第二章--思考題與習(xí)題

1、第二章 思考題與習(xí)題2.1 簡述過程通道的作用、類型和組成。答：生產(chǎn)過程通道是指在計(jì)算機(jī)的接口與被控對(duì)象（生產(chǎn)過程）之間進(jìn)行信息傳遞和信息交換的連接通道，（不包括傳感器、變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）?！巴鈬眲t包括生產(chǎn)過程輸入輸出通道和接口兩部分。過程通道起到了CPU和被控對(duì)象之間的信息傳送和變換的橋梁作用。具有兩個(gè)方面的基本任務(wù)：（1）把生產(chǎn)過程中的各種參量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)通過檢測器件轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能接收和識(shí)別的信息送入計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)按確定算法進(jìn)行運(yùn)算處理。（2）把計(jì)算機(jī)根據(jù)算術(shù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果發(fā)出的各種控制指令，以數(shù)字量或轉(zhuǎn)換成模擬量的形式輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接受的控制信號(hào)），從而對(duì)被

2、控對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)控制。 過程通道包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道4種。其組成如圖示：2.2 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，模擬量和數(shù)字量輸入信息各有哪幾種形式？ 答：模擬量輸入輸入信號(hào)主要有傳感器輸出的信號(hào)和變送器輸出的信號(hào)兩類，包括溫度、壓力、物位、轉(zhuǎn)速、成分等；數(shù)字量輸入信號(hào)包括各種接點(diǎn)的通斷狀態(tài)的開關(guān)信號(hào)，如開關(guān)的閉合與斷開、繼電器或接觸器的吸合與釋放、指示燈的亮與滅、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與停止、閥門的打開與關(guān)閉等，它們都可以用邏輯值“1”和“0”表示。此外，還包括各類數(shù)字傳感器、控制器產(chǎn)生的編碼數(shù)據(jù)和脈沖量等（電平高低狀態(tài)、數(shù)字裝置的輸出數(shù)碼等）。2.3 信號(hào)調(diào)理單元的功

3、能是什么？通常包括哪些電路？答：信號(hào)調(diào)理電路主要通過非電量的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的變換、放大、濾波、線性化、共模抑制及隔離等方法，將非電量和非標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路是傳感器和A/D之間以及D/A和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的橋梁。傳感器輸出信號(hào)不同，其相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路也不同，一般包括標(biāo)度變換器、濾波電路、線性化處理及電參量間的轉(zhuǎn)換電路等。其中：標(biāo)度變換器是信號(hào)調(diào)理單元的主要部分，作用是將傳感器輸出的不同種類和不同電平的被測模擬電信號(hào)變換成統(tǒng)一的電流或電壓信號(hào)。它主要包括放大、電平變換、電隔離、阻抗變換等電路，通常由電橋電路、激勵(lì)恒流源、儀用放大器、隔離放大器等組成。2.4 為何常采用電橋作為信

4、號(hào)輸入電路？答：非電信號(hào)的檢測-不平衡電橋電橋電路是最常見的標(biāo)度變換電路之一，也稱為測量電橋電路，它結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛2.5 儀表放大器與普通運(yùn)算放大器有何不同？其特點(diǎn)有哪些？答：普通運(yùn)算放大器只起信號(hào)放大的作用，而不考慮被放大信號(hào)的特性。在檢測系統(tǒng)中，放大器的輸入信號(hào)一般為傳感器的輸出，其信號(hào)不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓，因此，一般對(duì)放大器有如下要求： 1.高內(nèi)阻抗。一般應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)源內(nèi)阻，防止放大器的負(fù)載效應(yīng)使所測電壓造成偏差。 2.抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。選用高共模抑制比CMRR的運(yùn)算放大器，且進(jìn)行電路的專門措施設(shè)計(jì)。 3.在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定的增益、良好的線性等，保證

5、輸出性能穩(wěn)定。4.能外接一些適應(yīng)特定要求的電路，如外接增益電阻調(diào)整增益等。對(duì)于輸出阻抗大、共模電壓高的輸入信號(hào)，需要用到高輸入阻抗和高共模抑制比的差動(dòng)放大器，儀用放大器即是專為這種應(yīng)用場合設(shè)計(jì)的放大器。儀用放大器又稱為測量放大器、數(shù)據(jù)放大器。它可作為應(yīng)變電橋、熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)、熱電偶、分流器、生物探針及氣壓計(jì)等各種領(lǐng)域傳感器的放大器，還可用作記錄儀的前置放大器、多路緩沖器、伺服誤差放大器以及過程控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的前置放大器。2.6 隔離放大器有幾種形式？各有何特點(diǎn)？答：在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓或其它電磁干擾測量回路，通常在模擬量輸入通道中采用隔離技術(shù)。隔離放大器的輸入和輸

6、出兩部分的信號(hào)和供電電源端口都是電氣隔離的。隔離放大器就其隔離對(duì)象而言，分為兩端口隔離和三端口隔離。兩端隔離是指信號(hào)輸入部分和信號(hào)輸出部分電氣隔離。三端口隔離指信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分和電源部分彼此隔離。根據(jù)隔離的媒介不同，隔離放大器主要有三種：電磁隔離（也叫變壓器隔離）、光電隔離、電容隔離。兩端隔離的最大隔離電壓為±1000V（峰峰值）；三端隔離的隔離電壓為有效值2500V或3500V（可連續(xù)加壓），且由模塊的驅(qū)動(dòng)電源、輸入部分和輸出部分的電源為隔離電源。2.7 為何要使用I/V變換電路？答：電流/電壓（I/V）轉(zhuǎn)換器，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)輸入信號(hào)（如壓力、流量、位移等）的調(diào)理電路都直

7、接由相應(yīng)的產(chǎn)品化器件變送器來完成。為了將傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器能直接采集的電壓信號(hào)，需使用I/V變換電路，滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求。2.8 在選擇和使用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)需要考慮哪幾個(gè)問題？答：在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中，被控量與被測量的回路往往是幾路或幾十路，此時(shí)往往采用公共的A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路，利用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)輪流切換各被控或被測回路與A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路間的通路，以達(dá)到分時(shí)復(fù)用的目的。在選擇多路開關(guān)時(shí)除考慮其通道數(shù)外，還需了解其他性能，包括通道切換時(shí)間、導(dǎo)通電阻、通道間的串?dāng)_誤差等。2.9 在模擬量輸入通道中，為何通常要使用可編程放大器?可以有哪幾種方法實(shí)現(xiàn)？答：前置放大器的

8、任務(wù)是將模擬小信號(hào)放大到A/D轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)（如05V）。它可以分為固定增益放大器和可變?cè)鲆娣糯笃鲀煞N，前者適用于信號(hào)范圍固定的傳感器，后者適用于信號(hào)范圍不固定的傳感器。在計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中，模擬量輸入通道的變化范圍會(huì)隨被測量所處的環(huán)境和時(shí)間的變化而變化，因此希望能自動(dòng)改變放大器的增益，使信號(hào)通過放大器后，具有合適的動(dòng)態(tài)范圍，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換，以便于A/D轉(zhuǎn)換或信號(hào)調(diào)理。此外，在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，也可能遇到各路信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍不一致的情況，這時(shí)希望放大器對(duì)不同的通路具有不同的增益，以實(shí)現(xiàn)相同的動(dòng)態(tài)輸出。所以，模擬量輸入通道中通常要使用可編程放大器。根據(jù)儀表放大器結(jié)構(gòu)，通過改變電阻Rg就可以改

9、變放大倍數(shù)。因此，用多路模擬開關(guān)對(duì)不同阻值的Rg進(jìn)行切換，即可實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的程控。但需考慮兩個(gè)因素：1.改變Rg的同時(shí)要保證電阻參數(shù)的對(duì)稱性。2.需考慮模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻值所造成的增益誤差。圖示為綜合考慮兩個(gè)因素后的實(shí)際電路，由成對(duì)調(diào)整A1、A2的反饋電阻，模擬開關(guān)中沒有電流通過而不會(huì)影響電路的精度。如果需要另外的放大倍數(shù)，可以通過外接緩沖器及衰減電阻來獲得，其接線如圖所示，改變R1與R2的阻值比例，可獲得不同的增益。 2.10 前置放大器和主放大器有何區(qū)別？在模擬量輸入通道中通常各由何種器件承擔(dān)？2.11 采樣保持器的作用是什么？是否所有的模擬量輸入通道中都需要采樣保持器？為什么？答：作用：

10、如果被采樣的模擬信號(hào)的變化頻率相對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的速度來說比較高，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就需要在A/D轉(zhuǎn)換之前加上采樣保持電路，使得在A/D轉(zhuǎn)換期間保持輸入模擬信號(hào)不變。不是所有的模擬量輸入通道都需要采樣保持器。只有模擬信號(hào)的變化頻率相對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的速度比較高時(shí)采用。這是因?yàn)椋篈/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的時(shí)間，完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱孔徑時(shí)間。對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)來說，孔徑時(shí)間決定了每一個(gè)采樣時(shí)刻的最大轉(zhuǎn)換誤差。如下圖 所示的正弦模擬信號(hào)，如果從t0時(shí)刻開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)已為t1，模擬信號(hào)已發(fā)生U的變化。 因此，被轉(zhuǎn)換的究竟是哪一時(shí)刻的電壓就很難確定，此時(shí)轉(zhuǎn)換延

11、遲所引起的可能誤差是U。對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最大可能的誤差發(fā)生在信號(hào)過零的時(shí)刻，因?yàn)榇藭r(shí)dU/dt最大，孔徑時(shí)間tA/D 一定，所以U最大。 令U=Umsint，則 式中，Um為正弦模擬信號(hào)的幅值，f為信號(hào)頻率。在坐標(biāo)的原點(diǎn) 取t=tA/D ，則得原點(diǎn)處轉(zhuǎn)換的不確定電壓誤差為 誤差的百分?jǐn)?shù)為 由此可知，對(duì)于一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間tA/D ，誤差的百分?jǐn)?shù)和信號(hào)頻率成正比。為了確保A/D 轉(zhuǎn)換的精度，使它不低于0.1%，不得不限制信號(hào)的頻率范圍。2.12 A/D轉(zhuǎn)換器有幾種類型？各有何特點(diǎn)？答：A/D轉(zhuǎn)換器是模擬量輸入通道的核心部件，它將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)采樣和量化。A/D轉(zhuǎn)換器種類繁多，按轉(zhuǎn)換原理

12、可分為雙積分式、逐次逼近式、-調(diào)制式、并行轉(zhuǎn)換式、余數(shù)反饋比較式、V/F轉(zhuǎn)換式等A/D轉(zhuǎn)換器。 1、逐次逼近型：轉(zhuǎn)換時(shí)間短，抗擾性差（電壓比較） ADC0809（8位），AD574（12位） 2、雙斜積分型：轉(zhuǎn)換時(shí)間長，抗擾性好（積分） MC14433（11位），ICL7135（14位） 3、全并行比較型（Flash型）：采用多個(gè)比較器，速度極高，電路規(guī)模大，成本高。 4、分級(jí)型：減少并行比較ADC的位數(shù)，分級(jí)多次轉(zhuǎn)換，減小電路規(guī)模，保持較高速度。 5、-型（過采樣轉(zhuǎn)換器）：高速1bit DAC+數(shù)字濾波，轉(zhuǎn)換成低采樣率高位數(shù)字，分辨率高。2.13 A/D轉(zhuǎn)換器有哪些技術(shù)指標(biāo)？答：A/D轉(zhuǎn)換器

13、的主要技術(shù)參數(shù) 分辨率。分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器的最低輸出位所代表的數(shù)值，通常用轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的位數(shù)表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入模擬信號(hào)的反應(yīng)就越靈敏。例如分辨率為8位表示它可以對(duì)滿量程的1/281/256的增量做出反應(yīng)。 量程。量程是指所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，如5V、10V等。 轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，有絕對(duì)精度與相對(duì)精度兩種表示方法。 轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束所需的時(shí)間。 工作溫度范圍。較好的A/D轉(zhuǎn)換器的工作溫度為一4085，較差的為070。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)： 轉(zhuǎn)換時(shí)間：積分型毫秒級(jí)，逐次比較

14、微秒級(jí)，全并行 納秒級(jí)。 分辨率：數(shù)字量位數(shù)n。 LSB（最低有效位）滿量程的1/2n.線性誤差：量程范圍內(nèi)，偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大誤差，通常為1/2LSB或1LSB 量程：能轉(zhuǎn)換的電壓范圍。 對(duì)基準(zhǔn)電源的要求：電源精度。注意：1、轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)有兩種：電平信號(hào)和脈沖信號(hào)；CPU檢測到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)后，即可讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，可以采用程序查詢、中斷、DMA和延時(shí)(定時(shí))四種方式讀取數(shù)據(jù)。2、量化單位q：一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器，它把輸入電壓信號(hào)分成28=256層，若它的量程為05V，那么，量化單位q為： q = 5/28=5/256 0.0195V=19.5mV q正好是A/D輸出的數(shù)字量中最低位LSB=

15、1時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值。因而，這個(gè)量化誤差的絕對(duì)值是轉(zhuǎn)換器的分辨率和滿量程范圍的函數(shù)2.14 一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，孔徑時(shí)間為20s，絕對(duì)精度為±1LSB，若不使用采樣保持器，為了確保轉(zhuǎn)換精度，則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率是多少？答：12位的A/D轉(zhuǎn)換器，絕對(duì)精度為±1LSB，則相對(duì)精度為(1)/2n×100%=0.0244%則允許轉(zhuǎn)換的正弦波模擬信號(hào)的最大頻率為 2.15模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)有哪幾種形式？各有何特點(diǎn)？答：模擬量輸出通道的功能是把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果（數(shù)字量）轉(zhuǎn)換成模擬量，并輸出到被選中的某一控制回路上，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制動(dòng)作。 模擬量輸出通

16、道通常由D/A轉(zhuǎn)換器、輸出保持、多路切換開關(guān)和功放電路所組成。 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)形式主要取決于輸出保持器的構(gòu)成方式。 輸出保持器的作用主要是在新的控制信號(hào)到來之前，使本次控制信號(hào)維持不變。保持器一般有數(shù)字保持方案和模擬保持方案兩種。這就決定了模擬量輸出通道的兩種基本結(jié)構(gòu)形式。1每個(gè)輸出通道設(shè)置一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式 這是一種數(shù)字保持方案。 優(yōu)點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快，工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)生故障，也不影響其他通道的工作。 缺點(diǎn):使用了較多的D/A轉(zhuǎn)換器，使得這種結(jié)構(gòu)的價(jià)格很高。2多個(gè)輸出通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)形式 模擬量保持方案。由于公用一片D/A轉(zhuǎn)換器，因此必須在計(jì)算機(jī)

17、控制下分時(shí)工作，即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過多路開關(guān)傳送給輸出采樣保持器。 優(yōu)點(diǎn):節(jié)省了D/A轉(zhuǎn)換器。 缺點(diǎn)：因?yàn)榉謺r(shí)工作，只適用于通道數(shù)量多且速率要求不高的場合。它還要使用多路開關(guān)，且要求輸出采樣保持器的保持時(shí)間與采樣時(shí)間之比較大，這種方案工作可靠性較差。 D/A芯片的工作方式：控制信號(hào)的接法不同，就有不同的工作方式，通常有三種：直通方式、單緩方式和雙緩方式。2.16 為什么模擬量輸出通道中要有零階保持器？通常用何電路實(shí)現(xiàn)？答：由于公用一片D/A轉(zhuǎn)換器，因此必須在計(jì)算機(jī)控制下分時(shí)工作，即依次把D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的模擬電壓（或電流），通過多路開關(guān)傳送給輸出采樣保持器。而

18、由于零階保持器是將前一采樣時(shí)刻的輸出值原封不動(dòng)地保持到下一采樣時(shí)刻，因此在模擬量輸出通道中要有零階保持器。常有的零階保持器有兩種：一種是采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)多圈電位器，因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)走步后能保持其角位移不變，從多圈電位器輸出的輸出電壓也就保持不變；另一種是采用和模擬量輸入通道中的采用保持器一樣的電容保持電路，但應(yīng)當(dāng)注意，雖然輸入采用保持器和輸出保持器都是保持器，所用電路相同，但兩者功能不同，不能混淆。輸出保持器之后的信號(hào)是連續(xù)的模擬信號(hào)，卻呈階梯形狀，一般需經(jīng)過濾波電路，使信號(hào)變得平滑，若執(zhí)行部件本身（如電動(dòng)機(jī)）帶有慣性環(huán)節(jié)，能起到濾波作用，則不需另加濾波器。2.17 為何在模擬量輸出通道中通常

19、有V/I轉(zhuǎn)換電路？答：工業(yè)現(xiàn)場的智能儀表和執(zhí)行器常常要以電流方式傳輸，這是因?yàn)樵陂L距離傳輸信號(hào)時(shí)容易引入干擾，而電流傳輸具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，許多場合必須經(jīng)過電壓/電流（V/I）轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。 2.18 數(shù)字量輸入通道主要由哪些電路構(gòu)成？答：數(shù)字量輸入通道主要由輸入調(diào)理電路、輸入緩沖器、輸入地址譯碼電路等組成2.19 數(shù)字量輸入通道中的調(diào)理電路通常有哪幾種功能？答：外部信號(hào)需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換、濾波、隔離和國電壓保護(hù)等處理后，才能輸入計(jì)算機(jī)，這些功能稱為信號(hào)調(diào)理。包括：1信號(hào)轉(zhuǎn)換電路（1)電壓或電流轉(zhuǎn)換電路 2)開關(guān)觸點(diǎn)型信號(hào)輸入電路）；2濾波電路；3保護(hù)電路；4消除觸點(diǎn)

20、抖動(dòng)；5信號(hào)的光電隔離。2.20 在開關(guān)量輸出的驅(qū)動(dòng)電路中，根據(jù)控制對(duì)象不同所使用器件也不同，當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)大功率交流設(shè)備時(shí)，通常采用什么器件和電路？答：通常采用大功率交流驅(qū)動(dòng)電路，固態(tài)繼電器（SSRSolid state releys）是一種新型電子繼電器，是一種四端有源器件，下圖為固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)和使用方法。輸入輸出之間常用光耦合器進(jìn)行隔離。過零檢測電路可使交流電壓變化到零狀態(tài)附近時(shí)讓電路接通，從而減少干擾，由觸發(fā)電路給出晶閘管器件的觸發(fā)信號(hào)。2.21 干擾信號(hào)的來源可分為哪幾種？干擾信號(hào)進(jìn)入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的主要耦合方式有哪幾種？各有何特點(diǎn)？答：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所受到的干擾源分為外部干擾和內(nèi)

21、部干擾。 外部干擾的主要來源有： 1)電源干擾：指來自供電電源的干擾，如電源電網(wǎng)的波動(dòng)，主要類型：浪涌、尖峰、噪聲和斷電等。我國采用高電壓（220V）高內(nèi)阻電網(wǎng)，與采用低電壓（100V或110V）低內(nèi)阻電網(wǎng)相比，電網(wǎng)受到的污染程度會(huì)比較嚴(yán)重。 2)空間干擾：指來自周圍環(huán)境的干擾，如大型用電設(shè)備(如天車、電爐、大電機(jī)、電焊機(jī)等)的啟停、高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射、傳輸電纜的共模干擾等。主要類型：靜電和電場干擾、磁場干擾、電磁輻射干擾等。 內(nèi)部干擾主要有：是指設(shè)備內(nèi)部或設(shè)備之間產(chǎn)生的干擾，如電氣設(shè)備漏電、接地系統(tǒng)不完善，或測量部件絕緣不好而產(chǎn)生的共模電壓或差模電壓；以及各個(gè)通道的若干線路同用一根

22、電纜或綁扎在一起，或通過電磁感應(yīng)而相互產(chǎn)生干擾，特別是高、低電壓線路間。即系統(tǒng)的軟件不穩(wěn)定、分布電容或分布電感產(chǎn)生的干擾、多點(diǎn)接地造成的電位差給系統(tǒng)帶來的影響等。 來自交流電源的干擾最為嚴(yán)重，但防護(hù)措施較多，處理不難；設(shè)備干擾特別是來自通道的干擾，由于情況復(fù)雜，需認(rèn)真對(duì)待；來自空間的輻射干擾，只要采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧┘瓤捎行Э朔?。主要耦合方式及特點(diǎn)有：1傳導(dǎo)耦合（直接耦合方式） 干擾信號(hào)經(jīng)過導(dǎo)線直接傳導(dǎo)到被干擾電路中而造成的干擾。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，干擾信號(hào)經(jīng)過電源線耦合進(jìn)入系統(tǒng)電路是最常見的。對(duì)此采用濾波去耦的方法可有效抑制。 2靜電耦合（電容性耦合方式） 是指電位變化在干擾源與被干擾對(duì)象之間

23、引起的靜電感應(yīng)，又稱電容性耦合或電場耦合。在系統(tǒng)電路的元件之間、導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與元件之間都存在著分布電容。如果某一導(dǎo)體上的信號(hào)電壓（或噪聲電壓）通過分布電容使其他導(dǎo)體上的電位受到影響，稱為靜電耦合。3電磁耦合（電感性耦合方式） 載流電路周圍空間會(huì)產(chǎn)生磁場，位于其中的閉合電路將受交變磁場的影響而產(chǎn)生感應(yīng)電勢并形成感應(yīng)電流。在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁就是一個(gè)很大的干擾源；在設(shè)備外部，當(dāng)二根導(dǎo)線在較長的距離內(nèi)敷設(shè)或架線時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電磁耦合干擾。4公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是指多個(gè)電路的電流流經(jīng)同一公共阻抗時(shí),一個(gè)電路在該阻抗上所產(chǎn)生的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路的工作。公共阻抗耦合的主要形式有以下幾

24、種：1）電源內(nèi)阻抗的耦合干擾。2）公共地線耦合干擾。3）輸出阻抗耦合干擾。5電磁場輻射耦合方式當(dāng)高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，在該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生電力線和磁力線，它們隨著導(dǎo)體各個(gè)部分的電荷變化而變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導(dǎo)體，將受到電磁波的作用而感應(yīng)出相應(yīng)頻率的電動(dòng)勢。 電磁場輻射干擾是一種無規(guī)則的干擾，它極易通過電源耦合到系統(tǒng)中來。另外，過長的信號(hào)線和控制線具有天線效應(yīng)，它們既能接收干擾波，又能輻射干擾波。6漏電耦合方式（電阻性耦合）由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻R的漏電流將引起干擾。2.22 什么是串模干擾和共模干擾？各有什么抗干擾措施？答：串模干擾就是指串聯(lián)疊加在工作信號(hào)上的干擾

25、，也稱之為正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等。共模干擾對(duì)系統(tǒng)的影響是轉(zhuǎn)換成串模干擾的形式來作用于系統(tǒng)的。串模干擾的抑制方法： 采用輸入濾波電路：如果串模干擾頻率比被測信號(hào)頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻率串模干擾；如果串模干擾頻率比被測信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率落在被測信號(hào)頻譜的兩側(cè)，則應(yīng)用帶通濾波器。一般情況下，串模干擾均比被測信號(hào)變化快，故常用二級(jí)阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。當(dāng)被測信號(hào)變化較快時(shí)，應(yīng)相應(yīng)改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以適當(dāng)減小時(shí)間常數(shù)。當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時(shí)，用雙積分式或-調(diào)制式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱串模干擾的影響。因?yàn)榇祟?/p>

26、轉(zhuǎn)換器是對(duì)輸入信號(hào)的積分值進(jìn)行測量，而不是測量信號(hào)的瞬時(shí)值。若干擾信號(hào)是周期性的而積分時(shí)間又為信號(hào)周期或信號(hào)周期的整數(shù)倍，則積分后干擾值為零，對(duì)測量結(jié)果不產(chǎn)生誤差。 對(duì)于串模干擾主要來自電磁感應(yīng)的情況下，對(duì)被測信號(hào)應(yīng)盡可能早地進(jìn)行前置放大，從而達(dá)到提高回路中的信號(hào)噪聲比的目的；或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽等措施。 從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。采用雙絞線作信號(hào)引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號(hào)線，且有良好接地，并對(duì)測量儀表進(jìn)行電磁屏蔽。 即：根據(jù)串模干擾頻率采用恰當(dāng)?shù)妮斎霝V波電路削弱干

27、擾信號(hào)的影響，采用高品質(zhì)的A/D轉(zhuǎn)換器減小轉(zhuǎn)換誤差，盡可能早地進(jìn)行前置放大提高回路中的信號(hào)噪聲比或者盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換或采取隔離和屏蔽以及電磁屏蔽和良好的接地等措施。共模干擾是在電路輸入端相對(duì)公共接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱為共態(tài)干擾、對(duì)地干擾、縱向干擾、同向干擾等。共模干擾主要是由電源的地、放大器的地以及信號(hào)源的地之間的傳輸線上電壓降造成的。共模干擾的抑制方法：變壓器隔離 利用變壓器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_，以使共模干擾電壓cm不成回路，從而抑制了共模干擾。另外，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系。 光電隔離 光電耦合

28、器是由發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一個(gè)管殼內(nèi)組成的，發(fā)光二極管兩端為信號(hào)輸入端，光敏三極管的集電極和發(fā)射極分別作為光電耦合器的輸出端，它們之間的信號(hào)是靠發(fā)光二極管在信號(hào)電壓的控制下發(fā)光，傳給光敏三極管來完成的。 浮地屏蔽 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾，如圖所示。這是利用屏蔽方法使輸入信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。采用儀表放大器提高共模抑制比 儀表放大器具有共模抑制能力強(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號(hào)的器件。 儀表放大器將兩個(gè)信號(hào)的差值放大。抑制共模分量是使用儀表放大器的唯一原因 。即：采用儀表放大器做信號(hào)前置放大、采用

29、隔離技術(shù)將地電位隔開、利用浮地屏蔽等2.23 濾波的作用是什么？硬件濾波和數(shù)字濾波各有何特點(diǎn)？答：濾波的作用：由于工業(yè)控制對(duì)象的環(huán)境一般比較惡劣，干擾源較多，如強(qiáng)電磁場干擾、環(huán)境溫度變化較大等，因此為了減少對(duì)采樣值的干擾，提高系統(tǒng)的性能。為了抑制干擾信號(hào)，通常在信號(hào)入口處采用RC低通濾波器（硬件濾波）。它能抑制高頻干擾信號(hào)，但對(duì)低頻干擾信號(hào)的濾波效果較差。數(shù)字濾波，就是通過一定的計(jì)算程序減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中的比重。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，很容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，多個(gè)輸入通道還可以共用一個(gè)濾波程序

30、。 (2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高,穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。 (3)數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。 (4)通過改寫數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，它比改變模擬濾波器的硬件方便得多。2.24 常有數(shù)字濾波有幾種方法？各有何特點(diǎn)和用途？答：1.程序判斷濾波 當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)干擾、誤檢或者變送器不穩(wěn)定等原因引起嚴(yán)重失真時(shí)，可以采用程序判斷濾波。程序判斷濾波的方法是，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定出兩次采樣輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的最大偏差Y，若相鄰兩次采樣信號(hào)的差值大于Y，則表明該采樣信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于Y，則表明沒有受到干擾

31、，可將該信號(hào)作為本次采樣值。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法不同，可分為限幅濾波和限速濾波兩種。1) 限幅濾波 所謂限幅濾波，就是把相鄰兩次采樣值相減，求出其增量的絕對(duì)值，然后與最大允許偏差Y進(jìn)行比較，如果小于或等于Y，則取為本次采樣值；若大于Y，則仍取上一次的采樣值作為本次的采樣值，即： | Yn-Yn-1 |Y，則YnYn |Yn-Yn-1 |Y，則YnYn-1 式中，Yn為第n次采樣值，Yn-1 為第n-1次采樣值。 2)限速濾波設(shè)相鄰的采樣時(shí)刻t1，t2，t3的采樣值為Y1，Y2，Y3，則限速濾波的算法為：若|Y2-Y1|Y，則以Y2作為濾波輸出值;若|Y2-Y1|Y，則不采用Y2，但仍保留其

32、值，再取第三次的采樣值Y3;若|Y3-Y2|Y，則以Y3作為濾波輸出值;若|Y3-Y2|Y，則以(Y3+Y2)/2作為濾波輸出值。 限速濾波是一個(gè)折中方案，既照顧了濾波輸出值的實(shí)時(shí)性，又照顧了其變化的連續(xù)性。程序判斷濾波可以用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、液位等。其關(guān)鍵在于最大允許誤差Y的選取，Y太大，干擾會(huì)“乘機(jī)而入”，Y太小，又會(huì)使某些有用的信號(hào)被“拒之門外”，使采樣效率變低。通常Y根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，必要時(shí)可由實(shí)驗(yàn)得出。適用對(duì)象：對(duì)偶然脈沖干擾信號(hào)有良好的濾波效果。 2.中值濾波 中值濾波是指對(duì)被測參數(shù)連續(xù)采樣n次(n3，且為奇數(shù))，再將這n個(gè)采樣值從小到大(或從大到小)排序，最后取中間值

33、作為本次采樣值。中值濾波能有效地濾去脈動(dòng)性質(zhì)的干擾，對(duì)變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果，但對(duì)快速變化過程的參數(shù)則不宜使用(如流量)。程序中只要改變n值，就可以對(duì)任意采樣值進(jìn)行中值濾波。一般來說，n值不宜取得過大，否則濾波效果反而不好，且總的采樣控制時(shí)間增加，所以n值一般取35即可。適用對(duì)象：中位值濾波對(duì)偶然脈沖干擾信號(hào)有良好的濾波效果。 3.算術(shù)平均值濾波 算術(shù)平均值濾波是要尋找一個(gè)Y，它與N個(gè)采樣值Xi之間誤差的平方和E為最小，即其中N為采樣次數(shù)。根據(jù)極值原理得 該方法是把N次采樣值進(jìn)行相加，然后取其算術(shù)平均值為本次采樣值。 算術(shù)平均值法適用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)信號(hào)的平滑，這種信號(hào)的特點(diǎn)是往往在某一數(shù)值范圍附近作上、下波動(dòng)，有一個(gè)平均值。這種算法對(duì)信號(hào)的平滑程度取決于平均次數(shù)N，當(dāng)N較大時(shí)平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高，應(yīng)該視具體情況選取N值。對(duì)于一般流量，通常取N=12；若為壓力，則取N=4。適用對(duì)象：算術(shù)平均值濾波主要適用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工，但對(duì)于脈沖性干擾信號(hào)的平滑效果欠佳。 4.加權(quán)平均濾波 在算術(shù)平均濾波中，N次采樣值在結(jié)果中所占的比重是均等的，即每次采