第四章计算机控制技术及其应用PPT课件
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（1）电平转换－用电阻分压法把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。
同相传递－－光耦的输入输出同相，即输入为低（高）输出为低（高）； 反相传递－－光耦的输入输出反相，即输入为高（低）输出为低（高）； 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
链接动画
图 光电耦合隔离电路源自文库
4.2 数字量输入通道
主要知识点
❖
引言
❖ 4.2.1 开关输入电路
❖ 4.2.2 脉冲计数电路
TS
R
R
TW
G AT E 1
Dz
CLK1
C
OUT1
光耦
+5V
CLK2 OUT2 G AT E 0 G AT E 2
8253/8254
CR CE OL 计数通道1
PC总 线
图 图 4脉-5冲脉计冲 数计 数电输路入 电 路
链接动画
4.3 数字量输出通道
主要知识点
❖
引言
❖ 4.3.1 三极管驱动电路
❖ 4.3.2 继电器驱动电路
+5V
例如：Di=0，经反
330
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。
LED
3 .3 K Di
三极管
7406
图 4 - 6 小图功 率 小三 极功管率输 三出 电极路管输出电路
链接动画
2. 达林顿驱动电路
应 用 场 合 － 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，
典型的开关量输入信号调理电路
构成－如图所示
原理－ 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。
比如－开关S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“0”对应外电路开关S的闭合；
模拟信号隔离方法－优点是使用少量的
数字信号隔离方法的优点是调
光耦，成本低；缺点是调试困难，如果
试简单，不影响系统的精度和
光耦挑选得不合适，会影响A/D或D/A转
线性度；缺点是使用较多的光
换的精度和线性度。
耦器件，成本较高。
注：驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不共地
4.1.2 光电耦合隔离电路
分类：数字量同相传递与数字量反相传递两种。
引言
➢ 数字量输入通道（DI通道）的任务--是把生产 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。
4.2.1 开关输入电路
在开关输入电路中，主要考虑：
引言
在微机控制系统中，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、 脉冲信号。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，以及脉冲信 号的计数和定时等等 。
4.1 光电耦合隔离技术
4.3.1 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。 分类： 1 .普通三极管驱动电路 2. 达林顿驱动电路
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，如图所示。
+ 5V
+ 输 入端
+ 5V 输出端
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），可传送 数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字 信号进行隔离。 应用： 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
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 号而隔离电磁干扰，简称对模拟信号进 行隔离。 应用：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。
❖ 4.3.3 晶闸管驱动电路
❖ 4.3.4 固态继电器驱动电路
引言
数字量输出通道简称 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。 常用电路－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。 选择－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。
输出电路必须采取多级放大或提高三 极管增益的办法。 构成－－多对两个三极管组成的达林顿复合管构成 特点－－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 适 用于计算机控制系统中的多路负荷。
达林顿阵列驱动器MC1416的结构与每对复合管的内部结构如下图所示， 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。
第四章:数字量输入输出通道
本章要点：:
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
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本章主要内容
❖ 引言 ❖ 4.1 光电耦合隔离技术 ❖ 4.2 数字量输入通道 ❖ 4.3 数字量输出通道 ❖ 4.4 DI/DO模板 ❖ 思考题
主要知识点
❖ 4.1.1 光电耦合隔离器 ❖ 4.1.2 光电耦合隔离电路
4.1.1 光电耦合隔离器
按输出级分类－三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型。 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。
图 光电耦合隔离器的几种类型
链接动画
现以三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理
反
之输入信号为“1”对应外电路开关S的断开。
图 开关量输入信号调理电路
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4.2.2 脉冲计数电路
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 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。
+ 12V VC C
系统时钟
CLK0 OUT0
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。
同相传递－－光耦的输入输出同相，即输入为低（高）输出为低（高）； 反相传递－－光耦的输入输出反相，即输入为高（低）输出为低（高）； 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
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图 光电耦合隔离电路源自文库
4.2 数字量输入通道
主要知识点
❖
引言
❖ 4.2.1 开关输入电路
❖ 4.2.2 脉冲计数电路
TS
R
R
TW
G AT E 1
Dz
CLK1
C
OUT1
光耦
+5V
CLK2 OUT2 G AT E 0 G AT E 2
8253/8254
CR CE OL 计数通道1
PC总 线
图 图 4脉-5冲脉计冲 数计 数电输路入 电 路
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4.3 数字量输出通道
主要知识点
❖
引言
❖ 4.3.1 三极管驱动电路
❖ 4.3.2 继电器驱动电路
+5V
例如：Di=0，经反
330
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。
LED
3 .3 K Di
三极管
7406
图 4 - 6 小图功 率 小三 极功管率输 三出 电极路管输出电路
链接动画
2. 达林顿驱动电路
应 用 场 合 － 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，
典型的开关量输入信号调理电路
构成－如图所示
原理－ 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。
比如－开关S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“0”对应外电路开关S的闭合；
模拟信号隔离方法－优点是使用少量的
数字信号隔离方法的优点是调
光耦，成本低；缺点是调试困难，如果
试简单，不影响系统的精度和
光耦挑选得不合适，会影响A/D或D/A转
线性度；缺点是使用较多的光
换的精度和线性度。
耦器件，成本较高。
注：驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不共地
4.1.2 光电耦合隔离电路
分类：数字量同相传递与数字量反相传递两种。
引言
➢ 数字量输入通道（DI通道）的任务--是把生产 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。
4.2.1 开关输入电路
在开关输入电路中，主要考虑：
引言
在微机控制系统中，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、 脉冲信号。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，以及脉冲信 号的计数和定时等等 。
4.1 光电耦合隔离技术
4.3.1 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。 分类： 1 .普通三极管驱动电路 2. 达林顿驱动电路
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，如图所示。
+ 5V
+ 输 入端
+ 5V 输出端
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），可传送 数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字 信号进行隔离。 应用： 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
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 号而隔离电磁干扰，简称对模拟信号进 行隔离。 应用：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。
❖ 4.3.3 晶闸管驱动电路
❖ 4.3.4 固态继电器驱动电路
引言
数字量输出通道简称 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。 常用电路－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。 选择－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。
输出电路必须采取多级放大或提高三 极管增益的办法。 构成－－多对两个三极管组成的达林顿复合管构成 特点－－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 适 用于计算机控制系统中的多路负荷。
达林顿阵列驱动器MC1416的结构与每对复合管的内部结构如下图所示， 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。
第四章:数字量输入输出通道
本章要点：:
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
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❖ 引言 ❖ 4.1 光电耦合隔离技术 ❖ 4.2 数字量输入通道 ❖ 4.3 数字量输出通道 ❖ 4.4 DI/DO模板 ❖ 思考题
主要知识点
❖ 4.1.1 光电耦合隔离器 ❖ 4.1.2 光电耦合隔离电路
4.1.1 光电耦合隔离器
按输出级分类－三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型。 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。
图 光电耦合隔离器的几种类型
链接动画
现以三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理
反
之输入信号为“1”对应外电路开关S的断开。
图 开关量输入信号调理电路
链接动画
4.2.2 脉冲计数电路
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 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。
+ 12V VC C
系统时钟
CLK0 OUT0