程采樣過程 采樣過程采樣過程 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣信號(hào)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣信號(hào) 是一數(shù)是一數(shù)字序列，可分解成一系列單脈沖之和。字序列，可分解成一系列單脈沖之和。 )( * tf kffftf10)(*式中，式中， f 0為為 t = 0T 時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值時(shí)刻的

2、單脈沖，脈沖的幅值 f (0T) ； f 1為為 t = 1T 時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值 f (1T) ； f k為為 t = kT 時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值時(shí)刻的單脈沖，脈沖的幅值 f (kT) ； 則：則：f kf (kT)(tkT) 只有在t = kT時(shí)刻，才有(tkT)0 ，而在的所有t kT時(shí)刻，都有(tkT)0 。 。 圖圖2 2 對(duì)單位脈沖序列的調(diào)制對(duì)單位脈沖序列的調(diào)制 可以解釋為連續(xù)時(shí)間信號(hào)可以解釋為連續(xù)時(shí)間信號(hào) 被理想單位脈沖被理想單位脈沖 做了離散時(shí)間調(diào)制。做了離散時(shí)間調(diào)制。 )(tf)(t 0 )()()(*kkTtkTftf 因此：因此：量化過程

3、量化過程 圖圖3 3 量化過程量化過程所謂量化，就是采所謂量化，就是采用一組數(shù)碼（如二用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制碼）來逼近離進(jìn)制碼）來逼近離散模擬信號(hào)的幅值，散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這個(gè)經(jīng)量化使號(hào)。這個(gè)經(jīng)量化使采樣信號(hào)成為數(shù)字采樣信號(hào)成為數(shù)字信號(hào)的過程稱為量信號(hào)的過程稱為量化過程?；^程。 2. 2. 采樣定理采樣定理 圖圖4 4 、 的頻譜的頻譜 及從及從 恢復(fù)恢復(fù) （a) a) 的頻譜的頻譜 （b b） 的頻譜的頻譜 （c c） 理想的濾波器理想的濾波器 （d d） 濾波器輸出信號(hào)頻譜濾波器輸出信號(hào)頻譜 )(tf)(* tf)( jF)(* jF)( jF)(tf)

4、( jF)(* tf)(* jF)( jC 為保證采樣信號(hào)的頻譜是被采樣信號(hào)的頻譜無重疊的重為保證采樣信號(hào)的頻譜是被采樣信號(hào)的頻譜無重疊的重復(fù)（沿頻率軸方向），以便采樣信號(hào)能反映被采樣信號(hào)的復(fù)（沿頻率軸方向），以便采樣信號(hào)能反映被采樣信號(hào)的變化規(guī)律，采樣頻率變化規(guī)律，采樣頻率 s(=2/T=2f)至少應(yīng)是至少應(yīng)是f (t)的頻的頻譜譜 F( j )的最高頻率的最高頻率max的兩倍，即的兩倍，即 max2 s 采樣定理奠定了選擇采樣頻率的理論基礎(chǔ)，采樣定理奠定了選擇采樣頻率的理論基礎(chǔ)，但對(duì)于連續(xù)對(duì)象的離散控制，不易確定連續(xù)信號(hào)但對(duì)于連續(xù)對(duì)象的離散控制，不易確定連續(xù)信號(hào)的最高頻率。因此，采樣定理給

5、出了選擇頻率的的最高頻率。因此，采樣定理給出了選擇頻率的準(zhǔn)則，在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況綜準(zhǔn)則，在實(shí)際應(yīng)用中還要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況綜合考慮。合考慮。采樣定理采樣定理3.采樣信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和采樣保持器采樣信號(hào)的復(fù)現(xiàn)和采樣保持器 保持器保持器 保持器是一種基于時(shí)域外推原理、把采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成連保持器是一種基于時(shí)域外推原理、把采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)之間的插值的元件。續(xù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)之間的插值的元件。零階保持器零階保持器 )(kTeTk)1( )(*kTe)(hte。 零階保持器采用恒值外推原理，把每個(gè)采樣值零階保持器采用恒值外推原理，把每個(gè)采樣值 一一直保持到下一個(gè)采樣時(shí)刻直保持到下

6、一個(gè)采樣時(shí)刻 , ,從而把采樣信號(hào)從而把采樣信號(hào) 變成變成了階梯連續(xù)信號(hào)了階梯連續(xù)信號(hào) 。 圖圖5 5 零階保持器的功能零階保持器的功能 1G2G74LS244 輸入接口 D0D1D2D3D4D5D6D7 1A1 1Y1 1A2 1Y2 1A3 1Y3 1A4 1Y4 1A5 1Y5 1A6 1Y6 1A7 1Y7 1A8 1Y8 IORCS圖 2 .1 數(shù)字量輸入接口 PC總線 74LS273 CLR CLK 輸出接口 RESET D0D1D2D3D4D5D6D7 PC總線 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 D4 Q4 D5 Q5 D6 Q6 D7 Q7 D8 Q8 IOW CS圖 2 .

7、2 數(shù)字量輸出接口 IOWIOWIOWIOW PC總線 輸入 緩沖 器 輸入 調(diào)理 電路 地址譯碼器 來自生產(chǎn)過程 +5V C K R2 R1 原理：原理：當(dāng)當(dāng)K K在上時(shí)，輸出上為在上時(shí)，輸出上為1 1，下為，下為0 0。 當(dāng)當(dāng)K K按下時(shí)，因?yàn)殒I的機(jī)械特性，使按鍵因抖動(dòng)而產(chǎn)按下時(shí)，因?yàn)殒I的機(jī)械特性，使按鍵因抖動(dòng)而產(chǎn)生瞬間不閉合，造成生瞬間不閉合，造成R-SR-S觸發(fā)器輸入為雙觸發(fā)器輸入為雙1 1，故狀態(tài)不改變。，故狀態(tài)不改變。+5V K R45 R3 原理：當(dāng)K 閉合時(shí)，光電二極管導(dǎo)通，發(fā)光使晶體管導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相為1。 當(dāng)K斷開時(shí)，光電二極管不導(dǎo)通，晶體管不導(dǎo)通，經(jīng)反相器反相輸出為0。

8、 其中，用R1、R2進(jìn)行分壓，C進(jìn)行濾波，要合理選擇參數(shù)。+5V R2 R3 C R1 +48V 去生產(chǎn)過程 PC總線 輸 出 鎖 存 器 輸 出 驅(qū) 動(dòng) 電 路 地址譯碼器 圖 2.6 數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu) +5V 交流電源 RL R2 C SCR R1 D I/O 接口 零交叉電路 觸發(fā)電路 零交叉電路在交流電過零時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，減少干擾。 逐次逼近式逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器邏輯框圖轉(zhuǎn)換器邏輯框圖-+OA模擬輸入Vx數(shù)字輸出啟動(dòng)CKDONE控制邏輯N位寄存器N位D/A轉(zhuǎn)換器Vc比較器IN5D7D6D0D1D2D3D4D5Vref(+)OEGNDVccADDCADC080911098765432

9、20141516171819131211IN3IN4IN7IN6STARTEOCCLOCKVref(-)ALEADDAADDBIN0IN1IN22827262524232221CD4051原理圖原理圖 CSWR1AGNDD7D6D0D1D2D3D4D5VREFRfDGNDVccILEWR2XFERIout2Iout1DAC08321109876543220141516171819131211VOUT1為單極性輸出，若D為輸入數(shù)字量，VREF為基準(zhǔn)參考電壓，且為n位D/A轉(zhuǎn)換器，則有 VOUT1=-VREFD/2n VOUT2為雙極性輸出，且可推導(dǎo)得到VOUT2=-(R3/R1) VREF-(R3/R2)VOUT1 =VREF (D/2n-1)-1)AD694是一種420mA轉(zhuǎn)換器，適當(dāng)接線也可使其輸出范圍為020mA。AD694的主要特點(diǎn)是： 輸出范圍：420mA,020mA。 輸入范圍：02V或010V。 電源范圍：+4.536V。 可與電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器直接配合使用，實(shí)現(xiàn)程控電流輸出。 具有開路或超限報(bào)警功能。從這個(gè)