chap7_系统组建实现

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1、计算机控制系统周永华北京交通大学电子学院2009年1月7.1硬件组成及输入输出接口7.2系统测试信号的处理7.3计算机控制系统的实时软件设计7.4控制算法的编排实现7.5量化效应分析7.6采样频率的选取7.7计算机控制系统的抗干扰及可靠性技术2图7-1计算机控制系统的基本组成37.1.1对控制用计算机系统的硬件要求1.对计算机主机的要求实时处理能力比较完善的中断系统对指令系统的要求：指令丰富对内存的要求：内存容量合适2.对过程输入输出通道的要求有足够的输入通道数，并具有一定的扩充能力有足够的精度和分辨率：根据传感

2、器等级及系统精度要求指定应有足够快的变换速度：依输入信号的变化速率及系统频带要求确定47.1.1对控制用计算机系统的硬件要求3.对应用软件系统的要求实时性强、可靠性好、具有在线修改能力、输入输出功能强等4.方便的人机联系显示屏：显示操作人员所需的信息及生产过程参数状态各种功能键：报警、制表、打印、自动/手动切换输入数据功能键：改变控制系统参数5.系统的可靠性和可维护性可靠性指系统无故障运行能力，指标——平均无故障间隔时间。硬件可靠性：采用可靠性高的元部件、先进的工艺与设计、相同或相似部件并行运行软件可靠性：自诊

3、断、自检测及容错功能（能对数据超界、运算溢出、未曾定义过的操作指令或事先不曾预料的运算处理进行适当处理）、允许操作人员在一定范围的误操作可维护性：维护工作方便的程度。采用插件式硬件、采用自检测、自诊断程序57.1.2对控制用计算机的选择1.运算速度影响因素：系统计算工作量、采样周期、指令系统和时钟频率、硬件支持（硬件实现减少运算时间）2.计算机字长：并行数据总线的线数影响因素：量化误差：由模拟输入信号的方差、系统传递函数和信噪比确定应与A/D的字长相协调信号的动态范围与采样周期T的关系若T减小，但又希望量化误差保

4、持不变，则所需的计算机的字长就要相应增加。67.1.3计算机控制系统的模拟输出通道D/A转换器工作原理数字量转换为模拟量（电压量或电流量）的装置。2.D/A转换器的主要性能常用的主要指标：①精度——精度是反映实际输出与理想数学模型输出信号接近的程度。②分辨率——分辨率可定义为当输入数字量发生单位数码变化时输出模拟量的变化量。分辨率也常用数字量的位数来表示。（精度：给定分辨率最小电压增量的条件下，D/A输出电压的准确程度）③转换时间——最小有效位常以LSB表示，故转换时间定义为D/A转换器中的输入代码有满刻度值的变

5、化时，其输出模拟信号达到满刻度值LSB时所需要的时间。④输出电平——电压型：510V，2430V；电流输出型：20mA，3A等。⑤输入代码形式——D/A转换器单极性输出时，有二进制码、BCD码。当双极性输出时，有原码、补码、偏移二进制码等。73.D/A转换器选择的原则集成D/A转换器的输入方式：不带缓冲寄存器（如8位的DAC0808）带缓冲寄存器（如8位的DAC0832、12位的DAC1208等）。选择D/A转换芯片主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求，在结构和应用上满足接

6、口方便，外围电路简单，价格低廉等要求。对于D/A转换器字长n的选择，可以由其后的执行机构的动态范围来选定：执行机构的死区电压执行机构最大输入84.多路D/A输出时的实现方式图7-2模拟量输出通道的两种实现结构图95.D/A的二进制码制与极性(1)单极性二进制编码(2)双极性二进制编码有符号的二进制可以用原码、补码、反码和偏移二进制码来表示。为了把双极性的信号表示成数字代码，就需要增加一位“符号位”。增加一个符号位可以使量程增加一倍，但分辨率却要降低一倍。这几种编码与十进制数的关系如表7-1所示。注意：计算机内信号

7、的编码可能与D/A输入信号的编码不完全一致。若一致，则可将计算机的运算输出直接作为D/A转换器的输入。但若不一致（多数情况），则需要将计算得到的码制进行相应的转换后，方可作为D/A的输入信号。107.1.4计算机控制系统的模拟输入通道采样保持器孔径时间——实际的采样过程需要的时间。为缩短孔径时间，采取的措施是将对模拟信号的采样和对采样的模拟电压的转换分开，分别由不同的电路完成。采样保持器作用就是以较短的孔径时间对信号进行采样，然后将采得的模拟电压保持，供A/D转换电路进行转换。图7-4模拟量输入通道一般结构图图7

8、-5采样保持器原理图112.A/D转换器工作原理工作原理:将输入的模拟电压按比例地转化为二进制数字信号的装置。图7-7双斜积分式A/D转换器图7-6逐次逼近式A/D转换器123.A/D转换器的主要性能指标(1)精度——指对应一个给定的数字量的实际模拟量输入与理论模拟量输入接近的程度。(2)分辨率——指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力。即设A/D转换器的位数为n，则A/