第3章 數(shù)字量輸入輸出通道

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以外，還要處理另一類數(shù)字信號，包括開關(guān)信號、脈沖信號。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。如開關(guān)觸點(diǎn)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(dá)的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關(guān)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(shù)

主要知識點(diǎn)

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(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?，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(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)原理鏈接動畫

★當(dāng)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(dǎo)通。

★而當(dāng)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(dá)到開關(guān)控制的目的。

★輸入、輸出端兩個電源必須單獨(dú)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(dāng)數(shù)據(jù)線為低電平“0”時，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”；

⑵當(dāng)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(dāng)數(shù)據(jù)線為低電平“0”時，發(fā)光管導(dǎo)通且發(fā)光，使得光敏管導(dǎo)通，輸出e端從電源處獲得高電平“1”。⑵當(dāng)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(diǎn)

引言

4.2.1開關(guān)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(wù)--是把生產(chǎn)過程中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)易于接受的形式。信號調(diào)理電路--雖然都是數(shù)字信號，不需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但對于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，即在外部信號與單片機(jī)之間要設(shè)置輸入信號調(diào)理電路。

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

在開關(guān)輸入電路中，主要是考慮信號調(diào)理技術(shù)，

（1）電平轉(zhuǎn)換—用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉(zhuǎn)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(hù)—用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護(hù)；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(hù)—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(shí)現(xiàn)計算機(jī)與外部的完全電隔離。4.2.1開關(guān)輸入電路

典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路如圖4-4所示。

點(diǎn)劃線右邊是由開關(guān)S與電源組成的外部電路。

（a）是直流輸入電路

開關(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)通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān)S的狀態(tài)。

⑴當(dāng)開關(guān)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(dǎo)通，數(shù)據(jù)線上為低電平，即輸入信號為“0”對應(yīng)外電路開關(guān)S的閉合；

⑵開關(guān)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(yīng)外電路開關(guān)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(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)計一種定時計數(shù)輸入接口電路，即在一定的采樣時間內(nèi)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(diào)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(gòu)成一個計數(shù)長度為232的脈沖計數(shù)器，以對TS內(nèi)的輸入脈沖計數(shù)。

如果獲得TS時間內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)為n，則單位時間內(nèi)的脈沖個數(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)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器，它們的脈沖當(dāng)量(即一個脈沖相當(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點(diǎn)

引言

4.3.1三極管驅(qū)動電路

4.3.2繼電器驅(qū)動電路

4.3.3晶閘管驅(qū)動電路

4.3.4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。

任務(wù)－把計算機(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。

常用電路－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。

選擇－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。

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。4.3.1三極管驅(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，只要采用一個普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動電路，如圖4-6所示。鏈接動畫2.達(dá)林頓驅(qū)動電路應(yīng)用場合－當(dāng)驅(qū)動電流需要達(dá)到幾百毫安時，比如驅(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。構(gòu)成－－多對兩個三極管組成的達(dá)林頓復(fù)合管構(gòu)成特點(diǎn)－－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)，同時多對復(fù)合管 適用于計算機(jī)控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷。

達(dá)林頓陣列驅(qū)動器MC1416的結(jié)構(gòu)以及每對復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖4-7所示。

圖4-8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，經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?，使達(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)荷線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。鏈接動畫圖4-8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，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(qū)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(diǎn)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(qū)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(qū)動。鏈接動畫圖4-9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，經(jīng)7406反相驅(qū)動器變?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，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，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(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(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhuǎn)為導(dǎo)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(dǎo)通變?yōu)榻刂埂?/p>

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。

（b）為雙向晶閘管

雙向晶閘管在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但共享一個控制極。

當(dāng)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(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)動電路

當(dāng)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(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。鏈接動畫4.3.4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。優(yōu)點(diǎn)－－體積小、開關(guān)速度快、無機(jī)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(jié)構(gòu)如圖4-12所示。圖4-12SSR結(jié)構(gòu)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(guān)（三極管或晶閘管）能可靠地導(dǎo)通；

⑶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； ⑷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； ⑸零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設(shè)置的。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，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。

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，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。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。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(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)。