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1、2.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的電源 交流電源系統(tǒng) 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)電源 隔離電源1 1.交流電源系統(tǒng) 交流電源通常和電網(wǎng)相連接，然而，工業(yè)現(xiàn)場的電網(wǎng)所接負(fù)載極其復(fù)雜，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌、尖峰、過壓、欠壓等現(xiàn)象，給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)瓜到y(tǒng)無法正常工作。因此，除按需要設(shè)計(jì)、計(jì)算有關(guān)交流電源系統(tǒng)的電路和參數(shù)外，還要考慮交流電源的凈化問題。 2 2.直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，不同的場合需要用到不同電壓等級的直流穩(wěn)壓電源供電，如±5V、±12V、±15V、18V和24V，等等。下面，介紹一下直流穩(wěn)壓電源的一般設(shè)計(jì)方法。 直流穩(wěn)壓電源可以采用分立元件設(shè)計(jì)，但更多的采用集成穩(wěn)壓器來設(shè)計(jì)。集成穩(wěn)壓器具有體積小、可靠性高、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 幾種常用的集成穩(wěn)壓器3幾種常見的集成穩(wěn)壓器 三端輸出電壓固定式集成穩(wěn)壓器 W7800系列三端固定式正輸出集成穩(wěn)壓器 W790。

2、0系列三端固定式負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器 三端輸出電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 4W7800系列三端固定式正輸出 集成穩(wěn)壓器 該系列器件只有輸入端1、輸出端2和公共端3。其外形、管腳和接法見圖2.36。使用時(shí)需在輸入端和輸出端與公共端之間各并聯(lián)一個(gè)電容。C1是輸入濾波電容，一般為0.33μF，用來改善紋波和抑制高頻干擾。C2是輸出電容，一般為0.1μF,用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)需要可以附加其他的輸入濾波電容和輸出電容。圖2.36 W7800系列集成穩(wěn)壓器5W7900系列三端固定式負(fù)輸出 集成穩(wěn)壓器 W7900系列是三端固定式負(fù)輸出集成穩(wěn)壓器，它與W7800系列穩(wěn)壓器在使用的接法上基本相同。值得注意的是W7800系列的管殼是公共端，而W7900系列的管殼為輸入端。 圖2.37 W7900系列典型接線圖6 三端輸出電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 W117、W217、W317正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 W137、。

3、W237、W337負(fù)輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 W137、W237、W337是負(fù)輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，其主要參數(shù)和主教材表2.8基本相同，但輸入、輸出電壓均為負(fù)值。 7W117、W217、W317三端 電壓正輸出可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 W117、W217、W317是正輸出三端電壓可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，使用方便，內(nèi)部具有過熱、過流等保護(hù)措施，比W7800系列穩(wěn)壓器有更高的穩(wěn)壓精度。8 圖2.40是用W317組成的可調(diào)式穩(wěn)壓電源，其輸出電壓VO=VR1+VR2。其中，VR1為電阻R1兩端的電壓，也即為W317的3腳和1腳之間的基準(zhǔn)電壓1.25V；VR2為可變電阻R2兩端的電壓，滿足VR2=( I1 + VR1/R1)R2。由于I1很小可以忽略，于是VO=1.25(1+R2/R1) ，改變R2的阻值，即可改變輸出電壓值。若R2取為6.8kΩ的電位器，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓1.25~37V連續(xù)可調(diào)。圖中C。

4、1、C2的作用與圖2.36中C1、C2的作用相同。C0為濾波電容，D1、D2是穩(wěn)壓器的短路保護(hù)二極管，用于在輸入端或輸出端發(fā)生對地短路時(shí)釋放電容C2或C3上存儲的電荷。 圖2.40 W317組成的1.25~37V穩(wěn)壓電源W117、W217、W317三端 電壓正輸出可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 9 3. 基準(zhǔn)電源 一般A/D、D/A轉(zhuǎn)換器都需要由外部提供參考電源，在A/D、D/A轉(zhuǎn)換器選定后，轉(zhuǎn)換精確度主要取決于參考電源的精度；高精度放大電路需要提供高精度的工作電源，其關(guān)鍵也在于要有精密的參考電源，習(xí)慣上，我們常稱之為基準(zhǔn)電源 。 AD580系列高精度電壓基準(zhǔn)集成電路 10AD580系列 高精度電壓基準(zhǔn)集成電路 AD580系列高精度電壓基準(zhǔn)集成電路具有輸出電壓精度高、溫漂小、輸出噪聲低和動態(tài)內(nèi)阻小等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流能力很小，一般不能作為穩(wěn)壓器使用，主要用于為A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路或其他電路提供參考電源。。

5、 AD589 AD58411AD589 AD589是雙端、具有溫度補(bǔ)償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)，其高穩(wěn)定性主要取決于芯片上元件的匹配和熱跟蹤，低輸出阻抗使得不需外接元件就能在負(fù)荷變化條件下保持全精度。AD589在輸入電流在50?A~5mA之間時(shí)提供固定的1.2V輸出電壓。使用圖2.41所示的線路可以得到1.2V或更小的基準(zhǔn)電壓。圖2.41 AD589應(yīng)用電路12AD584 AD584在芯片制作階段經(jīng)過激光調(diào)整，具有很好的溫度系數(shù)和輸出電壓的穩(wěn)定精度。通過引腳編程可以輸出四種常用的電壓，通過外接電阻還可以得到其他幅值的輸出電壓。輸入電壓可在4.5~40V之間變化。下面介紹AD584的幾種應(yīng)用電路。 AD584的幾種應(yīng)用電路 正電壓基準(zhǔn)輸出 負(fù)電壓基準(zhǔn)輸出 精密限流器 精密電流源 ?5V電壓跟蹤基準(zhǔn)圖2.42 AD584的引腳圖13正電壓基準(zhǔn)輸出 圖2.43中，1端為基準(zhǔn)電壓輸出端，2端為＋5V端，3端。

6、為＋2.5V端。當(dāng)1端與2、3端都各自互不連接時(shí)，1端輸出10.000V基準(zhǔn)電壓；若將3端和2端連接起來，1端電壓輸出為7.500V；若將2端和1端連接起來，1端電壓則為5.000V；若將3端和1端連接起來，在1端可以得到2.500V基準(zhǔn)電壓輸出。圖2.43 正電壓基準(zhǔn)輸出14負(fù)電壓基準(zhǔn)輸出 如圖2.44所示，使用雙端齊納方式的AD584，分別可以得到值為－5.000V、－7.500V和－10.000V的負(fù)基準(zhǔn)電壓輸出。圖2.44 負(fù)電壓基準(zhǔn)輸出15精密限流器應(yīng)用圖2.45所示的電路，AD584可被用作精密限流器。 圖2.45 AD584構(gòu)成的精密限流器16精密電流源 AD584外接少量的元件可構(gòu)成能提供小電流的電流源，應(yīng)用電路見圖2.46。圖中RC為精密電阻，其兩端電壓被運(yùn)算放大器AD547保持在2.5V，所提供電流為2.5V/RC，此電路能提供低到毫安、微安級的穩(wěn)定電流。圖2.46 A。

7、D584構(gòu)成的精密電流源17精密電流源 若需要能提供較大電流的電流源，可使用圖2.47提供的電路。圖2.47 可提供大電流的精密電流源18?5V電壓跟蹤基準(zhǔn)使用圖2.48所示的電路可以提供?5V電壓跟蹤基準(zhǔn)。圖2.48 ?5V電壓跟蹤基準(zhǔn) 19 4. 隔離電源 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和抗干擾能力，需要使用隔離技術(shù)(如光電隔離等)用于隔離計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與信號輸入、輸出通道以及系統(tǒng)中互聯(lián)的單元。而實(shí)施隔離技術(shù)，最基本的要求是被隔離的各個(gè)部分由獨(dú)立的或相互隔離的電源供電，以切斷各個(gè)部分間的電路聯(lián)系。因此，隔離電源在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中是不可缺少的。 兩種得到隔離電源的方法20兩種得到隔離電源的方法 采用不同的電源變壓器或相互獨(dú)立的變壓器二次繞組的輸出為各隔離部分供電，將它們分別進(jìn)行整流、穩(wěn)壓等處理，就可獲得互相隔離的直流電源。這種方法可以有效到抑制高頻干擾對系統(tǒng)的影響及系統(tǒng)。

8、各部分之間的相互影響，且實(shí)現(xiàn)簡單，但需要額外的變壓器或變壓器繞組，使得系統(tǒng)的體積變大。 采用帶電壓隔離的DC－DC轉(zhuǎn)換器，它不僅可以實(shí)現(xiàn)直流電壓到直流電壓的隔離轉(zhuǎn)換，還可以實(shí)現(xiàn)通道與通道之間、輸出與輸入之間的隔離。 21圖2.49 DC－DC轉(zhuǎn)換隔離電源兩種得到隔離電源的方法 DC－DC轉(zhuǎn)換隔離電源的基本原理見圖2.49。圖中，輸入級濾波器用于抑制來自系統(tǒng)電源的噪聲和從調(diào)制器反饋回的脈動信號，調(diào)制器把直流信號轉(zhuǎn)換為交流信號以使其可以通過變壓器，由變壓器實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和隔離，輸出解調(diào)器分離出所需的直流電平，輸出級濾波器抑制輸出噪聲和脈動信號。 22兩種得到隔離電源的方法圖2.50給出了DC－DC轉(zhuǎn)換隔離電源的應(yīng)用電路。 圖2.50 DC－DC轉(zhuǎn)換隔離電源應(yīng)用23 2.6 信號采樣與重構(gòu) 1. 信號類型定義 2. 信號采樣 3. 采樣機(jī)理描述 4. 采樣定理 5. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期的選擇。

9、 6. 信號重構(gòu)24 1. 信號類型定義 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，存在多種類型的信號，圖2.51給出了典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各處的信號形式。圖2.51典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各處的信號形式25 為便于后續(xù)的描述和分析，下面定義幾種類型信號，并在圖2.52中給出了圖解。 信號類型定義 連續(xù)信號 模擬信號 離散信號 及采樣信號 數(shù)字信號圖2.52 信號類型圖解26連續(xù)信號 連續(xù)信號是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續(xù)的、也可以是斷續(xù)的。連續(xù)信號的一種特殊情況是幅值整量化的連續(xù)信號，如D/A轉(zhuǎn)換器輸出的臺階式信號，這種信號稱為分段連續(xù)信號。 27模擬信號 模擬信號是在整個(gè)時(shí)間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時(shí)間范圍內(nèi)是連續(xù)的。模擬信號是連續(xù)信號的一個(gè)子集，在大多數(shù)場合與很多文獻(xiàn)中，將二者等同起來，均指模擬信號。28離散信號及采樣信號 離散信號是僅在各個(gè)離散時(shí)間瞬時(shí)上有定義。

10、的信號。 采樣信號是離散信號的子集，它是取模擬信號在離散時(shí)間瞬時(shí)上的值構(gòu)成的信號序列，因此其幅值可以是模擬信號的連續(xù)幅值范圍內(nèi)的任意值，即其在時(shí)間上是離散的，而幅值上是連續(xù)的。在很多場合中，我們提及離散信號就是指采樣信號。 29數(shù)字信號 數(shù)字信號是幅值整量化的離散信號，它在時(shí)間上和幅值上均是離散的。30 2. 信號采樣 采樣或采樣過程，就是抽取連續(xù)信號在離散時(shí)間瞬時(shí)值的序列過程，有時(shí)也稱為離散化過程。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣過程是不可缺少的。對時(shí)間和幅值均連續(xù)的模擬信號經(jīng)過采樣得到在時(shí)間上離散、幅值連續(xù)的脈沖序列，由A/D轉(zhuǎn)換器整量化后才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算。 完成采樣操作的裝置稱為采樣器或采樣開關(guān)。圖2.53 理想采樣開關(guān)的采樣過程31采樣類型 周期采樣 指相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等，也稱為普通采樣。這里，相鄰兩次采樣之間的時(shí)間間隔稱為采樣周期，記為T。采樣頻率定義為fs=1/T。

11、；采樣角頻率定義為ωs=2πfs=2π/T。周期采樣的采樣時(shí)刻為0、T、2T、3T、?。 32采樣類型同步采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同且同時(shí)進(jìn)行采樣，則稱為同步采樣。非同步采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，它們的采樣周期相同但不同時(shí)開閉，則稱為非同步采樣。33多速采樣 如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)采樣開關(guān)，每個(gè)采樣開關(guān)都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。在某些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為提高控制質(zhì)量，對變化比較快的模擬量采用較高的速率進(jìn)行采樣和控制，對變化比較緩慢的模擬量采用較低的速率進(jìn)行采樣和控制，這就是多速采樣。多速采樣可以用同步采樣進(jìn)行等效分析。 隨機(jī)采樣 若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔不相等，則稱為隨機(jī)采樣。隨機(jī)采樣主要用于不要求控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 采樣類型34 3. 采樣機(jī)理描述則采樣信號可表示為或理想采樣開關(guān)可表示為35 4. 采樣定理 采樣定理: 如。

12、果連續(xù)信號f(t)具有有限頻譜，其最高頻率為ωmax,則對f(t)進(jìn)行周期采樣且采樣角頻率ωs ≥2ωmax時(shí)，連續(xù)信號可以由采樣信號唯一確定，亦即可以從f*(t)無失真地恢復(fù)f(t) 。 ωs /2稱為奈奎斯特頻率。 36 5. 采樣周期的選擇 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，采樣頻率或采樣周期的選擇非常重要，它直接影響控制效果，而且還影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 按系統(tǒng)閉環(huán)頻帶選取 按系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)選取 按系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間選取 根據(jù)生產(chǎn)過程控制的經(jīng)驗(yàn)選取37 6. 信號重構(gòu) 把離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，稱為信號重構(gòu)，它是采樣的逆過程。 零階保持器 一階保持器38 2.7 數(shù)字濾波 數(shù)字濾波，是把A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)通過軟件按照一定的算法進(jìn)行平滑加工等處理，再送給控制程序運(yùn)算，以增強(qiáng)其有效信號、消除或減小各種干擾和噪聲，從而提高控制精度和系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。 限幅濾波方法 中值濾波方法 算術(shù)平均濾波方法 一階滯后濾波方法 復(fù)合濾波方法 39。

總結(jié)

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