开关量输出器件

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①要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 制的驱动信号,关键在于输出通道中的功率驱动电路。
②根据现场开关器件功率的不同,可有多种数字量驱动电路的 构成方式。
三、开关量输出隔离器件
• 开关量输出隔离的目的: 在于隔断微机与执行机构之间的电气联系, 以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成 执行机构的误动作,甚至导致智能仪器本身 的损坏。
(3)、工作原理
当Vi为低电平时,流过发光二极管 的电流为零,光敏三极管截止, Vo输出高电平+V。当Vi为高电平 时,电流I1经R1流经发光二极管 使其发光,光信号作用于光敏三极 管使其饱和导通,Vo输出为低电 平。
所以光电耦合器件兼有反相及电平转换的作用。R1为 限流电阻,其阻值决定了发光二极管的导通电流I1, I1一般选为数毫安。R2的取值要保证Vo输出的高、低 电平要求。
(5)、光电耦合电路在工业上的应用
生产线上的产品计数模型
左图中,红外发光二极管和红 外接收三极管分别安装在产品 流水线传送带的二边,每当传 送带上有一个产品经过,就会 遮挡红外光线一次,使红外接 收三极管的输出一个脉冲电平 信号。单片机对输入的脉冲信 号进行计数,就可以对产品的 产量进行统计 。
(5)、光电耦合电路在工业上的应用
IOH= 15 mA,低电平输出电流 IOL=24 mA,可以用来驱动光电耦合
器 件、LED数码管、中功率晶体管等。(大功率(PC>1W)、中
功率 (PC在0.5-1W)和小功率三极管(PC<0.5W)) 可用来驱动光电耦合器件,LED,中功率晶体管等。
采用75451作为驱动指示灯的电路
当单片机P1.1口输出低电平时,2A,2B为00,则 2Y输出低电平,指示灯L2发光.
在输出通道中,为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通 道反串到CPU系统中,一般需要采用通道隔离技术。(光-电 隔离技术) 使用光电隔离器时,要注意以下4点: ①当光电隔离器导通时,必须输入足够大的导通电流,使发光二 极管发出的光使输出端动作。光电隔离器的发光二极管正常发 光电流为毫安级. ②光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此,在高频 信号传输中要考虑其频率特性,选择通过频率比较高的光电隔 离器 ③光电隔离器输出端的灌电流不能太大,否则可能使输出端击穿, 导致光电隔离器的损坏,因而在光电隔离器与被控对象之间要 加驱动电路。
继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系,因此,可利用继 电器的线圈接收电器信号,利用触点发送和输出信号,从而波 面强电和弱电信号之间的直接接触,实现了抗干扰隔离。
四、开关量输出驱动电路
1、小功率驱动接口电路
(1)、TTL三态门缓冲器
这类电路的驱动能力要高于一般的TTL电路。例如74LS240、 74LS244、74LS245,75451等,它们的高电平输出电流
对于只有二种工作状态的执行机构或器件,用智能 仪器输出开关量来控制它们,例如控制马达的启动和 停止,指示灯的亮和灭,电磁阀的开和关等。这些执 行机构或器件所要求的控制电压和电流千差万别,有 的是直流驱动的,有的是交流驱动的,都必须根据对 象采用合适的电气接口。
二、开关量输出隔离的一般结构


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一、智能仪器输出通道信号种类
1、模拟量输出信号
(1)直流电流信号(适合远距离传输) (2)直流电压信号(适合近距离传输)
2、开关量输出信号 3、数字量输出信号
1、模拟量输出信号
(1)直流电流信号(适合远距离传输)
电流信号抗干扰能力强,信号线电阻不会导致信 号损失。
(2)直流电压信号(适合近距离传输)
(2)、光电耦合器件的特点
●输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于1010Ω,耐
压一般可超过1kV,有的甚至可以达到10kV以上。 ●由于“光”传输的单向性,所以信号从光源单向传输到光接 收器时不会出现反馈现象,其输出信号也不会影响输入端。 ●由于发光器件(砷化镓红外二极管)是阻抗电流驱动性器件, 而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的 共模抑制比很大,所以,光电耦合器件可以很好地抑制干扰 并消除噪音。 ●响应速度快,易与TTL电路配合使用。光电耦合器件的时间 常数通常在微秒甚至毫微秒极。 ●无触点、寿命长、体积小、耐冲击。
常见的线圈瞬态抑制方法有: 在线圈上并联一个电阻器或阻容电路,或并联一个二极 管。线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长,使触 点转换速度变慢。
(4)、继电器隔离电路
当A点为高电平时,晶体管VT饱 和导通,继电器K吸合;当A点为低 电平时,VT截止,继电器K则释放, 完成了信号的传送过程。VD是保护 二极管。当VT由导通变为截止时, 继电器线圈两端产生很高的反电势, 以继续维持电流IL 。由于该反电势 一般很高,容易造成VT击穿。加入 二极管VD后,为反电势提供了放电 回路,从而保护了三极管VT。
释放电流:它是指继电器产生释放动作的最大 电流。释放电流比吸合电流小得多。 触点负荷:它是指继电器触点允许的电压或电 流。它决定了继电器能控制电压和电流的大 小。应用时不能用触点负荷小的继电器去控制 大电流或高电压。
(3)、常用的继电器保护电路
a)、继电器触点保护电路
当输出回路包含有感性负载而且导通电流较大时,在触点断 开的瞬间有可能在触点间造成高压电弧,以至于烧坏触点或 降低触点寿命。为了防止这种情况发生:












典型的开关量输出通道结构
1)输出锁存: 当对生产过程进行控制时,控制量往往需要保持,直到输出
新的控制量,所以,每次输出的控制量就需要保存(锁存)。 输出锁存器可用可编程接口电路8255,也可用简单接口电路如 74HC244,74HC273,74HC373等来实现。
2)数字隔离:
(2)、电磁继电器的特性参数
额定工作电压或额定工作电流:指继电器工作时线圈 需要的电压或电流。电磁式继电器的驱动电源可能是 交流的,也可能是直流的。为了适应不同电压的电路 应用,一种型号的继电器通常有多种额定工作电压或 额定工作电流,并用规格型号加以区别。 直流电阻:指线圈的直流电阻。 吸合电流:它是指继电器能够产生吸合动作的最小电 流。在实际使用中,要使继电器可靠吸合,给定电压 可以等于或略高于额定工作电压。一般不要大于额定 工作电压的1.5倍。否则会烧毁线圈。
§2.6 开关量输出器件85-86、96-99页
一、智能仪器输出通道信号种类
模拟量输出信号、开关量输出信号、数字量输出信号
二、开关量输出隔离的一般结构 三、开关量输出隔离器件
1、光电耦合器件 2、继电器隔离电路
四、开关量输出驱动电路
TTL三态门缓冲器、集电极开路门、门电路外加晶体 管、达林顿晶体管阵列驱动器芯片
• 目前,光电耦合器件和继电器常用作开关量 输出隔离器件。
1、光电耦合器件(optical coupler--OC) 光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路
(1)、光电耦合器件的类型
(a)通用型(无基极引线);(b)通用型(有基极引线);
(c)达林顿型;(d)高速型; (e)光集成电路;(f)光纤型; (g)光敏晶闸管型;(h)光敏场效应管型。
(2).开关量信号的特点是什么?
只有开和关、通和断、高电平和低电平两种状态的信号叫开 关量信号,在智能仪器的电子电路中,通常用二进制数0和1来 表示。
2、开关量输出信号
(3)开关量信号的作用?
开关量输入、输出部分是智能仪器与外部设备的联 系部件,智能仪器通过接收来自外部设备的开关量输 入信号和向外部设备发送开关量信号,实现对外部设 备状态的检测、识别和对外部执行元器件的驱动和控 制。
(4)、常用的光电隔离电路
光电隔离可直接用门电路去 驱动,由于一般的门电路驱 动能力有限,常用集电极开 路的门电路如7406等去驱 动,如左图所示。
当输出控制电平PC0为低电平时,7406输出高电平, 发光二极管截止,光电隔离处于截止状态,VO输出 高电平,而当输出控制电平为高电平时,7406输出 低电平,发光二极管导通,光电隔离器处于导通状态, VO输出低电平。
越限报警、开关量控制、反映智能仪器本身的工作状 态
(4)常见电子开关都有哪些?
扳键开关、BCD码拔盘开关、磁性开关、光敏器件 开关(光电开关、光纤开关等)、温度超限开关。
2、开关量输出信号
(5)电子开关的缺点是什么?如何解决该缺点?
由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电 流和开关的触点,这些信号经常会产生瞬时高压、过电流 或接触抖动等现象。因此为使信号安全可靠,在输入到单 片机之前必须接入信号输人电气接口电路,对外部的输入 信号进行滤波、电平转换和隔离保护等。
④利用光电隔离器实现控制通道的隔离时,用于驱动发光二极管 的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源,否则外部干扰可 能通过地线串到CPU中去,这样就失去了隔离作用。解决的方法 有两个:即在光电隔离的两侧分别使用不同的电源,也可用DCDC变换的方法往输出端提供一个与光隔输入端隔离的电源。
3)输出驱动:
(2)、集电极开路(OC)门
OC门电路的输出级是一个集电极开路的晶体三极管,如图4-15所示。组成 电路时,OC门输出端必须外加一个接至正电源的负载才能正常工作,负载 正电源+V可以比TTL电路的VCC(一般为+5V)高很多。例如,7406、 7407OC门输出级耐压可高达30V,输出低电压时吸收电流的能力也高达 40mA。因此,OC门是一种既有电流放大功能,又有电压放大功能的开关 量驱动电路。实际应用中,OC门电路常用来驱动微型继电器、LED显示器。
关控制器件。
(1)、电磁继电器的结构和工作原理
电磁铁继电器结构图
当它的电磁铁线圈通过一定数值 的电流时,产生的电磁吸力大于 弹簧的反作用力,衔铁动作使输 出回路中的常开触点闭合,常闭 触点打开。当通过线圈的电流小 于释放电流时,弹簧将衔铁弹回, 输出回路各触点恢复原态。应用 时只要把需要控制的电路接到触 点上,就可利用继电器达到控制 的目的。
(5)、光电耦合电路在工业上的应用
主要应用:光电传感器,比如光电计数开关、光电位置检测开关。
光电开关和单片机的接口电路
图中的D为红外发光二极管,R1为限 流电阻,T是光电接收三极管,R2为 取样电阻。D在+5V的作用下,产生 红外光线,当红外光线没有被挡住时, T导通饱和向单片机输入一个低电平 信号,当红外光线被挡住时,T截止 向CPU输入一个高电平信号。向单片 机输入开关信号,就能对红外光线进行 控制。根据发光二极管与接收三极管 的不同位置设计的开关接口电路,可 以应用于计数、位置状态、转速等多 方面测试。
负载电源是直流的,可以在触点间并联续流二极管 ;
负载电源是交流的,可以在触点间并联压敏电阻 ;
负载电源是交流的,可以在触点间并联阻容电路 。
(b)、继电器线圈的保护 当继电器线圈断电时,其储存的感应电能可能在
直流电源上产生高达1500V的浪涌电压,随着固体器件 使用量的不断增加,必须对继电器线圈进行抑制,将其电 压峰值限制在一定的范围。
3、数字量输出信号
数字量输出信号分为串行和并行两种。 串行用于较远距离的数据传输和信息交换,
例如智能仪器与上位机之间通信多位串行。 并行方式传输速度快,但所需导线条数多,
只适合于近距离传输,例如智能仪器与周围 的其他智能设备之间。
二、开关量输出隔离的一般结构
1. 开关量输出通道的用途
将CPU输出的控制量转换为对被控对象的控制操作。
当智能仪器的输出模拟信号需要传输给多个其他 仪器仪表时,一般采用直流电压信号 。
2、开关量输出信号
(1).开关和开关量信号的区别?
开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装置,主要用于 向单片机输入电平信号。开关量信号就是通过拨动开关的位置, 使单片机得到的一个固定不变的电平信号。在智能仪器中用于 向单片机输入控制命令或数据,开关信号可以通过机械式开关、 电子式开关、温度开关等方式产生。
光电传感器位置检测
左图中当移动的物体一旦 挡住红外光线,红外接收三 极管就会输出一个脉冲信号。 此装置可以用来检测物体的 有或无,可以作为运动物体 的限位检测电路,可以作为 外人侵入的报警检测电路, 也可以作为自动门的控制电 路。
2、继电器隔离电路
电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开
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