第四章:數(shù)字量輸入輸出通道1、光電耦合隔離器的結構原理及其隔離電路；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動電路；學習要點本章主要內容

引言

4.1光電耦合隔離技術

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

思考題

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

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。圖4-1光電耦合隔離器的幾種類型它們的原理是相同的，即通過電～光～電這種信號轉換，利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的?，F(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構原理，如圖4-2所示。圖4-2光電耦合隔離器的結構原理鏈接動畫

★當發(fā)光二極管有正向電流通過時，即產(chǎn)生紅外光。

★光敏三極管接收光以后便導通。

★而當該電流撤去時，發(fā)光二極管熄滅，三極管截止。

利用這種特性即可達到開關控制的目的。

★輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電，如圖4-11所示、圖4-12所示。

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

⑴當數(shù)據(jù)線為低電平“0”時，發(fā)光管導通且發(fā)光，使得光敏管導通，輸出c端接地而獲得低電平“0”；

⑵當數(shù)據(jù)線為高電平“1”時，發(fā)光管截止且不發(fā)光，則光敏管截止，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。

即：輸入為低（高）輸出為低（高）；4.1.2光電耦合隔離電路

鏈接動畫

數(shù)字量反相傳遞如圖4-3（b）所示

⑴當數(shù)據(jù)線為低電平“0”時，發(fā)光管導通且發(fā)光，使得光敏管導通，輸出e端從電源處獲得高電平“1”。⑵當數(shù)據(jù)線為高電平“1”時，發(fā)光管截止不發(fā)光，則光敏管截止，使輸出e端接地而獲得低電平“0”；

如此，完成了數(shù)字信號的反相傳遞。即：輸入為低（高）輸出為高（低）；4.2數(shù)字量輸入通道主要知識點

引言

4.2.1開關輸入電路

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--是把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉換成計算機易于接受的形式。信號調理電路--雖然都是數(shù)字信號，不需進行A/D轉換，但對于通道中可能引入的各種干擾必須采取相應的技術措施，即在外部信號與單片機之間要設置輸入信號調理電路。

凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點、開關，其端子引出均統(tǒng)稱為開關信號。

在開關輸入電路中，主要是考慮信號調理技術，

（1）電平轉換—用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉換為電壓信號。

（2）RC濾波—用RC濾波器濾出高頻干擾。

（3）過電壓保護—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—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開關輸入電路

典型的開關量輸入信號調理電路如圖4-4所示。

點劃線右邊是由開關S與電源組成的外部電路。

（a）是直流輸入電路

開關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S的狀態(tài)。

⑴當開關S閉合時，輸入回路有電流流過，光耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導通，數(shù)據(jù)線上為低電平，即輸入信號為“0”對應外電路開關S的閉合；

⑵開關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”對應外電路開關S的斷開。鏈接動畫（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)。

4.2.2脈沖計數(shù)電路有些用于檢測流量、轉速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號，對于大量程可以設計一種定時計數(shù)輸入接口電路，即在一定的采樣時間內統(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。鏈接動畫

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，使兩者構成一個計數(shù)長度為232的脈沖計數(shù)器，以對TS內的輸入脈沖計數(shù)。

如果獲得TS時間內的輸入脈沖個數(shù)為n，則單位時間內的脈沖個數(shù)即脈沖頻率為n/TS，從而可換算出介質的流量或電機的轉速值。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數(shù))為K，則介質的流量或電機的轉數(shù)就為n/TS·K。4.3數(shù)字量輸出通道主要知識點

引言

4.3.1三極管驅動電路

4.3.2繼電器驅動電路

4.3.3晶閘管驅動電路

4.3.4固態(tài)繼電器驅動電路

引言

數(shù)字量輸出通道簡稱

DO通道。

任務－把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉換成能對生產(chǎn)過程進行控制的數(shù)字驅動信號。

常用電路－三極管輸出驅動電路、繼電器輸出驅動電路、晶閘管輸出驅動電路、固態(tài)繼電器輸出驅動電路等。

選擇－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成不同的開關量驅動輸出通道。

對于低壓情況下的小電流開關量，用功率三極管就可作開關驅動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。4.3.1三極管驅動電路1.普通三極管驅動電路

當驅動電流只有十幾mA或幾十mA時，只要采用一個普通的功率三極管就能構成驅動電路，如圖4-6所示。鏈接動畫2.達林頓驅動電路應用場合－當驅動電流需要達到幾百毫安時，比如驅動中功率繼電器、電磁開關等裝置， 輸出電路必須采取多級放大或提高三極 管增益的辦法。構成－－多對兩個三極管組成的達林頓復合管構成特點－－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，同時多對復合管 適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負荷。

達林頓陣列驅動器MC1416的結構以及每對復合管的內部結構，如圖4-7所示。

圖4-8為達林頓陣列驅動中的一路驅動電路，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?，使達林頓復合管導通，產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅動負載線圈，而且利用復合管內的保護二極管構成了負荷線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。鏈接動畫圖4-8為達林頓陣列驅動中的一路驅動電路

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?，使達林頓復合管導通，產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅動負載線圈，而且利用復合管內的保護二極管構成了負荷線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。圖4-10繼電器原理4.3.2繼電器驅動電路

繼電器是電氣控制中常用的控制器件，主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成。

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。

繼電器的驅動電路由于繼電器線圈需要一定的電流（必須要大于繼電器的吸合電流）才能動作，所以必須采取措施加以驅動。鏈接動畫圖4-9為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅動電路當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”即高電平時，經(jīng)7406反相驅動器變?yōu)榈碗娖?，光耦隔離器的發(fā)光二極管導通且發(fā)光，使光敏三極管導通，繼電器線圈KA得電，觸點閉合，從而驅動大型負荷設備。

由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅動器件，應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。

4.3.3晶閘管驅動電路

晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導體器件，具有用小功率控制大功率、開關無觸點等特點。

在交直流電機調速系統(tǒng)、調功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應用廣泛。晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖4-10所示。單向晶閘管雙向晶閘管圖4-10晶閘管的結構符號

（a）為單向晶閘管

有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。

⑴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，晶閘管由截止轉為導通；

⑵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，晶閘管才由導通變?yōu)榻刂埂?/p>

單向晶閘管具有單向導電功能，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。

（b）為雙向晶閘管

雙向晶閘管在結構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。

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)電流控制其導通。

雙向晶閘管具有雙向導通功能，因此特別適用于交流大電流場合。

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?，光耦二極管導通，使光敏晶閘管導通，導通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導通，從而驅動大型交流負荷設備RL。鏈接動畫4.3.4固態(tài)繼電器驅動電路固態(tài)繼電器SSR（SolidStateRelay）－－是一種新型的無觸點開關的電子繼電器，它利用電子技術實現(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。優(yōu)點－－體積小、開關速度快、無機械噪聲、無抖動和回 跳、壽命長。

固態(tài)繼電器SSR是一個四端組件，有兩個輸入端、兩個輸出端，其結構如圖4-12所示。圖4-12SSR結構原理及符號

共由五部分組成:

⑴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，同時使兩端在電氣上完全隔離；

⑵控制觸發(fā)電路是為后級提供一個觸發(fā)信號，使電子開關（三極管或晶閘管）能可靠地導通；

⑶電子開關電路用來接通或關斷直流或交流負載電源； ⑷吸收保護電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關電路產(chǎn)生干擾造成開關的誤動作或損害，一般由RC串聯(lián)網(wǎng)絡和壓敏電阻組成； ⑸零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設置的。圖4-13為一種常用的固態(tài)繼電器驅動電路

當數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“0”時，經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?，使NPN型三極管導通,SSR輸入端得電，則輸出端接通大型交流負荷設備RL。

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模板的結構框圖。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。鏈接動畫

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，供外部設備使用。I/O緩沖功能可以用可編程接口芯片如8255A構成，也可以用74LS240、244、373、273等芯片實現(xiàn)。