第四章计算机控制技术及其应用

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要点：: 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 思考题思考题 引言引言n 在微机控制系统中，除了要处理模拟量信在微机控

2、制系统中，除了要处理模拟量信号以外，还要处理数字信号，包括开关信号、号以外，还要处理数字信号，包括开关信号、脉冲信号。如开关触点的闭合和断开脉冲信号。如开关触点的闭合和断开,指示灯指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，马的亮和灭，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，仪器仪表的开和关闭，仪器仪表的 BCD 码，以及脉冲信码，以及脉冲信号的计数和定时等等号的计数和定时等等 。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

3、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按输出级分类按输出级分类三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型。三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型。原理原理通过电光电这种信号转换，利用光信号的传送不受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。电磁场的干扰而完成隔离功能的。 图 光电耦合隔离器的几种类型现以三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理现以三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理 端入输端出输V5+V5+利用光耦隔离器的利用光耦隔离器的开关特性开关特性（即光敏三（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送极管工作

4、在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰数字信号而隔离电磁干扰，简称简称对数字对数字信号进行隔离信号进行隔离。应用：应用： A/D转换器与转换器与CPU或或CPU与与D/A转换器转换器之间的之间的数字信号的耦合传送数字信号的耦合传送利用光耦隔离器的线性放大区（即光敏利用光耦隔离器的线性放大区（即光敏三极管工作在线性区），可传送模拟信三极管工作在线性区），可传送模拟信号而隔离电磁干扰，简称号而隔离电磁干扰，简称对模拟信号进对模拟信号进行隔离行隔离。应用应用：现场传感器与现场传感器与A/D转换器转换器或或D/A转转换器与现场执行器换器与现场执行器之间的之间的模拟信号的线模拟信号的线性传送。

5、性传送。模拟信号隔离方法模拟信号隔离方法优点优点是使用少量的是使用少量的光耦，成本低；光耦，成本低；缺点缺点是调试困难，如果是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响光耦挑选得不合适，会影响A/D或或D/A转转换的精度和线性度换的精度和线性度。数字信号隔离方法数字信号隔离方法的的优点优点是调是调试简单，不影响系统的精度和试简单，不影响系统的精度和线性度；线性度；缺点缺点是使用较多的光是使用较多的光耦器件，成本较高。耦器件，成本较高。注：注：驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不共地驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不共地n 分类：分类：数字量同相传递与数字量反相传递两种数字量同相传递与数字量反相传

6、递两种。同相传递同相传递光耦的输入输出同相，即输入为低（高）输出为低（高）；光耦的输入输出同相，即输入为低（高）输出为低（高）；反相传递反相传递光耦的输入输出反相，即输入为高（低）输出为低（高）；光耦的输入输出反相，即输入为高（低）输出为低（高）；电路不同电路不同同相传递的集电极电阻接到反相传递的发射级上同相传递的集电极电阻接到反相传递的发射级上4.1.2 4.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 图 光电耦合隔离电路4.2 4.2 数字量输入通道数字量输入通道 主要知识点主要知识点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

7、字量输入通道（数字量输入通道（DIDI通道）的任务通道）的任务-是把生是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式。式。 信号调理电路信号调理电路-虽然都是数字信号，不需进虽然都是数字信号，不需进行行A/DA/D转换，但对通道中可能引入的各种干扰必须转换，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。间要设置输入信号调理电路。n 在开关输入电路中，主要考虑：在开关输入电路中，主要考虑：（1 1）电平转换用电阻分压法把电流信号转换为电压信号。）电平转换用

8、电阻分压法把电流信号转换为电压信号。（2 2）RCRC滤波用滤波用RCRC滤波器滤出高频干扰。滤波器滤出高频干扰。（3 3）过电压保护用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压）过电压保护用稳压管和限流电阻作过电压保护；用稳压管管 或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。（4 4）反电压保护串联一个二极管防止反极性电压输入。）反电压保护串联一个二极管防止反极性电压输入。（5 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。）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 4.2.1 开关输入电路开关输入电路 典型的开关量输入信号调理电

9、路典型的开关量输入信号调理电路构成构成如图所示如图所示原理原理 开关开关S S的状态经的状态经RCRC滤波、稳压管滤波、稳压管D1D1箝位保护、电阻箝位保护、电阻R2R2限流、二限流、二极极管管D2D2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冲器，主机通过执行输入指令便可读取开关S S的状态。的状态。比如比如开关开关S S闭合，输入回路有电流，光耦中发光管发光，光敏管导通，数闭合，输入回路有电流，光耦中发光管发光，光敏管导通，数据线上为低电平，即输入信号为据线上为低电平，即输入信号为“0”0”

10、对应外电路开关对应外电路开关S S的闭合；的闭合；反反之输入信号为之输入信号为“1”1”对应外电路开关对应外电路开关S S的断开。的断开。图 开关量输入信号调理电路图 4-5 脉 冲 计 数 输 入 电 路+12VCCV8253/8254C L K0O U T0G AT E1C L K1O U T1C L K2O U T2G AT E0G AT E2系 统 时 钟TSTWC RC EO L+5V计 数 通 道 1PC 总 线RCR光 耦Dz4.2.2 4.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路作用作用处理脉冲频率信号，方法是设计一种定时计数输入接口电路，即在一定的采处理脉冲频率信号，方法是设计一种定

11、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。的物理量。图 脉冲计数电路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 DO 通道通道。 任务任务 把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生

12、产过程进行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。控制的数字驱动信号。 常用电路常用电路三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸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。管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。 选择选择根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、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。量驱动输出通道。 n 对于低压情况下的小电流开关量，用功率三对于低压情况下的小电流

13、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。电流与三极管增益的乘积。分类：分类： 1 .普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路 2. 达林顿驱动电路达林顿驱动电路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，如图所示。普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图所示。6047K3.3管极三DELV5+033图4-6 小功率三极管输出电路

14、Di 例如：Di=0，经反相器变为高电平，使三极管导通，集电极电流驱动LED数码管发光。图 小功率三极管输出电路n2. 达林顿驱动电路达林顿驱动电路应用场合应用场合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，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输出电路必须采取多级放大或提高三 极管增益的办法。极管增益的办法。构成构成多对两个三极管组成的达林顿复合管构成多对两个三极管组成的达林顿复合管构成特点特点具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及 保护措施完善的特点，同时多对复合管保护措

15、施完善的特点，同时多对复合管 适用于计算机控制系统中的多路负荷。适用于计算机控制系统中的多路负荷。 1C2C3C4C5C6C7CC O M161514131211109G N D7B6B5B4B3B2B1B1234567810.5kBR07.2kR1D1R2T1T2D3CED2C O M3k(a)M C 14716结 构 图（ b） 复 合 管 内 部 结 构图 4-7 M C 1416达 林 顿 阵 列 驱 动 器达林顿阵列驱动器达林顿阵列驱动器MC1416MC1416的结构与每对复合管的内部结构如下图所示，的结构与每对复合管的内部结构如下图所示，MC1416MC1416内含内含7 7对达林

16、顿复合管，每个复合管的集电极电流可达对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA500mA，截止时，截止时能承受能承受100V100V电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管D2D2抑制高抑制高电位上发生的正向过冲，电位上发生的正向过冲，D1D1、D3D3可抑制低电平上的负向过冲。可抑制低电平上的负向过冲。图 达林顿阵列驱动器MC1416图图 4-8 达达 林林 顿顿 阵阵 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+24VDi1B1CGNDMC1416一路驱动电路：一路驱动电路：

17、 当当CPUCPU数据线数据线Di Di 输出数字输出数字“0”“0”即即低电平时，经低电平时，经74067406反相锁存器变为高电平，使达林顿复合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，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生的反向电动势的泄流回路图 达林顿阵列驱动电路4.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路（电磁）继电器构成（电磁）继电器构成线圈、铁心、衔铁和触点等部件，线圈、铁心、衔铁和触点等部件，分类分类电压

18、继电器、电流继电器、中间继电器。电压继电器、电流继电器、中间继电器。常用输出方式常用输出方式继电器方式的开关量输出，通过弱电控制外界继电器方式的开关量输出，通过弱电控制外界 交流或直流的高电压、大电流设备。交流或直流的高电压、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 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，

19、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 继电器的驱动电路继电器的驱动电路 设

20、计原则设计原则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工作。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工作。原理原理当当CPUCPU数据线数据线DiDi输出数字输出数字“1”1”即高电平时，经即高电平时，经74067406反相驱动器变为低反相驱动器变为低电电 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，继电器线圈器线圈KAKA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。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由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，负载，当电路突然关断时，会出现

21、较高的电感性浪涌会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，电压，为了保护驱动器件，应应在继电器线圈两端并联在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管一个阻尼二极管，为电感，为电感线圈提供一个线圈提供一个电流泄放回电流泄放回路路图 继电器输出驱动电路4.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 晶闸管又称可控硅（晶闸管又称可控硅（SCRSCR），），是一种大功率的半导体器件，具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。系统、调功系统、随动系统中应用广泛。分类分类单向晶闸管

22、、双向晶闸管单向晶闸管、双向晶闸管结构结构阳极阳极A A、阴极、阴极K K、控制极（门极）、控制极（门极）G G三个极三个极工作原理工作原理当阳、阴极加正压，控制极与阴极两端也加正压使控制极电流增当阳、阴极加正压，控制极与阴极两端也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、阴极间加反大到触发电流值时，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。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。AGKT2T1G单向晶闸管双向晶闸管+5V6047180400470.01FT2GT1KSMOC304122

23、0V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双向晶闸管结构双向晶闸管结构相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极。相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极。工作原理工作原理当两个电极当两个电极T1T1、T2T2之间的电压大于之间的电压大于1.5V1.5V时，不论极性如何，便可时，不论极性如何，便可 利用控制极利用控制极G G触发电流控制其导通。双向晶闸管具有双向导通功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。能，因此特别适用于交流大电流场合。当当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”时，经时，经7406反相

24、变为低电平，光耦二极管导通，使光敏反相变为低电平，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图 双向晶闸管输出驱动电路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SSRSSR（Solid State RelaySolid State Relay）是一种新型的是一种新型的无无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实现了控制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，而且没有回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没

25、有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能。任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能。优点优点体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回 跳、寿命长。跳、寿命长。n固态继电器固态继电器SSRSSR结构结构一个四端组件，两输入端、两输出；其内部结构一个四端组件，两输入端、两输出；其内部结构类似类似于晶闸管输出驱动电路。于晶闸管输出驱动电路。结构原理图结构原理图光耦隔离电路：光耦隔离电路：在输入与输出之间起信号传递作用，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；同时使两端在电气上完全隔离； 控制触发电路：控制触发电路：是为后级提供

26、一个触发信号，使电子开关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；（三极管或晶闸管）能可靠地导通； 电子开关电路：电子开关电路：用来接通或关断直流或交流负载电源；用来接通或关断直流或交流负载电源； 吸收保护电路：吸收保护电路：为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生生 干扰造成开关的误动作或损害，一干扰造成开关的误动作或损害，一般由般由RCRC串串联网络和压敏电阻组成；联网络和压敏电阻组成； 零压检测电路零压检测电路: :为交流型为交流型SSRSSR过零触发而设置的。过零触发而设置的。工作原理工作原理输入端施加一定的弱电信号就可以控制

27、输出端大电流负载的通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断n 分类分类直流型直流型SSRSSR：内部的开关组件为功率三极管；输入控制信号与输内部的开关组件为功率三极管；输入控制信号与输 出完全同步。主要用于直流大功率控制。一般取输出完全同步。主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为入电压为4 432V32V，输入电流，输入电流5 510mA10mA输出端为晶体输出端为晶体管输出工作电压为管输出工作电压为3030180V180V。 交流型交流型SSRSSR：内部的开关组件为双向晶闸管；主要用于交流大功内部的开关组件为双向晶闸管；主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为率控制。

28、一般取输入电压为4.32V4.32V，输入电流小于，输入电流小于500mA500mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在在1A1A500A500A范围内，电压多为范围内，电压多为380V /220V380V /220V交流型交流型SSRSSR按控制触发方式分：按控制触发方式分：过零型过零型当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，SSRSSR才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，时，SSRSSR才为断开状态。应用广。才为断开状

29、态。应用广。移相型移相型断开条件同过零型交流断开条件同过零型交流SSRSSR，但其导通条件简单，只要加，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。入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。 6047cVLRRSS_图 4-13固态继电器输出驱动电路交流电源+Di常用的固态继电器驱动电路，当数据线常用的固态继电器驱动电路，当数据线DiDi输出数字输出数字“0”0”时，经时，经74067406反相变为高电平，使反相变为高电平，使NPNNPN型三极管导通型三极管导通, SSR, SSR输入端得电则输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备输出端接通大型交流负荷设备RLRL。

30、在实际使用中在实际使用中，要特，要特别注意固态继电器的别注意固态继电器的过电流与过电压保护过电流与过电压保护以及浪涌电流的承受以及浪涌电流的承受等工程问题，在等工程问题，在选用选用固态继电器固态继电器的额定工的额定工作电流与额定工作电作电流与额定工作电压时，一般要远大于压时，一般要远大于实际负载的电流与电实际负载的电流与电压，而且输出驱动电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增加阻路中仍要考虑增加阻容吸收组件。容吸收组件。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NEAIOR4.4 DI/DO模板 DIDI模板或模板或DODO模板或模板或I/OI/O模板模板 把上述数字