第三章模拟量输入输出系统.ppt

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1、SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)数据采集与监视控制系统数据采集与监视控制系统SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行调度自动化系统。它可以对现场的运

2、行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。参数调节以及各类信号报警等各项功能。RAM Random-access memoryROM Read Only MemoryEPROM Electrically Programmable Read-Only-Memory 电可编程序只读存储器;Erasable Programmable Read Only Memory,可擦可编程只读存储器;=erasable PROM,可擦(可)编程只读存储器 EEPROM Electrically Erasable Prog

3、rammable Read Only Memory,电可擦可编程只读存储器 管理机模式保护测量控制保护测量控制保护测量控制保护测量控制RS232/484CONTROL CENTREStationAB8B9C1T1T2B1B2B3B4B5B6C7C2B7DEC 3000 AXP Alpha1252123123123123123123123123123123123123123123123网络返回返回通信管理机通信管理机应用：应用：电动机监控、远方泵站监控、变配电自动电动机监控、远方泵站监控、变配电自动化、工厂自动化，抄表系统化、工厂自动化，抄表系统配置：配置：网络接口：网络接口：以太网接口以太网接

4、口路路数：数：4路路串行接口：串行接口：RS232/RS485接口接口路路数：数：16路路对时接口：对时接口：RS232/RS485接口（接口（GPS接口）接口），占用标准串行接口，占用标准串行接口对时脉冲对时脉冲1路路人机接口：汉字液晶显示人机接口：汉字液晶显示/键盘（面板）键盘（面板）1路隔离串行通信接口（路隔离串行通信接口（RS232），连接），连接PC机机电电源：源：AC220V/DC220V机机箱：箱：19英寸标准工业机箱英寸标准工业机箱功能：功能：连接设备：数据采集设备、保护设备、远方控制设备、智能仪表、其它智连接设备：数据采集设备、保护设备、远方控制设备、智能仪表、其它智能设备。

5、能设备。连接协议：连接协议：MODBUS、CDT等多种常用协议等多种常用协议用户提供的其他协议用户提供的其他协议接口类型：以太网接口、接口类型：以太网接口、RS232、RS485接口接口扩展接口：插板式设计，接口数量可以按需求任意配置（不大于最大配置）扩展接口：插板式设计，接口数量可以按需求任意配置（不大于最大配置）性能：性能：接口速率：以太网接口，接口速率：以太网接口，10Mb/SRS232/RS485，300、600、1200、2400、4800、9600、19200bit/s电源范围：电源范围：AC220V20%、50Hz或或DC220V20%安装形式：嵌入式安装形式：嵌入式第三章第三章

6、模拟量输入模拟量输入/输出系统输出系统爱上模拟电路，一种细微而极致的美；爱上模拟电路，一种细微而极致的美；爱上数字电路，一种严谨而慎密的美；爱上数字电路，一种严谨而慎密的美；爱上程序代码，一种自由而奔放的美；爱上程序代码，一种自由而奔放的美；爱上布线路板，一种优雅而流畅的美。爱上布线路板，一种优雅而流畅的美。变电站综合自动化系统的微机系统变电站综合自动化系统的微机系统结构结构微型机系统微型机系统开关量输入开关量输入/输出回路输出回路人机对话回路人机对话回路通信回路通信回路电源电源模拟量输入模拟量输入/输出回路输出回路模拟信号波型模拟信号波型数字信号波型数字信号波型模拟量输入通道的构成模拟量输入

7、通道的构成电压形成回路电压形成回路进一步的降低和变换电压和电流进一步的降低和变换电压和电流模拟低通滤波（模拟低通滤波（ALF）阻止频率高于某一数值的信号进入阻止频率高于某一数值的信号进入A/D转换系统转换系统采样保持器（采样保持器（SampleHolder）测量模拟信号在某一个时测量模拟信号在某一个时刻的瞬时值并保持刻的瞬时值并保持多路转换开关（多路转换开关（Multiplexer）可以使多个模拟量共用一可以使多个模拟量共用一个采样保持器和个采样保持器和A/D转换器进行采样和转换转换器进行采样和转换A/D转换器（转换器（AnalogtoDigitConverter)将模拟量转换将模拟量转换成数

8、字量成数字量电压形成回路电压形成回路滤波器是一种选频装置，它允许输入信号滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过中的特定频率成分通过,同时抑制或极大地同时抑制或极大地衰减其它频率成分。衰减其它频率成分。根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种，为低通、高通、带通和带阻四种，其对应的幅频特性如图所示，图中虚线为其对应的幅频特性如图所示，图中虚线为理想滤波器的幅频特性。理想滤波器的幅频特性。低通滤波器低通滤波器通频带为通频带为0-fC2，fC2-为阻带。为阻带。高通滤波器高通滤波器与低通滤波器相反与低通滤波器相反,通频带为

9、通频带为fC1-，f0-fC1为阻带。为阻带。带通滤波器带通滤波器通频带为通频带为fC1-fC2，其它频率为阻带。，其它频率为阻带。带阻滤波器带阻滤波器与带通滤波器相反，阻带为与带通滤波器相反，阻带为fC1-fC2，其它频率为通带。，其它频率为通带。Low-pass filter passes low-frequency signals but attenuates消弱、衰减(reduces the amplitude of)signals with frequencies higher than the cutoff关断 frequency.It is sometimes called a

10、high-cutfilter Question:为什么要在模拟量输入通道中设置低通滤波器？模拟量输出通道组成模拟量输出通道组成接口电路接口电路interfacecircuit输出锁存输出锁存outputflip-latchD/A转换器转换器 DigitaltoAnalogconverter 放大驱动电路放大驱动电路magnifyanddrivecircuit采样及采样保持电路采样及采样保持电路电力系统中的模拟量有三种形式电力系统中的模拟量有三种形式快速变化的交流电流、交流电压等交流量快速变化的交流电流、交流电压等交流量变化缓慢的控制母线及操作母线的直流电变化缓慢的控制母线及操作母线的直流电压量

11、压量变化缓慢的非电量变化缓慢的非电量采样采样量化过程：量化过程：1、把时间的连续信号按一定的时间、把时间的连续信号按一定的时间间隔变成时间的离散序列，称之为间隔变成时间的离散序列，称之为时间取量化时间取量化；2、逐一将离散信号电平转换为二进制数表示的、逐一将离散信号电平转换为二进制数表示的数字量，称之为数字量，称之为幅值取量化幅值取量化。时间取量化的过程称之为时间取量化的过程称之为采样采样，即在给定的时刻，即在给定的时刻对连续的信号进行测量。对连续的信号进行测量。采样周期采样周期Ts采样频率采样频率fs3.23.23.93.92.82.83.43.41.21.24.24.23 34 43 33

12、 31 14 4011011100100011011011011001001100100 原始信号原始信号 PAMPAM脉冲脉冲 PCM PCM 脉冲脉冲 （有量化误差（有量化误差）011100011011001100011100011011001100 PCM PCM 输出输出输出输出采样方式（单一通道采样方式）采样方式（单一通道采样方式）异步采样：即定时采样，异步采样：即定时采样，Ts为常数，采样为常数，采样频率频率fs不随模拟输入信号的基波频率不随模拟输入信号的基波频率f1变化变化而调整而调整同步采样分为跟踪采样和定位采样，同步采样分为跟踪采样和定位采样，Ts不不再恒定，采样频率跟踪系统

13、基频的变化，再恒定，采样频率跟踪系统基频的变化，始终保持始终保持fs/f1=N为不变得整数为不变得整数采样方式（多通道采样方式）同时采样：在每一个采样周期对所有采样的各通道的量在同时采样：在每一个采样周期对所有采样的各通道的量在同一时刻一起采样。同时采样有两种实施技术，一是每一同一时刻一起采样。同时采样有两种实施技术，一是每一通道都设置通道都设置A/D转换器，同时采样后同时进行转换器，同时采样后同时进行A/D转换；转换；另一种是全部通道合用一个另一种是全部通道合用一个A/D转换器，同时采样，一次转换器，同时采样，一次进行进行A/D转换。转换。顺序采样：在每一个采样周期内，对上一个通道完成采样顺

14、序采样：在每一个采样周期内，对上一个通道完成采样及及A/D转换后，再开始对下一个通道进行采样。转换后，再开始对下一个通道进行采样。分组采样：将所有输入通道分为若干组，在组内各通道同分组采样：将所有输入通道分为若干组，在组内各通道同时采样，各组间增加一个延时，完成同一组采样后，再对时采样，各组间增加一个延时，完成同一组采样后，再对其他组的输入信号进行采样。其他组的输入信号进行采样。同时采样，同时A/D转换同时采样，依次A/D转换顺序采样，依次A/D转换全面、实时的自检全面、实时的自检全面、实时的自检全面、实时的自检双双双双A/DA/DA/DA/D采集、互检采集、互检采集、互检采集、互检采样保持器

15、的工作原理把采样时刻上所得到的模拟量的瞬时幅度把采样时刻上所得到的模拟量的瞬时幅度完整的纪录下来，并按需要准确的保持一完整的纪录下来，并按需要准确的保持一段时间，叫做采样保持。段时间，叫做采样保持。采样保持电路的构成：保持电容器采样保持电路的构成：保持电容器Ch和输和输入输出缓冲放大器入输出缓冲放大器A1、A2以及控制开关以及控制开关S组成组成工作模式：采样模式和保持模式，可由模工作模式：采样模式和保持模式，可由模式控制信号来选择。式控制信号来选择。对采样保持电路的要求对采样保持电路的要求对于快速变化的信号采样时，要求对于快速变化的信号采样时，要求Tc尽可尽可能的短，以便可以利用很窄的采样脉冲

16、，能的短，以便可以利用很窄的采样脉冲，这样才能这样才能得到准确反映某一时刻的输入值。得到准确反映某一时刻的输入值。保持时间要长保持时间要长模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小的漏电流要小采样频率的选择：采样频率的选择：如果连续变化的模拟信号最高频率为如果连续变化的模拟信号最高频率为F F，若以若以2F2F的采样频率对其采样，则采样得到的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。号。模拟低通滤波器模拟低通滤波器在采样前用在采样前用ALF滤除高频分量滤除高频分量模拟低通滤波器的幅频率特性的

17、最大截止模拟低通滤波器的幅频率特性的最大截止频率，一般根据采样频率频率，一般根据采样频率fs的值来确定，的值来确定，例如，当采样频率为例如，当采样频率为1000Hz时，模拟低通时，模拟低通滤波器必须滤除输入信号大于滤波器必须滤除输入信号大于500Hz的高的高频分量。频分量。多路转换开关（多路转换开关（multiplexer）多路转换开关有两种类型，一类是机械式，如干簧继电器，水银继电器和机械振子式继电器等；另一类是电子式的，如晶体管、场效应管和集成电路开关等。数数/模转换器模转换器D/A转换器的工作原理转换器的工作原理输出的模拟量能随输入数字量正比的变化，以便使输出模输出的模拟量能随输入数字量

18、正比的变化，以便使输出模拟量拟量u0能直接反映数字量能直接反映数字量D的大小，即的大小，即u0=DUR；其中；其中UR是常量，由参考电压确定，是常量，由参考电压确定，D是数字量，常为二进制。是数字量，常为二进制。D的位数由的位数由D/A转换器芯片型号决定，通常为转换器芯片型号决定，通常为8位、位、12位等。位等。D的通式为的通式为D=B1*2-1+B2*2-2+Bn*2-nD/A转换器的原理很简单，可以总结为转换器的原理很简单，可以总结为“按权展开，然后按权展开，然后相加。相加。”D/A转换器的性能指标转换器的性能指标分辨率（分辨率（resolution）转换精度转换精度(conversion

19、accuracy)偏移量误差偏移量误差(offseterror)线性度线性度(linearity)温度系数温度系数稳定时间稳定时间模模/数转换器数转换器analogtodigitalconverter能把输入模拟电压和电流变成与它成正比能把输入模拟电压和电流变成与它成正比的数字量，以便计算机进行处理、存储、的数字量，以便计算机进行处理、存储、控制和显示控制和显示从原理上可以分为计数器式从原理上可以分为计数器式A/D转换器、双转换器、双积分式积分式A/D转换器、逐次逼近式转换器、逐次逼近式A/D转换器、转换器、并行并行A/D转换器转换器A/D转换器的一般原理转换器的一般原理理想理想A/D的输入输

20、出关系为：的输入输出关系为：D=UA/URD=B1*2-1+B2*2-2+Bn*2-nUA=UR(B1*2-1+B2*2-2+Bn*2-n)计数式A/D转换器 计数式A/D 转换器结构很简单，但转换速度很慢，所以很少用。逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器由逐次逼近寄存器由逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、比转换器、比较器、时序及控制逻辑等部分组成较器、时序及控制逻辑等部分组成逼近步骤采用二分搜索法逼近步骤采用二分搜索法1、逐次逼近式A/D转换器转换的模拟电压有没有最大值？2、溢出？3、单极性输入、双极性输入逐次逼近式A/D转换器的主要特点：（1）转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。（

21、2）转换速度较快，特别适用于工业系统。（3）抗干扰能力相对于积分式的差。双积分式A/D转换器双积分式A/D转换器抗干扰能力强，转换精度也高，但速度不够理想，常用于数字式测量仪表中。A/D转换器的性能指标转换器的性能指标分辨率分辨率转换精度转换精度转换速度转换速度电源灵敏度电源灵敏度输出逻辑电平输出逻辑电平工作温度范围工作温度范围量程量程分辨率分辨率A/D转换器的分辨率用其输出的二进制数码转换器的分辨率用其输出的二进制数码的位数来表示，位数越多，则量化增量越的位数来表示，位数越多，则量化增量越小，量化误差越小，分辨率也就越高。小，量化误差越小，分辨率也就越高。转换精度（转换精度（conversi

22、onaccuracy)转换精度由模拟误差和数字误差组成。转换精度由模拟误差和数字误差组成。具有某种分辨率的转换器在量化过程中由具有某种分辨率的转换器在量化过程中由于采用了四舍五入的方法，因此，最大量于采用了四舍五入的方法，因此，最大量化误差应为分辨率的一半。化误差应为分辨率的一半。转换速度转换速度(conversionrate)转换速度是指完成一次转换所需要的时间转换速度是指完成一次转换所需要的时间的倒数，转换时间，即从发出转换控制信的倒数，转换时间，即从发出转换控制信号开始，直到输出端得到稳定的数字输出号开始，直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间。转换时间越长，转换速为止所用的时间。转换时间越长，转换速度就越低。度就越低。电源灵敏度（power supply sensitivity)是指供电电源的电压发生变化时产生的转换误差。一般用电源电压变化1%时相当的迷你两变化的百分数来表示。VFC 式数字采集系统电压-频率变换式数字采集系统