数字量输入输出与抗干扰设计技术学习教案.pptx
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1、数字数字(shz)量输入输出与抗干扰设计技量输入输出与抗干扰设计技术术第一页,共68页。8.1 8.1 光电耦合隔离光电耦合隔离(gl)(gl)技术技术 主要主要(zhyo)知识点知识点v 8.1.1 光电耦合隔离光电耦合隔离(gl)器器 v 8.1.2 光电耦合隔离光电耦合隔离(gl)电路电路 第1页/共68页第二页,共68页。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光电耦合隔离器按其输出级不同光电耦合隔离器按其输出级不同光电耦合隔离器按其输出级不同(b tn)(b tn)可分为三极管型、可分为三极管型、可分为三极管型、可分为三极管型、单向晶闸管型
2、、双向晶闸管型等几种,如图单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种,如图单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种,如图单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种,如图8-18-1所示。它们的所示。它们的所示。它们的所示。它们的原理是相同的,即都是通过电原理是相同的,即都是通过电原理是相同的,即都是通过电原理是相同的,即都是通过电光光光光电这种信号转换,电这种信号转换,电这种信号转换,电这种信号转换,利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。第2页/共68页第三页,
3、共68页。现以最简单现以最简单现以最简单现以最简单(jindn)(jindn)(jindn)(jindn)的三极管型光电的三极管型光电的三极管型光电的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理,如图耦合隔离器为例来说明它的结构原理,如图耦合隔离器为例来说明它的结构原理,如图耦合隔离器为例来说明它的结构原理,如图 8-2 8-2 8-2 8-2 所示。所示。所示。所示。图图8-2 8-2 光电耦合隔离器的结构光电耦合隔离器的结构(jigu)(jigu)原理原理第3页/共68页第四页,共68页。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
4、性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(txng)(txng)(txng)(txng),即存在着截止区、饱和区与线性区三部分。利用,即存在着截止区、饱和区与线性区三部分。利用,即存在着截止区、饱和区与线性区三部分。利用,即存在着截止区、饱和区与线性区三部分。利用光耦隔离器的开关特性光耦隔离器的开关特性光耦隔离器的开关特性光耦隔离器的开关特性(txng)(txng)(txng)(txng)(即光敏三极管工作在截止(即光敏三极管工作在截止(即光敏三极管工作在截止(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
5、称对数区、饱和区),可传送数字信号而隔离电磁干扰,简称对数区、饱和区),可传送数字信号而隔离电磁干扰,简称对数区、饱和区),可传送数字信号而隔离电磁干扰,简称对数字信号进行隔离。例如在数字量输入输出通道中,以及在模字信号进行隔离。例如在数字量输入输出通道中,以及在模字信号进行隔离。例如在数字量输入输出通道中,以及在模字信号进行隔离。例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拟量输入输出通道中的拟量输入输出通道中的拟量输入输出通道中的A/DA/DA/DA/D转换器与转换器与转换器与转换器与CPUCPUCPUCPU或或或或CPUCPUCPUCPU与与与与D/AD/AD/AD/A转换器
6、之转换器之转换器之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间的数字信号的耦合传送,都可用光耦的这种开关特性间的数字信号的耦合传送,都可用光耦的这种开关特性间的数字信号的耦合传送,都可用光耦的这种开关特性(txng)(txng)(txng)(txng)对数字信号进行隔离。对数字信号进行隔离。对数字信号进行隔离。对数字信号进行隔离。第4页/共68页第五页,共68页。例例例例如如如如在在在在现现现现场场场场传传传传感感感感器器器器与与与与A/DA/D转转转转换换换换器器器器或或或或D/AD/A转转转转换换换换器器器器与与与与现现现现场场场场执执执执行行行行器器器器之之之之间间间间的的
7、的的模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号的的的的线线线线性性性性传传传传送送送送,可可可可用用用用光光光光耦的这种线性区对模拟信号进行耦的这种线性区对模拟信号进行耦的这种线性区对模拟信号进行耦的这种线性区对模拟信号进行(jnxng)(jnxng)隔离。隔离。隔离。隔离。第5页/共68页第六页,共68页。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信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;号隔离方法的优点是使用少量的光耦,成本低;号隔离方法的优点是使用少量的光耦,成本低;号隔离方法的优点是使用
8、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,会影缺点是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影缺点是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影缺点是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影响响响响A/DA/D或或或或D/AD/A转换的精度和线性度。数字信号隔转换的精度和线性度。数字信号隔转换的精度和线性度。数字信号隔转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试简单离方法的优点是调试简单离方法的优点是调试简单离方法的优点是调试简单(jindn)(jindn),不影响系统,不影响系统,不影响系统,不影响系统的精度和线性度;缺点是使用较多的光耦器件,的精度和线性度;缺点是使用较多的光耦器件,的精
9、度和线性度;缺点是使用较多的光耦器件,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,数字信号隔离成本较高。但因光耦越来越价廉,数字信号隔离成本较高。但因光耦越来越价廉,数字信号隔离成本较高。但因光耦越来越价廉,数字信号隔离方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多。方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多。方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多。方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多。第6页/共68页第七页,共68页。要要注注意意的的是是,用用于于驱驱动动发发光光管管的的电电源源与与驱驱动动光光敏敏管管的的电电源源不不应应是是共共地地的的同同一一个个电电源源
10、,必必须须分分开开单单独独供供电电,才才能能有有效效避避免免输输出出端端与与输输入入端端相相互互间间的的反反馈馈和和干干扰扰;另另外外,发发光光二二极极管管的的动动态态电电阻阻很很小小,也也可可以以抑抑制制系系统统内内外外的的噪噪声声干干扰扰。因因此此,利利用用光光耦耦隔隔离离器器可可用用来来传传递递信信号号而而有有效效地地隔隔离离电电磁磁场场的的电电干干扰。扰。为为了了(wi(wi le)le)适适应应计计算算机机控控制制系系统统的的需需求求,目目前前已已生生产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系列就是常用的一种。系列就是常用的一种。第7页/共68页第
11、八页,共68页。下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说明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。典型光电耦合隔离电路。典型光电耦合隔离电路。典型光电耦合隔离电路。典型(dinxng)(dinxng)的光电耦合隔离电路有的光电耦合隔离电路有的光电耦合隔离电路有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,如图数字量同相传递与数字量反相传递两种,如图数字量同相传递与数字量反相传递两种,如图数字量同相传递与数字量反相传递两种,如图8-38-3所示。所示。所示。所
12、示。数字量同相传递如图数字量同相传递如图数字量同相传递如图数字量同相传递如图8-38-3(a a)所示,光耦的输入正端)所示,光耦的输入正端)所示,光耦的输入正端)所示,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,接正电源,输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上,接正电源,输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上,接正电源,输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上,光耦的集电极光耦的集电极光耦的集电极光耦的集电极c 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 e端直接接地,光耦输出
13、端即从集电极端直接接地,光耦输出端即从集电极端直接接地,光耦输出端即从集电极端直接接地,光耦输出端即从集电极c c端引出。当数端引出。当数端引出。当数端引出。当数据线为低电平据线为低电平据线为低电平据线为低电平“0”“0”时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,输出输出输出输出c c端接地而获得低电平端接地而获得低电平端接地而获得低电平端接地而获得低电平“0”“0”;当数据线为高电平;当数据线为高电平;当数据线为高电平;当数据线为高电平“1”“1”时,发光管截止不发光,则光敏管也截止
14、使输出时,发光管截止不发光,则光敏管也截止使输出时,发光管截止不发光,则光敏管也截止使输出时,发光管截止不发光,则光敏管也截止使输出c c端从端从端从端从电源处获得高电平电源处获得高电平电源处获得高电平电源处获得高电平“1”“1”。如此,完成了数字信号的同相传递。如此,完成了数字信号的同相传递。如此,完成了数字信号的同相传递。如此,完成了数字信号的同相传递。8.1.2 8.1.2 光电耦合隔离光电耦合隔离(gl)(gl)电路电路 第8页/共68页第九页,共68页。图图8-3 光电耦合隔离光电耦合隔离(gl)电路电路第9页/共68页第十页,共68页。数字量反相传递如图数字量反相传递如图8-38-
15、3(b b)所示,与()所示,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,端直接接另一个正电源,而发射极而发射极 e e 端通过端通过(tnggu)(tnggu)电阻接地,则光耦输电阻接地,则光耦输出端从发射极出端从发射极 e e 端引出。从而完成了数字信号的反端引出。从而完成了数字信号的反相传递。相传递。第10页/共68页第十一页,共68页。第11页/共68页第十二页,共68页。第12页/共68页第十三页,共68页。2 2光电隔离光电隔离光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一种的一种(y zhn)(y
16、 zhn)抗干扰方法。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,即在数字信号通道中进行隔离。隔离电磁干扰,即在数字信号通道中进行隔离。第13页/共68页第十四页,共68页。其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信号通道的隔离方法,即在字信号通道的隔离方法,即在字信号通道的隔离方法,即在字信号通道的隔离方法,即在A/DA/DA/DA/D转换器与转换器与转换器与转换器与CPUCPUCPUCPU或或或或
17、CPUCPUCPUCPU与与与与D/AD/AD/AD/A转换器的数字信号之间插入光耦隔离器,转换器的数字信号之间插入光耦隔离器,转换器的数字信号之间插入光耦隔离器,转换器的数字信号之间插入光耦隔离器,以进行数据信号和控制信号的耦合传送,如图以进行数据信号和控制信号的耦合传送,如图以进行数据信号和控制信号的耦合传送,如图以进行数据信号和控制信号的耦合传送,如图8-8-8-8-4 4 4 4所示。(所示。(所示。(所示。(a a a a)是在)是在)是在)是在A/DA/DA/DA/D转换器与转换器与转换器与转换器与CPUCPUCPUCPU接口之间接口之间接口之间接口之间8 8 8 8根根根根数据线
18、之间都各插接一个光耦隔离器数据线之间都各插接一个光耦隔离器数据线之间都各插接一个光耦隔离器数据线之间都各插接一个光耦隔离器(图中只画图中只画图中只画图中只画出了一个出了一个出了一个出了一个),不仅照样无误,不仅照样无误,不仅照样无误,不仅照样无误(ww)(ww)(ww)(ww)地传送数字信地传送数字信地传送数字信地传送数字信号,而且实现了号,而且实现了号,而且实现了号,而且实现了A/DA/DA/DA/D转换器及其模拟量输入通道转换器及其模拟量输入通道转换器及其模拟量输入通道转换器及其模拟量输入通道与计算机的完全电隔离;(与计算机的完全电隔离;(与计算机的完全电隔离;(与计算机的完全电隔离;(b
19、 b b b)是在)是在)是在)是在CPUCPUCPUCPU与与与与D/AD/AD/AD/A转转转转换器接口之间换器接口之间换器接口之间换器接口之间8 8 8 8根数据线之间都各插接一个光耦根数据线之间都各插接一个光耦根数据线之间都各插接一个光耦根数据线之间都各插接一个光耦隔离器隔离器隔离器隔离器(图中也只画出了一个图中也只画出了一个图中也只画出了一个图中也只画出了一个),不仅照样无误,不仅照样无误,不仅照样无误,不仅照样无误(ww)(ww)(ww)(ww)地传送数字信号,而且实现了计算机与地传送数字信号,而且实现了计算机与地传送数字信号,而且实现了计算机与地传送数字信号,而且实现了计算机与D
20、/AD/AD/AD/A转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。第14页/共68页第十五页,共68页。图8-4 光耦隔离(gl)器的数字信号隔离(gl)第15页/共68页第十六页,共68页。利用光耦隔离器的线性放大区,也可传送模利用光耦隔离器的线性放大区,也可传送模拟信号而隔离电磁干扰,即在模拟信号通拟信号而隔离电磁干扰,即在模拟信号通道中进行隔离。例如道中进行隔离。例如(lr)在现场传感器在现场传感器与与A/D转换器或转换器或D/A转换器与现场执行器之转换器与现场执行器之间的模拟信号
21、的线性传送,如图间的模拟信号的线性传送,如图8-5 所示。所示。第16页/共68页第十七页,共68页。图8-5 光耦隔离(gl)器的模拟信号隔离(gl)第17页/共68页第十八页,共68页。在图在图在图在图8-58-58-58-5(a a a a)输入通道的现场)输入通道的现场)输入通道的现场)输入通道的现场(xinchng)(xinchng)(xinchng)(xinchng)传感器传感器传感器传感器与与与与A/DA/DA/DA/D转换器之间,光电耦合器一方面把放大器输转换器之间,光电耦合器一方面把放大器输转换器之间,光电耦合器一方面把放大器输转换器之间,光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信
22、号线性地光耦出的模拟信号线性地光耦出的模拟信号线性地光耦出的模拟信号线性地光耦(或放大或放大或放大或放大)到到到到A/DA/DA/DA/D转换器的转换器的转换器的转换器的输入端,输入端,输入端,输入端,另一方面又切断了现场另一方面又切断了现场另一方面又切断了现场另一方面又切断了现场(xinchng)(xinchng)(xinchng)(xinchng)模拟模拟模拟模拟地与计算机数字地之间的联系,起到了很好的抗共地与计算机数字地之间的联系,起到了很好的抗共地与计算机数字地之间的联系,起到了很好的抗共地与计算机数字地之间的联系,起到了很好的抗共模干扰作用。在图模干扰作用。在图模干扰作用。在图模干扰
23、作用。在图8-58-58-58-5(b b b b)输出通道的)输出通道的)输出通道的)输出通道的D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换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与执行器之间,光电耦合器一方面把放大器输出的与执行器之间,光电耦合器一方面把放大器输出的与执行器之间,光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦模拟信号线性地光耦模拟信号线性地光耦模拟信号线性地光耦(或放大或放大或放大或放大)输出到现场输出到现场输出到现场输出到现场(xinchng)(xinchng)(xinchng)(xinchng)执行器,另一方面又切断了计算机数执行器,另一方面又切断了计算机数执
24、行器,另一方面又切断了计算机数执行器,另一方面又切断了计算机数字地与现场字地与现场字地与现场字地与现场(xinchng)(xinchng)(xinchng)(xinchng)模拟地之间的联系,起到模拟地之间的联系,起到模拟地之间的联系,起到模拟地之间的联系,起到了很好的抗共模干扰作用。了很好的抗共模干扰作用。了很好的抗共模干扰作用。了很好的抗共模干扰作用。第18页/共68页第十九页,共68页。8.2 8.2 数字量输入数字量输入(shr)(shr)通道通道主要(zhyo)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 脉冲脉冲(michng)计数计数电路电路 第19
25、页/共68页第二十页,共68页。数数数数字字字字量量量量输输输输入入入入通通通通道道道道(DI DI DI DI 通通通通道道道道)的的的的任任任任务务务务-是是是是把把把把生生生生产产产产过过过过程程程程中中中中的的的的数数数数字字字字信信信信号号号号转转转转换换换换成成成成计计计计算算算算机机机机易易易易于接受的形式。于接受的形式。于接受的形式。于接受的形式。信信信信号号号号调调调调理理理理电电电电路路路路-虽虽虽虽然然然然(surn)(surn)(surn)(surn)都都都都是是是是数数数数字字字字信信信信号号号号,不不不不需需需需进进进进行行行行A/DA/DA/DA/D转转转转换换换
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