第三講:數(shù)字量輸入輸出通道,1、光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理及其隔離電路；2、數(shù)字量輸入通道中幾種典型電路；3、數(shù)字量輸出通道幾種典型驅(qū)動電路；,學(xué)習(xí)要點,在微機控制系統(tǒng)中，除了要處理模擬量信號以外，還要處理另一類數(shù)字信號，包括開關(guān)信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“1”和“0”或電平的高和低出現(xiàn)的。如開關(guān)觸點的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器或接觸器的吸合和釋放，馬達的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關(guān)閉，儀器儀表的BCD碼，以及脈沖信號的計數(shù)和定時等等。,引言,4.1光電耦合隔離技術(shù),主要知識點,4.1.1光電耦合隔離器4.1.2光電耦合隔離電路,4.1.1光電耦合隔離器,光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型、單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種，如圖4-1所示。它們的原理是相同的，即都是通過電光電這種信號轉(zhuǎn)換，利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。,圖4-1光電耦合隔離器的幾種類型,現(xiàn)以最簡單的三極管型光電耦合隔離器為例來說明它的結(jié)構(gòu)原理，如圖4-2所示。,圖4-2光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理,下面以控制系統(tǒng)中常用的數(shù)字信號的隔離方法為例說明光電耦合隔離電路。典型的光電耦合隔離電路有數(shù)字量同相傳遞與數(shù)字量反相傳遞兩種，如圖4-3所示。數(shù)字量同相傳遞如圖4-3（a）所示，光耦的輸入正端接正電源，輸入負端接到與數(shù)據(jù)總線相連的數(shù)據(jù)緩沖器上，光耦的集電極c端通過電阻接另一個正電源，發(fā)射極e端直接接地，光耦輸出端即從集電極c端引出。當數(shù)據(jù)線為低電平“0”時，發(fā)光管導(dǎo)通且發(fā)光，使得光敏管導(dǎo)通，輸出c端接地而獲得低電平“0”；當數(shù)據(jù)線為高電平“1”時，發(fā)光管截止不發(fā)光，則光敏管也截止使輸出c端從電源處獲得高電平“1”。如此，完成了數(shù)字信號的同相傳遞。,4.1.2光電耦合隔離電路,數(shù)字量反相傳遞如圖4-3（b）所示，與（a）不同的是光耦的集電極c端直接接另一個正電源，而發(fā)射極e端通過電阻接地，則光耦輸出端從發(fā)射極e端引出。從而完成了數(shù)字信號的反相傳遞。,4.2數(shù)字量輸入通道,主要知識點,引言4.2.1開關(guān)輸入電路4.2.2脈沖計數(shù)電路,引言,數(shù)字量輸入通道（DI通道）的任務(wù)-是把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機易于接受的形式。信號調(diào)理電路-雖然都是數(shù)字信號，不需進行A/D轉(zhuǎn)換，但對通道中可能引入的各種干擾必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，即在外部信號與單片機之間要設(shè)置輸入信號調(diào)理電路。,凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點、開關(guān)，其端子引出均統(tǒng)稱為開關(guān)信號。在開關(guān)輸入電路中，主要是考慮信號調(diào)理技術(shù)，如電平轉(zhuǎn)換，RC濾波，過電壓保護，反電壓保護，光電隔離等。（1）電平轉(zhuǎn)換是用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。（2）RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾。（3）過電壓保護是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。（4）反電壓保護是串聯(lián)一個二極管防止反極性電壓輸入。（5）光電隔離用光耦隔離器實現(xiàn)計算機與外部的完全電隔離。,4.2.1開關(guān)輸入電路,圖（a）采用積分電路,圖（b）采用R-S觸發(fā)器,典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路如圖4-4所示。點劃線右邊是由開關(guān)S與電源組成的外部電路，（a）是直流輸入電路，（b）是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入電路多一個降壓電容和整流橋塊，可把高壓交流(如380VAC)變換為低壓直流(如5VDC)。開關(guān)S的狀態(tài)經(jīng)RC濾波、穩(wěn)壓管D1箝位保護、電阻R2限流、二極管D2防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送至輸入緩沖器，主機通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān)S的狀態(tài)。比如,當開關(guān)S閉合時，輸入回路有電流流過，光耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導(dǎo)通，數(shù)據(jù)線上為低電平，即輸入信號為“0”對應(yīng)外電路開關(guān)S的閉合；反之，開關(guān)S斷開，光耦中的發(fā)光管無電流流過，光敏管截止，數(shù)據(jù)線上為高電平，即輸入信號為“1”對應(yīng)外電路開關(guān)S的斷開。,輸入接口對生產(chǎn)過程的控制，常常需了解生產(chǎn)過程的狀態(tài)信息，根據(jù)狀態(tài)信息，決定如何給出控制量。要獲得狀態(tài)信息則必須通過輸入接口（可用三態(tài)門緩沖器74LS244），如圖所示,圖開關(guān)量輸入接口,思考：還可以用學(xué)過的哪個接口芯片？,4.2.2脈沖計數(shù)電路,有些用于檢測流量、轉(zhuǎn)速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號，對于大量程可以設(shè)計一種定時計數(shù)輸入接口電路，即在一定的采樣時間內(nèi)統(tǒng)計輸入的脈沖個數(shù)，然后根據(jù)傳感器的比例系數(shù)可換算出所檢測的物理量。,圖4-5為一種定時計數(shù)輸入接口電路，傳感器發(fā)出的脈沖頻率信號，經(jīng)過簡單的信號調(diào)理，引到8254芯片的計數(shù)通道1的CLK1口。8254是具有3個16位計數(shù)器通道的可編程計數(shù)器/定時器。圖中，計數(shù)通道0工作于模式3，CLK0用于接收系統(tǒng)時鐘脈沖，OUT0輸出一個周期為系統(tǒng)時鐘脈沖N倍（N為通道0的計數(shù)初值）的連續(xù)方波脈沖，其高、低電平時段是計數(shù)通道1的采樣時間和采樣間隔時間，分別記為TS、TW；計數(shù)通道1和2均選為工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使兩者構(gòu)成一個計數(shù)長度為232的脈沖計數(shù)器，以對TS內(nèi)的輸入脈沖計數(shù)。如果獲得TS時間內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)為n，則單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)即脈沖頻率為n/TS，從而可換算出介質(zhì)的流量或電機的轉(zhuǎn)速值。比如，發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器，它們的脈沖當量(即一個脈沖相當?shù)牧髁炕蜣D(zhuǎn)數(shù))為K，則介質(zhì)的流量或電機的轉(zhuǎn)數(shù)就為n/TSK。,4.3數(shù)字量輸出通道,主要知識點,引言4.3.1三極管驅(qū)動電路4.3.2繼電器驅(qū)動電路4.3.3晶閘管驅(qū)動電路4.3.4固態(tài)繼電器驅(qū)動電路,引言,數(shù)字量輸出通道簡稱DO通道，它的任務(wù)是把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進行控制的數(shù)字驅(qū)動信號。根據(jù)現(xiàn)場負荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。,對于低壓情況下的小電流開關(guān)量，用功率三極管就可作開關(guān)驅(qū)動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。,4.3.1三極管驅(qū)動電路,1.普通三極管驅(qū)動電路,當驅(qū)動電流只有十幾mA或幾十mA時，只要采用一個普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動電路，如圖4-6所示。,鏈接動畫,2.達林頓驅(qū)動電路,當驅(qū)動電流需要達到幾百毫安時，如驅(qū)動中功率繼電器、電磁開關(guān)等裝置，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣列驅(qū)動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復(fù)合管構(gòu)成，它具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點，同時多對復(fù)合管也非常適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負荷。,圖4-7給出達林頓陣列驅(qū)動器MC1416的結(jié)構(gòu)圖與每對復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MC1416內(nèi)含7對達林頓復(fù)合管，每個復(fù)合管的集電極電流可達500mA，截止時能承受100V電壓，其輸入輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制高電位上發(fā)生的正向過沖，D1、D3可抑制低電平上的負向過沖。,圖4-8為達林頓陣列驅(qū)動中的一路驅(qū)動電路，當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“0”即低電平時，經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓復(fù)合管導(dǎo)通，產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅(qū)動負載線圈，而且利用復(fù)合管內(nèi)的保護二極管構(gòu)成了負荷線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。,4.3.2繼電器驅(qū)動電路,電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備。,圖4-10繼電器原理,繼電器驅(qū)動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。,常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。由于繼電器線圈需要一定的電流才能動作，所以必須采取措施加以驅(qū)動。,繼電器的驅(qū)動電路驅(qū)動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。,圖4-9為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動電路，當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”即高電平時，經(jīng)7406反相驅(qū)動器變?yōu)榈碗娖?，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，動合觸點閉合，從而驅(qū)動大型負荷設(shè)備。由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關(guān)斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅(qū)動器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。,鏈接動畫,4.3.3晶閘管驅(qū)動電路,晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導(dǎo)體器件，具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。,晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖4-10所示，（a）為單向晶閘管，有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。當陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。單向晶閘管具有單向?qū)щ姽δ?，在控制系統(tǒng)中多用于直流大電流場合，也可在交流系統(tǒng)中用于大功率整流回路。,單向晶閘管,雙向晶閘管,圖4-10晶閘管的結(jié)構(gòu)符號,雙向晶閘管也叫三端雙向可控硅，在結(jié)構(gòu)上相當于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但共享一個控制極，結(jié)構(gòu)如圖（b）所示。當兩個電極T1、T2之間的電壓大于1.5V時，不論極性如何，便可利用控制極G觸發(fā)電流控制其導(dǎo)通。雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ埽虼颂貏e適用于交流大電流場合。,鏈接動畫,晶閘管常用于高電壓大電流的負載，不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施。圖4-11為經(jīng)光耦隔離的雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路，當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”時，經(jīng)7406反相變?yōu)榈碗娖?，光耦二極管導(dǎo)通，使光敏晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而驅(qū)動大型交流負荷設(shè)備RL。,4.3.4固態(tài)繼電器驅(qū)動電路,固態(tài)繼電器SSRSolidStateRelay是一種新型的無觸點開關(guān)的電子繼電器，它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制回路與負載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢。,圖4-12SSR結(jié)構(gòu)原理及符號,鏈接動畫,當然，在實際使用中，要特別注意固態(tài)繼電器的過電流與過電壓保護以及浪涌電流的承受等工程問題，在選用固態(tài)繼電器的額定工作電流與額定工作電壓時，一般要遠大于實際負載的電流與電壓，而且輸出驅(qū)動電路中仍要考慮增加阻容吸收組件。具體電路與參數(shù)請參考生產(chǎn)廠家有關(guān)手冊。,2開關(guān)量輸出接口當對生產(chǎn)過程進行控制時，一般應(yīng)對計算機送出的控制狀態(tài)進行保持，直到重新刷新為止，此時便需利用輸出接口對其進行鎖存（可用八D鎖存器74LS273），如圖所示。由圖可知，利用IOW的后沿產(chǎn)生的上升沿可以鎖存數(shù)據(jù)。經(jīng)過端口地址譯碼，得到片選信號CS，執(zhí)行OUT指令時，產(chǎn)生IOW信號，設(shè)片選端口地址為PROT，可用以下指令完成數(shù)據(jù)輸出控制。MOVAL，DATAMOVDX，PROTOUTDX，AL74LS273有8個通道，可輸出8個開關(guān)狀態(tài)，并可驅(qū)動8個輸出裝置。,4.4DI/DO模板,把上述數(shù)字量輸入通道或數(shù)字量輸出通道設(shè)計在一塊模板上,就稱為DI模板或DO模板，也可統(tǒng)稱為數(shù)字量I/O模板。圖4-14為含有DI通道和DO通道的PC總線數(shù)字量I/O模板的結(jié)構(gòu)框圖，由PC總線接口邏輯、I/O功能邏輯、I/O電氣接口等三部分組成。如圖4-14所示。,PC總線接口邏輯部分由8位數(shù)據(jù)總線緩沖器、基址譯碼器、輸入和輸出片址譯碼器組成。I/O功能邏輯部分只有簡單的輸入緩沖器和輸出鎖存器。其中，輸入緩沖器起著對外部輸入信號的緩沖、加強和選通作用；輸出鎖存器鎖存CPU輸出的數(shù)據(jù)或控制信號，供外部設(shè)備使用。I/O緩沖功能可以用可編程接口芯片如8255A構(gòu)成，也可以用74LS240、244、373、273等芯片實現(xiàn)。I/O電氣接口部分的功能主要是：電平轉(zhuǎn)換、濾波、保護、隔離、功率驅(qū)動等。各種數(shù)字量I/O模板的前兩部分大同小異，不同的主要在于I/O電氣接口部分，即輸入信號的調(diào)理和輸出信號的驅(qū)動，這是由生產(chǎn)過程的不同需求所決定的。,本章小結(jié),數(shù)字量輸入輸出通道也是計算機測控系統(tǒng)中的重要組成部分。本章首先介紹了當前計算機控制系統(tǒng)中最重要的硬件抗干擾技術(shù)光電耦合隔離技術(shù)，并著重分析光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理及其在數(shù)字信號中的隔離電路。介紹分析了數(shù)字量輸入通道中的3種典型電路：信號調(diào)理電路、脈沖計數(shù)電路與撥盤開關(guān)電路。還介紹分析了數(shù)字量輸出通道中的4種典型驅(qū)動電路：三極管驅(qū)動電路、繼電器驅(qū)動電路、晶閘管驅(qū)動電路與固態(tài)繼電器驅(qū)動電路。通過對各種輸入輸出通道接口電路的分析，可以看出，光電耦合隔離器的抗干擾作用是十分重要的。,習(xí)題與思考,1.畫圖分析說明三極管型光電耦合隔離器的工作原理。2.分析說明光耦隔離器的兩種特性及其隔離電磁干擾的作用機理。3.功率放大器件有哪些？。4.說明固態(tài)繼電器與普通繼電器的區(qū)別。5.簡述數(shù)字量I/O模板電路的結(jié)構(gòu)組成。,