第5章開(kāi)關(guān)量輸出、輸入

第5章

過(guò)程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之六概述模擬量輸入通道D/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量輸出通道過(guò)程通道的抗干擾措施小結(jié)2.數(shù)字量輸出通道

數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)（或開(kāi)關(guān)信號(hào)）傳送給開(kāi)關(guān)器件（如繼電器或指示燈），控制它們的通、斷或亮、滅，簡(jiǎn)稱(chēng)DO通道。

圖7—4數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)數(shù)字量輸出通道主要由輸出接口電路和輸出驅(qū)動(dòng)電路等組成。DO接口電路5.3.2開(kāi)關(guān)量輸出通道與CPU的接口1)對(duì)于單片機(jī)，由于本身帶有具備鎖存功能的I/O口，因此可以直接利用其I/O口作為輸出，而無(wú)需另加接口電路。

2)采用通用集成可編程輸入輸出接口芯片。

3)采用通用邏輯芯片。2.4數(shù)字量輸入輸出通道2．輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路（1）低電壓開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出技術(shù)對(duì)于低電壓情況下開(kāi)關(guān)量控制輸出，可采用晶體管、OC門(mén)或運(yùn)放等方式輸出，如驅(qū)動(dòng)低壓電磁閥、指示燈、直流電機(jī)等，如圖2-80所示。圖2-80低壓開(kāi)關(guān)量輸出光耦合器（opticalcoupler，英文縮寫(xiě)為OC）亦稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線(xiàn)發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，受光器接受光線(xiàn)之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。2.4數(shù)字量輸入輸出通道需注意的是，在使用OC門(mén)時(shí)，由于其為集電極開(kāi)路輸出，在其輸出為“高”電平狀態(tài)時(shí)，實(shí)質(zhì)只是一種高阻狀態(tài)，必須外接上拉電阻，此時(shí)的輸出驅(qū)動(dòng)電流主要由Vc提供，只能直流驅(qū)動(dòng)并且OC門(mén)的驅(qū)動(dòng)電流一般不大，在幾十毫安量級(jí)。如果驅(qū)動(dòng)設(shè)備所需驅(qū)動(dòng)電流較大，則可采用三極管輸出方式，如圖2-81所示。圖2-81三極管輸出驅(qū)動(dòng)2.4數(shù)字量輸入輸出通道（2）繼電器輸出接口技術(shù)一般在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，往往利用繼電器作為控制系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)第一級(jí)繼電器輸出，可以完成從低壓直流到高壓交流的過(guò)渡。如圖2-82所示。圖2-82繼電器輸出電路2.4數(shù)字量輸入輸出通道繼電器輸出也可用于低壓場(chǎng)合，與晶體管等低壓輸出驅(qū)動(dòng)器相比，繼電器輸出時(shí)輸入端與輸出端有一定的隔離功能。但由于采用電磁吸合方式，在開(kāi)關(guān)瞬間，觸點(diǎn)容易產(chǎn)生火花從而引起干擾；對(duì)于交流高壓等場(chǎng)合使用，觸點(diǎn)也容易氧化；由于繼電器的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間可能會(huì)產(chǎn)生較大的電壓，因此在對(duì)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路上常常反接一個(gè)保護(hù)二極管用于反向放電。(3)交流電磁式接觸器的功率接口繼電器中切換電路能力較強(qiáng)的電磁式繼電器稱(chēng)為接觸器，接觸器的觸點(diǎn)數(shù)一般較多。圖5-12交流接觸器的接口電路交流電磁式接觸器由于線(xiàn)圈的工作電壓要求是交流電，所以通常使用雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)或使用一個(gè)直流繼電器作為中間繼電器控制。5.4開(kāi)關(guān)量輸入通道5.4.1開(kāi)關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式

5.4.2開(kāi)關(guān)量形式及變換

5.4.3整形與電平變換

5.4.4開(kāi)關(guān)量輸入通道與CPU的接口5.4.1開(kāi)關(guān)量輸入通道的結(jié)構(gòu)形式數(shù)字量輸入通道主要包括：(1)信號(hào)變換器將過(guò)程的非電量開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換為電壓或電流的雙值邏輯值。

(2)整形電路將混有毛刺之類(lèi)干擾的輸入雙值邏輯信號(hào)或前后沿不合要求的輸入信號(hào)整形為接近理想狀態(tài)的方波或矩形波，而后再根據(jù)系統(tǒng)要求變換為相應(yīng)形狀的脈沖信號(hào)。

(3)電平變換電路將輸入的雙值邏輯電平轉(zhuǎn)換為與CPU兼容的邏輯電平。

(4)總線(xiàn)緩沖區(qū)暫存數(shù)字量信息并實(shí)現(xiàn)與CPU數(shù)據(jù)總線(xiàn)的連接。

(5)接口邏輯電路協(xié)調(diào)通道的同步工作，向CPU傳遞狀態(tài)信息并控制開(kāi)關(guān)量到CPU的輸入。圖5-13開(kāi)關(guān)量輸入通道結(jié)構(gòu)框圖(1)控制系統(tǒng)自帶電源方式圖5-14自帶電源的開(kāi)關(guān)量變換電路

a)并聯(lián)方式b)串聯(lián)方式(2)外接電源方式它適合于開(kāi)關(guān)安裝在離控制設(shè)備較遠(yuǎn)位置的場(chǎng)合。圖5-15外接直流電源開(kāi)關(guān)量變換電路(3)恒流源方式這種方式用于抗干擾能力要求高、傳輸距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。電流一般取0～10mA，即觸點(diǎn)閉合時(shí)輸出電流為10mA，觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)輸出電流為0。(3)恒流源方式這種方式用于抗干擾能力要求高、傳輸距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。電流一般取0～10mA，即觸點(diǎn)閉合時(shí)輸出電流為10mA，觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)輸出電流為0。2.無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量圖5-16無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)變換電路

a)并聯(lián)方式b)串聯(lián)方式2.無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)量圖5-17開(kāi)關(guān)量取樣變換電路框圖3.非電量開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量)圖5-18非電量開(kāi)關(guān)量變換電路結(jié)構(gòu)圖5.4.3整形與電平變換1.波形整形

2.電平變換1.波形整形(1)觸點(diǎn)消抖在機(jī)械有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)中，當(dāng)觸點(diǎn)閉合或打開(kāi)時(shí)將產(chǎn)生抖動(dòng)，使得開(kāi)關(guān)量在動(dòng)作瞬間的狀態(tài)不穩(wěn)，若是工作在計(jì)數(shù)方式或作為中斷輸入，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，因此采用觸點(diǎn)消抖是必要的。

(2)脈沖定寬在許多控制系統(tǒng)中，有時(shí)要求在開(kāi)關(guān)量變化時(shí)提供一個(gè)脈沖寬度穩(wěn)定的脈沖，如上跳時(shí)產(chǎn)生脈沖、下跳時(shí)產(chǎn)生脈沖、上下跳變時(shí)都產(chǎn)生脈沖。

(3)消除毛刺由于受環(huán)境干擾的影響，傳輸?shù)拈_(kāi)關(guān)量信號(hào)將產(chǎn)生毛刺。(1)觸點(diǎn)消抖圖5-19觸點(diǎn)消抖電路(2)脈沖定寬

圖5-20開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生定寬脈沖電路(3)消除毛刺由于受環(huán)境干擾的影響，傳輸?shù)拈_(kāi)關(guān)量信號(hào)將產(chǎn)生毛刺。圖5-21采用比較器的整形電路2.電平變換圖5-22電平變換電路

a)光電隔離電平變換b)晶體管電平變換c)CMOS-TTL芯片電平變換5.4.4開(kāi)關(guān)量輸入通道與CPU的接口1.開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)接口電路

2.脈寬測(cè)量接口電路

3.脈沖計(jì)數(shù)接口電路1.開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)接口電路圖5-23采用74LS244的定時(shí)查詢(xún)方式接口電路2.脈寬測(cè)量接口電路圖5-248253的原理圖3.脈沖計(jì)數(shù)接口電路脈沖計(jì)數(shù)通常用來(lái)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，主要用于測(cè)頻率、測(cè)轉(zhuǎn)速或用于V/F方式的A/D轉(zhuǎn)換。脈沖計(jì)數(shù)可直接采用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來(lái)完成，也可采用8253實(shí)現(xiàn)。采用8253進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，被測(cè)信號(hào)連接到CLK上，而GATE則接入一個(gè)脈寬為采樣周期的方波信號(hào)，用它來(lái)控制計(jì)數(shù)時(shí)間。8253是16位減法計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器內(nèi)部都有一個(gè)控制單元，用于控制本計(jì)數(shù)器的工作方式，一個(gè)16位計(jì)數(shù)初值寄存器CR，分高8位和低8位，只能寫(xiě)入不能讀出，在計(jì)數(shù)過(guò)程中