第四章、計算機控制系統(tǒng)分類要點

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 它們的原理是相同的 即都是通過電 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 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 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轉換器與CPU或CPU與D A轉換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送 都可用光耦的這種開關特性對數(shù)字信號進行隔離 例如在現(xiàn)場傳感器與A D轉換器或D A轉換器與現(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)對模擬信號進行隔離 光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點 模擬信號隔離方法的優(yōu)點是使用少量的光耦 成本低 缺點是調試困難 如果光耦挑選得不合適 會影響A D或D A轉換的精度和線性度 數(shù)字信號隔離方法的優(yōu)點是調試簡單 不影響系統(tǒng)的精度和線性度 缺點是使用較多的光耦器件 成本較高 但因光耦越來越價廉 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 用于驅動發(fā)光管的電源與驅動光敏管的電源不應是共地的同一個電源 必須分開單獨供電 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)光二極管的動態(tài)電阻很小 也可以抑制系統(tǒng)內外的噪聲干擾 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 為了適應計算機控制系統(tǒng)的需求 目前已生產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 輸入負端接到與數(shù)據總線相連的數(shù)據緩沖器上 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 當數(shù)據線為高電平 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 鏈接動畫 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 如電平轉換 RC濾波 過電壓保護 反電壓保護 光電隔離等 1 電平轉換是用電阻分壓法把現(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 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 S 的狀態(tài)經 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) 比如 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)據線上為低電平 即輸入信號為 0 對應外電路開關 S 的閉合 反之 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 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 它的任務是把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉換成能對生產過程進行控制的數(shù)字驅動信號 根據現(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 常用的有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 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 當驅動電流需要達到幾百毫安時 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 達林頓陣列驅動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復合管構成 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給出達林頓陣列驅動器MC1416的結構圖與每對復合管的內部結構 MC1416內含7對達林頓復合管 每個復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為達林頓陣列驅動中的一路驅動電路 當CPU數(shù)據線Di輸出數(shù)字 0 即低電平時 經7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?使達林頓復合管導通 產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生的反向電動勢的泄流回路 鏈接動畫 4 3 2繼電器驅動電路 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 大電流設備 圖4 10繼電器原理 繼電器驅動電路的設計要根據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動 繼電器的驅動電路驅動電路的設計要根據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為經光耦隔離器的繼電器輸出驅動電路 當CPU數(shù)據線Di 輸出數(shù)字 1 即高電平時 經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 動合觸點閉合 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 鏈接動畫 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 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 晶閘管由截止轉為導通 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 晶閘管才由導通變?yōu)榻刂?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 單向晶閘管 雙向晶閘管 圖4 10晶閘管的結構符號 雙向晶閘管也叫三端雙向可控硅 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 結構如圖 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 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為經光耦隔離的雙向晶閘管輸出驅動電路 當CPU數(shù)據線Di 輸出數(shù)字 1 時 經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 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 故稱為固態(tài)繼電器 它具有體積小 開關速度快 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)中得到廣泛的應用 大有取代電磁繼電器之勢 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 其內部結構類似于圖4 11中的晶閘管輸出驅動電路 圖4 12所示為其結構原理圖 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觸發(fā)信號 使電子開關 三極管或晶閘管 能可靠地導通 電子開關電路用來接通或關斷直流或交流負載電源 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生干擾造成開關的誤動作或損害 一般由RC串聯(lián)網絡和壓敏電阻組成 零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設置的 圖4 12SSR結構原理及符號 SSR 的輸入端與晶體管 TTL CMOS 電路兼容 輸出端利用器件內的電子開關來接通和斷開負載 工作時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 內部的開關組件為功率三極管 交流型 SSR內部的開關組件為雙向晶閘管 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 其中應用最廣泛的是過零型 過零型交流 SSR是指當輸入端加入控制信號后 需等待負載電源電壓過零時 SSR才為導通狀態(tài) 而斷開控制信號后 也要等待交流電壓過零時 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 但其導通條件簡單 只要加入控制信號 不管負載電流相位如何 立即導通 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 電壓多為 380 V 或 220 V 圖 4 13 為一種常用的固態(tài)繼電器驅動電路 當數(shù)據線Di 輸出數(shù)字 0 時 經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 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 如圖4 14所示 鏈接動畫 PC總線接口邏輯部分由8位數(shù)據總線緩沖器 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