第四章-数字量输入输出通道优秀PPT.ppt

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1、学习情境学习情境1 1：输出通道构成与接口：输出通道构成与接口。n任务一：任务一：输出通道的结构与信号交换输出通道的结构与信号交换 1 1、数字量输出通道、数字量输出通道DODO （1 1）数字量输出通道的结构）数字量输出通道的结构 （2 2）输出驱动电路）输出驱动电路 2 2、模拟量输出通道、模拟量输出通道AOAO （1 1）模拟量输出通道的结构）模拟量输出通道的结构 （2 2）V/IV/I电压电流转换器电压电流转换器n任务二：任务二：D/AD/A转换器与单片机接口电路转换器与单片机接口电路n任务三：输出通道中的常用器件任务三：输出通道中的常用器件 数字量输出通道简称数字量输出通道简称 DO

2、 DO 通道，它的任务是把计算机输通道，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程进行限制的数字驱出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行限制的数字驱动信号。依据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触动信号。依据现场负荷的不同，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量驱动输出通道。同的开关量驱动输出通道。1.1.数字量输出通道数字量输出通道 数字量输出通道主要由输出锁存器、光电数字量输出通道主要由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成，隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成，如图示

3、。其中输出锁存器用于锁存如图示。其中输出锁存器用于锁存CPUCPU输出输出的数据；光电隔离器是为保证计算机平安、的数据；光电隔离器是为保证计算机平安、牢靠地工作，将牢靠地工作，将CPUCPU与驱动电路的强电及干与驱动电路的强电及干扰信号隔离；输出驱动器是用以驱动继电扰信号隔离；输出驱动器是用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。器或执行机构的功率放大器。（1 1）数字量输出通道的结构）数字量输出通道的结构（1 1）数字量输出通道的结构）数字量输出通道的结构 输入缓冲器和输出锁存器：输入缓冲器是对外输入缓冲器和输出锁存器：输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通的作用，部输入的信号起缓冲、

4、加强以及选通的作用，CPUCPU通过读缓冲器读入数据。输出锁存器的作用通过读缓冲器读入数据。输出锁存器的作用是锁存是锁存CPUCPU送来的输出数据，供外部设备运用。送来的输出数据，供外部设备运用。输入缓冲器和输出锁存器可以运用各种可编程输入缓冲器和输出锁存器可以运用各种可编程的外围接口电路，如的外围接口电路，如82558255、81558155等，也可以运等，也可以运用简洁的中小规模集成电路，如用简洁的中小规模集成电路，如74LS24074LS240、74LS24474LS244、74LS24574LS245、74LS27374LS273、74LS377 74LS377等。等。（1 1）数字量

5、输出通道的结构）数字量输出通道的结构 输出通道的特点：输出通道的特点：小信号输出，大功率限制小信号输出，大功率限制D/AD/A转换转换输出通道距干扰源近，干扰大输出通道距干扰源近，干扰大（1 1）数字量输出通道的结构）数字量输出通道的结构在在计计算算机机限限制制系系统统中中，数数字字量量的的输输出出常常常常要要求求有有确确定定的驱动实力，以限制不同的装置。的驱动实力，以限制不同的装置。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路输出通道为什么需功率驱动元件？输出通道为什么需功率驱动元件？小信号输出，大功率限制。小信号输出，大功率限制。微机输出的一般为微机输出的一般为TTLTTL电平，电流也较小，电平，

6、电流也较小，而限制对象或执行机构要求的往往是大而限制对象或执行机构要求的往往是大功率信号。所以需功率驱动元件。功率信号。所以需功率驱动元件。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路常用的常用的输出驱动电路输出驱动电路有：有：1 1）三极管）三极管驱动电路驱动电路 2 2）达林顿驱动电路）达林顿驱动电路 （2 2）输出驱动电路）输出驱动电路1 1）三极管驱动电路）三极管驱动电路对对于于低低压压状状况况下下的的小小电电流流开开关关量量，用用功功率率三三极极管管就就可可作作开开关关驱驱动动组组件件，其其输输出出电电流流就就是是输入电流与三极管增益的乘积。输入电流与三极管增益的乘积。这这类类电电路路一一般

7、般用用于于驱驱动动发发光光二二极极管管、LEDLED显显示示器器、小小功功率率继继电电器器等等元元件件或或装装置置，要要求求电电路路的的驱驱动动实实力力一一般般为为101040 40 mAmA，可可接接受受小小功功率率的的三三极极管管或或集集成成电电路路如如7545175451、7545275452等等来来驱动。驱动。图图 一般三极管驱动电路一般三极管驱动电路 当驱动电流当驱动电流只有十几只有十几mAmA或几十或几十mAmA时，时，只要接受一只要接受一个一般的功个一般的功率三极管就率三极管就能构成驱动能构成驱动电路。电路。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路1 1）三极管驱动电路）三极管驱动电

8、路2 2）达林顿驱动电路）达林顿驱动电路当当驱驱动动电电流流须须要要达达到到几几百百毫毫安安时时，如如驱驱动动中中功功率率继继电电器器、电电磁磁开开关关等等装装置置，输输出出电电路路必必需需实实行行多多级级放放大大或或提提高高三三极极管管增增益益的的方方法法。达达林林顿顿驱驱动动电电路路是是由由多多对对两两个个三三极极管管组组成成的的达达林林顿顿复复合合管管构构成成，它它具具有有高高输输入入阻阻抗抗、高高增增益益、输输出出功功率率大大及及爱爱护护措措施施完完善善的的特特点点，同同时时多多对对复复合合管管也也特特别别适适用用于计算机限制系统中的多路负荷。于计算机限制系统中的多路负荷。（2 2）输

9、出驱动电路）输出驱动电路2）达林顿驱动电路这类电路常用于驱动中功率继电器、电磁开关等装置，一般要求具有50500 mA的驱动实力，可接受达林顿复合晶体管或中功率三极管来驱动，如图所示。目前常用达林顿阵列驱动器如MC1412、MC1413、MC1416等来驱动中功率负载。图是MC1416的结构图及每个复合管的内部结构，它的集电极电流可达500 mA，输出端耐压可达100V，特殊适合于驱动中功率继电器。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路达林顿驱动电路达林顿驱动电路下图给出达林顿阵列驱动器下图给出达林顿阵列驱动器MC1416MC1416的结构图与每对复合管的内部

10、结构，的结构图与每对复合管的内部结构，MC1416MC1416内含内含7 7对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA500mA，截止时能承受截止时能承受100V100V电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管极管D2D2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，D1D1、D3D3可抑制低电平上的负向可抑制低电平上的负向过冲。过冲。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路达林顿驱动电路达林顿驱动电路 下图为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当CPU数据线Di 输出数字“0”即低电平常

11、，经7406反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的爱护二极管构成了负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路。3 3）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、中间继电器等几种类型。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一种最常用的输出继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电限制外界沟通或直流的高电压、方式，通过弱电限制外界沟通或直流的

12、高电压、大电流设备。大电流设备。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路继电器原理图继电器原理图继电器原理图继电器原理图继电器驱动电路的设计要依据所用继电器线圈的继电器驱动电路的设计要依据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，限制电流确定要大于继电吸合电压和电流而定，限制电流确定要大于继电器的吸合电流才能使继电器牢靠地工作。器的吸合电流才能使继电器牢靠地工作。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路3 3）继电器驱动电路）继电器驱动电路常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。由于继电器线圈须要确间继电器等几种类型。由于继电器线圈须要确定的电流才

13、能动作，所以必需实行措施加以驱定的电流才能动作，所以必需实行措施加以驱动。动。图为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当图为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPUCPU数据线数据线DiDi输出数字输出数字“1”“1”即高电平常，经即高电平常，经74067406反相驱动器变为低电平，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，使光敏三极管导通，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈继电器线圈KAKA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现由于继电器线圈是电感性负载

14、，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了爱护驱动器件，应在继电器线较高的电感性浪涌电压，为了爱护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈供应一个电流泄放圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈供应一个电流泄放回路。回路。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路继电器驱动电路继电器驱动电路（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路继电器驱动电路继电器驱动电路图图 经光耦隔离器的继电器输出驱动电路经光耦隔离器的继电器输出驱动电路n晶晶闸闸管管又又称称可可控控硅硅（SCRSCR），是是一一种种大大功功率率的的半半导导体体器器件件，具具有有用用小小功功率率限限制制大大功功率率、开开关关

15、无无触触点点等等特特点点，在在交交直直流流电电机机调调速速系系统统、调调功功系系统统、随随动动系系统统中中应应用广泛。用广泛。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路4 4）晶闸管驱动电路）晶闸管驱动电路晶闸管是一个三端器件，其符号如图所示，有晶闸管是一个三端器件，其符号如图所示，有阳极阳极A A、阴极、阴极K K、限制极（门极）、限制极（门极）G G三个极。当阳、三个极。当阳、阴极之间加正压时，限制极与阴极两端也施加阴极之间加正压时，限制极与阴极两端也施加正压使限制极电流增大到触发电流值时，晶闸正压使限制极电流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；只有在阳、阴极间施加反管由截止转为导通；只有

16、在阳、阴极间施加反向电压或阳极电流减小到维持电流以下，晶闸向电压或阳极电流减小到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。单向晶闸管具有单向导管才由导通变为截止。单向晶闸管具有单向导电功能，在限制系统中多用于直流大电流场合，电功能，在限制系统中多用于直流大电流场合，也可在沟通系统中用于大功率整流回路。也可在沟通系统中用于大功率整流回路。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路4 4）晶闸管驱动电路）晶闸管驱动电路双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相当于两个单向晶闸管的反向结构上相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个限制极，结构如图并联，但共享一个限制极，结构如图

17、所示。当两个电极所示。当两个电极T1T1、T2T2之间的电压之间的电压大于大于1.5V1.5V时，不论极性如何，便可利时，不论极性如何，便可利用限制极用限制极G G触发电流限制其导通。双触发电流限制其导通。双向晶闸管具有双向导通功能，因此特向晶闸管具有双向导通功能，因此特殊适用于沟通大电流场合。殊适用于沟通大电流场合。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路4 4）晶闸管驱动电路）晶闸管驱动电路图图 晶闸管的结构符号晶闸管的结构符号（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路4 4）晶闸管驱动电路）晶闸管驱动电路（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路晶闸管常用于高电压大电流的负载

18、，不适宜与晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPUCPU干脆相干脆相连，在实际运用时要接受隔离措施。下图为经光耦隔离的连，在实际运用时要接受隔离措施。下图为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当双向晶闸管输出驱动电路，当CPUCPU数据线数据线DiDi输出数字输出数字“1”“1”时，经时，经74067406反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型沟通负荷设备型沟通负荷设备RLRL。固态继电器固态继电器SSRSSR（Solid State Relay

19、Solid State Relay）是一种新型的无触点）是一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限制回路与负载开关的电子继电器，它利用电子技术实现了限制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命有体积小、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，在计算机限制系统中得到长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机限制系统中得到广泛的

20、应用，大有取代电磁继电器之势。广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路5 5）固态继电器驱动电路）固态继电器驱动电路特大功率固态继电器套件B500（250650A）单相长条固态继电器（10120A）单相特大功率固态继电器（3001000A）三相固态继电器C-3(5-80A)（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路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SSRSSR是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。SSRSSR由五部分组成。由五部

21、分组成。图图 SSRSSR结构原理及符号结构原理及符号（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路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SSRSSR由五部分组成。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，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，同时使两端在电气上完全隔离；同时使两端在电气上完全隔离；限制触发电路是为后级供应一个触发信号，使电子开关（三限制触发电路是为后级供应一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能牢靠地导通；极管或晶闸管）能牢靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或沟通负载电源；电子开关电路用来接通或关断直流或沟通负载电源；

22、吸取爱护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电吸取爱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，一般由路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由RCRC串联网络和串联网络和压敏电阻组成；压敏电阻组成；零压检测电路是为沟通型零压检测电路是为沟通型SSRSSR过零触发而设置的。过零触发而设置的。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 SSRSSR的输入端与晶体管、的输入端与晶体管、TTLTTL、CMOSCMOS电路兼容，输出端利用器电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在输入端施件内的电子开关来接通

23、和断开负载。工作时只要在输入端施加确定的弱电信号，就可以限制输出端大电流负载的通断。加确定的弱电信号，就可以限制输出端大电流负载的通断。SSRSSR的输出端可以是直流也可以是沟通，分别称为直流型的输出端可以是直流也可以是沟通，分别称为直流型SSRSSR和沟通型和沟通型SSRSSR。直流型。直流型SSRSSR内部的开关组件为功率三极管，沟内部的开关组件为功率三极管，沟通型通型SSRSSR内部的开关组件为双向晶闸管。而沟通型内部的开关组件为双向晶闸管。而沟通型SSRSSR按限制按限制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型

24、。泛的是过零型。直流型直流型SSRSSR的输入限制信号与输出完全同步。直流型的输入限制信号与输出完全同步。直流型SSRSSR主要用于直流大主要用于直流大功率限制。一般取输入电压为功率限制。一般取输入电压为4 432V32V，输入电流，输入电流5 510mA10mA。它的输出端为。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为晶体管输出，输出工作电压为3030180V180V。沟通型沟通型SSRSSR主要用于沟通大功率限制。一般取输入电压为主要用于沟通大功率限制。一般取输入电压为4.32V4.32V，输入电，输入电流小于流小于500mA500mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在。它的输出端为双向

25、晶闸管，一般额定电流在1A1A到几百到几百A A范范围内，电压多为围内，电压多为380V380V或或220V220V。下图为一种常用的固态继电器驱动电路，。下图为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线当数据线DiDi输出数字输出数字“0”“0”时，经时，经74067406反相变为高电平，使反相变为高电平，使NPNNPN型三极管型三极管导通导通,SSR,SSR输入端得电则输出端接通大型沟通负荷设备输入端得电则输出端接通大型沟通负荷设备RLRL。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路沟通型沟通型SSRSSR按限制触发方式不同又可分为过零型和移相型两按限制触发方式不

26、同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。种，其中应用最广泛的是过零型。过零型沟通过零型沟通SSRSSR是指当输入端加入限制信号后，需等待负载是指当输入端加入限制信号后，需等待负载电源电压过零时，电源电压过零时，SSRSSR才为导通状态；而断开限制信号后，才为导通状态；而断开限制信号后，也要等待沟通电压过零时，也要等待沟通电压过零时，SSRSSR才为断开状态。才为断开状态。移相型沟通移相型沟通SSRSSR的断开条件同过零型沟通的断开条件同过零型沟通SSRSSR，但其导通条件，但其导通条件简洁，只要加入限制信号，不管负载电流相位如何，马上导简洁，只要加入限制信号，不管负载电流相位如

27、何，马上导通。通。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 非过零型非过零型导通时间导通时间马上导通马上导通过零型导过零型导通时间通时间过零型导过零型导通时间通时间关断时间关断时间相同，在相同，在过零时过零时沟通电源沟通电源波形波形限制信号限制信号SSR两端的两端的电压在导通电压在导通时为时为0。非过零型非过零型SSR，加上限制信号便导通，加上限制信号便导通沟通沟通SSRSSR输出波形如下图所示。输出波形如下图所示。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 在实际运用中，要特殊留意固态继电器的过电流与在实际运用中，要特殊留意固态继

28、电器的过电流与过电压爱护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选过电压爱护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时，用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时，一般要远大于实际负载的电流与电压，而且输出驱一般要远大于实际负载的电流与电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增加阻容吸取组件。具体电路与动电路中仍要考虑增加阻容吸取组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。参数请参考生产厂家有关手册。（2 2）输出驱动电路）输出驱动电路固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路（1 1）、模拟量输出通道的结构）、模拟量输出通道的结构 在微机限制系统中，被限制的对象往往是多回路在微机

29、限制系统中，被限制的对象往往是多回路的。对于多路模拟量输出通道，须要考虑的问题的。对于多路模拟量输出通道，须要考虑的问题是在限制量更新之前，如何保持本次的限制信号是在限制量更新之前，如何保持本次的限制信号不变。保持的方式有两种：数字量保持和模拟量不变。保持的方式有两种：数字量保持和模拟量保持保持 。2.2.模拟量输出通道模拟量输出通道（1 1）、模拟量输出通道的结）、模拟量输出通道的结构构）各通道自备转换）各通道自备转换器形式器形式 如图所示，这种形式各通如图所示，这种形式各通道之间是相互独立的，每道之间是相互独立的，每一通道的结构和单路模拟一通道的结构和单路模拟量输出通道相同。这种形量输出通

30、道相同。这种形式的优点是转换速度快、式的优点是转换速度快、工作牢靠，即使某一通道工作牢靠，即使某一通道出了故障也不会影响其他出了故障也不会影响其他通道的工作通道的工作 。2.2.模拟量输出通道模拟量输出通道（1 1）、模拟量输出通道的结构）、模拟量输出通道的结构 2 2）各通道公用转换器形式）各通道公用转换器形式 各通道共用转换器形式如图所示。各通道共用转换器形式如图所示。在这种形式中在这种形式中 ，计算机输出计算机输出 的限制信息都经同一个的限制信息都经同一个 转换器转换成相应的模拟量，再经多路开关传转换器转换成相应的模拟量，再经多路开关传送到相应的通道，由各自的保持器保持当前的模拟量。送到

31、相应的通道，由各自的保持器保持当前的模拟量。其优点是节约了价格较贵的转换器，但由于各其优点是节约了价格较贵的转换器，但由于各通道是分时工作的，工作速度受到限制通道是分时工作的，工作速度受到限制 。2.2.模拟量输出通道模拟量输出通道（2 2）、）、V/I V/I电压电流转换器电压电流转换器为什么运用为什么运用V/IV/I电压电流转换器？电压电流转换器？1 1、电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，因而、电流信号易于远距离传送，且不易受干扰，因而在输入、输出通道中常以电流信号为传送信息；在输入、输出通道中常以电流信号为传送信息；2 2、在测控系统中，有些仪表只供应电流输入输出，、在测控系统中，有些仪表只供应电流输入输出，这就须要接受这就须要接受V/IV/I转换将电压信号转换成相应的电转换将电压信号转换成相应的电流信号。流信号。2.2.模拟量输出通道模拟量输出通道复习题复习题n1 1、在计算机限制系统的输出通道中为什、在计算机限制系统的输出通道中为什么须要功率驱动元件？么须要功率驱动元件？n2 2、输出通道中为什么须要、输出通道中为什么须要V/IV/I转换器？转换器？n3 3、画出单向和双向可控硅的表示符号。、画出单向和双向可控硅的表示符号。说明单向可控硅的通断条件。并能画出沟说明单向可控硅的通断条件。并能画出沟通电路中的输出波形。通电路中的输出波形。