智能儀器輸出通道的信號種類

智能儀器是一個測控系統(tǒng)，它不僅要解決信息的獲取、傳輸和處理問題，而且要將處理？ 的信息傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。將智能儀器處理后的數(shù)字信號用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，需要考慮輸出管 號的形式。在實際的工程應(yīng)用中，根據(jù)不同的受控對象和具體要求，信號輸出可以有多種，如 模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量等。所以智能儀器設(shè)計時要考慮與執(zhí)行裝置之間的接口問題，以實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換、參數(shù)匹配及功率放大等功能。本章將詳細(xì)介紹智能儀器輸出通道的信號種類、模擬 量輸出及D/A轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸出和數(shù)字波形合成技術(shù)。

智能儀器輸出通道的信號種類

根據(jù)不同輸出對象的不同要求，智能儀器的信號輸出可分為模擬量輸出信號、開關(guān)量輸出 信號和數(shù)字量輸出信號。

1.1模擬量輸出信號

模擬量輸出信號是zui常見的輸出信號方式。根據(jù)不同的要求可以是直流電流或直流電壓的 輸出。

1. 直流電流信號

當(dāng)智能儀器的輸出模擬信號需要傳輸較遠(yuǎn)的距離時，一般采用電流信號而不是電壓信號。 因為電流信號抗干擾能力強(qiáng)，信號線電阻不會導(dǎo)致信號的損失。當(dāng)智能儀器與常規(guī)儀器相配合 組成顯示或控制系統(tǒng)時，各個單元之間的信號應(yīng)規(guī)范化。按照我國的國家標(biāo)準(zhǔn)GB3369—82 所規(guī)定的《工業(yè)自動化儀表用模擬直流電流信號》及國外標(biāo)準(zhǔn)ffiC-381所規(guī)定的《過程控制系 統(tǒng)用模擬直流電流信號》的敘述，直流電流信號分為兩種，一種是4?20mA (負(fù)載電阻250? 750Ω),另一種是0?10mA (負(fù)載電阻0?3000Ω)。在采用4?20mA的信號標(biāo)準(zhǔn)時，零毫 安值表示信號電路或供電故障。

2. 直流電壓信號

當(dāng)智能儀器輸出的模擬信號需要傳輸給多個其他儀器時，如果釆用直流電流信號，為了保 證多個接收信號的設(shè)備獲得同樣的信號，必須將他們互相串聯(lián)起來。在這種情況下，任何一個 接收設(shè)備如果發(fā)生斷路故障，則其他接收設(shè)備也會失去信號。同時，互相串聯(lián)的各個接收設(shè)備 輸入端對地電位不等，也會引起一些麻煩。所以，在控制、顯示等場合，智能儀器的輸出一般都采用直流電壓信號。

輸出直流電壓信號時，多個接收信號的設(shè)備互相并聯(lián)起來就能獲得同樣的信號。為了避專導(dǎo)線電阻形成壓降而使信號改變，接收設(shè)備的輸入阻抗必須足夠高。但過高的輸入阻抗嘎害引入電場耦合干擾。所以直流電壓信號一般只適用于傳輸距離較近的場合。

此外，對于采用4?20mA直流電流信號的系統(tǒng)，只需采用250Ω電阻就可將其變換1~5V的直流電壓信號。所以1?5V直流電壓信號是常用的模擬信號形式之一。在采用1?5 號標(biāo)準(zhǔn)時，IV以下的電壓值表示信號電路或供電故障。

正是由于容易判別斷線和電源故障，直流4?20mA電流信號及1?5V電壓信號受要的推薦和普遍的采用。

1.2開關(guān)量輸出信號

開關(guān)量實質(zhì)上是一種二值型的輸出量，即表征“開”與“關(guān)”，或者“是”與“非”等兩 種狀態(tài)。智能儀器系統(tǒng)中的開關(guān)量輸出信號具有以下幾種基本的表現(xiàn)形式。

1. 開關(guān)量控制

某些被控對象的自動控制采用位式執(zhí)行機(jī)構(gòu)或開關(guān)式器件，它們的動作是由開關(guān)信號控制 的，例如，各種按鍵、電磁閥、電磁離合器、繼電器或接觸器、雙向可控硅等，它們只有“開” 和“關(guān)”兩種工作狀態(tài)，可以表示為二進(jìn)制的“1”和“0”。因此，利用一位二進(jìn)制數(shù)的輸出 就可以控制這些開關(guān)式器件的運行狀態(tài)。例如，繼電器或接觸器的閉合和釋放、電動機(jī)的啟動 和停止、雙位式閥門的打開和關(guān)閉、越限聲光報警等。

用于控制的開關(guān)信號的電氣接口形式又分為有源和無源兩類。無源是指智能儀器只提供輸 出電路的通、斷狀態(tài)，負(fù)載電源由外電路提供。例如，智能儀器控制繼電器線圈的得電或失電 時，繼電器的觸點本身只是一個無源的開關(guān)，是由用戶安排的。有源的開關(guān)量輸出信號往往表 示為電平的高低或電流的有無，由智能儀器為負(fù)載提供全部或部分的電源。

有源和無源各有利弊，無源的開關(guān)量輸出容易實現(xiàn)智能儀器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的電路隔離， 兩者既不共用電源也不共用接地，這有利于克服地電位差及電磁場干擾的不利影響。而對于有 源的開關(guān)量輸出，根據(jù)輸出電壓或電流的實際數(shù)值，智能儀器就有可能判斷出負(fù)載斷線等故障。

2. 越限報警

將被測參數(shù)的數(shù)值與人為預(yù)先設(shè)定的參考值進(jìn)行比較，味較的結(jié)果（大于或小于）以開關(guān) 量的形式輸出，就可以驅(qū)動聲光報警裝置來實現(xiàn)越限報警，或者輸出給控制設(shè)備采取措施。例 如，鍋爐水位測量值低于設(shè)定的低限值時，必須立即報警或啟動供水泵進(jìn)水。

3. 反映智能儀器本身的工作狀態(tài)

智能儀器的工作狀態(tài)，如“投入”或“后備”狀態(tài)、“自動”或“手動”狀態(tài)、“正常”或 “故障”狀態(tài)等，都可以用開關(guān)量輸出信號來表征，使操作人員及時了解智能儀器本身的工作 狀態(tài)。

1.3數(shù)字量輸出信號

數(shù)字量的輸出方式是計算機(jī)控制系統(tǒng)中重要的信號輸出形式。數(shù)字量輸出信號分為串行和 并行兩種。串行用于較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，例如，智能儀器與上位計算機(jī)之間通信 多為串行。并行方式傳輸速度快，但所需導(dǎo)線條數(shù)多，只適合于較短距離的傳輸，如智能儀器 與周圍的其他智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)字量的輸出與數(shù)字量的輸入共同構(gòu)成數(shù)據(jù)通信，是智能儀器*的信息傳遞形式， 這一內(nèi)容將在第5章中進(jìn)行介紹。