Лекция 3 ТСАУ по шаблону

1.

Для служебного пользования
(п. 85 Перечня сведений ВС)
Экз.№ 1
Дисциплина: «Технические средства
автоматизации и управления»
Лекция № 3
Интерфейс между процессом и управляющей ЭВМ
Руководитель занятия: начальник кафедры, к.т.н.,
доцент Кабанович С.Г.

2.

Учебные цели:
1. Уяснить виды, структуру и характеристики различных интерфейсов.
2. Уяснить способы согласования и передачи сигналов в интерфейсах
передачи информации.
Учебные вопросы:
1. Структура и характеристика интерфейса.
2. Согласование и передача сигналов.
Литература:
1.Кабанович
С.Г.,
Джелаухян
А.Ю.
«Технические
средства
автоматизации и управления». Учебное пособие. Серпухов. 2020. Раздел
«Интерфейс между процессом и управляющей ЭВМ».

3.

Учебный вопрос № 1
Структура и характеристики интерфейса.

4.

4
Структура и характеристики интерфейса
физический /
технический процесс
датчики
Исполнительные
механизмы
оператор
Согласование
входных
сигналов
Согласование
выходных
сигналов
Входной
интерфейс
Выходной
интерфейс
управляющий
компьютер
Рисунок 1 - Общая структура ввода/вывода между
процессом и управляющим компьютером

5.

5
Структура и характеристики интерфейса
Физическая
величина (как
правило аналоговая
величина)
датчик
измерительная
головка
преобразователь
Выходной
сигнал
(чаще
всего
электрический)
Рисунок 2 - Составные элементы датчика
Результат измерения - это «реакция измерительной
головки датчика», которая на выходе преобразователя
представляет
собой
электрическую
величину,
распространяющуюся дальше по проводнику.

6.

6
Структура и характеристики интерфейса
Исполнительное устройство или механизм - преобразует
электрическую энергию в механическую или в физическую
величину для воздействия на управляемый процесс.
!!!!!!! Исполнительные устройства обычно лишь опосредованно
влияют на переменные физических процессов, измеряемые датчиками
Например, датчики измеряют температуру, координаты, а
исполнительные устройства управляют подводом тепла, движением.
Исполнительное устройство
Выходной
сигнал
Преобразователь/
усилитель
Силовой
преобразователь/
исполнительный
механизм
Физическая
величина

7.

7
Структура и характеристики интерфейса
Два фактора!!!!! - ширина полосы пропускания и уровень шума определяют способ передачи сигналов между управляющим компьютером и
физическим процессом.
Полоса пропускания - обозначает диапазон частот, в пределах
которого амплитудно-частотная характеристика остается не меньше
заданного значения (обычно 0.707 от максимального).
Согласование сигнала - обработка сигнала для достижения
соответствия между уровнями сигнала и импедансами ВЫХОДА
датчика, кабеля и ВХОДА управляющего компьютера.
С одной стороны, уровень выходного сигнала датчика должен
быть достаточно высок, с другой - входной импеданс
управляющего компьютера должен быть значительно больше по
сравнению
с
выходным
импедансом
системы
«датчикизмерительный преобразователь».
Для согласования уровней сигналов и величин импедансов между
выходом датчика и входом управляющего компьютера
устанавливаются усилители.

8.

Учебный вопрос № 2
Согласование и передача сигналов

9.

Согласование и передача сигналов
9
!!!!!!!!
Для
согласования
импедансов
операционные усилители в цепи с обратной связью.
применяются
Операционный усилитель (ОУ) - устройство, выполненное на
интегральных схемах, с очень большим коэффициентом
усиления по напряжению (порядка 106-1012), высоким
входным импедансом (несколько МОм) и низким
выходным импедансом (как правило, менее 100 Ом). Выходной
ток обычно ограничен величиной 10мА при напряжении ±10В.
U1 (питание)
+
_
Ui
U0
+
Ui
+
_
U1
_
U0 = G(Ui - Ui )
Рисунок 4 - Схематическое изображение
операционного усилителя

10.

Согласование и передача сигналов
10
Выходное напряжение U0 пропорционально разности двух
входных напряжений: где G - коэффициент усиления.
Так
как
коэффициент
усиления
очень
большой,
непредсказуемый,
операционный
усилитель
никогда
используется без какой-либо отрицательной обратной связи
но
не
R2
R1
Ui
U0
Инвертирующий усилитель, или инвертор

11.

Согласование и передача сигналов
11
Коэффициент усиления по напряжению - отношение
выходного напряжения к входному:
v0
R2
1
,
vi
R1 1 1
G
где
R1
,
R1 R2
Цепь обратной связи, изображенная на рисунке называется
повторителем
напряжения
преобразователем импеданса
Ui
U0
или

12.

Согласование и передача сигналов
12
Коэффициент усиления повторителя напряжения
= 1.
Если повторитель напряжения присоединен последовательно к
измерительному преобразователю, имеющему высокий выходной импеданс,
то новая система будет иметь те же характеристики, что и
исходная, но выходной импеданс будет низким
Другая широко используемая схема с операционным
усилителем - дифференциальный усилитель, усилитель
оперирует разностью между входными сигналами.
R2
Ui R1
Ui
U0
R1
R2

13.

13
Согласование и передача сигналов
Выражение для выходного напряжения имеет вид:
R2
v0 ( vi 2 vi 1 ) .
R1
!!!!!!!!
Рассмотренные выше схемы с операционным
усилителем представляют собой основные элементы,
на базе которых создаются схемы согласования
сигналов.
Электрические проводники являются средой, по которой
электрические сигналы распространяются в пространстве.
Передаваемый по проводнику сигнал по мере удаления от
источника
подвергается
изменениям,
определяемым
физическими характеристиками линии передачи.

14.

Согласование и передача сигналов
14
импеданс
линии Z0
источник
сигнала
конечный
импеданс ZL
Рисунок 5 - Отражение сигнала при неправильном согласовании
импедансов между линией передачи и оконечным элементом - Z0 ≠ ZL
Входной сигнал в произвольной точке линии будет распространяться в
обоих направлениях со скоростью:
1
v
L C

15.

15
Согласование и передача сигналов
Сигнал, распространяющийся вдоль линии, имеющей на конце импеданс
ZL, будет частично отражен с коэффициентом отражения ,
определяемым формулой:
Z L Z0
Z L Z0
L
где Z 0
C
называется характеристическим импедансом линии
в идеальном случае, чтобы избежать
импеданс
нагрузки
должен
характеристическому импедансу ZL=Z0
отражения,
равняться

16.

16
Согласование и передача сигналов
Электрические помехи, возникающие в электрическом
проводнике, могут иметь различную природу. Обычно
помехи вызваны одним из следующих типов связи между
их источником и проводником:
• резистивной;
• емкостной;
• индуктивной (магнитной).
Резистивная (или гальваническая) связь между
проводником и источником помех не зависит от частоты
возмущающего сигнала. Напротив, при емкостной или
индуктивной связи степень влияния зависит от частоты
помех - чем выше частота, тем больше энергии получается
от источника возмущений.

17.

18.

18
Задание на самостоятельную работу
Тема следующего занятия (Лекция 4)
«Технические средства получения первичной и использования
управляющей информации»
Задание на самостоятельную работу
1. Используя дополнительную литературу, периодические печатные и
электронные источники, записать в конспект примеры схем согласования
сигналов в найденных существующих технических системах

19.

English Русский Rules