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计算机控制系统,第1章 绪论,本章主要介绍计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的发展概况和趋势。,本章要点：,计算机控制系统及其组成 计算机控制系统的典型形式 过程计算机控制的发展概况,本课程所涵盖的相关基础知识(1),计算机控制系统组成,本课程所涵盖的相关基础知识(2),日常生活中常见的：工业自动化常用的：,学习“计算机控制系统与软件”的必要性,工业自动化常用的：,课程目的:,课程性质:,力争成为理论联系实际的一门带有应用性质的专业课。,培养综合运用各种知识与技术的能力、培养分析问题、解决问题的能力。,计算机控制系统举例：,汽车自动焊接生产线,自动立体仓库,1.1 计算机控制系统概述,所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。,1.1.1 计算机控制系统及其组成,1计算机控制系统,计算机控制系统就是利用计算机（常称为工业控制计算机，简称工业控制机IPC）来实现生产过程自动控制的系统。,(1)计算机控制系统的工作原理,对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。,计算机控制系统的工作原理可归纳为以下三个步骤：,实时数据采集：,实时控制决策：,实时控制输出：,对采集到的被控量进行分析和处理，并按预定的控制规律，决定将要采取的控制策略。,根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。,生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式称为在线方式或联机方式，反之称为离线方式。,(2)在线方式和离线方式,(3)实时的含义,实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应的特性。,2个要素：,一个在线的系统不一定是一个实时系统，但一个实时控制系统必定是在线系统。,：根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间：该事件要求计算机在多长的时间以内必须做出反应,实现计算机控制实时性方法（1）（2）,（1） 不立即作出反应不造成影响或损害的事件，作为顺序执行的任务，按一定的巡检周期执行。（2） 把保持时间很短且需计算机立即作出反应的事件，作为中断请求源立即响应。（3） 测控范围庞大、变量繁多，不能保证所要求的实时性时，计算机的资源不够使用，则对结构进行重新设计，或提高计算机的档次。,2计算机控制系统的组成,1.1.2 计算机控制系统的典型形式,1操作指导控制系统（Operational Information System 简称OIS）,操作指导控制系统框图,操作指导控制系统特性,操作指导控制系统依赖数据采集信息，由计算机根据数学模型计算出生产过程工况，给出操作指导信息，计算机的输出不直接用来控制被控对象。,（Direct Digital Control简称DDC ）,2直接数字控制系统,直接数字控制系统框图,DDC系统中的计算机直接承担控制任务 ，属于闭环控制系统 。 用数字运算形式对若干个回路，甚至数十个回路的生产过程进行PID控制 。,接上页,不需改变系统的硬件和软件，只改编组态逻辑，即可实现各种控制方案；控制器参数可在线实时修改。 计算机实现集中控制，代替常规控制仪表控制系统，由于集中控制的固有缺陷，硬件可靠性低，未能普及。,接上页,3监督控制系统,（1）SCC模拟/数字调节器,（2） SCCDDC控制系统,监督控制系统示意图,接上页,DDC系统中的设定值是预先给定的，不随生产负荷、操作条件变化自动进行修正，不能使生产处于最优工况。监督控制系统根据最优化数学模型，计算出各被控参数的最佳给定值，使生产处于最优工况。,大规模生产过程是复杂的，设备分布广，各个工序、各个设备并行工作。集中式的控制，系统会复杂，设备间会相互影响，系统的危险增加。,4集散控制系统集散控制系统,(Distributed Contro1 System简称DCS),DCS由多个相关联可以共同承担工作的微处理器为核心，一起组成可以并行运行多项任务的系统，实现不同地域和不同功能的控制。 通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实现复杂的控制和优化。,接上页,DCS系统设计原则,分散控制,集中操作,分级管理,分而自治,综合协调,DCS结构示意图,FCS的结构模式为： “工作站现场总线智能仪表”二层结构。,5现场总线控制系统,(Fieldbus Control System简称FCS),构成FCS的基本设备：,变送器：检测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能。,执行机构：信号驱动和执行，内含调节阀输出特性补偿、阀门自校验和自诊断、PID控制和运算等功能。,服务器下接节点H1和H2，上接局域网LAN ，网桥上接节点H2，下接节点H1。,FCS 结构示意图,工作站现场智能仪表变送器智能部件,接上页,接上页,工作站现场智能仪表智能电磁流量计,PLC与计算机实现集成，以组成大型的PLC控制系统。,6PLC+上位机系统,1.2 过程计算机控制的发展概况,1）初期：5060年代 集中控制,2）中期：,70年代末80年代初 局部分散控制,由于LSI和微处理器技术的迅速发展，使计算机用于过程控制成为可能，被广泛应用于化工、石油、冶金和电力等重要工业领域。,3）现在：,主要特点：,。,80年代中期目前 （综合型分散控制TDCS）,接上页,经现场总线（Field Bus）和DHW可实现系统内部（包括传感器、变送器和执行机构等）的全部数字化传输，以及与其它LAN等局域网络的数字通信。,2.实时性好,接上页,3. 控制规律组态修改灵活方便，可实现先进复杂控制算法，调节品质高。,4. 系统信息资源的共享性好。,5. 易构成复杂控制系统型式。,结 论,自动化技术的发展水平是一个国家在高技术领域发展水平的重要标志之一，它涉及到工农业生产、国防建设、商业、家用电器、个人生活诸多方面。,接上页,而自动化技术以及控制科学与工程学科未来的发展越来越离不开计算机的参与，要使我国的自动化水平达到新的水平还需要大家的努力。,接上页,另一方面，自动化学科仍然是一门很有发展前途的学科，是一门理论紧密联系实际的学科，但又是一门充满挑战的学科。,1.工业控制机的技术特点2.工业控制机的总线概念及分类3.总线标准4.工业控制机IPC、PLC、单片机数字控制器的基本组成简介,第2章 工业计算机简介,本章要点：,工业控制计算机简介（1）,工业控制计算机是将PC机的CPU高速处理性能和良好的开放式的总线结构体系引入到控制领域，是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。,工业控制计算机简介（2）,工业控制计算机是“应用在国民经济发展和国防建设的各个领域、具有恶劣环境适应能力、能长期稳定工作的“加固型计算机”，简称“工控机” “ IPC ” 。,计算机控制系统硬件集成技术重要组成部分,工业控制计算机,总线技术,嵌入式产品,PLC,1.可靠性高 平均无故障工作时间(MTBF)达到几万小时。全钢化工业机箱，采用总线结构和模块化设计技术 。 2.实时性好 配有实时多任务操作系统(RTDOS)，便于多任务的调度和运行。,2.1 工业控制机的特点,工业控制机的特点1、2,2.1 工业控制机的特点,工业控制机的特点3、4,3.环境适应性强 对温度湿度变化范围要求高；有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力;有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力及高共模抑制的能力。4.模块化设计 完善的I/O通道如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。,5.系统扩充性好 便于输入和输出功能模板的系统扩展。6.系统开放性 吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。 7.控制软件包功能强 如组态软件。,工业控制机的特点5、6、7,2.2 工业控制机的总线及分类,2.2.1总线的概念,总线的定义：一组公用线的集合。它规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性，为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路，符合某种总线的标准。,总线技术,通道控制功能,使用方法,仲裁方法和传输方式等,总线结构,总线与总线接口一起便称之为总线结构。,总线结构连接示意图,总线结构连接的优点,结构由面向CPU变为面向总线。 硬件、软件模块化设计与生产，便于灵活组态、扩充、改进与升级。 符合同一总线标准的产品兼容性 强，容易构成各种用途的计算机应 用系统。,2.2.2 总线的类别,内部总线（Internal Bus),用于计算机内部模块（板）之间通信。,根据总线的功能和应用场合分类：,局部总线,在传统的ISA/EISA总线和CPU总线之间增加的一级总线或管理层，这是因为ISA/EISA已远远不能适应系统高传输能力的要求，如PCI。,外部总线（External Bus),外部总线 通讯总线 用于计算机之间或计算机与设备之间通信,根据总线的结构分类：并行总线串行总线,并行总线、串行总线,所有信号复用一对信号线,每个信号都有自己的信号线,数据、地址、控制、电源总线,数据总线D：地址总线A：控制总线C：电源总线P：,计算机内部总线结构示意图,决定总线性能的因素,总线时钟频率总线宽度总线传输速率,即总线工作频率，单位：MHz，如ISA总线为8MHz、PCI总线为33.3MHz,数据总线的位数，单位：bit，如IBM PC总线为8bit，PCI总线为32bit。,总线带宽，在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/s，每秒处理多少兆字节。,传输速率=总线时钟频率总线宽度/8,它们之间的相关计算公式：,2.2.3工业控制机分类,按照所采用的总线标准类型可将工业控制机分成下列四类：,1. PC总线工控机,2. STD总线工控机,3. VME总线工控机,4. 多总线工控机,（1） PC总线工控机,PC总线工控机有ISA总线、VESA局部总线（VLBUS）、PCI总线、CPCI总线、PC104总线等几种类型工控机，主机CPU类型有x86、 Pentium、双核等 。,（2） STD总线工控机,STD总线工控机 采用STD总线，主机CPU类型有80386、80486、Pentium 等，另外与STD总线相类似的尚有STE总线工控机。,（3）VME总线工控机,VME总线工控机 它采用VME总线，主机CPU类型以Motoro1a公司的M68000、M68020和M68030为主。,4. 多总线工控机,多总线工控机 它采用MULTIbus总线，以INTEL工控机为代表，主机CPU类型有80386、80486、Pentium等。,广义而言，工控机的类型更广些，主要有IPC工控机，PLC可编程序控制器，专用控制机以及其他类型的工控机，如单回路或多回路智能控制器等。,接上页,2.3 总线标准,由于历史的原因，目前存在有多种总线标准，国际上已正式公布或推荐的总线标准主要有VME总线、MULTIBUS总线 、STD总线、PC总线及PCI总线等。这些总线标准都是在一定的历史背景和应用范围内产生的。,PC总线是IBM PC总线的简称,随着CPU的更新换代，PC总线也随之扩充，诸如支持80286CPU的ISA总线、支持80486和奔腾系列的VESA总线、PCI总线等。 目前，工业控制用的PC总线现在已逐渐演变为一种总线系统的总称，包括ISA总线PCI总线和PC/104总线等。,2.3.1 STD总线,STD总线是Prolog和Mostek公司联合开发、于1978年12月推出的8位工业微机总线，正式标准为IEEE961标准。,接上页,STD总线开始推出时，是针对当时的8位微型计算机的，随着技术的发展和应用的需要，STD总线经过修订和改进，利用总线周期窃取和复用技术，在原定义的56个总线信号之下，实现了STD总线支持20位地址，寻址1MB的直接寻址能力。,接上页,在保证同现有IO插件板兼容的条件下，提供全16位数据的传送能力。STD总线已由56个信号发展到114、136个信号。1989年美国的EAITECH公司开发出了32位的STD32。目前，国内工业自动控制领域中比较有影响的工控产品公司如航天部502所康拓公司、北京宏拓公司等仍在批量生产STD总线系列产品。,STD总线具有较好的兼容性，可以向上向下兼容。例如，8位的STD产品可以与新标准的16位或32位STD产品一起工作。,STD总线的特点,(1) STD总线具有较好的兼容性,(2) STD总线的电路板采用小板结构,STD总线的电路板采用小板结构，因此，它的机械强度大，抗振动、冲击能力强。此外，小板结构成本低，宜于被中小用户所接受。小板结构还有一个优点是功耗小、散热容易，而且机柜尺寸小。,(3) STD总线采取一整套高可靠性措施,STD总线采取一整套高可靠性措施，这是因为STD开始就是作为一种工业控制总线而推出的，使该总线构成的工业控制机可以长期可靠地工作于恶劣环境之下。,(4) STD总线结构简单,STD总线结构简单，并能支持多微处理器系统，是一种规模小且性能好的系统总线。,ISA总线是在PC总线的基础上，由Intel公司、IEEE和EISA集团共同推出的一种总线标准。1987年IEEE正式制订了ISA总线标准。前面已经提到，目前在微型计算机中使用的系统总线有ISA总线和PCI总线。,2.3.2 ISA总线,实际上，PCI总线本身就是局部总线，ISA总线在现代的微机中已经不是系统总线了，只是用来连接一些采用ISA总线标准的外部设备。,ISA总线引脚图,ISA共有98根信号线，数据线宽度为16位，地址线宽度为24位，总线时钟为8MHz。,8位基本插槽有62芯独立使用只能有8位的数据宽度和20位的地址 。,16位扩充插槽有36芯,ISA总线信号定义,SA0SA19 (输入/输出,第A3112脚), 为20位地址线。用于系统中的存储器及IO装置的寻址。加上LA17LA23，就可以对最多达到16MB的存储器空间进行存取操作。,用于输入、输出接口的信号线定义如下：,LA17LA23 (输入、输出，第C8C2脚) 为地址线。为非锁存信号。它们用于系统中的存储器及I/O装置的寻址。,接上页,接上页,SD0SD15 (输入、输出，第A9A2脚、C11C18脚) 为微处理器、存储器和IO装置提供16位数据总线，SD0是最低有效位，SD15是最高有效位。,接上页,IRQ3IRQ7，IRQ9IRQ12，IRQ14IRQ15 (输入第B25B21，B4，D3D7脚)为中断请求信号。用来通知微处理器注意IO装置的请求。这些中断请求具有优先次序。,(输入输出，第B14脚) 为 IO读信号，它指示IO装置把数据送到数据总线上。 (输入输出，第B13脚) 为 IO写信号，它指示IO装置读取数据总线上的数据。,接上页,接上页,AEN (输出，第A11脚) 为地址允许信号，用于把微处理器及其他装置从IO通道上释放以便能够执行DMA传送。当此线有效时，DMA控制器将控制地址总线、数据总线、读命令线及写命令线。,接上页,(输入，第D2脚) “IO 16位芯片选择”用来通知系统主板，当前的数据传送是一个16位的，等待状态的IO周期。它的驱动来自地址的译码。,2.3.3 PCI总线,PCI是Peripheral Component Interconnect (外设部件互连)的缩写。PCI是1991作为一种先进的局部总线提出来的，在现代微型计算机的多总线结构中，已成为连接外部设备的主要总线。,接上页,或者说，在现代微型计算机系统中，作为用户来说直接接触的不是系统总线，而是类似PCI这样的局部总线。在有些资料中，也把这样的总线称为系统总线。目前，在工控机上已普遍应用 PCI总线。,和ISA总线相比，PCI总线具有以下特点:,1.高性能,PCI总线是32位64位总线；而ISA总线只是8位16位总线。 PCI总线工作频率为33 MHz，可以满足多媒体接口利网络接口对于传输速率的要求。PCI标准支持一种称为线性突发的数据传送模式。,2.通用性好,PCI总线是一种不依附于某个具体CPU的局部总线，不会因为CPU的更新换代而失效。一组CPI总线可以连接10台外设。如果需要，还可以通过多PCI总线，连接更多的设备。PCI总线也支持总线主控技术。,3.低成本,PCI总线通过使用专用的PCI组件，提高电路和器件的集成度，减少模块之间的连线，减少印刷电路板的大小，PCI部件的部分引脚采用了分时复用技术。地址总线和数据总线是复用引脚，减少了引脚的数量，优化了设计，降低制造成本。,4.使用方便,PCI总线独立于CPU的结构，将CPU系统与外部设备分开，外部设备的接入，不会降低系统的性能和可靠性。用户不用担心CPU的速度和外设速度不一致。,接上页,PCI总线能够自动配置参数，支持PCI总线扩展板和部件。PCI部件内置有配置暂存器，系统启动时会利用常驻软件自动设定配置。安装扩展卡时，就不需要工人调整跨接线或者DIP开关。,PCI总线的系统结构示意图,PCI总线的信号线分布示意图,2.3.4 PC104总线,传统的工控机采用19英寸的工控机机箱，因尺寸太大不能够满足嵌入式的需要，但又不想摆脱PC机的标准硬件软件和体系结构，这样，美国AMPRO公司率先推出PC/104的嵌入式标准。,接上页,1992年初，几家嵌入式厂商成立了PC/104协会，并把PC/104模块定为IEEEP996.1国际标准。现在，国际上140多家公司开发了几百种PC/104模块。,接上页,PC/104总线有两个总线插头，其中P1有64个引脚，P2有40个引脚，共有104个引脚，故称之为PC/104总线总线。总线和整机除小型化的结构外，在硬件和软件上与PC总线完全兼容。,PC104总线工控机的特点：,(1)使用超小型的模块,全部模块都按着PC/104标准设计。采用栈接式、模块化结构。采用自堆总线结构，取消了底板及插槽，利用模板的堆装总线插头座，把各模板堆叠连接在一起。整个系统结构紧凑，体积小，抗干扰性强，可靠性高。,(2)总线驱动电流小(6 mA)，低功耗(12 w),为适应小型化的要求，各模板采用VLSI器件、门阵列、ASCI专用集成芯片及大容量的SDD固态电子盘。,(3) PC/104总线与通用PC系列微机兼容,目前，具有奔腾133MHz的CPU卡，卡上有两个串口，两个可以都是RS232标准串行口，也可以选择其中一个为485串行口；还有并行口，键盘接口。CHIP DISK的FLASH ROM组成的电子盘可达到4288MB。,接上页,其他配套模块有模数转换和定时器卡，输入输出卡，软盘和硬盘，显示(VGA)驱动卡，平板显示器，LCD驱动卡，电子盘卡等。,PC/104总线外形图,2.4 IPC的基本组成,典型的工控机主要由以下几个部分组成：,1.加固型的工业机箱,2.工业电源,3.一体化主板,4.无源母板,5.其他部件,典型工控机机箱示意图 。,1. 加固型的工业机箱,(1)19吋标准工业机箱,由于工控机应用于比较恶劣的工业现场，因此，必须采取各种加固措施。具体措施包括：,(符合IEA RS310)，全钢结构，适合工业环境，具有防电磁干扰能力。,(2)双冷却风扇,分别安装在前面板及后面板电源单元中, 由于前风扇为进风，后面风扇为排风，在设计上使得进风量大于排风量，从而保证了机箱内的正压力，防止灰尘侵入，防止腐蚀性气体进入。,(3)前风扇处安装有可拆卸式过滤罩，用于空气过滤。,在前面板安装一个带锁门，门内装有磁盘驱动器，电源开关，复位开关和指示灯。平常工作时将门关闭，锁好，以防止灰尘侵入，对磁盘工作予以保护，同时也防止了他人的误动作影响主机的运行，保证了运行的安全。,(4)防尘与保证运行安全的带锁门,(5)防震可调节夹钳,可调节上下高度，带有橡胶缓冲体，用于模板压紧，提高抗震能力。,(6)指示灯,1个LED指示电源上电(绿色) 1个LED指示键锁状态 (keyboard-Lock) 一个LED指示硬盘驱动器在工作(红色),(7)开关,电源开关(ONOFF) 复位开关(RESET) 键盘锁键(keyboard-Lock)。,2. 工业电源,采用特殊设计的高可靠性电源装置。除了能适应较宽幅度电压变化外，还具有抗浪涌电压以及过压、过流保护措施，同时，还要求有很好的电磁兼容性。,3一体化主板,主板是工控机的核心部件，所采用的元器件都经过严格筛选，并满足工业标准。现在的工控主板所使用的CPU都采用Pentium、双核芯片，也有采用其他厂家的芯片。,接上页,所谓一体化主板，是指在主板上集成了通信接口(RS-232、RJ-45等)、外设接口(IDE、FDD、键盘、鼠标)、RAM插槽(168线、72线)，有的还有显示器接口(CRT、LCD等)，如下图所示。,接上页,主板一般采用标准总线，如ISA、PCI、Compact PCI等。除此之外，还有一种单板计算机主板，在这种主板上，除了集成了以上功能外，还有IO接口，可以方便地构成嵌入式系统。,IPC-586VDNH(GX)CPU卡,一体化主板示意图,4无源母板,现在按总线标准生产的工控机，基本上采用大母板结构。对于商业级主板，往往只能提供4根到最多5根的PCI插槽，其中受制于PCI 规范，同时只能使用4根，而且对于PCI 4，驱动能力有相当大的衰减，因此大多数商用主板仅提供3根PCI槽。,接上页,而工业级主板，由于其设计用料的工业性，其对PCI插槽的支持可以轻而易举的实现对5根 PCI的支持，同时不会造成PCI驱动能力的衰减。同时可以支持对高带宽的PCI-X设备。,接上页,工控机在母板上只是提供了总线通道，一块母板上有1020个插槽，除了一个用于插主板，另一个用于插显示板外(如果主板上没有显示器接口)，其他的插槽可以供用户插各种IO模板。 通过采用大母板结构，主板可以垂直安放，大大地减少了灰尘及震动的影响。其中主板插在母板的1个ISA插槽上。,IPC-6114P4A14槽底版,无源母板示意图,硬盘： 由于主板上已经有了硬盘驱动器接口，用户可以根据自己的需要配置硬盘驱动器。对于震动比较大的地方，也可以使用电子盘来取代硬盘。,5. 其他部件,键盘：可以使用一般的101标准键盘，为了防尘也可以使用薄膜键盘。显示器：可以使用一般CRT显示器，也可以使用液晶显示器，必要时还可以使用触摸屏。软盘: 主板上有软盘驱动器接口，用户可以根据自已的需要配置软盘驱动器。,键盘、显示器、软盘：,2.4 可编程控制器PLC,2.4.1 PLC的基本组成,PLC是一种以微处理器为核心的用作控制的特殊计算机， PLC的逻辑框图如下图所示。,PLC逻辑框图,一般的中型可编程控制器多为双微处理器系统。一个是字处理器，多为8位或16位 的微处理器另一个是位处理器，也称布尔处理器。,2.4.2 PLC各组成部分,1.中央处理单元CPU,2.存储器,在可编程控制器系统中，存储器主要存放系统程序、用户程序及工作数据。由PROM，EPROM，EEPROM，MMC及RAM等组成。,3.输入输出部件,IO单元主要类型有：数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出等。,2.5 单片机,单片机实现过程控制的典型结构原理框图如下：,2.6单回路数字调节器,单回路数字调节器(Sing1e Strategy Controller，简称SSC)是一种以微处理器或单片微型计算机为核心，能完成生产过程14个回路直接数字控制任务的数字控制仪表，其结构原理如下图所示。,单回路数字调节器的结构原理,MPU单元是调节器的核心，它包括微处理器(或单片微机)、系统存贮器(PROMEPROM、EAPROM、RAM)、时钟、Watchdog和接口电路等。SSC能通过编程组态的方法，方便地组建和修改控制系统。故又称为可编程调节器。,MPU单元,通信单元(通信接口),使SSC能与集中监视操作站、上位机通信，组成多级微机控制系统，实现各种高级控制和管理。,SSC,SSC包括几十种运算、控制模块。运算模块不仅能实现各种复杂组合的四则运算，还能完成函数运算和逻辑运算。 SSC还有断电保护和自诊断功能，提高了系统的可靠性。,第3章 计算机控制系统输入输出接口技术,本章要点：,1. AD转换器的外部特性、模拟量输入接口和通道设计,接上页,2. DA转换器的输入输出特性、模拟量输出接口和通道设计3. 开关量输入输出通道的一般结构形式、开关量输入DI和开关量输出驱动电路DO设计4. IPC、DCS、PLC输入输出通道举例,计算机控制系统的输入输出接口（经常被称作生产过程通道）是计算机与生产过程或外部设备之间交换信息的桥梁。,接上页,接上页,用于过程控制计算机的输入输出接口可以分为：,模拟量输出接口模拟量输入接口开关量（数字量）输入输出接口,3.1模拟量输入接口技术,模拟量输入接口一般由接口电路、控制电路、模数转换器和电流电压（I/V）变换器等构成。,核心是模数转换器，简称 AD,3.1.1 AD转换器主要参数,AD转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。,常用的AD转换方式有逐次逼近式和双斜积分式。,逐次逼近式：,转换时间短（几个微秒几百个微秒），但抗干扰能力较差。,常用的型号：,双斜积分式：,转换时间长（几十个毫秒几百个毫秒），抗干扰能力较强。,常用的型号：,指完成一次模拟量到数字量转换所需要的时间。,AD转换器的主要技术指标:,转换时间：,分辨率：,表示AD转换器输出数字量最低位变化所需输入模拟电压的变化量。 用数字量的位数n（字长）来表示，如8位、12位、16位等。,线性误差：量程：,在满量程输入范围内，偏离理想转换特性的最大误差定义为线性误差。量程：即所能转换的输入电压范围，如: -5V+5V，010V，05V等。,3.1.2 AD转换器的外部特性,从使用的角度来看，任何一种AD转换器芯片一般具有以下输入输出信号线：1转换启动线（输入）： 由系统控制器发出的控制信号，此信号有效，转换开始。,接上页,2转换结束线（输出）：,转换完毕后由AD转换器发出的状态信号，由它中断或DMA传送，或作查询之用。,3模拟信号输入线：,来自被转换的对象，有单通道输入与多通道输入之分。,4数字信号输出线:,由A/D转换器将数字量送给CPU的数据线。数据线的根数表示AD转换器的分辨率。,各厂家的AD转换器芯片的转换启动和转换结束信号命名如下：,表3.1 几种AD转换器芯片的引脚对照表,在选择和使用AD转换器芯片时，除满足转换速度和分辨率要求之外，要注意AD转换器的连接特性，有以下几点：,选择和使用AD转换器芯片要点：,接上页,（1）AD转换器芯片的转换启动 信号是用电位启动还是脉冲沿 启动。 （2）AD转换器芯片内是否带有三 态门输出锁存器来输出数字量。（3）输出数字量的形式，是二进制 还是BCD码。,3.1.3 12位A/D转换器芯片AD574A,AD574A是分辨率为12位的 A/D转换器芯片，下图为AD574A原理结构框图。,图3.1 AD574A结构框图,AD574A的输入信号连接方法,VDD、VEE：模拟电路电源输入线。AGND：模拟电路接地线。 VCC： 数字电路电源输入线。DGND：数字电路公共接地线。,AD574A各引脚特性如下：,电源及接地,模拟量输入,REF IN：A/D转换基准电压输入线。REF OUT：内部基准电源输出线。10Vin、20Vin、BIP OFF：模拟电压信号输入线。,数字量输出,控制信号,D0D11转换数据输出线， D0最低有效位LSB，D11最高有效位MSB。,控制信号,控制信号,控制信号,A0：字节选择控制输入线。,A/D转换器与计算机接口的主要设计任务是硬件连接及控制程序设计。要解决以下三个方面的问题。,3.1.4模拟量输入接口设计,1. 模拟量输入接口设计技术,(1)数据输出线的连接方式,当AD转换器内部设置数据锁存器及三态控制时，可直接挂在CPU的数据线上；若AD转换器内部无三态输出控制，则须通过IO接口，该接口可以是系统可编程的并行接口(如Intel8255)，也可以是带有三态控制的数据锁存器(如74LS373)。,(2)选通信号、启动转换及读出控制信号的连接方法,AD转换是在片选信号选通后再发启动转换信号，该信号由地址译码及读写控制信号共同产生。,接上页,转换结束信号为电平信号(高或低)，用它向 CPU申请中断或CPU对其状态进行查询。读出控制用于控制AD内的三态输出锁存器，以实施读操作。,AD转换器常用的电源有两种：工作电源和参考电压源。,(3)电源和地线的处理,参考电源引出线的接法要根据转换信号的极性来接。,接上页,在AD转换器的接口电路中，有数字地(逻辑电路的返回端)、模拟公共地(模拟电路返回端)及信号地。,在连接时，应一点接地，以避免形成地环流。,(4)与计算机信息传递的方式,AD与CPU信息传递常用的方式有：,程序查询式,延时采样方式,中断方式和DMA方式,1) 程序查询式：,CPU先向AD转换器发出启动转换信号，然后读入“转换结束”信号，当状态满足时即读入数据，否则继续查询。,2) 延时采样方式：,CPU先向AD发出启动转换信号，然后软件延时，延时时间取决于AD转换速度。,3) 中断方式：,CPU发出AD转换信号启动转换后即去做其它工作，一旦AD转换结束，即由“转换结束”信号向CPU申请中断，CPU一旦响应中断即读入数据。,4) DMA方式：,数据从AD转换器接口直接送到存储区，不经CPU中转，使传输速率大大提高。但还需要作一些DMA传送开始前的准备，如选定传送通道及工作模式、开放DMA请求以及设定传送总字节数和存储器地址等。传送完毕，屏蔽DMA请求，撤销DMA回答，释放总线，并交回CPU。,双向缓冲器74LS245用于数据缓冲。,2. 模拟量输入接口方式,1）延时采样接口方式,接上页,图3.2 AD574延时采样接口,接上页,系统地址A0接AD574的A0，当用偶地址假写AD574时，启动进行12位AD转换；否则，进行8位AD转换，当用偶地址读AD574时，读出高8位，否则读出低4位。,采集程序如下：,2） 程序查询接口方式,接上页,图3.3 AD574程序查询接口,查询采集程序如下：,3.1.5 模拟量输入通道,模拟量输入通道的一般结构如下图所示,图3.4 模拟量输入通道的组成结构图,对于420mA输入信号：取 R1100 R2250（R2为精密电阻）,1. IU变换, 无源IU变换,滤波和输出限幅保护,取 R1200， R3100K， R425K，该同相放大电路的放大倍数为：则420mA输入对应于15V的电压输出。, 有源IU变换,有源IU变换电路,选用多通道A/D器件如ADC0809、ADC0816若对转换精度要求高，可增加模拟开关来实现多通道的A/D转换每个模拟输入通道用一片A/D转换器件。缺点是硬件成本成倍上升，体积成倍增加,2. 多路转换器,实现多路转换方法：,接上页,多路开关CD4051,CD4051原理图,CD4051真值表,多路模拟开关的扩展电路,程控放大器的增益由计算机的程序控制。程控放大器反馈电阻网络可变且受控于控制接口的输出信号。,3.程控放大器,多挡程控同相放大器使用四选一模拟开关来切换反馈电阻Rf ，实现四种不同的闭环增益。,多档程控同相放大器图,程控增益表,过程控制中计算机要获得原始信息，则应对模拟信号进行采样与量化，即将其转化成数字信号。,4. 采样保持电路,接上页,模拟信号：离散模拟信号：数字信号：,信号的转换过程（图）,(1)信号的采样,采样过程是按一定的时间间隔T，把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，转变成在时刻0、1T、2T、kT的一连串脉冲输出信号的过程称为采样过程。,接上页,执行采样动作的开关S称为采样开关或采样器。 称为采样宽度，代表采样开关闭合的时间。,接上页,采样器的输入信号 y(t)称为原信号采样后的脉冲序列y*(t)称为采样信号，是一个离散的模拟信号。 采样开关每次通断的时间间隔T称为采样周期。,香农(Shannon)采样定理：,如果模拟信号（包括噪声干扰在内）频谱的最高频率为 fmax，只要按照采样频率 f2fmax 进行采样，那么采样信号y*(t)就能唯一地复现y(t)。,接上页,采样定理给出了 y*(t) 唯一地复现 y(t) 所必需的最低采样频率。,(2)量化：,所谓量化就是采用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。,接上页,字长为n的AD转换器把yminymax范围内变化的采样信号，变换为数字02n，其最低有效位(LSB)所对应的模拟量q称为量化单位。,(3)采样保持器,1)孔径时间和孔径误差的消除。,完成一次AD转换所需的时间称之为孔径时间tA/D 。,孔径时间决定了每一个采样时刻的最大转换误差，即为孔径误差。,由tA/D 引起的误差,如图正弦模拟信号，如果从t0时刻开始进行A/D转换，但转换结束时已为t1，模拟信号已发生U的变化。因此, 对于,一定的转换时间，最大的误差可能发生在信号过0的时刻。因为此时dU/dt最大，孔径时间tA/D一定，所以此时U为最大。,接上页,令 U=Umsint,式中，Um为正弦模拟信号的幅值；f 为信号频率。,接上页,在坐标的原点上,取t = tA/D，则得到原点处转换的不确定电压误差为:,U=2f Um tA/D,误差的百分数为：,由此可知，对于一定的转换时间tA/D，误差的百分数和信号频率成正比。为了确保A/D转换的精度，只能限制信号的频率范围。,例:,例如一个10位的AD转换器(量化精度0.1)，孔径时间10s，如果要求转换误差在转换精度内，则允许转换的正弦波模拟信号的最大频率为,若要提高信号频率，则对AD转换速度要求将相当苛刻。 解决的方法就是在AD转换之前加采样保持器。,2)采样保持原理,保持器把 t = kT时刻的采样值保持到AD转换结束。T为采样周期，k=0，1，2，为采样序号。,采样/保持器的工作原理图,最简单的采样保持电路是由电容器和开关组成,使用运放典型的采样保持器电路,采样保持电路, 采集时间（捕捉时间）：指从采样开始到输出稳定之间的时间。 转换速率：指输出变化的最大速率，单位Vs。 孔径时间：从采样转入保持时，采样开关完全断开所需的时间。 下跌率（衰减率）：在进入保持阶段后，由于开关的漏电流及保持电容泄漏,输出电压会下降，以mVs表示。,3）采样保持器的主要参数,通常，采样保持器可分为三种：,4）常用的采样保持器芯片,在采样保持器能满足需要的性能指标前提下，应尽量选用单片IC采样保持电路，其次考虑混合型，最后才考虑模块型。,常用的集成采样保持器,常用的集成采样保持器有:,LF398原理及典型应用,LF398典型应用,LF398原理,LF198298398引脚功能如下：,Uin为模拟电压输入。Uout为模拟电压输出。 逻辑及逻辑参考电平用来控制采样保持器的工作方式。 偏置为偏差调整引脚。可用外接电阻调整采样保持的偏差。,接上页,CH为保持电容引脚。,V+，V-为采样保持电路电源引脚。,减小CH可提高采样频率，但会降低精度。应根据精度和AD转换时间折中选取。,3.1.6模拟量输入通道的隔离,隔离的必要性:,1. 隔离技术,隔离方式 :,(1)隔离放大器,模拟信号的隔离常使用隔离放大器。,隔离放大器可分为:,变压器耦合,光耦合隔离放大器,1）变压器耦合隔离放大器,变压器耦合隔离放大器由滤波、放大、增益调节、调制、隔离变压器、解调、滤波及输出级（或带增益调节）等部分组成。,AD202/AD204隔离放大器,Vo=KVi,图3.16 AD202/AD204隔离放大器,AD202/AD204主要特点如下：,高精度，最大非线性度为0.025%；高共模抑制比（CMRR）为130dB；低功耗，75mW（AD202）及35 mW （AD204）；宽频带，可达5kHz（AD204）；高绝缘级别，CMV为连续2000V。,2）光耦合隔离放大器,图3.17 ISO100隔离放大器简化电路,ID1=ID2IiVo= -ID2 RF= Ii RF,ISO100光耦合隔离放大器,ISO100是利用一个发光二极管和两个光敏二极管耦合，使输入信号与输出信号隔离开来。,接上页,将发光二极管的光反相送回输入端（负反馈），正相送至输出端，从而提高了放大器的精度、线性度和时间、温度的稳定性。其输入为电流信号，若进行电压输入，则利用一外接