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1、数字量输入输出与抗干扰设计技术第一页，本课件共有72页 在在计计算算机机控控制制系系统统中中，除除了了要要处处理理模模拟拟量量信信号号以以外外，还还要要处处理理另另一一类类数数字字信信号号，包包括括开开关关信信号号、脉脉冲冲信信号号。它它们们是是以以二二进进制制的的逻逻辑辑“1”“1”和和“0”“0”或或电电平平的的高高和和低低出出现现的的。如如开开关关触触点点的的闭闭合合和和断断开开，指指示示灯灯的的亮亮和和灭灭，继继电电器器或或接接触触器器的的吸吸合合和和释释放放，马马达达的的启启动动和和停停止止，晶晶闸闸管管的的通通和和断断，阀阀门门的的打打开开和和关闭，以及脉冲信号的计数和定时等关闭，
2、以及脉冲信号的计数和定时等 。第二页，本课件共有72页8 8.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术 主要知识点主要知识点v 8.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v 8.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 第三页，本课件共有72页8 8.1.1 .1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图管型、双向晶闸管型等几种，如图8-1所示。它们的原理是相同所示。它们的原理是相同的，即都是通过电的，即都是通过电光光电这种信号转换，利用光信号的电这种信号转换，利用
3、光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。第四页，本课件共有72页 现以最简单的现以最简单的三极管型三极管型光电耦合隔离器光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理，如图为例来说明它的结构原理，如图 8-2 8-2 所示。所示。图图8-2 8-2 光电耦合隔离器的结构原理光电耦合隔离器的结构原理第五页，本课件共有72页光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性，即存在着出特性，即存在着截止区、饱和区与线性区截止区、饱和区与线性区三部分。利三部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截用光耦隔离器
4、的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称简称对数字信号进行隔离对数字信号进行隔离。例如在数字量输入输出通道。例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的中，以及在模拟量输入输出通道中的A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器之间的数字信号的耦合传送，都可用光转换器之间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。第六页，本课件共有72页例例如如在在现现场场传传感感器器与与A/DA/D转转换换器器或或D/
5、AD/A转转换换器器与与现现场场执执行行器器之之间间的的模模拟拟信信号号的的线线性性传传送送，可可用用光光耦耦的的这这种种线线性性区区对对模模拟拟信信号进行隔离。号进行隔离。第七页，本课件共有72页 光耦的这两种隔离方法各有优缺点。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响A/D或或D/A转换的精度和线性度。转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调数字信号隔离方法的优点是调试简单试简单，不影响系统的精度和线性度；缺点
6、是使，不影响系统的精度和线性度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦越来越用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因而因而在工程中使用的最多在工程中使用的最多。第八页，本课件共有72页 要要注注意意的的是是，用用于于驱驱动动发发光光管管的的电电源源与与驱驱动动光光敏敏管管的的电电源源不不应应是是共共地地的的同同一一个个电电源源，必必须须分分开开单单独独供供电电，才才能能有有效效避避免免输输出出端端与与输输入入端端相相互互间间的的反反馈馈和和干干扰扰；另另外外，发发光光二二极极管管的的动动态态电电阻阻很很小小，
7、也也可可以以抑抑制制系系统统内内外外的的噪噪声声干干扰扰。因因此此，利利用用光光耦耦隔隔离离器器可可用用来来传传递递信信号号而而有有效效地隔离电磁场的电干扰地隔离电磁场的电干扰。为为了了适适应应计计算算机机控控制制系系统统的的需需求求，目目前前已已生生产产出出各各种种集集成成的的多多路路光光耦耦隔隔离离器器，如如TLP系系列就是常用的一种。列就是常用的一种。第九页，本课件共有72页 下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合隔离隔离电路有电路有数字量同数字量同相传递相传递与数字
8、量与数字量反相传递反相传递两种，如图两种，如图8-3所示。所示。数字量同相传递如图数字量同相传递如图8-3（a）所示）所示，光耦的输入正端接正，光耦的输入正端接正电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上，光耦的电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上，光耦的集电极集电极c端通过电阻接另一个正电源，发射极端通过电阻接另一个正电源，发射极e端直端直接接地，光耦输出端即从集电极接接地，光耦输出端即从集电极c端引出。当数据线为低电端引出。当数据线为低电平平“0”时，发光管导通且发光，使得光敏管导通，输出时，发光管导通且发光，使得光敏管导通，输出c端端接地而获得低电平接地而获得低电平“0”；
9、当数据线为高电平；当数据线为高电平“1”时，发光管截止时，发光管截止不发光，则光敏管也截止使输出不发光，则光敏管也截止使输出c端从电源处获得高电平端从电源处获得高电平“1”。如此，完成了数字信号的同相传递。如此，完成了数字信号的同相传递。8 8.1.2 .1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 第十页，本课件共有72页图图8-3 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路第十一页，本课件共有72页 数字量反相传递如图数字量反相传递如图8-38-3（b b）所示）所示，与，与（a a）不同的是光耦的集电极）不同的是光耦的集电极 c c 端直接接另一端直接接另一个正电源，而发射极个正电源，而发射极 e e
10、 端通过电阻接地，则光端通过电阻接地，则光耦输出端从发射极耦输出端从发射极 e e 端引出。从而完成了数字端引出。从而完成了数字信号的反相传递。信号的反相传递。第十二页，本课件共有72页第十三页，本课件共有72页第十四页，本课件共有72页2光电隔离光电耦合隔离器光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一是目前计算机控制系统中最常用的一种抗干扰方法。种抗干扰方法。利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离数字信号通道中进行隔离。第十五页，本课件共有72页其实在其实在模拟量输入输出通道中模拟量输
11、入输出通道中也主要应用这种数字信也主要应用这种数字信号通道的隔离方法，即在号通道的隔离方法，即在A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转转换器的数字信号之间插入换器的数字信号之间插入光耦隔离器光耦隔离器，以进行数据信，以进行数据信号和号和控制信号的耦合传送控制信号的耦合传送，如图如图8-48-4所示所示。（。（a a）是在）是在A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU接口之间接口之间8 8根数据线之间都各插接根数据线之间都各插接一个光耦隔离器一个光耦隔离器(图中只画出了一个图中只画出了一个)，不仅照样，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了无误地传送数字信号，
12、而且实现了A/DA/D转换器及其转换器及其模拟量输入通道与计算机的模拟量输入通道与计算机的完全电隔离完全电隔离；（；（b b）是）是在在CPUCPU与与D/AD/A转换器接口之间转换器接口之间8 8根数据线之间都各插根数据线之间都各插接一个光耦隔离器接一个光耦隔离器(图中也只画出了一个图中也只画出了一个)，不仅照，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了样无误地传送数字信号，而且实现了计算机与计算机与D/AD/A转转换器及其模拟量输出通道的换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。完全电隔离。第十六页，本课件共有72页图8-4 光耦隔离器的数字信号隔离第十七页，本课件共有72页利用光耦隔离器的线性放大
13、区，也可传送模利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。例如在中进行隔离。例如在现场传感器与现场传感器与A/D转换转换器或器或D/A转换器与现场执行器之间的模拟信转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送号的线性传送，如图如图8-5 所示所示。第十八页，本课件共有72页图8-5 光耦隔离器的模拟信号隔离第十九页，本课件共有72页在在图图8-58-5（a a）输入通道的现场传感器与输入通道的现场传感器与A/DA/D转换器转换器之间，光电耦合器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号一方面把放大器输出的模拟信号
14、线性地光耦线性地光耦(或放大或放大)到到A/DA/D转换器的输入端，转换器的输入端，另一另一方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之间的联系方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之间的联系，起到了很好的起到了很好的抗共模干扰作用抗共模干扰作用。在。在图图8-58-5（b b）输出输出通道的通道的D/AD/A转换器与执行器之间，光电耦合器一方面转换器与执行器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦把放大器输出的模拟信号线性地光耦(或放大或放大)输出到输出到现场执行器，另一方面又切断了现场执行器，另一方面又切断了计算机数字地与现计算机数字地与现场模拟地之间场模拟地之间的联系，起到了很好的
15、的联系，起到了很好的抗共模干扰作抗共模干扰作用用。第二十页，本课件共有72页8 8.2 .2 数字量输入通道数字量输入通道主要知识点v 引言引言v 8.2.1 开关输入电路开关输入电路 v 8.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路 第二十一页，本课件共有72页 数数字字量量输输入入通通道道（DI DI 通通道道）的的任任务务-是是把把生生产产过过程程中中的的数数字字信信号号转转换换成成计计算算机机易易于于接接受的形式。受的形式。信信号号调调理理电电路路-虽虽然然都都是是数数字字信信号号，不不需需进进行行A/DA/D转转换换，但但对对通通道道中中可可能能引引入入的的各各种种干干扰扰必必须须采采取取相
16、相应应的的技技术术措措施施，即即在在外外部部信信号号与与单片机之间要设置输入信号调理电路。单片机之间要设置输入信号调理电路。第二十二页，本课件共有72页 凡在电路中起到通、断作用的凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号其端子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，主要是。在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术，如电平转换，考虑信号调理技术，如电平转换，RC滤波，过电压保护，反滤波，过电压保护，反电压保护，光电隔离等。电压保护，光电隔离等。（1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为
17、电压信号。压信号。（2）RC滤波是用滤波是用RC滤波器滤出高频干扰。滤波器滤出高频干扰。（3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。（5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。离。8 8.2.1.2.1 开关输入电路开关输入电路 第二十三页，本课件共有72页 典典型型的的开开关关量量输输
18、入入信信号号调调理理电电路路如如图图8-6所所示示。点点划划线线右右边边是是由由开开关关S与与电电源源组组成成的的外外部部电电路路，（a）是是直直流流输输入入电电路路，（b）是是交交流流输输入入电电路路。交交流流输输入入电电路路比比直直流流输输入入电电路路多多一一个个降降压压电电容容和和整整流流桥桥块块，可可把把高高压压交交流流(如如380VAC)变变换换为为低低压压直直流流(如如5VDC)。开开关关S的的状状态态经经RC滤滤波波、稳稳压压管管D1箝箝位位保保护护、电电阻阻R2限限流流、二二极极管管D2防防止止反反极极性性电电压压输输入入以以及及光光耦耦隔隔离离等等措措施施处处理理后后送送至至
19、输输入入缓缓冲冲器器，主主机机通通过过执执行行输输入入指指令令便便可可读读取取开开关关S的的状状态态。比比如如,当当开开关关S闭闭合合时时，输输入入回回路路有有电电流流流流过过，光光耦耦中中的的发发光光管管发发光光，光光敏敏管管导导通通，数数据据线线上上为为低低电电平平，即即输输入入信信号号为为“0”对对应应外外电电路路开开关关S的的闭闭合合；反反之之，开开关关S断断开开，光光耦耦中中的的发发光光管管无无电电流流流流过过，光光敏敏管管截截止止，数数据据线线上上为为高高电电平平，即即输输入入信信号号为为“1”对对应应外外电电路路开关开关S的断开。的断开。第二十四页，本课件共有72页8-6 开关量
20、输入信号调理电路开关量输入信号调理电路第二十五页，本课件共有72页 4.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路 有些用于检测流量、转速的传感器发出的是有些用于检测流量、转速的传感器发出的是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时计数输入接口电路，即在一定的采样时间内统计数输入接口电路，即在一定的采样时间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感器的比例系计输入的脉冲个数，然后根据传感器的比例系数可换算出所检测的物理量。数可换算出所检测的物理量。第二十六页，本课件共有72页8-7 脉冲计数输入脉冲计数输入电路电路第二十七页，本课件共有72页 图图8-7为为一一种种定定时
21、时计计数数输输入入接接口口电电路路，传传感感器器发发出出的的脉脉冲冲频频率率信信号号，经经过过简简单单的的信信号号调调理理，引引到到8254芯芯片片的的计计数数通通道道1的的CLK1口口。8254是是具具有有3个个16位位计计数数器器通通道道的的可可编编程程计计数数器器/定定时时器器。图图中中，计计数数通通道道0工工作作于于模模式式3，CLK0用用于于接接收收系系统统时时钟钟脉脉冲冲，OUT0输输出出一一个个周周期期为为系系统统时时钟钟脉脉冲冲N倍倍（N为为通通道道0的的计计数数初初值值）的的连连续续方方波波脉脉冲冲，其其高高、低低电电平平时时段段是是计计数数通通道道1的的采采样样时时间间和和
22、采采样样间间隔隔时时间间，分分别别记记为为TS、TW；计计数数通通道道1和和2均均选选为为工工作作模模式式2，且且OUT1串串接接到到CLK2，使使两两者者构成一个计数长度为构成一个计数长度为232的脉冲计数器，以对的脉冲计数器，以对TS内的输入脉冲计数。内的输入脉冲计数。如如果果获获得得TS时时间间内内的的输输入入脉脉冲冲个个数数为为n，则则单单位位时时间间内内的的脉脉冲冲个个数数即即脉脉冲冲频频率率为为n/TS，从从而而可可换换算算出出介介质质的的流流量量或或电电机机的的转转速速值值。比比如如，发发出出脉脉冲冲频频率率信信号号的的是是涡涡轮轮流流量量计计或或磁磁电电式式速速度度传传感感器器
23、，它它们们的的脉脉冲冲当当量量(即即一一个个脉脉冲冲相相当当的的流流量量或或转转数数)为为K，则介质的流量或电机的转数就为，则介质的流量或电机的转数就为n/TSK。第二十八页，本课件共有72页8.3 数字量输出通道主要知识点v 引言引言v 8.3.1 8.3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路 v 8.3.2 8.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 v 8.3.3 8.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v 8.3.4 8.3.4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 第二十九页，本课件共有72页 数字量输出通道数字量输出通道简称简称 DO 通道，它的任务是通道，它的任务是把计算机输出的微弱
24、数字信号转换成能对生产过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数字驱动信号。根据现场负荷的不程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。态继电器输出驱动电路等。第三十页，本课件共有72页 对于低压情况下的小电流开关量，用功对
25、于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。就是输入电流与三极管增益的乘积。4.3.1 4.3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路第三十一页，本课件共有72页1.1.普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路 当驱动电流只有十几当驱动电流只有十几mAmA或几十或几十mAmA时，只要采用一个普通的时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图功率三极管就能构成驱动电路，如图 8-8 8-8所示。所示。8-8 小功率小功率 三极管输出电路三极管输出电路第三十二页，本课件共有72页2.达林顿驱动电路达林顿
26、驱动电路 当当驱驱动动电电流流需需要要达达到到几几百百毫毫安安时时，如如驱驱动动中中功功率率继继电电器器、电电磁磁开开关关等等装装置置，输输出出电电路路必必须须采采取取多多级级放放大大或或提提高高三三极极管管增增益益的的办办法法。达达林林顿顿阵阵列列驱驱动动器器是是由由多多对对两两个个三三极极管管组组成成的的达达林林顿顿复复合合管管构构成成，它它具具有有高高输输入入阻阻抗抗、高高增增益益、输输出出功功率率大大及及保保护护措措施施完完善善的的特特点点，同同时时多多对对复复合合管管也也非非常常适适用用于于计计算算机机控控制制系系统统中中的的多多路路负荷。负荷。第三十三页，本课件共有72页 图图8-
27、9给给出出达达林林顿顿阵阵列列驱驱动动器器MC1416的的结结构构图图与与每每对对复复合合管管的的内内部部结结构构，MC1416内内含含7对对达达林林顿顿复复合合管管，每每个个复复合合管管的的集集电电极极电电流流可可达达500mA，截截止止时时能能承承受受100V电电压压，其其输输入入输输出出端端均均有有箝箝位位二二极极管管，输输出出箝箝位位二二极极管管D2抑抑制制高高电电位位上上发发生生的的正正向向过过冲冲，D1、D3可可抑抑制低电平上的负向过冲。制低电平上的负向过冲。第三十四页，本课件共有72页8-9 MC1416达林顿阵列驱动器达林顿阵列驱动器第三十五页，本课件共有72页 图图 8-10
28、 8-10为达林顿阵列驱动中的一路驱动电为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当路，当CPUCPU数据线数据线D Di i 输出数字输出数字“0”“0”即低电平即低电平时，经时，经74067406反相锁存器变为高电平，使达林反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的顿复合管导通，产生的几百毫安几百毫安集电极电流集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的保护二极管保护二极管构成了构成了负荷线圈断电负荷线圈断电时产生的反时产生的反向电动势的泄流回路。向电动势的泄流回路。第三十六页，本课件共有72页8-10 达林顿阵列驱动电路达林顿阵列驱动电路第三十七页，本
29、课件共有72页4.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。继电器方式的流继电器、中间继电器等几种类型。继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。制外界交流或直流的高电压、大电流设备。第三十八页，本课件共有72页第三十九页，本课件共有72页 常常用用的的继继电电器器有有电电压压继继电电器器、电电流流继继电电
30、器器、中中间间继继电电器器等等几几种种类类型型。由由于于继继电电器器线线圈圈需需要要一一定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。继电器的驱动电路继电器的驱动电路 驱驱动动电电路路的的设设计计要要根根据据所所用用继继电电器器线线圈圈的的吸吸合合电电压压和和电电流流而而定定，一一定定要要大大于于继继电电器器的的吸吸合合电电流流才才能能使继电器可靠地工作。使继电器可靠地工作。第四十页，本课件共有72页 图图8-12为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”即高电平时，经即高电
31、平时，经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。由由于于继继电电器器线线圈圈是是电电感感性性负负载载，当当电电路路突突然然关关断断时时，会会出出现现较较高高的的电电感感性性浪浪涌涌电电压压，为为了了保保护护驱驱动动器器件件，应应在在继继电电器器线线圈圈两两端端并并联联一一个个阻阻尼尼二二极极管管，为为电感线圈提供一个电流泄放回路。电感线圈提供一个电流泄放回路。第四十一页，本
32、课件共有72页8-12 继电器输出驱动电路继电器输出驱动电路第四十二页，本课件共有72页 4.3.4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 固态继电器固态继电器SSR（Solid State Relay）是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电子是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号电隔离和信号耦合，耦合，而且没有而且没有任何可动部件或触点任何可动部件或触点，却能实现电磁继，却能实现电磁继电器的功能，故称为电器的功能，故称为固态继电器固态继电器。它具有体积小、开关。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、
33、无抖动和回跳、寿命长等传统速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制系统中得到广继电器无法比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势泛的应用，大有取代电磁继电器之势。第四十三页，本课件共有72页 固态继电器固态继电器SSR是一个四端组件是一个四端组件，有两个输入端、，有两个输入端、两个输出端，其内部结构类似于图两个输出端，其内部结构类似于图8-12中的晶闸管中的晶闸管输出驱动电路。图输出驱动电路。图8-13所示为其结构原理图，共由所示为其结构原理图，共由五部分组成。光五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间耦隔离电路的作用
34、是在输入与输出之间起信号传递作用起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；控制触，同时使两端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断或晶闸管）能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是为了防止电直流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，损害，一般由一般由RC串联网络和压敏电阻组成串联网络和压敏电阻组成；零压检测
35、电；零压检测电路是为路是为交流型交流型SSR过零触发过零触发而设置的。而设置的。第四十四页，本课件共有72页8-13 SSR结构原理及符号结构原理及符号第四十五页，本课件共有72页u SSR的的输输入入端端与与晶晶体体管管、TTL、CMOS电电路路兼兼容容，输输出出端端利利用用器器件件内内的的电电子子开开关关来来接接通通和和断断开开负负载载。工工作作时时只只要要在在输输入入端端施施加加一一定定的的弱弱电电信信号号，就就可可 以以 控控 制制 输输 出出 端端 大大 电电 流流 负负 载载 的的 通通 断断。SSR的的输输出出端端可可以以是是直直流流也也可可以以是是交交流流，分分别别称称为为直直
36、流流型型SSR和和交交流流型型SSR。直直流流型型SSR内内部部的的开开关关组组件件为为功功率率三三极极管管，交交流流型型SSR内内部部的的开开关关组组件件为为双双向向晶晶闸闸管管。而而交交流流型型SSR按按控控制制触触发发方方式式不不同同又又可可分分为为过过零零型型和和移移相相型两种，其中应用最广泛的型两种，其中应用最广泛的是过零型是过零型。第四十六页，本课件共有72页u 过过零零型型交交流流SSR是是指指当当输输入入端端加加入入控控制制信信号号后后，需需等等待待负负载载电电源源电电压压过过零零时时，SSR才才为为导导通通状状态态；而而断断开开控控制制信信号号后后，也也要要等等待待交交流流电
37、电压压过过零零时时，SSR才才为为断断开开状状态态。移移相相型型交交流流SSR的的断断开开条条件件同同过过零零型型交交流流SSR，但但其其导导通通条条件件简简单单，只只要要加加入入控控制制信信号号，不不管管负负载载电电流流相相位位如如何何，立立即即导导通通。直直流流型型SSR的的输输入入控控制制信信号号与与输输出出完完全全同同步步。直直流流型型SSR主主要要用用于于直直流流大大功功率率控控制制。一一般般取取输输入入电电压压为为4-32V，输输入入电电流流5-10mA。它它的的输输出出端端为为晶晶体体管管输输出出，输输出出工工作作电电压为压为30-180 V。第四十七页，本课件共有72页 交流型
38、交流型SSR主要用于交流大功率控制。一主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为般取输入电压为4.32V，输入电流小于，输入电流小于500mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1AA范围内，电压多为范围内，电压多为380V或或220V。图。图8-14为一种常用的固态继电器驱为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线动电路，当数据线Di输出数字输出数字“0”时，经时，经7406反反相变为高电平，使相变为高电平，使NPN型三极管导通型三极管导通,SSR输入输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备端得电则输出端接通大型交流负荷设备RL。第四十八页，本课件共有72
39、页8-14 固态继电器输出驱动电路固态继电器输出驱动电路第四十九页，本课件共有72页4.2.6 4.2.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 广义的接地包含两方面的意思，即接广义的接地包含两方面的意思，即接实地和接虚地实地和接虚地。接实。接实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为当这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连接浮地连接。正确合。正确合理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地的理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地的目的目的有两个：有两个：一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路
40、引一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避免操作人员因起的干扰，常称为工作接地；二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地这称为保护接地。本节主要讨论工作接地技术。本节主要讨论工作接地技术。第五十页，本课件共有72页在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：模拟地、模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。模拟地作为模拟地作为传感器、变送器、放大器、传感器、变送器、放大器、A
41、/D和和D/A转换器转换器中模拟电路的零电位中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，它的信号比。模拟信号有精度要求，它的信号比较小，而且与生产现场连接。有时为区别远距离传感器的较小，而且与生产现场连接。有时为区别远距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系，把传感器的地又叫弱信号地与主机的模拟地关系，把传感器的地又叫信号地信号地。数字地作为数字地作为计算机各种数字电路的零电位计算机各种数字电路的零电位，应该与模拟，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连作为作为
42、基准零电位。基准零电位。第五十一页，本课件共有72页交流地交流地是计算机交流供电的是计算机交流供电的动力线地或称零线动力线地或称零线，它的零，它的零电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有几伏电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易带来各乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地相连，而种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地
43、，目的是使设备机，目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备安壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备安全。全。以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是一点接地还是以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是一点接地还是多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、调试中的重要多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、调试中的重要问题。问题。第五十二页，本课件共有72页4 4印制线路板的地线分布印制线路板的地线分布设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。产生干扰。（1）TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状器件的地线要呈辐射状
44、，不能形成环，不能形成环形。形。（2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度，不要小于其宽度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线越宽，在可能的情况下，地线越宽越好。越好。（3）旁）旁路电容的地线不能长路电容的地线不能长，应尽量缩短。，应尽量缩短。（4）大电流的零电位地线应尽量宽大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号，而且必须和小信号的地分开。的地分开。第五十三页，本课件共有72页5主机系统的接地 计计算算机机本本身身接接地地，同同样样是是为为了了防防止止干干扰扰，提提高高可可靠靠性性。下下面介绍三种主机接地方式。面介绍三种主机接地方
45、式。（1）全机一点接地）全机一点接地 计计算算机机控控制制系系统统的的主主机机架架内内采采用用图图4-25所所示示的的分分别别回回流流法法接接地地方方式式。主主机机地地与与外外部部设设备备地地的的连连接接采采用用一一点点接接地地，如如图图4-28所所示示。为为了了避避免免多多点点接接地地，各各机机柜柜用用绝绝缘缘板板垫垫起起来来。这这种种接接地地方方式式安安全全可可靠靠，有有一一定定的的抗抗干干扰扰能能力力，一一般般接接地地电电阻阻选选为为410左左右右。接接地地电电阻阻越越小小越越好好，但接地电阻越小，接地极的施工就越困难。但接地电阻越小，接地极的施工就越困难。第五十四页，本课件共有72页图
46、4-28 全机一点接地双绞线第五十五页，本课件共有72页（2）主机外壳接地，机芯浮空）主机外壳接地，机芯浮空为为了了提提高高计计算算机机系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力，将将主主机机外外壳壳作作为为屏屏蔽蔽罩罩接接地地，而而把把机机内内器器件件架架与与外外壳壳绝绝缘缘，绝绝缘缘电电阻阻大大于于50M，即即机机内内信信号号地地浮浮空空，如如图图4-29所所示示。这这种种方方法法安安全全可可靠靠，抗抗干干扰扰能能力力强强，但但制制造造工工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。第五十六页，本课件共有72页图4-29 外壳接地机芯浮空第五十七页，本课件共有72页（
47、3）多机系统的接地）多机系统的接地在在计计算算机机网网络络系系统统中中，多多台台计计算算机机之之间间相相互互通通信信，资资源源共共享享。如如果果接接地地不不合合理理，将将使使整整个个网网络络系系统统无无法法正正常常工工作作。近近距距离离的的几几台台计计算算机机安安装装在在同同一一机机房房内内，可可采采用用类类似似图图4-28那那样样的的多多机机一一点点接接地地方方法法。对对于于远远距距离离的的计计算算机机网网络络，多多台台计计算算机机之之间间的的数数据据通通信信，通通过过隔隔离离的的办办法法把把地地分分开开。例例如如，采采用用变变压压器器隔隔离离技技术术、光光电电隔隔离离技技术术或或无无线线通
48、通信技术。信技术。第五十八页，本课件共有72页介绍了这么多的硬件电路抗干扰措施，再来介绍了这么多的硬件电路抗干扰措施，再来看看软件上又有哪些好的措施。看看软件上又有哪些好的措施。首先是在控制系统的输入输出通道中，采用首先是在控制系统的输入输出通道中，采用某种计算方法对通道的信号进行数字处理，某种计算方法对通道的信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声，这就是前面讨论过以削弱或滤除干扰噪声，这就是前面讨论过的数字滤波方法。这是一种廉价而有效的软的数字滤波方法。这是一种廉价而有效的软件程序滤波，在控制系统中被广泛采用。件程序滤波，在控制系统中被广泛采用。而对于那些可能穿过通道而进入而对于那些可能穿过
49、通道而进入CPU的干的干扰，可采取扰，可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施来使行监视等措施来使CPU恢复正常工作。恢复正常工作。第五十九页，本课件共有72页4.3.1 指令冗余技术指令冗余技术当当计计算算机机系系统统受受到到外外界界干干扰扰，破破坏坏了了CPU正正常常的的工工作作时时序序，可可能能造造成成程程序序计计数数器器PC的的值值发发生生改改变变，跳跳转转到到随随机机的的程程序序存存储储区区。当当程程序序跑跑飞飞到到某某一一单单字字节节指指令令上上，程程序序便便自自动动纳纳入入正正轨轨；当当程程序序跑跑飞飞到到某某一一双双字字节节指指令令上上，有有可
50、可能能落落到到其其操操作作数数上上，则则CPU会会误误将将操操作作数数当当操操作作码码执执行行；当当程程序序跑跑飞飞到到三三字字节节指指令令上上，因因它它有有两两个个操操作作数数，出出错错的的机机率率会更大。会更大。为为了了解解决决这这一一问问题题，可可采采用用在在程程序序中中人人为为地地插插入入一一些些空空操操作作指指令令NOP或或将将有有效效的的单单字字节节指指令令重重复复书书写写，此此即即指指令令冗冗余余技技术术。由由于于空空操操作作指指令令为为单单字字节节指指令令，且且对对计计算算机机的的工工作作状状态态无无任任何何影影响响，这这样样就就会会使使失失控控的的程程序序在在遇遇到到该该指指