數(shù)字量輸入輸出通道課件

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(hào)以外，還要處理另一類(lèi)數(shù)字信號(hào)，包括開(kāi)關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)。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(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的閉合和斷開(kāi)，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(mén)的打開(kāi)和關(guān)閉，儀器儀表的BCD碼，以及脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和定時(shí)等等。引言4.1.1光電耦合隔離器光電耦合隔離器按其輸出級(jí)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(guò)電光電這種信號(hào)轉(zhuǎn)換，利用光信號(hào)的傳送不受電磁場(chǎng)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(lèi)型現(xiàn)以最簡(jiǎn)單的三極管型光電耦合隔離器為例來(lái)說(shuō)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(huà)光電耦合隔離器的輸入輸出類(lèi)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(kāi)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(hào)而隔離電磁干擾，簡(jiǎn)稱對(duì)數(shù)字信號(hào)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(hào)的耦合傳送，都可用光耦的這種開(kāi)關(guān)特性對(duì)數(shù)字信號(hào)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(hào)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(huì)影響A/D或D/A轉(zhuǎn)換的精度和線性度。數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡(jiǎn)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(lái)越價(jià)廉，數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)勢(shì)凸現(xiàn)出來(lái)，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(kāi)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(lái)傳遞信號(hào)而有效地隔離電磁場(chǎng)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(hào)的隔離方法為例說(shuō)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(guò)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(hào)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(gè)正電源，而發(fā)射極e端通過(guò)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(hào)的反相傳遞。4.2數(shù)字量輸入通道主要知識(shí)點(diǎn)

引言

4.2.1開(kāi)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(guò)程中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)易于接受的形式。信號(hào)調(diào)理電路--雖然都是數(shù)字信號(hào)，不需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但對(duì)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(hào)與單片機(jī)之間要設(shè)置輸入信號(hào)調(diào)理電路。

典型的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路如圖4-4所示。點(diǎn)劃線右邊是由開(kāi)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(kāi)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(guò)執(zhí)行輸入指令便可讀取開(kāi)關(guān)S的狀態(tài)。比如,當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，輸入回路有電流流過(guò)，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(hào)為“0”對(duì)應(yīng)外電路開(kāi)關(guān)S的閉合；反之，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，光耦中的發(fā)光管無(wú)電流流過(guò)，光敏管截止，數(shù)據(jù)線上為高電平，即輸入信號(hào)為“1”對(duì)應(yīng)外電路開(kāi)關(guān)S的斷開(kāi)。鏈接動(dòng)畫(huà)

4.2.2脈沖計(jì)數(shù)電路有些用于檢測(cè)流量、轉(zhuǎn)速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號(hào)，對(duì)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(cè)的物理量。

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(hào)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)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T(mén)S、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(zhǎng)度為232的脈沖計(jì)數(shù)器，以對(duì)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(hào)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(shí)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(jiǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機(jī)、閥門(mén)等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的開(kāi)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。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(huà)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(kāi)關(guān)等裝置，輸出電路必須采取多級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MC1416內(nèi)含7對(duì)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(guò)沖，D1、D3可抑制低電平上的負(fù)向過(guò)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)楦唠娖剑惯_(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(shì)的泄流回路。鏈接動(dòng)畫(huà)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(jiǎn)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(lèi)型。繼電器方式的開(kāi)關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過(guò)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(lèi)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(huì)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(huà)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(kāi)關(guān)無(wú)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(hào)表示如圖4-10所示，（a）為單向晶閘管，有陽(yáng)極A、陰極K、控制極（門(mén)極）G三個(gè)極。當(dāng)陽(yáng)、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(yáng)、陰極間施加反向電壓或陽(yáng)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(chǎng)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(hào)

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(chǎng)合。鏈接動(dòng)畫(huà)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SSRSolidStateRelay是一種新型的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)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(hào)耦合，而且沒(méi)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(kāi)關(guān)速度快、無(wú)機(jī)械噪聲、無(wú)抖動(dòng)和回跳、壽命長(zhǎng)等傳統(tǒng)繼電器無(wú)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(shì)。

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(lèi)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(hào)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(jí)提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使電子開(kāi)關(guān)（三極管或晶閘管）能可靠地導(dǎo)通；電子開(kāi)關(guān)電路用來(lái)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(duì)開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生干擾造成開(kāi)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(cè)電路是為交流型SSR過(guò)零觸發(fā)而設(shè)置的。圖4-12SSR結(jié)構(gòu)原理及符號(hào)

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(kāi)關(guān)來(lái)接通和斷開(kāi)負(fù)載。工作時(shí)只要在輸入端施加一定的弱電信號(hào)，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(kāi)關(guān)組件為功率三極管，交流型SSR內(nèi)部的開(kāi)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(guò)零型和移相型兩種，其中應(yīng)用最廣泛的是過(guò)零型。

過(guò)零型交流SSR是指當(dāng)輸入端加入控制信號(hào)后，需等待負(fù)載電源電壓過(guò)零時(shí)，SSR才為導(dǎo)通狀態(tài)；而斷開(kāi)控制信號(hào)后，也要等待交流電壓過(guò)零時(shí)，SSR才為斷開(kāi)狀態(tài)。移相型交流SSR的斷開(kāi)條件同過(guò)零型交流SSR，但其導(dǎo)通條件簡(jiǎn)單，只要加入控制信號(hào)，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(hào)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432V，輸入電流510mA。它的輸出端為晶體管輸出，輸出工作電壓為30180V。

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500mA。它的輸出端為雙向晶閘管，一般額定電流在1AA范圍內(nèi)，電壓多為380V或220V。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)楦唠娖剑筃PN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(huà)

當(dāng)然，在實(shí)際使用中，要特別注意固態(tài)繼電器的過(guò)電流與過(guò)電壓保護(hù)以及浪涌電流的承受等工程問(wèn)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(qǐng)參考生產(chǎn)廠家有關(guān)手冊(cè)。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(huà)

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(jiǎn)單的輸入緩沖器和輸出鎖存器。其中，輸入緩沖器起著對(duì)外部輸入信號(hào)的緩沖、加強(qiáng)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(hào)，供外部設(shè)備使用。I/O緩沖功能可以用可編程接口芯