数字量输入输出通道..ppt
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1、计算机控制技术计算机控制技术吴国辉吴国辉第五章第五章 数字量输入输出通道数字量输入输出通道1 1.光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路2 2.数字量输入通道中几种典型电路;数字量输入通道中几种典型电路;3 3.数字量输出通道几种典型驱动电路;数字量输出通道几种典型驱动电路;第五章第五章 数字量输入输出通道数字量输入输出通道引言引言 5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术 5 5.2 .2 数字量输入通道数字量输入通道 5 5.3 .3 数字量输出通道数字量输出通道 5 5.4 DI/DO.4 DI/DO模板模板 本章小结本章小结 思考题思考题 引
2、言引言 在微机控制系统中,除了要处理模拟量在微机控制系统中,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。它们是以二进制的逻辑关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑“1”“1”和和“0”“0”或电平的高和低出现的。如开关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,或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,仪器仪晶闸管的通和断,阀门的打开和关闭,仪器仪表的表的 BCD BCD 码,以及脉冲信号的
3、计数和定时等码,以及脉冲信号的计数和定时等等等 。5 5.1 .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 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v 2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术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,如下图型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种,如下图所示。它们的原理是相同的,即都是通过电所示。它们的原理是相同的,即都是通过电 光光 电电这种信号转换,利用光信号的传送不受电磁场的干这种信号转
4、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。扰而完成隔离功能的。5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理,说明它的结构原理,如如下下所示所示。5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管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,即存在着的输入输出特性,即存在着截止区、饱和区与线性截止区、饱和区与线性区区三部分。利用光耦隔离器的开关特性(即光敏三三部分
5、。利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),可传送数字信号而极管工作在截止区、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。例如在。例如在数字量输入输出通道中,以及在模拟量输入输出通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离。数字信号进行隔离。5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦
6、合隔离器光电耦合隔离器 例如在现场传感器与例如在现场传感器与A/DA/D转换器或转换器或D/AD/A转换器转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送,可用光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离。耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦,成本低;缺点隔离方法的优点是使用少量的光耦,成本低;缺点是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影响是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影响A/DA/D或或D/AD/A转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的转换的精度和线性度
7、。数字信号隔离方法的优点是调试简单,不影响系统的精度和线性度;优点是调试简单,不影响系统的精度和线性度;5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 缺点是使用较多的光耦器件,成本较高。但因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,数字信号隔离方法的优势凸现出光耦越来越价廉,数字信号隔离方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多。来,因而在工程中使用的最多。要注意的是要注意的是,用于,用于驱动发光管的电源驱动发光管的电源与与驱动光驱动光敏管的电源敏管的电源不应是不应是共地共地的同一个电源,必须分开单的同一个电源,必须分开单独供电,才能有效
8、避免输出端与输入端相互间的反独供电,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阻很小,也馈和干扰;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。可以抑制系统内外的噪声干扰。5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术1 1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 因此,利用光耦隔离器可用来传递信号而有效因此,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。地隔离电磁场的电干扰。为了适应计算机控制系统的需求,目前已生产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,如出各种集成的多路光耦隔离器,如TLPTLP系列就是常系列就是常
9、用的一种。用的一种。5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离光电耦合隔离电电路路 下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法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。典型的光电耦合隔离为例说明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合隔离电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种,如电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种,如下图所示。下图所示。数字量同相传递如图(数字量同相传递如图(a a)所示)所示,光耦的输入,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,光耦的集电极据缓冲器上,光耦的
10、集电极c c端通过电阻接另一个端通过电阻接另一个正电源,发射极正电源,发射极e e端直接接地,光耦输出端即从集端直接接地,光耦输出端即从集5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离光电耦合隔离电电路路 电极电极c c端引出。当数据线为低电平端引出。当数据线为低电平“0 0”时,发光管时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,输出导通且发光,使得光敏管导通,输出c c端接地而获端接地而获得低电平得低电平“0 0”;当数据线为高电平;当数据线为高电平“1 1”时,发光时,发光管截止不发光,则光敏管也截止使输出管截止不发光,则光敏管也截止使输出c c端从电源端从电源处获得高电
11、平处获得高电平“1 1”。如此,完成了数字信号的同。如此,完成了数字信号的同相传递。相传递。5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离光电耦合隔离电电路路 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5 5.1 .1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术2 2 光电耦合隔离光电耦合隔离电电路路 数字量反相传递如图(数字量反相传递如图(b b)所示)所示,与(,与(a a)不同)不同的是光耦的集电极的是光耦的集电极 c c端直接接另一个正电源,而端直接接另一个正电源
12、,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端通过电阻接地,则光耦输出端从发射极极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。5 5.2 2 数字量输入通道数字量输入通道1 1 引言引言 数数字字量量输输入入通通道道(DI DI 通通道道)的的任任务务-是是把把生生产产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。信信号号调调理理电电路路-虽虽然然都都是是数数字字信信号号,不不需需进进行行A/D A/D 转转换换,但但对对通通道道中中可可能能引引入入的的各各种种干干扰扰必必须须采采取取相相应应的的技
13、技术术措措施施,即即在在外外部部信信号号与与单单片片机机之之间间要要设设置置输入信号调理电路。输入信号调理电路。5 5.2 2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路 凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关,其端子引出均统称为开关,其端子引出均统称为开关信号开关信号。在开关输入。在开关输入电路中,主要是考虑电路中,主要是考虑信号调理技术信号调理技术,如,如电平转换电平转换,RCRC滤波滤波,过电压保护过电压保护,反电压保护反电压保护,光电隔离光电隔离等。等。(1 1)电平转换是用电阻分压法把现场的电流信)电平转换是用电阻分
14、压法把现场的电流信号转换为电压信号。号转换为电压信号。(2 2)RCRC滤波是用滤波是用RCRC滤波器滤出高频干扰。滤波器滤出高频干扰。5 5.2 2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路 (3 3)过电压保护是用)过电压保护是用稳压管稳压管和和限流电阻限流电阻作过电作过电压保护;用稳压管或压敏电阻把压保护;用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压瞬态尖峰电压箝位箝位在安全电平上。在安全电平上。(4 4)反电压保护是)反电压保护是串联一个二极管串联一个二极管防止反极性防止反极性电压输入。电压输入。(5 5)光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部)光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外
15、部的完全电隔离。的完全电隔离。5 5.2 2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路 典型的开关量输入信号调理电路如下图所示。典型的开关量输入信号调理电路如下图所示。点划线右边是由开关点划线右边是由开关S S与电源组成的外部电路,与电源组成的外部电路,(a a)是直流输入电路,()是直流输入电路,(b b)是交流输入电路。交)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,可把高压交流桥块,可把高压交流(如如380VAC)380VAC)变换为低压直流变换为低压直流(如如5VDC)5VDC)。开关。开关S S的
16、状态经的状态经RCRC滤波、稳压管滤波、稳压管D1D1箝位箝位保护、电阻保护、电阻R2R2限流、二极管限流、二极管D2D2防止反极性电压输入防止反极性电压输入以以5 5.2 2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路及光耦隔离等措施处理后送至输入缓冲器,主机通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便可读取开关过执行输入指令便可读取开关S S的状态。比如的状态。比如,当开当开关关S S闭合时,输入回路有电流流过,光耦中的发光闭合时,输入回路有电流流过,光耦中的发光管发光,光敏管导通,数据线上为低电平,即输入管发光,光敏管导通,数据线上为低电平,即输入信号
17、为信号为“0 0”对应外电路开关对应外电路开关S S的闭合;反之,开关的闭合;反之,开关S S断开,光耦中的发光管无电流流过,光敏管截止,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,即输入信号为数据线上为高电平,即输入信号为“1 1”对应外电对应外电路开关路开关S S的断开。的断开。5 5.2 2 数字量输入通道数字量输入通道2 2 开关输入电路开关输入电路-+S2D到输入到输入缓冲器缓冲器CCV+2R1R1C1D3R光耦光耦S2D到输入到输入缓冲器缓冲器CCV+2R1R1C1D3R光耦光耦C2R3(a)直流输入电路(b)交流输入电路5 5.2 2 数字量输入通道数字量输入通
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