第二章 計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1、2022-1-21計算機控制系統(tǒng)的硬件組成框圖計算機控制系統(tǒng)的硬件組成框圖第第2 2章章 計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計計算機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計常用的控制計算機性能比較 2022-1-23一、開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)及組成一、開關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)及組成 2.1 2.1 開關(guān)量輸入通道的設(shè)計開關(guān)量輸入通道的設(shè)計 數(shù)字量輸入通道由數(shù)字量輸入通道由信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路和和輸入接口電路輸入接口電路構(gòu)成。構(gòu)成。 DI接口電路接口電路1.1.輸入保護電路輸入保護電路 二、信號調(diào)理電路二、信號調(diào)理電路 2022-1-25（a a） 采用采用RCRC濾波電路濾波電路 （b b）采用）采用RSRS觸發(fā)器觸發(fā)器2.2.

2、開關(guān)量消抖電路開關(guān)量消抖電路 2022-1-263.3.開關(guān)量隔離電路開關(guān)量隔離電路 輸入信號調(diào)理電路可以用于過電壓、過電流和反壓保護，還可進行RC抗干擾濾波。VD1R1CR2來自現(xiàn)場數(shù)字信號VD2穩(wěn)壓管VD2 把過電壓和瞬態(tài)尖峰電壓鉗位在安全電平上，串聯(lián)二極管VD1 防止反向電壓輸入，電阻R1和電容C構(gòu)成抗干擾的RC濾波器，電阻R1是輸入限流電阻，R2為過流熔斷保護保險絲。2022-1-28 數(shù)字量輸出通道主要由數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路輸出接口電路和和輸出驅(qū)動電輸出驅(qū)動電路路等組成。等組成。 DO接口電路接口電路2.2 2.2 開關(guān)量輸出通道的設(shè)計開關(guān)量輸出通道的設(shè)計 一、開關(guān)量輸出

3、通道的結(jié)構(gòu)及組成一、開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)及組成 2022-1-29 對于低電壓情況下開關(guān)量控制輸出，可采用對于低電壓情況下開關(guān)量控制輸出，可采用三極管三極管、OCOC門門或或運放運放等方式輸出。等方式輸出。 1.1.直流負載驅(qū)動電路直流負載驅(qū)動電路 二、二、開關(guān)量輸出驅(qū)動電路開關(guān)量輸出驅(qū)動電路 6047K3 .3管極三DELV5+033圖4-6 小功率三極管輸出電路Di圖圖 4 -8 達達 林林 頓頓 陣陣 列列 驅(qū)驅(qū) 動動 電電 路路7 4 0 6達達 林林 頓頓 復復 合合 管管負負 荷荷 線線 圈圈+ 2 4 VDi1 B1 CG N D2022-1-2112.繼電器輸出驅(qū)動電路繼電器輸

4、出驅(qū)動電路D DL LK K控控制制電電流流外外部部設(shè)設(shè)備備線線圈圈鐵鐵芯芯觸觸點點銜銜鐵鐵2022-1-2123.固態(tài)繼電器驅(qū)動電路固態(tài)繼電器驅(qū)動電路（1 1）DC-SSR:DC-SSR:一般用于直流大功率場合一般用于直流大功率場合（2 2）AC-SSRAC-SSR：一般用于交流大功率設(shè)備控制場合：一般用于交流大功率設(shè)備控制場合多數(shù)接電阻性負載，很少接電感性負載；過零型、移相型多數(shù)接電阻性負載，很少接電感性負載；過零型、移相型2022-1-214 2.3 2.3 模擬量輸入通道的設(shè)計模擬量輸入通道的設(shè)計 一、一、 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu) 單路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖單路

5、模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖傳傳感感器器信號信號調(diào)理調(diào)理電路電路S/HA/D微型微型計算計算機機 多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖多路模擬量輸入通道結(jié)構(gòu)圖二、信號調(diào)理電路二、信號調(diào)理電路1I/V變換電路變換電路 -+A2R1RVI(a) 無無源源I I/ /V V變變換換電電路路(b) 有有源源I I/ /V V變變換換電電路路圖圖 2-2 電電流流/ /電電壓壓變變換換電電路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V2信號放大電路信號放大電路前置放大器前置放大器 VIVO1R2R圖 2-5 放 大 電 路VIVO1R2R(a)同 相 放 大UsUs(b)反 相 放 大2信號放大電路信號放大電路前置放大器前

6、置放大器 前置放大器的任務(wù)前置放大器的任務(wù)是將模擬輸入小信號放大到是將模擬輸入小信號放大到A/DA/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi)，如0-5VDC;0-5VDC; 對單純的微弱信號對單純的微弱信號，可用一個運算放大器進行單端可用一個運算放大器進行單端同相放大或單端反相放大。如圖同相放大或單端反相放大。如圖3-53-5所示，信號源的一所示，信號源的一端若接放大器的正端為端若接放大器的正端為同相放大同相放大，同相放大電路的放大同相放大電路的放大倍數(shù)倍數(shù)G G =1+R2/R1=1+R2/R1； 若信號源的一端接放大器的負端為若信號源的一端接放大器的負端為反相放大反相放大，反相反相放大電

7、路的放大倍數(shù)放大電路的放大倍數(shù)G G = =R2/R1R2/R1。當然，這兩種電路都。當然，這兩種電路都是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個是單端放大，所以信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地。輸入端共地。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負載負載(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)(a) 經(jīng)典的前置放大器經(jīng)典的前置放大器)21 (12ININOUTGSRRRRVVVG目前這種測量放大器的集成電路芯片有多種，如目前這種測量放大器的集成電路芯片有多種，如AD521/522AD521/522、INA102INA102等。等。測量放大器測量放大器

8、在實際工程中在實際工程中, ,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的大的共模干擾共模干擾， 而單個運放電路的差動輸入端難以起到很而單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用。好的抑制作用。 因此，因此，A/DA/D通道中的前置放大器通道中的前置放大器常采用由常采用由一組運放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖一組運放構(gòu)成的測量放大器，也稱儀表放大器，如圖3-6(a)3-6(a)所示。所示。 經(jīng)典的測量放大器經(jīng)典的測量放大器是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu)，測是由三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu)，測量放大器的差動輸入端量放大器的差動輸入端V VININ 和和V VININ

9、 分別是兩個運放分別是兩個運放A1A1、A2A2的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被的同相輸入端，輸入阻抗很高，而且完全對稱地直接與被測信號相連，因而有著極強的抑制共模干擾能力。測信號相連，因而有著極強的抑制共模干擾能力。3A2A-NIN負載負載(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可變增益放大器可變增益放大器此類集成電路芯片有此類集成電路芯片有AD612/614AD612/614等。等。 把圖把圖3-63-6（a a）中的外接電阻）中的外接電阻R

10、GRG換成一組精密的電阻網(wǎng)換成一組精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，每個電阻支路上有一個開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通斷絡(luò)，每個電阻支路上有一個開關(guān)，通過支路開關(guān)依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益就可改變放大器的增益，根據(jù)開關(guān)支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時的放大器增益分公式，就可算得支路開關(guān)自上而下閉合時的放大器增益分別為別為2 2、4 4、8 8、1616、3232、6464、128128、256256倍。顯然，這一組倍。顯然，這一組開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)開關(guān)如果用多路模擬開關(guān)( (類似類似CD4051)CD4051)就可方便地進行增就可方便地進行增益可變的計算機數(shù)

11、字程序控制。益可變的計算機數(shù)字程序控制。3濾波電路濾波電路 若要若要消除低頻干擾消除低頻干擾，就需要，就需要設(shè)置高通濾波器設(shè)置高通濾波器，其截止，其截止頻率應(yīng)高于需要濾除的干擾頻率；頻率應(yīng)高于需要濾除的干擾頻率；若要若要消除高頻干擾消除高頻干擾，就需要，就需要設(shè)置低通濾波器設(shè)置低通濾波器，其截止，其截止頻率應(yīng)低于需要濾除的干擾頻率；頻率應(yīng)低于需要濾除的干擾頻率；若若消除某一頻帶以外的干擾消除某一頻帶以外的干擾，就需要，就需要設(shè)置帶通濾波器設(shè)置帶通濾波器；若要若要阻止某個頻帶范圍內(nèi)的干擾阻止某個頻帶范圍內(nèi)的干擾及噪聲信號通過，可及噪聲信號通過，可采用采用帶阻濾波器帶阻濾波器（陷波器）。（陷波器）

12、。三、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)三、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)2022-1-228HC采樣保持器的組成采樣保持器的組成四、采樣保持器四、采樣保持器保持電容保持電容CHCH的重要性：的重要性： 外接電容，決定保持時間的長短；選用外接電容，決定保持時間的長短；選用低介質(zhì)損耗低介質(zhì)損耗，漏電小的電容：聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯電容；其漏電小的電容：聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯電容；其容量大小與采樣頻率成反比：容量大小與采樣頻率成反比：幾百皮法幾百皮法0.010.01微法；微法；2022-1-230（1 1）分辨率：）分辨率： 通常用數(shù)字量的位數(shù)通常用數(shù)字量的位數(shù)n n（字長）來表示，若（字長）來表示，若n n8 8，滿量程輸

13、，滿量程輸入為入為5V5V，則，則LSBLSB對應(yīng)于模擬對應(yīng)于模擬 。（2 2）轉(zhuǎn)換時間：）轉(zhuǎn)換時間： 從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號有效的時間間隔，即從發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號有效的時間間隔，即完成完成 n 位轉(zhuǎn)換所需要的時間。位轉(zhuǎn)換所需要的時間。（3 3）轉(zhuǎn)換量程：）轉(zhuǎn)換量程： 所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍，如所能轉(zhuǎn)換的模擬量輸入電壓范圍，如0 05V5V，010V010V，5V5V十十5V5V等。等。82/V51. A1. AD D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標五、五、A AD D轉(zhuǎn)換器及選擇轉(zhuǎn)換器及選擇 2022-1-231 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的精度與傳感器的精度有關(guān)

14、，一般轉(zhuǎn)換器的精度與傳感器的精度有關(guān)，一般比傳比傳感器的精度高一個數(shù)量級感器的精度高一個數(shù)量級； 根據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)范圍可選擇根據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)范圍可選擇A/DA/D轉(zhuǎn)換器位轉(zhuǎn)換器位數(shù)數(shù)n n 還必須注意：還必須注意：A/DA/D輸入輸出的方式輸入輸出的方式A/DA/D芯片對啟動信號的要求芯片對啟動信號的要求A/DA/D芯片與芯片與CPUCPU的配合方式的配合方式2. A2. AD D轉(zhuǎn)換器的選擇轉(zhuǎn)換器的選擇2022-1-232六、六、 模擬量輸入通道的設(shè)計原則模擬量輸入通道的設(shè)計原則 1. 1.如果模擬輸入電壓已滿足如果模擬輸入電壓已滿足A/DA/D轉(zhuǎn)換量程要求，就不必再用轉(zhuǎn)換量程要

15、求，就不必再用前置放大器前置放大器，前置放大器可分為固定增益和可變增益兩種，前前置放大器可分為固定增益和可變增益兩種，前者適用于信號范圍固定的傳感器，后者適用于信號范圍不固定者適用于信號范圍固定的傳感器，后者適用于信號范圍不固定的傳感器的傳感器 ； 2.2.采樣保持器采樣保持器(S/H)(S/H)的選用取決于測量信號的變化頻率，原的選用取決于測量信號的變化頻率，原則上直流信號或變化緩慢的信號且在則上直流信號或變化緩慢的信號且在A/DA/D轉(zhuǎn)換精度之內(nèi)，可以轉(zhuǎn)換精度之內(nèi)，可以不用采樣保持器。不用采樣保持器。 3.A/D3.A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇主要取決于系統(tǒng)測量精度轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇主要取決于系統(tǒng)

16、測量精度。 4.A/D4.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間或轉(zhuǎn)換速率的選擇取決于使用對轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間或轉(zhuǎn)換速率的選擇取決于使用對象。象。2022-1-2342 24 4 模擬量輸出通道的設(shè)計模擬量輸出通道的設(shè)計 一、模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式一、模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式 共用共用D DA A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 一個通路一個一個通路一個D DA A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 模擬保持模擬保持。只適用于通路數(shù)量多且速度要只適用于通路數(shù)量多且速度要求不高的場合，可靠性較差。求不高的場合，可靠性較差。數(shù)字保持數(shù)字保持。轉(zhuǎn)換速度快、工作可轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠?？?。2022-1-235二、模擬量輸出通道的組成模

17、塊二、模擬量輸出通道的組成模塊 D/A D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，它轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，它是模擬量輸出通道的核心部件，是計算機和模擬系是模擬量輸出通道的核心部件，是計算機和模擬系統(tǒng)之間的接口。統(tǒng)之間的接口。主要技術(shù)指標如下：主要技術(shù)指標如下：1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器A A。分辨率：。分辨率： D/AD/A轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為基準電壓轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為基準電壓 與與 之比值，其中之比值，其中n n為為D/AD/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。REFVn2B B。穩(wěn)定時間。穩(wěn)定時間：輸入二進制數(shù)變化量是滿刻度時，輸入二進制數(shù)變化量是滿刻度時，輸出達到離終

18、值輸出達到離終值 時所需的時間。時所需的時間。LSB 2/1 2022-1-236集成集成V/I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD6942. VI轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2022-1-237三、模擬量輸出通道的設(shè)計原則三、模擬量輸出通道的設(shè)計原則D/AD/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇 D DA A轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)輸出精度轉(zhuǎn)換器位數(shù)的選擇取決于系統(tǒng)輸出精度；D DA A轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過功率放大器推動執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)換器輸出一般都通過功率放大器推動執(zhí)行機構(gòu) 對于對于D/AD/A轉(zhuǎn)換器字長轉(zhuǎn)換器字長n n的選擇，可以由其后的執(zhí)行的選擇，可以由其后的執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)范圍來選定機構(gòu)的動態(tài)范圍來選定max21Rnuumaxlg1 /lg2Runu執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)的死區(qū)電壓死區(qū)電壓 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)最大輸入最大輸入 2022-1-238D/AD/A轉(zhuǎn)換器的雙極性電壓輸出轉(zhuǎn)換器的雙極性電壓輸出 D/A D/A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路2022-1-239PCL-730PCL-730板卡組成框圖板卡組成框圖數(shù)字（開關(guān)）量輸入數(shù)字（開關(guān)）量輸入/ /輸出通道模板舉例輸出通道模板舉例2022-1-240程序