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、郭彤穎計算機控制技術(shù)計算機控制技術(shù) 第第2章章 過程輸入輸出通道設(shè)計過程輸入輸出通道設(shè)計 2.0 信號變換理論信號變換理論2.1 2 20 0 信號變換理論信號變換理論 1. 1. 連續(xù)信號的采樣和量化連續(xù)信號的采樣和量化 圖圖1 1 采樣過程采樣過程 采樣過程采樣過程 在計算機控制系統(tǒng)中，采樣信號在計算機控制系統(tǒng)中，采樣信號 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 時刻的單脈沖，脈沖的幅值時刻的

2、單脈沖，脈沖的幅值 f (0T) ； f 1為為 t = 1T 時刻的單脈沖，脈沖的幅值時刻的單脈沖，脈沖的幅值 f (1T) ； f k為為 t = kT 時刻的單脈沖，脈沖的幅值時刻的單脈沖，脈沖的幅值 f (kT) ； 則：則：f kf (kT)(tkT) 只有在t = kT時刻，才有(tkT)0 ，而在的所有t kT時刻，都有(tkT)0 。 。 圖圖2 2 對單位脈沖序列的調(diào)制對單位脈沖序列的調(diào)制 可以解釋為連續(xù)時間信號可以解釋為連續(xù)時間信號 被理想單位脈沖被理想單位脈沖 做了離散時間調(diào)制。做了離散時間調(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（如二進制碼）來逼近離進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這個經(jīng)量化使號。這個經(jīng)量化使采樣信號成為數(shù)字采樣信號成為數(shù)字信號的過程稱為量信號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） 濾波器輸出信號頻譜濾波器輸出信號頻譜 )(tf)(* tf)( jF)(* jF)( jF)(tf)

4、( jF)(* tf)(* jF)( jC 為保證采樣信號的頻譜是被采樣信號的頻譜無重疊的重為保證采樣信號的頻譜是被采樣信號的頻譜無重疊的重復(fù)（沿頻率軸方向），以便采樣信號能反映被采樣信號的復(fù)（沿頻率軸方向），以便采樣信號能反映被采樣信號的變化規(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)，但對于連續(xù)對象的離散控制，不易確定連續(xù)信號但對于連續(xù)對象的離散控制，不易確定連續(xù)信號的最高頻率。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，在實際應(yīng)用中還要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況綜準(zhǔn)則，在實際應(yīng)用中還要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況綜合考慮。合考慮。采樣定理采樣定理3.采樣信號的復(fù)現(xiàn)和采樣保持器采樣信號的復(fù)現(xiàn)和采樣保持器 保持器保持器 保持器是一種基于時域外推原理、把采樣信號轉(zhuǎn)換成連保持器是一種基于時域外推原理、把采樣信號轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號，實現(xiàn)采樣點之間的插值的元件。續(xù)信號，實現(xiàn)采樣點之間的插值的元件。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，把每個采樣值零階保持器采用恒值外推原理，把每個采樣值 一一直保持到下一個采樣時刻直保持到下

6、一個采樣時刻 , ,從而把采樣信號從而把采樣信號 變成變成了階梯連續(xù)信號了階梯連續(xù)信號 。 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，輸出上為在上時，輸出上為1 1，下為，下為0 0。 當(dāng)當(dāng)K K按下時，因為鍵的機械特性，使按鍵因抖動而產(chǎn)按下時，因為鍵的機械特性，使按鍵因抖動而產(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，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，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進行分壓，C進行濾波，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 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產(chǎn)生觸發(fā)信號，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，實現(xiàn)程控電流輸出。 具有開路或超限報警功能。從這個