第二章计算机控制系统设计的 硬件基础 ▣2.1开关量输入 口2.2开关量输出 口2.3模拟量输入 ▣2.4模拟量输出 口2.5计算机控制系统中的电源 口2.6信号采样与重构 口2.7数字滤波
第二章 计算机控制系统设计的 硬件基础 ❑ 2.1 开关量输入 ❑ 2.2 开关量输出 ❑ 2.3 模拟量输入 ❑ 2.4 模拟量输出 ❑ 2.5 计算机控制系统中的电源 ❑ 2.6 信号采样与重构 ❑ 2.7 数字滤波
2.1开关量输入 在计算机控制系统中，为了莱取系统的运行 状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输 入。开关量的共同特征是幅值离散，可以用1位 或多位二进制码表示。 口 开关量输入信号的类型 口开关量信号输入通道
2.1 开关量输入 在计算机控制系统中，为了获取系统的运行 状态或设定信息，经常需要进行开关量信号的输 入。开关量的共同特征是幅值离散，可以用1位 或多位二进制码表示。 ❑ 开关量输入信号的类型 ❑ 开关量信号输入通道
1,开关量输入信号的类型 开关量输入信号有以下基本类型 √1位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电 机的起动与停止、触点的接通与断开。 √成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨 码开关组等。 √数字脉冲信号。许多数字式传感器（如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转 换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关 量
1. 开关量输入信号的类型 开关量输入信号有以下基本类型 ✓ 1位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电 机的起动与停止、触点的接通与断开。 ✓ 成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨 码开关组等。 ✓ 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转 换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关 量
2,开关量信号输入通道 针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计 算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系 统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。 出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机 接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。 >几种常用的预处理方法 输入预处理 开关状态或脉冲 计算机 CPU 并行输入 接口电路 输入预处理 开关状态信号 内部 定时/ 输入预处理 数字脉冲信号 定时/计 计数器 数器 输入预处理 数字脉冲信号 图2.1开关量输入通道的典型结构
2. 开关量信号输入通道 针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计 算机进行处理。一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入；极限报警信号采用中断方式处理；数字脉冲信号可以使用系 统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。 出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机 接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。 ➢ 几种常用的预处理方法 图2.1 开关量输入通道的典型结构
开关量输入的常用预处理方法 信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影向 滤波处理 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
开关量输入的常用预处理方法 ❑ 信号转换处理 ❑ 安全保护措施 ❑ 消除机械抖动影响 ❑ 滤波处理 ❑ 隔离处理 ❑ 光电耦合器件原理与使用
信号转换处理 从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑 上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能 是电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也 往往不苻合数字电路的电平范围要求，因此必须 进行转换处理。 R R 0 o输出 输入 输出 图2.2电压或电流输入电路 图2.3开关触点输入电路
信号转换处理 从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑 上表现为逻辑“1”或逻辑“0” ，信号形式则可能 是电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也 往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须 进行转换处理。 图2.2 电压或电流输入电路 图2.3 开关触点输入电路
安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可 能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情 况，预先采取安全保护措施。 输入 D 输出 输入 压敏电阻 输出 压二极管 (a)采用稳压二极管抑制瞬态尖峰 (b)采用压敏电阻抑制瞬态尖峰 D 输入 输出 输入 本Dz 输出 稳压二极管 (©)采用二极管进行反极性保护 (采用稳压二极管抑制过电压 图2.4输入保护电路
安全保护措施 在设计一个计算机控制系统时，必须针对可 能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情 况，预先采取安全保护措施。 图2.4 输入保护电路
消除机械抖动影向 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装 置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计 算机的输入上就是输入信号在逻辑“0”和“1”之 间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错 误控制 & +5V 图2.5消除开关抖动的电路
消除机械抖动影响 操作按钮、继电器触点、行程开关等机械装 置在接通或断开时均要产生机械抖动，体现在计 算机的输入上就是输入信号在逻辑“0”和“1”之 间多次振荡，如不适当处理就会导致计算机的错 误控制。 图2.5 消除开关抖动的电路
滤波处理 由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输 入信号带有噪声信号，这有可能导致误读信号而 出错。图2.6给出一种用RC滤波电路去除接口噪 声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。 Vcc R2 图2.6RC滤波电路
滤波处理 由于长线传输、电路内部干扰影响，使得输 入信号带有噪声信号，这有可能导致误读信号而 出错。图2.6给出一种用RC滤波电路去除接口噪 声的方法，它同样可以消除开关的抖动信号。 图2.6 RC滤波电路
隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往 往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压 本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因 此必须采取电隔窝措施，以保障计算机系统的安全。 常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给 出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电 气隔离之外，还具有电平转换功能。 Vcc=+5V VcC=+5V +5V 开入信号 至输入接口 0开入 至输入接口 。信号 (a)适于触点信号或TTL信号输入的隔离电路 (b6)适于非TTL电平信号输入的隔高电路 图2.7开关量光电耦合输入电路
隔离处理 从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往 往高于计算机系统的逻辑电平，即使输入开关量电压 本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号，因 此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。 常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。图2.7给 出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电 气隔离之外，还具有电平转换功能。 图2.7 开关量光电耦合输入电路