数字量输入输出与抗干扰设计技术课件.ppt

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1、数字量输入输出与抗干扰设计技术第1页，此课件共69页哦 在在计算机计算机控制系统中控制系统中，除了要处理模拟量信号以外，还，除了要处理模拟量信号以外，还要处理另一类数字信号，包括开关信号、脉冲信号。它们是要处理另一类数字信号，包括开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑以二进制的逻辑“1 1”和和“0 0”或电平的高和低出现的。如或电平的高和低出现的。如开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或开关触点的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，晶闸管的接触器的吸合和释放，马达的启动和停止，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭，以及脉冲信号的计数和通和断，阀门的

2、打开和关闭，以及脉冲信号的计数和定时等定时等 。第2页，此课件共69页哦8 8.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术 主要知识点主要知识点v 8.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v 8.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 第3页，此课件共69页哦8 8.1.1 .1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图闸管型、双向晶闸管型等几种，如图8-1所示。它们的原理是相所示。它们的原理是相同的，即都是通过电同的，即都是通过电光光电这种信号转换，利用光信号电这

3、种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。第4页，此课件共69页哦 现以最简单的现以最简单的三极管型三极管型光电耦合隔离器为例光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理，如图来说明它的结构原理，如图 8 8-2-2 所示。所示。端入输端出输V5+V5+图图8-2 8-2 光电耦合隔离器的结构原理光电耦合隔离器的结构原理第5页，此课件共69页哦光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性，即光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性，即存在着存在着截止区、饱和区与线性区截止区、饱和区与线性区三部分。利用光耦隔离器的三部分。利

4、用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离对数字信号进行隔离。例。例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的道中的A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器之间的数字信号转换器之间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。离。第6页，此课件共69页哦 例如在现场传感器与例如在

5、现场传感器与A/DA/D转换器或转换器或D/AD/A转换转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔，可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。离。第7页，此课件共69页哦 光耦的这两种隔离方法各有优缺点。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号隔离方模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响难，如果光耦挑选得不合适，会影响A/D或或D/A转换的转换的精度和线性度。精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试简单数字信号隔离方法的

6、优点是调试简单，不影响系统的精度和线性度；缺点是使用较多的光不影响系统的精度和线性度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦越来越价廉，数字信耦器件，成本较高。但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，号隔离方法的优势凸现出来，因而在工程中使用的最因而在工程中使用的最多多。第8页，此课件共69页哦 要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源光敏管的电源不应是共地的同一个电源不应是共地的同一个电源，必须分，必须分开开单独供电单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互，才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电

7、阻间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。因此，很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电利用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰磁场的电干扰。为了适应计算机控制系统的需求，目前已生为了适应计算机控制系统的需求，目前已生产出各种集成的多路光耦隔离器，如产出各种集成的多路光耦隔离器，如TLP系列就系列就是常用的一种。是常用的一种。第9页，此课件共69页哦 下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明光电耦合隔下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合离电路。典型

8、的光电耦合隔离隔离电路有电路有数字量同相传递数字量同相传递与数字量与数字量反相反相传递传递两种，如图两种，如图8-3所示。所示。数字量同相传递如图数字量同相传递如图8-3（a）所示）所示，光耦的输入正端接正电，光耦的输入正端接正电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上，光耦的集电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上，光耦的集电极极c端通过电阻接另一个正电源，发射极端通过电阻接另一个正电源，发射极e端直接接端直接接地，光耦输出端即从集电极地，光耦输出端即从集电极c端引出。当数据线为低电平端引出。当数据线为低电平“0”时，时，发光管导通且发光，使得光敏管导通，输出发光管导通且发光，使

9、得光敏管导通，输出c端接地而获得低电平端接地而获得低电平“0”；当数据线为高电平；当数据线为高电平“1”时，发光管截止不发光，则光敏管也时，发光管截止不发光，则光敏管也截止使输出截止使输出c端从电源处获得高电平端从电源处获得高电平“1”。如此，完成了数字。如此，完成了数字信号的同相传递。信号的同相传递。8 8.1.2 .1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 第10页，此课件共69页哦路电离隔合耦电光3-4图递传相同量字数递传相反量字数+5V+5V+5V+5Vccee+-D7D074LS273数据缓冲器选 通 脉 冲b(a(D7D074LS273数据缓冲器选 通 脉 冲图图8-3 光电耦合隔

10、离电路光电耦合隔离电路第11页，此课件共69页哦 数字量反相传递如图数字量反相传递如图8 8-3-3（b b）所示）所示，与（，与（a a）不）不同的是光耦的集电极同的是光耦的集电极 c c 端直接接另一个正电源，而端直接接另一个正电源，而发射极发射极 e e 端通过电阻接地，则光耦输出端从发射极端通过电阻接地，则光耦输出端从发射极 e e 端引出。从而完成了数字信号的反相传递。端引出。从而完成了数字信号的反相传递。第12页，此课件共69页哦第13页，此课件共69页哦第14页，此课件共69页哦2光电隔离 光电耦合隔离器光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一是目前计算机控制系统中最常用的

11、一种抗干扰方法。种抗干扰方法。利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离数字信号通道中进行隔离。第15页，此课件共69页哦 其实在其实在模拟量输入输出通道中模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信也主要应用这种数字信号通道的隔离方法，即在号通道的隔离方法，即在A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转转换器的数字信号之间插入换器的数字信号之间插入光耦隔离器光耦隔离器，以进行数据信号和，以进行数据信号和控制信号的耦合传送控制信号的耦合传送，如图如图8-48-4所示所

12、示。（。（a a）是在）是在A/DA/D转转换器与换器与CPUCPU接口之间接口之间8 8根数据线之间都各插接一个光耦隔离根数据线之间都各插接一个光耦隔离器器(图中只画出了一个图中只画出了一个)，不仅照样无误地传送数字信号，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了，而且实现了A/DA/D转换器及其模拟量输入通道与计算机转换器及其模拟量输入通道与计算机的的完全电隔离完全电隔离；（；（b b）是在）是在CPUCPU与与D/AD/A转换器接口之间转换器接口之间8 8根数据线之间都各插接一个光耦隔离器根数据线之间都各插接一个光耦隔离器(图中也只画图中也只画出了一个出了一个)，不仅照样无误地传送数字信号，

13、而且实现，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了了计算机与计算机与D/AD/A转换器及其模拟量输出通道的转换器及其模拟量输出通道的完全电隔完全电隔离。离。第16页，此课件共69页哦 A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0 D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11 光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPU图8-4 光耦隔离器的数字信号隔离第17页，此课件共69页哦 利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送利用光耦隔离器的线性放大区，也

14、可传送模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。例如在通道中进行隔离。例如在现场传感器与现场传感器与A/D转换器或转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送拟信号的线性传送，如图如图8-5 所示所示。第18页，此课件共69页哦A/D计算机数字地（a）在传感器与A/D转换器之间VCC放大器sU模拟地双绞线D/A计算机数字地图8-12 光耦隔离器的模拟信号隔离VCC放大器模拟地双绞线LR（b）在D/A转换器与执行器之间执行器传感器图8-5 光耦隔离器的模拟信号隔离第19页，此课件共69页哦 在在图图8-58-5（

15、a a）输入通道的现场传感器与输入通道的现场传感器与A/DA/D转换器之间转换器之间，光电耦合器，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦光耦(或放大或放大)到到A/DA/D转换器的输入端，转换器的输入端，另一方面又切另一方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之间的联系断了现场模拟地与计算机数字地之间的联系，起到了，起到了很好的很好的抗共模干扰作用抗共模干扰作用。在。在图图8-58-5（b b）输出通道的输出通道的D/AD/A转换器与执行器之间，光电耦合器一方面把放大器转换器与执行器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦输出的模拟信号线性

16、地光耦(或放大或放大)输出到现场执行输出到现场执行器，另一方面又切断了器，另一方面又切断了计算机数字地与现场模拟地之间计算机数字地与现场模拟地之间的联系，起到了很好的的联系，起到了很好的抗共模干扰作用抗共模干扰作用。第20页，此课件共69页哦8 8.2 .2 数字量输入通道数字量输入通道主要知识点v 引言引言v 8.2.1 开关输入电路开关输入电路 v 8.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路 第21页，此课件共69页哦 数字量输入通道（数字量输入通道（DI DI 通道）的任务通道）的任务-是把生是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。形式。信号

17、调理电路信号调理电路-虽然都是数字信号，不需进行虽然都是数字信号，不需进行A/DA/D转换，但对通道中可能引入的各种干扰必转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须采取相应的技术措施，即在外部信号与单须采取相应的技术措施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。片机之间要设置输入信号调理电路。第22页，此课件共69页哦 凡在电路中起到通、断作用的凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，主要是考虑信号。在开关输入电路中，主要是考虑信号调理技术，如电平转换，调理技术，如电平转换，RC滤波，过电

18、压保护，反电压保护，光滤波，过电压保护，反电压保护，光电隔离等。电隔离等。（1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转换为电压信号。号。（2）RC滤波是用滤波是用RC滤波器滤出高频干扰。滤波器滤出高频干扰。（3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。（5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的

19、完全电隔）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。离。8 8.2.1.2.1 开关输入电路开关输入电路 第23页，此课件共69页哦 典型的开关量输入信号调理电路如图典型的开关量输入信号调理电路如图8-6所示。点划线右所示。点划线右边是由开关边是由开关S与电源组成的外部电路，（与电源组成的外部电路，（a）是直流输入电路，）是直流输入电路，（b）是交流输入电路。交流输入电路比直流输入电路多一个降压电）是交流输入电路。交流输入电路比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压交流容和整流桥块，可把高压交流(如如380VAC)变换为低压直流变换为低压直流(如如5VDC)。开关。开关S的状态

20、经的状态经RC滤波、稳压管滤波、稳压管D1箝位保护、箝位保护、电阻电阻R2限流、二极管限流、二极管D2防止反极性电压输入以及光耦防止反极性电压输入以及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入指令便可读取开关便可读取开关S的状态。比如的状态。比如,当开关当开关S闭合时，输入回闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏管导通，数据线路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为上为低电平，即输入信号为“0”对应外电路开关对应外电路开关S的闭合的闭合；反之，开关；反之，开关S断开，光耦中的发光管无

21、电流流过，光敏管截断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，即输入信号为止，数据线上为高电平，即输入信号为“1”对应外电路开关对应外电路开关S的断开。的断开。第24页，此课件共69页哦-+S2D到到 输输 入入缓缓 冲冲 器器CCV+2R1R1C1D3R光光 耦耦S2D到到 输输 入入缓缓 冲冲 器器CCV+2R1R1C1D3R光光 耦耦图图 4 4-4 4 开开 关关 量量 输输 入入 信信 号号 调调 理理 电电 路路C2R3(a)直 流 输 入 电 路(b)交 流 输 入 电 路8-6 开关量输入信号调理电路开关量输入信号调理电路第25页，此课件共69页哦 4.2.2

22、 脉冲计数电路脉冲计数电路 有些用于检测流量、转速的传感器发出的是脉有些用于检测流量、转速的传感器发出的是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时计数输冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时计数输入接口电路，即在一定的采样时间内统计输入的脉入接口电路，即在一定的采样时间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感器的比例系数可换算出所检冲个数，然后根据传感器的比例系数可换算出所检测的物理量。测的物理量。第26页，此课件共69页哦图 4-5 脉冲计数输入电路+12VCCV8253/8254CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1CLK2OUT2GATE0GATE2系统时钟TSTWCRCEOL+5V计数通

23、道1PC总线RCR光耦Dz8-7 脉冲计数脉冲计数输入输入电路电路第27页，此课件共69页哦 图图8-7为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频率信为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频率信号，经过简单的信号调理，引到号，经过简单的信号调理，引到8254芯片的计数通道芯片的计数通道1的的CLK1口。口。8254是具有是具有3个个16位计数器通道的可编程计数器位计数器通道的可编程计数器/定时器。图中，计数通定时器。图中，计数通道道0工作于模式工作于模式3，CLK0用于接收系统时钟脉冲，用于接收系统时钟脉冲，OUT0输出一个周输出一个周期为系统时钟脉冲期为系统时钟脉冲N倍（倍（N为通

24、道为通道0的计数初值）的连续方波脉冲，其的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道高、低电平时段是计数通道1的采样时间和采样间隔时间，分别记为的采样时间和采样间隔时间，分别记为TS、TW；计数通道；计数通道1和和2均选为工作模式均选为工作模式2，且，且OUT1串接到串接到CLK2，使，使两者构成一个计数长度为两者构成一个计数长度为232的脉冲计数器，以对的脉冲计数器，以对TS内的输入脉冲计数内的输入脉冲计数。如果获得如果获得TS时间内的输入脉冲个数为时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内，则单位时间内的脉冲个数即的脉冲个数即脉冲频率为脉冲频率为n/TS，从而可换算出介质的流量或电机

25、的转速值。比如，从而可换算出介质的流量或电机的转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器，它们的脉冲发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁电式速度传感器，它们的脉冲当量当量(即一个脉冲相当的流量或转数即一个脉冲相当的流量或转数)为为K，则介质的流量或电机的转，则介质的流量或电机的转数就为数就为n/TSK。第28页，此课件共69页哦8.3 数字量输出通道主要知识点v 引言引言v 8 8.3.1 .3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路 v 8 8.3.2 .3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 v 8 8.3.3 .3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v 8 8.3.4 .3.4

26、 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 第29页，此课件共69页哦 数字量输出通道数字量输出通道简称简称 DO 通道，它的任务是通道，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动

27、电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。固态继电器输出驱动电路等。第30页，此课件共69页哦 对于低压情况下的小电流开关量，用对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。电流就是输入电流与三极管增益的乘积。4.3.1 4.3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路第31页，此课件共69页哦1.1.普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路 当驱动电流只有十几当驱动电流只有十几mAmA或几十或几十mAmA时，只要采用一个普通的功率时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，如

28、图三极管就能构成驱动电路，如图 8 8-8 8所示。所示。6047K3.3管极三DELV5+033图 4-6 小 功 率 三 极 管 输 出 电 路Di8-8 小功率小功率 三极管输出电路三极管输出电路第32页，此课件共69页哦2.达林顿驱动电路达林顿驱动电路 当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，它具有高

29、输入阻抗、高增益、顿复合管构成，它具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷。负荷。第33页，此课件共69页哦 图图8-9给出达林顿阵列驱动器给出达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与每的结构图与每对复合管的内部结构，对复合管的内部结构，MC1416内含内含7对达林顿复合管对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达，每个复合管的集电极电流可达500mA，截止时能，截止时能承受承受100V电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝电压，其输入输出端均有箝

30、位二极管，输出箝位二极管位二极管D2抑制高电位上发生的正向过冲，抑制高电位上发生的正向过冲，D1、D3可可抑制低电平上的负向过冲。抑制低电平上的负向过冲。第34页，此课件共69页哦1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CC O M1 61 51 41 31 21 11 09G N D7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B123456781 0.5 k BR07.2 k R1D1R2T1T2D3CED2C O M3 k(a)M C 1 4 7 1 6 结 构 图（b）复 合 管 内 部 结 构图4-7 M C 1 4 1 6达 林 顿 阵 列 驱 动 器8-9 MC1416达林顿阵列驱动器

31、达林顿阵列驱动器第35页，此课件共69页哦 图图 8 8-1010为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当，当CPUCPU数据线数据线D Di i 输出数字输出数字“0 0”即低电平时，即低电平时，经经74067406反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的导通，产生的几百毫安几百毫安集电极电流足以驱动负集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的载线圈，而且利用复合管内的保护二极管保护二极管构成构成了了负荷线圈断电负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路时产生的反向电动势的泄流回路。第36页，此课件共69页哦图图 4-

32、8 达达林林顿顿阵阵列列驱驱动动电电路路7406达达林林顿顿复复合合管管负负荷荷线线圈圈+24VDi1B1CGND8-10 达林顿阵列驱动电路达林顿阵列驱动电路第37页，此课件共69页哦 4.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。继电器方式的开关量输出是、中间继电器等几种类型。继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流

33、或直流的高电压、大电流设备。的高电压、大电流设备。第38页，此课件共69页哦D DL LK K控控制制电电流流外外部部设设备备线线圈圈铁铁芯芯触触点点衔衔铁铁第39页，此课件共69页哦 常用的继电器有常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中间电压继电器、电流继电器、中间继电器继电器等几种类型。由于继电器线圈需要一定的电流才等几种类型。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。能动作，所以必须采取措施加以驱动。继电器的驱动电路继电器的驱动电路 驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才能使

34、继电和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。器可靠地工作。第40页，此课件共69页哦 图图8-12为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”即高电平时，经即高电平时，经7406反相驱反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。从而驱动大型负荷设备。由于继电器线圈是电感性负载，当由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然

35、关断时电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。供一个电流泄放回路。第41页，此课件共69页哦cVpV耦耦光光6047KA220V图图 4-9 继继电电器器输输出出驱驱动动电电路路Di8-12 继电器输出驱动电路继电器输出驱动电路第42页，此课件共69页哦 4.3.4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 固态继电器固态继电器SSR（Solid State Relay）是一是一种新型的无触点开关的电子继电器，它

36、利用电子技术实现了种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，电隔离和信号耦合，而且没有而且没有任任何可动部件或触点何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器固态继电器。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势继电器之势。第43页，此课件

37、共69页哦 固态继电器固态继电器SSR是一个四端组件是一个四端组件，有两个输入端、两，有两个输入端、两个输出端，其内部结构类似于图个输出端，其内部结构类似于图8-12中的晶闸管输出驱中的晶闸管输出驱动电路。图动电路。图8-13所示为其结构原理图，共由五部分组成。光所示为其结构原理图，共由五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后，同时使两端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导

38、通；电子开关电路用来接通或关断直流或交能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖流负载电源；吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由一般由RC串联网络和压敏电阻组成串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为；零压检测电路是为交流型交流型SSR过零触发过零触发而设置的。而设置的。第44页，此课件共69页哦8-13 SSR结构原理及符号结构原理及符号第45页，此课件共69页哦u SSR的输入端与晶体管、的输入端与晶体管、TTL、CMOS电路兼容，电

39、路兼容，输出端利用器件内的电子输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载开关来接通和断开负载。工。工作时只要在输入端施加作时只要在输入端施加一定的弱电信号一定的弱电信号，就可以控制输，就可以控制输出端大电流负载的通断。出端大电流负载的通断。SSR的输出端可以是的输出端可以是直流也可以是交流直流也可以是交流，分别称为，分别称为直流型直流型SSR和交流型和交流型SSR。直流型。直流型SSR内内部的开关组件部的开关组件为功率三极管为功率三极管，交流型，交流型SSR内部的开关内部的开关组件为组件为双向晶闸管双向晶闸管。而交流型。而交流型SSR按控制触发方式不按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种

40、，其中应用最广泛同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的的是过零型是过零型。第46页，此课件共69页哦u 过零型交流过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号后，需等是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，制信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状才为断开状态。移相型交流态。移相型交流SSR的断开条件同过零型交流的断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。直流型负载电流

41、相位如何，立即导通。直流型SSR的输入控的输入控制信号与输出完全同步。直流型制信号与输出完全同步。直流型SSR主要用于直主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为流大功率控制。一般取输入电压为4-32V，输入电，输入电流流5-10mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作电。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为压为30-180 V。第47页，此课件共69页哦 交流型交流型SSR主要用于交流大功率控制。一般主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为取输入电压为4.32V，输入电流小于，输入电流小于500mA。它的。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1AA范围内，电

42、压多为范围内，电压多为380V或或220V。图图8-14为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线Di输出数字输出数字“0”时，经时，经7406反相变为高电平，使反相变为高电平，使NPN型三极管导通型三极管导通,SSR输入端得电则输出端接通大型交流输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备负荷设备RL。第48页，此课件共69页哦6047cVLRRSS_图 4-13固态继电器输出驱动电路交流电源+Di8-14 固态继电器输出驱动电路固态继电器输出驱动电路第49页，此课件共69页哦4.2.6 4.2.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 广义的接地包含两方面的意思

43、，即接广义的接地包含两方面的意思，即接实地和接虚地实地和接虚地。接。接实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，当实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连接浮地连接。正确合理的接地。正确合理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地的技术对计算机控制系统极为重要，接地的目的目的有两个：一是为了有两个：一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降为工作接地；二是为了避免操作人员因设

44、备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地这称为保护接地。本节主要。本节主要讨论工作接地技术。讨论工作接地技术。第50页，此课件共69页哦在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：模拟地、数字模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。地、信号地、系统地、交流地和保护地。模拟地作为模拟地作为传感器、变送器、放大器、传感器、变送器、放大器、A/D和和D/A转换器中模转换器中模拟电路的零电位拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，它的信号比较小。模拟信号有精度要求，它的信号比较小，而且与生产现场连接。有时为区别

45、远距离传感器的弱，而且与生产现场连接。有时为区别远距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系，把传感器的地又叫信号地与主机的模拟地关系，把传感器的地又叫信号地信号地。数字地作为数字地作为计算机各种数字电路的零电位计算机各种数字电路的零电位，应该与模拟地分，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连作系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连作为为基准零电位。基准零电位。第51页，此课件共69页哦交流地交流地是计算机交流供电的是计算机交流供电的动力线地或称零线动力线地或称零线，它的零电位，它的零电位很不稳定。在

46、交流地上任意两点之间往往就有几伏乃至很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易带来各种干几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地相连，而且交扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是使设备机，目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备安全壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备安全。以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？

47、是一点接地以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是一点接地还是多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、调试还是多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、调试中的重要问题。中的重要问题。第52页，此课件共69页哦4 4印制线路板的地线分布印制线路板的地线分布设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。干扰。（1）TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。，不能形成环形。（2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度，不要小于宽度，不要小于3mm，在可能的

48、情况下，地线越宽越好。，在可能的情况下，地线越宽越好。（3）旁）旁路电容的地线不能长路电容的地线不能长，应尽量缩短。，应尽量缩短。（4）大电流的零电位地线应尽量宽大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的，而且必须和小信号的地分开。地分开。第53页，此课件共69页哦5主机系统的接地 计算机本身接地，同样是为了防止干扰，提高可靠性。下计算机本身接地，同样是为了防止干扰，提高可靠性。下面介绍三种主机接地方式。面介绍三种主机接地方式。（1）全机一点接地）全机一点接地 计算机控制系统的主机架内采用计算机控制系统的主机架内采用图图4-25所示所示的分别回流法的分别回流法接地方式。主机地与外部设备地的

49、连接采用一点接地，接地方式。主机地与外部设备地的连接采用一点接地，如图如图4-28所示所示。为了避免多点接地，各机柜用绝缘板垫起。为了避免多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力，来。这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力，一般一般接地电阻选为接地电阻选为410左右。左右。接地电阻越小越好，但接地电阻接地电阻越小越好，但接地电阻越小，接地极的施工就越困难。越小，接地极的施工就越困难。第54页，此课件共69页哦大地地线绝缘板机印打道通程过机主机图绘台作操图 9-28 全机一点接地图4-28 全机一点接地双绞线第55页，此课件共69页哦（2）主机外壳接地，机芯浮空

50、）主机外壳接地，机芯浮空 为了提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外壳作为为了提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于大于50M，即机内信号地浮空，即机内信号地浮空，如图如图4-29所示所示。这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。第56页，此课件共69页哦芯机芯机地内机层缘绝壳外机主图8-29 外壳接地机芯浮空图4-29 外壳接地机芯浮空第57页，此课件共69页哦（3）多机系统的接地