开关量输出器件优秀课件.ppt
开关量输出器件第1页，本讲稿共24页1 1、模拟量输出信号、模拟量输出信号（1 1）直流电流信号）直流电流信号（适合远距离传输）（适合远距离传输）（2 2）直流电压信号）直流电压信号（适合近距离传输）（适合近距离传输）2 2、开关量输出信号、开关量输出信号3 3、数字量输出信号、数字量输出信号一、智能仪器输出通道信号种类一、智能仪器输出通道信号种类第2页，本讲稿共24页 1 1、模拟量输出信号、模拟量输出信号（1 1）直流电流信号）直流电流信号（适合远距离传输）（适合远距离传输）电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号损失。损失。（2 2）直流电压信号）直流电压信号（适合近距离传输）（适合近距离传输）当智能仪器的输出模拟信号需要传输给多个其他当智能仪器的输出模拟信号需要传输给多个其他仪器仪表时，一般采用直流电压信号仪器仪表时，一般采用直流电压信号。第3页，本讲稿共24页2 2、开关量输出信号、开关量输出信号智能仪器的开关量输出信号具有下列用处：智能仪器的开关量输出信号具有下列用处：（1）越限报警）越限报警（2）开关量控制）开关量控制用于控制的开关信号的电气接口形式又分为无源和有源两类。用于控制的开关信号的电气接口形式又分为无源和有源两类。无源是指智能仪器只提供输出电路的通、断状态，负载电源由外电路提无源是指智能仪器只提供输出电路的通、断状态，负载电源由外电路提供。供。有源的开关量输出信号往往表示为电平的高低或电流的有无，由有源的开关量输出信号往往表示为电平的高低或电流的有无，由智能仪器为负载提供全部或部分电源。智能仪器为负载提供全部或部分电源。（3）反映智能仪器本身的工作状态）反映智能仪器本身的工作状态 第4页，本讲稿共24页3 3、数字量输出信号、数字量输出信号数字量输出信号分为数字量输出信号分为串行串行和和并行并行两种。两种。串行用于较远距离的数据传输和信息交换，串行用于较远距离的数据传输和信息交换，例如智能仪器与上位机之间通信多位串行。例如智能仪器与上位机之间通信多位串行。并行方式传输速度快，但所需导线条数多，并行方式传输速度快，但所需导线条数多，只适合于近距离传输，例如智能仪器与周围只适合于近距离传输，例如智能仪器与周围的其他智能设备之间。的其他智能设备之间。第5页，本讲稿共24页二、开关量输出隔离的一般结构二、开关量输出隔离的一般结构地址译码电路用于产生开关量输出口地址的锁存命令信地址译码电路用于产生开关量输出口地址的锁存命令信地址译码电路用于产生开关量输出口地址的锁存命令信地址译码电路用于产生开关量输出口地址的锁存命令信号，锁存器用于锁存多位开关量信号，它可以使用普通号，锁存器用于锁存多位开关量信号，它可以使用普通号，锁存器用于锁存多位开关量信号，它可以使用普通号，锁存器用于锁存多位开关量信号，它可以使用普通锁存器（如锁存器（如锁存器（如锁存器（如74LS27374LS27374LS27374LS273等），也可以使用可编程等），也可以使用可编程等），也可以使用可编程等），也可以使用可编程IOIOIOIO芯片芯片芯片芯片（8255825582558255等）。锁存器输出的开关信号往往需要经过隔离等）。锁存器输出的开关信号往往需要经过隔离等）。锁存器输出的开关信号往往需要经过隔离等）。锁存器输出的开关信号往往需要经过隔离和驱动才能与执行机构相连接。和驱动才能与执行机构相连接。和驱动才能与执行机构相连接。和驱动才能与执行机构相连接。第6页，本讲稿共24页开关量输出隔离的目的：开关量输出隔离的目的：在于隔断微机与执行机构之间的电气联系，在于隔断微机与执行机构之间的电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执行机构的误动作，甚至导致智能仪器本身执行机构的误动作，甚至导致智能仪器本身的损坏。的损坏。目前，目前，光电耦合器件光电耦合器件和和继电器继电器常用作开关量常用作开关量输出隔离器件。输出隔离器件。三、开关量输出隔离器件三、开关量输出隔离器件第7页，本讲稿共24页1 1、光电耦合器件（、光电耦合器件（optical coupler-OC）光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路第8页，本讲稿共24页（1 1）、光电耦合器件的类型）、光电耦合器件的类型(a)(a)通用型通用型通用型通用型(无基极引线无基极引线无基极引线无基极引线)；(b)(b)通用型通用型通用型通用型(有基极引线有基极引线有基极引线有基极引线)；(c)(c)达林顿型；达林顿型；达林顿型；达林顿型；(d)(d)高速型；高速型；高速型；高速型；(e)(e)光集成电路；光集成电路；光集成电路；光集成电路；(f)(f)光纤型；光纤型；光纤型；光纤型；(g)光敏晶闸管型；光敏晶闸管型；(h)光敏场效应管型。光敏场效应管型。第9页，本讲稿共24页（2 2）、光电耦合器件的特点）、光电耦合器件的特点 输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于1010101010101010 ，耐压一般可，耐压一般可，耐压一般可，耐压一般可超过超过超过超过1kV1kV1kV1kV，有的甚至可以达到，有的甚至可以达到，有的甚至可以达到，有的甚至可以达到10kV10kV10kV10kV以上。以上。以上。以上。由于由于由于由于“光光光光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。音。音。音。响应速度快，易与响应速度快，易与响应速度快，易与响应速度快，易与TTLTTLTTLTTL电路配合使用。光电耦合器件的时间常数通常在电路配合使用。光电耦合器件的时间常数通常在电路配合使用。光电耦合器件的时间常数通常在电路配合使用。光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。微秒甚至毫微秒极。微秒甚至毫微秒极。微秒甚至毫微秒极。无触点、寿命长、体积小、耐冲击。无触点、寿命长、体积小、耐冲击。无触点、寿命长、体积小、耐冲击。无触点、寿命长、体积小、耐冲击。第10页，本讲稿共24页所以光电耦合器件兼有所以光电耦合器件兼有反相及电平转换反相及电平转换的作用。的作用。R1为为限流电阻，其阻值决定了发光二极管的导通电流限流电阻，其阻值决定了发光二极管的导通电流I1，I1一般选为数毫安。一般选为数毫安。R2的取值要保证的取值要保证Vo输出的高、低输出的高、低电平要求。电平要求。（3 3）、工作原理）、工作原理当当Vi为低电平时，流过发光二极管的电为低电平时，流过发光二极管的电流为零，光敏三极管截止，流为零，光敏三极管截止，Vo输出高输出高电平电平+V。当。当Vi为高电平时，电流为高电平时，电流I1经经R1流经发光二极管使其发光，光信号流经发光二极管使其发光，光信号作用于光敏三极管使其饱和导通，作用于光敏三极管使其饱和导通，Vo输出为低电平。输出为低电平。第11页，本讲稿共24页（4 4）、常用的光电隔离电路）、常用的光电隔离电路光电隔离可直接用门电路去光电隔离可直接用门电路去光电隔离可直接用门电路去光电隔离可直接用门电路去驱动，由于一般的门电路驱驱动，由于一般的门电路驱驱动，由于一般的门电路驱驱动，由于一般的门电路驱动能力有限，常用集电极开动能力有限，常用集电极开动能力有限，常用集电极开动能力有限，常用集电极开路的门电路如路的门电路如路的门电路如路的门电路如74067406等去驱动，等去驱动，等去驱动，等去驱动，如左图所示。如左图所示。如左图所示。如左图所示。当输出控制电平当输出控制电平当输出控制电平当输出控制电平PC0PC0为低电平时，为低电平时，为低电平时，为低电平时，74067406输出高电平，输出高电平，输出高电平，输出高电平，发光二极管截止，光电隔离处于截止状态，发光二极管截止，光电隔离处于截止状态，发光二极管截止，光电隔离处于截止状态，发光二极管截止，光电隔离处于截止状态，V VOO输出高电输出高电输出高电输出高电平，而当输出控制电平为高电平时，平，而当输出控制电平为高电平时，平，而当输出控制电平为高电平时，平，而当输出控制电平为高电平时，74067406输出低电平，发输出低电平，发输出低电平，发输出低电平，发光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，V VOO输出低电平。输出低电平。输出低电平。输出低电平。第12页，本讲稿共24页 电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件制器件制器件制器件。（1 1 1 1）、电磁继电器的结构和工作原理）、电磁继电器的结构和工作原理）、电磁继电器的结构和工作原理）、电磁继电器的结构和工作原理2 2、继电器隔离电路、继电器隔离电路当它的电磁铁线圈通过一定数值当它的电磁铁线圈通过一定数值当它的电磁铁线圈通过一定数值当它的电磁铁线圈通过一定数值的电流时，产生的电磁吸力大于的电流时，产生的电磁吸力大于的电流时，产生的电磁吸力大于的电流时，产生的电磁吸力大于弹簧的反作用力，衔铁动作使输弹簧的反作用力，衔铁动作使输弹簧的反作用力，衔铁动作使输弹簧的反作用力，衔铁动作使输出回路中的常开触点闭合，常闭出回路中的常开触点闭合，常闭出回路中的常开触点闭合，常闭出回路中的常开触点闭合，常闭触点打开。当通过线圈的电流小触点打开。当通过线圈的电流小触点打开。当通过线圈的电流小触点打开。当通过线圈的电流小于释放电流时，弹簧将衔铁弹回，于释放电流时，弹簧将衔铁弹回，于释放电流时，弹簧将衔铁弹回，于释放电流时，弹簧将衔铁弹回，输出回路各触点恢复原态。输出回路各触点恢复原态。输出回路各触点恢复原态。输出回路各触点恢复原态。应用应用应用应用时只要把需要控制的电路接到触时只要把需要控制的电路接到触时只要把需要控制的电路接到触时只要把需要控制的电路接到触点上，就可利用继电器达到控制点上，就可利用继电器达到控制点上，就可利用继电器达到控制点上，就可利用继电器达到控制的目的。的目的。的目的。的目的。电磁铁继电器结构图电磁铁继电器结构图第13页，本讲稿共24页额定工作电压或额定工作电流：额定工作电压或额定工作电流：指继电器工作时线圈指继电器工作时线圈需要的电压或电流。电磁式继电器的驱动电源可能是需要的电压或电流。电磁式继电器的驱动电源可能是交流的，也可能是直流的。为了适应不同电压的电路交流的，也可能是直流的。为了适应不同电压的电路应用，一种型号的继电器通常有多种额定工作电压或应用，一种型号的继电器通常有多种额定工作电压或额定工作电流，并用规格型号加以区别。额定工作电流，并用规格型号加以区别。直流电阻：直流电阻：指线圈的直流电阻。指线圈的直流电阻。吸合电流：吸合电流：它是指继电器能够产生吸合动作的最小电它是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在实际使用中，要使继电器可靠吸合，给定电压流。在实际使用中，要使继电器可靠吸合，给定电压可以等于或略高于额定工作电压。一般不要大于额定可以等于或略高于额定工作电压。一般不要大于额定工作电压的工作电压的1.5倍。否则会烧毁线圈。倍。否则会烧毁线圈。（2 2 2 2）、电磁继电器的特性参数）、电磁继电器的特性参数）、电磁继电器的特性参数）、电磁继电器的特性参数第14页，本讲稿共24页释放电流：释放电流：它是指继电器产生释放动作的最大它是指继电器产生释放动作的最大电流。释放电流比吸合电流小得多。电流。释放电流比吸合电流小得多。触点负荷：触点负荷：它是指继电器触点允许的电压或电它是指继电器触点允许的电压或电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小。应用时不能用触点负荷小的继电器去控制小。应用时不能用触点负荷小的继电器去控制大电流或高电压。大电流或高电压。第15页，本讲稿共24页a)、继电器触点保护电路、继电器触点保护电路 当输出回路包含有当输出回路包含有当输出回路包含有当输出回路包含有感性负载感性负载感性负载感性负载而且导通电流较大时，在触点断而且导通电流较大时，在触点断而且导通电流较大时，在触点断而且导通电流较大时，在触点断开的瞬间有可能在触点间造成开的瞬间有可能在触点间造成开的瞬间有可能在触点间造成开的瞬间有可能在触点间造成高压电弧高压电弧高压电弧高压电弧，以至于烧坏触点或，以至于烧坏触点或，以至于烧坏触点或，以至于烧坏触点或降低触点寿命。为了防止这种情况发生：降低触点寿命。为了防止这种情况发生：降低触点寿命。为了防止这种情况发生：降低触点寿命。为了防止这种情况发生：负载电源是直流的，可以在触点间并联续流二极管负载电源是直流的，可以在触点间并联续流二极管负载电源是直流的，可以在触点间并联续流二极管负载电源是直流的，可以在触点间并联续流二极管 ；负载电源是交流的，可以在触点间并联压敏电阻负载电源是交流的，可以在触点间并联压敏电阻负载电源是交流的，可以在触点间并联压敏电阻负载电源是交流的，可以在触点间并联压敏电阻 ；负载电源是交流的，可以在触点间并联阻容电路负载电源是交流的，可以在触点间并联阻容电路负载电源是交流的，可以在触点间并联阻容电路负载电源是交流的，可以在触点间并联阻容电路 。（3 3）、常用的继电器保护电路）、常用的继电器保护电路第16页，本讲稿共24页(b)(b)(b)(b)、继电器线圈的保护、继电器线圈的保护、继电器线圈的保护、继电器线圈的保护 当继电器线圈断电时当继电器线圈断电时当继电器线圈断电时当继电器线圈断电时,其储存的感应电能可能在直其储存的感应电能可能在直其储存的感应电能可能在直其储存的感应电能可能在直流电源上产生高达流电源上产生高达流电源上产生高达流电源上产生高达1500V1500V1500V1500V的浪涌电压的浪涌电压的浪涌电压的浪涌电压,随着固体器件使随着固体器件使随着固体器件使随着固体器件使用量的不断增加用量的不断增加用量的不断增加用量的不断增加,必须对继电器线圈进行抑制必须对继电器线圈进行抑制必须对继电器线圈进行抑制必须对继电器线圈进行抑制,将其电压将其电压将其电压将其电压峰值限制在一定的范围。峰值限制在一定的范围。峰值限制在一定的范围。峰值限制在一定的范围。常见的线圈瞬态抑制方法有：常见的线圈瞬态抑制方法有：常见的线圈瞬态抑制方法有：常见的线圈瞬态抑制方法有：在线圈上并联一个电阻器或阻容电路在线圈上并联一个电阻器或阻容电路在线圈上并联一个电阻器或阻容电路在线圈上并联一个电阻器或阻容电路,或并联一个二极或并联一个二极或并联一个二极或并联一个二极管。管。管。管。线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长，使触线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长，使触线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长，使触线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长，使触点转换速度变慢。点转换速度变慢。点转换速度变慢。点转换速度变慢。第17页，本讲稿共24页（4 4 4 4）、继电器隔离电路）、继电器隔离电路）、继电器隔离电路）、继电器隔离电路 当当当当A A A A点为高电平时，晶体管点为高电平时，晶体管点为高电平时，晶体管点为高电平时，晶体管VTVTVTVT饱和导饱和导饱和导饱和导通，继电器通，继电器通，继电器通，继电器K K K K吸合；当吸合；当吸合；当吸合；当A A A A点为低电平时，点为低电平时，点为低电平时，点为低电平时，VTVTVTVT截止，继电器截止，继电器截止，继电器截止，继电器K K K K则释放，完成了信号则释放，完成了信号则释放，完成了信号则释放，完成了信号的传送过程。的传送过程。的传送过程。的传送过程。VDVDVDVD是保护二极管。是保护二极管。是保护二极管。是保护二极管。当当当当VTVTVTVT由由由由导通变为截止时，继电器线圈两端产生导通变为截止时，继电器线圈两端产生导通变为截止时，继电器线圈两端产生导通变为截止时，继电器线圈两端产生很高的反电势，以继续维持电流很高的反电势，以继续维持电流很高的反电势，以继续维持电流很高的反电势，以继续维持电流I I I IL L L L 。由于该反电势一般很高，容易造成由于该反电势一般很高，容易造成由于该反电势一般很高，容易造成由于该反电势一般很高，容易造成VTVTVTVT击穿。加入二极管击穿。加入二极管击穿。加入二极管击穿。加入二极管VDVDVDVD后，为反电势提后，为反电势提后，为反电势提后，为反电势提供了放电回路，从而保护了三极管供了放电回路，从而保护了三极管供了放电回路，从而保护了三极管供了放电回路，从而保护了三极管VTVTVTVT。继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接收电器信号，利用触点发送和输出信号，从而波面强电和弱电信号之间接收电器信号，利用触点发送和输出信号，从而波面强电和弱电信号之间接收电器信号，利用触点发送和输出信号，从而波面强电和弱电信号之间接收电器信号，利用触点发送和输出信号，从而波面强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。的直接接触，实现了抗干扰隔离。的直接接触，实现了抗干扰隔离。的直接接触，实现了抗干扰隔离。第18页，本讲稿共24页1 1、TTLTTL三态门缓冲器三态门缓冲器这类电路的驱动能力要高于一般的这类电路的驱动能力要高于一般的TTLTTL电路。例如电路。例如74LS24074LS240、74LS24474LS244、74LS24574LS245等，它们的高电平输出电流等，它们的高电平输出电流 I IOHOH=-15 mA,=-15 mA,低电平输出电流低电平输出电流 I IOLOL=24 mA,=24 mA,可以用来驱动光电耦合器件、可以用来驱动光电耦合器件、LEDLED数码管、中功率晶体管等。（大功率数码管、中功率晶体管等。（大功率(PC1W)(PC1W)、中功率、中功率(PC(PC在在0.50.51W)1W)和小功率三极管和小功率三极管(PC0.5W)(PC0.5W)）四、开关量输出驱动电路四、开关量输出驱动电路第19页，本讲稿共24页2 2、集电极开路（、集电极开路（OCOC）门）门O O C C门门电电路路的的输输出出级级是是一一个个集集电电极极开开路路的的晶晶体体三三极极管管，如如图图4 4-1 15 5所所 示示。组组 成成电路时，电路时，OCOC门输出端必须外加一个接至正电源的负载才能正常工作，负载门输出端必须外加一个接至正电源的负载才能正常工作，负载正电源正电源+V+V可以比可以比TTLTTL电路的电路的VCCVCC（一般为（一般为+5V+5V）高很多。例如，）高很多。例如，74067406、7407OC7407OC门输出级耐压可高达门输出级耐压可高达30V30V，输出低电压时吸收电流的能力也高达，输出低电压时吸收电流的能力也高达40mA40mA。因此，因此，OCOC门是一种既有电流放大功能，又有电压放大功能的开关门是一种既有电流放大功能，又有电压放大功能的开关量驱动电路。实际应用中，量驱动电路。实际应用中，OCOC门电路常用来驱动微型继电器、门电路常用来驱动微型继电器、LEDLED显示器。显示器。第20页，本讲稿共24页3 3、门电路外加晶体管、门电路外加晶体管门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大的驱动电流。门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大的驱动电流。第21页，本讲稿共24页 达林顿晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量达林顿晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功率驱动电路，例如中功率驱动电路，例如MC1416包含有七路开关量驱动包含有七路开关量驱动器，每路驱动器的内部结构如图器，每路驱动器的内部结构如图4-17（a）所示。）所示。MC1416特性如下：特性如下：每路输出电流可达每路输出电流可达500mA，但每一块双列直插式芯片总，但每一块双列直插式芯片总的输出电流不得超过的输出电流不得超过2.5A。输出端截止时耐压可达输出端截止时耐压可达100V。输入端可与多种输入端可与多种TTL及及CMOS电路兼容。电路兼容。4 4、达林顿晶体管阵列驱动器芯片、达林顿晶体管阵列驱动器芯片 第22页，本讲稿共24页图图4-17（a）中的）中的D1用做输入端箝位，用做输入端箝位，D2用做输出端用做输出端箝位，箝位，D3用做输出端箝位或感性负载的续流保护。用做输出端箝位或感性负载的续流保护。MC1416驱动七个继电器线圈电路示于图驱动七个继电器线圈电路示于图4-17（b）。）。第23页，本讲稿共24页1 1、说明电路工作原理、说明电路工作原理2 2、画出用、画出用OC OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED LED 的显示电路，说明的显示电路，说明工作原理。工作原理。第24页，本讲稿共24页
