開關(guān)量輸出通道

1、智能儀器,17-18學(xué)時(shí),第2章 智能儀器的輸入/輸出通道及接口技術(shù),（八） 開關(guān)量輸出通道,主要講解內(nèi)容：,1）開關(guān)量輸出的一般結(jié)構(gòu)2) 數(shù)字隔 離器件3) 接口電路,一.開關(guān)量輸出通道的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),開關(guān)量輸出通道一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：,1)輸出鎖存:當(dāng)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制時(shí)，控制量往往需要保持，直到輸出新的控制量，所,以，每次輸出的控制量就需要保存（鎖存）。輸出鎖存器可用可編程接口電路8255，也可用簡(jiǎn)單接口電路如244，273，

2、373等來實(shí)現(xiàn)。,2)數(shù)字隔離: 在輸出通道中，為防止現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到CPU系統(tǒng)中，一般需要采用通道隔離技術(shù)。（光-電隔離技術(shù)） 使用光電隔離器時(shí)，要注意以下4點(diǎn)：,①當(dāng)光電隔離器導(dǎo)通時(shí)，必須輸入足夠大的導(dǎo)通電流，使發(fā)光二極管發(fā)出的光使輸出端動(dòng)作。②光電隔離器只能通過一定頻率以下的脈沖信號(hào)。因此，在高頻信號(hào)傳輸中要選擇通過頻率比較高的光電隔離器③光電隔離器輸出端的灌電流不能太大，否則可能使輸出端擊穿

3、，導(dǎo)致光電隔離器的損壞，因而在光電隔離器與被控對(duì)象之間要加驅(qū)動(dòng)電路。④利用光電隔離器實(shí)現(xiàn)控制通道的隔離時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電源與驅(qū)動(dòng)光敏管的電源不應(yīng)是共地的電源，否則外部干擾可能通過地線串到CPU中去，這樣就失去了隔離作用。 解決的方法有兩個(gè)：即在光電隔離的兩側(cè)分別使用不同的電源，也可用DC-DC變換的方法往輸出端提供一個(gè)與光隔輸入端隔離的電源。,3)輸出驅(qū)動(dòng):,①要把計(jì)算機(jī)輸出的微弱數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成能對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的驅(qū)

4、動(dòng)信號(hào)，關(guān)鍵在于輸出通道中的功率驅(qū)動(dòng)電路。②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)器件功率的不同，可有多種數(shù)字量驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成方式。,總的來看輸出通道的特點(diǎn),1)小信號(hào)輸出，大功率控制。2)D/A轉(zhuǎn)換。3)輸出通道距干擾源近，干擾大。,二.數(shù)字隔離器件,光耦合隔離器件（小功率驅(qū)動(dòng)接口）1）電路原理光耦合器件是一種常用的以光為媒介傳輸信號(hào)的電路，如下圖所示：,圖（a）是它的結(jié)構(gòu)，圖中發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在同一個(gè)管殼內(nèi)，發(fā)光二極管的作用是將電信號(hào)變

5、為光信號(hào)，光敏三極管接收光信號(hào)，再將它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。圖（b）是它的輸入特性。圖（ｃ）是它的輸出特性。（伏安特性）,2） 光耦合器件特點(diǎn)：①輸出信號(hào)與輸入信號(hào)沒有公共地,在電氣上完全隔離.②無觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可靠性高。③響應(yīng)速度快，易與TTL電路配合使用。3）光耦合器驅(qū)動(dòng)接口,光耦合器4N25的接口電路,2.電磁繼電器隔離器件（中功率驅(qū)動(dòng)接口）1）電路原理,繼電器工作原理圖,繼電器隔離器件主要是采用電磁式繼電器組成的電路來完成

6、。它是由小電流的通斷控制大電流的通斷的常用的開關(guān)控制器件。當(dāng)它的電磁線圈Y通過一定數(shù)值的電流時(shí)，使輸出回路中的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)打開。,Y,2）電磁繼電器的接口電路　繼電器動(dòng)作時(shí)，對(duì)電源有一定的干擾，為了提高單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性，在單片機(jī)和繼電器、接觸器之間都用光耦合器隔離。,直流繼電器接口,3.固態(tài)繼電器隔離器件（大功率驅(qū)動(dòng)接口）1）電路原理,固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)框圖a)外部接線圖　b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,固態(tài)繼電器(SSR)是一種無觸點(diǎn)

7、通斷功率型電子開關(guān)。它即有放大作用又有隔離作用，適合于驅(qū)動(dòng)大功率管式執(zhí)行器件。 SSR是一個(gè)四端有源器件，其中二端為輸入控制端，輸入功耗很低，與TTL電路兼容；另外二端是輸出端，內(nèi)部設(shè)有輸出保護(hù)電路。,,2)固態(tài)繼電器的接口電路 根據(jù)負(fù)載端所加電壓的不同，SSR可分為直流型和交流型兩種，如果是單向直流固態(tài)繼電器（DC SSR）的輸出端與直流負(fù)載匹配；如果是雙向交流固態(tài)繼電器（AC SSR）的輸出端與交流負(fù)載匹配。輸入電路

8、和輸出電路之間采用光電隔離，絕緣電壓可達(dá)2500V以上,幾種基本的SSR輸入端驅(qū)動(dòng)方式a)觸點(diǎn)控制　b)TTL驅(qū)動(dòng)　c)CMOS驅(qū)動(dòng),AC SSR又分為二種類型①過零觸發(fā)型（Z型），,過零觸發(fā)型在輸入信號(hào)有效后,必須在負(fù)載電源電壓過零時(shí)才接通輸出端的負(fù)載電源,當(dāng)輸入端的控制信號(hào)撤消后,必須等到交流負(fù)載電源電壓的過零時(shí)刻才能斷開輸出端的負(fù)載電源,具有零電壓開啟，零電流關(guān)斷特性，使用中對(duì)電網(wǎng)污染小，但它的輸入端施加控制電壓后，要等交

9、流電壓過零輸出時(shí)才能導(dǎo)通，這有可能造成最大為半個(gè)市電周期的延遲。,隨機(jī)開啟型輸入端施加控制電壓后輸出端立即導(dǎo)通。在輸入電壓撤消后，當(dāng)負(fù)載電流低于雙向可控硅的維持電流時(shí)，SSR輸出才關(guān)斷。大功率負(fù)載的隨機(jī)開啟有可能對(duì)電網(wǎng)造成污染，導(dǎo)致局部供電系統(tǒng)波形的變形。,②隨機(jī)開啟型（P型非過零型）：,SSR的輸入控制：,例1）輸入端4接低電平，輸入端3接控制信號(hào)，控制信號(hào)為高電平則SSR導(dǎo)通，控制信號(hào)為低電平則SSR關(guān)斷。,SSR的輸入電路與TTL

10、，CMS電路兼容，輸入控制十分方便，任何可以給出TTL電平的開關(guān)電路都可以用來驅(qū)動(dòng)SSR，例如晶體管開關(guān)電路，按鈕開關(guān)電路及各種電源為+5V的TTL或CMS熟數(shù)字邏輯IC卡。例如下圖所示：,,,例2）輸入端3接正電源，輸入端4接控制信號(hào)，控制信號(hào)為高電平則SSR關(guān)斷，控制信號(hào)為低電平則SSR導(dǎo)通。,,SSR的輸出負(fù)載：,,①小電流負(fù)載 由于SSR內(nèi)部除去輸入電路外的所有其它電路都是由輸出端供電的，因此即使在輸出端關(guān)斷情況下

11、， SSR仍維持一個(gè)關(guān)斷狀態(tài)電流，為了使負(fù)荷可靠地關(guān)斷，流過負(fù)載的開啟電流至少應(yīng)該是SSR關(guān)斷狀態(tài)電流的10倍。如果負(fù)載電流低于這個(gè)值，負(fù)載上需要并聯(lián)一個(gè)電阻，以提高開啟電流的數(shù)值。,②電感式負(fù)載 對(duì)于電感式負(fù)載，當(dāng)SSR關(guān)斷時(shí)，因?yàn)榱鬟^電感式負(fù)載的電流不能突變，有可能在電感二端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，導(dǎo)致SSR輸出電路被燒壞，必須用續(xù)流二極管（直流負(fù)載）或壓敏電阻（交流負(fù)載）保護(hù)SSR的安全。,如果負(fù)載為直流電感式，應(yīng)當(dāng)使用D

12、C SSR，負(fù)載上并聯(lián)續(xù)流二極管保護(hù)SSR如下圖所示：,,如果負(fù)載為直流電感式而負(fù)載電源為交流電源，可外接整流全橋?qū)⑵渥優(yōu)橹绷?。如下圖所示：,,如果負(fù)載為交流電感式，必須使用AC SSR， SSR的輸出端并聯(lián)壓敏電阻以保護(hù)SSR。如下圖所示：,,壓敏電阻的閥值電壓可按電源電壓的有效值1.6~1.9倍選取。壓敏電阻不但為電感式負(fù)載的感應(yīng)電流提供,了一個(gè)通路，而且可以避免工頻市電電源夾雜的尖蜂電壓施加在SSR的輸出端。工頻市電電源夾雜的尖

13、蜂電壓是很頻繁的，它雖然寬度很窄，但幅度有高有低，高的可達(dá)千伏。當(dāng)尖蜂電壓的幅度超過了SSR的阻端電壓或其變化速度超出了SSR在關(guān)閉狀態(tài)下的d v/d t特性容限時(shí)，就會(huì)使SSR在沒有選通的情況下開啟，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。,,3)固態(tài)繼電器應(yīng)用實(shí)例　①下圖為單片機(jī)通過固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)小功率交流電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用實(shí)例。,小功率交流電動(dòng)機(jī)的控制,②單片機(jī)通過固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)大功率交流電動(dòng)機(jī)的典 型應(yīng)用實(shí)例。,大功率交流電動(dòng)機(jī)的控制