单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离.ppt

1,1. 开关量输入信号的类型,开关量输入信号有以下基本类型 （1）一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机的启动与停止、触点的接通与断开。 （2）成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码开关组等。 （3） 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。,2,2. 开关量信号输入通道,针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同的方法输入计算机进行处理。 一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口输入； 极限报警信号采用中断方式处理； 数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量其脉冲宽度、周期或脉冲个数。,3,出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再送至接口。 几种常用的预处理方法,4,图2.1 开关量输入通道的典型结构,5,开关量输入的常用预处理方法,信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 隔离处理 光电耦合器件原理与使用,6,（1）信号转换处理,从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转换处理。,对于电压输入，V1某一值，为逻辑1 对于电流输入， I 某一值，为逻辑1,7,电压输入电路,如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范,如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范,8,电流输入电路,如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范,9,开关触点输入电路,对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1” S闭合，V2=0V，为逻辑“0”,V2,R地阻值可在4.7K100K之间选取,10,（2）安全保护措施,在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先采取安全保护措施。 信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬间干扰等。 就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压（过电流），例如雷电引起的等。 因此还需要有安全保护电路。 常用的保护电路为：,11,输入保护电路,12,电平转换与保护电路组合使用的一个例子：,这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管,13,（3）隔离处理,从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往往高于计算机系统的逻辑电平； 即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场引入意外的高压信号； 因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的安全。 常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。 下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。,14,图2.7 开关量光电耦合输入电路,工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。 注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源和地线）,15,（4）光电耦合器件原理与使用,光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场设备与计算机系统之间的隔离保护。 根据输出级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器件可分为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。 使用光电隔离器件的注意事项 以三极管输出光电耦合器件为例。,16,图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理,当输入侧流过一定的电流IF 时，发光二极管开始发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时，发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而达到了隔离的目的。,17,使用光电隔离器件的注意事项,要注意不要超过期间的极限参数。 以三极管输出隔离器件为例。 通过查询它的技术说明书，可以获得使用参数，主要参数包括发光二极管侧的输入电流，反向电压等； 输出侧：C-E结电压、集电极最大电流 隔离电压 电流传输比等 例如以TLP521-1为例。 尽量在推荐条件下使用,18,极限条件,19,推荐的使用条件,二极管侧,输出侧,20,使用注意事项主要有：,输入侧导通电流 频率特性 输出端工作电流 输出端暗电流 隔离电压 电源隔离,21,（1）输入侧导通电流 为了可靠传送信息，一般在10mA左右比较合适。当然，不同的器件可能会有差异，例如TLP521系列推荐在16mA左右。,22, 输入侧导通电流,要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流 IF=10mA。 在使用中，可以根据应用情况适当调整。 一般使用，在515mA之间选择，最多情况选择10mA。,23, 频率特性,受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。 因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔器件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。,24,TLP521系列： TON=2S，TS=12S，TOFF=25S,它的最高信号频率（脉冲）就不应该超过:250KHZ,25,6N137,脉冲频率可高达近10MHZ。,26,输出端工作电流,光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否则就会使元件发生损坏。 一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还需设置驱动电路。,27, 输出端暗电流,这是指光电隔离器处于截止状态时（IF=0）,流经输出端元件的电流，此值越小越好。 在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电流而可能引起的误触发，并予以处理。,28, 隔离电压,它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电压隔离的能力。 一般可以达到1000V1500V以上,29, 电源隔离,输出光隔两侧的供电电源必须完全隔离。 无论是输入隔离还是输出隔离，只要采取光电隔离措施，就必须保证被隔离部分之间电气完全隔离，否则就起不到隔离作用了。,30,两边的电源没有直接的连接：地线、电源线都没有电的连接,31,输出通道常用措施,隔离处理 电平转换和功率放大,32,（1）隔离处理,当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干扰或高电压通过输出控制通道进入计算机系统，一般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系统。 下图是采用了光电隔离的开关量输出电路。,33,低压小功率开关量输出,34,（2）电平转换和功率放大,计算机通过并行接口电路输出的开关量信号，往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往执行机构 。,35,电平转换和功率放大方法,小功率低压开关量输出 继电器输出 可控硅输出 功率场效应输出 集成功率电子开关输出,36, 小功率低压开关量输出,对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出。 图2.10给出的两种电路一般仅能提供几十毫安级的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。,37,低压小功率开关量输出,38, 晶体管输出接口,当前很多情况使用功率场效应管代替双极型晶体管，他是电压控制型器件，驱动门可以省去。,39,功率场效应输出,功率场效应管(MOSFET)是压控电子开关，只要在其栅极G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极D和源极S之间可导通。 MOSFET的栅极控制电流为微安级，而导通后漏极D和源极S之间允许通过较大的电流。 例如IRF640导通时，D、S间允许通过的最大电流可达18安培。,40,功率场效晶体管的典型使用方法,41, 继电器输出,继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输出功率放大即利用继电器作为计算机输出的执行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成从直流低压到交流(或直流)高压、从小功率到大功率的转换。,42,使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继电器的线圈上并联一个反向二级管。继电器输出也可以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可采用阻容电路予以吸收。,43,继电器式开关量输出,44,图2.11 继电器式开关量输出,带光电隔离的继电器输出接口电路,45, 可控硅输出,作为一种大功率半导体无触点开关器件，可控硅具有以较小的功率来控制大功率的特点，因此在计算机控制系统中被广泛地用作功率执行元件，一般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断控制。,46,下图是采用可控硅输出型光电隔离器驱动双向可控硅的电路图，图中与可控硅并联