第2章(2) 计算机控制系统的输出通道(后向通道)及功率接口技术.ppt

1、1,2.0 引言,1.模拟量输出通道的任务-把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,去驱动相应的执行器,从而达到控制的目的; 2.模拟量输出通道(称为D/A通道或AO通道)构成- 一般是由接口电路.数/模转换器(简称D/A或DAC)和电压/电流变换器等; 3.模拟量输出通道基本构成-多D/A结构(图2-1(a)和共享D/A结构(图中2-1(b),第二章(2) 计算机控制系统的模拟量输出通道(后向通道)及功率接口技术,2,图 2-1 (a)多D/A结构,特点: 1.一路输出通道使用一个D/A转换器 2.D/A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器 3.D/A转换器具有数字信号转换模拟信

2、号.信号保持作用 4.结构简单,转换速度快,工作可靠,精度较高,通道独立 5.缺点是所需D/A转换器芯片较多,3,特点:1.多路输出通道共用一个D/A转换器 2.每一路通道都配有一个采样保持放大器 3.D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用 4.采样保持器实现模拟信号保持功能 5.节省D/A转换器,但电路复杂,精度差,可靠低.占用主机时间,4,一.如何正确选择DA器件?,二.如何应用DA器件?,2.1 DA转换技术注意事项,1.速度和精度 2.数字接口 3.输出类型 4.基准电压 5.功耗 6.封装 7.满幅度输出 8.价格,5,1. “转换速度”这一指标仅适用于A/D转换器,D/A转换器可

3、以忽略不计转换时间.速度应根据输出信号的最高频率确定,保证转换器的转换时间要高于系统要求的输出频率.,6,2.“量化误差”和“精度”是同一个概念的两种说法,它们之间没有区别.其次,“分辨率”和“量化误差”的概念虽然有联系,但并不相同. “分辨率”是指转换器对输人的模拟量或输出的数字量之分辨能力,是对转换量变化敏感程度的描述.转换器的分辨率通常用位数来表示,如 8位,10位,12位等.对于n位转换器,其实际分辨率为模拟量满量程的 1/2N. “精度”是由转换器转换分辨率所造成的误差,或者说是真实值与转换值之间的误差. “精度”与系统中所测量控制的信号范围有关,但估算时要考虑到其他因素,转换器位数

4、应该比总精度要求的最低分辩率高一位.,7,3.输出类型：数字接口方式接口有并行/串行之分,串行又有SPI,I2C等多种不同标准. 不带输入数据锁存器的D/A转换器,CPU必须通过锁存器与D/A转换器传送数据. 复习:无三态输出功能的A/D转换器,应当通过三态缓冲器与CPU传送数据. NOTE:DA器件输出的模拟信号有电压和电流两种.,8,4.基准电压：有内/外基准和单/双基准之分. D/A转换中,参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量.目前大多数参考电压源均由带温度补偿的齐纳二极管构成.近年来又出现了一种新颖的精密参考电压源能隙恒压源. 5.功耗：一般CMOS工艺的芯片功耗较低,对于电池供电的

5、手持系统对功耗要求比较高的场合一定要注意功耗指标.,9,6.封装(FOOTPRINT)：常见的封装是DIP,现在表面安装工艺的发展使得表贴型SOP封装的应用越来越多. 7.满幅度输出(Rail-toRail)新近业界出现的新概念,最先应用于运算放大器领域,指输出电压的幅度可达输入电压范围.在DA中一般是指输出信号范围可达到电源电压范围.,10,2.2 后向通道D/A转换器接口,(1)D/A转换器的工作原理 (2)D/A转换器的性能指标 (3)典型芯片DAC0832及其应用,11,2.2.1 D/A转换器工作原理(了解),现以4位D/A转换器为例说明其工作原理,如图所示.,12,假设D3 D2

6、D1 D0为1111,则开关BS3.BS2.BS1.BS0全部与“1”端相连.根据电路基础理论,有：,由于开关BS3BS0的状态是受要转换的二进制数 D3 D2 D1 D0 控制的,并不一定全是“1”.因此,可以得到通式：,13,考虑到放大器反相端为虚地,故：,选取Rfb =R,可以得到：,对于n位D/A转换器,它的输出电压VOUT与输入二进制数B(Dn-1D0)的关系式可写成：,结论：由上述推导可见,输出电压除了与输入的二进制数有关,还与运算放大器的反馈电阻Rfb以及基准电压VREF有关.,14,2.2.2 D/A转换器的性能指标,D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数,也是选用D/A

7、芯片型号的依据.主要性能指标有： (1)分辨率 (2)转换精度 (3)偏移量误差 (4)稳定时间,15,(1)分辨率Resolution: D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量,即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量,它取决于能转换的二进制位数,数字量位数越多,分辨率也就越高.其分辨率与二进制位数n呈下列关系：分辨率=满刻度值/(2n-1)=VREF/2n 有时就用位数来表示分辨率 (2)偏移量误差-是指输入数字量时,输出模拟量对于零的偏移值.此误差可通过D/A转换器的外接VREF和电位器加以调整.,16,(3)转换精度-是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度,它和分辨率是两

8、个不同的概念. 例如,满量程时的理论输出值为10V,实际输出值是在9.99V10.01V之间,其转换精度为10mV.对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度.,17,(4)转换时间-是描述D/A转换速度快慢的一个参数,指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1/2LSB时所需的时间.显然,稳定时间越大,转换速度越低.对于输出是电流的D/A转换器来说,稳定时间是很快的,约几微秒,而输出是电压的D/A转换器,其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间. (5)量程/输出范围：一般为0-5V,18,一个8位D/A转换器 电流输出方式 稳定时间为1s 采用DIP-20封装 同系列芯片还有 D

9、AC0830,DAC0831,2.2.3 典型芯片-DAC0832(掌握)8-Bit P Compatible, Double-Buffered D to A Converters,1. 性能,19,2.管脚,20,CS*: Chip Select (active low). The CS in combination with ILE will enable WR1. 片选信号,输入线,低电平有效. WR1*: Write 1 (active low). The active low WR1 is used to load the digital input data bits (DI) i

10、nto the input latch. The data in the input latch is latched when WR1 is high. To update the input latch, CS and WR1 must be low while ILE is high. 写信号1,输入线,低电平有效. WR2*: Write 2 (active low). This signal, in combination with XFER, causes the 8-bit data which is available in the input latch to transfe

11、r to the DAC register. 写信号2,输入线,低电平有效.,21,ILE: Input Latch Enable (active high). The ILE in combination with CS enables WR1. 输入允许锁存信号,输入线,高电平有效. 当ILE和CS*同时有效时,8位输入寄存器端为高电平“1”,此时寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化；反之,当端为低电平“0”时,原D端输入数据被锁存于Q端,在此期间D端电平的变化不影响Q端. XFER*: Transfer control signal (active low). The XFER wil

12、l enable WR2. 传送控制信号,输入线, 低电平有效.,22,DI0-DI7: Digital Inputs. DI7 is the most significant bit (MSB). DI0 is the least significant bit (LSB) 数据输入线,其中DI7为最高有效位MSB,DI0为最低有效位LSB , Iout1: DAC Current Output 1. Iout1 is a maximum for a digital code of all 1s in the DAC register, and is zero for all 0s in D

13、AC register. DAC电流输出端1,一般作为运算放大器差动输入信号之一. Iout2: DAC Current Output 2. IOUT2 is a constant minus(减) Iout1 , or Iout1+ Iout2 = constant (I full scale for a fixed reference voltage). DAC电流输出端2,一般作为运算放大器另一个差动输入信号.,23,Rfb: Feedback Resistor. The feedback resistor is provided on the IC chip for use as th

14、e shunt(逃避) feedback resistor for the external op-amp which is used to provide an output voltage for the DAC. This onchip resistor should always be used (not an external resistor) since it matches the resistors which are used in the on-chip R-2R ladder and tracks these resistors over temperature. 固化

15、在芯片内的反馈电阻连接端,用于连接运算放大器的输出端. VREF：Reference Voltage Input. This input connects an external precision voltage source to the internal R-2R ladder. VREF can be selected over the range of +10 to 10V. 基准电压源端,输入线,10VDC10VDC. Vcc: Digital Supply Voltage. This is the power supply pin for the part. Vcc can be

16、 from +5 to +15VDC. Operation is optimum for +15VDC. 工作电压源端,输入线,5VDC15VDC.,24,25,3. 工作原理,26,DAC0832的原理框图及引脚如上图所示.DAC0832主要由8位输入寄存器,8位DAC寄存器,8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成. (1)8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量,使输入数字量得到缓冲和锁存,由加以控制； (2)8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量,并加以控制； (3)8位D/A转换器 输出与数字量成正比的模拟电流； (4)由与门/非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态

17、.,27,当WR2*和XFER*同时有效时,第2级8位DAC寄存器的控制端LE*为高电平“1”,此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D,也就是第1级输入寄存器Q端的电平变化； 反之,当控制端LE*为低电平“0”时,第1级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第2级8位DAC寄存器中,以便第3级8位DAC转换器进行D/A转换. 一般情况下为了简化接口电路,可以把WR2*和XFER*直接接地,使第2级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通,只有第1级8位输入寄存器置成可选通/可锁存的单缓冲输入方式. 特殊情况下可采用双缓冲输入方式,即把两个寄存器都分别接成受控方式.,28,DI0-DI7：转换数据输入 C

18、S*：片选信号,ILE,WR1*：控制第1级输入寄存器 ILE=1,WR1*=0时：直通 ILE=1,WR1*=1时：锁存,因此,DAC0832可以有三种工作形式： 直通/单级锁存/两级锁存.,XFER*,WR2*：控制第2级DAC寄存器 XFER*=0,WR2*=0时：直通 XFER*=1 or WR2*=1时：锁存,29,4.接口方式 (1)单缓冲方式的接口(1)一个处于直通方式,另一个处于受控的锁存方式,30,单缓冲方式的接口(2) 两个输入寄存器同时受控的方式,31,单缓冲方式的应用产生锯齿波,假定采用接口(1)方式,即第1级输入寄存器受控,而第2级DAC寄存器直通,输入寄存器地址为E

19、000H,产生上升锯齿波.,源程序清单如下： ORG 0200H MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址 MOV A,#00H ;转换初值 WW: MOVX DPTR,A ;WR1有效,启动D/A转换 INC A NOP ;延时 NOP AJMP WW,32,1/28,2/28,3/28,254/28,255/28,0,产生的锯齿波的过程,33,D/A转换产生的下降锯齿波,用同样的方法也可以产生三角波、矩形波、梯形波.,INC改为DEC A的初值改为FF 下降波,ORG 0200 MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址 MOV A,#0FFH ;转换初值 WW:

20、 MOVX DPTR,A ;WR1有效,启动D/A转换 A NOP ;延时 NOP AJMP WW,DEC,34,;生成三角波的程序 DAC0832 EQU 0F200H ORG 0000H AJMP START ORG 0100H START: MOV SP,#60H MOV DPTR,#DAC0832 MOV R0,#00H LOOP1: MOV A,R0 MOVX DPTR,A INC R0 ACALL DELAY CJNE R0,#0FFh,LOOP1,LOOP2: DEC R0 MOV A,R0 MOVX DPTR,A ACALL DELAY CJNE R0,#00H,LOOP2 A

21、JMP LOOP1 DELAY: MOV R7,#10 DJNZ R7,$ RET,35,(2)双缓冲方式的接口和应用 两个锁存器都接成受控锁存方式.,对一个数字量的转换,需两步完成,程序如下： MOV DPTR,#00E0H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#00C0H MOVX DPTR,A,DAC寄存器地址：00C0H 1100 0000 Y6* XFER*,输入寄存器地址：00E0H 1110 0000 Y7* CS*,36,2.2.4 12位DAC1210芯片(了解),1. DAC1210性能 12位D/A转换器,电流输出方式,其结构原理与控制信号功能基本类似于DAC083

22、2.由于它比 DAC0832多了4条数据输入线,故有24条引脚,DAC1210内部原理框图如图2-4所示,其同系列芯片DAC1208 DAC1209可以相互代换. DAC1210工作原理 内部有三个寄存器： 一个8位输入寄存器,用于存放12位数字量中的高8位DI11DI4；一个4位输入寄存器,用于存放12位数字量中的低4位DI3DI0； 一个12位DAC寄存器,存放上述两个输入寄存器送来的12位数字量； 12位D/A转换器用于完成12位数字量的转换. 由与门/非与门组成的输入控制电路来控制3个寄存器的选通或锁存状态.其中引脚(片选信号CS*.低电平有效).(写信号WR*.低电平有效)和BYTE

23、1/ BYTE2*(字节控制信号)的组合, 用来控制8位输入寄存器和4位输入寄存器.,37,图2-4 DAC1210原理框图及引脚,38,当CS*.WR1*为低电平“0”, 当BYTE1/BYTE2*为高电平“1”时,与门的输出LE1*,LE2*为“1”,选通8位和4位两个输入寄存器,将要转换的12位数据全部送入寄存器； 当BYTE1/BYTE2*为低电平“0”时,LE1*为“0”,8位输入寄存器锁存刚传送的8位数据,而LE2*仍为“1”,4位输入寄存器仍为选通,新的低4位数据将刷新刚传送的4位数据. 因此,在与计算机接口电路中,计算机必须先送高8位后送低4位. XFER*和WR2*用来控制1

24、2位DAC寄存器, 当XFER*和WR2*同为低电平“0”时,与门输出LE3*为“1”,12位数据全部送入DAC寄存器, 当XFER*和WR2*有一个为高电平“1”时,与门输出LE3*即为“0”,则12位DAC寄存器锁存住数据使12位D/A转换器开始数摸转换.,39,图2-6 DAC1210接口电路,40,图2-6是12位D/A转换器DAC1210与PC总线的一种接口电路,它是由DAC1210转换芯片，运算放大器以及地址译码电路组成.与8位DAC0832接口电路不同的是,除了数据总线D7D0与DAC1210高8位DI11DI4直接相连,D3D0还要与DAC1210低4位DI3DI0复用,因而控

25、制电路也略为复杂. 图中,CS*.WR1*和BYTE1/BYTE2*组合,用来依次控制8位输入寄存器(LE1*)和4位输入寄存器(LE2*)的选通与锁存,XFER*和WR2*用来控制DAC寄存器(LE3*)的选通与锁存,LOW与WR1*.WR2*连接,用来在执行输出指令时获得低电平有效,译码器的两条输出线Y0、Y2分别连到CS和XFER,一条地址线A0连到BYTE1/BYTE2*,从而形成三个口地址：低4位输入寄存器为380H,高8位输入寄存器为381H, 12位DAC寄存器为384H.,41,在软件设计中,为了实现8位数据线D0D7传送12位被转换数,主机须分两次传送被转换数. 首先将被转换

26、数的高8位传给8位输入寄存器DI11DI4,再将低4位传给4位输入寄存器DI3DI0, 然后再打开DAC寄存器,把12位数据送到12位D/A转换器去转换.当输出指令执行完后,DAC寄存器又自动处于锁存状态以保持数模转换的输出不变.设12位被转换数的高8位存放在DATA单元中,低4位存放在DATA+1单元中.,42,2.3 输出方式,多数D/A转换芯片输出的是弱电流信号,要驱动后面的自动化装置,需在电流输出端外接运算放大器.根据不同控制系统自动化装置需求的不同,输出方式可以分为电压输出，电流输出以及自动/手动切换输出等多种方式.,43,2.3.1 电压输出方式,由于系统要求不同,电压输出方式又可

27、分为单极性输出和双极性输出两种形式.下面以8位的DAC0832芯片为例作一说明.,44,1DAC单极性输出,式中：,VREF/256是常数,显然,VOUT和 B 成正比关系,输入数字量 B 为 00H 时,VOUT也为 0 ；输入数字量 B 为FFH即255时,VOUT 为与 VREF 极性相反的最大值. Pdf P1112,DAC单极性输出方式如图 3-8 所示,由式(3-1)可得输出电压VOUT的单极性输出表达式为：,45,Pdf P3,Rfb15k,46,2DAC双极性输出方式,DAC双极性输出方式如图3-9所示.,47,A1和A2为运算放大器,A点为虚地,故可得：,解上述方程可得双极性

28、输出表达式：,(2-3),图中运放A2的作用是将运放A1的单向输出变为双向输出.当输入数字量小于80H时,输出模拟电压为负；当输入数字量大于80H时,输出模拟电压为正.其它n位D/A转换器的输出电路与DAC0832相同,计算表达式中只要把 28-1改为2n-1即可.,或,48,3.3.2 电流输出方式(了解),因为电流信号易于远距离传送,且不易受干扰,特别是在过程控制系统中,自动化仪表只接收电流信号,所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息,这就需要将电压信号再转换成电流信号,完成电流输出方式的电路称为V/I变换电路.电流输出方式一般有两种形式： 1普通运放V/I变换电路 2集成转换器V

29、/I变换电路,49,2.4 D/A转换模板(了解) 2.4.1 D/A转换模板的通用性 为了便于系统设计者的使用,D/A转换模板应具有通用性, 它主要体现在三个方面： 1.符合总线标准 2.接口地址可选 3.输出方式可选,50,1符合总线标准 这里的总线是指计算机内部的总线结构,D/A转换模板及其它所有电路模板都应符合统一的总线标准,以便设计者在组合计算机控制系统硬件时,只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线,十分方便灵活.例如,STD总线标准规定模板尺寸为165114mm,模板总线引脚共有56根,并详细规定了每只引脚的功能.,51,2接口地址可选 一套控制系统往往需配置多块功能模板,或

30、者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中.因此,每块模板应具有接口地址的可选性. 一般接口地址可由基址(或称板址)和片址(或称口址)组成,图2-14给出一种接口地址可选的译码电路.,52,图2-14 接口地址可选的译码电路,53,3输出方式可选 为了适应不同控制系统对执行器的不同需求,D/A转换模板往往把各种电压输出和电流输出方式组合在一起,然后通过短接柱来选定某一种输出方式. 一个实际的D/A转换模板,供用户选择的输出范围常常是：05V/010V/5V/010mA/420mA等.,54,2.4.2 D/A转换模板的设计举例,1.D/A转换模板的设计原则 2.D/A转换模板的设计步骤 3.8路

31、8位D/A转换模板实例,55,1.D/A转换模板的设计原则 D/A转换模板设计主要考虑以下几点： (1)安全可靠:尽量选用性能好的元器件,并采用光电隔离技术. (2)性能/价格比高:既要在性能上达到预定的技术指标,又要在技术路线/芯片元件上降低成本. (3)通用性:D/A转换模板应符合总线标准,其接口地址及输出方式应具备可选性.,56,2.D/A转换模板的设计步骤 确定性能指标 设计电路原理图SCH 设计和制造印制线路板PCB 最后焊接和调试电路板,57,3.8路8位D/A转换模板实例,58,图2-15给出了8路8位D/A转换模板的结构组成框图,它是按照总线接口逻辑,I/O功能逻辑和I/O电气

32、接口等三部分布局电子元器件的. (1)总线接口逻辑部分主要由数据缓冲与地址译码电路组成,完成8路通道的分别选通与数据传送； (2)I/O功能逻辑部分由8片DAC0832组成,完成数模转换; (3)I/O电气接口部分由运放与V/I变换电路组成,实现电压或电流信号的输出;,59,要用单片机控制各种各样的高压,大电流负载,如电动机/电磁铁/继电器/灯泡等,不能用单片机的I/O线来直接驱动,而必须通过各种驱动电路和开关电路来驱动.另外,与强电隔离和抗干扰,有时需加接光电耦合器,称此类接口为MCS51的功率接口. 工业生产现场,控制对象是电磁继电器,电磁开关,可控硅,固态继电器和功率电子开关.,2.5

33、后向通道的功率接口(重要),60,P0.P1.P2.P3四个口都可做输出口,但其驱动能力不同. P0口的驱动能力较大(8个LSTTL), 当其输出高电平时,可提供800A的电流； 当其输出低电平时,则可提供3.2mA的灌电流,如低电平允许提高,灌电流可相应加大. P1.P2.P3口的每一位只能驱动4个LSTTL,即可提供的电流只有P0口的一半(400A). 所以,任何一个口要想获得较大的驱动能力,只能用低电平输出.8031通常要用P0/P2口作访问外部存储器用,所以只能用P1/P3口作输出口.P1/P3口的驱动能力有限,在低电平输出时,一般也只能提供不到2mA的灌电流,通常要加总线驱动器或其它

34、驱动电路(7406/7407).,2.5.1 MCS-51的输出驱动能力及其外围集成数字驱动电路,61,5/180=27mA,62,2.5.2 外围集成数字驱动电路 常用的外围集成数字驱动电路的参数.只要加接合适的限流电阻和偏置电阻,即可直接由TTL/CMOS电路来驱动. 驱动感性负载时,必须加接限流电阻或箝位二极管.此外,有些驱动器内部还设有逻辑门电路,可以完成与/与非/或/或非的逻辑功能.,63,例2.1 驱动大电流负载 电路如下图所示.ULN2068芯片具有四个大电流达林顿开关,能驱动电流高达1.5A的负载.由于ULN2068在25时功耗达2075mW,因而使用时一定要加散热板.,64,

35、2.5.3 MCS-51的开关型功率接口 常用的开关型驱动器件有:光电耦合器,继电器,晶闸管,功率MOS管,集成功率电子开关,固态继电器等.,65,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,其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积.,1. 三极管驱动电路,当驱动电流只有十几mA或几十mA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4-6所示.,66,2.达林顿驱动电路(Darlington Transistor Arrays ),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

36、多对两个三极管组成的达林顿复合管构成,它具有高输入阻抗/高增益/输出功率大及保护措施完善的特点,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.,67,图2-7给出达林顿阵列驱动器MC1416 datasheet 的结构图与每对复合管的内部结构,MC1416内含7对达林顿复合管,每个复合管的集电极电流可达500mA,截止时能承受100V电压,其输入输出端均有箝位二极管,输出箝位二极管D2抑制高电位上发生的正向过冲,D1/D3可抑制低电平上的负向过冲.,68,69,图4-8为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路,当CPU数据线Di 输出数字“0”,即低电平时,经7406反相驱动器变为高电平,使达

37、林顿复合管导通,产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈,而且利用复合管内的保护二极管，构成了负荷线圈断电时，产生的反向电动势的泄流回路.,70,3.光电耦合器-光耦(Opto-isolator),高速光耦 6N137,PT261,71,(1)类型: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2-16所示.它们的原理是相同的,即都是通过电-光-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离功能的.,图2-16 光电耦合隔离器的几种类型,72,(2)原理:现以最简单的三极管型光电耦合隔离器为例来说明它的结构原理,如图2-17所示.,图2-17 光

38、电耦合隔离器的结构原理,73,典型的光电耦合隔离电路有数字量同相传递与数字量反相传递两种,如图4-3所示. 数字量同相传递如图4-3(a)所示,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上,光耦的集电极c端通过电阻接另一个正电源,发射极e端直接接地,光耦输出端即从集电极c端引出. 当数据线为低电平“0”时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,输出c端接地而获得低电平“0”；当数据线为高电平“1”时,发光管截止不发光,则光敏管也截止使输出c端从电源处获得高电平“1”.如此,完成了数字信号的同相传递. 数字量反相传递如图4-3(b)所示,与(a)不同的是光耦的集电极 c端直接接另

39、一个正电源,而发射极e端通过电阻接地,则光耦输出端从发射极e端引出.从而完成了数字信号的反相传递.,74,图2-18 光电耦合隔离电路,75,(3)晶体管输出型光电耦合器驱动接口 光电晶体管除没有使用基极外,跟普通晶体管一样,取代基极电流的是以光作为晶体管的输入.当光电耦合器的发光二极管发光时,光电晶体管受光的影响在cb间和ce间有电流流过,这两个电流基本上受光的照度控制,常用ce极间的电流作为输出电流,输出电流受Vce的电压影响很小. 光电晶体管的集电极电流Ic与发光二极管的电流IF之比称为光电耦合器的电流传输比. 光电耦合器在传输脉冲信号时,对不同结构的光电耦合器的输入输出延迟时间相差很大

40、.,76,4N25使两部分的电流信号独立.输出部分的地线接机壳或接大地,而8031系统的电源地线浮空,不与交流电源的地线相接,可避免输出部分电源变化对单片机电源的影响,减少系统所受的干扰,提高系统的可靠性.4N25输入输出端的最大隔离电压7500V.,77,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,即存在着截止区,饱和区与线性区三部分. 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磁干扰,简称对数字信号进行隔离. 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A/D转换器与CPU或CPU与D/A转换器之间的数字信号的耦合传送,都可用光耦

41、的这种开关特性对数字信号进行隔离. 在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送,可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离.,78,光耦的这两种隔离方法各有优缺点. 模拟信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,会影响A/D或D/A转换的精度和线性度. 数字信号隔离方法的优点是调试简单,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.但因光耦越来越价廉,数字信号隔离方法的优势凸现出来,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光敏管的电源不应是共地的同一个电源,必须分开单独供电,才能有效避

42、免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外,发光二极管的动态电阻很小,也可以抑制系统内外的噪声干扰.因此,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. 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TLP系列就是常用的一种.,79,(4)光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送. 可以起到隔离两个系统地线的作用,使两个系统的电源相互独立,消除地电位不同所产生的影响. 光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件,可以形成电流环路的传送形式.由于电流环电路是低阻抗电路,它对噪音的敏感度低,因此提高了通讯系统的抗干扰能力.,80,图2-5是用光电耦合器组成的电流环发送和接

43、收电路.该电路可以用来传输数据,最大速率为50kb/s,最大传输距离为900米.环路连线的电阻对传输距离影响很大,此电路中环路连线电阻不能大于30,当连线电阻较大时,100的限流电阻要相应减小.光电耦合管使用TIL110,开关速度比4N25快.,81,(5)晶闸管输出型光电耦合器驱动接口 输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管.当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时,晶闸管即导通.有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路,用于控制晶闸管过零触发,以减少用电器在接通电源时对电网的影响.,82,图2-19 4N40和MOC3041的接口驱动电路,83,4N40是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器.当输入

44、端有1530mA电流时,输出端的晶闸管导通.输出端的额定电压为400V,额定电流有效值为300mA.隔离电压为15007500V. 4N40的6脚是输出晶闸管的控制端,不使用此端时,此端可对阴极接一个电阻. 4N40常用于小电流用电器的控制,如指示灯等,也可以用于触发大功率的晶闸管. MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器,带过零触发电路,输入端的控制电流为15mA,输出端额定电压为400V,输入输出端隔离电压为7500V. MOC3041一般不直接用于控制负载,而用于中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管.,84,4.继电器驱动电路,电磁继电器主要由线圈，铁心，衔铁和触点等部件组成,

45、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. 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/大电流设备. 继电器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,控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作. 常用的继电器有电压继电器/电流继电器/中间继电器等几种类型.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.,85,图2-20 继电器原理,86,图2-21为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路,当CPU数据线Di输出数字“1”即高电平时,经7406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

46、光,使光敏三极管导通,继电器线圈KA得电,动合触点闭合,从而驱动大型负荷设备. 由于继电器线圈是电感性负载,当电路突然关断时,会出现较高的电感性浪涌电压,为了保护驱动器件,应在继电器线圈两端并联一个反向二极管,为电感线圈提供一个电流泄放回路.,87,88,MCS-51与继电器的接口 (1) 直流电磁式继电器功率接口 一般用功率接口集成电路或晶体管驱动.在使用较多继电器的系统中,可用功率接口集成电路驱动,例如SN75468,一片SN75468可驱动7个继电器,驱动电流可达500mA,输出端最大工作电压为100V.,89,常用的继电器大部分属于直流电磁式继电器,也称为直流继电器.图4-7是直流继电

47、器的接口电路.继电器的动作由单片机8031的P1.5端控制. P1.5端输出低电平时(CLR P1.5),继电器J吸合； P1.5端输出高电平时,继电器J释放. 采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合.(复位：P1=0FFH),90,二极管D的作用是保护晶体管T.当继电器K吸合时,二极管D截止,不影响电路工作.继电器释放时,由于继电器线圈存在电感,这时晶体管K已经截止,所以会在线圈的两端产生较高的感应电压,极性是上负下正.,91,(2) 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,交流电磁式接触器由于线圈的工作

48、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.下图是交流接触器的接口电路图.,92,交流接触器C的线圈由双向晶闸管T驱动. 双向晶闸管的选择要满足：额定工作电压为交流接触器线圈工作电压的23倍.对于工作电压220V的中/小型的交流接触器,可以选择3A/600V的双向晶闸管. 光电耦合器MOC3041的作用是触发双向晶闸管T以及隔离单片机系统和接触器系统.光电耦合器MOC3041的输入端接7407,由单片机8031的P1.0端控制. P1.0输出低电平时,双向晶闸管T导通,接触器C吸合. P1.0输出高电平时,双向晶闸管T关断,接触器C释放. MOC3041

49、内部带有过零控制电路,因此双向晶闸管T工作在过零触发方式. 接触器动作时,电源电压较低,这时接通电器,对电源的影响较小.,93,5.固态继电器驱动电路,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,它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合,而且没有任何可动部件或触点,却能实现电磁继电器的功能,故称为固态继电器. 它具有体积小,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,在计算机控制系统中得到广泛的应用,大有取代电磁继电器之势.,94,图2-22 SSR结构原理及符号,95,固态继电器SSR是一个四端组

50、件,有两个输入端.两个输出端,图2-22所示为其结构原理图,共由五部分组成. 光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用,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,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； 吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害,一般由RC串联网络和压敏电阻组成； 零压检测电路是为交流型SSR过零触发而设置的.,96,SSR的输入端与晶体管/TTL/CMOS电路兼容,输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载. 工作时只要在输入端施加一定的弱电信号,

51、就可以控制输出端大电流负载的通断. SSR的输出端可以是直流也可以是交流,分别称为直流型SSR和交流型SSR.直流型SSR内部的开关组件为功率三极管,交流型SSR内部的开关组件为双向晶闸管.,97,交流型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和非过零型两种,其中应用最广泛的是过零型. 过零型交流SSR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,SSR才为导通状态；而断开控制信号后,也要等待交流电压过零时,SSR才为断开状态. 非过零型(移相型)交流SSR的断开条件同过零型交流SSR,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,立即导通.,98,直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步.直流型SSR主要用于直流大功率控制.一般取输入电压为432V,输入电流510mA.它的输出端为晶体管输出,输出工作电压为30180V. 交流型SSR主要用于交流大功率控制.一般取输入电压为432V,输入电流小于500mA.它的输出端为双向晶闸管,一般额定电流在1A5A范围内,电压多为380V或220V. 图2-23为一种常用的固态继电器驱动电路,当数据线Di输出数字“0”时,经7406反相变为高电平,使NPN