2.6 开关量输出器件

§2.6开关量输出器件85-86、96-99页一、智能仪器输出通道信号种类模拟量输出信号、开关量输出信号、数字量输出信号二、开关量输出隔离的一般结构三、开关量输出隔离器件1、光电耦合器件2、继电器隔离电路四、开关量输出驱动电路TTL三态门缓冲器、集电极开路门、门电路外加晶体管、达林顿晶体管阵列驱动器芯片1、模拟量输出信号（1）直流电流信号（适合远距离传输）（2）直流电压信号（适合近距离传输）2、开关量输出信号3、数字量输出信号一、智能仪器输出通道信号种类1、模拟量输出信号（1）直流电流信号（适合远距离传输）电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号损失。（2）直流电压信号（适合近距离传输）当智能仪器的输出模拟信号需要传输给多个其他仪器仪表时，一般采用直流电压信号。2、开关量输出信号（1）．开关和开关量信号的区别？开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装置，主要用于向单片机输入电平信号。开关量信号就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个固定不变的电平信号。在智能仪器中用于向单片机输入控制命令或数据，开关信号可以通过机械式开关、电子式开关、温度开关等方式产生。（2）．开关量信号的特点是什么？只有开和关、通和断、高电平和低电平两种状态的信号叫开关量信号，在智能仪器的电子电路中，通常用二进制数0和1来表示。2、开关量输出信号（3）开关量信号的作用？开关量输入、输出部分是智能仪器与外部设备的联系部件，智能仪器通过接收来自外部设备的开关量输入信号和向外部设备发送开关量信号，实现对外部设备状态的检测、识别和对外部执行元器件的驱动和控制。越限报警、开关量控制、反映智能仪器本身的工作状态（4）常见电子开关都有哪些？扳键开关、BCD码拔盘开关、磁性开关、光敏器件开关（光电开关、光纤开关等）、温度超限开关。2、开关量输出信号（5）电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电流和开关的触点，这些信号经常会产生瞬时高压、过电流或接触抖动等现象。因此为使信号安全可靠，在输入到单片机之前必须接入信号输人电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平转换和隔离保护等。3、数字量输出信号数字量输出信号分为串行和并行两种。串行用于较远距离的数据传输和信息交换，例如智能仪器与上位机之间通信多位串行。并行方式传输速度快，但所需导线条数多，只适合于近距离传输，例如智能仪器与周围的其他智能设备之间。1.开关量输出通道的用途二、开关量输出隔离的一般结构将CPU输出的控制量转换为对被控对象的控制操作。对于只有二种工作状态的执行机构或器件，用智能仪器输出开关量来控制它们，例如控制马达的启动和停止，指示灯的亮和灭，电磁阀的开和关等。这些执行机构或器件所要求的控制电压和电流千差万别，有的是直流驱动的，有的是交流驱动的，都必须根据对象采用合适的电气接口。二、开关量输出隔离的一般结构1)输出锁存:当对生产过程进行控制时，控制量往往需要保持，直到输出新的控制量，所以，每次输出的控制量就需要保存（锁存）。输出锁存器可用可编程接口电路8255，也可用简单接口电路如74HC244，74HC273，74HC373等来实现。CPU输出锁存数字隔离输出驱动被控对象典型的开关量输出通道结构2)数字隔离:在输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到CPU系统中，一般需要采用通道隔离技术。（光-电隔离技术）使用光电隔离器时，要注意以下4点：①当光电隔离器导通时，必须输入足够大的导通电流，使发光二极管发出的光使输出端动作。光电隔离器的发光二极管正常发光电流为毫安级.②光电隔离器只能通过一定频率以下的脉冲信号。因此，在高频信号传输中要考虑其频率特性，选择通过频率比较高的光电隔离器③光电隔离器输出端的灌电流不能太大，否则可能使输出端击穿，导致光电隔离器的损坏，因而在光电隔离器与被控对象之间要加驱动电路。④利用光电隔离器实现控制通道的隔离时，用于驱动发光二极管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源，否则外部干扰可能通过地线串到CPU中去，这样就失去了隔离作用。解决的方法有两个：即在光电隔离的两侧分别使用不同的电源，也可用DC-DC变换的方法往输出端提供一个与光隔输入端隔离的电源。3)输出驱动:①要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驱动信号，关键在于输出通道中的功率驱动电路。②根据现场开关器件功率的不同，可有多种数字量驱动电路的构成方式。•开关量输出隔离的目的：在于隔断微机与执行机构之间的电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执行机构的误动作，甚至导致智能仪器本身的损坏。•目前，光电耦合器件和继电器常用作开关量输出隔离器件。三、开关量输出隔离器件1、光电耦合器件（opticalcoupler--OC）光电耦合器件是以光为媒介传输信号的电路（1）、光电耦合器件的类型(a)通用型(无基极引线)；(b)通用型(有基极引线)；(c)达林顿型；(d)高速型；(e)光集成电路；(f)光纤型；(g)光敏晶闸管型；(h)光敏场效应管型。（2）、光电耦合器件的特点●输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于1010Ω，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。●由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。●由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。●响应速度快，易与TTL电路配合使用。光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。●无触点、寿命长、体积小、耐冲击。所以光电耦合器件兼有反相及电平转换的作用。R1为限流电阻，其阻值决定了发光二极管的导通电流I1，I1一般选为数毫安。R2的取值要保证Vo输出的高、低电平要求。（3）、工作原理当Vi为低电平时，流过发光二极管的电流为零，光敏三极管截止，Vo输出高电平+V。当Vi为高电平时，电流I1经R1流经发光二极管使其发光，光信号作用于光敏三极管使其饱和导通，Vo输出为低电平。（4）、常用的光电隔离电路光电隔离可直接用门电路去驱动，由于一般的门电路驱动能力有限，常用集电极开路的门电路如7406等去驱动，如左图所示。当输出控制电平PC0为低电平时，7406输出高电平，发光二极管截止，光电隔离处于截止状态，VO输出高电平，而当输出控制电平为高电平时，7406输出低电平，发光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，VO输出低电平。（5）、光电耦合电路在工业上的应用主要应用：光电传感器，比如光电计数开关、光电位置检测开关。光电开关和单片机的接口电路图中的D为红外发光二极管，R1为限流电阻，T是光电接收三极管，R2为取样电阻。D在+5V的作用下，产生红外光线，当红外光线没有被挡住时，T导通饱和向单片机输入一个低电平信号，当红外光线被挡住时，T截止向CPU输入一个高电平信号。向单片机输入开关信号,就能对红外光线进行控制。根据发光二极管与接收三极管的不同位置设计的开关接口电路，可以应用于计数、位置状态、转速等多方面测试。左图中，红外发光二极管和红外接收三极管分别安装在产品流水线传送带的二边，每当传送带上有一个产品经过，就会遮挡红外光线一次，使红外接收三极管的输出一个脉冲电平信号。单片机对输入的脉冲信号进行计数，就可以对产品的产量进行统计。生产线上的产品计数模型（5）、光电耦合电路在工业上的应用光电传感器位置检测左图中当移动的物体一旦挡住红外光线，红外接收三极管就会输出一个脉冲信号。此装置可以用来检测物体的有或无，可以作为运动物体的限位检测电路，可以作为外人侵入的报警检测电路，也可以作为自动门的控制电路。（5）、光电耦合电路在工业上的应用电磁式继电器是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件。（1）、电磁继电器的结构和工作原理2、继电器隔离电路当它的电磁铁线圈通过一定数值的电流时，产生的电磁吸力大于弹簧的反作用力，衔铁动作使输出回路中的常开触点闭合，常闭触点打开。当通过线圈的电流小于释放电流时，弹簧将衔铁弹回，输出回路各触点恢复原态。应用时只要把需要控制的电路接到触点上，就可利用继电器达到控制的目的。电磁铁继电器结构图额定工作电压或额定工作电流：指继电器工作时线圈需要的电压或电流。电磁式继电器的驱动电源可能是交流的，也可能是直流的。为了适应不同电压的电路应用，一种型号的继电器通常有多种额定工作电压或额定工作电流，并用规格型号加以区别。直流电阻：指线圈的直流电阻。吸合电流：它是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在实际使用中，要使继电器可靠吸合，给定电压可以等于或略高于额定工作电压。一般不要大于额定工作电压的1.5倍。否则会烧毁线圈。（2）、电磁继电器的特性参数释放电流：它是指继电器产生释放动作的最大电流。释放电流比吸合电流小得多。触点负荷：它是指继电器触点允许的电压或电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小。应用时不能用触点负荷小的继电器去控制大电流或高电压。a)、继电器触点保护电路当输出回路包含有感性负载而且导通电流较大时，在触点断开的瞬间有可能在触点间造成高压电弧，以至于烧坏触点或降低触点寿命。为了防止这种情况发生：负载电源是直流的，可以在触点间并联续流二极管；负载电源是交流的，可以在触点间并联压敏电阻；负载电源是交流的，可以在触点间并联阻容电路。（3）、常用的继电器保护电路(b)、继电器线圈的保护当继电器线圈断电时,其储存的感应电能可能在直流电源上产生高达1500V的浪涌电压,随着固体器件使用量的不断增加,必须对继电器线圈进行抑制,将其电压峰值限制在一定的范围。常见的线圈瞬态抑制方法有：在线圈上并联一个电阻器或阻容电路,或并联一个二极管。线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长，使触点转换速度变慢。（4）、继电器隔离电路当A点为高电平时，晶体管VT饱和导通，继电器K吸合；当A点为低电平时，VT截止，继电器K则释放，完成了信号的传送过程。VD是保护二极管。当VT由导通变为截止时，继电器线圈两端产生很高的反电势，以继续维持电流IL。由于该反电势一般很高，容易造成VT击穿。加入二极管VD后，为反电势提供了放电回路，从而保护了三极管VT。继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接收电器信号，利用触点发送和输出信号，从而波面强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。1、小功率驱动接口电路（1）、TTL三态门缓冲器这类电路的驱动能力要高于一般的TTL电路。例如74LS240、74LS244、74LS245，75451等，它们的高电平输出电流IOH=-15mA,低电平输出电流IOL=24mA,可以用来驱动光电耦合器件、LED数码管、中功率晶体管等。（大功率(PC1W)、中功率(PC在0.5－1W)和小功率三极管(PC0.5W)）可用来驱动光电耦合器件，LED，中功率晶体管等。四、开关量输出驱动电路采用75451作为驱动指示灯的电路当单片机P1.1口输出低电平时,2A,2B为00,则2Y输出低电平,指示灯L2发光.（2）、集电极开路（OC）门OC门电路的输出级是一个集电极开路的晶体三极管，如图4-15所示。组成电路时，OC门输出端必须外加一个接至正电源的负载才能正常工作，负载正电源+V可以比TTL电路的VCC（一般为+5V）高很多。例如，7406、7407OC门输出级耐压可高达30V，输出低电压时吸收电流的能力也高达40mA。因此，OC门是一种既有电流放大功能，又有电压放大功能的开关量驱动电路。实际应用中，OC门电路常用来驱动微型继电器、LED显示器。2、中功率驱动接口电路（1）门电路外加晶体管门电路外加晶体管可以为直流执行器件提供更大的驱动电流。图中的晶体管是小功率管，其驱动能力大约为10-50mA。对于中功率管，驱动能力可达50-500mA。如果采用大功率管驱动能力会更强。使用时应注意门电路为高电平时，必须保证能提供给晶体管足够的基极电流，使其饱和导通。若