单片机抗干扰技术4开关量输入输出通道隔离
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单片机抗干扰技术4开关量 输入输出通道隔离
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型 （1）一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机 的启动与停止、触点的接通与断开。 （2）成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码 开关组等。 （3） 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数 字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。
17
使用光电隔离器件的注意事项
要注意不要超过期间的极限参数。 以三极管输出隔离器件为例。 通过查询它的技术说明书，可以获得使用参数，主要 参数包括发光二极管侧的输入电流，反向电压等； 输出侧：C-E结电压、集电极最大电流 隔离电压 电流传输比等 例如以TLP521-1为例。 尽量在推荐条件下使用
18
对于电压输入，V1>某一值，为逻辑1 对于电流输入， I > 某一值，为逻辑1
7
V2 V1
电压输入电路
如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范
V2 R2 V1 R1 R2
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
V2IR2
8
电流输入电路
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源
和地线）
15
（4）光电耦合器件原理与使用
光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手 段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场 设备与计算机系统之间的隔离保护。
根据输出级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器 件可分为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理 都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。
26
③输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否 则就会使元件发生损坏。
一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大 功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还 需设置驱动电路。
27
④ 输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时（IF=0）, 流经输出端元件的电流，此值越小越好。
几种常用的预处理方法
4
图2.1 开关量输入通道的典型结构
5
开关量输入的常用预处理方法
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
6
（1）信号转换处理
从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上 表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是 电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往 不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转 换处理。
使用光电隔离器件的注意事项 以三极管输出光电耦合器件为例。
16
图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理
当输入侧流过一定的电流IF 时，发光二极管开始
发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时， 发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光 路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而 达到了隔离的目的。
mA V
20
使用注意事项主要有：
• 输入侧导通电流 • 频率特性 • 输出端工作电流 • 输出端暗电流 • 隔离电压 • 电源隔离
21
（1）输入侧导通电流 为了可靠传送信息，一般在10mA左右比较合适。 当然，不同的器件可能会有差异，例如TLP521系列推 荐在16mA左右。
22
① 输入侧导通电流
极限条件
19
推荐的使用条件
二极管侧
参数
输入电流 反向电压 工作温度
输出侧
Biblioteka Baidu符号 最小值 min
IF
—
VR
TOPR
-25
参数
集电极电流 输出侧电压
符号
Ic VCEO
最小值 min —
典型值 Typ 16 5 —
典型值 Typ 1 55
最大值 单位 Max 50 mA
V 85 ℃
最大值 Max 10
单位
因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔器 件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。
IF
VCE
TON
TS
TOFF
24
TLP521系列： TON=2μS，TS=12μS，TOFF=25μS
IF
VCE
TON
TS
TOFF
它的最高信号频率（脉冲）就不应该超过:250KHZ
25
6N137
脉冲频率可高达 近10MHZ。
就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压 （过电流），例如雷电引起的等。
因此还需要有安全保护电路。
常用的保护电路为：
11
输入保护电路 12
电平转换与保护电路组合使用的一个例子： 这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管
13
（3）隔离处理
从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往 往高于计算机系统的逻辑电平；
2
2. 开关量信号输入通道
针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同 的方法输入计算机进行处理。 • 一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入； • 极限报警信号采用中断方式处理； • 数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量 其脉冲宽度、周期或脉冲个数。
3
出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量 输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再 送至接口。
即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场 引入意外的高压信号；
因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的 安全。
常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。
下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们 除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。
14
CPU侧
现场侧
图2.7 开关量光电耦合输入电路 工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。
要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供 足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光 电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流
IF=10mA。
在使用中，可以根据应用情况适当调整。 一般使用，在5～15mA之间选择，最多情况选择10mA。
23
② 频率特性
受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光 电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
V2IR2
9
对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1” S闭合，V2=0V，为逻辑“0” V2
开关触点输入电路 R地阻值可在4.7KΩ～100KΩ之间选取
10
（2）安全保护措施
在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出 现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先 采取安全保护措施。
信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在 工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬 间干扰等。
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型 （1）一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机 的启动与停止、触点的接通与断开。 （2）成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码 开关组等。 （3） 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数 字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。
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使用光电隔离器件的注意事项
要注意不要超过期间的极限参数。 以三极管输出隔离器件为例。 通过查询它的技术说明书，可以获得使用参数，主要 参数包括发光二极管侧的输入电流，反向电压等； 输出侧：C-E结电压、集电极最大电流 隔离电压 电流传输比等 例如以TLP521-1为例。 尽量在推荐条件下使用
18
对于电压输入，V1>某一值，为逻辑1 对于电流输入， I > 某一值，为逻辑1
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V2 V1
电压输入电路
如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范
V2 R2 V1 R1 R2
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
V2IR2
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电流输入电路
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源
和地线）
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（4）光电耦合器件原理与使用
光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手 段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场 设备与计算机系统之间的隔离保护。
根据输出级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器 件可分为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理 都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。
26
③输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否 则就会使元件发生损坏。
一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大 功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还 需设置驱动电路。
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④ 输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时（IF=0）, 流经输出端元件的电流，此值越小越好。
几种常用的预处理方法
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图2.1 开关量输入通道的典型结构
5
开关量输入的常用预处理方法
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
6
（1）信号转换处理
从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上 表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是 电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往 不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转 换处理。
使用光电隔离器件的注意事项 以三极管输出光电耦合器件为例。
16
图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理
当输入侧流过一定的电流IF 时，发光二极管开始
发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时， 发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光 路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而 达到了隔离的目的。
mA V
20
使用注意事项主要有：
• 输入侧导通电流 • 频率特性 • 输出端工作电流 • 输出端暗电流 • 隔离电压 • 电源隔离
21
（1）输入侧导通电流 为了可靠传送信息，一般在10mA左右比较合适。 当然，不同的器件可能会有差异，例如TLP521系列推 荐在16mA左右。
22
① 输入侧导通电流
极限条件
19
推荐的使用条件
二极管侧
参数
输入电流 反向电压 工作温度
输出侧
Biblioteka Baidu符号 最小值 min
IF
—
VR
TOPR
-25
参数
集电极电流 输出侧电压
符号
Ic VCEO
最小值 min —
典型值 Typ 16 5 —
典型值 Typ 1 55
最大值 单位 Max 50 mA
V 85 ℃
最大值 Max 10
单位
因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔器 件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。
IF
VCE
TON
TS
TOFF
24
TLP521系列： TON=2μS，TS=12μS，TOFF=25μS
IF
VCE
TON
TS
TOFF
它的最高信号频率（脉冲）就不应该超过:250KHZ
25
6N137
脉冲频率可高达 近10MHZ。
就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压 （过电流），例如雷电引起的等。
因此还需要有安全保护电路。
常用的保护电路为：
11
输入保护电路 12
电平转换与保护电路组合使用的一个例子： 这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管
13
（3）隔离处理
从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往 往高于计算机系统的逻辑电平；
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2. 开关量信号输入通道
针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同 的方法输入计算机进行处理。 • 一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入； • 极限报警信号采用中断方式处理； • 数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量 其脉冲宽度、周期或脉冲个数。
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出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量 输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再 送至接口。
即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场 引入意外的高压信号；
因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的 安全。
常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。
下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们 除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。
14
CPU侧
现场侧
图2.7 开关量光电耦合输入电路 工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。
要使光电隔离器件的导通，必须在其输入侧提供 足够大的导通电流，以使发光二极管发光。不同的光 电隔离器件的导通电流也不同，典型的导通电流
IF=10mA。
在使用中，可以根据应用情况适当调整。 一般使用，在5～15mA之间选择，最多情况选择10mA。
23
② 频率特性
受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光 电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
V2IR2
9
对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1” S闭合，V2=0V，为逻辑“0” V2
开关触点输入电路 R地阻值可在4.7KΩ～100KΩ之间选取
10
（2）安全保护措施
在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出 现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先 采取安全保护措施。
信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在 工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬 间干扰等。