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1、本章主要内容本章主要内容v 引言引言v 1 1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术v 2 2 数字量输入通道数字量输入通道 v 3 3 数字量输出通道数字量输出通道 v 4 DI/DO4 DI/DO模板模板v 本章小结本章小结 v 思考题思考题 第1页/共52页 在微机控制系统中，除了要处理模拟在微机控制系统中，除了要处理模拟量信号以外，还要处理另一类数字信号，量信号以外，还要处理另一类数字信号，包括开关信号、脉冲信号。它们是以二进包括开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑制的逻辑“1 1”和和“0 0”或电平的高和低出或电平的高和低出现的。如开关触点的闭合和断开，指示灯现的。如开关触点的闭合
2、和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，晶闸管的通和断，阀马达的启动和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭，仪器仪表的门的打开和关闭，仪器仪表的 BCD BCD 码，码，以及脉冲信号的计数和定时等等以及脉冲信号的计数和定时等等 。第2页/共52页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 （1）光电耦合隔离器 v （2）光电耦合隔离电路 第3页/共52页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、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图1所示。它们的原理是相同的，即都是
3、通过电光电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。第4页/共52页 现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理，如图现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理，如图 2 2 所示。所示。第5页/共52页光电耦合隔离器的输入输出类似普通三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，即存在着极管的输入输出特性，即存在着截止区、截止区、饱和区与线性区饱和区与线性区三部分。利用光耦隔离三部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔止区、饱和区），可传送数字信号而隔离
4、电磁干扰，简称离电磁干扰，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中，以及在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。性对数字信号进行隔离。第6页/共52页 要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一个电源，必须分开单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰.因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效
5、地隔离电磁场的电干扰。为了适应计算机控制系统的需求，目前已生产出各种集成的多路光耦隔离器，如TLP系列就是常用的一种。第7页/共52页 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。典型的光电耦合隔离电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种，如图 3 所示。数字量同相传递如图3（a）所示，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，光耦的集电极c 端通过电阻接另一个正电源，发射极 e 端直接接地，光耦输出端即从集电极c 端引出。当数据线为低电平“0”时，发光管导通且发光，使得光敏管导通，输出 c 端接地而获得低电平“0”；当数据线为高电平“1”时，发光
6、管截止不发光，则光敏管也截止使输出 c 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。2 2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 第8页/共52页第9页/共52页 数字量反相传递如图数字量反相传递如图3 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 端直接接另一个正端直接接另一个正电源，而发射极电源，而发射极 e e 端通过电阻接地，则光耦输端通过电阻接地，则光耦输出端从发射极出端从发射极 e e 端引出。从而完成了数字信号端引出。从而完成了数字信号的反相传递。的反相传递。第10页/共52页3 3 数字量输入通道数字量输入通道主要知识点
7、v（1）开关输入电路 v（2）脉冲计数电路 第11页/共52页l 凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术，如电平转换，RC滤波，过电压保护，反电压保护，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压信号。（2）RC滤波是用 RC 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。（5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。（1 1）开关输入电路开关输入电路 第12页
8、/共52页l 典型的开关量输入信号调理电路如图 4 所示。点划线右边是由开关 S与电源组成的外部电路，（a）是直流输入电路，（b）是交流输入电路。交流输入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流(如380VAC)变换为低压直流(如5VDC)。开关 S 的状态经 RC 滤波、稳压管 D1 箝位保护、电阻 R2 限流、二极管 D2 防止反极性电压输入以及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便可读取开关 S 的状态。比如,当开关 S 闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为“0”对应外电路开关 S 的闭合；反之，开
9、关 S 断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应外电路开关 S 的断开。第13页/共52页第14页/共52页 （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。第15页/共52页第16页/共52页 图图5为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频率信号，经过简单的信号调理，引到频率信号，经过简单的信号调理，引到8254芯片的计数通道芯片的计
10、数通道1的的CLK1口。口。8254是具有是具有3个个16位计数器通道的可编程计数器位计数器通道的可编程计数器/定时器。图中，计数通道定时器。图中，计数通道0工作于模式工作于模式3，CLK0用于接收系用于接收系统时钟脉冲，统时钟脉冲，OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲输出一个周期为系统时钟脉冲N倍（倍（N为通道为通道0的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道是计数通道1的采样时间和采样间隔时间，分别记为的采样时间和采样间隔时间，分别记为TS、TW；计数通道；计数通道1和和2均选为工作模式均选为工作模式2，且，且OUT1串接到串接到CLK
11、2，使两者构成一个计数长度为使两者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内的内的输入脉冲计数。输入脉冲计数。如果获得如果获得TS时间内的输入脉冲个数为时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内，则单位时间内的脉冲个数即脉冲频率为的脉冲个数即脉冲频率为n/TS，从而可换算出介质的流量或，从而可换算出介质的流量或电机的转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或电机的转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器，它们的脉冲当量磁电式速度传感器，它们的脉冲当量(即一个脉冲相当的流量即一个脉冲相当的流量或转数或转数)为为K，则介质的流量或电机的转数就为，则介质
12、的流量或电机的转数就为n/TSK。第17页/共52页4 4 数字量输出通道数字量输出通道主要知识点v 引言引言v （1 1）三极管驱动电路三极管驱动电路 v （2 2）继电器驱动电路继电器驱动电路 v （3 3）晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v （4 4）固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 第18页/共52页引言引言 数字量输出通道简称 DO 通道，它的任务是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。根据现场负荷的不同，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驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸
13、管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。第19页/共52页 对于低压情况下的小电流开关量，用对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，其输出功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。电流就是输入电流与三极管增益的乘积。（1 1）三极管驱动电路三极管驱动电路第20页/共52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，如图普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图 6 6所示。所示。第21页/共52页2.达林顿驱动
14、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制系统中的多路负荷。控制系统中的多路负荷。第22页/共52页 图7给出达林顿阵列驱动
15、器MC1416的结构图与每对复合管的内部结构，MC1416内含7对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA，截止时能承受100V电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管D2抑制高电位上发生的正向过冲，D1、D3可抑制低电平上的负向过冲。第23页/共52页第24页/共52页 图图 8 8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”即低电即低电平时，经平时，经74067406反相锁存器变为高电平，使反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电达林顿复合管导通，产生的几百毫安
16、集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路。产生的反向电动势的泄流回路。第25页/共52页第26页/共52页3.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。第27页/共52页第28页/共52页 继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大
17、于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。第29页/共52页 常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，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 驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。第30页/共52页 图9为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线Di输出数字“1”即高电平时，经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。由于继电器线圈是电感性负载，当
18、电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。第31页/共52页第32页/共52页4 晶闸管驱动电路 晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率的半导体器件，具有用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。第33页/共52页 晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图4-10所示，（a）为单向晶闸管，有阳极A、阴极K、控制极（门极）G三个极。当阳、阴极之间加正压时，控制极与阴极两端也施加正压使控制极电流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；只有在阳、阴极间施加反向电压
19、或阳极电流减小到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。单向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功率整流回路。第34页/共52页第35页/共52页 双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极，结构如图（b）所示。当两个电极T1、T2之间的电压大于1.5V时，不论极性如何，便可利用控制极G触发电流控制其导通。双向晶闸管具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流场合。第36页/共52页第37页/共52页 晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采用隔离措施。图 4-11为经光耦隔离的
20、双向晶闸管输出驱动电路，当CPU数据线Di 输出数字“1”时，经7406反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备RL。第38页/共52页 5.固态继电器驱动电路 固态继电器SSRSolid State Relay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电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具有体积小、开关速度快、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泛的应用，大有取代电磁继电器之势。第39页/
21、共52页 固态继电器SSR是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端，其内部结构类似于图11中的晶闸管输出驱动电路。图12所示为其结构原理图，共由五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，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，一般由RC串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型SSR过零触发而设置的。第40页/共52页第41页/共52页u SSR 的输入端与晶体管、TTL
22、、CMOS 电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。SSR的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为直流型 SSR 和交流型 SSR。直流型 SSR 内部的开关组件为功率三极管，交流型 SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而交流型 SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。第42页/共52页u 过零型交流 SSR是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。移相型交流 SSR的断开条件同过
23、零型交流 SSR，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。直流型 SSR 主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为 4-32 V，输入电流5-10 mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为 30-180 V。第43页/共52页 交流型 SSR 主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为4-32V，输入电流小于 500 mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1A-10A范围内，电压多为 380 V 或 220 V。图 13 为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线Di 输出数字“0”时，经7406反相变为高电平，使NP
24、N型三极管导通,SSR输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备RL。第44页/共52页第45页/共52页 当然，在实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时，一般要远大于实际负载的电流与电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增加阻容吸收组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。第46页/共52页6.DI/DO模板模板 把上述数字量输入通道或数字量输出通道设计在一块模板上把上述数字量输入通道或数字量输出通道设计在一块模板上,就称为就称为DIDI模板或模板或DODO模板，也可统称为数字模板，也可统称为数字量量I/OI/
25、O模板。图模板。图1414为含有为含有DIDI通道和通道和DODO通道的通道的PCPC总线数字量总线数字量I/OI/O模板的结构框图，由模板的结构框图，由PCPC总线接口逻辑、总线接口逻辑、I/OI/O功能功能逻辑、逻辑、I/OI/O电气接口等三部分组成。如图电气接口等三部分组成。如图1414所示。所示。第47页/共52页第48页/共52页 PC总线接口逻辑部分由8位数据总线缓冲器、基址译码器、输入和输出片址译码器组成。I/O功能逻辑部分只有简单的输入缓冲器和输出锁存器。其中，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、加强和选通作用；输出锁存器锁存CPU 输出的数据或控制信号，供外部设备使用。I/O
26、缓冲功能可以用可编程接口芯片如8255A构成，也可以用74LS240、244、373、273等芯片实现。I/O电气接口部分的功能主要是：电平转换、滤波、保护、隔离、功率驱动等。各种数字量I/O模板的前两部分大同小异，不同的主要在于I/O电气接口部分，即输入信号的调理和输出信号的驱动，这是由生产过程的不同需求所决定的。第49页/共52页本章小结本章小结 本本章章首首先先介介绍绍了了硬硬件件抗抗干干扰扰技技术术光光电电耦耦合合隔隔离离技技术术，并并着着重重分分析析光光电电耦耦合合隔隔离离器器的的结结构构原原理理及及其其在在数数字字信信号号中中的的隔隔离离电电路路。介介绍绍分分析析了了数数字字量量输
27、输入入通通道道中中的的3 3种种典典型型电电路路：信信号号调调理理电电路路、脉脉冲冲计计数数电电路路与与拨拨盘盘开开关关电电路路。还还介介绍绍分分析析了了数数字字量量输输出出通通道道中中的的4 4种种典典型型驱驱动动电电路路：三三极极管管驱驱动动电电路路、继继电电器器驱驱动动电电路路、晶晶闸闸管管驱驱动动电电路路与与固固态继电器驱动电路态继电器驱动电路。第50页/共52页习题与思考习题与思考 1.1.画画图图分分析析说说明明三三极极管管型型光光电电耦耦合合隔隔离离器器的的工工作作原原理理,并并分分析析说说明明光光耦耦隔隔离离器器的的主主要功用。要功用。2.对对比比分分析析说说明明三三极极管管输输出出驱驱动动、继继电电器器输输出出驱驱动与固态继电器输出驱动电路的特点。动与固态继电器输出驱动电路的特点。第51页/共52页感谢您的观看。第52页/共52页