单片机抗干扰的技术(4) 开关量输入输出通道隔离

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
Hale Waihona Puke Baidu
6
V1
V2
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
R2 V2 V 1 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
V 2 I R2
7
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
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。
15
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。
1
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。
2
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。
30
输出通道常用措施
隔离处理
电平转换和功率放大
31
（1）隔离处理
当计算机控制系统的开关量输出信号用于控制
较大功率的设备时，为防止现场设备上的强电磁干
扰或高电压通过输出控制通道进入计算机系统，一
般需要采取光电隔离措施隔离现场设备和计算机系
统。 下图是采用了光电隔离的开关量输出电路。
32
低压小功率开关量输出
V 2 I R2
8
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
9
（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。 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：
27
⑤ 隔离电压
它是光电隔离器的一个重要参数，表示了其电 压隔离的能力。 一般可以达到1000V～1500V以上
28
⑥ 电源隔离
输出光隔两侧的供电电源必须完全隔离。
无论是输入隔离还是输出隔离，只要采取光
电隔离措施，就必须保证被隔离部分之间电气完
全隔离，否则就起不到隔离作用了。
29
两边的电源没有直接的连接：地线、电源线都没有电 的连接
输入
+ ～ SSR ～
输出
49
使用继电器输出时，为克服线圈反电势，常在继
电器的线圈上并联一个反向二级管。继电器输出也可
以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易
产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可
采用阻容电路予以吸收。
42
继电器式开关量输出
43
带光电隔离的继电器输出接口电路
图2.11 继电器式开关量输出
44
④ 可控硅输出
21
① 输入侧导通电流
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 。
22
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。
极电阻则用于提高抗干扰能力，以防误触发。
46
光电隔离的双向可控硅输出
47
⑤ 固态继电器输出接口
有交流、直流两种固态继电器。 直流固态继电器：就是晶体管（功率场效应管） 输出，区别在于：将光电耦合（隔离）、驱动、功率 管集成在一个模块内。
输入
+
SSR
+
输出
48
交流固态继电器：双向晶闸管（可控硅）、光隔 离集成在一个模块内、
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
23
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
24
6N137
脉冲频率可高达 近10MHZ。
极限条件
18
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 符号 IF VR TOPR 符号 Ic VCEO -25 最小值 min — — 典型值 Typ 1 55 最小值 min — 典型值 Typ 16 5 85 最大值 Max 10 最大值 Max 50 单位 mA V ℃
输出侧
10
输入保护电路
11
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
12
（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；
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。
16
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
17
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。
几种常用的预处理方法
3
图2.1 开关量输入通道的典型结构
4
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
5
（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。
39
功率场效晶体管的典型使用方法
40
③ 继电器输出
继电器经常用于计算机控制系统中的开关量输
出功率放大 —— 即利用继电器作为计算机输出的执
行机构，通过继电器的触点控制较大功率设备或控
制接触器的通断以驱动更大功率的负载，从而完成
从直流低压到交流 ( 或直流 ) 高压、从小功率到大功 率的转换。。
41
13
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。 注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源 14 和地线）
（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。
25
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。
26
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。 在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电 流而可能引起的误触发，并予以处理。
作为一种大功率半导体无触点开关器件，可控
硅具有以较小的功率来控制大功率的特点，因此在
计算机控制系统中被广泛地用作功率执行元件，一 般是由计算机发出数字触发脉冲信号实现其通断控 制。
45
下图是采用可控硅输出型光电隔离器驱动双向可
控硅的电路图，图中与可控硅并联的RC网络用于吸收
带感性负载时产生的与电流不同步的过压，可控硅门
集成功率电子开关输出
35
① 小功率低压开关量输出
对于低压小功率开关量输出，可采用晶体管、OC
门或运放等方式输出。
图2.10给出的两种电路一般仅能提供几十毫安级
的输出驱动电流，可以驱动低压电磁阀、指示灯等。
36
低压小功率开关量输出
37
② 晶体管输出接口
当前很多情况使用功率场效应管代替双极型晶体 管，他是电压控制型器件，驱动门可以省去。
33
（2）电平转换和功率放大
计算机通过并行接口电路输出的开关量信号， 往往是低压直流信号。一般来说，这种信号无论是
电压等级、还是输出功率，均无法满足执行机构的
要求，所以应该进行电平转换和功率放大，再送往 执行机构 。
34
电平转换和功率放大方法
小功率低压开关量输出
继电器输出
可控硅输出
功率场效应输出
参数 集电极电流 输出侧电压 单位 mA V
19
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
20
（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。
38
功率场效应输出
功率场效应管 (MOSFET) 是压控电子开关，只要
在其栅极 G和源极S之间加上足够的控制电压，漏极
D和源极S之间可导通。
MOSFET 的栅极控制电流为微安级，而导通后漏 极D和源极S之间允许通过较大的电流。 例如IRF640 导通时， D、 S 间允许通过的最大电 流可达18安培。