信號調理器——專為基于PC的控制

在使用基于PC的控制器時，控制系統設計師有必要特別關注信號調理方面的問題。

　　西門子負責輸入/輸出控制器以及軟件產品的商業主管Bob Nelson說：“如果你采用的是一套標準的控制解決方案，例如一個可編程自動控制器（PAC），那么你就不必關心控制器的內部操作了，因為控制器生產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負起更大的責任，以保證整套系統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理產品的市場工程師Swapnil Padhye說：“當機器變得越發復雜時，控制信號就不僅僅局限于傳統的數字“開關”信號，或者低速的模擬信號了。現代控制器要能夠從復雜的傳感器（諸如加速度傳感器）上獲取數據，并很快做出判斷。基于PC的系統能夠依靠自身強勁的處理器以及先進的軟件反饋算法獲得諸多優勢。”　　

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

　　所有的控制系統都擁有相同的結構
　　從一臺干衣機到一臺位于日內瓦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都擁有相同的基本結構。這是一種經典的控制回路。當傳感器接收到與設備有關的信息時，回路就被激活了。然后，這些信息會進入可編程控制器進行分析，控制器會向受控設備發出控制信號。控制器只能通過數據總線進行通訊，因此輸入信號必須由原始形式轉換為數字形式，才能通過總線傳送。數據采集（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出的信號作處理的。不同類型的傳感器會發出截然不同的信號。例如，熱電偶傳感器會產生毫伏量級的信號。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量級。熱敏電阻也是一種電阻設備，但它有負溫度特性。因此，如果讓恒定的電流流過熱敏電阻從而產生電壓信號，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。
　　信號調理模塊的作用就是把傳感器產生的各種信號與DAQ電路輸入端進行匹配。由于每種類型的傳感器都有不同的信號調理要求，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理模塊。
　　最后，系統通過驅動電路將輸出總線信號轉換為合適的電信號（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控制技術相比，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，并執行諸如邏輯（操作）、排序、定時、計數、計算之類的功能，從而達到控制機器以及整個流程的目的。與之相對，個人電腦（PCs）是一種通用型數字計算機，適用范圍相當廣泛。
　　PLC或PAC生產商已經承擔了挑選硬件及軟件的任務，保證每一部分軟硬件都適用于整個控制系統。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并調整控制系統，使之具備特殊的應用。

　　基本的信號調理
　　Padhye說：“信號調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，為被動轉換器提供激勵信號以及把基于橋路的傳感器電路補充完整。”
　　信號調理模塊通常，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個參數來表征的：幅值、頻率和相位。信號調理電路正是針對這三個參數進行調節的。數據采集電路的入口端有一個模數轉換器（ADC）。信號調理電路要把傳感器的輸出信號調制為滿足這個ADC輸入的信號。
　　幅值代表了信號的強弱。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。信號調理電路通過增大增益倍數以及限制動態范圍的方式調整幅值。
　　從信號調理的角度看，頻率等價于帶寬。大多數控制信號都不是單一頻率的。即使是靠頻率調制的信號（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，用來表示感應到的物理量隨時間變化的狀況。信號調理電路通過濾波器調整信號的頻率成分。　　

　　信號調理電路成為了各式傳感器與數據采集電路之間的橋梁。信號通過數據采集電路實現數字化，
再通過計算機總線傳送給控制器。
　　
　　現在包含信號調理，數據獲取和其他控制功能的緊湊型系統已經推出了，它可以在PC環境下進行實時控制。來源：西門子和Control Engineering