Data acquisition
Data acquisition systems are used to acquire process operating data and store it on secondary storage devices for later analysis. Many of the data acquisition systems acquire this data at very high speeds and very little computer time is left to carry out any necessary, or desirable, data manipulations or reduction. All the data are stored on secondary storage devices and manipulated subsequently to derive the variables of interest. It is very often necessary to design special purpose data acquisition systems and interfaces to acquire the high speed process data. This special purpose design can be an expensive proposition.
If the analog data must be transmitted over any distance, differences in ground potential between the signal source and final location can add noise in the interface design. In order to separate common-mode interference form the signal to be recorded or processed, devices designed for this purpose, such as instrumentation amplifiers, may be used. An instrumentation amplifier is characterized by good common-mode-rejection capability, a high input impedance, low drift, adjustable gain, and greater cost than operational amplifiers. They range from monolithic Ics to potted modules, and larger rack-mounted modules with manual scaling and null adjustments. When a very high common-mode voltage is present or the need for extremely-low common-mode leakage current exists (as in many medical-electronics applications), an isolation amplifier is required. Isolation amplifiers may use optical or transformer isolation.
Analog function circuits are special-purpose circuits that are used for a variety of signal conditioning operations on signals which are in analog form. When their accuracy is adequate, they can relieve the microprocessor of time-consuming software and computations. Among the typical operations performed are multiplication, division, powers, roots, nonlinear functions such as for linearizing transducers, rms measurements, computing vector sums, integration and differentiation, and current-to-voltage or voltage-to-current conversion. Many of these operations can be purchased in available devices as multiplier / dividers, log / antilog amplifiers, and others.
When data from a number of independent signal sources must be processed by the same microcomputer or communications channel, a multiplexer is used to channel the input signals into the A /D converter.
Multiplexers are also used in reverse, as when a converter must distribute analog information to many different channels. The multiplexer is fed by a D / A converter which continually refreshes the output channels with new information.
In many systems, the analog signal varies during the time that the converter takes to digitize an input signal. The changes in this signal level during the conversion process can result in errors since the conversion period can be completed some time after the conversion command. The final value never represents the data at the instant when the conversion command is transmitted. Sample-hold circuits are used to make an acquisition of the varying analog signal and to hold the signal level.
In order to get the data in digital form as rapidly and as accurately as possible, we must use an analog / digital (A / D) converter, which might be a shaft encoder, a small module with digital outputs, or a high-resolution, high-speed panel instrument. These devices, which range form IC chips to rack-mounted instruments, convert analog input data, usually voltage, into an equivalent digital form. The characteristics of A / D converters include absolute and relative accuracy, linearity, monotonicity, resolution, conversion speed, and stability. A choice of input ranges, output codes, and other features are available. The successive-approximation technique is popular for a large number of applications, with the most popular alternatives being the counter-comparator types, and dual-ramp approaches. The dual-ramp has been widely-used in digital voltmeters.
D / A converters convert a digital format into an equivalent analog representation. The basic converter consists of a circuit of weighted resistance values or ratios, each controlled by a particular level or weight of digital input data, which develops the output voltage or current in accordance with the digital input code. A special class of D / A converter exists which have the capability of handling variable reference sources. These devices are the multiplying DACs. Their output value is the product of the number represented by the digital input code and the analog reference voltage, which may vary form full scale to zero, and in some cases, to negative values.
Component Selection Criteria
In the past decade, data-acquisition hardware has changed radically due to advances in semiconductors, and prices have come down too; what have not changed, however, are the fundamental system problems confronting the designer. Signals may be obscured by noise, rfi, ground loops, power-line pickup, and transients coupled into signal lines from machinery. Separating the signals from these effects becomes a matter for concern.
Data-acquisition systems may be separated into two basic categories: (1) those suited to favorable environments like laboratories and (2) those required for hostile environments such as factories, vehicles, and military installations. The latter group includes industrial process control systems where temperature information may be gathered by sensors on tanks, boilers, wats, or pipelines that may be spread over miles of facilities. That data may then be sent to a central processor to provide real-time process control. The digital control of steel mills, automated chemical production, and machine tools is carried out in this kind of hostile environment. The vulnerability of the data signals leads to the requirement for isolation and other techniques.
A
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
数据收集
数据采集系统用于获取过程操作数据，并将其存储在辅助存储设备上，以供以后分析。许多数据采集系统以非常快的速度获取这些数据，几乎没有计算机时间来执行任何必要的或需要的数据操作或减少。所有数据都存储在辅助存储设备上，并随后进行操作以获得感兴趣的变量。设计专用的数据采集系统和接口来获取高速处理数据是非常必要的。这种特殊用途的设计可能是一个昂贵的主张。
如果模拟数据必须通过任意距离传输，信号源和最终位置之间的地电位差异会在接口设计中增加噪声。为了将共模干扰从要记录或处理的信号中分离出来，可以使用为此目的设计的设备，如仪表放大器。仪器放大器具有良好的共模抑制能力、高输入阻抗、低漂移、可调增益以及比运算放大器更高的成本等特点。它们的范围从单片集成电路到盆栽模块，以及更大的带手动缩放和零位调整的机架安装模块。当存在非常高的共模电压或需要极低的共模泄漏电流时(在许多医疗电子应用中)，需要一个隔离放大器。隔离放大器可以使用光学隔离或变压器隔离。
模拟功能电路是一种专用电路，用于对模拟形式的信号进行各种信号调理操作。当它们的精度足够时，就可以减轻微处理器的耗时软件和计算。典型的操作包括乘法、除法、幂、根、非线性函数，如线性化换能器、均方根测量、计算矢量和、积分和微分，以及电流-电压或电压-电流转换。这些操作中有许多可以在可用的设备中购买，如乘法器/除法器、对数/反对数放大器等。
当来自多个独立信号源的数据必须由同一微机或通信信道处理时，使用多路复用器将输入信号引入A/D转换器。
当转换器必须将模拟信息分发到多个不同的通道时，也可以反向使用多路复用器。多路复用器由D/A转换器提供，该转换器不断地用新信息刷新输出通道。
在许多系统中，模拟信号在转换器将输入信号数字化的过程中会发生变化。转换过程中此信号电平的变化可能会导致错误，因为转换期间可以在转换命令之后的某个时间完成。当转换命令被传输时，最终的值从不表示数据。采样保持电路用于采集变化的模拟信号并保持信号电平。
为了尽可能快速、准确地获得数字形式的数据，我们必须使用模拟/数字(A/D)转换器，它可以是轴编码器、带有数字输出的小模块或高分辨率、高速的面板仪器。这些设备从集成电路芯片到机架上的仪器，将模拟输入数据(通常是电压)转换成等效的数字形式。A/D转换器的特性包括绝对和相对精度、线性、单调性、分辨率、转换速度和稳定性。可以选择输入范围、输出代码和其他特性。连续逼近技术在许多应用程序中都很流行，最流行的替代方法是反比较器类型和双斜坡方法。双斜坡法已广泛应用于数字电压表中。
D/A转换器将数字格式转换为等效的模拟表示形式。基本转换器由一个加权电阻值或比值电路组成，每个电阻值或比值由数字输入数据的特定电平或重量控制，根据数字输入码产生输出电压或电流。存在一种特殊的D/A转换器，它具有处理可变参考源的能力。这些设备就是倍增的DACs。它们的输出值是数字输入码表示的数字和模拟参考电压的乘积，模拟参考电压可以从满量程到零，在某些情况下，甚至可以是负值。
选择标准
在过去的十年里，由于半导体技术的进步，数据采集硬件发生了巨大的变化，价格也下降了;然而，没有改变的是设计者所面临的根本的系统问题。信号可能被噪声、射频干扰(rfi)、地回路、电源线拾音器和机械信号线路中的瞬态信号所掩盖。从这些影响中分离出信号成为一个值得关注的问题。
数据收集系统可以分为两个基本类别：（1）那些适应良好环境的，例如实验室；（2）用于工厂、车辆和军事设施等恶劣环境的。后者包括工业过程控制系统，其中温度信息可以通过分布在几英里范围内的容器、锅炉、瓦特或管道上的传感器来收集。然后，这些数据可能被发送到中央处理器，以提供实时的过程控制。钢厂的数字化控制、自动化化工生产和机床都是在这种恶劣的环境下进行的。数据信号的脆弱性导致了对隔离等技术的需求。
另一端的spectrum-laboratory应用程序,如测试系统对气收集信息,质谱仪,以及其他复杂的工具,则设计师的问题涉及敏感测量的执行在适宜的条件下，而不是保护的问题在敌对的条件下收集的数据的完整性。
在恶劣环境下的系统可能需要宽温度、屏蔽、共模降噪、早期转换、关键测量的冗余电路和测试可靠性的数字数据预处理的组件。另一方面，实验室系统将有更窄的温度范围和更少的环境噪声。但是，更高的精度需要灵敏的设备，而且可能需要付出很大的努力来获得所需的信号/噪声比。
在数据采集设计中，配置和组件的选择取决于以下几个因素：
1.最终格式要求的分辨率和准确性。
2.要监视的模拟传感器的数量。
3.采样率
4.由于环境和准确性，信号调节要求。
5.成本的权衡。
基本数据获取配置的一些选择包括：
1.单通道技术
A.直接转换。
B.预放大和直接转换。
C.采样保持和转换。
D.预放大、信号调理和直接转换。
E.预放大、信号调理、采样保持和转换。
2.多通道技术。
A.多路复用单通道转换器的输出。
B.多路复用采样保持器的输出。
C.多路复用采样保持器的输入。
D.多路复用底层数据。
E.多于一层的多路复用器。
信号调节可能包括:
1.辐射转换技术。
2.宽动态范围的技术。
A.高分辨率的转换。
B.偏压范围。
C.自动增益切换。
D.对数压缩。
3.消声技术。
A.模拟过滤。
B.集成转换器
C.数字数据处理。
我们稍后将考虑这些技术，但首先我们将研究这些数据获取系统配置中使用的一些组件。
多路复用器
当多个通道需要进行模数转换时，需要使用时分多路复用将模拟输入连接到单个转换器上，或者为每个输入提供一个转换器，然后通过数字多路复用将转换器的输出组合起来。
模拟多路复用器
模拟多路复用电路允许多个模拟信息通道之间的模拟-数字转换器的分时使用。模拟多路复用器由一组开关组成，这些开关的输入连接到各个模拟通道，输出连接到公共的模拟通道。开关可由数字输入码寻址。
许多替代的模拟开关可在机电和固态形式。机电开关类型包括继电器、步进开关、交叉杆开关、水银润湿开关和干簧继电器开关。最佳开关速度由簧片继电器(ablut 1ms)提供。这种机械开关具有高的直流隔离电阻、低的接触电阻和处理1KV电压的能力，而且通常价格低廉。使用机械开关的多路复用器适用于低速应用和高分辨率要求的应用。它们与较慢的A/D转换器的接口很好，就像集成的双斜率类型。然而，机械开关的使用寿命通常是有限的表示为操作的数量。一个簧片继电器可能有10次操作的寿命，这将允许3年的寿命在10次操作/秒。
固态开关设备的工作时间为30纳秒，其寿命超过了大多数设备的要求。场效应晶体管(fet)被广泛应用于多路复用器中。它们已经取代了双极晶体管，后者在用作开关时可以引入较大的电压偏移。
场效应晶体管器件从漏极到源极处于关闭状态，从栅或基片到漏极和源极处于打开和关闭状态。MOS器件的栅漏与其他漏源相比很小。当设备有一个zener -二极管保护的栅极时，在栅极和源之间存在一个额外的泄漏路径。
增强模式MOS-FETs的优点是当电源从MUX中移出时，开关关闭。fet多路复用器总是在电源关闭的情况下打开。
在最近的发展中，cmos互补的mos开关的优点是能够多路复用电压，并包括电源电压。plusmn;10-V信号可以用plusmn;10-V电源处理。
设计人员的权衡考虑
模拟多路复用一直是实现系统成本最低的最受欢迎的技术。A/D转换器成本的降低和低成本、专门为多路复用设计的数字集成电路的可用性为某些应用提供了一种具有优势的替代方案。对一个特定系统使用何种技术的决定将取决于下列因素之间的权衡:
1.决议。A/D转换器的成本随着分辨率的增加而急剧上升，这是由于预置元件的成本增加造成的。在8位级别上，模拟多路复用器的每路成本可能是转换器成本的一个相当大的比例。在12位以上的分辨率下，情况正好相反，模拟多路复用往往更经济。
2.通道的数量。它控制所需多路复用器的大小以及连接和互连的数量。在许多情况下，公共数据总线上的数字多路复用将布线减少到最少。模拟多路复用适合8到256通道;除了这个数字之外，该技术非常笨拙，而且很难最小化模拟错误。在非常大的系统中，模拟多路复用和数字多路复用经常结合在一起。
3.测量速度，或吞吐量。高速的A/D转换器会给系统增加相当大的成本。如果模拟多路复用需要高速转换器来实现所需的采样率，那么对于每个通道使用数字多路复用的较慢的转换器可以降低成本。
4.信号电平和调节。在模拟多路复用中，通道之间的宽动态范围可能是困难的。小于1V的信号通常需要差分低电平模拟多路复用，这是很昂贵的，在MUX操作之后需要可编程增益放大器。在每个通道上的固定增益转换器的替代方案，与为通道要求设计的信号调理，与数字多路复用可能是更有效的。
5.测量点的物理位置。模拟多路复用适合于在距离转换器几百英尺的地方进行测量，因为模拟线路可能会遭受损耗、传输在线反射和干扰。根据信号电平、距离和噪声环境的不同，线路的范围从双绞线到多导体屏蔽电缆。数字多路复用可操作到数千英里，与适当的传输设备，因为数字传输系统可以提供强大的噪声抑制远距离传输所需的特性。
数字多路复用
对于具有少量通道的系统，可以在TTL和MOS逻辑系列中使用中型集成数字多路复用器。74151就是一个典型的例子。其中8个集成电路可用于将8个8位分辨率的A/D转换器复用到一个公共数据上。
这个数字多路复用的例子在布线经济方面几乎没有优势，但是它的成本最低，而且高的交换速度允许以比模拟多路复用器快得多的采样率进行操作。A/D转换器只需要跟上通道采样速率，而不需要跟上换向速率。当大量的A/D转换器被多路复用时，数据总线技术减少了系统间的互连。在许多情况下，仅这一点就可以证明多个A/D转换器是正确的。数据可以以位并行或位串行格式总线到线路上，因为许多转换器同时具有串行和并行输出。可以使用多种设备来驱动总线，从开路集电极和三态TTL门到线路驱动器和光电隔离器。信道选择解码器可以从1/16的解码器构建到所需的大小。这种技术还允许附加的可靠性，因为一个A/D故障不会影响其他通道。一个重要的要求是多路复用器在采样率速率下工作时不引入不可接受的错误。对于数字MUX系统，可以从传播延迟和充电所需的时间来确定速度。
模拟多路复用器可能更难描述。它们的速度不仅与内部参数有关，还与外部参数有关，如通道源阻抗、杂散电容、通道数目和循环布局等。用户必须了解系统中的限制参数，才能判断它们对性能的影响。
模拟多路复用器的非理想传输和开路特性会给信号路径带来静态和动态误差。这些错误包括通过开关的泄漏，控制信号进入模拟路径的耦合，以及与源和后续放大器的相互作用。此外，电路布局可以复合这些效果。
由于模拟多路复用器可以直接连接到过载能力小或过载后沉降差的信号源上，因此开关应具有先断路后合闸的动作，以防止同时短路的可能性。可能有必要避免短路的渠道时，权力是删除和一个渠道关闭与权力下降的特点是可取的。除了通常采用二进制编码的信道寻址行之外，还应该禁止或启用某些行来关闭所有开关，而不管正在寻址的是哪个信道。这简化了级联多路复用器所需的外部逻辑，并且在某些信道寻址模式中也很有用。模拟和数字多路复用器的另一个要求是线路瞬态和过载条件的容忍度，以及吸收瞬态能量和无损伤恢复的能力。
谈谈PLC的应用与发展
摘要:本文主要介绍了PLC的特点和应用现状，回顾了PLC国内外的发展状况，并对PLC的未来作了展望。
关键词：PLC特点；应用展望。
一般是使用工业控制计算机,30年来,从没有可编程控制器,进行工业控制领域连接行逻辑保存逻辑的跳跃;其功能从弱到强,逻辑控制进行数字控制的进步;适用领域自童年以来,单一主体设备控制能力进行运动控制,过程控制简单,并集合分散控制等各种任务。可编程控制器是当今工业控制领域必不可少的控制设备，在世界各地发展着越来越大的功能。
- 可编程控制器的定义
可编程控制器，简称PLC(可编程逻辑控制器)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年颁布的《国际电工委员会(国际电工委员会)PLC标准草案》中对PLC做了如下定义：
PLC是一种专用于工业环境下为数字而设计的操作操作的电子设备。它采用可编制程序的存储机，用于其内部的存储性能逻辑操作，按一定的顺序进行操作、记账、计数等操作。通过指令的算术运算，可以通过数值型或模拟型的输入和输出，控制机器或各种类型的生产线。PLC与它相关的外围设备应按易控制与工业一体化的系统，易扩展其功能的原则可设计。
- PLC的特点
2.1可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电力控制设备的关键功能。PLC由于采用了现代大规模集成技术，采用了严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均没有分解时间高达30万小时。PLC的某些用途冗余CPU的平均没有故障，工作时间则更长。针对PLC机器的外部电路，采用PLC构成控制系统，并与同等规模的机器系统取得联系后进行比较电、电接驳线和接点的开关点已减少几百甚至几千，故障也大大降低了。此外，PLC具有硬件故障自我检测功能，当处于故障范围内时发出报警信息。在应用软件中，应用者还可以将外圆机片的故障编入检查病人的程序，使系统除了电路的PLC和设备也被击穿以防止诊断。
2.2试剂盒齐全，功能完善，适用性强
PLC发展至今，已成为大、中、小型各种规模的系列转向产品。
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[411196]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
