第二章计算机控制原理之过程通道和数据采集系统详解.ppt

第2章 过程通道和数据采集系统 采样器的闭合时间τ通常远远小于采样周期T，也远远小于被控对象连续部分的所有时间常数。在分析时，可以认为τ= 0 。这样，采样器就相当于一个理想采样器，它等效于一个理想的单位脉冲序列发生器，能够产生以T为周期的单位脉冲序列，其数学表达式为： 理想采样器的输入信号和采样器的输出信号之间存在下面的关系 由于在整个控制过程中，采样周期一般是不变的，所以 x*(t)也可以记为x(kT)或简记为x(k)。由上所述，在理想采样器的作用下，采样过程如图2-3所示。 采样定理给出了合理选择采样周期的理论指导原则，在计算机控制系统中对采样周期的选择要折中考虑许多因素。在实际中，采样频率通常取 ，或者更高。 对于工业过程，人们在实践中总结了如下经验数据可供参考： 将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程或整量化过程。 3.编码 1．零阶保持器 如果取两个采样点的中点做平滑，平滑后的信号与原来连续信号 相比有1/2个采样周期的滞后，成为 ，如图2-7所示。因此，无论采样周期T 取多么小，经零阶保持器恢复的连续信号都是带有时间滞后的。一般情况下，采样周期T 都很小，可以将这种滞后忽略。 2．零阶保持器的数学模型 由此可以看出，零阶保持器的传递函数为 零阶保持器的幅度谱随着频率的增高而逐渐减小，是一个低通滤波器，但并不是一个理想的低通滤波器，高频分量仍能通过一部分。因此，经零阶保持器恢复的连续信号与原来的信号有一些差别。另外，信号通过零阶保持器之后会产生滞后相移， 比 平均滞后 ，采样周期越大，滞后越大，相当于引入一个纯滞后环节，这对闭环系统的稳定性是不利的。 3．零阶保持器的实现 式（2-16）可以用图2-9所示的RC无源网络来实现。 假如取级数的前3项，则 ① 电流信号：一般为0~10mA（0~1.5kΩ负载）或4~20mA（0~500Ω负载）。 ② 电压信号：一般为0~5V或1~5V信号。 以上这些信号往往不能直接送入A/D转换器，对于较小的电压信号需要经过模拟量输入通道中的放大器放大后，变换成标准电压信号（如0~5V，1~5V，0~10V，-5~+5V等），再经滤波后才能送入A/D转换器。而对于电流信号应该通过I/V（电流/电压）变换电路，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器。 I / V变换电路主要有两种形式：无源I / V变换电路和有源I / V变换电路。 利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。这里R1应该取精密电阻。该放大电路的电压放大倍数为 RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将4~20mA输入信号转换为0~5V输出信号，具有很高的性价比，它包含一个高级运算放大器，一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准，其总转换精度为0.1%，共模抑制比可达86dB，共模输入范围达±40V。 RCV420电源和信号的基本接法如图2-16所示。 引脚排列如图2-26所示。 各引脚功能如下： LF398典型的电源和信号的接法如图2-27所示。 只要改变输入控制逻辑电平，即可控制采样/保持器的工作状态。当输入控制逻辑为高电平时，为采样状态，此时输出随着输入变化；当输入控制逻辑为低电平时，为保持状态，此时，输出保持不变。保持电容CH可选用漏电流较小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容。CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但CH增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（±1%）而速度要求较高时， CH可小至100Pf。当精度要求高（±0.01%）时，应取CH =1000pF。当CH ≥400pF时，采样时间tAC与CH有经验公式 （1）固定增益放大器 图中 数字可编程控制增益： PGA202 的增益倍数为1、10、100、1000; PGA203 的增益倍数为1、2、4、8 。 增益误差: G 1000 0.05%~0.15%; G = 1000 0.08%~0.1% 非线性失真: G=1000 0.02%~0.06% 。 快速建立时间:2μs。 快速压摆率: 20V/μs。 共模抑制比: 80~94dB。 频率响应: G 1000 1MHz; G=1000 250kHz 电