开关量输出

②集电极开路门（OC门） OC门电路的输出是一个集电极开路的晶体三极管， 如下图所示：
组成电路时， OC门的输出端 必须外接一个接至正电源的 负载才能正常工作，负载正 电源+V可以比TTL电路的VCC 高很多。例7406，7407 OC 门输出极截止时 耐压可高达30V。输出低电平时吸收电流的能力也高 达40m A，因此， OC门是一种即有电流放大功能， 又有电压放大功能的开关量驱动电路。在智能仪器 的实际应用中常用来驱动LED显示。
思考题: 1.微处理器处理开关量信号时应考虑哪些 问题? 2.固态寄电器有哪几类?各有什么特点?
3. 固态继电器（SSR）输出接口电路 1)固态继电器原理及结构 固态继电器即有放大作用又有隔离作用，适合于驱 动大功率管式执行器件。 SSR是一个四端有源器件，其中二端为输入控制 端，输入功耗很低，与TTL电路兼容；另外二端是 输出端，内部设有输出保护电路。 如果是单向直流固态继电器（DC SSR）的输出 端与直流负载匹配；如果是双向交流固态继电器 （AC SSR）的输出端与交流负载匹配。输入电路 和输出电路之间采用光电隔离，绝缘电压可达 2500V以上。
2)AC SSR又分为二种类型 ①过零触发型（Z型），
过零触发型在输入信号有效后,必须在负载电源电压过 零时才接通输出端的负载电源,当输入端的控制信号撤 消后,必须等到交流负载电源电压的过零时刻才能断开 输出端的负载电源,具有零电压开启，零电流关断特性， 使用中对电网污染小，但它的输入端施加控制电压后， 要等交流电压过零输出时才能导通， 这有可能造成最大为半个市电周期的确延迟。
2. 开关量输出通道的一般结构
输 出 锁 存 数 字 隔 离 输 出 驱 动
被 控 对 象
CPU
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244，273，373等来实现。
②晶体管阵列驱动器芯片 晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量中功 率驱动电路，例MC1416包含有7路开关量驱动器， 每路驱动器内部结构如下图所示：
图中的D1用做输入端箝 位， D2用做输出端箝 位， D3用做输出端箝 位或感性负载的续流保 护。
MC1416驱动7个继电器线圈的电路如下图所示：
MC1416的特性如下： Ⅰ）每路输出电流可达 500m A，但每一块芯片 总的输出电流不得超过 2.5A。 Ⅱ）输出端截止时耐压 可达100V。 Ⅲ）输入端可与多种TTL 电路兼容。
三.输出驱动接口电路
1. 小功率驱动接口电路 ①TTL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75451, 74LS244， 74LS245等，可用来驱动光电耦合器件， LED，中功率晶体管等。 下图就为采用75451作为驱动指示灯的电路.
当单片机P1.7口输出低 电平时,2A,2B为00,则2Y 有信号输出,指示灯L2发 光.
1) 光耦合器件有如下 特点：
①输出信号与输入信 号没有公共地,在电气 上完全隔离. ②无触点，寿命长，可靠性高。 ③响应速度快，易与TTL电路配合使用。 2) 光耦合电路的工作原理： 当Vi为低电平时，流过发光二极管的电流为零，发 光二极管截止,则光敏三极管截止，VO输出高电平 +VO；
当Vi为高电平时，电流I1经R1流经发光二极管使其导 通发光，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 ， I1一般选为几毫安。 R2的取值要保证VO输出的高，低电平的要求。
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DC-DC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:
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。
二.数字隔离器件
1. 光耦合器件电路原理
光耦合器件是一种常用的以光为媒介传输信号 的电路，如下图所示： 图中发光二极管和光敏 三极管封装在同一个管 壳内，发光二极管的作 用是将电信号变为光信 号，光敏三极管接收光 信号，再将它转变为电 信号。
2.中功率驱动接口电路
①晶体管输出驱动电路 门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大 的驱动电流。如下图所示： 图中的晶体管是小功率管， 其驱动能力大约为10-50m A。 对于中功率管，驱动能力可 达50-500m A。如果采用大 功率管驱动能力会更强。使 用时应注意门电路为高电平 时，必须保证能提供给晶体管足够的基极电流，使其 饱和导通。若负载呈电感性，则应在负载上并联续流 保护二极管。
②电感式负载 对于电感式负载，当SSR关断时，因为流过电感 式负载的电流不能突变，有可能在电感二端产生很高 的感应电压，导致SSR输出电路被烧坏，必须用续流 二极管（直流负载）或压敏电阻（交流负载）保护 SSR的安全。 如果负载为直流电感式，应当使用DC SSR，负载 上并联续流二极管保护SSR如下图所示：
2)数字隔离: 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。
2. 继电器隔离器件的电路原理 继电器隔离器件主要是采用电磁式继电器组成的 电路来完成。它是由小电流的通断控制大电流的通 断的常用的开关控制器件。电磁式继电器电路的符 号如下图所示：
当它的电磁线圈Y通过一定数值的电流时，产生的电磁 吸引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。电磁式继电器的线圈的驱动电源可能是直流的，也
智能仪器与系统
19-20学时
第2章 智能仪器的输入/输出通道及接口技术
（八） 开关量输出通道
主要讲解内容：
1）开关量输出的一般结构 2) 数字隔 离器件 3) 输出驱动接口电路
一.开关量输出的一般结构
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。
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。
例2）输入端3接正电源，输入端4接控制信号，控制 信号为高电平则SSR关断，控制信号为低电平则SSR 导通。
4）SSR的输出负载：
①小电流负载 由于SSR内部除去输入电路外的所有其它电路都 是由输出端供电的，因此即使在输出端关断情况下， SSR仍维持一个关断状态电流，为了使负荷可靠地关 断，流过负载的开启电流至少应该是SSR关断状态电 流的10倍。如果负载电流低于这个值，负载上需要并 联一个电阻，以提高开启电流的数值。
②随机开启型（P型非过零型）：
ห้องสมุดไป่ตู้
随机开启型输入端施加控制电压后输出端立即导通。 在输入电压撤消后，当负载电流低于双向可控硅的维 持电流时，SSR输出才关断。大功率负载的随机开启 有可能对电网造成污染，导致局部供电系统波形的变 形。 3) SSR的输入控制：
SSR的输入电路与TTL，CMS电路兼容，输入控制十分 方便，任何可以给出TTL电平的开关电路都可以用来驱 动SSR，例如晶体管开关电路，按钮开关电路及各种电 源为+5V的TTL或CMS熟数字逻辑IC卡。例如下图所示： 例1）输入端4接低电平，输 入端3接控制信号，控制信号 为高电平则SSR导通，控制 信号为低电平则SSR关断。
如果负载为直流电感式而负载电源为交流电源，可 外接整流全桥将其变为直流。如下图所示：
如果负载为交流电感式，必须使用AC SSR， SSR 的输出端并联压敏电阻以保护SSR。如下图所示：
压敏电阻的阀值电压可按电源电压的有效值1.6~1.9 倍选取。压敏电阻不但为电感式负载的感应电流提供 了一个通路，而且可以避免工频市电电源夹杂的尖蜂 电压施加在SSR的输出端。 工频市电电源夹杂的尖蜂电压是很频繁的，它虽然宽 度很窄，但幅度有高有低，高的可达千伏。当尖蜂电 压的幅度超过了SSR的阻端电压或其变化速度超出了 SSR在关闭状态下的d v/d t特性容限时，就会使SSR 在没有选通的情况下开启，造成执行机构的误动作。