数字量输入输出与抗干扰设计技术完整版

1、 8.1 8.1 光电耦合隔离技术光电耦合隔离技术 主要知识点主要知识点 v 8.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 v 8.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 8.1.1 8.1.1 光电耦合隔离器光电耦合隔离器 光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、 单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图8-1所示。它所示。它 们的原理是相同的，即都是通过电们的原理是相同的，即都是通过电光光电这种信电这种信 号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔 离功能

2、的。离功能的。 现以最简单的现以最简单的三极管型三极管型光电耦合隔离器光电耦合隔离器 为例来说明它的结构原理，如图为例来说明它的结构原理，如图 8-2 8-2 所示。所示。 端入输 端出输 V5+V5+ + 图图8-2 8-2 光电耦合隔离器的结构原理光电耦合隔离器的结构原理 光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入 输出特性，即存在着输出特性，即存在着截止区、饱和区与线性区截止区、饱和区与线性区三部三部 分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工 作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电作在截止

3、区、饱和区），可传送数字信号而隔离电 磁干扰，简称磁干扰，简称对数字信号进行隔离对数字信号进行隔离。例如在数字量。例如在数字量 输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的 A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器之间的数字信号转换器之间的数字信号 的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信 号进行隔离。号进行隔离。 例如在现场传感器与例如在现场传感器与A/DA/D转换器或转换器或D/AD/A 转换器与现场执行器之间的模拟信号的线转换器与现场执行器之间的模拟信号的线

4、性传送，可用光耦的这种线性区对模拟信性传送，可用光耦的这种线性区对模拟信 号进行隔离。号进行隔离。 光耦的这两种隔离方法各有优缺点。光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信模拟信 号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低； 缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影 响响A/D或或D/A转换的精度和线性度。转换的精度和线性度。数字信号隔离数字信号隔离 方法的优点是调试简单方法的优点是调试简单，不影响系统的精度和线，不影响系统的精度和线 性度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。性度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较

5、高。 但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势但因光耦越来越价廉，数字信号隔离方法的优势 凸现出来，凸现出来，因而在工程中使用的最多因而在工程中使用的最多。 要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动 光敏管的电源光敏管的电源不应是共地的同一个电源不应是共地的同一个电源，必须，必须 分开分开单独供电单独供电，才能有效避免输出端与输入端，才能有效避免输出端与输入端 相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动 态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。 因此，因此，利用光耦隔离器可用

6、来传递信号而有效利用光耦隔离器可用来传递信号而有效 地隔离电磁场的电干扰地隔离电磁场的电干扰。 为了适应计算机控制系统的需求，目前已为了适应计算机控制系统的需求，目前已 生产出各种集成的多路光耦隔离器，如生产出各种集成的多路光耦隔离器，如TLP系系 列就是常用的一种。列就是常用的一种。 下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说下面以控制系统中常用的数字信号的隔离方法为例说 明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合明光电耦合隔离电路。典型的光电耦合隔离隔离电路有电路有数字量数字量 同相传递同相传递与数字量与数字量反相传递反相传递两种，如图两种，如图8-3所示。所示。 数字量同相传递如图数字量同相

7、传递如图8-3（a）所示）所示，光耦的输入正，光耦的输入正 端接正电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器端接正电源，输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器 上，光耦的集电极上，光耦的集电极c端通过电阻接另一个正电源，端通过电阻接另一个正电源， 发射极发射极e端直接接地，光耦输出端即从集电极端直接接地，光耦输出端即从集电极c端引端引 出。当数据线为低电平出。当数据线为低电平“0”时，发光管导通且发光，使得时，发光管导通且发光，使得 光敏管导通，输出光敏管导通，输出c端接地而获得低电平端接地而获得低电平“0”；当数；当数 据线为高电平据线为高电平“1”时，发光管截止不发光，则光敏管也截时，发

8、光管截止不发光，则光敏管也截 止使输出止使输出c端从电源处获得高电平端从电源处获得高电平“1”。如此，完成。如此，完成 了数字信号的同相传递。了数字信号的同相传递。 8.1.2 8.1.2 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 路电离隔合耦电光3-4图 递传相同量字数递传相反量字数 +5V+5V+5V+5V c c e e + + - - D7D0 74LS273 数 据 缓 冲 器 选 通 脉 冲 b ( a ( D7D0 74LS273 数 据 缓 冲 器 选 通 脉 冲 图图8-3 光电耦合隔离电路光电耦合隔离电路 数字量反相传递如图数字量反相传递如图8-38-3（b b）所示）所示，与（，

9、与（a a） 不同的是光耦的集电极不同的是光耦的集电极 c c 端直接接另一个正端直接接另一个正 电源，而发射极电源，而发射极 e e 端通过电阻接地，则光耦输端通过电阻接地，则光耦输 出端从发射极出端从发射极 e e 端引出。从而完成了数字信号端引出。从而完成了数字信号 的反相传递。的反相传递。 2光电隔离 光电耦合隔离器光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的是目前计算机控制系统中最常用的 一种抗干扰方法。一种抗干扰方法。 利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔 离电磁干扰，即在离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离数字信号通道中进行隔

10、离。 其实在其实在模拟量输入输出通道中模拟量输入输出通道中也主要应用这种数也主要应用这种数 字信号通道的隔离方法，即在字信号通道的隔离方法，即在A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或 CPUCPU与与D/AD/A转换器的数字信号之间插入转换器的数字信号之间插入光耦隔离器光耦隔离器， 以进行数据信号和以进行数据信号和控制信号的耦合传送控制信号的耦合传送，如图如图8-48-4 所示所示。（。（a a）是在）是在A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU接口之间接口之间8 8根数根数 据线之间都各插接一个光耦隔离器据线之间都各插接一个光耦隔离器( (图中只画出了图中只画出了 一个一个) )，不仅

11、照样无误地传送数字信号，而且实现，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现 了了A/DA/D转换器及其模拟量输入通道与计算机的转换器及其模拟量输入通道与计算机的完全完全 电隔离电隔离；（；（b b）是在）是在CPUCPU与与D/AD/A转换器接口之间转换器接口之间8 8根根 数据线之间都各插接一个光耦隔离器数据线之间都各插接一个光耦隔离器( (图中也只画图中也只画 出了一个出了一个) )，不仅照样无误地传送数字信号，而且，不仅照样无误地传送数字信号，而且 实现了实现了计算机与计算机与D/AD/A转换器及其模拟量输出通道的转换器及其模拟量输出通道的 完全电隔离。完全电隔离。 A/D 转换器 D1 D

12、2 +5V+5V D3 D4 D5 D6 D7 D0 D/A 转换器 +5V+5V (b)在CPU与D/A转换器之间 (a)在A/D转换器与CPU之间 图8-11 光耦隔离器的数字信号隔离 CPU D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 CPU 图8-4 光耦隔离器的数字信号隔离 利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送 模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号 通道中进行隔离。例如在通道中进行隔离。例如在现场传感器与现场传感器

13、与A/D 转换器或转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模转换器与现场执行器之间的模 拟信号的线性传送拟信号的线性传送，如图如图8-5 所示所示。 A/D 计算机 数字地 （a） 在传感器与A/D转换器之间 VCC 放大器 sU 模拟地 双绞线 D/A计算机 数字地 图8-12 光耦隔离器的模拟信号隔离 VCC 放大器 模拟地 双绞线 L R （b） 在D/A转换器与执行器之间 执 行 器 传 感 器 图8-5 光耦隔离器的模拟信号隔离 在在图图8-58-5（a a）输入通道的现场传感器与输入通道的现场传感器与A/DA/D转换器转换器 之间，光电耦合器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信

14、一方面把放大器输出的模拟信 号线性地光耦号线性地光耦( (或放大或放大) )到到A/DA/D转换器的输入端，转换器的输入端， 另一方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之另一方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之 间的联系间的联系，起到了很好的，起到了很好的抗共模干扰作用抗共模干扰作用。在。在图图 8-58-5（b b）输出通道的输出通道的D/AD/A转换器与执行器之间，光转换器与执行器之间，光 电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地 光耦光耦( (或放大或放大) )输出到现场执行器，另一方面又切输出到现场执行器，另一方面又切 断了断了计算机数字地与

15、现场模拟地之间计算机数字地与现场模拟地之间的联系，起的联系，起 到了很好的到了很好的抗共模干扰作用抗共模干扰作用。 8.2 8.2 数字量输入通道数字量输入通道 主要知识点 v 引言引言 v 8.2.1 开关输入电路开关输入电路 v 8.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路 数字量输入通道（数字量输入通道（ DI DI 通道）的任务通道）的任务- 是把生产过程中的数字信号转换成计算机是把生产过程中的数字信号转换成计算机 易于接受的形式。易于接受的形式。 信号调理电路信号调理电路-虽然都是数字信号，不需虽然都是数字信号，不需 进行进行A/DA/D转换，但对通道中可能引入的各转换，但对通道中可能引入的

16、各 种干扰必须采取相应的技术措施，即在外种干扰必须采取相应的技术措施，即在外 部信号与单片机之间要设置输入信号调理部信号与单片机之间要设置输入信号调理 电路。电路。 凡在电路中起到通、断作用的凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，各种按钮、触点、开关， 其端子引出均统称为开关信号其端子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，主要。在开关输入电路中，主要 是考虑信号调理技术，如电平转换，是考虑信号调理技术，如电平转换，RC滤波，过电压保滤波，过电压保 护，反电压保护，光电隔离等。护，反电压保护，光电隔离等。 （1）电平转换是用电阻分压法把现场的电流信号转）电平转换是用电阻分压法把现场的

17、电流信号转 换为电压信号。换为电压信号。 （2）RC滤波是用滤波是用RC滤波器滤出高频干扰。滤波器滤出高频干扰。 （3）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保）过电压保护是用稳压管和限流电阻作过电压保 护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平 上。上。 （4）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输）反电压保护是串联一个二极管防止反极性电压输 入。入。 （5）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全）光电隔离用光耦隔离器实现计算机与外部的完全 电隔离。电隔离。 8.2.1 8.2.1 开关输入电路开关输入电路 典型的开关量输入信

18、号调理电路如图典型的开关量输入信号调理电路如图8-6所示。所示。 点划线右边是由开关点划线右边是由开关S与电源组成的外部电路，（与电源组成的外部电路，（a） 是直流输入电路，（是直流输入电路，（b）是交流输入电路。交流输入电路）是交流输入电路。交流输入电路 比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压比直流输入电路多一个降压电容和整流桥块，可把高压 交流交流(如如380VAC)变换为低压直流变换为低压直流(如如5VDC)。开关。开关S 的状态经的状态经RC滤波、稳压管滤波、稳压管D1箝位保护、电阻箝位保护、电阻 R2限流、二极管限流、二极管D2防止反极性电压输入以及光耦防止反极性电压输入以

19、及光耦 隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入隔离等措施处理后送至输入缓冲器，主机通过执行输入 指令便可读取开关指令便可读取开关S的状态。比如的状态。比如,当开关当开关S闭合闭合 时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏时，输入回路有电流流过，光耦中的发光管发光，光敏 管导通，数据线上为低电平，即输入信号为管导通，数据线上为低电平，即输入信号为“0”对应外对应外 电路开关电路开关S的闭合；反之，开关的闭合；反之，开关S断开，光耦中断开，光耦中 的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平，的发光管无电流流过，光敏管截止，数据线上为高电平， 即输入信号为即输入信号为“1”对

20、应外电路开关对应外电路开关S的断开。的断开。 - + S 2D 到到 输输 入入 缓缓 冲冲 器器 CCV+ 2R 1R 1C 1D 3R 光光 耦耦 S 2D 到到 输输 入入 缓缓 冲冲 器器 CCV+ 2R 1R 1C 1D 3R 光光 耦耦 图图 4 4 - - 4 4 开开 关关 量量 输输 入入 信信 号号 调调 理理 电电 路路 C2 R3 ( a ) 直 流 输 入 电 路 ( b ) 交 流 输 入 电 路 8-6 开关量输入信号调理电路开关量输入信号调理电路 4.2.2 脉冲计数电路脉冲计数电路 有些用于检测流量、转速的传感器发出有些用于检测流量、转速的传感器发出 的是脉冲

21、频率信号，对于大量程可以设计一的是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一 种定时计数输入接口电路，即在一定的采样种定时计数输入接口电路，即在一定的采样 时间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感时间内统计输入的脉冲个数，然后根据传感 器的比例系数可换算出所检测的物理量。器的比例系数可换算出所检测的物理量。 图 4-5 脉冲计数输入电路 +12V CCV 8253/8254 CLK0 OUT0 GA TE1 CLK1 OUT1 CLK2 OUT2 GA TE0 GA TE2 系统时钟 TS TW CR CE OL +5V 计数通道1 PC总线 R C R 光耦 Dz 8-7 脉冲计数输入脉冲计数输入电路

22、电路 图图8-7为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频为一种定时计数输入接口电路，传感器发出的脉冲频 率信号，经过简单的信号调理，引到率信号，经过简单的信号调理，引到8254芯片的计数通道芯片的计数通道1的的 CLK1口。口。8254是具有是具有3个个16位计数器通道的可编程计数器位计数器通道的可编程计数器/定定 时器。图中，计数通道时器。图中，计数通道0工作于模式工作于模式3，CLK0用于接收系统时用于接收系统时 钟脉冲，钟脉冲，OUT0输出一个周期为系统时钟脉冲输出一个周期为系统时钟脉冲N倍（倍（N为通道为通道0 的计数初值）的连续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通的计数初值）的连

23、续方波脉冲，其高、低电平时段是计数通 道道1的采样时间和采样间隔时间，分别记为的采样时间和采样间隔时间，分别记为TS、TW；计数通；计数通 道道1和和2均选为工作模式均选为工作模式2，且，且OUT1串接到串接到CLK2，使两者构，使两者构 成一个计数长度为成一个计数长度为232的脉冲计数器，以对的脉冲计数器，以对TS内的输入脉冲内的输入脉冲 计数。计数。 如果获得如果获得TS时间内的输入脉冲个数为时间内的输入脉冲个数为n，则单位时间内，则单位时间内的的 脉冲个数即脉冲频率为脉冲个数即脉冲频率为n/TS，从而可换算出介质的流量或电从而可换算出介质的流量或电 机的转速值。比如，发出脉冲频率信号的是

24、涡轮流量计或磁机的转速值。比如，发出脉冲频率信号的是涡轮流量计或磁 电式速度传感器，它们的脉冲当量电式速度传感器，它们的脉冲当量(即一个脉冲相当的流量或即一个脉冲相当的流量或 转数转数)为为K，则介质的流量或电机的转数就为，则介质的流量或电机的转数就为n/TSK。 8.3 数字量输出通道 主要知识点 v 引言引言 v 8.3.1 8.3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路 v 8.3.2 8.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 v 8.3.3 8.3.3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v 8.3.4 8.3.4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 数字量输出通道数字量输出通道简称简称 DO

25、通道，它的任务通道，它的任务 是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生 产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负 荷的不同，荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、如指示灯、继电器、接触器、电机、 阀门等阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不，可以选用不同的功率放大器件构成不 同的开关量驱动输出通道。同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输常用的有三极管输 出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输 出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等

26、。 对于低压情况下的小电流开关量，用对于低压情况下的小电流开关量，用 功率三极管就可作开关驱动组件，其输出功率三极管就可作开关驱动组件，其输出 电流就是输入电流与三极管增益的乘积。电流就是输入电流与三极管增益的乘积。 4.3.1 4.3.1 三极管驱动电路三极管驱动电路 1 .1 .普通三极管驱动电路普通三极管驱动电路 当驱动电流只有十几当驱动电流只有十几mAmA或几十或几十mAmA时，只要采用一个普时，只要采用一个普 通的功率三极管就能构成驱动电路，如图通的功率三极管就能构成驱动电路，如图 8-8 8-8所示。所示。 6047 K3.3 管极三 DEL V5+ 033 图 4 - 6 小 功

27、 率 三 极 管 输 出 电 路 Di 8-8 小功率小功率 三极管输出电路三极管输出电路 2. 达林顿驱动电路达林顿驱动电路 当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱 动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电 路必须采取多级放大或提高三极管增益的办路必须采取多级放大或提高三极管增益的办 法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管 组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻 抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的 特点，同时多

28、对复合管也非常适用于计算机特点，同时多对复合管也非常适用于计算机 控制系统中的多路负荷。控制系统中的多路负荷。 图图8-9给出达林顿阵列驱动器给出达林顿阵列驱动器MC1416的结构的结构 图与每对复合管的内部结构，图与每对复合管的内部结构，MC1416内含内含7对达对达 林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达 500mA，截止时能承受，截止时能承受100V电压，其输入输出电压，其输入输出 端均有箝位二极管，输出箝位二极管端均有箝位二极管，输出箝位二极管D2抑制高电抑制高电 位上发生的正向过冲，位上发生的正向过冲，D1、D3可抑制低电平上的可抑制低电平上的

29、负向过冲。负向过冲。 1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CC O M 1 61 51 41 31 21 11 09 G N D7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B 12345678 1 0 .5 k B R 0 7 .2 k R 1 D 1 R 2 T1 T2 D 3 C E D 2C O M 3 k (a )M C 1 4 7 1 6 结 构 图（ b ） 复 合 管 内 部 结 构 图 4 -7 M C 1 4 1 6 达 林 顿 阵 列 驱 动 器 8-9 MC1416达林顿阵列驱动器达林顿阵列驱动器 图图 8-10 8-10为达林顿阵列驱动中的一路驱动为达林顿阵列驱动中的一

30、路驱动 电路，当电路，当CPUCPU数据线数据线D Di i 输出数字输出数字“0”“0”即低即低 电平时，经电平时，经74067406反相锁存器变为高电平，反相锁存器变为高电平， 使达林顿复合管导通，产生的使达林顿复合管导通，产生的几百毫安几百毫安集集 电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复 合管内的合管内的保护二极管保护二极管构成了构成了负荷线圈断电负荷线圈断电 时产生的反向电动势的泄流回路。时产生的反向电动势的泄流回路。 图图 4-8 达林顿阵列驱动电路达林顿阵列驱动电路 7406 达林顿复合管达林顿复合管 负荷线圈负荷线圈 +24V Di 1B 1C

31、GND 8-10 达林顿阵列驱动电路达林顿阵列驱动电路 4.3.2 继电器驱动电路继电器驱动电路 电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触 点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继 电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。 继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出 方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、 大电流设备。大电流设备。 D D L LK K控控制制电电流流外外部部设设备备 线线圈圈铁铁芯芯

32、触触点点 衔衔铁铁 常用的继电器有常用的继电器有电压继电器、电流继电器、电压继电器、电流继电器、 中间继电器中间继电器等几种类型。由于继电器线圈需要一等几种类型。由于继电器线圈需要一 定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。 继电器的驱动电路继电器的驱动电路 驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的 吸合电压和电流而定，一定要大于继电器的吸吸合电压和电流而定，一定要大于继电器的吸 合电流才能使继电器可靠地工作。合电流才能使继电器可靠地工作。 图图8-12为经光耦隔离器的继电器输出驱动电为经光耦隔离器的继电器输出驱动

33、电 路，当路，当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”即高电平时，即高电平时， 经经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光 二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线 圈圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设 备。备。 由于继电器线圈是电感性负载，当由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关电路突然关 断时断时，会出现较高的电感性浪涌电压，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱为了保护驱 动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，动器件，应在继电器线圈

34、两端并联一个阻尼二极管， 为电感线圈提供一个电流泄放回路。为电感线圈提供一个电流泄放回路。 c V pV 耦耦光光 6047 KA 220V 图图 4-9 继继电电器器输输出出驱驱动动电电路路 Di 8-12 继电器输出驱动电路继电器输出驱动电路 4.3.4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 固态继电器固态继电器SSR（Solid State Relay） 是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用 电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离电隔离 和信号耦合，和信号耦合，而且没有而且没有任何可动部件或触点任

35、何可动部件或触点，却能，却能 实现电磁继电器的功能，故称为实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器固态继电器。它具。它具 有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回 跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算 机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电 器之势器之势。 固态继电器固态继电器SSR是一个四端组件是一个四端组件，有两个输入，有两个输入 端、两个输出端，其内部结构类似于图端、两个输出端，其内部结构类似于图8-12中的晶中的晶 闸管输出驱动电路。图闸管

36、输出驱动电路。图8-13所示为其结构原理图，所示为其结构原理图， 共由五部分组成。光共由五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与耦隔离电路的作用是在输入与 输出之间起信号传递作用输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完，同时使两端在电气上完 全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号，全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号， 使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电 子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源； 吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖

37、峰和浪涌 对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一一 般由般由RC串联网络和压敏电阻组成串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是；零压检测电路是 为为交流型交流型SSR过零触发过零触发而设置的。而设置的。 8-13 SSR结构原理及符号结构原理及符号 u SSR的输入端与晶体管、的输入端与晶体管、TTL、CMOS电电 路兼容，输出端利用器件内的电子路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和开关来接通和 断开负载断开负载。工作时只要在输入端施加。工作时只要在输入端施加一定的弱电一定的弱电 信号信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。，就可以控制输出端大

38、电流负载的通断。 SSR的输出端可以是的输出端可以是直流也可以是交流直流也可以是交流，分，分 别称为直流型别称为直流型SSR和交流型和交流型SSR。直流。直流 型型SSR内部的开关组件内部的开关组件为功率三极管为功率三极管，交流，交流 型型SSR内部的开关组件为内部的开关组件为双向晶闸管双向晶闸管。而交流。而交流 型型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和按控制触发方式不同又可分为过零型和 移相型两种，其中应用最广泛的移相型两种，其中应用最广泛的是过零型是过零型。 u 过零型交流过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号是指当输入端加入控制信号 后，需等待负载电源电压过零时，后，需等待负载电源

39、电压过零时，SSR才为导通才为导通 状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过 零时，零时，SSR才为断开状态。移相型交流才为断开状态。移相型交流SSR的的 断开条件同过零型交流断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件简，但其导通条件简 单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何， 立即导通。直流型立即导通。直流型SSR的输入控制信号与输出完的输入控制信号与输出完 全同步。直流型全同步。直流型SSR主要用于直流大功率控主要用于直流大功率控 制。一般取输入电压为制。一般取输入电压为4-32V，输入电流，输入电流

40、5- 10mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作。它的输出端为晶体管输出，输出工作 电压为电压为30-180 V。 交流型交流型SSR主要用于交流大功率控制。主要用于交流大功率控制。 一般取输入电压为一般取输入电压为4.32V，输入电流小于，输入电流小于500 mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流 在在1AA范围内，电压多为范围内，电压多为380V 或或220V。图。图8-14为一种常用的固态继电为一种常用的固态继电 器驱动电路，当数据线器驱动电路，当数据线Di输出数字输出数字“0”时，经时，经 7406反相变为高电平，使反相变为高电平，使NPN型三

41、极管导通型三极管导通, SSR输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备 RL。 6047 cV LR RSS _ 图 4-13固态继电器输出驱动电路 交 流 电 源+ Di 8-14 固态继电器输出驱动电路固态继电器输出驱动电路 4.2.6 4.2.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 广义的接地包含两方面的意思，即接广义的接地包含两方面的意思，即接实地和接虚地实地和接虚地。 接实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点接实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点 连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连

42、接浮地连接。 正确合理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地正确合理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地 的的目的目的有两个：一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，有两个：一是为了保证控制系统稳定可靠地运行， 防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避 免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保 证设备的安全，证设备的安全，这称为保护接地这称为保护接地。本节主要讨论工作接。本节主要讨论工作接 地技术。地技术。 在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：在计算机控制系统中，大致有以下几种

43、地线：模拟地、模拟地、 数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。 模拟地作为模拟地作为传感器、变送器、放大器、传感器、变送器、放大器、A/D和和D/A转转 换器中模拟电路的零电位换器中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，它。模拟信号有精度要求，它 的信号比较小，而且与生产现场连接。有时为区别远的信号比较小，而且与生产现场连接。有时为区别远 距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系，把传感距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系，把传感 器的地又叫器的地又叫信号地信号地。 数字地作为数字地作为计算机各种数字电路的零电位计算机各种数字电路的零电位，应该与模，应

44、该与模 拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。 系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连 作为作为基准零电位。基准零电位。 交流地交流地是计算机交流供电的是计算机交流供电的动力线地或称零线动力线地或称零线，它的，它的 零电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有零电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有 几伏乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易几伏乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易 带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地 相连，

45、而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避 免漏电现象。免漏电现象。 保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是使设备，目的是使设备 机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身及设备 安全。安全。 以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是一点接以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是一点接 地还是多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、地还是多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、 调试中的重要问题。调试中的重要问题。 4 4印制线路板的地线分布印制线路板的地线分布 设计印制线

46、路板应遵守下列原则，以免系统内部地线设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线 产生干扰。产生干扰。 （1）TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状器件的地线要呈辐射状，不能形，不能形 成环形。成环形。 （2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决 定其宽度，不要小于定其宽度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线，在可能的情况下，地线 越宽越好。越宽越好。 （3）旁）旁路电容的地线不能长路电容的地线不能长，应尽量缩短。，应尽量缩短。 （4）大电流的零电位地线应尽量宽大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小，而且必须和小 信号的地分开。信号的地分开。

47、5主机系统的接地 计算机本身接地，同样是为了防止干扰，提高可靠性。计算机本身接地，同样是为了防止干扰，提高可靠性。 下面介绍三种主机接地方式。下面介绍三种主机接地方式。 （1）全机一点接地）全机一点接地 计算机控制系统的主机架内采用计算机控制系统的主机架内采用图图4-25所示所示的分的分 别回流法接地方式。主机地与外部设备地的连接采用别回流法接地方式。主机地与外部设备地的连接采用 一点接地，一点接地，如图如图4-28所示所示。为了避免多点接地，各机。为了避免多点接地，各机 柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定 的抗干扰能力，的抗干扰能力，

48、一般接地电阻选为一般接地电阻选为410左右。左右。接地接地 电阻越小越好，但接地电阻越小，接地极的施工就越电阻越小越好，但接地电阻越小，接地极的施工就越 困难。困难。 大 地地 线绝 缘 板 机印打 道通 程过 机主 机图绘台作操 图 9-28 全 机 一 点 接 地 图4-28 全机一点接地双绞线 （2）主机外壳接地，机芯浮空）主机外壳接地，机芯浮空 为了提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外为了提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外 壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝 缘，绝缘电阻大于缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空，即机内信号地浮空， 如

49、图如图4-29所示所示。这种方法安全可靠，抗干扰能。这种方法安全可靠，抗干扰能 力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就 会引入干扰。会引入干扰。 芯 机 芯 机 地内机 层缘绝 壳外机主 图8-29 外壳接地机芯浮空 图4-29 外壳接地机芯浮空 （3）多机系统的接地）多机系统的接地 在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通 信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网 络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安 装在同一机房内，可采用类似

50、装在同一机房内，可采用类似图图4-28那样的多那样的多 机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，机一点接地方法。对于远距离的计算机网络， 多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法 把地分开。例如，把地分开。例如，采用变压器隔离技术、光电采用变压器隔离技术、光电 隔离技术或无线通信技术。隔离技术或无线通信技术。 介绍了这么多的硬件电路抗干扰措施，再介绍了这么多的硬件电路抗干扰措施，再 来看看软件上又有哪些好的措施。来看看软件上又有哪些好的措施。 首先是在控制系统的输入输出通道中，采首先是在控制系统的输入输出通道中，采 用某种计算方法对通道的信号进行数字处用

51、某种计算方法对通道的信号进行数字处 理，以削弱或滤除干扰噪声，这就是前面理，以削弱或滤除干扰噪声，这就是前面 讨论过的数字滤波方法。这是一种廉价而讨论过的数字滤波方法。这是一种廉价而 有效的软件程序滤波，在控制系统中被广有效的软件程序滤波，在控制系统中被广 泛采用。泛采用。 而对于那些可能穿过通道而进入而对于那些可能穿过通道而进入CPU的干的干 扰，可采取扰，可采取指令冗余、软件陷阱以及程序指令冗余、软件陷阱以及程序 运行监视等措施来使运行监视等措施来使CPU恢复正常工作。恢复正常工作。 4.3.1 指令冗余技术指令冗余技术 当计算机系统受到外界干扰，破坏了当计算机系统受到外界干扰，破坏了CP

52、U正常的工正常的工 作时序，可能作时序，可能造成程序计数器造成程序计数器PC的值发生改变的值发生改变，跳，跳 转到随机的程序存储区。当程序跑飞到某一单字节指转到随机的程序存储区。当程序跑飞到某一单字节指 令上，程序便自动纳入正轨；令上，程序便自动纳入正轨；当程序跑飞到当程序跑飞到某一双某一双 字节指令上字节指令上，有可能落到其操作数上，有可能落到其操作数上，则则CPU会误将会误将 操作数当操作码执行；操作数当操作码执行；当程序跑飞到三字节指令上，当程序跑飞到三字节指令上， 因它有两个操作数，出错的机率会更大。因它有两个操作数，出错的机率会更大。 为了解决这一问题，可采用在程序中为了解决这一问题

53、，可采用在程序中人为地插入一些人为地插入一些 空操作指令空操作指令NOP或将有效的单字节指令重复书写或将有效的单字节指令重复书写，此此 即指令冗余技术。即指令冗余技术。由于空操作指令为单字节指令，且由于空操作指令为单字节指令，且 对计算机的工作状态无任何影响，这样就会使失控的对计算机的工作状态无任何影响，这样就会使失控的 程序在遇到该指令后，能够调整程序在遇到该指令后，能够调整其其PC 值至正确的值至正确的 轨道轨道，使后续的指令得以正确地执行。，使后续的指令得以正确地执行。 但我们不能在程序中加入太多的冗余指令，以免降但我们不能在程序中加入太多的冗余指令，以免降 低程序正常运行的效率。一般是

54、在对程序流向起决低程序正常运行的效率。一般是在对程序流向起决 定作用的指令之前以及影响系统工作状态的重要指定作用的指令之前以及影响系统工作状态的重要指 令之前都应插令之前都应插入两、三条入两、三条NOP指令，指令，还可以每隔一还可以每隔一 定数目的指令插入定数目的指令插入NOP指令，以保证跑飞的程序迅指令，以保证跑飞的程序迅 速纳入正确轨道。速纳入正确轨道。 指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次数指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次数， 但不能保证在失控期间不干坏事，更不能保证程序但不能保证在失控期间不干坏事，更不能保证程序 纳入正常轨道后就太平无事了。解决这个问题还必纳入正常轨道后就

55、太平无事了。解决这个问题还必 须采用须采用软件容错技术软件容错技术，使系统的误动作减少，并消，使系统的误动作减少，并消 灭重大误动作。灭重大误动作。 4.3.2 软件陷阱技术软件陷阱技术 指令冗余指令冗余使跑飞的程序安定下来是有条件的，使跑飞的程序安定下来是有条件的，首先跑首先跑 飞的程序必须落到程序区，飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令其次必须执行到冗余指令。 当跑飞的程序落到非程序区当跑飞的程序落到非程序区(如如EPROM中未使用的空中未使用的空 间、程序中的数据表格区间、程序中的数据表格区)时，对此情况采取的措施时，对此情况采取的措施 就是设立软件陷阱。就是设立软件陷阱。 软

56、件陷阱，软件陷阱，就是在非程序区设置拦截措施，使程序进就是在非程序区设置拦截措施，使程序进 入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引 向一个指定的地址，向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进在那里有一段专门对程序出错进 行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号称为行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号称为 ERROR的话，软件陷阱即为一条的话，软件陷阱即为一条JMP ERROR指指 令。为加强其捕捉效果，一般还在它前面加上两条令。为加强其捕捉效果，一般还在它前面加上两条 NOP指令，指令，因此真正的软件陷阱是由因此真正的软件陷阱是由3条指令构成：条指令构成： NOP NOP JMP ERROR 软件陷阱安排在以下四种地方：软件陷阱安排在以下四种地方：未使用的中断向量区，未使用的中断向量区， 未使用的大片未使用的大片ROM空间，程序中的数据表格区以及空间，程序中的数据表格区以及 程序区中一些指令串中间的断裂点处。程序区中一些指令串中间的断裂点处。 由于软件陷阱