模块化生产控制系统加工站软件设计

模块化生产控制系统加工站软件设计

序言

模块化生产系统是当今发展及利用最普遍的一向技术，在工业生产当中，可以利用这种技术使机械代替了人类的工作，大大提升了工作效率，物料输送系统就是一个很好的典范事例，而此次设计很好的利用PLC技术实现一个物料的传送系统，形象的模拟了工业生产中机械手的最普遍的工作单元。具体模拟单元是：物料的上料、物料的搬运、和物料的加工。这也就对生产控制系统提出了更高的要求，现代化的生产控制系统基本包含了机械、气动、PLC、传感器、总线控制技术等多种高新技术。

在设计该系统过程中，根据其硬件结构与软件系统的开放性和兼容性，使得组成该系统的设备不仅能够与当今其他设备相组合和匹配，而且还具有进一步开发的可能性，为将来技术更新留有余地。系统被设计成具有模块化的特点，也就是系统中的每个功能都能独立运行，重要的功能部件是分布式控制的，并通过站间的通讯把三站连成一体，使其协调动作完整运行，为此也就需要具体的设计方案，具体设计思路为：首先需了解设计课题的相关背景、其次介绍相关软件设计基本指令，然后介绍相关设计的器件原理，接着根据以上知识进行软件设计、最后对课题软件和硬件的整体调试实现设计的目的。其中加工站用的核心部件就是PLC选用的是FX2N—48MR系列还有一些相关硬件包括地址板、通讯板等详细原理正文会作详细介绍。

由于本人水平有限，加之时间仓促，论文中难免会有错误和不足之外，恳请领导老师们批评指正。

第 1 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

第1章 模块化系统简介

1.1课题背景

1.1.1系统介绍及教学用模块系统的作用

（1）系统介绍

该系统生产线是独立的六个工作站想互连接而成。分别是检测站，搬运站，加工检测站，安装站，安装搬运站和分类站这六个站连接成生产线后可完成工件类别的检测，加工，搬运，安装和分类。此系统进行了前3站的模拟下面分别介绍下相关几站的情况。 具体如下：

上料站：

回转上料台将工件依次送到检测公位；提升装置并检测工件颜色。

搬运站：

将工件从上站搬运到下站。

加工站：

用回转台将工件在四个位置间转换；钻孔单元打孔；检测单元检测工件的

成品及次品。

具体工件在生产线上从一站到另一站的物流加工的传递过程：

上料检测站将大工件按顺序排好后提升传送，搬运站将大工件从上料检测站搬运到加工站，加工站将大工件加工并检测被加工的工件，产生成品或者废品信息，通知下站，安装搬运站将成品送到安装工位，安装站将小工件装入大工件中，最后，有安装搬运站再将安装好的工件送到分类站，分类站将工件按类送入相应的料仓并统计工件的数量和总量，如加工站有废品，则安装搬运站将废品直接送入相应的废品收料站，这大概是完整的工序流程。

第 2 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

为了直观现在给出了流程框图如：

图1.1工序流成 （2）模块化控制系统的作用

学习者很少有机会了解各种技术在实际工程中是如何被综合应用的，在很多情况下实验中所使用的设备和器件很多都是实验室专用的，与工业生产中所使用的实际设备和器件有着较大的差异，机电一体化及自动控制技术是融会机械，电气，电子及计算机技术与一体的综合技术，在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起，与其他工程领域相比，自动化生产中所使用的生产设备都是金密集型的，因此，一方面，一般教学或培训单位是没有经济实力专门为实验模拟购置真实的。

模块化生产控制系统有很大的柔性，如目前提供的包括6个独立模块，分开成6个模块独立进行培训时可以容纳较多的学员同时学习，在基本的单元模块培训完成以后又可以二个，三个直至六个模块连在一起学习，复杂系统的控制，编程，装配可调试技术，同时由于该系统包含了机械，气动，PLC，传感器，步进电机控制技术，总线控制技术等多种不同的技术，可将已掌握的许多单科专业知识在这里得到综合训练，也可以通过该系统分阶段进行不同的层次的培训，因此非常适合对学习者以及工程技术人员进行培 训，该设备是培训机电一体化及自动控制技术人才理想的系统。

1.1.2模块化生产控制系统的特性及内容形式

（1）系统的特性

机电一体化及自动控制技术是融机械、电气、电子及计算机等技术于一体的综合

第 3 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

技术，在这种技术中，不同领域和层次的知识与能力融会在一起。与其他工程领域相比，在自动化生产中所使用的生产设备都是资金密集型的。因此，一方面，一般培训单位是没有经济实力专门为教学购置真实的、昂贵的自动化生产系统的；另一方面，拥有自动化生产系统的企业，因经济原因而不愿将其作为实训设备给学习的人使用。 在综合性的专业实验室里，主要传授与实践有关的学习内容和实际的操作技能，在建立综合性的专业实验室时，必须考虑到使学习的内容与劳动过程紧密相关。因此，所要建立的模块化生产控制系统具备了下述重要特性： 1.工业标准化特性

2.模块化特性

3.结构的开放性和兼容性

4.学习的实践性

5.现代实验模拟特性

（2）模块化生产系统内容形式

1.计划：让各组学员自己决定各成员的分工及工作进度，培养学员团队精神 2.元件学习：学习系统中各种元件（传感器、气动元件等） 3.安装：让各组学员自己将机器部分或全部拆掉，再将其安装好 4.编程：学习编程方法和编程技巧

5.系统调试：学习机械系统调整，电气系统调试和软件调试方法 6.维护检测：介绍系统日常维护和故障检测方法

1.2本加工站的相关介绍

1.2.1主要组成与功能

执行部件由回转工作台、钻孔加工组件、检测钻孔深度组件、检测工件转台到位传感器、电磁感应器、开关电源、可编程序控制器、按钮、I/O接口板、通讯接口板、减

第 4 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

速电机、多种类型电磁阀及气缸组成。主要完成工位转换，工件打孔，孔深检测。

利用回转工作台将工件在四个旋转工位上进行不间断的旋转，使工件在不同的时间内处于不同的加工位和检测位；钻孔单元完成对工件的钻孔加工处理；检测单元完成对工件孔位深度的检测。

1.2.2主要技术指标

（1） 控制电源：直流24V/5A

（2） PLC控制器CPU224(14DI/10DO)、EM223（8 DI/8DO） （3） EM277：DP通信接口

（4） 直流减速电机：TG-3824300-900K （5） 电磁阀：4V110-06 （6） 调速阀：出气节流式 （7） 磁性开关：D-C73、D-Z73

（8） 气缸：CDJ2B10-45-B、MGP16M-75、CDJ2B10-15-B （9） 专用插座：>26PIN

（10）传感器：光电传感器、电磁感应器

（11）控制面板：开始、复位、特殊功能按钮、自动/手动、单站/联网、停止、

上电、急停

1.2.3 本站的操作要求

1注意事项：

（1）在开机前需要保证电气的联接, 气路接口正确可靠.

（2）机械部件运动时互不干扰,连接牢固.

（3）加工站的外部供给电压为AC220V,(注意安全),模拟工作台使用DC24V。

（4）本站动力来源采用的是气动,由过滤减压阀供给,额定的使用气压为(600kpa)。

2操作过程：

（1）工作台上电后,需先按下(上电)按钮,这时复位灯和开始灯一起闪动,如是第一

第 5 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

次开机请将各站工件收到上料检测站或者安装站中,而后由第一次开始依次按下(复位)后,各站开始灯闪动,再从第六站开始依次向前按下(开始)按钮系统开始工作。

（2）如果任意一站出现异常,按下该站的(急停)按钮.该站立刻会停止运行,当排除故障后,按下(上电)按钮,复位灯和开始灯同时闪动,此时按下(开始)按钮.该站可接着从刚才的断点继续运行。

（3）如果工作时突然断电，来电后可先按上电按钮，而后由第三站依次向前按下开始按钮系统，就可以从刚才的断点继续向下运行当然也可以全部复位系统重新开始运行。

第 6 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

第2章 三菱FX2N系列PLC基础知识

2.1 三菱FX2N系列PLC的概况

可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

2.2 三菱FX2N系列PLC结构及基本配置[1]

PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下：

接受 中央处理单元 接输 CPU板 口现场信号 驱动 入部接 件口输受控元件 部出 件 电 源 部 件 第 7 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

图2.1 PLC结构图

一、I/O模块：

PLC的对外功能，主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。 二、PLC的通信联网[2]

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

2.3 三菱FX2N系列PLC的基本指令系统和编程方法 1 基本指令系统特点[3]

PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：

（1）图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形。 （2）用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示。

2 编程语言的形式[4]

最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因

第 8 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。

（1） 编程指令：指令是PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上

讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。

（2） 程序：PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程

序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。

（3） 梯形图：梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以

表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。

（4） 下图是三菱公司的FX2N系列产品的最简单的梯形图例：

X000 X001 Y000

X010

END 图2.2 事例梯形图

它有两组，第一组用以实现启动、停止控制。第二组仅一个END指令，用以 结束程序。

第 9 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

 梯形图与助记符的对应关系： 助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形

图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下；先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。上图的助记符程序为：

地址 指令 变量 0000 LD X000 0001 OR X010 0002 ANI X001 0003 OUT Y000

0004 END

反之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。

 梯形图与电气原理图的关系：如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建立

起一定的对应关系。如梯形图的输出（OUT）指令，对应于继电器的线圈，而输入指令（如LD，AND，OR）对应于接点，有了这个对应关系，用PLC程序代表继电逻辑是很容易的。这也是PLC技术对传统继电控制技术的继承。

3 编程器件[5]

下面着重介绍三菱公司的FX2N系列产品的一些编程元件及其功能。

FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，按通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等，但它们与真实元件有很大的差别，一般称它们为“软继电器”。这些编程用的继电器，它的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。它在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。

4 定时器（T）

在PLC内的定时器是根据时钟脉冲的累积形式，当所计时间达到设定值时，其输出触点动作，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms。定时器可以用用户程序存储器内的常数K

第 10 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值。在后一种情况下，一般使

用有掉电保护功能的数据寄存器。即使如此，若备用电池电压降低时，定时器或计数器 往往会发生错误动作。 定时器通道范围如下：

100 ms定时器T0～T199， 共200点，设定值：0.1～ 3276.7秒； 10 ms定时器T200～TT245，共46点，设定值：0.01～327.67秒； 1 ms积算定时器 T245～T249，共4点，设定值：0.001～32.767秒； 100 ms积算时器T250～T255，共6点，设定值：0.1～3276.7秒；

定时器指令符号及应用如下图所示： X000

K123 设定值（累积）

T20 T200 Y0 END 图2.3事例梯形图

当定时器线圈T200的驱动输入X000接通时，T200的当前值计数器对10 ms的 时钟脉冲进行累积计数，当前值与设定值K123相等时，定时器的输出接点动作即输 出触点是在驱动线圈后的1.23秒（10 * 123ms = 1.23s）时才动作。

当T200触点吸合后，Y000就有输出。当驱动输入X000断开或发生停电时，定时器就复位，输出触点也复位。

5 FX2N系列的基本逻辑指令[6]

基本逻辑指令是PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法，各种型号的PLC的基本逻辑指令都大台大同小异，现在我们针对FX2N系列逐条学习其指令的功能和使用方法，。每条指令及其应用实例都以梯形图和语句表两种编程语言对照说明。

一、输入输出指令（LD/LDI/OUT）

下面把LD/LDI/OUT三条指令的功能、梯形图表示形式、操作元件以列表的形式加以说明：

第 11 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

符号 功 能 梯形图表示 操作元件 LD（取） 常开触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S LDI（取反） 常闭触点与母线相连 X，Y，M，T，C,S

OUT（输出） 线圈驱动 Y，M，T，C，S,F LD与LDI指令用于与母线相连的接点，此外还可用于分支电路的起点。 OUT 指令是线圈的驱动指令，可用于输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等，但不能用于输入继电器。输出指令用于并行输出，能连续使用多次。

X000 Y000 地址 指令 数据 0000 LD X000 0001 OUT Y000

图2.4逻辑梯形图

AND、ANI指令用于一个触点的串联，但串联触点的数量不限，这两个指令可连续用。

OR、ANI是用于一个触点的并联连接指令。

X001 X002 Y001 地址 指令 数据 0001 LD X001 X003 0002 ANI X002 0003 OR X003 0004 OUT Y001 图2.5逻辑梯形图 四、程序结束指令（END）

在程序结束处写上END指令，PLC只执行第一步至END之间的程序，并立即输出处理。若不写END指令，PLC将以用户存贮器的第一步执行到最后一步，因此使用END指令可缩短扫描周期。另外。在调试程序时，可以将END指令插在各程序段之后，分段检查各程序段的动作，确认无误后，再依次删去插入的END指令。

第 12 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

第3章 模块化生产系统加工站器件介绍

3.1 各器件的介绍

3.1.1 气动电磁阀的工作原理

（1）首先介绍下本加工站的动力器件：

也就是动作位置的指导器件第三站需用到的是（两位三通）和（两位五通）的气动电磁阀，在介绍其工作原理以前给个总体的电路图以便大家参考：

（2）原理分析：

两位三通电磁阀通常与单作用气动执行机构配套使用，两位是两个位置可控：开-关，三通是有三个通道通气，一般情况下1个通道与气源连接，另外两个通道1个与执行机构的进气口连接，1个与执行机构排气口连接，具体的工作原理可以参照单作用气动执行机构的工作原理图。 两位五通电磁阀通常与双作用气动执行机构配套使用，两位是两个位置可控：开-关，五通是有五个通道通气，其中1个与气源连接，两个与双作用气缸的外部气室的进出气口连接，两个与内部气室的进出气口接连，具体的工作原理可参照双作用气动执行机构工作原理 在气路(或液路)上来说，两位三通电磁阀具有1个进气孔(接进气气源)、1个出气孔(提供给目标设备气源)、1个排气孔(一般安装一个消声器，如果不怕噪音的话也可以不装)。 （3）电动阀和气动阀的区别：

电动阀是由电机的正反转带动阀门开或关的,而气动阀是用压缩空气开关的.气动门又分气开和气关门:气开门就是有压缩空气并且起源充足时门打开,无起源时门靠弹

第 13 页 共 51 页

控 制 阀 1Y1 1 2 图3.1 电动阀原理图

毕业设计说明书(论文)

簧关闭;气关门是有压缩空气门被关闭,气源消失门打开[11]。

3.1.2红外线光电开关

型号：SB03—1K

图3.2器件图

+ 棕 负 载

黑 蓝 图3.3 光电开关实物原理图

参数：U：10 V~30 V DC I：≤200mA NPN常开

第 14 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

检测距离（Sn）：30 cm（可调） 光电开关一些相关介绍：

红外线光电开关对射式和反射式两种，反射式光电开关是利用物体对光电开关发射出的红外线反射回去，由光电开关接收，从而判断是否有物体存在。如有物体存在，光电开关接收到红外线，其触点动作，否则其触点复位[13]。

光电开关在实验模块控制系统中总体的作用是用来检测装料口有没有料，加工站在连接第二站机械手放料的时候就需要一个光电开关来控制机械手给它一个信号是否执行下一步操作，这是在实物操作里的总体作用，具体的调试以及红外探头的位置得在软硬件结合综合模拟是还得具体情况具体操作。

3.1.3位移传感器相关介绍

型号：VLG10—8

图3.4实物图

第 15 页 共 51 页

黄 黑 H—L L—H 棕 蓝 - 毕业设计说明书(论文)

图3.5位移传感器实物原理图

参数：工作电压：10 V~30 V DC 静态功耗：≤0.8W 输出电流：≤5 mA

输出电压：0 V~10 V DC

线性距离：2 mm ~10 mm

重复精度：1.0%

输出形式：双态通用，驱动形式：运放驱动 1. 原理简介 ：

位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器， 该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。

该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。位移传感器在设计和制造上均按标准工艺严格生产，产品一律使用树脂封

装完整，在出公司前均已通过检验、老化测试，使可靠性和工作寿命得到充分保障。 位移传感器只在第三站的检测通道运用到，该传感器用来控制的一个模拟量，他需要用到扩展模块与48-MR系列PLC共同使用，在软件设计时要用到相关的特殊指令进行编写，比如需要（SFTR）右移位、比较指令（CMP）、读特殊功能模块指令（FROM），而前两站不要用到这些特殊指令所以加工站较复杂。

3.2各板块具体说明

3.2.1 控制面板的分配及电气原理图

第 16 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

编写加工站的软件程序时必须弄清此站的动作状态，加工站的实现的动作是：判断是否有物料象前站发送信息，工作台的旋转以及打孔，检测，物料固定等动作的同时进

行，那就必须有一个可以控制这些动作的输入驱动按钮，这就需要一个控制面板为了方便软件设计给出控制对象如下：

12349D1022DS1S2S3S4S5S6S8S7CC开始131复位142特殊按钮自动、手动153单站、联网164175停止186197急停主开关20821BBL1L2L3L4L711A122324TitleANumberRevisionSizeA4Date:File:31-May-2007Sheet of C:\\Documents and Settings\\桌面\\DAI\\传感Drawn By:器\\三菱 ST.ddb4123 图3.6 控制面板原理图

下面对控制面板进行具体设计图中共有8个按钮开关但在我们实际编程的过程当中停止按钮并没有写入到程序控制当中所以在调试的过程当中，此按钮没有用的，因为编成时系统有了急停按钮，当系统出现卡位时此按钮可以停止一切操作，下面对8个按钮进行分配如下：

控制面板说明: 本站控制面板有5个按钮开,2个选择开关和一个急停开关.

1) 带灯按钮 绿色: 开始

2) 带灯按钮 黄色: 复位

第 17 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

3) 按钮 黄色: 特殊功能按钮

4) 两位旋钮 黑色: 自动/手动

5) 两位旋钮 黑色: 单站/联动

6) 带灯按钮 红色: 停止/报警

7) 带灯按钮 绿色: 上电

8) 急停按钮 红色: 急停

3.2.2继电器的工作原理及端子图

继电器是用来控制电机的一个开关量，送料站以及加工站都用到了继电器具体使用的型号为IEC255型，5A/250VACn下面我们根据实物图以及端子土来分析下其工作原理，如图所示：

图3.7 继电器实物图及端子图

工作原理分析：

电磁继电器是一种用电磁铁控制的电路开关，其构造和工作原理由电磁铁、弱电电源和电键组成控制电路。由电动机、强电电源和电磁继电器的触点部分组成工作电路。闭合控制电路电键，电磁铁线圈中有控制电流通过时，电磁铁就吸引衔铁，使工作电路触点闭合，电动机启动。断开控制电路的电键，电磁铁失去磁性，弹簧把衔铁拉起，在触点处切断工作电路，电动机停止工作。利用电磁继电器可以用低电压、弱电流的信号电路来控制高电压、强电流的工作电路。电磁继电器的种类繁多，但其基本原理都是利

第 18 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

用电磁铁控制电路的通断。继电器在自动控制、远距离操纵方面有重要应用。

3.2.3地址板I/O口分析

在编写程序时PLC的输入口地址的X0—X7端通过24芯插头接到地址板上地址板有

输入/输出总共16个段口外加24V电源借口4个我们用端子图可以直观的 看出来入图所示：

图3.8 地址板端子图

其中输入I0口代表的意思是判断工作台上是否有料、I1口是工作台停止（接近开关）、I2端口表示：转孔的上限位置对应的是IB1，I3代表转孔的下限位置是对应的1B2、I4端口代表是检测传感器的上限位置对应的是2B1、I5端口代表是检测废品传感器的下限位置对应的是2B2，I6端口代表的是固定装置的起始位置3B1、I7端口代表的是固定装置的伸展位置对应的是3B2。

输出O0端口代表的意思是工作台的旋转电机、O1打孔电机、O2对应的为1Y1，执行打孔、O3对应的为2Y1，执行废品检测，O4对应的为3Y1执行固定物料装置。

其实在此控制系统当中可以不需要地址板，在此中地址板只是其到一个虚拟的插头作用地址板上的I/O完全可以接到PLC的输入端口，因为此系统是用来教学模拟实验所用，这样更可以方便把输入动作和输出动作状态可以很直观的看出地址板的发光二级管可以观察也就不需要去找PLC对应的端口来观察这也便于硬件设计接线麻烦。

3.2.4通讯板的I/O介绍

通讯板块是三站连动的中心纽带从上料站到加送料站再到加工站都必须要通讯连接模块化生产控制系统的通讯地址端口是这样确定的，也就是每一站的输出地址的Y20，Y21，Y22，Y24分别送到后站输入的X20，X21，X22，X23。而此站的输出的Y23端口需要送到前一站输入的X24端口以次实现顺序2站的连动工作。

第 19 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

第4章 加工站动作软件设计

4.1三菱FX2N-48MR系列说明

加工站所涉及的PLC采用的是三菱FX2N-48MR系列的为了熟悉先给出电气原理效果图，如图所示：

X27X26Y26

空空空通讯板I4通讯板I3通讯板I2通讯板I1通讯板I0空继电器8地址板I5地址板I4地址板I3地址板I2地址板I1地址板I0Y27X25X24Y24Y25X23X22Y22Y23X21X20Y20Y21X17Y17X16X15Y16Y15X14X13Y14COM4X11Y13X10Y12Y1024芯20号线X624芯19号线24芯18号线24芯17号线24芯16号线24芯15号线24芯14号线24芯13号线Y11X7X3Y7X2Y6X1COM2Y4X0Y5COMY3Y2COM1Y0Y1NGL第 20 页 共 51 页

.X4COM3X5.X12....COM5

空空空通讯板O4通讯板O3通讯板O2通讯板O1通讯板O0空空空空24V空空地址板O1地址板O024V24芯插头8号线24芯插头7号线24芯插头6号线24芯插头5号线24V24芯插头4号线24芯插头3号线24芯插头2号线24芯插头1号线24V毕业设计说明书(论文)

图4.1 PLC I/O口分配图

4.2 PLC的I/O口分析：

PLC的输入口总共有28端口具体分布如下：

输入端口 具体设计讲解

（X0----X7） 其中依次为：光电开关、接近开关、磁性开关。

磁性开关6个分别为1B1，1B2,2B1,2B2,3B1,3B2，

其中1B1，在地址板的意思是打孔电机的上限位置， 1B2也就是下限位，2B1和2B1代表检测物料的位移

传感器上下限的位置，同样3B1和3B2是紧固装置的 前后位置（注：此输入端通过24芯插头接到地 址板的I端）。

（X10---X15） 其中依次为：控制面板的（开始）/（复位）/（殊） （手/自）/（单/联）/（停止）按钮但理论和实际硬件

接线并非一样，加工站是同过地址板2进行中间连接的，但地址板和PLC的输入口是代表同一个输入，而（上电）以及（急停）是通过继电器来控制实现的。

（X20---X24） 此5个输入端口是进行通讯用的，表是上料站送料

站以及加工站能实现连动，具体通讯地址为前一站的输出端口的Y20、Y21、Y22、Y24分别送到后站对应的输入XO口，其中Y23是给前站以实现前后两站的连续动

第 21 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文) 作。

4.3站间通讯

前站的输入/输出地址 后一站的输入/输出地址

X20 X20 X21 X21 X22 X22 X23 X23 X24 X24 X25 X25 X26 X26 Y20 Y20 Y21 Y21 Y22 Y22 Y23 Y23 Y24 Y24 Y25 Y25 Y26 Y26

说明：因为第三站为加工站，而为结束站，所以就不需要像前一站送料站那样必须和下站进行通讯，只需要给一个信号用来判断旋转台盘是否有料来给机械手指示是否继续放料，此时第三站就必须用手拿料来代替本有的取料站，这是不方便的地方。 加工站PLC的输出端口的分布：

同样从图形可以看出PLC的输出端口也为28具体分布如下：

输出端口 具体设计讲解

（Y0----Y7） （同样的也是借助地址板，作为中间连接导线

第 22 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

分别代表的实物硬件为继电器（1）、继电器（2）、气动阀（1、2、3），24V直流电源具体现为旋转电机，打孔电机，3个电磁阀的动作信号。）

（Y10----Y15） （控制棉板的接通与否作为开关量指示灯）。

（Y20----Y24） （表示通讯接口地址由于加工站为终站，所

只不许进行下一站通讯，只有Y23端，需要用来给送料站，判断是否继续放料。）

PLC的电源说明：

有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流220VAC或110VAC，直流电源，加的为直流电压，常用的为24V。

本站所需要用到的给PLC提供的电源是输入有外部接220V的交流电经过PLC内部形成一个可供PLC使用的24V电源，用到PLC的电源口为L，N，G三端PLC是底电平有效。

4..4加工站的程序流程图

在边写程序时首先必须弄清楚加工站的几个动状态，这样对实际写程序是必可下面给出程序编写的流程图；根据硬件动作状态可以写出一个状态转移图以方便编写程序梯形图

（1）动作状态图如下：

工位是否有料 向前站发出信息 工作台旋转 工作台是否到位 打孔电机下降 工作台停转 紧固手伸出 检测器下降检测正次品 第 23 页 共 51 页 毕业设计说明书(论文)

打孔电机上升到起始位置 紧固手收回到起始位置 结束 检测器收回到其始位置

（2）根据作图，我们可以写出状态流程图如下： 第 24 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

图4.2 状态流程图

4.5第三站软件梯形图

第 25 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

根据状态图可以编写出程序在编写程序当中加工站会运用三个特殊指令分别为比较指令CMP、右移位指令SFTR、读取特殊功能模块指令FROM（注：用来控制位移传感器）控制一个模拟量用来检测物料的废品，加工站具体程序图如下：

第 26 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

图4.3 程序梯形图

程序分析：此程序梯形图是根据状态转移图来编写,需要完成的编写主要是实现加工站的物料检测,到物料打孔,再到物料检测,此图包含了和前站的通讯，所以实际的三种动作设计是此图的一部分，其中总体上为0—59 行X0—X7主要是加工站的输入驱动,105—108 Y0,Y4,Y1,Y2,Y3主要是地址板的5个输出状态表示为打孔,检测,紧固,2个电机的状态输出,114行表示控制一个模拟量用来检测物料的正次品，这里需要用到3个特殊指令FROM,TO,CMP代表的意思为读特殊模块指令,写特殊模块指令,和比较指令,但由于没有分料站,所以在程序当中不会执行，可以省略但放在里面也不影响模拟效果,159行 Y10表示开始按钮输出指示灯,162行 Y11表示复位按钮输出指示灯,168 Y20行表示判断大料是黑还是白料,为“1”时是白,为“0”时是黑料这是涉及第一站的程序可以了解,169行Y23表示给机械手一个信息是否往旋转台上送料，涉及的程序主要就这些驱动输入输出状态。

第 27 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

第5章 软件协调硬件调试过程

5.1 加工站单独工作软硬件调试

一. 经过了一个月的软/硬件的综合设计现在必须完成最后调试工作，首先要把加工

站的软件程序同过FXGPWIN软件读入到加工站的PLC里具体操作过程是：

（1） 首先打开FXGPWIN软件，在里面找到第三站的程序，接下来就是打开PLC窗口点击写出程序，这里必须注重的一点是写出的行数要输入得当否则电脑对硬件读出程序会很慢。

（2） 在读出程序之前必须把PLC通讯接口打到“STOP”状态，否则加工站的PLC将不能接收电脑读出的程序这一步非常重要等程序读入在打到“RUM”状态。

二. 有了软件是不能完成最后所要达到的结果，因为软件设计的执行者需要硬件来执

行来实现动作效果，所以还必须协调硬件，双方必须协调一致才能做到课题设计的预期效果，所以必须要对硬件进行调试，具体如下：

（1）首先必须对将工站进行接线的全面检测确保无误。

（2）检查每个气缸，传感器，光电开关，接近开关，旋转电机气动电磁阀，位置是否得当，特别是动力来源气阀的输气口是否漏气，还有对整个装置实现动作还必须把气阀压强要调到标指针到0.4pa处。要不气压不够强不能够使工作单元完成动作。 （3）同时还必须注意电源，因为里面需要用到电源转换，因为PLC输入输出的电源是从两部分输入的，PLC输入供电是有外接220V的交流电经过PLC自己内部滤波等工序形成一个24直流电供电，而输出直接从加工站的电源装置接入24V电源，这里的PLC输入电源接法可以按照PLC端子图进行接，具体为L、N、G分别为火线，零线、地线。

（4）为了方便硬件检查可以不通过软件控制，先通过气缸来实现手动控制来实现打空电机，以及检测器和紧固装置进行动作，来检查个工作器件是否正常。

三、软件和硬件达到以上准备的条件后，在进行写入程序，并打开气阀供气，然后进

行控制面板的操作，接通电源后按下上“电按钮”接着“复位按钮”的指示灯会闪亮，

第 28 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

这时先按下复位以保证加工站回到初始状态，然后按下“开始按钮”这时就可以进行模拟演示了，再按下特殊按钮整套装置会进行循序进行，这样就已达到加工站的预期结果，单站设计成功完成预定任务。

5.2 单站调试遇到的问题及具体解决方法

5.2.1 遇到的问题一

问题一：在调试加工站时，将软件进行按步操作写入到加工站，电源各部分都已准备好，但在调试时发现各器件都不可以工作，但气阀已经打开供气，在检查出原因是发现气阀的供气压强没有达到启动压强，必须将气压表调到0.4pa处。 5.2.2 遇到的问题二

问题二：在装置恢复工作时发现充气装置大量漏气，而且气阀也大量漏气，但是加工站的动作还是都可以完成，但气缸漏气会发出很大的噪声这样肯定不合格，经过一段时间的排查，发现在安装硬件时并没有把气阀的旋口旋紧，但是气阀处还是漏气，经过公司师父的指导，所以把气动电磁阀从新组装，保证气阀的垫片贴紧这样排除了故障，最后成功的实现了加工站的独立运行。

5.3 三站连动调试过程

经过了各站单独运行最后必须进行完整的三站连动调试，首先分别把个站的程序读入到各站，分别对硬件分别检查，然后检查各通气接口是否接好其步骤具体和单站的差不多，所不同的是连动就必须按步骤操作，具体的操作步骤如下：

（1） 首先分别对3站进行停止运行状态，只要分别按下“急停按钮”就以达到操作要求。

（2） 然后分别给三站上电，依次从第三站往前站按复位，开始，必须把“手动按钮”调到“连动”这样就可以达到三站的连动。

5.4 三站连动调试遇到的问题及解决方法

在5.3节实现三站连动的动作，前提是三站都没有问题，但一般这是理想状态，三站的

第 29 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

连动调试还是有很多问题的出现下面写出在设计过程中遇到的难题。

5.4.1遇到的问题一

问题一 ：三站连动时突然第二站出现不能动作，这是比较难发现的问题，首先分别对第二站（搬运站）进行硬件接线全面排查，但发现接线并没有错误，第二步对各个板快进行测试也没有发现损坏，在一番的排查发现送料站的机械手上的磁性开关，接近开关的位置错误，因为机械手的动作要靠这些器件进行感应，然后发出信号给机械手进行动作，由于接近开关这些器件感应程度和距离是有很大关系，所以必须对器件的位置进行调整以达到动作要求。 5.4.2遇到的问题二

问题二： 三站都可以单独运动，并且可以实现连动还是不够的，在调试连动最后一步，发现机械手是可以进行搬运物料，但送料的位置还是不准确，同时加工站的工作台旋转的停止位置和机械手放料的位置不对口，这样还是没达到预期的结果，但很简单的发现这和软件并没关系，这就需要个硬件位置的具体调试。

总体调试步骤：各硬件位置的正确定位，应该从最后一站依次向前站进行调整，其中最难为加工站的工作台旋转位置的调整，大概方法是；调整接近开关探测对象，即旋转台下放的4个位置调节对象（铁块）这样就可以达到机械手放料和旋转位置的对口，然后再依次调节前站的机械手的位置以达到位置准确： 上料站 送料站 加工站的完整连动。

此时整个调试过程结束，达到协调工作的连动，完成预期任务。软件协调硬件工作调试成功，课题任务按预期的时间完成。

第 30 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

参考文献

[1] 许翏、王淑英主编. 电气控制与PLC应用[M]。北京：机械工业出版社，2005 [2] 陈其纯主编. 可编程序控制器应用技术[M]。北京：高等教育出版社2000 [3] 汪晓平等编著. 可编程控制器系统原理及应用[M]。北京：人民邮电出版

社.2004

[4] 王卫星等编著. 可编程控制器原理及应用[M]。北京：中国水利水电出版社，

2002

[5] 廖常初主编. 可编程序控制器的编程方法与工程应用[M]。北京：电子工业出

版社，2002

[6] 杜东、黄尚先编. PLC在准确系统中的应用教程[M]。北京：机械工业出版社，

2000

[7] 王进房 主编. 可编程控制器应用技术教程[M]。北京：机械工业出版社，2002 [8] 王兆义 主编. 小型可编程控制器实用技术[M]。北京：机械工业出版社，2000 [9] Theodore Wildi. Electrical Machines,Drives,and Power System,English

reprint Copyright 2002 by Science Press and Pearson Education North Asia Limited

[10] Norbert Volker, Bernd J.Kramer, Automated Verification of function

block-based industrial Control Systems, Science of Computer Programming 42(2002)101-113

[11] 李万军主编 软 PLC体系结构分析及应用教程[M]。北京：机械工业出版社,

2007

[12] 骆智主编 可编程控制器(PLC)运行系统设计及应用[M]。北京：机械工业出

版社， 2004

[13] 李万军主编 软PLC体系结构分析及应用[M]。北京：机械工业出版社, 2007 [14] 陈斌主编 基于工业PLC的软逻辑控制系统[M]。北京：机械工业出版社, 2005 [15] 宋绍剑主编可编程控制器应用技术教程[M]。北京：机械工业出版社,2004

第 31 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

附录A 产品实物图

附录图1

图1为三站的总体实物展现,其中包括由左到右(上料站,送料站,加工站)三站的总体结构

第 32 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

产品实物图二

附录图2

图2为所设计的加工站的实物图,图中包括有工作圆台,圆台下有2个开关分别 为光电开关(左),接近开关(右)它们的功能是检测是否有物料,还有控制转台的停止位 置.

第 33 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

产品实物图三

附录图3

图3为加工站的核心器件有左向右分别是:地址板,2个继电器,3个气动电磁阀其中

地址板主要为了是为更直观的显示各动作顺序重要起到显示功能在实际当中可以不需要但便于我们学生观察所以就可以用到,2个继电器主要功能是同过程序来控制旋转电机,打空电机的转动的,3个电磁阀(2位3通)主要用来同过程序控制各气缸的运动位置.

第 34 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

附录B第三站接线图

I0 I1 I2 地址板输入端 I3 I4 I5 I6 I7 地 +24V O0 地址板输出端 O1 O2 O3 O4 地 +24V 5 继电器（1） 8 9 12 13 14 5 8 继电器（2） 9 12 13 14 1B1 1B2 光电开关 接近开关 1B1 1B2 2B1 2B2 3B1 3B2 1B1、1B2、2B1、2B2、3B1、3B2、光电开关、接近开关 光电开关、接近开关 继电器（1）—14 继电器（2）—14 1Y1—2 2Y1—2 3Y1—2 1Y1、2Y1、3Y1—1、继电器—9、13 继电器—12 旋转电机—负 旋转电机—正 地址板输出端—地 地址板输出端—+24V 地址板输出端—地 地址板输出端—O0 钻孔电机—负 钻孔电机—正 地址板输出端—地 地址板输出端—+24V 地址板输出端—地 地址板输出端—O1 地址板输入—I2 地址板输入—地 地址板输入—I3 第 35 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

地址板输入—I4 地址板输入—地 地址板输入—I5 地址板输入—地 地址板输入—I6 地址板输入—地 地址板输入—I7 地址板输入—地 地址板输入—+24V 光电开关 地址板输入—地 地址板输入—I0 地址板输入—+24V 接近开关 地址板输入—地 地址板输入—I1 2B1 2B2 3B1 3B2 A 1 2 3 4 5 6 7 8 24芯头插头 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 B PLC—Y0 PLC—Y10 PLC—Y2 PLC—Y3 PLC—Y4 PLC—Y5 PLC—Y6 PLC—Y7 端子排—4 端子排—4 端子排—9 端子排—9 PLC—X0 PLC—X1 PLC—X2 PLC—X3 PLC—X4 PLC—X5 备注 第 36 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

19 20 21 22 23 PLC输入端 24 L N 零 X0 X1 X2 X3 X4 X5 PLC—X6 PLC—X7 端子排—3 端子排—3 端子排—8 端子排—8 开关电源—L 开关电源—N 开关电源—零 24芯头插头—13 24芯头插头—14 24芯头插头—15 24芯头插头—16 24芯头插头—17 24芯头插头—18 棕线 蓝线 黄线 A PLC输入端 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X20 X21 X22 X23 X24 COM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 B 24芯头插头—19 24芯头插头—20 地址板—I0 地址板—I1 地址板—I2 地址板—I3 地址板—I4 地址板—I5 继电器—8 通讯板—I0 通讯板—I1 通讯板—I2 通讯板—I3 通讯板—I4 端子排—22 24芯头插头—1 24芯头插头—2 24芯头插头—3 24芯头插头—4 24芯头插头—5 第 37 页 共 51 页

备注 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 绿线 毕业设计说明书(论文)

PLC输出端 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y20 Y21 Y22 Y23 Y24 COM1 24芯头插头—6 24芯头插头—7 24芯头插头—8 地址板—O0 地址板—O1 地址板—O2 地址板—O3 地址板—O4 通讯板—O0 通讯板—O1 通讯板—O2 通讯板—O3 通讯板—O4 端子排—1，地址排—I6 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 红线 A PLC输出端 COM2 COM3 COM4 COM5 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 O0 O1 O2 O3 O6 O7 +24V 0 I0 B 端子排—2 端子排—5 地址板—+24V 端子排—12 PLC—X10 PLC—X11 PLC—X12 PLC—X13 PLC—X14 PLC—X15 PLC—COM1 继电器—14 PLC—Y10 PLC—Y11 PLC—Y12 PLC—Y13 继电器—5 PLC—Y14 端子排—19、PLC—COM4 端子排—20 PLC—X20 第 38 页 共 51 页

备注 红线 红线 红线 红线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 红线 绿线 黑线 地址板 毕业设计说明书(论文)

通讯板 I1 I2 I3 I4 0 O0 O1 O2 O3 O4 5 6 7 8 PLC—X21 PLC—X22 PLC—X23 PLC—X24 端子排—11 PLC—Y20 PLC—Y21 PLC—Y22 PLC—Y23 PLC—Y24 地址板—O6 端子排—13 端子排—14 PLC—X16 黑线 黑线 黑线 黑线 绿线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 黑线 红线 红线 黑线 继电器 A 继电器 9 10 11 12 13 14 熔断器 端子排 1 2 1 2 3 4 5 8 9 10 11 12 13 14 15 16 B 端子排—16 端子排—17 端子排—18 端子排—23 端子排—21 地址板—I7 开关电源—+24V 端子排—15 PLC—COM1 PLC—COM2 24芯插头—21、22 24芯插头—9、10 PLC—COM3 24芯插头—23、24 24芯插头—11、12 开关电源—地 通讯板—0 PLC—COM5 继电器—6 继电器—7 熔断器—2 继电器—9 备注 红线 红线 红线 绿线 绿线 黑线 红线 红线 红线 红线 红线 绿线 绿线 绿线 绿线 红线 红线 红线 第 39 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

17 18 19 20 21 22 23 24 L N 零 +24 地

第 40 页 共 51 页

继电器—10 继电器—11 地址板—+24 端子排—21，地址板—0 端子排—20、22，继电器—3 端子排—21、23，PLC—COM 端子排—22、24，继电器—12 端子排—23 三芯插头—L、PLC—L 三芯插头—N、PLC—N 三芯插头—零、PLC—零 熔断器—1 端子排—10 红线 红线 红线 绿线 绿线 绿线 绿线 绿线 棕线 蓝线 黄线 红线 绿线 开关电源 毕业设计说明书(论文)

附录C 中英文互译

Digital Cancellation of D/A Converter Noise in Pipelined A/D

Converters

Abstract: Pipelined analog-to-digital converters(ADCs) tend to be sensitive

to component mismatches in their internal digital-to-analog converters(DACs). The component mismatches give rise to error,referred to as DAC noise,which is not attenuated or cancelled along the pipeline as are other types of noise.This paper describes an all-digital technique that significantly mitigates this problem.The technique continuously measures and cancels the portion of the ADCerror arising from DAC noise during normal operation of the ADC,so no special calibration signal or auto-calibration phase is required .The details of the technique are described in the context of a nominal 14-bit pipelined ADC example at both the signal processing and register transfer levels.Through this example,the paper demonstrates that in the presence of realistic component matching limitations the technique can improve the overall ADC accuracy by several bits with only moderate digital hardware complexity. I.Introduction

Unlike other types of noise in a conventional pipelined ADC,noise introduced by the first-stage DAC is not attenuated or cancelled along the pipeline,so it tends to be the dominant contributor of overall ADC error[1],[2]. In typical switched-capacitor implementations,most of the DAC noise arises from static capacitor mismatches.With present VLSI circuit technology it is difficult to match capacitors to better than 0.1%.

This paper describes a technique for digital cancellation of DAC noise arising from static analog errors such as capacitor mismatches. The technique is referred to as DAC noise cancellation(DNC)。It differs from most other cancellation

第 41 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

schemes in that it measures and cancels the DAC noise continuously during normal operation of the ADC ;no special calibration signal or autocalibration phase is required prior to A/D conversion. Both the mersurement and cancellation of DAC noise are performed entirely using digital logic, so no additional analog circuits aer required over those of a conventional pipelined ADC. As demonstrated below,the digital comllixity of the DNC processing is well within practical limits for typical CMOS circuit technologies.

Throughout the paper, the DNC architecture,simulation results, and theory are presented in the context of a specific pipelined ADC architecture example. A conventional version of the example pipelined ADC architecture (i.e.without DNC) is described in Section II,and the modifications required to apply the DNC technique to the architecture are described in detail in Section III.An overview of the signal processing theory behind the DNC technique is presented in Section IV.Simulation results indicating the convergence rate of the DNC measurement process are presented in Section V. II.A Conventional Pipellined ADC Example

The conventional version of the example pipelined ADC architecture is shown in Fig.1.It consists of four pipeline stages.The first three stages each incorporate a 17-level flash ADC and a 17-level switched-capacitor DAC,and the fourth stage consists of a 33-level flash ADC.The three 17-level ADCs are nominally identical ;each consists of 16 voltage comparators that compare the voltage at the input of the ADC to a set of 16 reference voltages nominally ranging from -0.75v to 0.75v in steps of 100 mV.The corresponding ADC input no-overload range,i.e.,the range of input values for which the quantization error never exceeds half of the step-size,is -0.85v to 0.85v .The 33-level ADC is sinilar except that it consists of 32 comparators and its 32 reference voltages nominally range from -0.775v to 0.775v in steps of 50mv .The corresponding input no-over-load range is -0.825v to 0.825v.

The output of each 17-level ADC is the set of its 16 1-bit comparator

第 42 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

outputs,and that of the 33-level ADC is the set of its 32-bit comparator outputs. This type of digital encoding is refered to as thermometer encoding is referred to as thermometer encoding,and the digital value of each ADC output is interpreted as the number of its comparator outputs that are high.

The three 17-level DACs are each implemented using 16 switched-capacitor 1-bit DACs that share a common summing node.In each case,the 16 1-bit DACs are driven directly by the 16 comparator outputs from the corresponding 17-level ADC.The nominal output voltage levels associated with each 1-bit DAC are 50mv.Therefore,the output of each 17-level DAC is nominally within 50mv of the input to the corresponding ADC provided the no-overload range of ADC is not exceeded.

In each stage except for the last,the difference between the ADCinput and DAC output is amplified by an interstage gain of 8.In the absence of ADC and DAC errors,the interstage gains are such that just under half of the no-overload ranges of the ADCs in the second through last stages are ever used.That is,if a signal were applied to the input of the pipelined ADC that varied over the full-scale input range of -0.85v to 0.85v,then the resulting signals at the input to the ADCs in the second through last stages would be restricted to the range:-0.4v to 0.4v.

In practice,every analog compoent in the pipelined ADC will exhibit nonideal circuit behavior that will tend to degrade the overall conversion performance to less than 14 bits.However ,the sensitivity of the pipelined ADC to nonideal circuit behavior of a given component is a function of where the component resides in the pipeline.It follow from Fig.1 that in the first stage the gain between either input node of the analong differencer and the overall pipelined ADC output is 10240.However,the corresponding gains in the subsequent two output of the last stage is 20. The reason is that in each case the signal from the ADC is converted back to analog,sign inverted,re-digitized by the

第 43 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

subsequent stages of the pipeline,and added to the signal directly from the ADC,thereby cancelling the error.

III.APPLICAFION OFDNC TO THE PIPELINED ADC EXAMPLE

As demonstrated by the simulaton results presented in the previous section,a significant performance improvement can be obtained by digitally removing from the pipelined ADC output the error components resulting from the noise introduced by the 17-level DACS in the first ywo pioeline stages. In the simulation software used to generate,this was done directly using a priori konwledge of the specific 1-bit DAC errors,which would not be practical in an actual pipelined ADCD. However,the DNC techique achieves allmost the same effect except in a practical fashion without requiring a priori knowledge of the 1-bit DAC errors. The modificatons to the pipelined ADC of Fig.1 that are necessary to apply the DNC technique to the first two pipeline stages are presented in this section. As explained in detail in the next section, aside from gain and pffset errors,the DAC noise introduced by each DEM DAC consists of a sum-of 15terms. Each term is the product of a constant and a unique modulaton sequence is resrticted to the values-1,0,and1,and its sign waries randomly such that it is uncorrelated with the other modulation sequences and with the pipelined ADC input signal. The modulaton sequences associated with each DEM DAC are generated explicitly by the digiital encoder, and are made available to the corresponding DNC logic block as digital dignals.

Each DNC logic block performs two functions:1)it estimates the 15 constants associated with the DAC noise from the corresponding DEM DAC and 2)it generates an estimate of the DAC noise by combining the 15 estimated constants and the 15 kown modulation sequences. Each constants is estimated by multiplying the combined digital outputs of the appropriate pipeline stages by the corresponding modulation sequences and averaging the nonzero component of the resulting sequences.

The switching block are all-digital devices,so they could be implemented

第 44 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

using digital

logic gates.However,in high-speed pipelined ADCs,the resulting propagation delay through the DAC might be unacceptably large.In such cases,a better approach is to use transmission gates for the switches in the swapper cells.Each transmission gate can be implemented using a pair of MOS transmission gates over conventional logic gates for the swapper cell switches is that they can be configured at a point in each clock cycle prior to the time at which the data is available from the flash ADCs.In this case conventional gate delay are avoided,and the delay through the digital encoder is determined mainly by the RC time constants resulting from the on-resistance and stray capacitances associated with each switch.Conventional digital combinational logic can be used to implement the even/odd detection logic in each switching block because propagation delay is not an issue for the parity bits. V.Convergence Simulations

Simulation results that show the post-DNC pipelined ADC noise floor as a function of M for different choices of Vin [n] are show in.The same set of 1-bit DAC errors,interestage gain errors,and flash ADC errors as used in the simulations described in Sections II and III were used for all the simulations associated with . The different solid curvesin each graph correspond to different initial conditions of the random number generators internal to the pipelined ADC;otherwise the simulations used to generate the curves were identical.The dashed line in each graph indicates the result of ideally removing from the pipelined ADC output the contribution from the DAC noise sequences introduced by the first-stage and second-stage DEM DACs.Thus,the dashed line indicates the ideal performance that could be expected from the DNC technique in the limit As expect,the simulation results indicate the accuracy of the DNC technique approaches that of ideal DAC noise cancellation as M increases。The results indicate that increasing has a diminishing effect on the post-DNC pipelined ADC noise floor.It follows from the theory presented in the previous section that

第 45 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

for such large values of M the post-DNC pipelined ADC noise floor is dominated by the effects of the various gain errors.

The simulation results show in Fig .3 are representative of the type of convergence behavior exhibited by the pipelined ADC with DNC presented in Section III.In general,the DNC convergence is a strong function of input amplitude and offset,and tends to be a weaker function of the input amplitude and offset,and tends to be a weaker function of the how rapidly the input signal varies. VI.Conclusion

Switched-capacitor based pipelined ADCs tend to be highly sensitive to noise arising from component mismatches in their internal DACs.An all-digital technique,referred to as DNC,that continuously measures and cancels the A/D conversion error caused by such DAC noise has been presented.The details of the DNC approach have been described in the context of a particular pipelined ADC topology,although the approach is generally applicable to pipelined ADCs with multi-bit DACs.The ideal A/D conversion precision of the example pipelined ADC is 14.1 bits,but with realisitic component matching and without the DNC technique,its typical simulated A/D conversion precision is 10.4 bits.With the DNC technique,its typical simulated A/D conversion precision increases to 13.3 bits.The hardware required to implement the DNC technique in the example pipelined ADC has been presented at both the signal processing level and the register-transfer-level.The associated digital hardware complexity has been shown to be modest by modern VLSI standards.

第 46 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

数字模拟噪声转换器在模拟数字交换器管道传输中的数字式取消

摘要: 用管道传输的模拟数字交换器倾向于在它们的内部数字模拟交换器中的敏感对

组分配错误。这篇文章描述了缓和这个问题的一个全数字化的技术。这种连续的测量技术和模拟数字转换器中错误部分的取消已经提升到数字模拟噪声转换器在模拟数字转换器的正常运行期间, 因此特别定标信号或自动定标阶段是没有必要的。这种技术的细节在十四位管道传输的模拟数字转换器例子在信号处理和记数器调动水平中被描述。通过这个例子, 本文显示出在现实组分匹配的局限技术面前可能由几位以唯一适度复杂的数字式硬件来整体改进模拟数字转换器的准确性。 1.引言

在常规用模拟数字转换器的管道传输不同于其它类型的噪声,初级数字模拟噪声转换器不会被沿管道取消, 因此它倾向于整体模拟数字转换器的控制。在典型的交换电容器实施中,大多数数字模拟噪声转换器的提升到静态电容器的错误匹配。当前VLSI电路技术很难与高于百分之零点一的电容量相匹配。

本文描述数字模拟噪声转换器的数字式取消的技术从静态模式错误譬如电容器配错的出现。这种技术被称为数字模拟器噪转换声取消。它与多数其它取消方案不同因为它在模拟数字转换器中连续测量和取消数字模拟噪声转换器;没有特别定标信号的正常运行期间或自动定标阶段必需在模拟数字转换之前。整个数字模拟噪声转换器的测量和取消整个地执行使用数字式逻辑, 因此另外必需的那些常规的电路用模拟数字转换器管道传输。依照下面的证明, DNC 处理过程中复杂的数字式是在实用极限之内为典型的互补金属氧化物半导体电路技术。

在本文过程中, DNC 建筑学、模仿结果,和理论就具体用管道运输的模拟数字转换器建筑学例子中被提出。用模拟数字转换器管道传输的建筑学例子被描述在第二部分中,修改必需向建筑学申请DNC 技术详细被描述在第三部分。信号处理理论的概要在DNC 技术之后被提出在第四部分.测试结果表明DNC 测量过程的汇合率被提出在第五部分中。 2.一个常见的模拟数字转换器管道传输的例子

一个用模拟数字转换器管道传输的建筑学的例子常规版本被显示在图1中.它包括四个管道阶段。第一，三个阶段每个合并十七级闪光模拟数字转换器 和一台十七级数

第 47 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

字交换电容器,并且第四个阶段包括三十三级闪光的模拟数字转换器 。三个十七级模拟数字转换器是相同的;每一套十六伏的电压比较器的组成是比较模拟数字转换器中输入的参考电压的范围是从-0.75伏到0.75伏。对应的模拟数字转换器输入了没有超载范围,输入价值的范围量子化错误从未超出步大小的一半, 是-0.85伏对0.85伏。三十三级模拟数字转换器是相似的除了它包括32比较器并且它的32 参考电压范围从-0.775伏 到0.775伏。对应的输入没有在-0.825伏 到0.825伏的装载范围。

各十七级模拟数字转换器的产品是套用它的十六个一位的比较器产品, 并且那三十三级模拟数字转换器是套它的三十二位比较器产品。这类型数字式内码是关于温度计内码的,并且各模拟数字转换器都被实施使用十六个一位数字模拟交换器的交换电容器分享共同性求和的方案。在每一个事例中, 十六个一位数字模拟交换器直接从对应的十七级的模拟数字转换器中被十六位比较器产品沿用。联系到每个一位的正常的输出电压是五十毫伏。因此,各十七级数字产品是输出五十毫伏的电压之内是根据模拟数字转换器提供了没有超过模拟数字转换器的范围的。

除了最后阶段的每个环节,不同的地方在于模拟数字转换器输入和数字模拟交换器的输出之间由级间放大器获取.在没有模拟数字转换器和数字模拟交换器错误的期间里面,级间获取是在模拟数字转换器没有超载范围内通过第二个阶段曾经被使用。如果信号在-0.85伏到0.85伏的全方位输入范围管道运输模拟数字转换器的输入被运用了, 那么信号的结果是在对模拟数字转换器输入的较短时间内通过前个阶段并会被限在-0.4伏到0.4伏的范围内 。

实际上, 每个部件在用模拟数字转换器管道传输中将显示倾向于整体转换少于十四位的电路。无论怎样,对于一个已给的元件的模拟数字转换器管道传输的作用是元器件分组在管道里的功能。就像图1显示的那样，在模拟分辨器的输入和总体的模拟数字转换器管道传输中第一阶段的输出是10240。但是,在随后的第二阶段的输出是1280和160，从各自的角度来讲，最后的阶段从输入到输出是20。其原因是在每一个例子中，信号从模拟数字转换器中被转换到模拟信号中，在随后的管道传输阶段中数字信号被转换，直接从模拟数字转换器中增强的，因此可以消除其中的错误的信号。 3. DNC 在模拟数字转换器管道传输中实施的例子

在之前的章节中由仿真结果所显示的那样, 一次重要的改进是数字式地去除并获得从模拟数字转换器管道传输的输出错误起因于第一二阶段由十七级数字模拟交换器

第 48 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

引起的噪声。在图2中所产生的软件仿真中, 这做了直接地使用具体一位数字模拟交换器 错误的演绎,在实际的模拟数字转换器管道传输中是不会被应用的。但是, DNC 技术的结果基本是相同的，除了实际的没有一位模拟数字转换器错误的演绎知识的要求。在图1中的模拟数字转换器的管道传输的改进是在这篇文章中所提出的，在第一二阶段中对DNC技术的应用是有必要的。

按照下面部分的详细说明, 除获取和消除错误之外, 数字模拟噪音交换器由每十五个一组的DEMDAC所引进的。各个阶段都有稳定的结果和独特的调试次序。并且一个独特的调试序列是依靠于一位的数字模拟交换器的错误上的。调试次序的范围在-1，0，1之内的。它的标志的值是未关联的以其它模块化序列和以用模拟数字转换器管道传输的输入信号。调试的顺序关系到由数字译码器产生的每一个DEM DAC，并且数字信号可以通过DNC的逻辑块传输来得到。

每个DNC 逻辑块执行两个功能:1)它从每个DEMDAC传输过程中把数字模拟交换器噪音联系起来。2)它是由一个联系起估算的十五个结果和十五个已知的调试次序来产生一个估算的模拟数字转换器的。各常数由适当的管道阶段的联合的数字输出以对应的模块化序列和平均为估计收效的序列非零组分。

开关块是全数字化的设备, 因此他们能被实施使用数字式逻辑门.无论怎么样, 在用高速模拟数字交换器管道传输中,收效的传播延迟是通过数字模拟交换器也许不能接受的。在这样案件里,一种更好的方法在交换芯片中用开关作为传输门.每一个传输门可能被实施使用一对金属氧化物半导体传输，常规逻辑门为交换芯片开关是他们可能被配置在各个时钟周期。常规门延迟在这种情况下被避免,并且通过数字式编码器延迟主要由RC 时间常数确定起因于在抵抗和离群电容与相关各个开关。常规数字式组合逻辑可能各个开关块内使用单一的逻辑，因为延迟传输不是一个同等位问题。 4．综合仿真

模仿结果显示DNC 用管道运输的模拟数字转换器的噪声功能为不同的显示。同样一位数字模拟交换器, 间接的获取错误, 和短暂的模拟数字转换器错误依照被使用在模仿被描述在部分二和部分三被使用了所有的模仿。另外模仿使用的曲线是相同的。破折线在各张图表明理想地去除的结果从用管道运输的模拟数字转换器从数字模拟转换器噪声序列输出了。因而, 破折线表明能期望从DNC 技术在极限趋向于无穷。

正如预期的模仿结果那样，表明理想的数字模拟噪声转换器取消当值增加DNC 技术

第 49 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

方法的准确性，结果表明增长值在之上有减少的作用。在DNC 用管道运输的模拟数字噪声转换器。因而断定从理论被提出在DNC 用管道运输模拟数字噪声转换器由各种各样的获取错误的控制。

模仿结果显示在图3中，是代表的类型是行为由用数字模拟转换器管道运输的与DNC 被提出在部分三中。总之, DNC 汇合是输入高度和垂距的一个强的作用, 和倾向于是输入高度的一个更加微弱的作用相抵消,倾向于是一个更加微弱的作用的输入信号迅速地变化。 5.结论

交换电容器根据用模拟数字转换器管道传输倾向于是高度敏感的噪声出现在他们的内部数字模拟转换器分配错误。一个全数字化的技术,连续测量和取消模拟数字转换错误由这样的数字模拟转换器噪声造成被提出了。DNC 方法的细节描述了就特殊性用模拟数字转换器管道传输的拓扑结构的状况,虽然方法一般是可适用的对以多位的数字模拟转换器的模拟数字转换器传输管道。用模拟数字转换器管道传输的理想的模拟数字转换的例子的精确度是14.1 位, 但以实际组分配和没有DNC的技术,它的典型的被模仿的模拟数字转换精确度是10.4 位。以DNC 技术,它典型的被模仿的模拟数字转换精确度增加到13.3 位。这是硬件必需实施DNC的技术，在用模拟数字转换器管道传输的例子中提出了在信号处理平实和登记转移级。数字式复杂硬件由现代VLSI 标准证明是普通的。

第 50 页 共 51 页

毕业设计说明书(论文)

致 谢

非常感谢电信学院的领导和我的指导老师韩老师，感谢你们为我们提供这样一个平台，给我们这样一个机会，能让我们学生亲自在厂里动手设计课题的机会，让我们提前接触了社会，对我们即将走出母校，踏上工作岗位的大四学生来说是一个难得的锻炼机会，最后我代表我们组7位同学再次向各位学院领导和我们的指导老师韩老师说一句：谢谢各位领导！谢谢我们的指导老师韩老师！两个月来对我们细心的指导！

第 51 页 共 51 页