計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第二章(編輯修改稿)
2025-06-19 22:26 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 常用的共模電壓隔離措施有以下幾種： ? 光電隔離 這種隔離即前面所述的模擬量信號(hào)輸入光電隔離技術(shù) ， 它實(shí)現(xiàn)了模擬部分和數(shù)字部分的電氣隔離 ， 能夠克服光電隔離輸出 、 輸入兩端設(shè)備的地線間的共模干擾 ， 但無(wú)法克服模擬信號(hào)之間的共模干擾 。 ? 電容隔離技術(shù) ? 隔離放大器 36 電容隔離技術(shù) 原理見(jiàn)圖 。 平時(shí) ， 開(kāi)關(guān) S1i(i=1,2,...,n)處于閉合狀態(tài) ， Ci的電壓跟蹤 Vi的輸入值 ， 開(kāi)關(guān) S2i(i=1,2,...,n)處于斷開(kāi)狀態(tài) 。 需檢測(cè) Vi時(shí) ，則令 S1i斷開(kāi) ， S2i閉合 ， 放大器 A的輸出經(jīng)采樣 保持器送至 A/D轉(zhuǎn)換器化為數(shù)字量 ， 然后開(kāi)關(guān)再恢復(fù)平時(shí)的狀態(tài) 。 在采樣 、 轉(zhuǎn)換過(guò)程中 ，放大器 A不與任何模擬量信號(hào)輸入共地 ， 電容 Ci的電壓均為差模電壓 ， 這樣就克服了共模電壓的影響 。 圖 共模電壓的電容隔離技術(shù) 37 隔離放大器 隔離放大器包括高性能的運(yùn)算放大器 、 調(diào)制解調(diào)器 、 信號(hào)耦合變壓器 、 輸出運(yùn)算放大器 、 濾波器和電源幾個(gè)部分 。 輸入 、輸出和電源都是由變壓器隔離的 ， 沒(méi)有任何電路連接 ， 從而實(shí)現(xiàn)了輸入信號(hào) 、 輸出信號(hào)及電源的隔離 。 圖 GF289型集成隔離放大器的原理圖 。 圖 GF289型集成隔離放大器原理圖 38 隔離放大器 圖 GF289型集成隔離放大器的典型接線 。若每一路模擬量信號(hào)輸入都采用這種放大器隔離 ， 就可以從根本上消除共模電壓的影響 。 圖 GF289型集成隔離放大器的典型接線 39 4. 模擬輸入信號(hào)的放大 傳感器的輸出信號(hào)通常都是弱信號(hào) ， 需經(jīng)放大才能進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換 ， 信號(hào)放大是控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié) 。集成放大器體積小 、 精度高 、 可靠性好 、 開(kāi)環(huán)增益大 ，利用它們可構(gòu)成比例 、 加減 、 積分 、 微分等運(yùn)算 ， 因此得到廣泛應(yīng)用 。 ? 測(cè)量放大器 ? 程控增益放大器 40 測(cè)量放大器 傳感器的輸出信號(hào)一般較弱 ， 且其中含有各種共模干擾 ， 這就要求對(duì)其放大的電路具有很高的共模抑制比和高增益 、 高輸入阻抗 、 低噪聲 ， 習(xí)慣上稱這種放大器為測(cè)量放大器或儀表放大器 。圖 ， 其中 ， 運(yùn)算放大器A1?A3構(gòu)成儀表放大器 ， A4用于實(shí)現(xiàn)零輸出的綜合補(bǔ)償 。 圖 四個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器電路 41 測(cè)量放大器 集成儀表放大器外接元件少 ， 無(wú)需精密匹配電阻 ， 使用靈活 ，能夠處理從幾微伏到幾伏的電壓信號(hào) ， 可對(duì)差分交 /直流信號(hào)進(jìn)行精密放大 ， 適合于快速采樣 ， 能夠抑制從直流到數(shù)百兆赫頻率的噪聲信號(hào) 。 常用的集成儀表放大器有 AD52 AD52 ZF60ZF605和 BG004等 。 圖 AD521的典型接線圖 圖 AD522的典型接線圖 42 程控增益放大器 為了減少 A/D轉(zhuǎn)換的誤差 ， 應(yīng)使模擬量輸入信號(hào)的幅值范圍盡可能接近 A/D轉(zhuǎn)換器的量程 。 如果采用固定增益的放大電路 ， 當(dāng)輸入信號(hào)幅值波動(dòng)范圍大時(shí)無(wú)法在輸入信號(hào)的整個(gè)變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)減少誤差的目的 。 另外 ， 當(dāng)有多路模擬量信號(hào)輸入時(shí) ， 各信號(hào)的幅值也可能相差懸殊 ， 采用固定增益的放大電路同樣會(huì)造成大信號(hào)轉(zhuǎn)換精度高而小信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差大的后果 。這時(shí) ， 可以采用程控增益放大器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題 。 43 程控增益放大器 圖 程控增益放大器原理 圖 。 模擬開(kāi)關(guān) S1~S3由計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制 ， 任何時(shí)候至少有一個(gè)開(kāi)關(guān)是閉合的 。 通常由軟件控制使模擬開(kāi)關(guān)中的某一個(gè)或某幾個(gè)閉合 ， 然后進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換 ， 并由轉(zhuǎn)換結(jié)果判斷放大倍數(shù)是否合適 ， 如不合適則改變開(kāi)關(guān)狀態(tài) ， 直至達(dá)到可能的最佳的放大倍數(shù) 。 44 程控增益放大器 圖 CD4051組成的程控增益放大器 圖 8選 1的模擬開(kāi)關(guān) CD4051組成的程控增益放大器電路 。圖中 A、 B、 C是輸入通道地址選擇端 ， 通過(guò)計(jì)算機(jī)的并行輸出口控制 ，每次只選中 8個(gè)輸入 Y0~Y7中的一路與公共端 COM接通 。 此電路可實(shí)現(xiàn) 8種不同的放大倍數(shù) 。 45 5. 模擬量輸入信號(hào)濾波 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境往往非常惡劣 ， 致使由傳感器得到的模擬量信號(hào)中混有噪聲信號(hào) ， 用長(zhǎng)線傳輸時(shí)尤為突出 ，嚴(yán)重時(shí)噪聲信號(hào)可能淹沒(méi)真實(shí)信號(hào) ， 如不加處理 ， 就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制失敗 。 因此 ， 必須進(jìn)行模擬量信號(hào)濾波處理以抑制噪聲 ， 提高信噪比 。 硬件濾波是指在模擬信號(hào)進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換器前 ， 用硬件電路進(jìn)行濾波 。 通過(guò)合理的濾波電路的設(shè)計(jì) ， 可以濾除模擬輸入信號(hào)中的特定頻段的噪聲信號(hào) 。 按是否采用有源器件 ， 濾波器可以分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩大類(lèi)；按濾波的頻段 ， 又可以分為低通濾波 、 高通濾波 、 帶通濾波和帶阻濾波 。 ? FLTU2集成 RC濾波器 46 FLTU2集成 RC濾波器 FLTU2是采用厚膜混合集成技術(shù)制造的 ， 其內(nèi)部有四級(jí)運(yùn)放和RC元件 ， 前三級(jí)組成濾波器 ， 第四級(jí)是獨(dú)立的 ， 可用做增益級(jí) 、 緩沖級(jí)或形成附加單極點(diǎn)的濾波器 。 FLTU2的工作電源電壓范圍寬 ，可為 ?5~?15V， 輸入阻抗達(dá) 5M?， 頻率范圍為 ~2?106Hz， Q值（ 特征頻率下的濾波電路的電壓放大倍數(shù)的模與通帶電壓放大倍數(shù)之比 ） 范圍在 ~1000之間 ， 通帶截止頻率準(zhǔn)確度為 ?5?， 單位增益帶寬為 5MHz。 圖 FLTU2的電路原理圖 47 FLTU2集成 RC濾波器 圖 FLTU2的外部引腳圖 48 FLTU2集成 RC濾波器 圖 FLTU2的典型應(yīng)用線路圖 49 模擬量輸出 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 ， 有些被控對(duì)象或執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要模擬量信號(hào)輸入 ， 這就要求計(jì)算機(jī)把計(jì)算好的數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)輸出出去 。從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換 ， 一般采用集成 D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) 。 50 模擬量信號(hào)輸出的兩個(gè)共性問(wèn)題 由于 D/A轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)繁多 ， 不同種類(lèi)的 D/A轉(zhuǎn)換器的具體使用方法也不盡相同 。 此處僅介紹模擬量信號(hào)輸出的兩個(gè)共性問(wèn)題： ? 多通道 D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì) ? 每一個(gè)通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的 D/A轉(zhuǎn)換器 ? 多通道復(fù)用一個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器 ? 模擬量信號(hào)輸出的光電隔離 51 每通道設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的 D/A轉(zhuǎn)換器 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快 、 精度高 、工作可靠 ， 即使某一通道出現(xiàn)故障也不會(huì)影響其他通道的工作 ， 相應(yīng)軟件的編制也比較簡(jiǎn)單 。但是 ， 如果模擬量信號(hào)輸出通道較多 ， 就會(huì)使系統(tǒng)造價(jià)增加很多 ， 尤其是采用高精度的 D/A轉(zhuǎn)換器時(shí) ， 這一問(wèn)題尤為嚴(yán)重 。 52 多通道復(fù)用一個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器 這個(gè)方案是由計(jì)算機(jī)通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)地把一個(gè) D/A轉(zhuǎn)換器的輸出送至各個(gè)采樣 保持放大器 ， 并由保持電容對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行保持 。 該方案優(yōu)點(diǎn)是成本較低 ， 缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、 精度低 、可靠性差 ， 受運(yùn)算放大器的輸入阻抗 、 模擬開(kāi)關(guān)和保持電容的漏電阻等因素的影響 ， 導(dǎo)致保持電容上的電壓信號(hào)逐漸衰
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