测控系统原理与设计 第2章 测控通道.ppt

第二章测控通道 I O通道 内容 模拟输入通道 模拟输出通道 开关量输入 输出通道 单元电路级联设计重点 模拟输入通道 模拟输出通道组成和设计 开关量输入 输出通道组成和设计 难点 测控通道的基本理论和参数设计 2 1模拟输入通道 2 1模拟输入通道2 1 1基本类型与组成结构定义 微机化测控系统中微机与被测对象之间的联系通道称为模拟输入通道 组成 传感器 信号调理 数据采集 作用 将模拟信号变成数字信号 类型 多路模拟输入 集中 分散 单路模拟输入 模拟输入通道的基本组成 图2 1 1信号输入通道的基本组成 一 集中采样式 类型 分时采样型 同步采样型分时采样型特点 多路公用一个 和 电路简单 成本低 依次采集同步采样型特点 多路同时被采样 保持电路的泄放会产生误差 典型电路结构如图 多路分时采集分时输入结构图 相当采集电路 多路同步采集分时输入结构图 相当采集电路 二 分散采集式 特点 没有模拟多路切换器 都有各自 和 随机或顺序进入计算机 相当采集电路 图2 1 3分散采集式模拟输入通道结构 2 1 2传感器的选用 一 对传感器的主要技术要求 1 实现物理量到电信号的转换 满足量程需求 2 精度满足要求 速度满足要求 3 满足环境要求 4 满足可靠性和可维护性要求 5 满足性能价格比要求 二 可供选用的传感器类型 1 大信号输出传感器2 数字式输出传感器3 集成式传感器4 光纤传感器其他 BCD码输出 专用特制等 1 大信号输出传感器 要求 与A D相配套的大信号输出传感器 特性 A 把放大电路与传感器做成一体 使传感器能直接输出0 5V 0 10V或0 2 5V要求的信号电压 把传感器与相应的变送器电路做成一体 构成能输出4 20mA直流标准信号的变送器 可省去小信号放大环节 大信号输出传感器应用图 图2 1 4大信号输出传感器的使用 对于大电流输出 只要经过简单I V转换即可变为大信号电压输出 对于大信号电压可以经A D转换 也可以经V F转换送入微机 但后者响应速度较慢 2 数字式输出传感器 1 构成 采用频率敏感效应器件构成 也可以是由敏感参数R L C构成的振荡器 或模拟电压输入经V F转换等 2 特性 数字量传感器一般都是输出频率参量 具有测量精度高 抗干扰能力强 便于远距离传送等优点 传感器输出如果满足TTL电平标准 就可以直接接入计算机的I O口或中断入口 如果传感器输出不是TTL电平 则须经电平转换或放大整形 下页图2 1 5所示 频率量及开关量输出的传感器还具有信号调理较为简单的优点 3 用途 非快速测量时选用 频率 开关输出传感器应用图 图2 1 5频率量及开关量输出传感器的使用 3 集成式传感器 1 构成 将传感器与信号调理电路做成一体 例如 将应变片 应变电桥 线性化处理 电桥放大等做成一体 构成集成压力传感器 2 特性 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务 简化通道结构 4 光纤传感器 特性 其信号拾取 变换 传输都是通过光导纤维实现的 避免了电路系统的电磁干扰 在信号输入通道中采用光纤传感器 可从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰 1 向传感器厂家定购 价格高 2 实用设计方法 从传感器定型产品中选一个作为基础件 在其前设计一种敏感器或在其后设计一种转换器的方案进行 组合方案 各种方式的传感器组合后达到满足特定测量需要的特制传感器 特殊需要传感器的解决方法 2 1 3信号调理电路的参数设计和选择 1 功能 放大 滤波 调零 线性处理 温度补偿 误差修正 量程切换等统称为信号调理 相应的电路成为信号调理电路 2 特性 部分工作可由软件完成 简化测试系统结构 3 信号调理重点 小信号放大 信号滤波以及对频率信号的放大整形 4 典型电路构成 图2 1 6典型调理电路的组成框图 一 前置放大器 1 输出噪声 电路在没有信号输入时 输出端仍存在一定幅度的波动电压 这就是电路的输出噪声 2 等效输入噪声 把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K 得到的电平值称为该电路的等效输入噪声VIN 一 前置放大器 3 前置放大特点 可有效提高信噪比4 要求 前置放大器的放大倍数大于1 等效输入噪声必须比后级电路的等效输入噪声要低 前置放大器要求是低噪声的 5 实现 如电路图 前置放大器作用 图2 1 7前置放大器的作用 为不使小信号被电路噪声淹没 必须在该电路前面加一级放大器 图中K0为前置放大器的增益 VIN0为本身的等效输入噪声 VIS为输入信号 后级电路中 VON为噪声有效值 K为电路的增益 VIN为等效输入噪声 设置低噪声前置放大器 为使小信号不被电路噪声所淹没 在电路前端加入的电路必须是放大器 即K0 1 而且必须是低噪声的 即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低 因此 减少电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接收弱信号的能力 所以 调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器 两种调理电路对比 调理电路的等效输入噪声分别为 显然当K大于1时前者较小 所以将滤波器放在放大器的后面是合理的 有利减少电路的等效输入噪声 提高接受弱信号能力 图2 1 8两种调理电路的对比 前置放大器 前置放大器种类 1 仪器放大器 要求 低漂移 低失调电压 非线形误差小 低噪声 共模抑制比高 输入阻抗高2 隔离放大器 消除干扰 安全 保护系统3 可编程增益放大器 增益可调 量程范围大 二 滤波器 1 种类 高通滤波器 陷波滤波器 去混淆滤波器2 作用 防止零点漂移 防止共频干扰 防止采集混叠现象 隔直电容C与电压跟随器输入电阻Ri形成一个RC高通滤波器 陷波器是为抑制交流电干扰而设置的 陷波频率应等于交流电干扰的频率 图2 1 9隔直电容的作用 1 采样定理 连续信号x t 被宽度为的脉冲信号所采集 采样周期为T 这个过程可以用数学表达式表示为 对应频谱为 采样定理 其中为采样角频率 采样定理 结论 一个连续信号经过理想采样后 其频谱产生周期性的延拓 每隔一个采样频率后就以1 T的倍数重复出现 图2 1 10折叠失真的产生与消除 采样定理 如果信号最高频率分量超过就会出现频谱混叠 所以 采样频率必须大于2倍的信号最高频率 这就是采样定理 奈奎斯特定理 香农定理 另外还要注意 采样信号必须为带宽有限信号 即最高频率为有限值 2 去混叠滤波 采样产生折叠失真是由于被采样频谱中含有高于折叠频率fs 2的频率分量 产生频率混淆 被采样频谱包含有用信号和干扰噪声两部分 大多存在高于fs 2的频率分量 由于被采样频谱中高于fs 2的频率分量采样后会出现在低于fs 2的信号频段上 这样就无法用频率滤波的方法将它们与信号分离 为消除频率混淆或假频干扰 就只有在采样之前先用一个截频fh fs 2的低通滤波器把高于fs 2的频率分量滤掉 以保证采样时被采样的频谱只包含 低于fs 2的频率分量 即满足采样定理 在采样开关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆滤波器或去假频滤波器 当然 如果被采样频谱中不包含高于fs 2的频率分量 或者虽然有但也很微弱 那就不必增加去混淆滤波这道环节 去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于fs 2的频率分量 如果去混淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话 那么去混淆滤波器截止频率fh fs 2就可以了 2 去混叠滤波 2 去混叠滤波 1 去混叠滤波属于低通滤波器 2 在采样之前先用一个截止频率为的低通滤波器 把高于的频率分量滤除 另一方面可以滤除高频干扰信号 2 1 4采样电路的参数设计和选择 图2 1 13采集电路的基本组成 采集电路是实现模拟信号数字化的电路 A D转换器是采集电路的核心 一般A D前都设置模拟多路切换器MUX 以便从多路模拟信号中选一路进行A D转换 若模拟信号为恒定或变化缓慢的信号 则可直接进行A D转换 如图2113 a 所示 如果被测模拟信号为动态信号 必须在MUX与A D之间设置采样保持器S H 如图2113 b 所示 S H在MUX的闭合期间采样 A D在S H保持期间进行A D转换 如果各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大 必须在S H与MUX之间设置程控增益放大器PGA或瞬时浮点放大器IFP作为主放大器 如图2113 c 所示 2 1 4采样电路的参数设计和选择 一 A D转换器的选择1 A D转换器位数的确定设模拟输入的电压分别是Kg为A D前放大器的增益 M位A D满量程为E 则应使 A D转换器的选择 所以有 动态范围常常用如下表示 若知道L1则可以确定位数 A D转换器的选择 A D转换的量化误差为即满量程的可根据精度指标估算A D的位数2 A D的转换速度积分型 逐次比较型 双极并行型速度依次提高 采样时间为 A D转换器的选择 提高转换速度的措施 减少通道数 最好用分散采集方式N 1 减少截频系数C 增大去混淆低通滤波器陡度 选用转换时间短的A D芯片 选用直接读取存储器的技术 DMA 3 根据环境选择A D 温度 功耗 可靠性等 4 选择A D转换的输出状态 并行 串行输出 二进制 BCD码输出 时钟等 二 采样保持器的选择 1 主要参数捕捉时间tAC由保持状态过渡到跟踪输入信号电压值所需的时间 反映了A D的采集速度 包括了开关的延迟和建立跟踪输入信号稳定时间 孔径时间tAP保持指令开始到模拟开关完全关断 建立时间ts保持命令开始到保持终值时间保持电压的跌落速度 ID为流过保持电容CH的所有漏电流代数和 图2 1 14采样 保持器的主要性能参数 采样保持器的选择 采样保持器的选择 2 要不要设置采样保持器通过计算可以知道 为了保证1LSB的精度 在A D转换时间tc内 被转换信号允许的最高频率为 所以 当信号频率低于上面极限值时不用S H 但是当信号频率高于上面极限值时就要采用S H 以便把采样幅值保持下来 三采集电路时序和最高频率 图2 1 15分时采集多道数据采集系统 采集电路时序和最高频率 单通道工作周期为捕捉时间 采样时间和转换时间之和 即 多路采集时的工作周期为 N为输入通道数所能允许的模拟信号最高频率为 四多路通道串音问题 原因 模拟开关的关断电阻不是无穷大 对正在接通的采集电路构成干扰 这就是串音干扰 消除措施 1减少信号源内阻 可采用电压跟随器 2选用开路电阻大 接通电阻小的开关管 3减少输出端并联开关数 4选用寄生电容小的多路开关 五主放大器的设计 A D采样电路的量化相对误差为 其中Vij是模拟开关采样电压 q是绝对误差 可见 输入电压越大 相对误差也就越小 所以 通常在A D前面放一个放大倍数为K的主放大器 以提高A D的相对转换精度 使得 主放大器的设计 对主放大器的K的要求 最后可以推出 2 1 50 其中 E是满度输入电压 q E DFS DFS 是满度输入电压对应的满度输出数字 主放大器的设计 Vij不随j变化 但随i变化很大 应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器 程控增益放大器的特点 每当多路开关MUX在对第i道信号采样时 放大器就采用预先按式 2 1 50 选定的第i道的增益Ki进行放大 若被测量的多路模拟信号是随时间变化的信号 而且同一时刻各路信号的幅度也不一样 即 Vij既随i变化 也随j变化 应在采集电路中设置瞬时浮点放大器作为主放大器 其特点是在多路开关MUX对第i道信号进行第j次采样期间 及时为该采样幅值Vij选定一个符合式 2 1 50 书P22 的最佳增益Kij 由于该放大器的增益Kij是随采样幅值Vij而变化调整的 故称浮点放大器 因为放大器增益调整必须在采样电压Vij存在的那一瞬间完成 所以又称为瞬时浮点放大器 2 1 5模拟输入通道的误差分配和综合 设计时要已知 精度要求 温度条件 通道数 信号特征 在确定了通道结构后 根据总精度要求分配各环节的精度要求 一般传感器和信号放大电路的误差比例最大 元件选择的要求其精度是系统精度的10倍 例子见P23 自学 2 2模拟输出通道 2 2 1模拟输出通道的基本理论一 零阶保持与平滑滤波D A是将计算机输出的数字信号进行模拟输出的过程 有两种基本方式 一阶保持和零阶保持 图2 2 1一阶保持与零阶保持 模拟信号数字化得到的数据是模拟信号在各个采样时刻瞬时幅值的A D转换结果 很显然把这些A D转换结果再经过D A转换 也只能得到模拟信号各个采样时刻的近似幅值 得到模拟信号波形上的一个个断续的采样点 而不能得到在时间上连续存在的波形 为了得到在时间上连续存在的波形就要填补相邻采样点之间的空白 有两种简单的填补采样点之间空白的办法 一是把相邻采样点之间用直线连接起来 如上页图221 a 所示 这种方式称为 一阶保持 方式 二是把每个采样点的幅值保持到下一个采样点 如上页图221 b 所示 这种方式称 零阶保持 方式 一阶保持与零阶保持 模拟输出通道的基本理论 零阶保持器实现 数据保持方式 模拟保持方式 图2 2 2零阶保持器的两种形式 数据保持方式 模拟保持方式 上图a为数据保持方式 即在D A之间加设一个寄存器 让每个采样点的数据在该寄存器中一直寄存到本路信号的下个采样点数据到来为止 这样D A转换器输出波形就不是离散的脉冲电压 而是连续的台阶电压 上图b为模拟保持方式 即在公用的D A之后每路加一个采样保持器 保持器将D A转换器输出子样电压保持到本路信号的下一个采样电压产生时为止 这样采样保持器输出波形也是连续的台阶电压 图中的采样保持器都起到零阶保持的作用 对比 前者保持电压会跌落 后者结构简单 成本低 模拟输出通道的基本理论 零阶保持器输出阶梯波形如下 图2 2 3零阶保持器的输出波形 模拟输出通道的基本理论 零阶保持器的单位脉冲响应和频率响应 传递函数 为 图2 2 4零阶保持器的单位冲激响应a和频率响应b 模拟输出通道的基本理论 可以通过推导得 其中 称为基带频谱称为调制频谱由下图可知 保持器的频谱响应具有突出基带作用 可以部分阻止调制分量通过 所以 零阶保持器输出是阶梯状 为了平滑处理 引入一低通滤波器 模拟输出通道的基本理论 低通滤波器可以将基频保留 滤除调制频率 图2 2 5零阶保持器和平滑滤波器的作用 具有这种功能的低通滤波器称为平滑滤波器 二保持周期的确定 若有m路输出 计算机每隔t0输出一个数据则零阶保持器的保持周期为 Ts mt0当输出周期与采样周期相等时 则恢复信号与输入信号波形相同 若输出周期与采样周期保持一个比例关系 则恢复信号与输入信号波形相似 2 2 2模拟输出通道的基本结构 组成 数据寄存器 D A转换器 转换电路 调理电路 分类 可分为多通道和单通道 单通道图如下 图2 2 6模拟输出通道的基本组成 多通道输出结构主要有以下三种 一 数据分配分时转换结构 特点 每个通道有一个D A 数据被分时地选通到各通道的数据寄存器 通道之间有时间差异 不适合于要求多参量同步控制执行机构的系统 图2 2 7数据分配分时转换结构 二 数据分配同步转换结构 特点 各通道D A的操作同步进行 工作原理 如图 多了个R2寄存器 图2 2 8数据分配同步转换结构 R2寄存器作用 为实现各信号同步到达记录仪器或执行部件 在各路数据寄存器R1与D A转换器之间增设一个数据寄存器R2 作用 数据总线分时选通主机的输出数据先后被各路数据寄存器R1接收 在同一命令控制下将数据由R1传送到R2 同时进行D A转换并输出模拟量 各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜 主机分时送出的各信号之间的时间差 由第二个数据寄存器的同步作用所消除 三 模拟分配分时转换结构 特点 各通道共用一个D A和一个数据寄存器 数据分时依次送入通道进行D A转换 图2 2 9分时转换多通道模拟分配结构 模拟分配分时转换结构 采用模拟多路切换器的D A 图2 2 9分时转换多通道模拟分配结构 四 比较和选择 模拟分配方案 输出稳定性差 输出无跳变 电路不复杂 数字分配方案 输出稳定性好 输出有跳变 电路复杂 2 2 3模拟输出通道组成电路的选用 一 D A转换器1 位数的确定位数决定模拟信号输出的动态范围 主要考虑使用目的 再现目的时与输入通道的A D匹配 用于监视目的时5 7位D A就可以 考虑精度要求时 若执行元件的分辨率为 VTH 所需要的控制信号的最大值摆幅为Vmax 则位数可由下式决定 2 主要结构特性和应用特性的选择 数字输入特性 包括码制 数据格式 逻辑电平 模拟输出特性 满码输出电流 最大允许输出短路电流和输出电压允许范围 锁存特性及转换控制 参考电源 影响输出结果 2 1数字输入特性 D A转换器芯片一般都只能接收自然二进制数字代码 因此 当输入数字代码为偏移二进制码或2的补码等双极性数码时 应外接适当的偏置电路后才能实现双极性D A转换 输入数据格式一般为并行码 对于芯片内部配置有移位寄存器的D A转换器 可以接收串行码输入 不同的D A芯片输入逻辑电平要求不同 对于固定阈值电平的D A转换器一般只能和TTL或低压CMOS电路相连 而有些逻辑电平可以改变的D A转换器可以满足与TTL 高低压CMOS PMOS等各种器件直接连接的要求 2 2模拟输出特性 对于输出特性具有电流源性质的D A转换器 如DAC08 用输出电压允许范围来表示由输出电路 包括简单电阻负载或者运算放大器电路 造成输出端电压的可变动范围 只要输出端的电压小于输出电压允许范围 输出电流和输入数字之间就会保持正确的转换关系 而与输出端的电压大小无关 对于输出特性为非电流源特性的D A转换器 如AD7520 DAC1020等 无输出电压允许范围指标 电流输出端应保持公共端电位或虚地 否则将破坏其转换关系 2 3锁存特性及转换控制 图2 2 8 若D A转换器没有输入锁存器 通过CPU数据总线传送数字量时 必须外加锁存器 否则只能通过具有输出锁存功能的I O口给D A送入数字量 有些D A转换器并不是对输入的数字量立即进行D A转换 而是在外部施加了转换控制信号后才开始转换和输出 具有这种输入锁存及转换控制功能的D A转换器 如0832 在CPU分时控制多路D A输入时 可做到多路D A转换的同步输出 如上图228所示 2 4参考电源 参考电压源是惟一影响输出结果的模拟参量 是D A转换接口中的重要电路 对接口电路的工作性能 电路的结构有很大影响 使用内部带有低漂移精密参考电压源的D A转换器 如AD563 565A 不仅能保持较好的转换精度 而且可以简化接口电路 二 反多路开关和采样保持器 D A反多路开关这部分是相对A D多路模拟开关而言的 三 调理电路 输出通路中的调理电路有滤波 电压 电流转换和放大等几种形式 1 滤波器 平滑滤波器可以采用截频为的低通滤波器 2 V I转换和F V转换电流有利于长距离传输 DDZ 型以0 10毫安为标准 DDZ 型4 20毫安为标准信号电流 大多数D A电路的输出为电压信号 通常设置了电压 电流 V I 转换电路 将电压信号转换成电流信号 频率量输入通道和频率量输出通道 占用总线数量少 易于远距离传送 抗干扰能力强 常用V F转换器 F V转换电路 三 调理电路 3 线性功率放大器 直流伺服控制中经常要用到线性功率放大器 在用于开关量控制的输出通道中大量使用开关型功率放大器 线性功率放大器通常由分立元件或集成功率运放构成 在输出通道的直流伺服控制系统中 采用集成功率运算放大器可大大简化电路 并提高系统的可靠性 美国BB公司推出的大功率运算放大器有OPA501 OPA511 512 OPA541 输出电流可达10 15A 图2 2 10是OPA501的电路结构和引脚图 图2 2 10大功率运算放大器OPA501的电路结构与引脚 三 调理电路 2 3开关量输入 输出通道 器件有 按键 继电器 无触点开关 信号 脉冲 通断开关 应用 指示灯 脉冲信号 启停 要求 电平匹配 功率匹配 光电隔离 实现 并行I O 三态缓冲 锁存器 2 3 1开关量输入通道 一 开关量输入通道结构其组成如图所示 由输入缓冲器 输入调理电路和输入地址译码电路等组成 图2 3 1开关量输入通道结构 二 输入调理电路 图2 3 2小功率输入调理电路 信号调理 将现场输入的状态信号经转换 保护 滤波 隔离措施转换成计算机能够接收的逻辑信号的功能 1 小功率输入的调理电路下面为经过门电路输出TTL电平的调理电路 其中电容可以起到去抖作用 RS触发器可以消除开关过程的反跳 2 大功率输入调理电路 采用光电隔离技术 用光电耦合器进行三 输入缓冲器主要用三态门缓冲器74LS244送到CPU数据总线 可输入8个开关状态 图2 3 3大功率输入调理电路 2 3 2开关量输出通道 对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和数字量 开关量 输出驱动两种方式 其中模拟量输出是指其输出信号 电压 电流 可变 根据控制算法 使设备在零到满负荷之间运行 在一定的时间T内输出所需的能量P 其输出受模拟器件的漂移等影响 很难达到较高的控制精度 开关量输出则是通过控制设备处于 开 或 关 状态的时间来达到运行控制目的 如根据控制算法 同样要在T时间内输出能量P 则可控制设备满负荷工作时间t 即采用脉宽调制的方法 即可达到要求 采用数字电路和计算机技术 对时间控制可达到很高精度 开关输出控制逐渐取代了传统的模拟量输出的控制方式 2 3 2开关量输出通道 图2 3 4开关量输出通道结构 一 开关量输出通道结构 由输出锁存器 输出驱动器 输出口地址译码电路等组成 锁存器通常用74LS273 74LS273 由于驱动被控制的执行装置需要一定的电压和电流 而主机的I O口或锁存器的驱动能力很有限 因此输出通道末端需配接能提供足够驱动功率的输出驱动电路 二 直流负载驱动电路 有功率管驱动 达林顿驱动 场效应管驱动 图2 3 5直流电源负载驱动电路 二 直流负载驱动电路 图 a 是功率晶体管驱动电路 适合于负载所需的电流不太大 约几百mA 的场合 图中开关晶体管的驱动电流必须足够大 否则晶体管会增加其管压降来限制其负载电流 从而有可能使晶体管超过允许功耗而损坏 图 a 中晶体管驱动电流采用TTL集电极开路门来提供 二 直流负载驱动电路 图 b 是达林顿管驱动电路 图中方框内的两个晶体管接成复合型做成一只管子叫达林顿管 达林顿管的特点是具有高输入阻抗和极高的增益 由于达林顿驱动器要求的输入驱动电流很小 可直接用单片机的I O口驱动 I O口低电平有效 外电路加上拉电阻 使用时应加散热板 二 直流负载驱动电路 图 c 是功率场效应管驱动电路 功率场效应晶体管在制造中多采用V沟槽工艺 简称为VMOS场效应晶体管 出现VMOS器件以后 中功率 大功率场效应管就成为可能 因它构成功率开关驱动电路只要求微安级输入电流 控制的输出电流却可以很大 晶闸管只工作在导通或截止状态 使晶闸管导通只需要极小的驱动电流 一般输出负载电流与输入驱动电流之比大于1000 是较为理想的大功率开关器件 通常用来控制交流大电压开关负载 由于交流电属强电 为了防止交流电干扰 晶闸管驱动电路不宜直接与数字逻辑电路相连 通常采用光电耦合器进行隔离 如图236所示 三 晶闸管交流负载驱动电路 晶闸管 可控硅 可分为单向晶闸管和双向晶闸管 三 晶闸管交流负载驱动电路 图2 3 6交流负载驱动电路 图中P1 0输出锁存开关量 三态缓冲门74LS244接成直通式 当P1 0 0时 光电耦合器中的发光二极管导通 外接三极管T截止 双向晶闸管导通 交流电源给负载加电 反之 当P1 0 1时 负载断电 外接发光二极管LD用做开关指示 四 继电器驱动电路 若响应速度要求不高 则适合采用继电器隔离的开关量输出电路 由于继电器线圈需要一定的电流才能动作 所以必须在微机的输出I O口 或外接输出锁存器74LS273 与继电器线圈之间接7406或75452等驱动器 继电器线圈是电感性负载 当电路开断时 会出现电感性浪涌电压 所以在继电器两端要并联一个泄流二极管以保护驱动器不被浪涌电压损坏 图2 3 7典型继电器驱动电路 四 继电器驱动电路 图237为一个典型的继电器驱动电路 P1口的每一位经一个反相驱动器7406控制一个继电器线圈 当片口某一位输出1时候 继电器线圈上有电流流过 则继电器动作 反之 当输出为0时 继电器线圈上无电流流过 开关恢复到原始状态 五 固态继电器驱动电路 固态继电器 SSR 是采用固体元件组装而成的一种新型无触点开关器件 它有两个输入端用以引入控制电流 有两个输出端用以接通或切断负载电流 器件内部有一个光电耦合器将输入与输出隔离 输入端 1 2脚 与光电耦合器的发光二极管相连 因此 需要的控制电流很小 用TTL HTL CMOS等集成电路或晶体管就可直接驱动 输出端用功率晶体管做开关元件的固态继电器称为直流固态继电器 DCSSR 如图238 a 所示 主要用于直流大功率控制场合 输出端用双向可控硅做开关元件的固态继电器称为交流固态继电器 ACSSR 如图238 b 所示 主要用于交流大功率驱动场合 图2 3 8直流SSR与交流SSR 五 固态继电器驱动电路 五 固态继电器驱动电路 图2 3 9基本的SSR驱动电路 图239a所示为感性负载 对一般电阻性负载可直接加负载设备 AC SSR可用于220V 380V等常用市电场合 输出断态电流一般小于10mA 一般应让AC SSR的开关电流至少为断态电流的10倍 负载电流如低于该值 则应并联电阻RP 以提高开关电流 如图239b所示 2 3 3开关量I O通道设计举例 步进电机正反转控制 三相绕组 其转速取决于通电脉冲的频率 三相三拍A B C A 正转 A C B A 反转 三相六拍A AB B BC C CA A 正转 A AC C CB B BA A 反转 双三拍 AB BC CA AB 正转 AB CA BC AB 反转 开关量I O通道设计举例 图2 3 10控制步进电机正反转的开关量输入输出电路 开关量I O通道设计举例 图中A B C是三相电机的三个绕组 分别由功放电路1 2 3通以驱动脉冲 现采用六拍控制方式 端口输出位的代码和相位的通电绕组如表231所示 表231输出代码和相应的通电绕组 输出代码通电绕组 001 1H A 011 3H AB 010 2H B 110 6H BC 100 4H C 101 5H CA 由表可知 若电路按一定的节拍依次送出 1H 3H 2H 6H 4H和 5H输出代码 则步进电机正转 若电路依次送出 1H 5H 4H 6H 2H和 3H则步进电机反转 2 4单元电路的级联设计 主要考虑有电气性能的相互匹配 信号耦合方式和时序配合等 2 4 1电气性能的相互匹配一 阻抗匹配设负载阻抗 信号输出阻抗若要实现电压匹配则若要实现电流匹配则若要实现功率匹配则 2 4 1电气性能的相互匹配 二 负载能力匹配 增加一级驱动电路模拟电路中 电压跟随器 功率集成电路互补对称输出电路数字电路 达林顿 单管射极跟随器 单管反向器三 电平匹配 电平转换电路 如CMOS为 15 TTL为 5V 2 4 2信号耦合与时序配合 一 信号耦合方式1 直接耦合 上一级单元电路的输出直接 或通过电阻 与下一级单元电路的输入相连接 静态下 存在两个单元电路的相互影响 2 阻容耦合 通过电容C和电阻R把上一级的输出信号耦合到下一级 如图2 1 9 3 变压器耦合 通过变压器的原副绕组 把上一级信号耦合到下一级去 优点是可以通过改变匝比与同名端 实现阻抗匹配和改变传送到下一级信号的大小与极性 以实现级间的电气隔离 但最大缺点是制造困难 不能集成化 频率特性差 体积大 效率低 因此 这种耦合已很少采用 4 光电耦合 它是通过光耦器件把信号传送到下一级 目前传送模拟信号的线性光电耦合器件比较贵 故多数场合中是用来传送数字信号 光电耦合方式的最大特点是实现上 下级之间的电气隔离 以防止干扰侵入 以上四种耦合方式中 变压器耦合方式