第四章-数字量输入输出通道

学习情境1：输出通道构成与接口。任务一：输出通道的结构与信号交换1、数字量输出通道DO（1）数字量输出通道的结构（2）输出驱动电路2、模拟量输出通道AO（1）模拟量输出通道的结构（2）V/I电压电流转换器任务二：D/A转换器与单片机接口电路任务三：输出通道中的常用器件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。1.数字量输出通道数字量输出通道主要由输出锁存器、光电隔离器、输出驱动器、地址译码器等组成，如图示。其中输出锁存器用于锁存CPU输出的数据；光电隔离器是为保证计算机安全、可靠地工作，将CPU与驱动电路的强电及干扰信号隔离；输出驱动器是用以驱动继电器或执行机构的功率放大器。（1）数字量输出通道的结构输出锁存器光电隔离器输出驱动器生产过程地址译码器PC总线输出锁存器光电隔离器输出驱动器生产过程地址译码器PC总线（1）数字量输出通道的结构输入缓冲器和输出锁存器：输入缓冲器是对外部输入的信号起缓冲、加强以及选通的作用，CPU通过读缓冲器读入数据。输出锁存器的作用是锁存CPU送来的输出数据，供外部设备使用。输入缓冲器和输出锁存器可以使用各种可编程的外围接口电路，如8255、8155等，也可以使用简单的中小规模集成电路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。（1）数字量输出通道的结构输出通道的特点：小信号输出，大功率控制D/A转换输出通道距干扰源近，干扰大（1）数字量输出通道的结构在计算机控制系统中，数字量的输出常常要求有一定的驱动能力，以控制不同的装置。（2）输出驱动电路输出通道为什么需功率驱动元件？小信号输出，大功率控制。微机输出的一般为TTL电平，电流也较小，而控制对象或执行机构要求的往往是大功率信号。所以需功率驱动元件。（2）输出驱动电路常用的输出驱动电路有：1）三极管驱动电路2）达林顿驱动电路（2）输出驱动电路1）三极管驱动电路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。这类电路一般用于驱动发光二极管、LED显示器、小功率继电器等元件或装置，要求电路的驱动能力一般为10～40mA，可采用小功率的三极管或集成电路如75451、75452等来驱动。图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。（2）输出驱动电路1）三极管驱动电路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。达林顿驱动电路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。（2）输出驱动电路2）达林顿驱动电路这类电路常用于驱动中功率继电器、电磁开关等装置，一般要求具有50～500mA的驱动能力，可采用达林顿复合晶体管或中功率三极管来驱动，如图所示。目前常用达林顿阵列驱动器如MC1412、MC1413、MC1416等来驱动中功率负载。图是MC1416的结构图及每个复合管的内部结构，它的集电极电流可达500mA，输出端耐压可达100V，特别适合于驱动中功率继电器。（2）输出驱动电路1C2C3C4C5C6C7CCOM161514131211109GND7B6B5B4B3B2B1B1234567810.5kΩBR07.2kΩR1D1R2T1T2D3CED2COM3kΩ(a)MC14716结构图（b）复合管内部结构图4-7MC1416达林顿阵列驱动器（2）输出驱动电路——达林顿驱动电路下图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。（2）输出驱动电路——达林顿驱动电路下图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+24VDi1B1CGND3）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。（2）输出驱动电路DLK控制电流外部设备线圈铁芯触点衔铁继电器原理图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。（2）输出驱动电路3）继电器驱动电路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。图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。（2）输出驱动电路——继电器驱动电路cVpV耦光6047KA220V图4-9继电器输出驱动电路Di（2）输出驱动电路——继电器驱动电路图经光耦隔离器的继电器输出驱动电路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。（2）输出驱动电路4）晶闸管驱动电路晶闸管是一个三端器件，其符号如图所示，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。（2）输出驱动电路4）晶闸管驱动电路AGK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。（2）输出驱动电路4）晶闸管驱动电路T2T1GAGK（2）输出驱动电路4）晶闸管驱动电路T2T1G+5V6047180Ω400Ω47Ω0.01μFT2GT1KSMOC3041220V～图4-11双向晶闸管输出驱动电路RLDi（2）输出驱动电路——晶闸管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。下图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。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。（2）输出驱动电路5）固态继电器驱动电路特大功率固态继电器套件B500（250～650A）单相长条固态继电器（10～120A）单相特大功率固态继电器（300～1000A）三相固态继电器C-3(5-80A)（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路固态继电器SSR是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。SSR由五部分组成。图SSR结构原理及符号（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路固态继电器SSR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。（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路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。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4～32V，输入电流5～10mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为30～180V。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500mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1A到几百A范围内，电压多为380V或220V。下图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。（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路6047cVLRRSS～_图4-13固态继电器输出驱动电路交流电源+～Di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。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。（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路非过零型导通时间立即导通过零型导通时间过零型导通时间关断时间相同，在过零时交流电源波形控制信号SSR两端的电压在导通时为0。非过零型SSR，加上控制信号便导通交流SSR输出波形如下图所示。（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路在实际使用中，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。（2）输出驱动电路——固态继电器驱动电路（1）、模拟量输出通道的结构在微机控制系统中，被控制的对象往往是多回路的。对于多路模拟量输出通道，需要考虑的问题是在控制量更新之前，如何保持本次的控制信号不变。保持的方式有两种：数字量保持和模拟量保持。2.模拟量输出通道（1）、模拟量输出通道的结构１）各通道自备Ｄ／Ａ转换器形式如图所示，这种形式各通道之间是相互独立的，每一通道的结构和单路模拟量输出通道相同。这种形式的优点是转换速度快、工作可靠，即使某一通道出了故障也不会影响其