图2.26是四运放构成的仪表放大器电路 常用的集成仪表放大器有AD521、AD522、ZF603、ZF605和BG004等。图2.27和图2.28是AD521 和AD522的典型接线图。 .9 y.o 增益调整 15k0 RsCALE(Rs) 96.3k① 100 0 14 27 AD521 127 11 AD522 ov. 0出公共 参考细 GND 失测调整 数累防护 图2.27AD521的典型接线图 图2.28AD522的典型接线图 (2)程控增益放大器 图2.29是程控增益放大器的原理。模拟开关K1~K3由计算机程序来控制，任何时候至少有一个开关是 闭合的。通常由软件控制使模拟开关中的某一个或某几个闭合，然后进行A/D转换，并由转换结果判断放大 倍数是否合适，如不合适则改变开关状态，直至达到可能的最佳的放大倍数。图2.30是用8选1的模拟开关 CD4051组成的程控增益放大器电路。图中A、B、C是输入通道地址选择端，通过计算机的并行输出口控 制，每次只选中8个输入Y0~Y7中的一路与公共端COM接通。此电路可实现8种不同的放大倍数。 R A Ye Y CD4051 COM 图2.29程控增益放大器原理 图2.30CD4051组成的程控增益放大器 与仪表放大器类似，程控增益放大器也有集成化产品，如AD524、AD624、H0084等，这些放大器将 译码电路和模拟开关集成在一起，甚至设定增益的电阻网络也集成进去了，使用起来非常方便
图 2.26 是四运放构成的仪表放大器电路 常用的集成仪表放大器有 AD521、AD522、ZF603、ZF605 和 BG004 等。图 2.27 和图 2.28 是 AD521 和 AD522 的典型接线图。 图 2.27 AD521 的典型接线图 图 2.28 AD522 的典型接线图 (2) 程控增益放大器 图 2.29 是程控增益放大器的原理。模拟开关 K1～K3 由计算机程序来控制，任何时候至少有一个开关是 闭合的。通常由软件控制使模拟开关中的某一个或某几个闭合，然后进行 A/D 转换，并由转换结果判断放大 倍数是否合适，如不合适则改变开关状态，直至达到可能的最佳的放大倍数。图 2.30 是用 8 选 1 的模拟开关 CD4051 组成的程控增益放大器电路。图中 A、B、C 是输入通道地址选择端，通过计算机的并行输出口控 制，每次只选中 8 个输入 Y0～Y7 中的一路与公共端 COM 接通。此电路可实现 8 种不同的放大倍数。 图 2.29 程控增益放大器原理 图 2.30 CD4051 组成的程控增益放大器 与仪表放大器类似，程控增益放大器也有集成化产品，如 AD524、AD624、LH0084 等，这些放大器将 译码电路和模拟开关集成在一起，甚至设定增益的电阻网络也集成进去了，使用起来非常方便
5.模拟量输入信号的滤波 工业现场的环境往往非常恶劣，致使由传感器得到的模拟量信号中混有噪声信号，用长线传输时尤为突 出，严重时噪声信号可能淹没真实信号，如不加处理，就会导致系统控制失败。因此，必须进行模拟量信号滤 波处理以抑制噪声，提高信噪比。 滤除模拟量信号上的噪声可以采用硬件滤波，也可以采用数字滤波（也称软件滤波）。 硬件滤波是指在模拟信号进入A/D转换器前，用硬件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计，可以 滤除模拟输入信号中的特定频段的噪声信号。按是否采用有源器件（即放大器），滤波器可以分为有源滤波器和 无源滤波器两大类；按滤波的频段，又可以分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。 第四节模拟量输出 在计算机控制系统中，有些被控对像或执行机构需要模拟量信号输入，这就要求计算机把计算好的数字控 制量转换为模拟量信号输出出去。从数字量到模拟量的转换，一般采用集成D/A转换器实现。设计D/A转换 电路时，应综合考虑转换精度、转换速度、接口设计的方便性以及价格等因素，选择合适的D/A转换器。由 于D/A转换器的种类繁多，不同种类的D/A转换器的具体使用方法也不尽相同。 1.多通道D/A转换系统设计 实现多路的模拟量信号输出，一般有以下两种方案。 第一种方案是为每一个通道设置一个独立的D/A转换器。这种方案的优点是转换速度快、精度高、工作 可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。但是，如果模拟量信 号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的D/A转换器时，这一问题尤为严重。 第二种方案是多通道复用一个D/A转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持放大器来实现，如图2.34所 示。此方案适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。 D/A 型计算机 电 通道选择控制 C(-1,2,“,n为保将电容 图2.34多路复用方式D/A转换原理 2模拟量输出的光电隔离 在工业现场应用中，为了消除公共地线带来的干扰，提高系统的安全性和可靠性，应采用光电隔离措施来 隔离计算机控制系统与现场被控设备。模拟量信号输出的光电隔离，一般在计算机与D/A转换器之间的数字 接口部分进行，其原理见图2.35。注意对模拟开关的通道选择控制部分也应采取光电隔离措施。 型 电离 计算 接口电 机 通道迹托控制 C(仁12，m,n)内保持特电容 图2.35带光电隔离的多通道复用方式D/A转换原理
5. 模拟量输入信号的滤波 工业现场的环境往往非常恶劣，致使由传感器得到的模拟量信号中混有噪声信号，用长线传输时尤为突 出，严重时噪声信号可能淹没真实信号，如不加处理，就会导致系统控制失败。因此，必须进行模拟量信号滤 波处理以抑制噪声，提高信噪比。 滤除模拟量信号上的噪声可以采用硬件滤波，也可以采用数字滤波(也称软件滤波)。 硬件滤波是指在模拟信号进入 A/D 转换器前，用硬件电路进行滤波。通过合理的滤波电路的设计，可以 滤除模拟输入信号中的特定频段的噪声信号。按是否采用有源器件(即放大器)，滤波器可以分为有源滤波器和 无源滤波器两大类；按滤波的频段，又可以分为低通滤波、高通滤波、带通滤波和带阻滤波。 第四节 模拟量输出 在计算机控制系统中，有些被控对象或执行机构需要模拟量信号输入，这就要求计算机把计算好的数字控 制量转换为模拟量信号输出出去。从数字量到模拟量的转换，一般采用集成 D/A 转换器实现。设计 D/A 转换 电路时，应综合考虑转换精度、转换速度、接口设计的方便性以及价格等因素，选择合适的 D/A 转换器。由 于 D/A 转换器的种类繁多，不同种类的 D/A 转换器的具体使用方法也不尽相同。 1.多通道 D/A 转换系统设计 实现多路的模拟量信号输出，一般有以下两种方案。 第一种方案是为每一个通道设置一个独立的 D/A 转换器。这种方案的优点是转换速度快、精度高、工作 可靠，即使某一通道出现故障也不会影响其他通道的工作，相应软件的编制也比较简单。但是，如果模拟量信 号输出通道较多，就会使系统造价增加很多，尤其是采用高精度的 D/A 转换器时，这一问题尤为严重。 第二种方案是多通道复用一个 D/A 转换器，并辅以多路模拟开关和采样保持放大器来实现，如图 2.34 所 示。此方案适用于输出通道不多且对速度要求不高的场合。 图 2.34 多路复用方式 D/A 转换原理 2.模拟量输出的光电隔离 在工业现场应用中，为了消除公共地线带来的干扰，提高系统的安全性和可靠性，应采用光电隔离措施来 隔离计算机控制系统与现场被控设备。模拟量信号输出的光电隔离，一般在计算机与 D/A 转换器之间的数字 接口部分进行，其原理见图 2.35。注意对模拟开关的通道选择控制部分也应采取光电隔离措施。 图 2.35 带光电隔离的多通道复用方式 D/A 转换原理
第五节计算机控制系统中的电源 在一个计算机控制系统中，供电电源系统的性能对保证整个系统安全、可靠、稳定地运行至关重要。 1.交流电源系统 交流电源通常和电网相连接，然而，工业现场的电网所接负载极其复杂，导致电网出现浪涌、尖峰、过 压、欠压等现象，给计算机控制系统的运行带来了严重的干扰，甚至会使系统无法正常工作。因此，除按需要 设计、计算有关交流电源系统的电路和参数外，还要考虑交流电源的净化问题。对于交流电源的净化有很多成 熟产品以供选择和使用（如交流净化电源等），一般不需自行设计。 2.直流稳压电源设计 在计算机控制系统中，不同的场合需要用到不同电压等级的直流稳压电源供电，如±5V、±12V、± 15V、18V和24V等等。下面，介绍一下直流稳压电源的一般设计方法。 (1)三端输出电压固定式集成稳压器 W7800系列是三端固定式正输出集成稳压器。该系列器件只有输入端1、输出端2和公共端3。其外 型、管脚和接法见图2.36。使用时需在输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容。C1是输入滤波电容， 一般为0.33μF,用来改善纹波和抑制高频干扰。C2是输出电容，一般为0.1μF,用于改善负载的瞬态响应。根 据需要可以附加其他的输入滤波电容和输出电容。 1-轴入端 1-纯入蝶 2-输出端 2-输出端 3-公共墙 3-公共耀 金属封袋 塑料封装 ()外形 ⊙)接战图 图2.36W7800系列集成稳压器 W7900系列是三端固定式负输出集成稳压器，它与W7800系列稳压器在使用的接法上基本相同。值得 注意的是W7800系列的管壳是公共端，而W7900系列的管壳为输入端，其典型接法见图2.37。 10 3 W7900 0.33uF 0.1F 图2.37W7900系列典型接线图 3.基准电源 一般A/D、D/A转换器都需要由外部提供参考电源，在A/D、D/A转换器选定后，转换精确度主要取决 于参考电源的精度；高精度放大电路需要提供高精度的工作电源，其关键也在于要有精密的参考电源，习惯 上，我们常称之为基准电源。 4.隔离电源 我们已经知道，在计算机控制系统中，为了提高系统运行的安全性、可靠性和抗干扰能力，需要使用隔离 技术（如光电隔离等）用于隔离计算机系统与信号输入、输出通道以及系统中互联的单元。而实施隔离技术， 最基本的要求是被隔离的各个部分由独立的或相互隔离的电源供电，以切断各个部分间的电路联系。因此，隔 离电源在计算机控制系统中是不可缺少的。 一般有两种方法可以得到隔离电源。 (1)采用不同的电源变压器或相互独立的变压器付边绕组的输出为各隔离部分供电，将它们分别进行整 流、稳压等处理，就可获得互相隔离的直流电源。这种方法可以有效到抑制高频干扰对系统的影响及系统各部
第五节 计算机控制系统中的电源 在一个计算机控制系统中，供电电源系统的性能对保证整个系统安全、可靠、稳定地运行至关重要。 1. 交流电源系统 交流电源通常和电网相连接，然而，工业现场的电网所接负载极其复杂，导致电网出现浪涌、尖峰、过 压、欠压等现象，给计算机控制系统的运行带来了严重的干扰，甚至会使系统无法正常工作。因此，除按需要 设计、计算有关交流电源系统的电路和参数外，还要考虑交流电源的净化问题。对于交流电源的净化有很多成 熟产品以供选择和使用（如交流净化电源等），一般不需自行设计。 2. 直流稳压电源设计 在计算机控制系统中，不同的场合需要用到不同电压等级的直流稳压电源供电，如±5V、±12V、± 15V、18V 和 24V 等等。下面，介绍一下直流稳压电源的一般设计方法。 (1) 三端输出电压固定式集成稳压器 W7800 系列是三端固定式正输出集成稳压器。该系列器件只有输入端 1、输出端 2 和公共端 3。其外 型、管脚和接法见图 2.36。使用时需在输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容。C1 是输入滤波电容， 一般为 0.33μF，用来改善纹波和抑制高频干扰。C2 是输出电容，一般为 0.1μF,用于改善负载的瞬态响应。根 据需要可以附加其他的输入滤波电容和输出电容。 图 2.36 W7800 系列集成稳压器 W7900 系列是三端固定式负输出集成稳压器，它与 W7800 系列稳压器在使用的接法上基本相同。值得 注意的是 W7800 系列的管壳是公共端，而 W7900 系列的管壳为输入端，其典型接法见图 2.37。 图 2.37 W7900 系列典型接线图 3. 基准电源 一般 A/D、D/A 转换器都需要由外部提供参考电源，在 A/D、D/A 转换器选定后，转换精确度主要取决 于参考电源的精度；高精度放大电路需要提供高精度的工作电源，其关键也在于要有精密的参考电源，习惯 上，我们常称之为基准电源。 4. 隔离电源 我们已经知道，在计算机控制系统中，为了提高系统运行的安全性、可靠性和抗干扰能力，需要使用隔离 技术（如光电隔离等）用于隔离计算机系统与信号输入、输出通道以及系统中互联的单元。而实施隔离技术， 最基本的要求是被隔离的各个部分由独立的或相互隔离的电源供电，以切断各个部分间的电路联系。因此，隔 离电源在计算机控制系统中是不可缺少的。 一般有两种方法可以得到隔离电源。 (1) 采用不同的电源变压器或相互独立的变压器付边绕组的输出为各隔离部分供电，将它们分别进行整 流、稳压等处理，就可获得互相隔离的直流电源。这种方法可以有效到抑制高频干扰对系统的影响及系统各部
分之间的相互影响，且实现简单，但需要额外的变压器或变压器绕组，使得系统的体积变大。 (2)采用带电压隔离的DC-DC转换器，它不仅可以实现直流电压到直流电压的隔离转换，还可以实现通 道与通道之间、输出与输入之间的隔离。DC-DC转换器的基本原理见图2.49。图中，输入级滤波器用于抑制 来自系统电源的噪声和从调制器反馈回的脉动信号，调制器把直流信号转换为交流信号以使其可以通过变压 器，由变压器实现电压转换和隔离，输出解调器分离出所需的直流电平，输出级滤波器抑制输出噪声和脉动信 号。图2.50给出了DC-DC转换器隔离电源的应用电路。 波器 变压 DC/DC ()原理 6)外都引线 图2.49DC-DC转换隔离电源 9+5V +5V DC/DC R 图2.50DC-DC转换隔离电源应用 第六节信号采样与重构 1.信号采样 采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。 在计算机控制系统中，采样过程是不可缺少的。对时间和幅值均连续的模拟信号经过采样得到在时间上离 散、幅值连续的脉冲序列，由A/D转换器整量化后才能送入计算机进行处理和运算。 完成采样操作的装置称为采样器或采样开关。采样过程的原理见图2.53，其中采样开关为理想采样开 关，它从闭合到断开以及从断开到闭合的时间均为零。采样开关平时处于断开状态，其输入为连续信号，在 采样时刻即离散时间瞬时tk(（k=0,1,2.)进行由断开到闭合、然后再断开的动作，这样就在采样开关输出端得 到采样信号： 0,t≠t ft),t=t安 (2.1) f( f( 0 T 2T3T 图2.53理想采样开关的采样过程 虽然并不存在理想采样开关，但在实际应用中采样开关一般取为电子开关，其动作时间极短，远小于两 次采样之间的时间间隔和被控对像的时间常数，因此可以将实际采样开关简化为理想采样开关。这样做有助于 简化系统的描述和分析工作
分之间的相互影响，且实现简单，但需要额外的变压器或变压器绕组，使得系统的体积变大。 (2) 采用带电压隔离的 DC-DC 转换器，它不仅可以实现直流电压到直流电压的隔离转换，还可以实现通 道与通道之间、输出与输入之间的隔离。DC-DC 转换器的基本原理见图 2.49。图中，输入级滤波器用于抑制 来自系统电源的噪声和从调制器反馈回的脉动信号，调制器把直流信号转换为交流信号以使其可以通过变压 器，由变压器实现电压转换和隔离，输出解调器分离出所需的直流电平，输出级滤波器抑制输出噪声和脉动信 号。图 2.50 给出了 DC-DC 转换器隔离电源的应用电路。 图 2.49 DC-DC 转换隔离电源 图 2.50 DC-DC 转换隔离电源应用 第六节 信号采样与重构 1. 信号采样 采样或采样过程，就是抽取连续信号在离散时间瞬时值的序列过程，有时也称为离散化过程。 在计算机控制系统中，采样过程是不可缺少的。对时间和幅值均连续的模拟信号经过采样得到在时间上离 散、幅值连续的脉冲序列，由 A/D 转换器整量化后才能送入计算机进行处理和运算。 完成采样操作的装置称为采样器或采样开关。采样过程的原理见图 2.53，其中采样开关为理想采样开 关，它从闭合到断开以及从断开到闭合的时间均为零。采样开关平时处于断开状态，其输入为连续信号 ，在 采样时刻即离散时间瞬时 tk(k=0,1,2,…)进行由断开到闭合、然后再断开的动作，这样就在采样开关输出端得 到采样信号： (2.1) 图 2.53 理想采样开关的采样过程 虽然并不存在理想采样开关，但在实际应用中采样开关一般取为电子开关，其动作时间极短，远小于两 次采样之间的时间间隔和被控对象的时间常数，因此可以将实际采样开关简化为理想采样开关。这样做有助于 简化系统的描述和分析工作
根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1)周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。这里，相邻两次采样之间的时间间隔称为采样周期， 记为T。采样频率定义为fs=1T;采样角频率定义ws=2fs=2/T。周期采样的采样时刻为0、T、2T、 3T、 (2)同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3)非同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4)多速采样 如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采 样。在某些计算机控制系统中，为提高控制质量，对变化比较快的模拟量采用较高的速率进行采样和控制，对 变化比较缓慢的模拟量采用较低的速率进行采样和控制，这就是多速采样。多速采样可以用同步采样进行等效 分析。 (⑤)随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。随机采样主要用于不要求控制的数据采集系统。 在计算机控制系统中，最常用的采样方法是同步周期采样，因此本课程仅讨论同步周期采样。 2.采样定理 采样周期T选择过大，采样信号含有的原来连续信号的信息量过少，以至于无法从采样信号看出连续信 号的特征；如果采样周期足够小，就只损失很少量的信息，从而有可能从采样信号重构原来的连续信号，则可 以用离散信号实施有效的控制。图2.55解释了这一现象。香侬(Shanon)采样定理则定量地给出了采样频率的 选择原则。 f(0 2.53 () 白 (a)过大的采样周期 (b)较小的采样周期 图2.55采样周期对采样效果的影响 采样定理：如果连续信号ft)具有有限频谱，其最高频率为ωmx,则对ft)进行周期采样且采样角频率ws
根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。这里，相邻两次采样之间的时间间隔称为采样周期， 记为 T。采样频率定义为 fs=1/T；采样角频率定义ωs=2πfs=2π/T。周期采样的采样时刻为 0、T、2T、 3T、...。 (2) 同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样 如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采 样。在某些计算机控制系统中，为提高控制质量，对变化比较快的模拟量采用较高的速率进行采样和控制，对 变化比较缓慢的模拟量采用较低的速率进行采样和控制，这就是多速采样。多速采样可以用同步采样进行等效 分析。 (5) 随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。随机采样主要用于不要求控制的数据采集系统。 在计算机控制系统中，最常用的采样方法是同步周期采样，因此本课程仅讨论同步周期采样。 2. 采样定理 采样周期 T 选择过大，采样信号含有的原来连续信号的信息量过少，以至于无法从采样信号看出连续信 号的特征；如果采样周期足够小，就只损失很少量的信息，从而有可能从采样信号重构原来的连续信号，则可 以用离散信号实施有效的控制。图 2.55 解释了这一现象。香侬(Shanon)采样定理则定量地给出了采样频率的 选择原则。 图 2.55 采样周期对采样效果的影响 采样定理: 如果连续信号 f(t)具有有限频谱，其最高频率为ωmax , 则对 f(t)进行周期采样且采样角频率ωs