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2.3:数字量输入输出通道1、光电耦合隔离器的结构原理及其隔离电路；2、数字量输入通道中几种典型电路；3、数字量输出通道几种典型驱动电路；本节主要内容引言2.3.1光电耦合隔离技术2.3.2数字量输入通道2.3.3数字量输出通道本节小结思考题在微机控制系统中，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：（1）开关信号：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。（2）脉冲信号：脉冲信号的计数和定时等等。2.3.1光电耦合隔离技术主要知识点2.3.1.1光电耦合隔离器2.3.1.2光电耦合隔离电路2.3.1.1光电耦合隔离器分类（按其输出级不同）：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。原理：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。应用1：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），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。应用2：模拟信号隔离。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。两种应用的比较：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。注意事项：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；目前常用的集成的多路光耦隔离器：TLP系列。分类：数字量同相传递与数字量反相传递。数字量同相传递：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。2.3.1.2光电耦合隔离电路（以数字隔离为例）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+5Vccee++--D7~D074LS273数据缓冲器选通脉冲b(a(D7~D074LS273数据缓冲器选通脉冲数字量反相传递：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。2.3.2数字量输入通道数字量输入通道（DI通道）的任务--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。2.3.2数字量输入通道主要知识点引言2.3.2.1开关输入电路2.3.2.2脉冲计数电路开关信号：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。信号调理技术：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：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：用RC滤波器滤出高频干扰。（3）过电压保护：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：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。2.3.2.1开关输入电路点划线右边是由开关S与电源组成的外部电路。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。原理：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+2R1R1C1D3R光耦S2D到输入缓冲器CCV+2R1R1C1D3R光耦图4-4开关量输入信号调理电路C2R3(a)直流输入电路(b)交流输入电路2.3.2.2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+12VCCV8253/8254CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1CLK2OUT2GATE0GATE2系统时钟TSTWCRCEOL+5V计数通道1PC总线RCR光耦Dz8254是具有3个16位计数器通道的可编程计数器/定时器。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。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/TS·K。2.3.3数字量输出通道主要知识点引言2.3.3.1三极管驱动电路2.3.3.2继电器驱动电路2.3.3.3晶闸管驱动电路2.3.3.4固态继电器驱动电路引言DO通道任务：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。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。2.3.3.1三极管驱动电路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。6047K3.3管极三DELV5+033图4-6小功率三极管输出电路Di2.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。DLK控制电流外部设备线圈铁芯触点衔铁2.3.3.2继电器驱动电路电磁继电器组成：线圈、铁心、衔铁和触点等部件。分类：电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。特点：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。2.3.3.3晶闸管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。+5V6047180Ω400Ω47Ω0.01μFT2GT1KSMOC3041220V～图4-11双向晶闸管输出驱动电路RLDi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。2.3.3.4固态继电器驱动电路固态继电器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。特点：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。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。本节小结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。本节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几种典型电路：脉冲计数电路与开关输入电路。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。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.分析三极管型光电耦合隔离器的工作原理。2.光耦隔离器的两种应用。3.简述数字量输出通道的功能及其常用的输出驱动电路。4.对比分析几种输出驱动电路的应用特点。