数字量输入输出课件.pptx
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1、计算机先进控制技术第1部分:硬件设计技术(3)数字量输入输出通道2023年4月27日2时37分计算机控制系统2数字量输入输出通道数字量输入输出通道光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路;数字量输入通道中几种典型电路;数字量输出通道几种典型驱动电路;2023年4月27日2时37分计算机控制系统3主要内容主要内容v引言v光电耦合隔离技术v数字量输入通道 v数字量输出通道 vDI/DO模板v小结2023年4月27日2时37分计算机控制系统4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,包括开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑“1”和“0”或电平的高和低出现的,如开关触点的闭合
2、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,晶闸管的通和断,阀门的打开和关闭,仪器仪表的 BCD 码,以及脉冲信号的计数和定时等。2023年4月27日2时37分计算机控制系统51 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光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 2023年4月27日2时37分计算机控制系统6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,即都是通过电光电这种信号转换,利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。2
3、023年4月27日2时37分计算机控制系统7 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,如下图所示。端入输端出输V5+V5+2023年4月27日2时37分计算机控制系统8光耦的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,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(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,以及在模拟量输入输出通道中的A/D转换器与CPU或CPU与D/A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离。2023年4月27日2时37
4、分计算机控制系统9线性区例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换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离。2023年4月27日2时37分计算机控制系统10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;缺点是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影响A/D或D/A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,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,数字信号隔离方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多。比较2023年4月27日2时37分计算机控制系统11要注意的是,用于驱动发光
5、管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一个电源,必必须分开单独供电须分开单独供电,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,目前已生产出各种集成的多路光耦隔离器,如TLP系列就是常用的一种。2023年4月27日2时37分计算机控制系统12n下面以控制系统中常用的数字信号的隔离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。典型的方法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光电耦合隔离电路有数
6、字量同相传递与数字量反相传递两种。字量反相传递两种。光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路2023年4月27日2时37分计算机控制系统13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 冲同相传递和反向传递2023年4月27日2时37分计算机控制系统142 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 开关输入电路开关输入电路 v 脉冲计数电路脉冲计数电路 2023年4月27日2时37分计算机控制系统15引言引言 数字量输入通道(DI通道)的任务-是把
7、生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。信号调理电路-虽然都是数字信号,不需进行A/D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,即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。2023年4月27日2时37分计算机控制系统16l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,电平转换,RCRC滤波,过滤波,过电压保护,反电压保护,光电隔离电压保护,反电压保护,光电隔离等。(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号。(2)RC滤波是用RC滤波器滤除高频干扰。(3)过电压保护是用
8、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。(4)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完全电隔离。开关输入电路开关输入电路 2023年4月27日2时37分计算机控制系统17开关量输入调理电路l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S与电源组成的外部电路,(a)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容和整流桥块,可把高压交流(如380VAC)变换为低压直流(如5VDC)。开关S的状态经RC滤波、稳压管D1箝位保护、电阻R2限流、二极管D2防止反极性电
9、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便可读取开关S的状态。比如,当开关S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,即输入信号为“0”对应外电路开关S的闭合;反之,开关S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“1”对应外电路开关S的断开。2023年4月27日2时37分计算机控制系统18-+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
10、号号 调调 理理 电电 路路C2R3(a)直 流 输 入 电 路(b)交 流 输 入 电 路开关量输入信号调理电路2023年4月27日2时37分计算机控制系统19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脉冲频率信号,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冲个数,然后根据传感器的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测的物理量。比例系数可换算出所检测的物理量。2023年4月27日2时37分计算机控制系统2
11、0图 4-5 脉冲计数输入电路+12VCCV8253/8254CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1CLK2OUT2GATE0GATE2系统时钟TSTWCRCEOL+5V计数通道1PC总线RCR光耦Dz脉冲计数电路2023年4月27日2时37分计算机控制系统21图图4-5为一种定时计数输入接口电路,传感器发出的脉冲频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,引到率信号,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位计数器通道的可编程计数器计数器/定时器。图中,计数通道定时
12、器。图中,计数通道0工作于模式工作于模式3,CLK0用用于接收系统时钟脉冲,于接收系统时钟脉冲,OUT0输出一个周期为系统时钟脉输出一个周期为系统时钟脉冲冲N倍(倍(N为通道为通道0的计数初值)的连续方波脉冲,其高、的计数初值)的连续方波脉冲,其高、低电平时段是计数通道低电平时段是计数通道1的采样时间和采样间隔时间,分别的采样时间和采样间隔时间,分别记为记为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,使两者构成一个计数长度为,使两者构成一个计数长度为232的的脉冲计数器,以对脉冲计数器,以对TS内的输入脉冲计数。内的输入脉冲计数。如
13、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,则单位时间内的脉冲个数即脉冲频率为内的脉冲个数即脉冲频率为n/TS,从而可换算出介质的流,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,它们的脉冲当量量计或磁电式速度传感器,它们的脉冲当量(即一个脉冲相即一个脉冲相当的流量或转数当的流量或转数)为为K,则介质的流量或电机的转数就为,则介质的流量或电机的转数就为n/TSK。2023年4月27日2时37分计算机控制系统223、数字量输出通道主要知识点v 引言引言v 三极管驱动
14、电路三极管驱动电路 v 继电器驱动电路继电器驱动电路 v 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 2023年4月27日2时37分计算机控制系统23引言 数字量输出通道简称数字量输出通道简称 DO 通道通道,它的任务是,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。根据现场负荷过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同,如指示灯、继电器、接触器、电机、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
15、道。常用的有三极管输同的开关量驱动输出通道。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。出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。2023年4月27日2时37分计算机控制系统24对于低压情况下的小电流开关量,用功率三极管就可作开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,其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘关驱动组件,其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。积。三极管驱动电路三极管驱动电路2023年4月27日2时37分计算机控制系统25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
16、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时,只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路。功率三极管就能构成驱动电路。6047K3.3管极三DELV5+033图 4-6 小 功 率 三 极 管 输 出 电 路Di2023年4月27日2时37分计算机控制系统26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,输出电中功率继电器、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路必须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办法。达林顿阵列驱动器是由多
17、对两个三极管组成的达林顿复合管构成,它具有高极管组成的达林顿复合管构成,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,同时多对复合管也非常适施完善的特点,同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷。用于计算机控制系统中的多路负荷。2023年4月27日2时37分计算机控制系统27下面给出达林顿阵列驱动器下面给出达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与内部结构的结构图与内部结构MC1416内含内含7对达林顿复合管,每个复合管的集电极电流对达林顿复合管,每个复合管的集电极电流可达可达500mA,截止时能承受,截止时能承受100V电压,其输入输出
18、端均电压,其输入输出端均有箝位二极管,输出箝位二极管有箝位二极管,输出箝位二极管D2抑制高电位上发生的正抑制高电位上发生的正向过冲,向过冲,D1、D3可抑制低电平上的负向过冲。可抑制低电平上的负向过冲。2023年4月27日2时37分计算机控制系统281C2C3C4C5C6C7CCOM161514131211109GND7B6B5B4B3B2B1B1234567810.5kBR07.2kR1D1R2T1T2D3CED2COM3k(a)M C14716结 构 图(b)复 合 管 内 部 结 构图 4-7 M C1416达 林 顿 阵 列 驱 动 器达林顿阵列驱动器2023年4月27日2时37分计算
19、机控制系统29 下图下图为达林顿阵列驱动中的一路驱动电为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路,当路,当CPUCPU数据线数据线D Di i 输出数字输出数字“0 0”即低电即低电平时,经平时,经74067406反相锁存器变为高电平,使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,而且利用复合极电流足以驱动负载线圈,而且利用复合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时管内的保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。产生的反向电动势的泄流回路。2023年4月27日2时37分计算机控制系统30图图 4-8 达达林林顿顿阵
20、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+24VDi1B1CGND达林顿阵列驱动电路2023年4月27日2时37分计算机控制系统31 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,通过弱电控制外界交流或直流的高电压、方式,通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。大电流设备。继电器驱动电路继
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