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第三章 计算机输入输出接口技术 计算机控制系统 第三章 输入输出接口技术 本章主要内容 模拟量输入接口 模拟量输出接口 数字量输入输出接口 计算机控制系统通道概述 第一节 计算机控制系统中通道技术一、前向通道的内容与结构特点 作用:把生产过程中的模拟量信息提供给计算机。 二、前向通道设计中应考虑的问题 前向通道必须考虑信号拾取、信号调节、A/D转换、电源配置和防止干扰等问题。 1.信号的拾取方式 :通过敏感元件拾取被测信号 2、通过传感器拾取被测信号 传感器测量的输出一般为电压、电流或频率量。 电流输出信号需转化为电压信号后与A/D电路相连。 输出频率量传感器精度高、抗干扰能力强,便于远距离传送,它需采用特殊的转换方法才能变为二进制数字量。 3、通过测量仪表拾取被测信号 测量仪表采用标准化输出信号,如电压信号为0~5V、±5V、0~10V、±2.5V等范围,而电流信号则为4~20mA、0~10 mA等范围,经适当处理后(如I/V变换、滤波)后可直接与A/D电路相连。 2。信号的调节:信号放大与处理 任务:将传感器信号转换成满足A/D电路要求的电平信号。包含小信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、压力补偿、误差修正、量程切换等信号处理电路。部分信号处理工作可由计算机软件完成。 3.模—数转换方式的选择 V/F变换方式:将信号电压变换为频率量,由计算机或计数电路计数来实现模拟量转化为数字量。 A/D转换电路: 4.电源配置 考虑对传感器、不同的信号调节电路中的芯片对电源的要求。 模拟输入通道与生产现场联系较紧,而且传感器输出信号较弱,电源配置时要充分考虑干扰的隔离与抑制。 5.抗干扰措施 在信号的拾取与传送过程中来自生产现场的干扰因素很多,在设计过程中应采用可靠的抗干扰措施,如隔离、滤波等。 第二节前向通道中的信号调节与信号调节器 前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内,如0-5VDC; 对单纯的微弱信号,可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图3-5所示,信号源的一端若接放大器的正端为同相放大,同相放大电路的放大倍数G =1+R2/R1; 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大,反相放大电路的放大倍数G =-R2/R1。当然,这两种电路都是单端放大,所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。 图3-5 放大电路 测量放大器 在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰, 而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。 因此,A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器,也称仪表放大器,如图所示。 经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构,测量放大器的差动输入端VIN?和VIN?分别是两个运放A1、A2的同相输入端,输入阻抗很高,而且完全对称地直接与被测信号相连,因而有着极强的抑制共模干扰能力。 图中RG是外接电阻,专用来调整放大器增益的。因此,放大器的增益G与这个外接电阻RG有着密切的关系。增益公式为 目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种,如AD521/522、INA102等。 可变增益放大器 在A/D转换通道中,多路被测信号常常共用一个测量放大器,而各路的输入信号大小往往不同,但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此,对应于各路不同大小的输入信号,测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器,如图。 把图的外接电阻RG换成一组精密的电阻网络,每个电阻支路上有一个开关,通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益,根据开关支路上的电阻值与增益公式,就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2、4、8、16、32、64、128、256倍。显然,这一组开关如果用多路模拟开关(类似CD4051)就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有AD612/614等。 三、隔离放大器特点:具有一般通用运放的特性,信息传递是通过磁路和光路来实现作用:在输入电路和输出电路之间实现电隔离常用器件:Model277、ISO122/124程控增益运算放大器作用:在多通道或多参数的模拟输入通道共用一个测
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