第四章、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分類要點(diǎn)

第四章 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(dòng)電路 學(xué)習(xí)要點(diǎn) 本章主要內(nèi)容 引言4 1光電耦合隔離技術(shù)4 2數(shù)字量輸入通道4 3數(shù)字量輸出通道4 4DI DO模板本章小結(jié)思考題 在微機(jī)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(jìn)制的邏輯 1 和 0 或電平的高和低出現(xiàn)的 如開關(guān)觸點(diǎn)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(dá)的啟動(dòng)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(jì)數(shù)和定時(shí)等等 引言 4 1光電耦合隔離技術(shù) 主要知識點(diǎn) 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 鏈接動(dòng)畫 光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸入輸出特性 即存在著截止區(qū) 飽和區(qū)與線性區(qū)三部分 利用光耦隔離器的開關(guān)特性 即光敏三極管工作在截止區(qū) 飽和區(qū) 可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾 簡稱對數(shù)字信號進(jìn)行隔離 例如在數(shù)字量輸入輸出通道中 以及在模擬量輸入輸出通道中的A D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送 都可用光耦的這種開關(guān)特性對數(shù)字信號進(jìn)行隔離 例如在現(xiàn)場傳感器與A D轉(zhuǎn)換器或D A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送 可用光耦的這種線性區(qū)對模擬信號進(jìn)行隔離 光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點(diǎn) 模擬信號隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是使用少量的光耦 成本低 缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy 如果光耦挑選得不合適 會影響A D或D A轉(zhuǎn)換的精度和線性度 數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡單 不影響系統(tǒng)的精度和線性度 缺點(diǎn)是使用較多的光耦器件 成本較高 但因光耦越來越價(jià)廉 數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)勢凸現(xiàn)出來 因而在工程中使用的最多 要注意的是 用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的電源與驅(qū)動(dòng)光敏管的電源不應(yīng)是共地的同一個(gè)電源 必須分開單獨(dú)供電 才能有效避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾 另外 發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小 也可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾 因此 利用光耦隔離器可用來傳遞信號而有效地隔離電磁場的電干擾 為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的需求 目前已生產(chǎn)出各種集成的多路光耦隔離器 如TLP系列就是常用的一種 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(fù)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(gè)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(dāng)數(shù)據(jù)線為低電平 0 時(shí) 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(dāng)數(shù)據(jù)線為高電平 1 時(shí) 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 鏈接動(dòng)畫 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(gè)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(diǎn) 引言4 2 1開關(guān)輸入電路4 2 2脈沖計(jì)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(jī)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(diǎn) 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(hù) 反電壓保護(hù) 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(hù)是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護(hù) 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(hù)是串聯(lián)一個(gè)二極管防止反極性電壓輸入 5 光電隔離用光耦隔離器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部的完全電隔離 4 2 1開關(guān)輸入電路 典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路如圖 4 4 所示 點(diǎn)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(gè)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(hù) 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(jī)通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān) S 的狀態(tài) 比如 當(dāng)開關(guān) S 閉合時(shí) 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 鏈接動(dòng)畫 4 2 2脈沖計(jì)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(jì)一種定時(shí)計(jì)數(shù)輸入接口電路 即在一定的采樣時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)輸入的脈沖個(gè)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 鏈接動(dòng)畫 圖4 5為一種定時(shí)計(jì)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(jì)數(shù)通道1的CLK1口 8254是具有3個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道的可編程計(jì)數(shù)器 定時(shí)器 圖中 計(jì)數(shù)通道0工作于模式3 CLK0用于接收系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖 OUT0輸出一個(gè)周期為系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖N倍 N為通道0的計(jì)數(shù)初值 的連續(xù)方波脈沖 其高 低電平時(shí)段是計(jì)數(shù)通道1的采樣時(shí)間和采樣間隔時(shí)間 分別記為TS TW 計(jì)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(gè)計(jì)數(shù)長度為232的脈沖計(jì)數(shù)器 以對TS內(nèi)的輸入脈沖計(jì)數(shù) 如果獲得TS時(shí)間內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)為n 則單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)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(jī)的轉(zhuǎn)速值 比如 發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計(jì)或磁電式速度傳感器 它們的脈沖當(dāng)量 即一個(gè)脈沖相當(dāng)?shù)牧髁炕蜣D(zhuǎn)數(shù) 為K 則介質(zhì)的流量或電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)就為n TS K 4 3數(shù)字量輸出通道 主要知識點(diǎn) 引言4 3 1三極管驅(qū)動(dòng)電路4 3 2繼電器驅(qū)動(dòng)電路4 3 3晶閘管驅(qū)動(dòng)電路4 3 4固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號 根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷的不同 如指示燈 繼電器 接觸器 電機(jī) 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(dòng)輸出通道 常用的有三極管輸出驅(qū)動(dòng)電路 繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路 晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)電路 固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電路 1 普通三極管驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流只有十幾mA或幾十mA時(shí) 只要采用一個(gè)普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路 如圖4 6所示 鏈接動(dòng)畫 2 達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流需要達(dá)到幾百毫安時(shí) 如驅(qū)動(dòng)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(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)器是由多對兩個(gè)三極管組成的達(dá)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(hù)措施完善的特點(diǎn) 同時(shí)多對復(fù)合管也非常適用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷 圖4 7給出達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)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(dá)林頓復(fù)合管 每個(gè)復(fù)合管的集電極電流可達(dá)500mA 截止時(shí)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(fù)向過沖 圖4 8為達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)中的一路驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字 0 即低電平時(shí) 經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?使達(dá)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(dòng)負(fù)載線圈 而且利用復(fù)合管內(nèi)的保護(hù)二極管構(gòu)成了負(fù)荷線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢的泄流回路 鏈接動(dòng)畫 4 3 2繼電器驅(qū)動(dòng)電路 電磁繼電器主要由線圈 鐵心 銜鐵和觸點(diǎn)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(dòng)作 所以必須采取措施加以驅(qū)動(dòng) 繼電器的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(dòng)電路 當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di 輸出數(shù)字 1 即高電平時(shí) 經(jīng)7406反相驅(qū)動(dòng)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(dòng)合觸點(diǎn)閉合 從而驅(qū)動(dòng)大型負(fù)荷設(shè)備 由于繼電器線圈是電感性負(fù)載 當(dāng)電路突然關(guān)斷時(shí) 會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓 為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)器件 應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個(gè)阻尼二極管 為電感線圈提供一個(gè)電流泄放回路 鏈接動(dòng)畫 4 3 3晶閘管驅(qū)動(dòng)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(diǎn)等特點(diǎn) 在交直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)功系統(tǒng) 隨動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛 晶閘管是一個(gè)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(gè)極 當(dāng)陽 陰極之間加正壓時(shí) 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(shí) 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(dāng)于兩個(gè)單向晶閘管的反向并聯(lián) 但共享一個(gè)控制極 結(jié)構(gòu)如圖 b 所示 當(dāng)兩個(gè)電極T1 T2之間的電壓大于1 5V時(shí) 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?因此特別適用于交流大電流場合 鏈接動(dòng)畫 晶閘管常用于高電壓大電流的負(fù)載 不適宜與CPU直接相連 在實(shí)際使用時(shí)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(dòng)電路 當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di 輸出數(shù)字 1 時(shí) 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(dòng)大型交流負(fù)荷設(shè)備RL 4 3 4固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路 固態(tài)繼電器 SSR SolidStateRelay 是一種新型的無觸點(diǎn)開關(guān)的電子繼電器 它利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制回路與負(fù)載回路之間的電隔離和信號耦合 而且沒有任何可動(dòng)部件或觸點(diǎn) 卻能實(shí)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(jī)械噪聲 無抖動(dòng)和回跳 壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點(diǎn) 在計(jì)算機(jī)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 固態(tài)繼電器SSR是一個(gè)四端組件 有兩個(gè)輸入端 兩個(gè)輸出端 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于圖4 11中的晶閘管輸出驅(qū)動(dòng)電路 圖4 12所示為其結(jié)構(gòu)原理圖 共由五部分組成 光耦隔離電路的作用是在輸入與輸出之間起信號傳遞作用 同時(shí)使兩端在電氣上完全隔離 控制觸發(fā)電路是為后級提供一個(gè)觸發(fā)信號 使電子開關(guān) 三極管或晶閘管 能可靠地導(dǎo)通 電子開關(guān)電路用來接通或關(guān)斷直流或交流負(fù)載電源 吸收保護(hù)電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關(guān)電路產(chǎn)生干擾造成開關(guān)的誤動(dòng)作或損害 一般由RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和壓敏電阻組成 零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設(shè)置的 圖4 12SSR結(jié)構(gòu)原理及符號 SSR 的輸入端與晶體管 TTL CMOS 電路兼容 輸出端利用器件內(nèi)的電子開關(guān)來接通和斷開負(fù)載 工作時(shí)只要在輸入端施加一定的弱電信號 就可以控制輸出端大電流負(fù)載的通斷 SSR的輸出端可以是直流也可以是交流 分別稱為直流型 SSR 和交流型 SSR 直流型 SSR 內(nèi)部的開關(guān)組件為功率三極管 交流型 SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為雙向晶閘管 而交流型 SSR按控制觸發(fā)方式不同又可分為過零型和移相型兩種 其中應(yīng)用最廣泛的是過零型 過零型交流 SSR是指當(dāng)輸入端加入控制信號后 需等待負(fù)載電源電壓過零時(shí) SSR才為導(dǎo)通狀態(tài) 而斷開控制信號后 也要等待交流電壓過零時(shí) SSR才為斷開狀態(tài) 移相型交流 SSR的斷開條件同過零型交流 SSR 但其導(dǎo)通條件簡單 只要加入控制信號 不管負(fù)載電流相位如何 立即導(dǎo)通 直流型SSR的輸入控制信號與輸出完全同步 直流型 SSR 主要用于直流大功率控制 一般取輸入電壓為 4 32 V 輸入電流5 10 mA 它的輸出端為晶體管輸出 輸出工作電壓為 30 180V 交流型 SSR 主要用于交流大功率控制 一般取輸入電壓為4 32V 輸入電流小于 500 mA 它的輸出端為雙向晶閘管 一般額定電流在1A A范圍內(nèi) 電壓多為 380 V 或 220 V 圖 4 13 為一種常用的固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)數(shù)據(jù)線Di 輸出數(shù)字 0 時(shí) 經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?使NPN型三極管導(dǎo)通 SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負(fù)荷設(shè)備RL 鏈接動(dòng)畫 當(dāng)然 在實(shí)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(hù)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(shí) 一般要遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)載的電流與電壓 而且輸出驅(qū)動(dòng)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 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(jì)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 鏈接動(dòng)畫 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