数字量输入输出通道

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1、 第四章第四章:数字量输入输出通道数字量输入输出通道n1 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；n2 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；n3 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；本章主要内容本章主要内容v 引言引言v 4.1 4.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术v 4.2 4.2 数字量输入通道数字量输入通道 v 4.3 4.3 数字量输出通道数字量输出通道 v 4.4 DI/DO4.4 DI/DO模板模板v 本章小结本章小结 v 思考题思考题 n 在微机控制系统中，除了要处理模拟在

2、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，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。它们是以二进包括开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑制的逻辑“1”“1”和和“0”“0”或电平的高和低出或电平的高和低出现的。如开关触点的闭合和断开，指示灯现的。如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，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，仪器仪表的门的打开和关闭，仪器仪表的 BCD BCD 码，码，以及脉冲信号的计数和定时等等以及脉冲信号的计数和定时

3、等等 。4.1 4.1 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 4.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v 4.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 4.1.1 4.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器n 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，如图型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图4-1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这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。干扰而完成

4、隔离功能的。现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为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，如图例来说明它的结构原理，如图 4-2 4-2 所示。所示。端入输端出输V5+V5+链接动画链接动画n光电耦合隔离器的输入输出类似普通三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，即存在着极管的输入输出特性，即存在着截止区、截止区、饱和区与线性区饱和区与线性区三部分。利用光耦隔离三部分。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止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称离电磁干扰，简称对数字信号进行隔

5、离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模拟量输入输出通道中的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的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。对数字信号进行隔离。n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转换器与现场执行器之间的模拟信号的线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性传送，可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离。号进行隔

6、离。n 光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模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，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，如果光耦挑选成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响得不合适，会影响A/D或或D/A转换的精度和转换的精度和线性度。数字信号隔离方法的优点是调试线性度。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光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势凸现出来，因而

7、在工程中使用的最多。势凸现出来，因而在工程中使用的最多。n 要注意的是，用于驱动发光管的电要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一个电源，必须分开单独供电，才能有效避个电源，必须分开单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；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。电磁场的电干扰。为了适应计算机控

8、制系统的需求，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，目前已生产出各种集成的多路光耦隔离器，如如TLP系列就是常用的一种。系列就是常用的一种。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。典型的光电耦合隔离电路有数字量同光电耦合隔离电路。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，如图相传递与数字量反相传递两种，如图4-3所示。所示。数字量同相传递如图数字量同相传递如图4-3（a）所示）所示，光耦的输入正，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端接正电源，输入

9、负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上，光耦的集电极上，光耦的集电极c端通过电阻接另一个正电源，端通过电阻接另一个正电源，发射极发射极e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端引端引出。当数据线为低电平出。当数据线为低电平“0”时，发光管导通且发光，使得时，发光管导通且发光，使得光敏管导通，输出光敏管导通，输出c端接地而获得低电平端接地而获得低电平“0”；当数；当数据线为高电平据线为高电平“1”时，发光管截止不发光，则光敏管也截时，发光管截止不发光，则光敏管也截止使输出止使输出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。如此，完成了数字信号的同相传递

10、。了数字信号的同相传递。4.1.2 4.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 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 冲链接动画链接动画 数字量反相传递如图数字量反相传递如图4-34-3（b b）所示）所示，与（，与（a a）不同的是光耦的集电极不同的是光耦的集电极 c c 端直接接另一个正端直接接另一个正电源，而发射极电源，而发射极 e e 端通过电阻接地，则光耦输端通过电阻接地，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

11、信号端引出。从而完成了数字信号的反相传递。的反相传递。4.2 4.2 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 4.2.1 开关输入电路开关输入电路 v 4.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路 引言引言 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-是是把生产过程中的数字信号转换成计算机易把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。于接受的形式。信号调理电路信号调理电路-虽然都是数字信号，不需虽然都是数字信号，不需进行进行A/D A/D 转换，但对通道中可能引入的各转换，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，即在外种干扰必须采取相应的技术措

12、施，即在外部信号与单片机之间要设置输入信号调理部信号与单片机之间要设置输入信号调理电路。电路。l 凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开凡在电路中起到通、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，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，主要是考虑信号调理技术，如电平转换，RC滤波，过电滤波，过电压保护，反电压保护，光电隔离等。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）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。换为电压信号。（2）RC滤波是用滤波是用RC滤波器滤

13、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）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。上。（4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输入。入。（5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。电隔离。4.2.1 4.2.1 开关输入电路开关输入电路 l 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4-4所示。所示。点划线右边是由开关点划线右边

14、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）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

15、开关过执行输入指令便可读取开关S的状态。比如的状态。比如,当当开关开关S闭合时，输入回路有电流流过，光耦中的发闭合时，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，即输入光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为信号为“0”对应外电路开关对应外电路开关S的闭合；反之，开关的闭合；反之，开关S断开，光耦中的发光管无电流流过，光敏管截止，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”对应外电路开对应外电路开关关S的断开。的断开。-+S2D到到 输输 入入缓缓 冲冲 器器CCV+2R1R1C1D3R光光

16、 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 路链接动画链接动画n 4.2.2 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的是脉冲频率信号，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冲个数，然后根据传感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

17、换算出所检测的物理量。器的比例系数可换算出所检测的物理量。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链接动画链接动画n 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，引到频率信号，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计数器位计数器通道的可编程计数器/定时器。图

18、中，计数通道定时器。图中，计数通道0工作于模式工作于模式3，CLK0用于接收系统用于接收系统时钟脉冲，时钟脉冲，OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲输出一个周期为系统时钟脉冲N倍（倍（N为通为通道道0的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道通道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；计数通道通道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，使两者构成一个计数长度为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内的输入脉内的输入脉冲

19、计数。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脉冲频率为的脉冲个数即脉冲频率为n/TS，从而可换算出介质的流量或，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，它们的脉冲当量磁电式速度传感器，它们的脉冲当量(即一个脉冲相当的流量即一个脉冲相当的流量或转数或转数)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。4.3 数字量输出通道主要知识点v 引言引言v 4.3.1 4.3.1 三极管驱动电路

20、三极管驱动电路 v 4.3.2 4.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 v 4.3.3 4.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v 4.3.4 4.3.4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 引言 数字量输出通道数字量输出通道简称简称 DO 通道，它的任务是把通道，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。根据现场负荷的不同，如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、阀门等，可以选指示灯、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量驱动输出用不同的

21、功率放大器件构成不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、固态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。驱动电路等。n 对于低压情况下的小电流开关量，用功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。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

22、几十 mAmA时，只要采用一个时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图 4-6 4-6所示。所示。6047K3.3管极三DELV5+033图 4-6 小 功 率 三 极 管 输 出 电 路Di链接动画链接动画n2.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，输出电动中功率继电器、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办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极管法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达

23、林顿复合管构成，它具有高输入阻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施完善的抗、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用于计算机特点，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。控制系统中的多路负荷。n 图图4-7给出达林顿阵列驱动器给出达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与每对复合管的内部结构，的结构图与每对复合管的内部结构，MC1416内含内含7对达林顿复合管，每个复合对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达管的集电极电流可达500mA，截止时能承，截止时能承受受100V电压，其输入输出端均有箝位二极电压，其输入输出端均有箝

24、位二极管，输出箝位二极管管，输出箝位二极管D2抑制高电位上发生抑制高电位上发生的正向过冲，的正向过冲，D1、D3可抑制低电平上的负可抑制低电平上的负向过冲。向过冲。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 图图 4-8 4-8为达林顿阵列驱动中的一路驱

25、动为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当电路，当CPUCPU数据线数据线D Di i 输出数字输出数字“0”“0”即低即低电平时，经电平时，经74067406反相锁存器变为高电平，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，而且利用复电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合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。时产生的反向电动势的泄流回路。图图 4-8 达林顿阵列驱动电路达林顿阵列驱动电路7406达林顿复合管达林顿复合管负荷线圈负荷线圈+24VDi1B1CGND

26、链接动画链接动画n4.3.2 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。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n 继电器驱动电路的设计要根据所用继继

27、电器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，控制电电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。电器可靠地工作。常用的继电器有常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中电压继电器、电流继电器、中间继电器间继电器等几种类型。由于继电器线圈需要一定的等几种类型。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。电流才能动作，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n 驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合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

28、器的吸合电流才电压和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。能使继电器可靠地工作。图图4-9为经光耦隔离器的继电器输出驱动电为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当路，当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”即高电平时，即高电平时，经经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光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，继电器线二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。备。由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关由于继电器线圈是电感性负载，当电路突

29、然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱断时，会出现较高的电感性浪涌电压，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，动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。为电感线圈提供一个电流泄放回路。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Di链接动画链接动画4.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路n 晶闸管又称可控硅（晶闸管又称可控硅（SCR），），是一是一种大功率的半导体器件，具有用小功率种大功率的半导体器件，具有用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电机

30、调速系统、调功系统、随动系直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。统中应用广泛。n 晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图4-10所示，（所示，（a）为单向晶闸管，有阳极）为单向晶闸管，有阳极A、阴极、阴极K、控制极（门极）控制极（门极）G三个极。当阳、阴极之间加正三个极。当阳、阴极之间加正压时，控制极与阴极两端也施加正压使控制极电压时，控制极与阴极两端也施加正压使控制极电流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；只有在阳、阴极间施加反向电压或阳极电流减小只有在阳、阴极间施加反向电压或阳极电流减小到维持电流

31、以下，晶闸管才由导通变为截止。单到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。单向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功率整流回路。率整流回路。AGKT2T1Gn 双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上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并联，但共享一个相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极，结构如图（控制极，结构如图（b）所示。当两个电极）所示。当两个电极T1、T2之间的电压大于之间的电压大于1.5V时，不论极性如何，便可时，不论极性

32、如何，便可利用控制极利用控制极G触发电流控制其导通。双向晶闸管触发电流控制其导通。双向晶闸管具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流场合。场合。+5V6047180400470.01FT2GT1KSMOC3041220V图图 4-11 双双向向晶晶闸闸管管输输出出驱驱动动电电路路RLDi链接动画链接动画n 晶闸管常用于高电压大电流的负载，不晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采用隔离直接相连，在实际使用时要采用隔离措施。图措施。图4-11为经光耦隔离的双向晶闸管输出为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当驱动电

33、路，当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”时，时，经经7406反相变为低电平，光耦二极管导通，使光反相变为低电平，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，敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备从而驱动大型交流负荷设备RL。n 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)是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电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控制回路与负载回路之间的电隔离和子技术实现了控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

34、可动部件或触点，却能实信号耦合，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。它具有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、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，在计算机控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，大有取代电磁继电器之制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势势。n 固态继电器固态继电器SSR是一个四端组件，有两个是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端，其内部结构类似于图输入端、两个输出端，其内部结构类似于图4-11中中的晶闸管输

35、出驱动电路。图的晶闸管输出驱动电路。图4-12所示为其结构原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，同时使两端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级提供在电气上完全隔离；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）一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直能可靠地导通；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峰和浪涌对

36、开关电路产生干扰造成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，一般由开关的误动作或损害，一般由RC串联网络和压敏串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型电阻组成；零压检测电路是为交流型SSR过零触过零触发而设置的。发而设置的。u SSR的输入端与晶体管、的输入端与晶体管、TTL、CMOS电电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和路兼容，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加一定的弱电断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。SSR的输出端可以是直流也可以是交

37、流，分的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为直流型别称为直流型SSR和交流型和交流型SSR。直流。直流型型SSR内部的开关组件为功率三极管，交流内部的开关组件为功率三极管，交流型型SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而交流内部的开关组件为双向晶闸管。而交流型型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。u 过零型交流过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号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，后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通才为导通状态；而断开控制信号后，也要等

38、待交流电压过状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，零时，SSR才为断开状态。移相型交流才为断开状态。移相型交流SSR的的断开条件同过零型交流断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件简，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，单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。立即导通。直流型直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。的输入控制信号与输出完全同步。直流型直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为取输入电压为432V，输入电流，输入电流510mA。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

39、电压为压为30180 V。n 交流型交流型SSR主要用于交流大功率主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为控制。一般取输入电压为4.32V，输入电流，输入电流小于小于500mA。它的输出端为双向晶闸。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在管，一般额定电流在1AA范围范围内，电压多为内，电压多为380V或或220V。图。图4-13为一种常用的固态继电器驱动电为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线路，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型三极管导型三极管导通通,SSR输入端得电则输出端接通大型交输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备流负

40、荷设备RL。6047cVLRRSS_图 4-13固态继电器输出驱动电路交流电源+Di链接动画链接动画n 当然，在实际使用中，要特别注意固态当然，在实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流继电器的过电流与过电压保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，一般要远大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，而且输出驱动电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收组件。具体电路路中仍要考虑增加阻容吸收组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。与参数请参考生产厂

41、家有关手册。4.4 DI/DO模板 把上述数字量输入通道或数字量输出通道设把上述数字量输入通道或数字量输出通道设计在一块模板上计在一块模板上,就称为就称为DIDI模板或模板或DODO模板，也可模板，也可统称为数字量统称为数字量I/OI/O模板。图模板。图4-144-14为含有为含有DIDI通道和通道和DODO通道的通道的PCPC总线数字量总线数字量I/OI/O模板的结构框图，由模板的结构框图，由PCPC总线接口逻辑、总线接口逻辑、I/OI/O功能逻辑、功能逻辑、I/OI/O电气接口电气接口等三部分组成。如图等三部分组成。如图4-144-14所示。所示。总线接口逻辑I/O功能逻辑I/O电气接口输

42、入片址 译码图 4-14 数字量I/O模板结构框图基址译码输出片址 译码 数据缓冲器输出片址输入片址 输入缓冲器 输出缓冲器来自外部设备 去外部设备输入调理电路输出驱动电路基址A2A0A7A3D7D0IOW PC总线NEAIOR链接动画链接动画n PC总线接口逻辑部分由总线接口逻辑部分由8位数据总线缓冲器、基位数据总线缓冲器、基址译码器、输入和输出片址译码器组成。址译码器、输入和输出片址译码器组成。I/O功能逻辑部分只有简单的输入缓冲器和输出功能逻辑部分只有简单的输入缓冲器和输出锁存器。其中，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓锁存器。其中，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、加强和选通作用；输出

43、锁存器锁存冲、加强和选通作用；输出锁存器锁存CPU 输出的输出的数据或控制信号，供外部设备使用。数据或控制信号，供外部设备使用。I/O缓冲功能可以缓冲功能可以用可编程接口芯片如用可编程接口芯片如8255A构成，也可以用构成，也可以用74LS240、244、373、273等芯片实现。等芯片实现。I/O电气接口部分的功能主要是：电平转换、滤电气接口部分的功能主要是：电平转换、滤波、保护、隔离、功率驱动等。波、保护、隔离、功率驱动等。各种数字量各种数字量I/O模板的前两部分大同小异，不同模板的前两部分大同小异，不同的主要在于的主要在于I/O电气接口部分，即输入信号的调理和输电气接口部分，即输入信号的

44、调理和输出信号的驱动，这是由生产过程的不同需求所决定的。出信号的驱动，这是由生产过程的不同需求所决定的。本章小结本章小结n 数字量输入输出通道也是计算机测控系统中的重要组数字量输入输出通道也是计算机测控系统中的重要组成部分。成部分。n 本章首先介绍了当前计算机控制系统中最重要的硬件本章首先介绍了当前计算机控制系统中最重要的硬件抗干扰技术抗干扰技术光电耦合隔离技术，并着重分析光电耦合光电耦合隔离技术，并着重分析光电耦合隔离器的结构原理及其在数字信号中的隔离电路。介绍分隔离器的结构原理及其在数字信号中的隔离电路。介绍分析了数字量输入通道中的析了数字量输入通道中的3 3种典型电路：信号调理电路、脉种

45、典型电路：信号调理电路、脉冲计数电路与拨盘开关电路。还介绍分析了数字量输出通冲计数电路与拨盘开关电路。还介绍分析了数字量输出通道中的道中的4 4种典型驱动电路：三极管驱动电路、继电器驱动电种典型驱动电路：三极管驱动电路、继电器驱动电路、晶闸管驱动电路与固态继电器驱动电路。路、晶闸管驱动电路与固态继电器驱动电路。n 通过对各种输入输出通道接口电路的分析，可以看出，通过对各种输入输出通道接口电路的分析，可以看出，光电耦合隔离器的抗干扰作用是十分重要的。光电耦合隔离器的抗干扰作用是十分重要的。习题与思考习题与思考 1.画图分析说明三极管型光电耦合隔离器的工作画图分析说明三极管型光电耦合隔离器的工作原

46、理。原理。2.2.分析说明光耦隔离器的两种特性及其隔离电磁分析说明光耦隔离器的两种特性及其隔离电磁干扰的作用机理。干扰的作用机理。3.3.结合图结合图 4-4 4-4，简述信号调理电路的构成及其各，简述信号调理电路的构成及其各元器件的作用。元器件的作用。4.4.分析说明图分析说明图 4-5 4-5脉冲计数电路的工作过程及其脉冲计数电路的工作过程及其 用途。用途。n 5.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。驱动电路。6.对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱对比分析说明三极管输出驱动与继电器输出驱动电路的异同点。动电路的异同点。7.对比分析说明晶闸管输出驱动与固态继电器输对比分析说明晶闸管输出驱动与固态继电器输出驱动电路的异同点。出驱动电路的异同点。8.结合图结合图4-14，简述数字量，简述数字量I/O模板电路的结模板电路的结构组成。构组成。