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1、 智能仪器与系统智能仪器与系统 19-2019-20学时学时第第2 2章章 智能仪器的输入智能仪器的输入/输出通道及接口技术输出通道及接口技术（八）（八）开关量输出通道开关量输出通道主要讲解内容：主要讲解内容：1 1）开关量输出的一般结构开关量输出的一般结构2)数字隔数字隔 离器件离器件3)输出驱动接口电路输出驱动接口电路 将将CPU输出的控制量转换为对被控对象的控输出的控制量转换为对被控对象的控制操作。制操作。对于只有二种工作状态的执行机构或器件，用智能对于只有二种工作状态的执行机构或器件，用智能仪器输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和仪器输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和停止
2、，指示灯的亮和灭，电磁阀的开和关等。这些执停止，指示灯的亮和灭，电磁阀的开和关等。这些执行机构或器件所要求的控制电压和电流千差万别，有行机构或器件所要求的控制电压和电流千差万别，有的是直流驱动的，有的是交流驱动的，都必须根据对的是直流驱动的，有的是交流驱动的，都必须根据对象采用合适的电气接口。象采用合适的电气接口。一一.开关量输出的一般结构开关量输出的一般结构1.开关量输出通道的用途开关量输出通道的用途CPU输出锁存数字隔离输出驱动被控对象2.开关量输出通道的一般结构开关量输出通道的一般结构典型的开关量输出通道结构典型的开关量输出通道结构 1)输出锁存输出锁存:当对生产过程进行控制时，控制量往
3、往需要保持，直当对生产过程进行控制时，控制量往往需要保持，直到输出新的控制量，所以，每次输出的控制量就需要保到输出新的控制量，所以，每次输出的控制量就需要保存（锁存）。存（锁存）。输出锁存器可用可编程接口电路输出锁存器可用可编程接口电路8255，也可用简单接口，也可用简单接口电路如电路如244，273，373等来实现。等来实现。2)2)数字隔离数字隔离:在输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通在输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到过输出通道反串到CPUCPU系统中，一般需要采用通道隔离系统中，一般需要采用通道隔离技术。（光技术。（光-电隔离技术）电隔离技术）使用光
4、电隔离器时，要注意以下使用光电隔离器时，要注意以下4 4点：点：当光电隔离器导通时，必须输入足够大的导当光电隔离器导通时，必须输入足够大的导通电流，使发光二极管发出的光使输出端动作。通电流，使发光二极管发出的光使输出端动作。光电隔离器的发光二极管正常发光电流为毫安光电隔离器的发光二极管正常发光电流为毫安级级.光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲信号。光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在高频信号传输中要考虑其频率特性，因此，在高频信号传输中要考虑其频率特性，选择通过频率比较高的光电隔离器选择通过频率比较高的光电隔离器光电隔离器输出端的灌电流不能太大，否则可光电隔离器输出端的灌电流不
5、能太大，否则可能使输出端击穿，导致光电隔离器的损坏，因能使输出端击穿，导致光电隔离器的损坏，因而在光电隔离器与被控对象之间要加驱动电路。而在光电隔离器与被控对象之间要加驱动电路。利用光电隔离器实现控制通道的隔离时，用于驱动发利用光电隔离器实现控制通道的隔离时，用于驱动发光二极管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源，光二极管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源，否则外部干扰可能通过地线串到否则外部干扰可能通过地线串到CPU中去，这样就失去中去，这样就失去了隔离作用。解决的方法有两个：即在光电隔离的两侧了隔离作用。解决的方法有两个：即在光电隔离的两侧分别使用不同的电源，也可用分别使用不同的
6、电源，也可用DC-DC变换的方法往输变换的方法往输出端提供一个与光隔输入端隔离的电源。出端提供一个与光隔输入端隔离的电源。3)输出驱动输出驱动:要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过要把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的驱动信号，关键在于输出通道中的功程进行控制的驱动信号，关键在于输出通道中的功率驱动电路。率驱动电路。根据现场开关器件功率的不同，可有多种数字量驱根据现场开关器件功率的不同，可有多种数字量驱动电路的构成方式。动电路的构成方式。二二.数字隔离器件数字隔离器件1.光耦合器件电路原理光耦合器件电路原理 光耦合器件是一种常用的以光为媒介传输信号光耦合器件是一种常用
7、的以光为媒介传输信号的电路，如下图所示：的电路，如下图所示：图中发光二极管和光敏图中发光二极管和光敏三极管封装在同一个管三极管封装在同一个管壳内，发光二极管的作壳内，发光二极管的作用是将电信号变为光信用是将电信号变为光信号，光敏三极管接收光号，光敏三极管接收光信号，再将它转变为信号，再将它转变为电电信号。信号。1)光耦合器件有如下光耦合器件有如下特点：特点：输出信号与输入信输出信号与输入信号没有公共地号没有公共地,在电气在电气上完全隔离上完全隔离.无触点，寿命长，可靠性高。无触点，寿命长，可靠性高。响应速度快，易与响应速度快，易与TTL电路配合使用。电路配合使用。2)光耦合电路的工作原理：光耦
8、合电路的工作原理：当当Vi为低电平时为低电平时，流过发光二极管的电流为零，发，流过发光二极管的电流为零，发光二极管截止光二极管截止,则光敏三极管截止，则光敏三极管截止，VO输出高电平输出高电平+VO；当当V Vi i为高电平时为高电平时，电流，电流I I1 1经经R R1 1流经流经发光二极管使其导发光二极管使其导通发光，光信号作用于光敏三极管使其饱和导通，通发光，光信号作用于光敏三极管使其饱和导通，VO输出为低电平。所以光电耦合器件兼有反相及电平输出为低电平。所以光电耦合器件兼有反相及电平转换作用。转换作用。R R1 1为限流电阻，其阻值决定了为限流电阻，其阻值决定了发光二极管的导通电流发光
9、二极管的导通电流I I1 1，I I1 1一般选为几毫安。一般选为几毫安。R R2 2的取值要保证的取值要保证VO输出的高，低电平的要求。输出的高，低电平的要求。2.继电器隔离器件的电路原理继电器隔离器件的电路原理 继电器隔离器件主要是采用电磁式继电器组成的继电器隔离器件主要是采用电磁式继电器组成的电路来完成。它是由小电流的通断控制大电流的通电路来完成。它是由小电流的通断控制大电流的通断的常用的开关控制器件。电磁式继电器电路的符断的常用的开关控制器件。电磁式继电器电路的符号如下图所示：号如下图所示：当它的电磁线圈当它的电磁线圈Y通过一定数值的电流时，产生的电磁通过一定数值的电流时，产生的电磁吸
10、引力大于弹簧的反作用力，衔铁动作使输出回路中的吸引力大于弹簧的反作用力，衔铁动作使输出回路中的常开触点闭合，常闭触点打开。当通过线圈的电流小于常开触点闭合，常闭触点打开。当通过线圈的电流小于释放电流时，弹簧将衔铁弹回，输出回路各触点恢复原释放电流时，弹簧将衔铁弹回，输出回路各触点恢复原态。电磁式继电器的线圈的驱动电源可能是直流的，也态。电磁式继电器的线圈的驱动电源可能是直流的，也可能是交流的可能是交流的.三三.输出驱动接口电路输出驱动接口电路1.小功率驱动接口电路小功率驱动接口电路TTL三态门缓冲器三态门缓冲器这类电路的驱动能力要高于一般的这类电路的驱动能力要高于一般的TTL电路。例电路。例7
11、5451,74LS244，74LS245等，可用来驱动光电耦合器件，等，可用来驱动光电耦合器件，LED，中功率晶体管等。，中功率晶体管等。下图就为采用下图就为采用75451作为驱动指示灯的电路作为驱动指示灯的电路.当单片机当单片机P1.7口输出低口输出低电平时电平时,2A,2B为为00,则则2Y有信号输出有信号输出,指示灯指示灯L2发光发光.集电极开路门（集电极开路门（OCOC门）门）OC OC门电路的输出是一个集电极开路的门电路的输出是一个集电极开路的晶体三极管，晶体三极管，如下图所示：如下图所示：组成电路时，组成电路时，OCOC门的输出门的输出端必须外接一个接至正电源端必须外接一个接至正电
12、源的负载才能正常工作，负载的负载才能正常工作，负载正电源正电源+V+V可以比可以比TTLTTL电路的电路的V VCCCC高很多。例高很多。例74067406，7407 7407 OCOC门输出极截止时门输出极截止时耐压可高达耐压可高达30V30V。输出低电平时吸收电流的能力也高。输出低电平时吸收电流的能力也高达达4040m Am A，因此，因此，OC OC门是一种即有电流放大功能，门是一种即有电流放大功能，又有电压放大功能的开关量驱动电路。在智能仪器又有电压放大功能的开关量驱动电路。在智能仪器的实际应用中常用来驱动的实际应用中常用来驱动LED显示。显示。晶体管输出驱动电路晶体管输出驱动电路 门
13、电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大的驱动电流。如下图所示：的驱动电流。如下图所示：图中的晶体管是小功率管，图中的晶体管是小功率管，其驱动能力大约为其驱动能力大约为10-5010-50m m A A。对于中功率管，驱动能力可对于中功率管，驱动能力可达达50-50050-500m m A A。如果采用大如果采用大功率管驱动能力会更强。使功率管驱动能力会更强。使用时应注意门电路为高电平用时应注意门电路为高电平时，必须保证能提供给晶体管足够的基极电流，使其时，必须保证能提供给晶体管足够的基极电流，使其饱和导通。若负载呈电感性，则应在负载上并联续流饱和导通
14、。若负载呈电感性，则应在负载上并联续流保护二极管。保护二极管。2.中功率驱动接口电路中功率驱动接口电路晶体管阵列驱动器芯片晶体管阵列驱动器芯片 晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功率驱动电路，例率驱动电路，例MC1416MC1416包含有包含有7 7路开关量驱动器，路开关量驱动器，每路驱动器内部结构如下图所示：每路驱动器内部结构如下图所示：图中的图中的D1D1用做输入端箝用做输入端箝位，位，D2D2用做输出端箝用做输出端箝位，位，D3D3用做输出端箝用做输出端箝位或感性负载的续流保位或感性负载的续流保护。护。MC1416MC1416驱动驱动7 7个继
15、电器线圈的电路如下图所示：个继电器线圈的电路如下图所示：MC1416MC1416的特性如下：的特性如下：）每路输出电流可达）每路输出电流可达500500m m A A，但每一块芯片但每一块芯片总的输出电流不得超过总的输出电流不得超过2.5A2.5A。）输出端截止时耐压）输出端截止时耐压可达可达100V100V。）输入端可与多种）输入端可与多种TTLTTL电路兼容。电路兼容。3.固态继电器固态继电器（SSR）输出接口电路）输出接口电路1)1)固态继电器原理及结构固态继电器原理及结构固态继电器即有放大作用又有隔离作用，适合于驱固态继电器即有放大作用又有隔离作用，适合于驱动大功率管式执行器件。动大功
16、率管式执行器件。SSR是一个四端有源器件，其中二端为输入控制是一个四端有源器件，其中二端为输入控制端，输入功耗很低，与端，输入功耗很低，与TTL电路兼容；另外二端是电路兼容；另外二端是输出端，内部设有输出保护电路。输出端，内部设有输出保护电路。如果是单向直流固态继电器（如果是单向直流固态继电器（DC SSR）的输出端）的输出端与直流负载匹配；如果是双向交流固态继电器（与直流负载匹配；如果是双向交流固态继电器（AC SSR）的输出端与交流负载匹配。输入电路和输出）的输出端与交流负载匹配。输入电路和输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达2500V以上。以上。2)A
17、C SSR2)AC SSR又分为二种类型又分为二种类型过零触发型（过零触发型（Z型），型），过零触发型在输入信号有效后过零触发型在输入信号有效后,必须在负载电源电压过必须在负载电源电压过零时才接通输出端的负载电源零时才接通输出端的负载电源,当输入端的控制信号撤当输入端的控制信号撤消后消后,必须等到交流负载电源电压的过零时刻才能断开必须等到交流负载电源电压的过零时刻才能断开输出端的输出端的负载电源负载电源,具有零电压开启，零电流关断特性，具有零电压开启，零电流关断特性，使用中对电网污染小，但它的输入端施加控制电压后，使用中对电网污染小，但它的输入端施加控制电压后，要等交流电压过零输出时才能导通，
18、要等交流电压过零输出时才能导通，这有可能造成最大为半个市电周期的确延迟。这有可能造成最大为半个市电周期的确延迟。随机开启型输入端施加控制电压后输出端立即导通。随机开启型输入端施加控制电压后输出端立即导通。在输入电压撤消后，当负载电流低于双向可控硅的维在输入电压撤消后，当负载电流低于双向可控硅的维持电流时，持电流时，SSR输出才关断。大功率负载的随机开启输出才关断。大功率负载的随机开启有可能对电网造成污染，导致局部供电系统波形的变有可能对电网造成污染，导致局部供电系统波形的变形。形。随机开启型（随机开启型（P型非过零型）：型非过零型）：3)SSR的输入控制：的输入控制：例例1）输入端）输入端4接
19、低电平，输接低电平，输入端入端3接控制信号，控制信号接控制信号，控制信号为高电平则为高电平则SSR导通，控制导通，控制信号为低电平则信号为低电平则SSR关断。关断。SSR的输入电路与的输入电路与TTL，CMS电路兼容，输入控制十分电路兼容，输入控制十分方便，任何可以给出方便，任何可以给出TTL电平的电平的开关电路开关电路都可以用来驱都可以用来驱动动SSR，例如晶体管开关电路，按钮开关电路及各种电，例如晶体管开关电路，按钮开关电路及各种电源为源为+5V的的TTL或或CMS熟数字逻辑熟数字逻辑IC卡。例如下图所示：卡。例如下图所示：例例2）输入端）输入端3接正电源，输入端接正电源，输入端4接控制信
20、号，控制接控制信号，控制信号为高电平则信号为高电平则SSR关断，控制信号为低电平则关断，控制信号为低电平则SSR导通。导通。4）SSR的输出负载：的输出负载：小电流负载小电流负载 由于由于SSR内部除去输入电路外的所有其它电路都内部除去输入电路外的所有其它电路都是由输出端供电的，因此即使在输出端关断情况下，是由输出端供电的，因此即使在输出端关断情况下，SSR仍维持一个关断状态电流，为了使负荷可靠地关仍维持一个关断状态电流，为了使负荷可靠地关断，流过负载的开启电流至少应该是断，流过负载的开启电流至少应该是SSR关断状态电关断状态电流的流的10倍。如果负载电流低于这个值，负载上需要并倍。如果负载电
21、流低于这个值，负载上需要并联一个电阻，以提高开启电流的数值。联一个电阻，以提高开启电流的数值。电感式负载电感式负载 对于电感式负载，当对于电感式负载，当SSR关断时，因为流过电感关断时，因为流过电感式负载的电流不能突变，有可能在电感二端产生很高式负载的电流不能突变，有可能在电感二端产生很高的感应电压，导致的感应电压，导致SSR输出电路被烧坏，必须用续流输出电路被烧坏，必须用续流二极管（直流负载）或压敏电阻（交流负载）保护二极管（直流负载）或压敏电阻（交流负载）保护SSR的安全。的安全。如果负载为直流电感式，应当使用如果负载为直流电感式，应当使用DC SSR，负载，负载上并联续流二极管保护上并联
22、续流二极管保护SSR如下图所示：如下图所示：如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源，可如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源，可外接整流全桥将其变为直流。如下图所示：外接整流全桥将其变为直流。如下图所示：如果负载为交流电感式，必须使用如果负载为交流电感式，必须使用AC SSR，SSR的输出端并联压敏电阻以保护的输出端并联压敏电阻以保护SSR。如下图所示：。如下图所示：压敏电阻的阀值电压可按电源电压的有效值压敏电阻的阀值电压可按电源电压的有效值1.61.9倍选取。压敏电阻不但为电感式负载的倍选取。压敏电阻不但为电感式负载的感应电流提供感应电流提供了了一个通路，而且可以避免工频市电电源夹杂的尖
23、蜂一个通路，而且可以避免工频市电电源夹杂的尖蜂电压施加在电压施加在SSR的输出端。的输出端。工频市电电源夹杂的尖蜂电压是很频繁的，它虽然宽工频市电电源夹杂的尖蜂电压是很频繁的，它虽然宽度很窄，但幅度有高有低，高的可达千伏。当尖蜂电度很窄，但幅度有高有低，高的可达千伏。当尖蜂电压的幅度超过了压的幅度超过了SSR的阻端电压或其变化速度超出了的阻端电压或其变化速度超出了SSR在关闭状态下的在关闭状态下的d v/d t特性容限时，就会使特性容限时，就会使SSR在没有选通的情况下开启，造成执行机构的误动作。在没有选通的情况下开启，造成执行机构的误动作。思考题思考题:1.1.微处理器处理开关量信号时应考虑哪些微处理器处理开关量信号时应考虑哪些 问题问题?2.2.固态寄电器有哪几类固态寄电器有哪几类?各有什么特点各有什么特点?