信號調(diào)理器——專為基于PC的控制

在使用基于PC的控制器時，控制系統(tǒng)設(shè)計師有必要特別關(guān)注信號調(diào)理方面的問題。

　　西門子負(fù)責(zé)輸入/輸出控制器以及軟件產(chǎn)品的商業(yè)主管Bob Nelson說：“如果你采用的是一套標(biāo)準(zhǔn)的控制解決方案，例如一個可編程自動控制器（PAC），那么你就不必關(guān)心控制器的內(nèi)部操作了，因為控制器生產(chǎn)商會為你解決這些問題。如果你采用的是一套基于PC的開放式控制環(huán)境——毫無疑問，這種開放性會為你帶來巨大的靈活性——但是，這也同時意味著用戶需要擔(dān)負(fù)起更大的責(zé)任，以保證整套系統(tǒng)能夠滿足性能方面的要求，同時避免落入無法徹底整合系統(tǒng)各個部分的怪圈之中。”
　　那么，是什么原因使得控制工程師對此感到困惑而迷茫呢？
　　國家儀器主管信號調(diào)理產(chǎn)品的市場工程師Swapnil Padhye說：“當(dāng)機(jī)器變得越發(fā)復(fù)雜時，控制信號就不僅僅局限于傳統(tǒng)的數(shù)字“開關(guān)”信號，或者低速的模擬信號了。現(xiàn)代控制器要能夠從復(fù)雜的傳感器（諸如加速度傳感器）上獲取數(shù)據(jù)，并很快做出判斷?；赑C的系統(tǒng)能夠依靠自身強(qiáng)勁的處理器以及先進(jìn)的軟件反饋算法獲得諸多優(yōu)勢。”　　

　　DIN金屬框簡化了將信號調(diào)理器模塊整合到包括PC和PLC/PAC控制混合系統(tǒng)的過程。

　　所有的控制系統(tǒng)都擁有相同的結(jié)構(gòu)
　　從一臺干衣機(jī)到一臺位于日內(nèi)瓦Fermi實驗室、直徑為2公里（1.25英里）的一萬億伏加速器Tevatron，幾乎所有的自動化系統(tǒng)都擁有相同的基本結(jié)構(gòu)。這是一種經(jīng)典的控制回路。當(dāng)傳感器接收到與設(shè)備有關(guān)的信息時，回路就被激活了。然后，這些信息會進(jìn)入可編程控制器進(jìn)行分析，控制器會向受控設(shè)備發(fā)出控制信號?？刂破髦荒芡ㄟ^數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通訊，因此輸入信號必須由原始形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，才能通過總線傳送。數(shù)據(jù)采集（DAQ）電路會完成這項工作。
　　但是，一種DAQ電路是不可能對所有的傳感器發(fā)出的信號作處理的。不同類型的傳感器會發(fā)出截然不同的信號。例如，熱電偶傳感器會產(chǎn)生毫伏量級的信號。這樣微小的信號需要被小心地接收，而且它與被測溫度之間會有一點非線性關(guān)系。電阻式溫度傳感器測量的物理量也是溫度，但它需要一個精確控制的激勵電流。相同溫度下，它輸出的電壓信號幅值可能比熱電偶的輸出大兩個數(shù)量級。熱敏電阻也是一種電阻設(shè)備，但它有負(fù)溫度特性。因此，如果讓恒定的電流流過熱敏電阻從而產(chǎn)生電壓信號，那么，這一電壓信號將會隨溫度的升高而降低，而不是隨之一起升高。
　　信號調(diào)理模塊的作用就是把傳感器產(chǎn)生的各種信號與DAQ電路輸入端進(jìn)行匹配。由于每種類型的傳感器都有不同的信號調(diào)理要求，而許多種模塊都可以滿足某一個要求，因此用戶需要先選擇滿足測量要求的傳感器，然后再選擇滿足傳感器要求的信號調(diào)理模塊。
　　最后，系統(tǒng)通過驅(qū)動電路將輸出總線信號轉(zhuǎn)換為合適的電信號（交流、直流、TTL邏輯信號等等），并提供充足的電能保證操作完成。
　　基于PC的控制技術(shù)與那些基于可編程邏輯控制器以及可編程自動控制器的傳統(tǒng)控制技術(shù)相比，主要的不同之處在于封裝方面。正如William Bolton在他所寫的《可編程自動控制器》一書的第3頁上所指出的：可編程邏輯控制器（PLC）是一種特殊的、基于微處理器的控制器。它通過可編程存儲器存儲指令，并執(zhí)行諸如邏輯（操作）、排序、定時、計數(shù)、計算之類的功能，從而達(dá)到控制機(jī)器以及整個流程的目的。與之相對，個人電腦（PCs）是一種通用型數(shù)字計算機(jī)，適用范圍相當(dāng)廣泛。
　　PLC或PAC生產(chǎn)商已經(jīng)承擔(dān)了挑選硬件及軟件的任務(wù)，保證每一部分軟硬件都適用于整個控制系統(tǒng)。正如Nelson所指出的，如果某位控制工程師選擇了基于PC的控制器，他就是把選擇軟硬件的擔(dān)子背在了自己身上。
　　這其中有有利的一面也有不利的一面，需要具體情況具體分析。但是，這樣做確實給予了控制工程師很大的自由度來適應(yīng)并調(diào)整控制系統(tǒng)，使之具備特殊的應(yīng)用。

　　基本的信號調(diào)理
　　Padhye說：“信號調(diào)理的作用包括放大微弱信號，縮小過大的或不安全的信號，過濾噪聲信號，隔離高壓信號，為被動轉(zhuǎn)換器提供激勵信號以及把基于橋路的傳感器電路補(bǔ)充完整。”
　　信號調(diào)理模塊通常，但并不一定，包含用于處理模擬信號的模擬電路。一組模擬信號總是通過3個參數(shù)來表征的：幅值、頻率和相位。信號調(diào)理電路正是針對這三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。數(shù)據(jù)采集電路的入口端有一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。信號調(diào)理電路要把傳感器的輸出信號調(diào)制為滿足這個ADC輸入的信號。
　　幅值代表了信號的強(qiáng)弱。對電壓信號而已，幅值就是它的峰值電壓；對電流信號而已，幅值就是峰值電流；普通直流信號的幅值就是直流電壓或直流電流本身的大小。信號調(diào)理電路通過增大增益倍數(shù)以及限制動態(tài)范圍的方式調(diào)整幅值。
　　從信號調(diào)理的角度看，頻率等價于帶寬。大多數(shù)控制信號都不是單一頻率的。即使是靠頻率調(diào)制的信號（傳感器的輸出由信號頻率變換化表示）都包含大量的基頻成分。即使是普通的直流信號（頻率為０）也包括了其他的頻率成分，用來表示感應(yīng)到的物理量隨時間變化的狀況。信號調(diào)理電路通過濾波器調(diào)整信號的頻率成分?！　?/p>

　　信號調(diào)理電路成為了各式傳感器與數(shù)據(jù)采集電路之間的橋梁。信號通過數(shù)據(jù)采集電路實現(xiàn)數(shù)字化，
再通過計算機(jī)總線傳送給控制器。
　　
　　現(xiàn)在包含信號調(diào)理，數(shù)據(jù)獲取和其他控制功能的緊湊型系統(tǒng)已經(jīng)推出了，它可以在PC環(huán)境下進(jìn)行實時控制。來源：西門子和Control Engineering