过程通道接口数字量

第4章过程输入输出通道接口技术,第4讲数字量I/O通道,4.10数字量输入输出通道知识点,了解数字量IO通道的结构了解数字量输入输出常用器件掌握两种常用数字量输入调理电路掌握两种常用数字量输出调理电路,4.10数字量输入输出通道,数字信号包括开关信号、脉冲信号特点是以二进制的逻辑“1”和“0”或电平的高和低出现的应用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。,4.10.2数字量输入通道结构,数字量输入通道的结构,4.10.1光耦合器,三极管输出的光耦合器,光耦合器具有强抗干扰能力的原因：,光耦合器的输入阻抗很小，而干扰源内阻很大，所以能分压到光耦合器输入端的噪声很小。发光二极管在电流状态下工作，而干扰虽有较高的电压，但能量小，不能提供足够的电流而被抑制掉。密封条件下工作，不受外界光的干扰。分布电容小而绝缘电阻大，回路一边的干扰很难通过光耦合器馈送到另一边去。,光隔的工作特性及其应用,截止区饱和区线性区模拟量隔离,光敏三极管工作特性,数字量隔离,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。,使光敏三极管工作在线性区可以对模拟信号进行隔离。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。普通光电耦合器件的线性电流传输的特性，如果直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。于是很多公司相继推出线性光耦隔离放大器，如BB公司的ISO100,利用发光二极管LED与两个光电二极管进行耦合，一路反馈到输入端，一路耦合到输出端，经过激光调整精心匹配，线性度和稳定度都很好。,模拟信号隔离方法优点：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。,光耦的这两种隔离方法各有优缺点,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。,1.一般隔离用光耦合器,TLP521-1TLP521-2TLP521-4,4N25和4N29（MOTOROLA),4N25:有基极引线，可以不用，也可以通过几百千欧以上的电阻，再并联一个几十皮法的小电容接到地上。,4N29:达林顿管输出，基极用法与4N25相同。,交流用光耦合器,NEC公司的PS2505-1,和Toshiba公司的TLP620引脚相同。4引脚封装，输入端为反相并联的发光二极管，可以实现交流检测,高速光隔（1）,Agilent公司产品6N137系列：高CMR与TTL兼容传输速度：10Mbit/s,高速光隔（2）,HCPL-7721/0721系列：超高速有双列直插封装和表面贴片封装传输速度：25Mbit/s,PhotoMOS继电器,4.10.2数字量输入通道,数字量输入通道的结构,1.输入调理电路,图4-44数字量输入实用电路,当JP1跳线器1-2短路，跳线器JP2的1-2断开、2-3短路时，输入端DI+和DI可以接一干接点信号。当JP1跳线器1-2断开，跳线器JP2的1-2短路、2-3断开时，输入端DI+和DI可以接有源接点。,2交流输入信号检测电路,L、N为交流输入端。当S按钮按下时，IO=0；当S按钮未按下时，IO=1。,4.10.3数字量输出通道,1.低电压开关量信号输出技术,2.继电器输出技术,3.晶闸管输出技术,单向晶闸管,双向晶闸管,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。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。,工作原理,螺栓型晶闸管,平板型晶闸管,鉴别晶闸管三个极的方法,根据P-N结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上，阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上（它们之间有两个P-N结，而且方向相反，因此阳极和控制极正反向都不通）。控制极与阴极之间是一个P-N结，因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围，反向电阻比正向电阻要大。可是控制极二极管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻断状态的，可以有比较大的电流通过，因此，有时测得控制极反向电阻比较小，并不能说明控制极特性不好。另外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R*10或R*1挡，防止电压过高控制极反向击穿。若测得元件阴阳极正反向已短路，或阳极与控制极短路，或控制极与阴极反向短路，或控制极与阴极断路，说明元件已损坏。,双向晶闸管输出驱动电路,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。,4.固态继电器输出,固态继电器SSR（SolidStateRelay），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。,4.固态继电器输出,固态继电器内部结构,固态继电器的应用,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。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）能可靠的导通；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；,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。,固态继电器产品,4.10.4脉冲量I/O通道,脉冲计数输入电路,图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。,脉冲量输入,Ui,Uo,脉冲量输出,4.11电流/电压转换电路,电动组合单元DDZ-型输出信号标准为010mADC，电动组合单元DDZ-型输出信号标准为420mADC；,4.11电流/电压转换电路,许多控制单元，如一些温控器、变频调速器等，其输入信号也经常是010mA或420mA的标准直流电流信号。计算机控制系统模拟信号输出只是电压信号；它能处理的一般也只是电压信号。因此，在某些需要电流信号输出或只提供电流信号的场合，需要进行电压/电流转换。,4.11.1电压/电流转换,1010V/010mA转换010V/010mADC转换电路，如图4-52所示。在输出回路中，引入一个反馈电阻Rf，输出电流Io经反馈电阻得到一个反馈电压Vf，经电阻R3、R4加到运算放大器的两个输入端。,同相端和反相端的电压分别为,对于运放，有VNVP，故有,由于V2=V1-Vf,若令，则有,对于运放，有，故有由于V2=V1-Vf则若令，则有略去反馈回路的电流，则有：可见当运放开环增益足够大时，输出电流Io与输入电压Vi的关系只与反馈电阻Rf有关，因而具有恒流性能。反馈电阻Rf的值由组件的量程决定，当Rf=200时，输出电流Io在010mADC范围内线性地与010VDC输入电压对应。为了增加转换的精度，也可在反馈电压输出端加电压跟随器。,(4-22),205V/020mA转换05V/020mA转换电路如图4-53所示。,在图4-53中，输出电流I=VIN/2501000(mA)。,4.11.2电流/电压转换,当变送器的输出信号为电流信号时，要转化成可被单片机系统处理的电压信号，需经I/V转换。最简单的I/V转换可以利用一个500的精密电阻，将010mA的电流信号转换为05V的电压信号。对于不存在共模干扰的010mADC信号，如DDZ-型仪表的输出信号等，采用图4-54所示的电阻式I/V转换，其中RC构成低通滤波网络。RP用于调整输出电压值。,实用的I/V转换电路如图4-55所示。其实质是一同相放大器电路，利用010mA电流在电阻R上产生输入电压，若取R=200，则I=10mA时，产生2V的输入电压，该电路的放大倍数为：A=1+若取=100k，=150k，则010mA输入对应于05V的电压输出。,由于采用同相端输入，因此放大器A应选共模抑制比较高的运放，从电路结构可知，其输入阻抗较低。,Rf,图4-55010mA/05V转换电路,4.11.3集成电压/电流转换器XTR110,XTR110是一为模拟信号传输设计的精密电压变电流转换器。它将05V或10V的电压转换成420mA、020mA、525mA电流输出或其它常用电流范围。精确的单片金属薄膜电阻网络提供了输入比例和电流偏移，内部的10V参考电压用于内部电路的驱动，也可以为其它电路提供参考。该器件广泛用于工业过程控制、压力/温度变送器、数据采集、测试设备的可编程电流源和发电厂动力系统监测等领域。1引