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数字量输入输出通道


第四章:数字量输入输出通道
?

1、光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路;

?
?

2、数字量输入通道中几种典型电路;
3、数字量输出通道几种典型驱动电路;

本章主要内容 ? 引言 ? 4.1 光电耦合隔离技术 ? 4.2 数字量输入通道 ? 4.3 数字量输出通道 ? 4.4 DI/DO模板 ? 本章小结 ? 思考题

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 开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻 辑“1”和“0”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 BCD 码,以及脉冲信号的 计数和定时等等 。

4.1

光电耦合隔离技术

主要知识点
? ?

4.1.1 光电耦合隔离器 4.1.2 光电耦合隔离电路

4.1.1
?

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4-1 所示。它们的原理是相同的,即都是通过电?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。

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 4-2 所示。
+ 5V + 5V

+

输 入端

输出 端

链接动画

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,即存在着截止区、饱 和区与线性区三部分。利用光耦隔离器的 开关特性(即光敏三极管工作在截止区、 饱和区),可传送数字信号而隔离电磁干 扰,简称对数字信号进行隔离。例如在数 字量输入输出通道中,以及在模拟量输入 输出通道中的A/D转换器与CPU或CPU与D/A 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。

?

例如在现场传感器与A/D转换器或D/A

转换器与现场执行器之间的模拟信号的线
性传送,可用光耦的这种线性区对模拟信

号进行隔离。

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。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。

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;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。

4.1.2

光电耦合隔离电路

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?4-3?所示。 数字量同相传递如图4-3(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。

+5V
74LS273

+5V
74LS273

+5V

+5V

D7~D0

数 据 缓 冲 器

c +

D7~D0

数 据 缓 冲 器

c +

选通脉冲

e
选通脉冲

-

e

(a 数字 量 同 相 传 递
图 4 -3 光 电 耦合 隔离 电 路

(b 数字量反相传递

链接动画

数字量反相传递如图4-3(b)所示,与(a) 不同的是光耦的集电极 c 端直接接另一个正 电源,而发射极 e 端通过电阻接地,则光耦输 出端从发射极 e 端引出。从而完成了数字信号 的反相传递。

4.2

数字量输入通道

主要知识点
? ? ?

引言

4.2.1 开关输入电路
4.2.2 脉冲计数电路

引言
?

数字量输入通道( DI 通道)的任务--是 把生产过程中的数字信号转换成计算机易于 接受的形式。 行A/D 转换,但对通道中可能引入的各种 干扰必须采取相应的技术措施,即在外部信 号与单片机之间要设置输入信号调理电路。

? 信号调理电路--虽然都是数字信号,不需进

4.2.1 开关输入电路

?

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。

? 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。

+V CC R2 到输入 缓冲器 R3 D2 D1 光耦 R1 C1

S

+ -

(a) 直流输入电路 +V CC R2 到输入 缓冲器 R3 D2 C1 D1 光耦 R1

C2

S

R3

(b) 交流输入电路 图 4-4 开关量输入信号调理电路

链接动画

4.2.2 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。

系统时钟 CLK0 +12V VC C TS R R TW GATE1 OUT0

8253/8254

CR PC总线 CE

Dz C

CLK1 OUT1 CLK2 光耦 +5V OUT2 GATE0 GATE2 OL 计数通道1

图 4-5 脉 冲 计 数 输 入 电 路

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,经过简单的信号调理,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、低电平时段是计数通道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内的输入脉冲计数。 如果获得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流量计或磁电式速 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/TS· K。

4.3 数字量输出通道
主要知识点
? ? ? ? ?

引言 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 三极管驱动电路 继电器驱动电路 晶闸管驱动电路 固态继电器驱动电路

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、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出 驱动电路等。

4.3.1 三极管驱动电路
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 就是输入电流与三极管增益的乘积。

1 .普通三极管驱动电路
当驱动电流只有十几 mA或几十 mA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 4-6所示。
+5V

330

LED 3.3K Di 7406
三极管

图4-6 小功率三极管输出电路

链接动画

2. 达林顿驱动电路
当驱动电流需要达到几百毫安时,如驱 动中功率继电器、电磁开关等装置,输出电 路必须采取多级放大或提高三极管增益的办 法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管 组成的达林顿复合管构成,它具有高输入阻 抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的 特点,同时多对复合管也非常适用于计算机 控制系统中的多路负荷。

图4-7给出达林顿阵列驱动器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。

1C 16

2C 15

3C 14

4C 13

5C 12

6C 11

7C 10

COM 9

D2 B 10.5kΩ T1 R0 7.2kΩ 3kΩ R1 R2 T2 D3

COM C

E

1 1B

2 2B

3 3B

4 4B

5 5B

6 6B

7 7B

8 GND

D1
(b)复合管内部结构

(a)MC14716结构图

图4-7 MC1416达林顿阵列驱动器

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

电平时,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。

+24V 负荷线圈 1C 达林顿复合管 7406 GND
链接动画

Di

1B

图 4-8 达林顿阵列驱动电路

4.3.2 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。

衔铁

控制电流

D

L

K 外部设备

线圈

铁芯

触点

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 定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可 靠地工作。

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
?

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。

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。

Vp

Vc

KA

220V

光耦 Di

7406
图 4-9 继电器输出驱动电路

链接动画

4.3.3 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。

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。

A

T2

G

G K
T1

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。

+5V
180Ω MOC 3041 400Ω RL

KS G

T2 T1

47Ω 0.01μF

~ 220V

Di
7 406

图 4-11 双向晶闸管输出驱动电路

链接动画

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。

4.3.4 固态继电器驱动电路
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。

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。

?

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。

?

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 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。

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?? ? 范围内,电压多为?380?V? ?A 或?220?V。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交流负
荷设备RL。

Vc

Di 7406

RL

+ _

SSR

~ ~

交 流 电 源

图 4-13固 态 继 电 器 输 出 驱 动 电 路

链接动画

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。

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 计在一块模板上, 就称为DI模板或DO模板,也可 统称为数字量I/O模板。图4-14为含有DI通道和 DO通道的PC总线数字量I/O模板的结构框图,由 PC总线接口逻辑、I/O功能逻辑、I/O电气接口等 三部分组成。如图4-14所示。

总线接口逻辑

I/O功能逻辑

I/O电气接口

D7 D0 A EN A7 PC A3 总线 IOR A2 A0 IOW

数据 缓冲器 基址 基址 译码

输入 缓冲器

输入调 理电路

来自外 部设备

输入片址 译码

输入片址

输出片址 译码 输出片址

输出 缓冲器

输出驱 动电路

去外 部设备

图 4-14 数字量I/O模板结构框图

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。

本章小结
?

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。

?

本章首先介绍了当前计算机控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。
通过对各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十分重要的。

?

习题与思考
1. 画图分析说明三极管型光电耦合隔离器的工作 原理。 2. 分析说明光耦隔离器的两种特性及其隔离电磁 干扰的作用机理。 3. 结合图 4-4,简述信号调理电路的构成及其各 元器件的作用。

4. 分析说明图 4-5脉冲计数电路的工作过程及其 用途。

5.

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 出驱动电路的异同点。 8. 结合图?4-14,简述数字量I/O模板电路的结构组 成。


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