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1、 第四章第四章:数字量输入输出通道数字量输入输出通道n1 1、光、光电电耦合隔离器的耦合隔离器的结结构原理及其隔离构原理及其隔离电电路；路；n2 2、数字量、数字量输输入通道中几种典型入通道中几种典型电电路；路；n3 3、数字量、数字量输输出通道几种典型出通道几种典型驱动电驱动电路；路；本章主要内容本章主要内容v 引言v 4.1 光电耦合隔离技术v 4.2 数字量输入通道 v 4.3 数字量输出通道 v 4.4 DI/DO模板v 本章小结 v 思索题 在微机限制系在微机限制系统中，除了要中，除了要处理模理模拟量量信号以外，信号以外，还要要处理另一理另一类数字信号，包括数字信号，包括开关信号、脉
2、冲信号。它开关信号、脉冲信号。它们是以二是以二进制的制的逻辑“1”“1”和和“0”“0”或或电平的高和低出平的高和低出现的。如的。如开关触点的开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和器或接触器的吸合和释放，放，马达的启达的启动和停止，晶和停止，晶闸管的通和断，管的通和断，阀门的打开和关的打开和关闭，仪器器仪表的表的 BCD BCD 码，以及脉冲信号的，以及脉冲信号的计数和定数和定时等等等等 。4.1 4.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术 主要学主要学问问点点v 4.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v 4.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电
3、路 4.1.1 4.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器n 光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管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，如图型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图4-1所示。它们的原理是相同的，即都是通过电所示。它们的原理是相同的，即都是通过电光光电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。干扰而完成隔离功能的。现现以最以最简洁简洁的三极管型光的三极管型光电电耦合隔离器耦合隔离器为为例来例来说说明它的明它的结结构原理，如构原理，如图图 4-2 4-2 所示。所示。链接
4、动画链接动画光光电电耦合隔离器的耦合隔离器的输输入入输输出出类类似一般三极似一般三极管的管的输输入入输输出特性，即存在着截止区、出特性，即存在着截止区、饱饱和区与和区与线线性区三部分。利用光耦隔离器的性区三部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱饱和区），可和区），可传传送数字信号而隔离送数字信号而隔离电电磁干磁干扰扰，简简称称对对数字信号数字信号进进行隔离。例如在数行隔离。例如在数字量字量输输入入输输出通道中，以及在模出通道中，以及在模拟拟量量输输入入输输出通道中的出通道中的A/DA/D转换转换器与器与CPUCPU或或CPUCPU与与D
5、/AD/A转换转换器之器之间间的数字信号的耦合的数字信号的耦合传传送，都可送，都可用光耦的用光耦的这这种开关特性种开关特性对对数字信号数字信号进进行隔行隔离。离。n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/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号进进行隔离。行隔离。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号隔离方法的优点是运用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，假如光耦选择得不合适，会影响A/D或D/A转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试简洁，不
6、影响系统的精度和线性度；缺点是运用较多的光耦器件，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，因而在工程中运用的最多。要留意的是，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，必需分开单独供电，才能有效避开输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰。为了适应计算机限制系统的需求，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。下面以限制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明下面以限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
7、离电路。典型的光电耦合隔离电路有数字量同相光电耦合隔离电路。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，如图传递与数字量反相传递两种，如图 4-3 所示。所示。数字量同相传递如图数字量同相传递如图4-3（a）所示，光耦的输入正端接）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，光耦的集电极耦的集电极 c 端通过电阻接另一个正电源，放射极端通过电阻接另一个正电源，放射极 e 端干脆端干脆接地，光耦输出端即从集电极接地，光耦输出端即从集电极c 端引出。当数据线为低电平端引出。当数据线为低电平“0”时，发光
8、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”；当数据线为高电平；当数据线为高电平“1”时，发光时，发光管截止不发光，则光敏管也截止使输出管截止不发光，则光敏管也截止使输出 c 端从电源处获得高端从电源处获得高电平电平“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。4.1.2 4.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 链接动画链接动画 数字量反相数字量反相传递传递如如图图4-34-3（b b）所示，与）所示，与（a a）不同的是光耦的集）不同的是光耦的集电电极极 c c 端干脆接另一端干脆
9、接另一个正个正电电源，而放射极源，而放射极 e e 端通端通过电过电阻接地，阻接地，则则光光耦耦输输出端从放射极出端从放射极 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信号的反相传递传递。4.2 4.2 数字量输入通道数字量输入通道主要学问点v 引言引言v 4.2.1 开关输入电路开关输入电路 v 4.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路 引言引言 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受的形式。接受的形式。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
10、不需需进进行行A/D A/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需需实实行行相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单片机之片机之间间要要设设置置输输入信号入信号调调理理电电路。路。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，过电压爱护，反电压爱护，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）过电压爱护是用稳压管和限流电阻作过电压爱护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电
11、压箝位在平安电平上。（4）反电压爱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。4.2.1 4.2.1 开关输入电路开关输入电路 l 典型的开关量输入信号调理电路如图4-4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）是沟通输入电路。沟通输入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压沟通(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箝位爱护、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
12、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。链接动画链接动画 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，即在确定的采样种定时计数输入接口电路，即在确定的采样时间内统计输入的脉冲个数，然后依据传感时间内统计输入的脉冲个数，然后依据传感器的比
13、例系数可换算出所检测的物理量。器的比例系数可换算出所检测的物理量。链接动画链接动画 图4-5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，经过简洁的信号调理，引到8254芯片的计数通道1的CLK1口。8254是具有3个16位计数器通道的可编程计数器/定时器。图中，计数通道0工作于模式3，CLK0用于接收系统时钟脉冲，OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲N倍（N为通道0的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平常段是计数通道1的采样时间和采样间隔时间，分别记为TS、TW；计数通道1和2均选为工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使两者构成一个计数长度为232的脉冲计数器，以对TS内的输入脉冲
14、计数。假如获得TS时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内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电机的转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮番量计或磁电式速度传感器，它们的脉冲当量(即一个脉冲相当的流量或转数)为K，则介质的流量或电机的转数就为n/TSK。4.3 数字量输出通道主要学问点v 引言引言v 4.3.1 4.3.1 三极管三极管驱动电驱动电路路 v 4.3.2 4.3.2 继电继电器器驱动电驱动电路路 v 4.3.3 4.3.3 晶晶闸闸管管驱动电驱动电路路 v 4.3.4 4.3.4 固固态继电态继电器器驱动电驱动电路路 引言 数字量输出通道简称数字量输出通道简称
15、DO 通道，它的任务是把通道，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计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行限制的数字驱动信号。依据现场负荷的不同，如行限制的数字驱动信号。依据现场负荷的不同，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、晶闸管输出驱动电路、固态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。驱动电路等。对于低
16、压状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1.1.一般三极管一般三极管驱动电驱动电路路 当当驱动电驱动电流只有十几流只有十几 mA mA或几十或几十 mA mA时时，只要接受一个，只要接受一个一般的功率三极管就能构成一般的功率三极管就能构成驱动电驱动电路，如路，如图图 4-6 4-6所示。所示。链接动画链接动画2.达林顿驱动电路达林顿驱动电路 当当驱驱动动电电流流须须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
17、需需实实行行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方方法法。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爱爱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特特别别适适用用于于计计算算机机限制系统中的多路负荷。限制系统中的多路负荷。图图4-7给出达林顿阵列驱动器给出达林顿阵列驱动器MC1416的的结构图与每对复合管的内部结构，结构图与每对复合管的内部结构，MC1416内含内含7对达林顿复合管，每个复合管的集电对达林顿复合管
18、，每个复合管的集电极电流可达极电流可达500mA，截止时能承受，截止时能承受100V电压，电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管二极管D2抑制高电位上发生的正向过冲，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。可抑制低电平上的负向过冲。图 4-8为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当CPU数据线Di 输出数字“0”即低电平常，经7406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极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的爱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。链接动画链接动画4.3.2 继电器驱动
19、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。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，通过弱电限制外界沟通或直流的高电压、方式，通过弱电限制外界沟通或直流的高电压、大电流设备。大电流设备。继电器驱动电路的设计要依据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，限制电流确定要大于继电器的吸合电流才能使继电器牢靠地工作。常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中
20、间继电器等几种类型。由于继电器线圈须要确定的电流才能动作，所以必需实行措施加以驱动。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依依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，确确定定要要大大于于继继电电器器的的吸合电流才能使继电器牢靠地工作。吸合电流才能使继电器牢靠地工作。图4-9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”即高电平常，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，当电路突然关断时
21、，会出现较高的电感性浪涌电压，为了爱护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈供应一个电流泄放回路。链接动画链接动画4.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路n 晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率的半导体器件，具有用小功率限制大功率、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。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、限制极（门极）G三个极。当阳、阴极之间加正压时，限制极与阴极两端也施加正压使限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或阳极电流减小到维持电流以下，
22、晶闸管才由导通变为截止。单向晶闸管具有单向导电功能，在限制系统中多用于直流大电流场合，也可在沟通系统中用于大功率整流回路。双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相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，但共享一个限制当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个限制极，结构如图（极，结构如图（b）所示。当两个电极）所示。当两个电极T1、T2之间之间的电压大于的电压大于1.5V时，不论极性如何，便可利用限制时，不论极性如何，便可利用限制极极G触发电流限制其导通。双向晶闸管具有双向导触发电流限制其导通。双向晶闸管具有双向导通功能，因此特殊适用于沟通大电流场合。通功能，因此特
23、殊适用于沟通大电流场合。链接动画链接动画 晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与与CPU干脆相连，在实际运用时要接受隔离措施。干脆相连，在实际运用时要接受隔离措施。图图 4-11为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当当CPU数据线数据线Di 输出数字输出数字“1”时，经时，经7406反相反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导变为低电平，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，从而驱动通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型沟通负荷设备大型沟通负荷设备RL。4.3.4 固态继电器
24、驱动电路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限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，在计算机限制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。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4-11中的晶闸管输出驱动电路。图4-12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
25、时使两端在电气上完全隔离；限制触发电路是为后级供应一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能牢靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或沟通负载电源；吸取爱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；零压检测电路是为沟通型SSR过零触发而设置的。u SSR的输入端与晶体管、TTL、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确定的弱电信号，就可以限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沟通，分别称为直流型SSR和沟通型SSR。直流型SSR内部的开关组件为功率三极管
26、，沟通型SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而沟通型SSR按限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。u 过零型沟通SSR是指当输入端加入限制信号后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开限制信号后，也要等待沟通电压过零时，SSR才为断开状态。移相型沟通SSR的断开条件同过零型沟通SSR，但其导通条件简洁，只要加入限制信号，不管负载电流相位如何，马上导通。直流型SSR的输入限制信号与输出完全同步。直流型SSR主要用于直流大功率限制。一般取输入电压为432V，输入电流510mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为30180 V。沟通型SSR主要用于沟通
27、大功率限制。一般取输入电压为4.32V，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1AA范围内，电压多为380V或220V。图4-13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NPN型三极管导通,SSR输入端得电则输出端接通大型沟通负荷设备RL。链接动画链接动画 当然，在实际运用中，要特殊留意固态继电器的过电流与过电压爱护以当然，在实际运用中，要特殊留意固态继电器的过电流与过电压爱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
28、，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取组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。阻容吸取组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。4.4 DI/DO模板 把上述数字量把上述数字量输输入通道或数字量入通道或数字量输输出通道出通道设设计计在一在一块块模板上模板上,就称就称为为DIDI模板或模板或DODO模板，也可模板，也可统统称称为为数字量数字量I/OI/O模板。模板。图图4-144-14为为含有含有DIDI通道和通道和DODO通道的通道的PCPC总线总线数字量数字量I/OI/O模板的模板
29、的结结构框构框图图，由，由PCPC总线总线接口接口逻辑逻辑、I/OI/O功能功能逻辑逻辑、I/OI/O电电气接口等气接口等三部分三部分组组成。如成。如图图4-144-14所示。所示。链接动画链接动画 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洁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 输出的数据或限制信号，供外部设备运用。I/O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
30、、滤波、爱护、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确定的。本章小结本章小结n 数字量输入输出通道也是计算机测控系统中的重要组成部分。n 本章首先介绍了当前计算机限制系统中最重要的硬件抗干扰技术光电耦合隔离技术，并着重分析光电耦合隔离器的结构原理及其在数字信号中的隔离电路。介绍分析了数字量输入通道中的3种典型电路：信号调理电路、脉冲计数电路与拨盘开关电路。还介绍分析了数字量输出通道中的4种典型驱动电路：三极管驱动电路、继电器驱动电路、晶闸管驱动电路与固态继电器驱动电路。n 通过对各
31、种输入输出通道接口电路的分析，可以看出，光电耦合隔离器的抗干扰作用是特别重要的。习题习题与思索与思索 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理。原理。2.2.分分析析说说明明光光耦耦隔隔离离器器的的两两种种特特性性及及其其隔隔离离电电磁磁干干扰扰的作用机理。的作用机理。3.3.结结合合图图 4-44-4，简简述述信信号号调调理理电电路路的的构构成成及及其其各各元器件的作用。元器件的作用。4.4.分分析析说说明明图图 4-54-5脉脉冲冲计计数数电电路路的的工工作作过过程程及及其其 用途。用途。5.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。动电路。6.对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱动电路的异同点。动电路的异同点。7.对比分析说明晶闸管输出驱动与固态继电器输对比分析说明晶闸管输出驱动与固态继电器输出驱动电路的异同点。出驱动电路的异同点。8.结合图结合图 4-14，简述数字量，简述数字量I/O模板电路的结构组模板电路的结构组成。成。