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1、2.5 計算機控制系統中的電源 交流電源系統 直流穩壓電源設計 基準電源 隔離電源1 1.交流電源系統 交流電源通常和電網相連接，然而，工業現場的電網所接負載極其復雜，導致電網出現浪涌、尖峰、過壓、欠壓等現象，給計算機控制系統的運行帶來了嚴重的干擾，甚至會使系統無法正常工作。因此，除按需要設計、計算有關交流電源系統的電路和參數外，還要考慮交流電源的凈化問題。 2 2.直流穩壓電源設計 在計算機控制系統中，不同的場合需要用到不同電壓等級的直流穩壓電源供電，如±5V、±12V、±15V、18V和24V，等等。下面，介紹一下直流穩壓電源的一般設計方法。 直流穩壓電源可以采用分立元件設計，但更多的采用集成穩壓器來設計。集成穩壓器具有體積小、可靠性高、成本低、使用方便等優點。 幾種常用的集成穩壓器3幾種常見的集成穩壓器 三端輸出電壓固定式集成穩壓器 W7800系列三端固定式正輸出集成穩壓器 W790。

2、0系列三端固定式負輸出集成穩壓器 三端輸出電壓可調式集成穩壓器 4W7800系列三端固定式正輸出 集成穩壓器 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。使用時需在輸入端和輸出端與公共端之間各并聯一個電容。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,用于改善負載的瞬態響應。根據需要可以附加其他的輸入濾波電容和輸出電容。圖2.36 W7800系列集成穩壓器5W7900系列三端固定式負輸出 集成穩壓器 W7900系列是三端固定式負輸出集成穩壓器，它與W7800系列穩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 三端輸出電壓可調式集成穩壓器 W117、W217、W317正輸出三端電壓可調式集成穩壓器 W137、。

3、W237、W337負輸出三端電壓可調式集成穩壓器 W137、W237、W337是負輸出三端電壓可調式集成穩壓器，其主要參數和主教材表2.8基本相同，但輸入、輸出電壓均為負值。 7W117、W217、W317三端 電壓正輸出可調式集成穩壓器 W117、W217、W317是正輸出三端電壓可調式集成穩壓器，使用方便，內部具有過熱、過流等保護措施，比W7800系列穩壓器有更高的穩壓精度。8 圖2.40是用W317組成的可調式穩壓電源，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，可實現輸出電壓1.25~37V連續可調。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是穩壓器的短路保護二極管，用于在輸入端或輸出端發生對地短路時釋放電容C2或C3上存儲的電荷。 圖2.40 W317組成的1.25~37V穩壓電源W117、W217、W317三端 電壓正輸出可調式集成穩壓器 9 3. 基準電源 一般A/D、D/A轉換器都需要由外部提供參考電源，在A/D、D/A轉換器選定后，轉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，其關鍵也在于要有精密的參考電源，習慣上，我們常稱之為基準電源 。 AD580系列高精度電壓基準集成電路 10AD580系列 高精度電壓基準集成電路 AD580系列高精度電壓基準集成電路具有輸出電壓精度高、溫漂小、輸出噪聲低和動態內阻小等優點，但輸出電流能力很小，一般不能作為穩壓器使用，主要用于為A/D、D/A轉換電路或其他電路提供參考電源。。

5、 AD589 AD58411AD589 AD589是雙端、具有溫度補償的帶隙電壓基準，其高穩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荷變化條件下保持全精度。AD589在輸入電流在50?A~5mA之間時提供固定的1.2V輸出電壓。使用圖2.41所示的線路可以得到1.2V或更小的基準電壓。圖2.41 AD589應用電路12AD584 AD584在芯片制作階段經過激光調整，具有很好的溫度系數和輸出電壓的穩定精度。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的幾種應用電路。 AD584的幾種應用電路 正電壓基準輸出 負電壓基準輸出 精密限流器 精密電流源 ?5V電壓跟蹤基準圖2.42 AD584的引腳圖13正電壓基準輸出 圖2.43中，1端為基準電壓輸出端，2端為＋5V端，3端。

6、為＋2.5V端。當1端與2、3端都各自互不連接時，1端輸出10.000V基準電壓；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基準電壓輸出。圖2.43 正電壓基準輸出14負電壓基準輸出 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的負基準電壓輸出。圖2.44 負電壓基準輸出15精密限流器應用圖2.45所示的電路，AD584可被用作精密限流器。 圖2.45 AD584構成的精密限流器16精密電流源 AD584外接少量的元件可構成能提供小電流的電流源，應用電路見圖2.46。圖中RC為精密電阻，其兩端電壓被運算放大器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、微安級的穩定電流。圖2.46 A。

7、D584構成的精密電流源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電壓跟蹤基準使用圖2.48所示的電路可以提供?5V電壓跟蹤基準。圖2.48 ?5V電壓跟蹤基準 19 4. 隔離電源 在計算機控制系統中，為了提高系統運行的安全性、可靠性和抗干擾能力，需要使用隔離技術(如光電隔離等)用于隔離計算機系統與信號輸入、輸出通道以及系統中互聯的單元。而實施隔離技術，最基本的要求是被隔離的各個部分由獨立的或相互隔離的電源供電，以切斷各個部分間的電路聯系。因此，隔離電源在計算機控制系統中是不可缺少的。 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，將它們分別進行整流、穩壓等處理，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的影響及系統。

8、各部分之間的相互影響，且實現簡單，但需要額外的變壓器或變壓器繞組，使得系統的體積變大。 采用帶電壓隔離的DC－DC轉換器，它不僅可以實現直流電壓到直流電壓的隔離轉換，還可以實現通道與通道之間、輸出與輸入之間的隔離。 21圖2.49 DC－DC轉換隔離電源兩種得到隔離電源的方法 DC－DC轉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電源的噪聲和從調制器反饋回的脈動信號，調制器把直流信號轉換為交流信號以使其可以通過變壓器，由變壓器實現電壓轉換和隔離，輸出解調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轉換隔離電源的應用電路。 圖2.50 DC－DC轉換隔離電源應用23 2.6 信號采樣與重構 1. 信號類型定義 2. 信號采樣 3. 采樣機理描述 4. 采樣定理 5. 計算機控制系統中采樣周期的選擇。

9、 6. 信號重構24 1. 信號類型定義 在計算機控制系統中，存在多種類型的信號，圖2.51給出了典型的計算機控制系統的結構及其各處的信號形式。圖2.51典型計算機控制系統的結構及其各處的信號形式25 為便于后續的描述和分析，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 連續信號 模擬信號 離散信號 及采樣信號 數字信號圖2.52 信號類型圖解26連續信號 連續信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值可以是連續的、也可以是斷續的。連續信號的一種特殊情況是幅值整量化的連續信號，如D/A轉換器輸出的臺階式信號，這種信號稱為分段連續信號。 27模擬信號 模擬信號是在整個時間范圍均有定義的信號，它的幅值在某一時間范圍內是連續的。模擬信號是連續信號的一個子集，在大多數場合與很多文獻中，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離散時間瞬時上有定義。

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間瞬時上的值構成的信號序列，因此其幅值可以是模擬信號的連續幅值范圍內的任意值，即其在時間上是離散的，而幅值上是連續的。在很多場合中，我們提及離散信號就是指采樣信號。 29數字信號 數字信號是幅值整量化的離散信號，它在時間上和幅值上均是離散的。30 2. 信號采樣 采樣或采樣過程，就是抽取連續信號在離散時間瞬時值的序列過程，有時也稱為離散化過程。 在計算機控制系統中，采樣過程是不可缺少的。對時間和幅值均連續的模擬信號經過采樣得到在時間上離散、幅值連續的脈沖序列，由A/D轉換器整量化后才能送入計算機進行處理和運算。 完成采樣操作的裝置稱為采樣器或采樣開關。圖2.53 理想采樣開關的采樣過程31采樣類型 周期采樣 指相鄰兩次采樣的時間間隔相等，也稱為普通采樣。這里，相鄰兩次采樣之間的時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。周期采樣的采樣時刻為0、T、2T、3T、?。 32采樣類型同步采樣 如果一個系統中有多個采樣開關，它們的采樣周期相同且同時進行采樣，則稱為同步采樣。非同步采樣 如果一個系統中有多個采樣開關，它們的采樣周期相同但不同時開閉，則稱為非同步采樣。33多速采樣 如果一個系統中有多個采樣開關，每個采樣開關都是周期采樣的，但它們的采樣周期不相同，則稱多速采樣。在某些計算機控制系統中，為提高控制質量，對變化比較快的模擬量采用較高的速率進行采樣和控制，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行等效分析。 隨機采樣 若相鄰兩次采樣的時間間隔不相等，則稱為隨機采樣。隨機采樣主要用于不要求控制的數據采集系統。 采樣類型34 3. 采樣機理描述則采樣信號可表示為或理想采樣開關可表示為35 4. 采樣定理 采樣定理: 如。

12、果連續信號f(t)具有有限頻譜，其最高頻率為ωmax,則對f(t)進行周期采樣且采樣角頻率ωs ≥2ωmax時，連續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f(t) 。 ωs /2稱為奈奎斯特頻率。 36 5. 采樣周期的選擇 在計算機控制系統中，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，而且還影響著系統的穩定性。 按系統閉環頻帶選取 按系統的開環傳遞函數選取 按系統開環階躍響應的上升時間選取 根據生產過程控制的經驗選取37 6. 信號重構 把離散信號變為連續信號的過程，稱為信號重構，它是采樣的逆過程。 零階保持器 一階保持器38 2.7 數字濾波 數字濾波，是把A/D轉換得到的數據通過軟件按照一定的算法進行平滑加工等處理，再送給控制程序運算，以增強其有效信號、消除或減小各種干擾和噪聲，從而提高控制精度和系統的可靠性與穩定性。 限幅濾波方法 中值濾波方法 算術平均濾波方法 一階滯后濾波方法 復合濾波方法 39。

總結

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