第05章數(shù)字量輸入輸出通道

第五章: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)動電路；學(xué)習(xí)要點(diǎn)*本章主要內(nèi)容

引言

5.1數(shù)字量輸入通道

5.2數(shù)字量輸出通道

5.3DI/DO模板

本章小結(jié)

思考題

*5.1數(shù)字量輸入通道主要知識點(diǎn)

引言

5.1.1開關(guān)輸入電路

5.1.2

脈沖計(jì)數(shù)電路

5.1.3光電耦合隔離接口電路*4數(shù)字輸入通道：對于生產(chǎn)過程經(jīng)常需要處理一些開關(guān)量：閥門的打開與關(guān)閉、燈的亮與滅、繼電器的吸合與釋放、馬達(dá)的啟動與停止。這些信號的共同特點(diǎn)是都可以用“開”“閉”，“通”“斷”

“1”、“0”來表示這兩種狀態(tài)。如何將“開”“閉”、“通”“斷”轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的“1”“0”信號呢？引言5信號調(diào)理：將現(xiàn)場的觸點(diǎn)狀態(tài)信號，通過濾波、保護(hù)，隔離，消除抖動→計(jì)算機(jī)能接收的邏輯信號(邏輯電平)。作用：將開關(guān)量轉(zhuǎn)換成邏輯電平。R1R2C+5VK常用的調(diào)理電路：（1）小功率輸入調(diào)理：5.1.1開關(guān)輸入電路

6（2）大功率輸入調(diào)理：-+S2D到輸入緩沖器CCV+2R1R1C1D3R光耦S2D到輸入緩沖器CCV+2R1R1C1D3R光耦圖5-2開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路C2R3(a)直流輸入電路(b)交流輸入電路鏈接動畫

5.1.2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。*8圖5-3脈沖計(jì)數(shù)輸入電路+12VCCV8253/8254CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1CLK2OUT2GATE0GATE2系統(tǒng)時(shí)鐘TSTWCRCEOL+5V計(jì)數(shù)通道1PC總線RCR光耦Dz5.1.3光電耦合隔離電路1、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5-4光電耦合隔離器的幾種類型*鏈接動畫現(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5-5光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理*

要注意的是，用于驅(qū)動發(fā)光管的電源與驅(qū)動光敏管的電源不應(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。*鏈接動畫*圖5-5光電耦合隔離電路下面以控制系統(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5-5所示。5.1.3光電耦合隔離電路

5.2數(shù)字量輸出通道主要知識點(diǎn)引言

5.2.1三極管驅(qū)動電路

5.2.2繼電器驅(qū)動電路

5.2.3晶閘管驅(qū)動電路

5.2.4固態(tài)繼電器驅(qū)動電路

*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)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。*

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)動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。5.2.1三極管驅(qū)動電路*1.普通三極管驅(qū)動電路

當(dāng)驅(qū)動電流只有十幾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)動電路，如圖5-6所示。*5-6小功率三極管輸出電路2.達(dá)林頓驅(qū)動電路

當(dāng)驅(qū)動電流需要達(dá)到幾百毫安時(shí)，如驅(qū)動中功率繼電器、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5-7給出達(dá)林頓陣列驅(qū)動器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。**5-7MC1416達(dá)林頓陣列驅(qū)動器

圖5-8為達(dá)林頓陣列驅(qū)動中的一路驅(qū)動電路，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)生的反向電動勢的泄流回路。*鏈接動畫*5-8達(dá)林頓陣列驅(qū)動電路之一路5.3.2繼電器驅(qū)動電路

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5-10繼電器原理*

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(qū)動。

繼電器的驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的設(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5-9為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動電路，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)動器變?yōu)榈碗娖剑怦罡綦x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，動合觸點(diǎn)閉合，從而驅(qū)動大型負(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。*鏈接動畫*5-9繼電器輸出驅(qū)動電路5.3.3晶閘管驅(qū)動電路

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5-10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。*

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。*

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5-11為經(jīng)光耦隔離的雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路，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)動大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。*單向晶閘管雙向晶閘管圖5-10晶閘管的結(jié)構(gòu)符號*鏈接動畫*圖5-11雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路5.3.4固態(tài)繼電器驅(qū)動電路

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5-11中的晶閘管輸出驅(qū)動電路。圖5-12所示為其結(jié)構(gòu)原理圖，共由五部分組成。*圖5-12SSR結(jié)構(gòu)原理及符號圖5-12SSR結(jié)構(gòu)原理及符號*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。

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。

*鏈接動畫*圖5-13

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。*5.3

DI/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5-14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5-14所示。*鏈接動畫*圖5-14

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

I/O電氣接口部分的功能主要是：電平轉(zhuǎn)換、濾波、保護(hù)、隔離、功率驅(qū)動等。

各種數(shù)字量I/O模板的前兩部分大同小異，不同的主要在于I/O電氣接口部分，即輸入信號的調(diào)理和輸出信號的驅(qū)動，這是由生產(chǎn)過程的不同需求所決定的。*44輸入指令（IN：將外設(shè)數(shù)據(jù)傳送給CPU內(nèi)的AL/AX）INAL,i8 ;字節(jié)輸入INAL,DX ;字節(jié)輸入INAX,i8 ;字輸入INAX,DX ;字輸入輸出指令（OUT：將CPU內(nèi)的AL/AX數(shù)據(jù)傳送給外設(shè)）OUTi8,AL ;字節(jié)輸出OUTDX,AL ;字節(jié)輸出OUTi8,AX ;字輸出OUTDX,AX ;字輸出

C語言指令：inportb(inport)、outportb(outport)。

VC++指令：_inp(_inpw)、_outp(_outpw)。451

PortReadByte;語法 ：BOOLPortReadByte(DWORDaddress,BYTE*pdata);功能描述：讀該板卡某個(gè)的IO端口值。參數(shù)：address：指明要讀的IO端口地址pdata：該函數(shù)執(zhí)行完后，address所指明的端口值被填入該地址返回值：如果讀成功，則返回True，否則返回False

PortWriteByte;語法 ：BOOLPortWriteByte(DWORDaddress,BYTEdata);功能描述：將給定值寫入該板卡所指明的IO端口。參數(shù)：address：指明要寫的硬件IO端口地址data： 該函數(shù)執(zhí)行完后，data將被寫入address所指明的IO端口返回值：如果讀成功，則返回True，否則返回False備注：應(yīng)用程序使用該函數(shù)前必須先調(diào)用Startup。46

例：讀取CMOS信息。main(){shortinti,j;unsignedcharc_CmosMessage[64];for(i=0;i<=63;i++){j=i|0x80outportb(0x70,j);c_CmosMessage[i]=inportb(0x71);}printf("CMOS信息讀取完畢。\n");}；功能：讀取CMOS信息；調(diào)用：AL=C