第二章過程通道2.1過程參數采樣原理2.2模擬量輸入通道2.3D/A、A/D轉換技術2.4模擬量輸出通道2.1過程參數采樣原理2.1.1采樣過程與數學描述2.1.2采樣定理2.1.3采樣周期選擇2.1.4多路采樣裝置X(t)X*(t)X(t)t0P(t)KT05T3TT7T1(a)采樣開關(b)連續信號(c)開關函數2.1.1采樣過程與數學描述X*(t)kT05T3TT7T1調制器X(t)X*(t)P(t)(d)采樣信號(e)采樣過程x*(t)=p(t)x(t)τ0＜＜T因，所以分析時可近似認為τ0為0，以單位脈沖函數δ(t)代替p(t)。理論表達形式：δ(t)＝{0∞

t=0t≠0工程表達形式：δ(t)＝{01

t=0t≠0單位脈沖序列：δT(t)kT0數學表達式：單位脈沖函數定義：采樣過程數學描述:考慮物理上可實現，又可近似為：可見，x*(t)具有離散信號的特性。2.1.2采樣定理對于角頻率范圍為（）的連續信號進行采樣，當采樣頻率時，采樣器的輸出信號x*(t)就能充分表征原始的連續信號x(t)，換言之，為使采樣信號的頻譜能無失真地恢復原來的連續信號的頻譜，采樣周期T必須小于輸入信號變化最小周期的1/2，即：由于被控對象一般具有低通濾波特性，因而x(t)的帶寬是有限的，其的振幅譜圖如下：（1）（2）2.1.3采樣周期選擇影響采樣周期選擇的因素：（1）加于生產過程的擾動程度；（2）被控過程的動態特性；（3）使用的控制方式和執行機構的類型；（4）被控過程所要求的控制品質指標。采樣周期選取的一般原則：（1）系統受擾動情況。若擾動和噪聲都較小，采樣周期T應選大些；。對于擾動頻繁和噪聲大的系統，采樣周期T應選小些；（2）被控系統動態特性。滯后時間大的系統，采樣周期T應選大些；。對于快速系統，采樣周期T應選小些；（3）控制品質指標要求。若超調量為主要指標，采樣周期T應選大些；。若希望過渡過程時間短些，采樣周期T應選小些；被控參數采樣周期T(S)主汽壓力、汽包壓力、爐膛負壓、凝汽器真空、汽包水位、汽機轉速

1流量、主汽溫度、一般壓力真空和電氣參量3～5一般液位6～8一般溫度15～30成分：15－60采樣周期參考值2.1.4多路采樣裝置為什么采用多路采樣裝置？1、多路采樣器結構組成（1）采樣控制器（2）采樣驅動器（3）采樣開關列驅動器采樣控制器行驅動器A/DI/O計算機I/O采樣開關矩陣現場信號K（1）導通電阻Ron應盡量小，開路電阻Roff盡量大；（2）開關切換時間短、遲延小，穩定時間短；（3）能正確處理微弱電壓電流信號；（4）輸入/輸出之間線性度、穩定度好；（5）工作壽命長。2、采樣開關技術要求3、典型采樣開關介紹1）繼電器式采樣開關類型：。干簧繼電器。濕簧（水銀）繼電器采樣速度：干簧繼電器100點/ST=10ms濕簧（水銀）繼電器200點/ST=5ms＋－UNS氮氣簧片鍍金觸點激磁線圈玻璃管干簧繼電器開關：干簧優點：開路電阻>1000M、閉合電阻<50m受環境溫度影響小。缺點：開閉抖動現象，速度低，吸合不放現象，壽命短。結構：飛渡電容V1VnC1CnRLRc浮地現場模入量至A/D由于放大器輸入阻抗很高，所以飛電容上的信號衰減可忽略不計。2）飛渡電容繼電器特點：。現場（變送器、傳感器）與主系統隔離，抗共模干擾能力強；。信號源內阻與飛電容起到低通濾波作用，對常規噪聲有較強抑制作用；。結點結構復雜，價格高，速度低。07I/OI/OI/OCBACD4051VccVEEVssOUT/ININH雙向8取1交直流開關03I/OI/OI/OBACD4052VccVEEVssOUT/IN(A)INHI/O03ABOUT/IN(B)雙4取1雙向交直流開關3）集成電路模擬電子開關07CBAAD7501VccVDDOUTEN6VSSA7A6A0單向8取1直流開關015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3單向16取1直流開關性能型號Ron()Roff(M)漏電流Is(nA)路數AD7501170~3000.2~28AD7502170~3000.2~2雙4AD75064000.0516CD4051270雙向MC1150L500100158MX53C500250310幾種典型模擬開關電氣性能ViVoutRC網絡變壓器采樣器信號轉換隔離Vi（1）（2）S1S2S3P3P1P2VoutP1P2P3Vout4）變壓器采樣開關變壓器采樣開關特點：（1）每路輸入均采用變壓器隔離，抗共模干擾能力強；（2）開關速度快；（3）結構復雜，價格高。5)采樣保持器適用于一些變化較頻繁信號的檢測，主要作用有以下：（1）保持模擬量信號在采樣A/D期間不變；（2）減少D/A輸出脈沖特性，保證控制信號輸出的連續性；（3）通過一路D/A輸出，把信號分配到多路輸出，實現多路同步動作；（4）實現多路D/A的同步動作。原理組成、保持電容CH、輸入輸出緩沖器、輸入開關及控制電路inputCHA1A2快速充電回路高阻抗運放CH電能損耗小（1）32路模入擴展015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A30～15路模入16～31路模入A3A2A4A1A000－0FH10－1FH4、應用舉例015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3A3A2A4A1A0015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3015A2A1A0AD7506VccVDDOUTEN14VSSS15S14S0A3DCBAA500－0FH10－1FH20－2FH30－3FH注：考慮全譯碼時應將A7,A6加入（2）64路模入擴展2.2模擬量輸入通道2.2.1一般組成2.2.2設計中需考慮的問題生產過程檢測傳感器信號處理信號處理信號處理多路采樣電路K采樣保持A/DI/O接口計算機采樣控制器（1）信號處理（小信號放大、濾波、衰減、阻抗匹配、電平轉換、非線性補償、V/I轉換等）；（2）多路采樣電路；（3）微弱信號放大器K；（4）采樣保持器；（5）A/D轉換器（6）I/O接口。2.2.1一般組成（1）電平統一、信號匹配（一般統一為mA、mv、v）；（2）采用可編程放大器，對于不同幅度的信號，在線調整增益；（3）抗干擾措施：隔離、屏蔽接地、浮置、電源逆變；（4）采樣保持：對于快變信號，需考慮采用采樣保持或有效值轉換器。2.2.2設計中需考慮的問題2.3.1D/A轉換2.3.2A/D轉換2.3.3A/D、D/A主要技術指標2.3.4典型芯片介紹2.3D/A、A/D轉換技術2.3.1D/A轉換組成：基準源、模擬二進制開關、精密電阻網絡、運算放大器1、權電阻D/A網絡（4位權電阻網絡）EK0＋－a323a222a121a020K1K2K323R22R21R20RII/2I/4I/8URf（1）設輸入二進制數字量為4位網絡：D4=a020+a121+a222+a323=n位網絡：Dn=a020+a121+…+an-12n-1=設基準電流I=E/R（2）輸出電流4位網絡n位網絡結論：隨著網絡輸入二進制數字量的增加，網絡輸出電流也隨之增加。（3）輸出電壓4位網絡n位網絡各位權電阻值不相同，離散性較大，轉換位數增多時，易產生一致性誤差。（4）存在問題2、R-2R電流相加型D/A網絡R＋－a323a222a121a020K1K0K2K3U2RR2RR2RR2R2RE2III/2I/4I/8I/8（1）設輸入二進制數字量為4位網絡：D4=a020+a121+a222+a323=n位網絡：Dn=a020+a121+…+an-12n-1=設基準電流I=E/2R（2）輸出電流4位網絡n位網絡（3）輸出電壓4位網絡n位網絡K0-K3全部閉合時，K0-K3全部閉合時，誤差分析：D/A位數越多量化誤差越小，I誤差：I/2n-1、U誤差：E/2n常用方式：計數比較式－結構簡單，價格便宜，速度慢，較少采用。逐次逼近式－精度速度較理想，適合一般模入使用，16位以下A/D采用普遍。雙斜率積分式－精度高，結構復雜，適用精度要求較高場合。2.3.2A/D轉換1、逐次逼近式（1）結構組成:＋－D/A網絡SAR移位寄存器時序控制邏輯VfVxD7D6D0啟動結束E0VxVft1000010001100111、逐次逼近寄存器SAR、D/A網絡、比較器、時序控制邏輯（2）轉換原理（3）特點1）精度高，速度快（10位A/D可達微秒級）2）抗干擾能力不夠強，信號變化較大時，會產生線性誤差。（1）結構組成0TTATBtABVcxVCAVCB固定積分時間放電時間基準源E與Vx極性相反＋－＋－控制邏輯計數器EVxC積分電路比較器時鐘啟動結束KVcx(2)轉換原理2、雙斜率積分式、消除干擾及噪聲能力強，精度高；、轉換速度慢；、適用場合：信號慢變，采樣頻率要求較低，精度要求較高，干擾嚴重的情況。（3）特點2.3.3A/D、D/A主要技術指標1、A/D主要指標（1）分辨率：一般以A/D的位數表示；（2）量程：即測量范圍；（3）精度：結果相對實際值得準確度；（4）轉換時間：從A/D啟動至輸出二進制數據；（5）輸出電平：多為與TTL、CMOS電平兼容；（6）工作溫度：－40－＋85℃；（7）基準源：要求外部提供精密基準電壓；（8）輸出編碼：二進制原碼、補碼、BCD碼。（1）分辨率；（2）穩定時間：從輸入二進制數據到輸出穩定電信號；（3）輸出電特性：電流型（mA）、電壓型（V）；（4）輸入編碼：二進制原碼、補碼、BCD碼、反碼。2、D/A主要指標2.3.4典型芯片介紹1、ADC0809轉換原理：逐次逼近式技術指標：CLK:0-640kHz，一般為500kHz精度：±1LSB功耗：15mw量程：－5V～＋5V+_IN7IN6IN08路模擬開關地址譯碼鎖存CBAALEVccGNDVREF(+)VREF(-)OESTARTCLKEOCD7D6D0時序與控制邏輯SA