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1、数字量输入输出通道第1页，共56页，编辑于2022年，星期六本章主要内容本章主要内容v 引言引言v 4.1 4.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术v 4.2 4.2 数字量输入通道数字量输入通道 v 4.3 4.3 数字量输出通道数字量输出通道 v 4.4 DI/DO4.4 DI/DO模板模板v 本章小结本章小结 v 思考题思考题 第2页，共56页，编辑于2022年，星期六 在微机控制系统中，除了要处理模拟量在微机控制系统中，除了要处理模拟量信号以外，还要处理另一类数字信号，包括信号以外，还要处理另一类数字信号，包括开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻
2、辑辑“1 1”和和“0 0”或电平的高和低出现的。如开或电平的高和低出现的。如开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，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，阀门的打开和关闭，仪器仪表的闸管的通和断，阀门的打开和关闭，仪器仪表的 BCD BCD 码，以及脉冲信号的计数和定时等等码，以及脉冲信号的计数和定时等等 。第3页，共56页，编辑于2022年，星期六4.1 4.1 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 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
3、隔离电路光电耦合隔离电路 第4页，共56页，编辑于2022年，星期六4.1.1 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。图4-1 光电耦合隔离器的几种类型第5页，共56页，编辑于2022年，星期六 现以最简单的三极
4、管型光电耦合隔离器为例来说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，如图明它的结构原理，如图 4-2 4-2 所示。所示。图图4-2 4-2 光电耦合隔离器的结构原理光电耦合隔离器的结构原理链接动画链接动画第6页，共56页，编辑于2022年，星期六光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管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，即存在着的输入输出特性，即存在着截止区、饱和区与截止区、饱和区与线性区线性区三部分。利用光耦隔离器的开关特性三部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可（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
5、扰，简称传送数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信对数字信号进行隔离号进行隔离。例如在数字量输入输出通道中，。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传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。号进行隔离。第7页，共56页，编辑于2022年，星期六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
6、的的线线性性传传送送，可可用用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。第8页，共56页，编辑于2022年，星期六 光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信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使用少量的光耦，成本低；号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响响A/D或或D/A转换的精度和线性度。数字信号隔转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试简单，不影响系统的精度和离方法的优点是调试简单，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。线
7、性度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因而在工程中使用的最多。凸现出来，因而在工程中使用的最多。第9页，共56页，编辑于2022年，星期六 要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动要注意的是，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；另外，发光二极管的动态电阻间的反馈和干扰；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
8、。因此，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。磁场的电干扰。为了适应计算机控制系统的需求，目前已生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，如产出各种集成的多路光耦隔离器，如TLP系列就系列就是常用的一种。是常用的一种。第10页，共56页，编辑于2022年，星期六 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
9、递与数字量反相传递两种，如图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）所示，光耦的输入正端接正电，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，光耦输出端端直接接地，光耦输出端即从集电极即从集电极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，发光管导通且发时，发光管导通且发光，使得光敏管导通，输出光，使得光敏管导通，输出 c 端接地而获得低电平
10、端接地而获得低电平“0”；当数据线；当数据线为高电平为高电平“1”时，发光管截止不发光，则光敏管也截止使输出时，发光管截止不发光，则光敏管也截止使输出 c 端端从电源处获得高电平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。4.1.2 4.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 第11页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第12页，共56页，编辑于2022年，星期六 数字量反相传递如图数字量反相传递如图4-34-3（b b）所示）所示，与（，与（a a）不）不同的是光耦的集电极同的是光耦的集电极 c c 端直接接另一个正电源，端直接
11、接另一个正电源，而发射极而发射极 e e 端通过电阻接地，则光耦输出端从端通过电阻接地，则光耦输出端从发射极发射极 e e 端引出。从而完成了数字信号的反相端引出。从而完成了数字信号的反相传递。传递。第13页，共56页，编辑于2022年，星期六4.2 4.2 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 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 第14页，共56页，编辑于2022年，星期六引言引言 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接受
12、受的的形式。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/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须须采采取取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片机机之之间要设置输入信号调理电路。间要设置输入信号调理电路。第15页，共56页，编辑于2022年，星期六l 凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端凡在电路中起到通、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
13、电平转换，术，如电平转换，RC滤波，过电压保护，反电压保护，光电隔离等。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。）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；用稳压管或）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。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。
14、（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。）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 第16页，共56页，编辑于2022年，星期六l 典型的开关量输入信号调理电路如图典型的开关量输入信号调理电路如图 4-4 所示。点划线所示。点划线右边是由开关右边是由开关 S与电源组成的外部电路，（与电源组成的外部电路，（a）是直流输入）是直流输入电路，（电路，（b）是交流输入电路。交流输入电路比直流输入电）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，可把高压交流路多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流(如如380
15、VAC)变换为低压直流变换为低压直流(如如5VDC)。开关。开关 S 的状态经的状态经 RC 滤波、稳滤波、稳压管压管 D1 箝位保护、电阻箝位保护、电阻 R2 限流、二极管限流、二极管 D2 防止反极性电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过执行输入指令便可读取开关 S 的状态。比如的状态。比如,当开关当开关 S 闭闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏管合时，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，即输入信号为导通，数据线上为低电平，即输入信
16、号为“0”对应外电路对应外电路开关开关 S 的闭合；反之，开关的闭合；反之，开关 S 断开，光耦中的发光管无电流断开，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”对应外电路开关对应外电路开关 S 的断开。的断开。第17页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第18页，共56页，编辑于2022年，星期六 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
17、电路，即在一定的采样时间内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。系数可换算出所检测的物理量。第19页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第20页，共56页，编辑于2022年，星期六 图图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，引到号，经过简单的信号调理，引到8254芯片的计数通道芯片的计数通道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
18、的可编程计数器/定时器。图中，计定时器。图中，计数通道数通道0工作于模式工作于模式3，CLK0用于接收系统时钟脉冲，用于接收系统时钟脉冲，OUT0输出一输出一个周期为系统时钟脉冲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）的连续方波脉的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道冲，其高、低电平时段是计数通道1的采样时间和采样间隔时间，的采样时间和采样间隔时间，分别记为分别记为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串接串接到到CLK2，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
19、TS内内的输入脉冲计数。的输入脉冲计数。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，则单位时间内的脉冲，则单位时间内的脉冲个数即脉冲频率为个数即脉冲频率为n/TS，从而可换算出介质的流量或电机的转速，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磁电式速度传感器，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，它们的脉冲当量它们的脉冲当量(即一个脉冲相当的流量或转数即一个脉冲相当的流量或转数)为为K，则介质的流，则介质的流量或电机的转数就为量或电机的转数就为n/TSK。第21页，共56页，编辑于2022年，星期六4.3 数字量输
20、出通道主要知识点v 引言引言v 4.3.1 4.3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路 v 4.3.2 4.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 v 4.3.3 4.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v 4.3.4 4.3.4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 第22页，共56页，编辑于2022年，星期六引言 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控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如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
21、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。第23页，共56页，编辑于2022年，星期六 对于低压情况下的小电流开关量，用功率三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，其输出电流就是输入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。电流与三极管增益的乘
22、积。4.3.1 4.3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路第24页，共56页，编辑于2022年，星期六1.1.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 mA mA或几十或几十 mA mA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 4-6 4-6所示。所示。链接动画链接动画第25页，共56页，编辑于2022年，星期六2.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
23、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适用于计算机控制系统中的多路负荷。常适用于计算机控制系统中的多路负荷。第26页，共56页，编辑于2022年，星期六 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的结构图的结构图与每对复合管的内部结构，与每对复合管的内部结构，MC1416内含内含7对达林
24、对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA，截止时能承受，截止时能承受100V电压，其输入输出端均有箝电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管位二极管，输出箝位二极管D2抑制高电位上发生抑制高电位上发生的正向过冲，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。第27页，共56页，编辑于2022年，星期六第28页，共56页，编辑于2022年，星期六 图图 4-8 4-8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”即低电平即低
25、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，产生的几百毫安集电极电流顿复合管导通，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保足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时产生的反向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。电动势的泄流回路。第29页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第30页，共56页，编辑于2022年，星期六4.3.2 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
26、，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31页，共56页，编辑于2022年，星期六图图4-10 4-10 继电器原理继电器原理第32页，共56页，编辑于2022年，星期六 继电器驱动电路的设计要根据所用继电器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，控制电流一定线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定
27、要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。地工作。第33页，共56页，编辑于2022年，星期六 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定的的电电流流才才能动作，所以必须采取措施加以驱动。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n 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使继电器可靠
28、地工作。继电器可靠地工作。第34页，共56页，编辑于2022年，星期六 图图4-9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，经即高电平时，经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二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。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，由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电
29、感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应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。供一个电流泄放回路。第35页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第36页，共56页，编辑于2022年，星期六4.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路n 晶晶闸闸管管又又称称可可控控硅硅（SCR），是是一一种种大大功功率率的的半半导导体体器器件件，具具有有用用小小功功率率控控制制大大功功率率、开开关关无无触触点点等等特特点点，在在交交直直流流电电机机调调速速系统、调功系统、随动系统中应
30、用广泛。系统、调功系统、随动系统中应用广泛。第37页，共56页，编辑于2022年，星期六 晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图4-10所示，所示，（a）为单向晶闸管，有阳极）为单向晶闸管，有阳极A、阴极、阴极K、控制极（门极）、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或管由截止转为导通；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，晶闸管才
31、由导通变为截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。回路。第38页，共56页，编辑于2022年，星期六图图4-104-10晶闸管的结构符号晶闸管的结构符号第39页，共56页，编辑于2022年，星期六 双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相当于两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，结构如图个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极，结构如图（
32、b）所示。当两个电极）所示。当两个电极T1、T2之间的电压大于之间的电压大于1.5V时，时，不论极性如何，便可利用控制极不论极性如何，便可利用控制极G触发电流控制其导通。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。流场合。第40页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第41页，共56页，编辑于2022年，星期六 晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与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
33、的双向晶闸管输出驱动电路，当为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当CPU数据线数据线Di 输出数字输出数字“1”时，经时，经7406反相变为低电平，光反相变为低电平，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向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备RL。第42页，共56页，编辑于2022年，星期六 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SSRSolid State Relay是一种新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型的无触点开关的电子继电器，
34、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系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。第43页，共56页，编辑于2022年，星期六 固态继电器固态继电器SS
35、R是一个四端组件，有两个输入端、两是一个四端组件，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中的晶闸管输出驱动电路。图路。图4-12所示为其结构原理图，共由五部分组成。光耦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
36、断直流或交流负载电源；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，一般由电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由RC串联网串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型SSR过零触过零触发而设置的。发而设置的。第44页，共56页，编辑于2022年，星期六图图4-12 SSR4-12 SSR结构原理及符号结构原理及符号第45页，共56页，编辑于2022年，星期六u SSR 的输入端与晶体管、的输入端与晶体管、TT
37、L、CMOS 电路兼容，输电路兼容，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。载的通断。SSR的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为直流的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为直流型型 SSR 和交流型和交流型 SSR。直流型。直流型 SSR 内部的开关组件为功率内部的开关组件为功率三极管，交流型三极管，交流型 SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而交流内部的开关组件为双向晶闸管。而交流型型 SSR按控制触发方式不同又
38、可分为过零型和移相型两种，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。其中应用最广泛的是过零型。第46页，共56页，编辑于2022年，星期六u 过零型交流过零型交流 SSR是指当输入端加入控制信号后，需等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，待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。才为断开状态。移相型交流移相型交流 SSR的断开条件同过零型交流的断开条件同过零型交流 SSR，但其导通，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流
39、相位如何，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。立即导通。直流型直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。直流型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。一般取输入电压为主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为 432 V，输入电流，输入电流5 10 mA。它的输出端为晶体管输出，。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为输出工作电压为 30180 V。第47页，共56页，编辑于2022年，星期六 交流型交流型 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 500
40、mA。它。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1A A范围内，电压多为范围内，电压多为 380 V 或或 220 V。图图 4-13 为一种常用的固态继电器驱动电路，当数为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线据线Di 输出数字输出数字“0”时，经时，经7406反相变为高电平，反相变为高电平，使使NPN型三极管导通型三极管导通,SSR输入端得电则输出端接输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备通大型交流负荷设备RL。第48页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第49页，共56页，编辑于2022年，星期六 当然，在实际使用中，要特别注意固态继电
41、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吸收组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。手册。第50页，共56页，编辑于2022年，星期六4.4 DI/DO模板 把上述数字量输入通道或数字量输出通道设把上述数字量输入通道或数
42、字量输出通道设计在一块模板上计在一块模板上,就称为就称为DIDI模板或模板或DODO模板，也可模板，也可统称为数字量统称为数字量I/OI/O模板。图模板。图4-144-14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功能逻辑、功能逻辑、I/OI/O电气接口等电气接口等三部分组成。如图三部分组成。如图4-144-14所示。所示。第51页，共56页，编辑于2022年，星期六链接动画链接动画第52页，共56页，编辑于2022年，星期六 PC总线接口逻辑部分由总线接口逻辑
43、部分由8位数据总线缓冲器、基址译码器、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。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；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。输出的数据或控制信号，供外部设备使用。I/O缓冲功能可以用可编程接口芯片如缓冲功能可以用可编程接口芯片如8255A构成，也可以用构成，也可以用74LS240、244、373、273等芯片实现。
44、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、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。隔离、功率驱动等。各种数字量各种数字量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。由生产过程的不同需求所决定的。第53页，共56页，编辑于2022年，星期六本章小结本章小结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。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
45、本章章首首先先介介绍绍了了当当前前计计算算机机控控制制系系统统中中最最重重要要的的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、继电器驱动电路、晶闸管驱动电路与固态继电器驱
46、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 通通过过对对各各种种输输入入输输出出通通道道接接口口电电路路的的分分析析，可可以以看看出出，光光电耦合隔离器的抗干扰作用是十分重要的。电耦合隔离器的抗干扰作用是十分重要的。第54页，共56页，编辑于2022年，星期六习题与思考习题与思考 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扰的作用机理。干扰的作用机理。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
47、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。第55页，共56页，编辑于2022年，星期六 5.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。6.对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱动电路的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。异同点。7.对比分析说明晶闸管输出驱动与固态继电器输出驱动电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。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模板电路的结构组成。模板电路的结构组成。第56页，共56页，编辑于2022年，星期六