计算机控制系统数字量输入输出通道

第 四 章 :数 字 量 输 入 输 出 通 道n 1、 光 电 耦 合 隔 离 器 的 结 构 原 理 及 其 隔 离 电 路 ； n 2、 数 字 量 输 入 通 道 中 几 种 典 型 电 路 ；n 3、 数 字 量 输 出 通 道 几 种 典 型 驱 动 电 路 ； 本 章 主 要 内 容v 引 言v 4.1 光 电 耦 合 隔 离 技 术v 4.2 数 字 量 输 入 通 道 v 4.3 数 字 量 输 出 通 道 v 4.4 DI/DO模 板v 本 章 小 结 v 思 考 题 n 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 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 等 。 4.1 光 电 耦 合 隔 离 技 术 主 要 知 识 点v 4.1.1 光 电 耦 合 隔 离 器 v 4.1.2 光 电 耦 合 隔 离 电 路 4.1.1 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 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 。 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 4-2 所 示 。 端入输 端出输V5+ V5+ 链 接 动 画 n 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 。 n 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 。 n 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 。 n 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 ；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 。 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 同相 传 递 与 数 字 量 反 相 传 递 两 种 ， 如 图 4-3 所 示 。 数 字 量 同 相 传 递 如 图 4-3（ a） 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 ， 光 耦 的 集 电 极 c 端 通 过 电 阻 接 另 一 个 正 电 源 ，发 射 极 e 端 直 接 接 地 ， 光 耦 输 出 端 即 从 集 电 极 c 端 引出 。 当 数 据 线 为 低 电 平 “ 0”时 ， 发 光 管 导 通 且 发 光 ， 使 得光 敏 管 导 通 ， 输 出 c 端 接 地 而 获 得 低 电 平 “ 0”； 当 数据 线 为 高 电 平 “ 1”时 ， 发 光 管 截 止 不 发 光 ， 则 光 敏 管 也 截止 使 输 出 c 端 从 电 源 处 获 得 高 电 平 “ 1”。 如 此 ， 完 成了 数 字 信 号 的 同 相 传 递 。4.1.2 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+5V c ce e+ +- -D7D0 74LS273数据缓冲器选 通 脉 冲 b(a( D7D0 74LS273数据缓冲器选 通 脉 冲 链 接 动 画 数 字 量 反 相 传 递 如 图 4-3（ b） 所 示 ， 与 （ a）不 同 的 是 光 耦 的 集 电 极 c 端 直 接 接 另 一 个 正电 源 ， 而 发 射 极 e 端 通 过 电 阻 接 地 ， 则 光 耦 输出 端 从 发 射 极 e 端 引 出 。 从 而 完 成 了 数 字 信 号的 反 相 传 递 。 4.2 数 字 量 输 入 通 道主 要 知 识 点v 引 言v 4.2.1 开 关 输 入 电 路 v 4.2.2 脉 冲 计 数 电 路 引 言 数 字 量 输 入 通 道 （ DI 通 道 ） 的 任 务 -是把 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 。 l 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 ， RC滤 波 ， 过 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 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 。4.2.1 开 关 输 入 电 路 l 典 型 的 开 关 量 输 入 信 号 调 理 电 路 如 图 4-4 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 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 。 -+S2D到 输 入缓 冲 器 CCV+ 2R 1R 1C1D3R光 耦 S2D到 输 入缓 冲 器 CCV+ 2R 1R 1C1D3R光 耦 图 4-4 开 关 量 输 入 信 号 调 理 电 路 C 2R 3(a) 直 流 输 入 电 路(b) 交 流 输 入 电 路 链 接 动 画 n 4.2.2 脉冲计数电路 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 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 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+12V CCV 8253/8254CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1CLK2OUT2GATE0GATE2系 统 时 钟TS TW CRCEOL+5V 计 数 通 道 1 PC总 线R C R光 耦Dz 链 接 动 画 n 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率信号，经过简单的信号调理，引到8254芯片的计数通道1的CLK1口。8254是具有3个16位计数器通道的可编程计数器/定时器。图中，计数通道0工作于模式3，CLK0用于接收系统时钟脉冲，OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲N倍（N为通道0的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通道1的采样时间和采样间隔时间，分别记为TS、TW；计数通道1和2均选为工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使两者构成一个计数长度为232的脉冲计数器，以对TS内的输入脉冲计数。 如果获得TS时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内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(即一个脉冲相当的流量或转数)为K，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v 4.3.1 三 极 管 驱 动 电 路 v 4.3.2 继 电 器 驱 动 电 路 v 4.3.3 晶 闸 管 驱 动 电 路 v 4.3.4 固 态 继 电 器 驱 动 电 路 引 言 数 字 量 输 出 通 道 简 称 DO 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 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 选用 不 同 的 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 。 n 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积。4.3.1 三 极 管 驱 动 电 路 1 .普 通 三 极 管 驱 动 电 路 当 驱 动 电 流 只 有 十 几 mA或 几 十 mA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 4-6所 示 。6047 K3.3 管极三 DELV5+ 033 图 4-6 小 功 率 三 极 管 输 出 电 路D i 链 接 动 画 n 2. 达 林 顿 驱 动 电 路 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 。 n 图 4-7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 ，MC1416内 含 7对 达 林 顿 复 合 管 ， 每 个 复 合管 的 集 电 极 电 流 可 达 500mA， 截 止 时 能 承受 100V电 压 ， 其 输 入 输 出 端 均 有 箝 位 二 极管 ， 输 出 箝 位 二 极 管 D2抑 制 高 电 位 上 发 生的 正 向 过 冲 ， D1、 D3可 抑 制 低 电 平 上 的 负向 过 冲 。 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C COM16 15 14 13 12 11 10 9 GND7B6B5B4B3B2B1B1 2 3 4 5 6 7 8 10.5kB R0 7.2kR1D1 R2T1 T2 D3 CE D2 COM3k (a)MC14716结 构 图 （ b） 复 合 管 内 部 结 构图 4-7 MC1416达 林 顿 阵 列 驱 动 器 图 4-8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 时 ， 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 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 。 图 4-8 达 林 顿 阵 列 驱 动 电 路7406 达 林 顿 复 合 管负 荷 线 圈 +24VDi 1B 1CGND 链 接 动 画 n 4.3.2 继电器驱动电路 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 出方 式 ， 通 过 弱 电 控 制 外 界 交 流 或 直 流 的 高 电 压 、大 电 流 设 备 。 D L K控 制 电 流 外 部 设 备线 圈 铁 芯 触 点衔 铁 n 继 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 。 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 需 要 一 定 的电 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n 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 器 的 吸 合 电 流 才能 使 继 电 器 可 靠 地 工 作 。 图 4-9为 经 光 耦 隔 离 器 的 继 电 器 输 出 驱 动 电路 ， 当 CPU数 据 线 Di 输 出 数 字 “ 1”即 高 电 平 时 ，经 7406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 线圈 KA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 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 ，为 电 感 线 圈 提 供 一 个 电 流 泄 放 回 路 。 cVpV 耦光6047 KA 220V图 4-9 继 电 器 输 出 驱 动 电 路Di 链 接 动 画 4.3.3 晶 闸 管 驱 动 电 路n 晶 闸 管 又 称 可 控 硅 （ SCR） ， 是 一种 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 交直 流 电 机 调 速 系 统 、 调 功 系 统 、 随 动 系统 中 应 用 广 泛 。 n 晶 闸 管 是 一 个 三 端 器 件 ， 其 符 号 表 示 如 图 4-10所 示 ， （ a） 为 单 向 晶 闸 管 ， 有 阳 极 A、 阴 极 K、控 制 极 （ 门 极 ） G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 。 AG K T2T1G n 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 个控 制 极 ， 结 构 如 图 （ b） 所 示 。 当 两 个 电 极 T1、T2之 间 的 电 压 大 于 1.5V时 ， 不 论 极 性 如 何 ， 便 可利 用 控 制 极 G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 流场 合 。 +5V6047 180 400 470.01FT2G T1KSMO C3041 220V图 4-11 双 向 晶 闸 管 输 出 驱 动 电 路 RLD i 链 接 动 画 n 晶 闸 管 常 用 于 高 电 压 大 电 流 的 负 载 ， 不适 宜 与 CPU直 接 相 连 ， 在 实 际 使 用 时 要 采 用 隔 离措 施 。 图 4-11为 经 光 耦 隔 离 的 双 向 晶 闸 管 输 出驱 动 电 路 ， 当 CPU数 据 线 Di 输 出 数 字 “ 1”时 ，经 7406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 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 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 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 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 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 控制 系 统 中 得 到 广 泛 的 应 用 ， 大 有 取 代 电 磁 继 电 器 之势 。 n 固 态 继 电 器 SSR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 4-11中的 晶 闸 管 输 出 驱 动 电 路 。 图 4-12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 开 关 电 路 产 生 干 扰 造 成开 关 的 误 动 作 或 损 害 ， 一 般 由 RC串 联 网 络 和 压 敏电 阻 组 成 ； 零 压 检 测 电 路 是 为 交 流 型 SSR过 零 触发 而 设 置 的 。 u SSR 的 输 入 端 与 晶 体 管 、 TTL、 CMOS 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 加 一 定 的 弱 电信 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 流 ， 分别 称 为 直 流 型 SSR 和 交 流 型 SSR 。 直 流型 SSR 内 部 的 开 关 组 件 为 功 率 三 极 管 ， 交 流型 SSR内 部 的 开 关 组 件 为 双 向 晶 闸 管 。 而 交 流型 SSR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 。 u 过 零 型 交 流 SSR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 ， SSR才 为 导 通状 态 ； 而 断 开 控 制 信 号 后 ， 也 要 等 待 交 流 电 压 过零 时 ， SSR才 为 断 开 状 态 。 移 相 型 交 流 SSR的断 开 条 件 同 过 零 型 交 流 SSR， 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 ，立 即 导 通 。 直 流 型 SSR的 输 入 控 制 信 号 与 输 出 完 全 同 步 。直 流 型 SSR 主 要 用 于 直 流 大 功 率 控 制 。 一 般取 输 入 电 压 为 4 32 V， 输 入 电 流 5 10mA。 它 的 输 出 端 为 晶 体 管 输 出 ， 输 出 工 作 电压 为 30 180 V。 n 交 流 型 SSR 主 要 用 于 交 流 大 功 率控 制 。 一 般 取 输 入 电 压 为 4.32V， 输 入 电 流小 于 500 mA。 它 的 输 出 端 为 双 向 晶 闸管 ， 一 般 额 定 电 流 在 1A A范 围内 ， 电 压 多 为 380 V 或 220 V。 图4-13 为 一 种 常 用 的 固 态 继 电 器 驱 动 电路 ， 当 数 据 线 Di 输 出 数 字 “ 0”时 ， 经7406反 相 变 为 高 电 平 ， 使 NPN型 三 极 管 导通 , SSR输 入 端 得 电 则 输 出 端 接 通 大 型 交流 负 荷 设 备 RL。 6047 cV LRRSS _图 4-13固态继电器输出驱动电路 交流电源+ Di 链 接 动 画 n 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 路与 参 数 请 参 考 生 产 厂 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 设计 在 一 块 模 板 上 , 就 称 为 DI模 板 或 DO模 板 ， 也 可统 称 为 数 字 量 I/O模 板 。 图 4-14为 含 有 DI通 道 和DO通 道 的 PC总 线 数 字 量 I/O模 板 的 结 构 框 图 ， 由PC总 线 接 口 逻 辑 、 I/O功 能 逻 辑 、 I/O电 气 接 口等 三 部 分 组 成 。 如 图 4-14所 示 。 总 线 接 口 逻 辑 I/O功 能 逻 辑 I/O电 气 接 口输 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 n PC总 线 接 口 逻 辑 部 分 由 8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 。 I/O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 缓冲 、 加 强 和 选 通 作 用 ； 输 出 锁 存 器 锁 存 CPU 输 出 的数 据 或 控 制 信 号 ， 供 外 部 设 备 使 用 。 I/O缓 冲 功 能 可 以用 可 编 程 接 口 芯 片 如 8255A构 成 ， 也 可 以 用 74LS240、244、 373、 273等 芯 片 实 现 。 I/O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 。 各 种 数 字 量 I/O模 板 的 前 两 部 分 大 同 小 异 ， 不 同的 主 要 在 于 I/O电 气 接 口 部 分 ， 即 输 入 信 号 的 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 。 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 件抗 干 扰 技 术 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 分析 了 数 字 量 输 入 通 道 中 的 3种 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 通道 中 的 4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 。 n 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 。 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 作原 理 。2. 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 。3. 结 合 图 4-4， 简 述 信 号 调 理 电 路 的 构 成 及 其 各元 器 件 的 作 用 。4. 分 析 说 明 图 4-5脉 冲 计 数 电 路 的 工 作 过 程 及 其 用 途 。 n 5. 简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。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出驱动电路的异同点。8. 结合图4-14，简述数字量I/O模板电路的结构组成。