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计算机控制系统中模拟量输入

2015-4-3 06:49| 发布者: admin| 查看: 2153| 评论: 0

摘要:   生产过程中的随时间连续变化的物理量,如温度、压力、流量、液位、湿度等,由传感器检测并转换为模拟的电信号,通过模拟量输入通道送至计算机系统,最终经A/D转换器转化为数字量,才能交由计算机处理。  在计 ...
  生产过程中的随时间连续变化的物理量,如温度、压力、流量、液位、湿度等,由传感器检测并转换为模拟的电信号,通过模拟量输入通道送至计算机系统,最终经A/D转换器转化为数字量,才能交由计算机处理。
  在计算机控制系统中,一般采用集成A/D转换器完成模拟量到数字量的转换。集成A/D转换器的类型繁多,按转换原理可分为逐次逼近式、双斜积分式、V/F变换式、并行式等,各种A/D转换器的接口形式、转换位数、分辨率、线性度、参考电压提供方式、抗干扰能力、价格等差别很大,表2.2介绍了部分常用的A/D转换器的性能、参数。另外,一些微处理器芯片(如M68HC11系列、MCS196、MCS98等)含有内置的A/D转换器,当控制系统的CPU选择此类微处理器时,可以直接利用片内A/D转换器完成模拟量输入转换。
 1. 多路A/D转换技术
  (1) 多路A/D转换系统的结构
  一般来说,有三种方案可以解决多路模拟量输入问题:①采用集成多路A/D转换器,如ADC0809(8路、8位)、MAX186(8路、12位)等,或选择内含集成多路A/D转换器的微处理器,如M68HC11系列、MCS96系列的微处理器。这种方案的设计简洁、可靠性高,在转换精度、线性度、温度漂移、通道数等可以满足要求的情况下,应优先考虑采用;但也应注意有时各模拟量输入互相串扰的问题。②每个模拟量输入配置一个A/D转换器。当系统中模拟量输入较多时,硬件费用会迅速增加、可靠性降低,一般不采用这种方案,仅在考虑转换速度、各模拟量互相串扰等情况下使用。③采取多路模拟量输入复用一个A/D转换器的方案,如图1所示。

           图1 多路复用方式A/D转换原理
  (2) 多路开关
  多路开关是多路复用式A/D转换电路的重要机构,下面介绍两种常用类型。
  ① 机械触点式
  机械触点式多路开关主要有干簧继电器、水银继电器等,其中干簧继电器体积小、切换速度高、噪声小、寿命长,最适合作为模拟输入的多路开关。干簧继电器的开关频率为10~40次/秒,断开时的电阻大于1MΩ,导通电阻小于50mΩ,切换动作时间约1ms,不受环境温度影响,可通过的电压、电流容量大,动态范围宽;与电子开关相比,其缺点是体积大、工作频率低,而且通断时有机械抖动现象,故一般用于低速高精度检测系统中。图2为干簧继电器的原理,线圈通/断电就使触点接触或断开。
          
              图2 干簧继电器的原理
  ② 集成多路模拟开关
  集成模拟开关是将多路半导体模拟开关集成在一个芯片上,其特点是切换速度高、体积小、应用方便,但比机械多路开关的导通电阻大,为几十~几百欧姆,而且各通道之间有时会互相串扰。
  2. 采样保持器
  在进行模数转换时,如果模拟信号的频率较高,就会由于A/D转换器的孔径时间(即转换时间)而造成较大的转换误差,克服的方法是在A/D转换器之前设置采样保持电路。采样保持器平时处于“采样”状态,跟踪输入信号变化;进行A/D转换之前使其处于“保持”状态,则在A/D转换期间一直保持转换开始时刻的模拟输入电压值;转换结束后,又使其变为“采样”状态。是否设置采样保持器,应根据模拟输入信号的变化频率和A/D转换器的孔径时间来确定。
  在多路复用方式A/D转换系统中,各模拟量输入共用一个采样保持器,见图1。另外,在多通道复用一个D/A转换器的模拟输出方式里,为了从一个D/A转换器输出不同通道的不同模拟电压,也需要采用采样保持器。
  3. 模拟量输入的隔离
  出于对系统抗干扰、噪声抑制及安全等因素的考虑,往往对模拟量信号输入进行隔离。根据具体情况,可以采用以下几种措施。
  (1) 光电隔离
  在计算机控制系统中,一般在计算机接口和A/D转换电路之间实施光电隔离,见图3。这种隔离保证了模拟量信号输入部分和计算机数字处理系统之间的彻底的电气隔离,而且由于是在数字接口部分隔离,使得其实现简单、造价低廉。

           图3 模拟量信号输入的光电隔离
  (2) 共模电压的隔离
  共模电压是指多根信号线对参考电压的相等的部分。若是相差的部分则为差模电压。
  常用的共模电压隔离措施有以下几种:
  ① 光电隔离
  这种隔离即前面所述的模拟量信号输入光电隔离技术,它实现了模拟部分和数字部分的电气隔离,能够克服光电隔离输出、输入两端设备的地线间的共模干扰,但无法克服模拟信号之间的共模干扰。
  ② 电容隔离技术
  这种隔离方法的原理见图4。平时,开关K1i(i=1,2,...,n)处于闭合状态,Ci的电压跟踪Vi的输入值,开关K2i(i=1,2,...,n)处于断开状态。需检测Vi时,则令K1i断开,K2i闭合,放大器K的输出经采样保持器送至A/D转换器化为数字量,然后开关再恢复平时的状态。在采样、转换过程中,放大器K不与任何模拟量信号输入共地,电容Ci的电压均为差模电压,这样就克服了共模电压的影响。
      
           图4 共模电压的电容隔离技术
  ③ 隔离放大器
  隔离放大器包括高性能的运算放大器、调制解调器、信号耦合变压器、输出运算放大器、滤波器和电源几个部分。输入、输出和电源都是由变压器隔离的,没有任何电路连接,从而实现了输入信号、输出信号及电源的隔离。详见教材。
  4. 模拟量输入信号的放大
  传感器的输出信号通常都是弱信号,需经放大才能进行A/D转换,信号放大是控制系统中不可缺少的环节。
  (1) 测量放大器
  传感器的输出信号一般较弱,且其中含有各种共模干扰,这就要求对其放大的电路具有很高的共模抑制比和高增益、高输入阻抗、低噪声,习惯上称这种放大器为测量放大器或仪表放大器。
  图5是四个运放构成的仪表放大器电路,其中,运算放大器放A1?A3构成仪表放大器,A4用于实现零输出的综合补偿。
    
           图5 是四运放构成的仪表放大器电路
  常用的集成仪表放大器有AD521、AD522、ZF603、ZF605和BG004等。图6和图7是AD521和AD522的典型接线图。
 
      图6 AD521的典型接线图          图7 AD522的典型接线图
  (2) 程控增益放大器
  图8是程控增益放大器的原理。模拟开关K1~K3由计算机程序来控制,任何时候至少有一个开关是闭合的。通常由软件控制使模拟开关中的某一个或某几个闭合,然后进行A/D转换,并由转换结果判断放大倍数是否合适,如不合适则改变开关状态,直至达到可能的最佳的放大倍数。图9是用8选1的模拟开关CD4051组成的程控增益放大器电路。图中A、B、C是输入通道地址选择端,通过计算机的并行输出口控制,每次只选中8个输入Y0~Y7中的一路与公共端COM接通。此电路可实现8种不同的放大倍数。
  
     图8 程控增益放大器原理      图9 CD4051组成的程控增益放大器
  与仪表放大器类似,程控增益放大器也有集成化产品,如AD524、AD624、LH0084等,这些放大器将译码电路和模拟开关集成在一起,甚至设定增益的电阻网络也集成进去了,使用起来非常方便。
  5. 模拟量输入信号的滤波
  工业现场的环境往往非常恶劣,致使由传感器得到的模拟量信号中混有噪声信号,用长线传输时尤为突出,严重时噪声信号可能淹没真实信号,如不加处理,就会导致系统控制失败。因此,必须进行模拟量信号滤波处理以抑制噪声,提高信噪比。
  滤除模拟量信号上的噪声可以采用硬件滤波,也可以采用数字滤波(也称软件滤波)。
  硬件滤波是指在模拟信号进入A/D转换器前,用硬件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计,可以滤除模拟输入信号中的特定频段的噪声信号。按是否采用有源器件(即放大器),滤波器可以分为有源滤波器和无源滤波器两大类;按滤波的频段,又可以分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。

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