1、第5章 过程通道和数据采集系统之六第1页，共31页。n概述n模拟量输入通道nD/A与A/D转换技术n数据采集系统n模拟量输出通道n过程通道的抗干扰措施n小结第2页，共31页。2.2.数字量输出通道数字量输出通道 数字量输出通数字量输出通道的任务是把计道的任务是把计算机输出的数字算机输出的数字信号（或开关信信号（或开关信号）传送给开关号）传送给开关器件（如继电器器件（如继电器或指示灯），控或指示灯），控制它们的通、断制它们的通、断或亮、灭，简称或亮、灭，简称DODO通道。通道。图图 7 74 4 数字量输出通道结构数字量输出通道结构 数字量输出通道主要由输出接口电数字量输出通道主要由输出接口电路
2、和输出驱动电路等组成。路和输出驱动电路等组成。DO接口电路接口电路第3页，共31页。5.3.2开关量输出通道与CPU的接口1)对于单片机，由于本身带有具备锁存功能的I/O口，因此可以直接利用其I/O口作为输出，而无需另加接口电路。2)采用通用集成可编程输入输出接口芯片。3)采用通用逻辑芯片。第4页，共31页。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道2输出信号驱动电路（1）低电压开关量信号输出技术 对于低电压情况下开关量控制输出，可采用晶体管、OC门或运放等方式输出，如驱动低压电磁阀、指示灯、直流电机等，如图2-80所示。图2-80 低压开关量输出 第5页，共31页。光耦合器（光耦合器（op
3、ticalcoupler，英文缩写为，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号信号的器件，通常把发光器（红外线的器件，通常把发光器（红外线发光二极管发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流光电流，从输出端流出，从而实，从输出端流出，从而实现了现了“电电光光电电”转换。以光为媒介把输入端转换。以光为媒介把输入端信
4、号耦合信号耦合到输出端的光电耦到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在单向传输信号等优点，在数字电路数字电路上获得广泛的应用。上获得广泛的应用。第6页，共31页。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 需注意的是，在使用OC门时，由于其为集电极开路输出，在其输出为“高”电平状态时，实质只是一种高阻状态，必须外接上拉电阻，此时的输出驱动电流主要由Vc提供，只能直流驱动并且OC门的驱动电流一般不大，在几十毫安量级。如果驱动设备所需驱动电流较大，则可
5、采用三极管输出方式，如图2-81所示。图2-81 三极管输出驱动 第7页，共31页。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道（2）继电器输出接口技术 一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为控制系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可以完成从低压直流到高压交流的过渡。如图2-82所示。图2-82 继电器输出电路第8页，共31页。2.4 数字量输入输出通道数字量输入输出通道 继电器输出也可用于低压场合，与晶体管等低压输出驱动器相比，继电器输出时输入端与输出端有一定的隔离功能。但由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花从而引起干扰；对于交流高压等场合使用，触
6、点也容易氧化；由于继电器的驱动线圈有一定的电感，在关断瞬间可能会产生较大的电压，因此在对继电器的驱动电路上常常反接一个保护二极管用于反向放电。第9页，共31页。(3)交流电磁式接触器的功率接口继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触器，接触器的触点数一般较多。图5-12交流接触器的接口电路交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电，所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。第10页，共31页。5.4开关量输入通道5.4.1开关量输入通道的结构形式5.4.2开关量形式及变换5.4.3整形与电平变换5.4.4开关量输入通道与CPU的接口第11页，共31页。5.4.
7、1开关量输入通道的结构形式数字量输入通道主要包括：(1)信号变换器将过程的非电量开关量转换为电压或电流的双值逻辑值。(2)整形电路将混有毛刺之类干扰的输入双值逻辑信号或前后沿不合要求的输入信号整形为接近理想状态的方波或矩形波，而后再根据系统要求变换为相应形状的脉冲信号。(3)电平变换电路将输入的双值逻辑电平转换为与CPU兼容的逻辑电平。(4)总线缓冲区暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。(5)接口逻辑电路协调通道的同步工作，向CPU传递状态信息并控制开关量到CPU的输入。第12页，共31页。图5-13开关量输入通道结构框图第13页，共31页。(1)控制系统自带电源方式图5-14自带电源
8、的开关量变换电路a)并联方式b)串联方式第14页，共31页。(2)外接电源方式它适合于开关安装在离控制设备较远位置的场合。图5-15外接直流电源开关量变换电路第15页，共31页。(3)恒流源方式这种方式用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取010mA，即触点闭合时输出电流为10mA，触点打开时输出电流为0。第16页，共31页。(3)恒流源方式这种方式用于抗干扰能力要求高、传输距离较远的场合。电流一般取010mA，即触点闭合时输出电流为10mA，触点打开时输出电流为0。第17页，共31页。2.无触点开关量图5-16无触点开关变换电路a)并联方式b)串联方式第18页，共31页。2.无
9、触点开关量图5-17开关量取样变换电路框图第19页，共31页。3.非电量开关量(数字量)图5-18非电量开关量变换电路结构图第20页，共31页。5.4.3整形与电平变换1.波形整形2.电平变换第21页，共31页。1.波形整形(1)触点消抖在机械有触点开关中，当触点闭合或打开时将产生抖动，使得开关量在动作瞬间的状态不稳，若是工作在计数方式或作为中断输入，将导致系统工作不正常，因此采用触点消抖是必要的。(2)脉冲定宽在许多控制系统中，有时要求在开关量变化时提供一个脉冲宽度稳定的脉冲，如上跳时产生脉冲、下跳时产生脉冲、上下跳变时都产生脉冲。(3)消除毛刺由于受环境干扰的影响，传输的开关量信号将产生毛
10、刺。第22页，共31页。(1)触点消抖图5-19触点消抖电路第23页，共31页。(2)脉冲定宽图5-20开关状态产生定宽脉冲电路第24页，共31页。(3)消除毛刺由于受环境干扰的影响，传输的开关量信号将产生毛刺。图5-21采用比较器的整形电路第25页，共31页。2.电平变换图5-22电平变换电路a)光电隔离电平变换b)晶体管电平变换c)CMOS-TTL芯片电平变换第26页，共31页。5.4.4开关量输入通道与CPU的接口1.开关状态检测接口电路 2.脉宽测量接口电路3.脉冲计数接口电路第27页，共31页。1.开关状态检测接口电路 图5-23采用74LS244的定时查询方式接口电路第28页，共3
11、1页。2.脉宽测量接口电路图5-248253的原理图第29页，共31页。3.脉冲计数接口电路脉冲计数通常用来测量单位时间内的脉冲数，主要用于测频率、测转速或用于V/F方式的A/D转换。脉冲计数可直接采用单片机的定时器/计数器来完成，也可采用8253实现。采用8253进行脉冲计数时，被测信号连接到CLK上，而GATE则接入一个脉宽为采样周期的方波信号，用它来控制计数时间。8253是16位减法计数器，每个计数器内部都有一个控制单元，用于控制本计数器的工作方式，一个16位计数初值寄存器CR，分高8位和低8位，只能写入不能读出，在计数过程中初值不受影响，以便重复计数。一个16位计数单元CE(核心部分)，当CR的值送入CE后计数单元以时钟速率递减计数。一个16位输出锁存器OL，也分高低8位，CPU可直接对OL进行读操作，OL内容可随CE内容变化，也可用来锁存内容，使读出不影响计数操作(闩锁读取)。第30页，共31页。图5-288253脉冲计数接口电路第31页，共31页。
