模拟量检测与控制讲座.ppt

*,*,内,容,检测与转换技术,模数和数模转换,S7-300 PLC,模拟量处理,模拟量闭环,PID,控制,10/25/2026,1,模拟量的基本概念,模拟量：在时间上、数值上都连续变化的物理量。,初始性,模拟量大部分是自然界的初始变量。,对非电量进行测量、处理、控制时，要把非电量转化成模拟电信号。,标准的模拟电压信号：,0,10V,。,标准的模拟电流信号：,420mA,或,020mA,。,10/25/2026,2,模拟量的基本概念,连续性,模拟量随时间的变化曲线是光滑而连续的，没有间断点。,10/25/2026,3,检测与转换技术,现代检测技术的一个明显特点是采用电测法，即电测非电量。,首先将被测物理量从研究对象中检出并转换成电量，然后再根据需要对变换后的电信号进行某些处理，最后以适当的形式输出。,10/25/2026,4,检测与转换技术,传感器直接与被测对象发生联系，它的功能是将被测参数直接或间接转换成电信号。,它的好坏直接影响检测装置的质量，是检测装置的重要部件；,传感器往往也被称为,敏感元件,或,一次元件,。,10/25/2026,5,检测与转换技术,中间变换装置根据不同情况有很大的伸缩性。在简单的检测系统中可能完全省略，将传感器的输出直接进行显示或记录（比如由热电偶和毫伏表组成的测温系统）。大多数测试系统而言，中间变换环节是必不可少的。,信号的变换包括：放大，调制、解调、滤波等等。功能强大的检测系统往往还要将计算机作为一个中间变换环节，以实现诸如波形存储、数据采集、非线性校正和消除系统误差等功能。远距离测量时还需要数据传输装置。,10/25/2026,6,检测与转换技术,机床轴承故障监测系统中的,中间变换装置,由带通滤波器、A/D变换和计算机中的FFT分析软件三部分组成。,测试系统中,传感器,为,加速度计,，它负责将机床轴承振动信号转换为电信号；,带通滤波器,用于滤除传感器测量信号中的高、低频干扰信号和对信号进行放大，,A/D信号采集卡,用于对放大后的测量信号进行采样，将其转换为数字量；,FFT（快速 傅里叶变换）分析软件,则对转换后的数字信号进行FFT变换，计算出信号的频谱；最后由,计算机显示器,对频谱进行显示。,另外，测试系统的测量分析结果还可以和生产过程相连，当机床振动信号超标时发出报警信号，防止加工废品的产生。,10/25/2026,7,检测与转换技术检测仪表的工作特性,被测参数经传感器进入变送器，经变送器输出标准信号。,两者为单值关系且呈一定比例关系。,被测量量程,被测量上、下限偏差值,t,o,仪表工作特性,信号输出上、下限偏差,10/25/2026,10,检测与转换技术检测仪表的工作特性,根据仪表的工作特性，可以由变送器输出的任一信号大小，确定该信号所对应的被测参数值：,一个DDZ-III型温度检测仪表(输出范围为4,20mA)，其测温范围为50,150C。用其检测一个物体温度，测得与其配接的变送器输出信号为12mA，该物体温度是多少？,10/25/2026,11,检测与转换技术检测仪表的工作特性,量程调整,零点调整与零点迁移,a)零点调整 b)正零点迁移 c)负零点迁移,10/25/2026,12,检测与转换技术测量误差,类型,明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。,粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。,如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。,就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。,当发现粗大误差时，应予以剔除。,粗大误差,10/25/2026,13,检测与转换技术测量误差,类型,指检测仪表本身或其他原因引起的有规律的误差，它反映了测量值偏离真值的程度。,来源主要有：仪表的示值不准（如刻度分度差错），零值误差（如零点漂移），仪表的结构误差（如电子元器件老化）等，由仪表引入的系统误差；者由实验者造成的服从一定规律的误差；由于实验条件不能满足理论公式或测量方法产生的误差。,系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,系统误差,10/25/2026,14,检测与转换技术测量误差,类型,在相同条件下对同一被测参数进行多次重复测量，各测量值之间存在差异，这种误差的绝对值及符号是不确定的，称为随机误差。,它服从一定的统计规律，因此可以通过测量增加次数，利用概率论和统计学方法，对测量结果进行统计处理，从而减小其对测量结果的影响。,随机误差,10/25/2026,15,检测与转换技术测量误差,类型,当测量参数随时间迅速变化时，由于检测元件中的各种运动关系和能量转换，使检测仪表的测量值不能及时跟随被测参数的变化而产生的误差，称为动态误差。,由于检测仪表工作在闭合控制系统中，所有其动态特性会直接影响整个系统的控制品质。,动态误差,10/25/2026,16,检测与转换技术测量误差,绝对误差,读数绝对误差：,测量值：仪表读数,真实值,仪表的最大绝对误差,：,真值是无法得到的，常用精度更高的仪器示值,A,来近似代替：,读数绝对误差,：,10/25/2026,17,检测与转换技术测量误差,相对误差,实际相对误差,：,示值相对误差,：,引用相对误差,：,！为减少仪表读数误差，仪表应尽量工作在量程的70%-80%。,注：,10/25/2026,18,检测与转换技术检测仪表的性能指标,精密度,在相同条件下，对同一个量进行重复测量时，这些测量值之间的相互接近程度即分散程度，它反映了随机误差的大小。,准确度,它表承测量仪器指示值对真值的偏离程度，它反映了系统误差的大小。,精确度,是精密度和准确度的综合反映，,它反映了系统综合误差的大小,，常用测量误差的相对值表示。,10/25/2026,19,精度等级：,按国家统一规定的允许误差大小划分成的等级。,精度等级常以一定符号内的数字标明，在仪表面上。,我国仪表精度等级为：,0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等,级数越小，精度越高。,校验用标准表多为0.1，0.2级；,工业现场多为0.40.5级。,检测与转换技术检测仪表的性能指标,10/25/2026,20,检测与转换技术检测仪表的性能指标,允许误差,例：某仪表的精度等级为,1.5,，则允许误差为,1.5%,10/25/2026,21,仪表灵敏度：,仪表指针的线位移或角位移与被测参数的变化之比。,反映仪表对被测参数变化的敏感程度。,提高灵敏度提高精确度！,检测与转换技术检测仪表的性能指标,10/25/2026,22,圆形表用角位移：,直线形表用角位移：,例:,量程0200,满量程指针超过270,满量程3000,移动距离40mm,检测与转换技术检测仪表的性能指标,10/25/2026,23,检测与转换技术检测仪表的性能指标,可靠性：,可靠性是反映检测仪表在规定条件下，在规定时间内是否耐用的一种综合质量指标。常用的可靠性指标有：,平均无故障工作时间,平均修复时间,有效度：指平均无故障时间与平均无故障时间及平均修复时间之和的比值。,10/25/2026,24,灵敏限：,指能够引起仪表指示值（输出信号）发出变化（动作）的被测参数（输入信号）的最小（极限）变化量。,与灵敏度是不同的概念。,检测与转换技术检测仪表的性能指标,10/25/2026,25,检测与转换技术检测仪表的性能指标,某DDZ-III型测温仪表的测温范围为200,1200C，出厂前校验时各点的测量结果如下（单位：,C）：,10/25/2026,26,检测与转换技术检测仪表的性能指标,1.该仪表的最大绝对误差,最大绝对误差：,10/25/2026,27,检测与转换技术检测仪表的性能指标,最大相对误差：,仪表精度为0.3，由于国家规定的精度等级中没有0.3级仪表，所以该仪表的精度等级选为0.4级。,量程：,工作特性：,2.该仪表的精度等级、量程和仪表的工作特性,10/25/2026,28,3.现有该仪表和0.5级200,800C两个测温仪表，要测600C的温度，采用哪个测温仪表好？,检测与转换技术检测仪表的性能指标,采用该仪表时，可能出现的最大示值相对误差为：,采用0.5级200,800C仪表,时，可能出现的最大示值相对误差为：,可见，用量程范围适当的0.5级仪表测量，能得到比量程范围大的0.4级仪表更准确的结果。,10/25/2026,29,检测与转换技术检测仪表的性能指标,因此，在选用仪表时，应根据被测参数的大小，在满足被测参数测量范围的前提下，应尽可能选择量程小的仪表，并使测量值大于所选仪表满刻度的三分之二。,10/25/2026,30,有一支温度计，其量程范围为01000,精度为0.5级，其标尺上、下限偏转角为270,o,。,检测与转换技术检测仪表的性能指标,10/25/2026,31,检测与转换技术检测仪表的性能指标,4.对于202 这一点，相对误差,对于895 这一点，相对误差,1.,2.最大相对误差：,3.灵敏度,10/25/2026,32,温度：表征物体冷热程度的一个物理量。,F,=1.8,+32,K,=,+373.15,温标：将温度数值化的一套规则和方法。,检测与转换技术温度检测与变送,10/25/2026,33,通过热辐射来测温，不会破坏被测介质的温度场，误差小，反应速度快；,测温上限原则上不受限制；,易受被测物体热辐射率及环境因素（物体与仪表间的距离、烟尘和水汽等）的影响。,检测与转换技术温度检测与变送,分类,接触式,非接触式,接触测量，简单、可靠、精度高；,测温元件有时可能破坏被测介质的温度场或与被测介质发生化学反应；,因受到耐高温材料的限制，测温上限有界。,10/25/2026,34,检测与转换技术温度检测与变送,分类,10/25/2026,35,检测与转换技术温度检测与变送,分类举例,膨胀式温度计-基于物体受热时产生体积膨胀.,双金属式温度计-用两种膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成螺旋形。温度越高，产生的膨胀长度差越大，引起的弯曲角度越大。,10/25/2026,36,辐射式温度计-根据物体的,热辐射,特性，物体的辐射能通过光学系统中的,透镜聚焦,到检测元件，再通过热敏元件或光敏元件将其,转换成电信号,，经过信号处理电路，输出与被测温度相对应的响应信号，从而实现对不同温度范围的测量。,检测与转换技术温度检测与变送,分类举例,10/25/2026,37,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,将两种不同材质的导体或半导线在其端点实现物理接触；当回路两端温度不同时，回路中出现电势差。,这种将热能转换成电能的现象称为热电效应。,A,B,热电偶产生的直流热电势与温度有准确的单值对应关系，且幅值不超过几十毫伏。,热电偶-基于热电效应实现温度检测.,10/25/2026,38,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,冷端,热端,A,B,热电偶的总热电动势=接触电动势+温差电动势,工作原理,10/25/2026,39,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,热电偶的热电特性-当热电偶材质确定且,冷端温度恒定,时，热端温度与热电动势之间呈,单值函数,关系,在实际使用中，只要保持冷端温度为t,0,，根据仪表测得的热电动势E,AB,(t,t,0,)，就计算出被测温度t或者通过分度表查出所对应的被测温度t。,实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，则：,工作原理,10/25/2026,40,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,中间导体定律,在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。,10/25/2026,41,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。,这种性质在实用上有着重要的意义，可以方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器；也可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。,中间导体定律,10/25/2026,42,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,热电偶回路两接点（温度为t、t,0,）间的热电势，等于热电偶在温度为t、t,c,时的热电势与在温度为t,c,、t,0,时的热电势的代数和。t,c,称中间温度。,中间温度定律,10/25/2026,43,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,中间温度定律,查分度表求得,测量的热电动势,应用：,10/25/2026,44,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,用镍铬-镍硅(K型)热电偶测炉温。当热电偶的冷端温度为40,时，测得的热电动势为35.72mV，问：被测炉温为多少？,再反向查分度表，可知37.331mV所对应的温度为,t,=900.1,C，即被测炉温为,900.1,C,中间温度定律,查阅K型热电偶分度表，可知：,10/25/2026,45,冷端温度补偿,-热电偶只有在冷端温度保持不变时，才能保证热电动势与被测温度之间呈单值函数关系。,-热电偶的分度表一般是在冷端温度,t,0,=0情况下测定。,热电偶的冷端必须保持恒定（0），以避免测量误差。,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,10/25/2026,46,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,冷端处理方法一:,用冰水混合物保持在0,10/25/2026,47,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,补偿导线法,补偿导线是用热电特性与热电偶相近的材料制成的导线。根据中间导体定律，用补偿导线将热电偶的冷端延长至控制室等需要的地方，可以使热电偶的冷端远离热源，从而保证冷端稳定，不会对热电偶回路引入超出允许的附加测量误差。,补偿导线法在使用时需要注意：,补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用，可参考国际电工委员会指定的标准；补偿导线与热电偶连接处的两个接点温度应相同；连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别于热电偶的正负极相对应连接；补偿导线连接端的工作温度范围不能超过0,100,C，否则会给测量带来误差。,10/25/2026,48,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,电桥补偿法,热敏铜质电阻,电位器,只要选取铜电阻，使得：,则无论冷端温度如何变化，电桥产生的不平衡电压正好补偿冷端温度变化引起的热电动势变化：,使回路电动势,只与被测温度有关。,10/25/2026,49,检测与转换技术温度检测与变送,热电偶,常用工业热电偶类型,10/25/2026,50,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,热电阻适用于0,即电阻值随着温度的升高而增加.,半导体热电阻，其温度系数,可正可负，且线性度差.,工作原理及其特点,10/25/2026,51,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,不适用于测量体积小和温度瞬变对象的温度。,热电阻,热电偶,较大空间的平均温度,点温度,冷端温度补偿,与桥式电路配接,中、低温区稳定性好、准确度高,测温上限高,工作原理及其特点,10/25/2026,52,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,金属热电阻应具备的特性：,电阻温度系数较大且稳定，测温灵敏度高；,电阻率大,从而在相同灵敏度下减小元件的尺寸；,电阻值与温度之间呈单值关系；,具有化学稳定性和耐热性。,常用金属热电阻,目前世界上用作热电阻的材料主要有铂、铜及镍；,我国镍储量较少，故只采用,铂、铜,两种金属热电阻。,10/25/2026,53,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,常用金属热电阻,0,200,400,600,800,-200,1,2,3,4,Cu,Pt,Ni,t/,价格便宜，线性程度好，但温度高易于氧化,。,精度高、稳定性好、性能可靠、耐氧化能力强、测温范围宽。但电阻温度系数比较小，电阻值与温度之间呈非线性关系，且价格较贵。,10/25/2026,54,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,热电阻引线,热电阻接入结构一:,二线制,热电阻位于热温现场，而仪表显示或变送位于远离现场的部分，两者之间的连线电阻会对热电阻精度构成影响。,理想值,r,的影响不容忽视。,误差,实际值,10/25/2026,55,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,热电阻引线,电桥平衡时：,热电阻接入结构二:,三线制,避免或减少导线电阻对测温的影响.,10/25/2026,56,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,热电阻引线,热电阻接入结构二:四,线制,在热电阻感温元件的两端各连接两根导线的引线方式称为四线制。其中，两根引线为热电阻提供恒流源；在热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位计进行测量。,这种方式能完全消除引线电阻的附加影响，且在连接导线阻值相同时，还可以消除连接导线的影响，因此，主要用于高精度的温度测量。,10/25/2026,57,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,半导体热敏电阻,灵敏度高；体积小；反应快速；,且RtR（连线电阻），可以采用长距离连线；,互换性、稳定性不好，有非线性；应用受限。,由多种金属氧化物按比例烧结成的半导体构成。,10/25/2026,58,检测与转换技术温度检测与变送,热电阻,半导体热敏电阻,0 40 80 120 160 180,10,7,10,6,10,5,10,4,10,3,10,2,10,1,PTC正温度系数:,在某区段灵敏度高，适于位式温度传感器。,NTC负温度系数:,线性度好，用于连续变化温度场合.,PTC,10/25/2026,59,检测与转换技术温度检测与变送,集成温度传感器,利用pn结的伏安特性与温度之间的关系研制的一种固态传感器。,特点：,体积小；,热惯性小、反应快；,测温精度高；,稳定性好；,价格低等。,分电压型和电流型两种：电压型温度系数约10mV/,C；电流型温度系数约1A/,C。,10/25/2026,60,检测与转换技术温度检测与变送,集成温度传感器,AD590,两端元件；,供电电压：直流（+4+30V），1.5mW(+5V)；,高阻抗（710M）输出；,0,C时输出273.2A；,温度系数1A/,C；,测温范围-55+150,C；,使用范围广泛。,10/25/2026,61,检测与转换技术温度检测与变送,DDZ-III型温度变送器,功能,：与各种热电偶、热电阻配合使用，将被测温度转换成,统一的,标准电流（电压），,作为显示仪表，调节器或计算机模拟输入采集的输入，以实现被测温度的显示、记录或控制。,根据与传感器配接电路的不同，具有热电偶、热电阻和毫伏输入三种形式。,10/25/2026,62,模数和数模转换,10/25/2026,63,模数和数模转换,将模拟量转换为数字量的过程称为模/数(Analog to Digital)转换，简称A/D转换。,实现A/D转换的电路称为模/数转换器(Analog to Digital Converter)，简称ADC。,把数字量转换为模拟量的过程称为数/模(Digital to Analog)转换，简称D/A转换。,完成D/A转换的电路称为数/模转换器(Digital to Analog Converter)，简称DAC。,10/25/2026,64,模数和数模转换ADC基本工作原理,A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过,采样、保持、量化和编码,四个步骤完成。,10/25/2026,65,模数和数模转换ADC基本工作原理,将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。,采样,10/25/2026,66,模数和数模转换ADC基本工作原理,模拟信号经过采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度,一般是很短暂，在下一个脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在采样电路之后须加保持电路。,保持,10/25/2026,67,模数和数模转换ADC基本工作原理,量化,输入的模拟电压经过采样保持后，得到的是阶梯波。该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量。,量化：设数字量的位数为n，将满量程（FSR）电压值（由参考电压VR设定的）分为2,n,等分，然后将采样所得的模拟量与这些分层进行比较，落在哪个分层内，便量化为相应的数字量,而n位数字量只能表示2,n,个数值，因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。,量化单位q：每个分层所包含的最大值和最小值之差,假设：参考电压5V，8位数字量,q=电压量程范围/2,n,=5.0V/2560.019V=19mV,10/25/2026,68,模数和数模转换ADC基本工作原理,编码,用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为,编码,。,自然二进制编码,双极性二进制编码,10/25/2026,69,t,0,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,t,76543210,幅度,模数和数模转换ADC基本工作原理,采样，量化，编码,采样 3.7 5.7 6.5 6.6 5.2 3.2 1.7 1.1,量化 3 5 6 6 5 3 1 1,编码 011 101 110 110 101 011 001 001,10/25/2026,70,分辨率表示输出数字量变化一个最低有效位（Least Significant BitLSB）所对应的输入模拟电压的变化量。,n,为数字量的二进制位数,模数和数模转换ADC主要性能,例如，A/D转化器的输出为12位二进制数，最大输入模拟电压为10V，则其分辨率为：,满量程电压,量化单位q就是ADC的分辨率，一般用位数n来间接表示分辨率。,分辨率,10/25/2026,71,模数和数模转换ADC主要性能,相对分辨率,AD,转换器分辨率与位数之间的关系,(,满量程电压为,10V),位 数,级 数,相对分辨率,（1,LSB,）,分辨率,（1,LSB,）,8,10,12,14,16,256,1024,4096,16384,65536,0.391%,0.0977%,0.0244%,0.0061%,0.0015%,39.1mV,9.77mV,2.44mV,0.61mV,0.15mV,10/25/2026,72,模数和数模转换ADC主要性能,例：某信号采集系统要求用一片ADC在1s内对16个热电偶的输出电压进行转换。已知热电偶输出电压范围为0,25mV(对应于0450C温度范围)，需分辨的温度为0.1 C，问应选择几位的A/D转化器？其转换时间至少要求多少？,相对分辨率,10/25/2026,73,模拟量是连续的，而数字量是断续的，当A/D转换器的位数固定后，这种由A/D转换器有限分辨率所造成的真实值与转换值之间的误差称为量化误差。,量化带内的任意采样输入电压都是产生同一数字量。,量化误差：,实际模拟输入电压,理想模拟输入电压,理想模拟输入电压定义为量化带中点对应的模拟输入电压值,一般量化误差为,0.5,LSB。,模数和数模转换ADC主要性能,量化误差,10/25/2026,74,模数和数模转换ADC主要性能,相对量化误差,量化误差和分辨率是统一的，即提高分辨率可以减小量化误差。,10/25/2026,75,模数和数模转换ADC主要性能,转换精度,转换精度是指输出数字量所对应的模拟电压的实际值与理想值之差。,10/25/2026,76,模数和数模转换ADC主要性能,精度和分辨率是两个不同的概念：,精度是指转换后所得结果相对于实,际值的准确度；,分辨率是指转换器所能分辨的模拟,信号的最小变化值。,10/25/2026,77,(3)转换时间：指A/D转换器完成一次A/D转换所需时间。转换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。其倒数是转换速率。,(4)温度系数：是指A/D转换器受温度影响的程度。一般用环境温度变化1所产生的相对误差来表示，单位是PPM/(10-6/)。,模数和数模转换ADC主要性能,10/25/2026,78,模数和数模转换逐次逼近式ADC,模拟输入,U,i,+,-,A,去码/留码逻辑,环形计数器,数据寄存器,时序,与逻,辑控,制,DA转换器,数字,量输,出锁,存器,基准,电源,U,REF,U,f,=,U,REF,(,a,1,2,-1,+,a,2,2,-2,+,a,n,2,-,n,),并,行,数,字,量,输,出,SAR,比较器,结构,10/25/2026,79,工作原理,设定在,SAR,中的数字量经,DA,转换器转换成反馈电压,U,f,；,SAR,顺次逐位加码控制,U,f,的变化,；,U,f,与等待转换的模拟量,U,i,进行比较，大则弃，小则留，逐次逼近,；,最终留在,SAR,的数据寄存器中的数码作为数字量输出。,模数和数模转换逐次逼近式ADC,10/25/2026,80,工作过程,设,8,位逐次逼近寄存器,SAR,，基准电压,10.24,V,，,模拟输入电压,8.3V,t,U,1,2,3,4,5,6,7,8,1.024,10.24,U,i,5.12,7.68,8.96,8.32,8.0,8.16,8.24,8.28,8.30V,时钟脉冲,1,2,3,4,5,6,7,8,模数和数模转换逐次逼近式ADC,10/25/2026,81,工作过程,8,位逐次逼近,AD,转换过程,次数,SAR,中,的数码,D/,产生的,(V),去,留码,判断,本次操作后,SAR,中的数码,1,2,3,4,5,6,7,8,10000000,1000000,11100000,11010000,11001000,11001100,11001110,11001111,5.12,7.68,8.96,8.32,8.0,8.16,8.24,8.28,，,留,1,，,留,1,，,留,0,，,留,0,，,留,1,，,留,1,，,留,1,，,留,1,10000000,11000000,11000000,11000000,11001000,11001100,11001110,11001111,模数和数模转换逐次逼近式ADC,10/25/2026,82,经过,8,次比较之后,，,SAR,的数据寄存器中所建立的数码,11001111,即为转换结果,。,数码对应的反馈电压,U,f,=8.28,V，,它与输入的模拟电压,U,i,=8.3,V,相差,0.02,V，,不过两者的差值已小于,1,LSB,所对应的量化电压,0.04,V。,逐次逼近式,AD,转换器的转换结果通过数字量输出锁存器并行输出。,工作过程,模数和数模转换逐次逼近式ADC,10/25/2026,83,模数和数模转换DAC基本工作原理,DAC一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。,数字量以并行或串行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码管驱动对应对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位取值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。,10/25/2026,84,模数和数模转换DAC基本工作原理,d,1,-,+,d,3,d,2,d,4,I,3,I,2,I,1,S,2,S,1,I,4,S,4,S,3,I,o,R,f,V,O,V,R,R,4R,2R,8R,S,i,：电子模拟开关，R：片内权电阻,di=1，Si闭合,di=0，Si断开,10/25/2026,85,模数和数模转换DAC基本工作原理,可以用二进制数字控制开关的通断，不同组合不同的电流信号,d,1,加权最大，为最高有效位MSB；d,n,加权最小，为最小有效位 LSB,10/25/2026,86,模数和数模转换DAC基本工作原理,理想运放(虚短、虚断）,若已知,R,f,、,R,、d,1,d,2,d,3,d,n,，即可得V,O,R-2R电阻网络，,R,f,=,R,/2，,10/25/2026,87,模数和数模转换DAC主要性能,(1)分辨率：DAC常用分辨率来表示分辨最小电压的能力。分辨率等于DAC所能分辨的最小输出电压和最大输出电压之比。,最小输出电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压，最大输出电压是指输入数字量各位为全1时的输出电压。,例：若ADC的最大输出电压为10V，要想使转换误差在10mV以内，应选多少位DAC？,要想转换误差在10mV以内，就必须能分辨出10mV电压。,2,10,=1024，至少需要10位DAC。,10/25/2026,88,模数和数模转换DAC主要性能,(2)转换精度,DAC的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差。,(3)转换速度,从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差,0.5LSB范围所需要的时间。,(4)温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化的变化量。,10/25/2026,89,S7-300 PLC模拟量处理,生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要PLC来测量和控制：,非电量：例如温度、压力、流量、频率等。,强电电量：例如发电机的电流、电压、有功功率、无功功率和功率因素等。,S7-300 PLC的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332，模拟量输入/输出模块SM334和SM335。,10/25/2026,90,S7-300 PLC模拟量处理模拟量模板的用途,生产过程,物理量,标准的模拟,信号,传感器,变送器,压力,温度,流量,速度,pH,值,粘性,等,500,mV,1V,5V,10V,20mA,4.20mA,等,DAC,PQW.,PQW.,:,PQW.,模拟量输出模板,MR,模块,ADC,结果,存储器,PIW.,PIW.,:,PIW.,模拟量输入模板,CPU,:,:,:,:,:,:,L PIW 304,T PQW 320,:,模拟,执行器,物理量,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,10/25/2026,91,S7-300 PLC模拟量处理模拟量输入模块示意图,各模拟量输入通道共用一个A/D转换器，用多路开关切换。各通道转换过程和转换结果的存储是顺序进行的。,10/25/2026,92,S7-300 PLC模拟量处理模拟量输出模块示意图,10/25/2026,93,S7-300 PLC模拟量处理量程卡,测量的类型,：,通过量程卡上的适配开关可以设定测量的类型和范围。,允许的设置为“A”，“B”，“C”和“D”。,量程卡安放在模板的左侧，每两个通道为一组，共用一个量程卡。如图模块有,8,个通道，因此有,4,个量程卡。,没有量程卡的模拟量模板具有适应电压和电流测量的不同接线端子，这样，通过正确地连接有关端子可以设置测量的类型。,10/25/2026,94,如果模拟量模板的分辨率小于15位，则模拟量写入累加器时向左对齐。不用的位用“0”填充。,SM331,模板积分时间、分辨率和扰动频率抑制三者的关系,分辨率,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,SM335,输入信号的分辨率为13位+符号，模拟输出为11位+符号。,10/25/2026,95,双击,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,输入测量范围的选择,10/25/2026,96,SM335(,输入),SM331,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,输入模块设置,10/25/2026,97,输入测量范围的选择：电压、电流,双极性：80mV，2.5V，3.2mA，250mV，5V，10mA，500mV，10V，20mA，1V,转换结果的额定范围-27648 到+27648。,单极性：0to2V，0to20mA，1to5V，4to20mA,转换结果的额定范围 0 到+27648。,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,不使用的输入必须在硬件上短路连接同时在软件上不激活,（“,deactivated”）。,不激活的模拟输入可以减少循检时间。,10/25/2026,98,可设置的电阻值的范围：0 to 150 Ohm，0 to 300 Ohm，0 to 600 Ohm转换结果的额定范围 0 到+27648。,温度：热电阻或热电偶来测量。转换结果的额定值用温度的十倍值来表示：传感器：温度范围：转换结果的额定范围：Pt 100-200 to+850 C-2000 to+8500 Ni 100-60 to+250 C-600 to+2500 K型热电偶-270 to+1372 C-2700 to+13720 N型热电偶-270 to+1300 C-2700 to+13000 J 型热电偶-210 to+1200 C-2100 to+12000 E型热电偶-270 to+1000 C-2700 to+10000.,输入测量范围的选择：电阻、温度,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,10/25/2026,99,SM335(,输出),SM332,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,输出模块设置,10/25/2026,100,输出电压电流的选择,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,-27648到+27648 可转换为,双极性,电压或电流的额定范围：,10V，20mA,0 到+27648 可转换为,单极性,的电压或电流的额定范围：,0到10V，1到5V，0到20mA，4到20mA,如果被转换的数值超限，模拟输出模板被禁止(0V,0mA)。,不用的输出通道在硬件上必须保持开路（与模拟输入不同），,在软件上不激活（“,deactivated”）。,10/25/2026,101,选择输出如何响应,CPU STOP,的情况（不是每种模板所有设置都可能）。,切到替代值(,SV),缺省的替代值被置为”,0”;,也就是，所有的输出被断开。可以在“替代值”行中为每个输出设置替代值。替代值必须处于额定范围内。,保持最后值(,KLV),模板是否保持,CPU,进入,STOP,模式前输出最后值。,无电压或电流输出,(OCV),模板是否在,CPU STOP,时断开输出(,V/I=0 V/mA)。,S7-300 PLC模拟量处理,模拟量模板的参数设置,CPU STOP,响应,10/25/2026,102,S7-300 PLC模拟量处理模拟量的表达方式,模拟量用补码的形式表达：第15位=0为正数，第15位=1为负数。,范围,超上限,超上界,额定范围,超下界,超下限,测量范围,10,V,电压,例如：,=11.759,11.7589,:10.0004,10.00,7.50 0,-7.50,-10.00,-10.0004,:-11.759,=22.815,22.810,:20.0005,20.000,16.000 :,:,4.000,3.9995,:1.1852,=1000.1,1000.0,:850.1,850.0,:,:,-200.0,-200.1,:-243.0,=352.778,352.767,:300.011,300.000,225.000 :,:,0.000,不允许,负值,单位,32767,32511,:27649,27648,20736 :,:,0,-32768,-1,:-4864,在不同测量范围下模拟量的表达方式,10/25/2026,103,S7-300 PLC模拟量处理模拟量的表达方式,模拟输出量的表达方式,范围,超上限,超上界,额定范围,超下界,超下限,单位,=32767,32511,:27649,27648,:0,:,-6912,-6913,:,:,:,-27648,-27649,:-32512,=-32513,输出范围：,电压,0,11.7589,:10.0004,10.0000,:0,0,to 10V,1,to 5V,0,5.8794,:5.0002,5.0000,:1.0000,0,11.7589,:10.0004,10.0000,:0,:,:,:,:,:,:,:,-10.0000,-10.0004,:-11.7589,0,10,V,0,0.9999,0,0,输出范围：,电流,0,23.515,:20.0007,20.000,:0,0,to 20mA,4,to 20mA,0,22.81,:20.005,20