东北大学微机原理-8.ppt
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1、第八章第八章 外部输入输出扩展外部输入输出扩展8.1 开关量接口开关量接口8.2 模模拟拟信号信号输输入通道入通道8.3 模模拟拟信号信号输输出通道出通道5/6/202418.1 开关量接口 l开关量的输入与输出,从原理上讲十分简单。开关量的输入与输出,从原理上讲十分简单。CPU只要通过对输入信息分析是只要通过对输入信息分析是“1”还是还是“0”,即可,即可知开关是合上还是断开。如果控制某个执行器的工知开关是合上还是断开。如果控制某个执行器的工作状态,只需送出作状态,只需送出“0”或或“1”,即可由操作机构,即可由操作机构执行。但是由于工业现场存在着电、磁、振动、温执行。但是由于工业现场存在着
2、电、磁、振动、温度等各种干扰及各类执行器所要求的开关电压量级度等各种干扰及各类执行器所要求的开关电压量级及功率不同,所以在接口电路中除根据需要选用不及功率不同,所以在接口电路中除根据需要选用不同的元器件外,还需要采用各种同的元器件外,还需要采用各种缓冲、隔离与驱动缓冲、隔离与驱动措施。措施。5/6/202428.1.1 开关量接口驱动 由由于于单单片片机机输输出出的的TTLTTL信信号号驱驱动动能能力力较较小小,因因此此经经常常需需要要配配置置专专门门电电路路,以以提提高高驱驱动动能能力力。有有时时外外电电路路需需要要较较高高的的逻逻辑辑电电平平,所以也需要电平转换。所以也需要电平转换。1.1
3、.单向驱动电路单向驱动电路 在在输输出出地地址址信信号号或或单单向向开开关关控控制制信信号号时时,可可使使用用单单向向驱驱动动电电路路,常常用用的的有有74LS0474LS04,74LS125/12674LS125/126等等。在在多多路路TTLTTL信信号号输输出出时时,一一般般选选用用三三态态门门电电路路,譬譬如如74LS240/241/24474LS240/241/244等等。下下面面以以74LS24474LS244为例说明单向驱动电路的使用。为例说明单向驱动电路的使用。5/6/202438.1 开关量接口2.2.双向驱动电路双向驱动电路 常常用用的的双双向向驱驱动动电电路路有有74LS
4、242/243/24574LS242/243/245等等。74LS24574LS245由由双双向向三三态态门电路构成,在多路数据输入输出时用作数据总线驱动器。门电路构成,在多路数据输入输出时用作数据总线驱动器。3.OC3.OC门驱动电路门驱动电路 OCOC门电路可由晶体管构成,也可选用门电路可由晶体管构成,也可选用TTL OCTTL OC门,如门,如7405/06/077405/06/07、7416/177416/17等。这些等。这些OCOC门都具有高压输出功能,除用于提高驱动能力外,门都具有高压输出功能,除用于提高驱动能力外,还可实现电平变换,驱动还可实现电平变换,驱动MOSMOS电路。电路
5、。74077407驱动驱动PMOSPMOS电路,最高输出电电路,最高输出电压可达压可达30V30V。RPMOS7407+10V-5V1K7407与PMOS电路的联接C0.1F5/6/202448.1.2 开关量输出接口开关量输出接口 l光耦合器光耦合器是以光为媒介传输信号的器件,它把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个管壳内,发光二极管加上正向输入电压信号(1.1V)就会发光,光信号作用在光敏三极管基极产生基极光电流使三极管导通,输出电信号。一、输出接口隔离一、输出接口隔离5/6/202458.1.2 开关量输出接口开关量输出接口主要特性参数有以下几个方面:主要特性参数有以下几个方面:l(
6、1)导通电流和截止电流导通电流和截止电流:对于开关量输出场合,光电隔离:对于开关量输出场合,光电隔离主要用其非线性输出特性。当发光二极管二端通以一定电流主要用其非线性输出特性。当发光二极管二端通以一定电流时,光耦合器输出端处于导通状态;当流过发光二极管的电时,光耦合器输出端处于导通状态;当流过发光二极管的电流小于某一值时,光耦合器输出端截止。不同的光耦合器通流小于某一值时,光耦合器输出端截止。不同的光耦合器通常有不同的导通电流,常有不同的导通电流,一般典型值为一般典型值为10mA。l(2)频率响应频率响应:受发光二极管和光敏三极管响应时间的影响,:受发光二极管和光敏三极管响应时间的影响,开关信
7、号传输速度和频率受光耦合器频率特性的影响。因此,开关信号传输速度和频率受光耦合器频率特性的影响。因此,在高频信号传输中要考虑其频率特性。在开关量输出通道中,在高频信号传输中要考虑其频率特性。在开关量输出通道中,输出开关信号频率一般较低,不会受光耦合器频率特性影响。输出开关信号频率一般较低,不会受光耦合器频率特性影响。5/6/202468.1.2 开关量输出接口开关量输出接口l(3)输出端工作电流:是指光耦合器导通时,流过光敏三极)输出端工作电流:是指光耦合器导通时,流过光敏三极管的额定电流。该值表示了光耦合器的驱动能力,一般为管的额定电流。该值表示了光耦合器的驱动能力,一般为mA量级。量级。l
8、(4)输出端暗电流:是指光耦合器处于截止状态时输出端流)输出端暗电流:是指光耦合器处于截止状态时输出端流过的电流。对光耦合器来说,此值越小越好,以防止输出端过的电流。对光耦合器来说,此值越小越好,以防止输出端的误触发。的误触发。l(5)输入输出压降:分别指发光二极管和光敏三极管的导通)输入输出压降:分别指发光二极管和光敏三极管的导通压降。压降。l(6)隔离电压:表示了光耦合器对电压的隔离能力。)隔离电压:表示了光耦合器对电压的隔离能力。光耦合器二极管侧的驱动可直接用门电路去驱动,一般的门电路驱动能力光耦合器二极管侧的驱动可直接用门电路去驱动,一般的门电路驱动能力有限,常用带有限,常用带OC门的
9、电路(如门的电路(如7406、7407)进行驱动。)进行驱动。5/6/202478.1.2 开关量输出接口开关量输出接口l继电器方式的开关量输出,是目前最常用的一种输出方式,继电器方式的开关量输出,是目前最常用的一种输出方式,一般在驱动大型设备时,往往利用继电器作为测控系统输出一般在驱动大型设备时,往往利用继电器作为测控系统输出至输出驱动级之间的第一级执行机构。通过该级继电器输出,至输出驱动级之间的第一级执行机构。通过该级继电器输出,可完成从低压直流到高压交流的过渡。可完成从低压直流到高压交流的过渡。l由于继电器的控制线圈有一定的电感,在关断瞬间会产生较由于继电器的控制线圈有一定的电感,在关断
10、瞬间会产生较大的反电势,因此在继电器的线圈上常常反向并联一个二极大的反电势,因此在继电器的线圈上常常反向并联一个二极管用于电感反向放电,以保护驱动晶体管不被击穿。管用于电感反向放电,以保护驱动晶体管不被击穿。l不同的继电器,允许驱动电流也不一样。对于需要较大驱动不同的继电器,允许驱动电流也不一样。对于需要较大驱动电流的继电器,可以采用达林顿输出的光隔直接驱动;也可电流的继电器,可以采用达林顿输出的光隔直接驱动;也可以在光耦与继电器之间再加一级三极管驱动。以在光耦与继电器之间再加一级三极管驱动。二、继电器输出接口二、继电器输出接口5/6/202488.1.2 开关量输出接口开关量输出接口l双向晶
11、闸管具有双向导通功能,能在交流、大电流场合使用,双向晶闸管具有双向导通功能,能在交流、大电流场合使用,且开关无触点,因此在工业控制领域有着极为广泛的应用。且开关无触点,因此在工业控制领域有着极为广泛的应用。传统的双向晶闸管隔离驱动电路的设计,是采用一般的光隔传统的双向晶闸管隔离驱动电路的设计,是采用一般的光隔离器和三极管驱动电路。现在已有与之配套的光隔离器产品,离器和三极管驱动电路。现在已有与之配套的光隔离器产品,这种器件称为光耦合双向晶闸管驱动器。这种器件称为光耦合双向晶闸管驱动器。l与一般的光耦不同,在于其输出部分是一硅光敏双向晶闸管,与一般的光耦不同,在于其输出部分是一硅光敏双向晶闸管,
12、有的还带有过零触发检测器,以保证在电压接近为零时触发有的还带有过零触发检测器,以保证在电压接近为零时触发晶闸管。常用的有晶闸管。常用的有MOC3000系列等,运用于不同负载电压使系列等,运用于不同负载电压使用,如用,如MOC3011用于用于110V交流,而交流,而MOC3041等可适用于等可适用于220V交流使用,用交流使用,用MOC3000系列光电耦合器直接驱动双向系列光电耦合器直接驱动双向晶闸管,大大简化了传统的晶闸管隔离驱动电路的设计。晶闸管,大大简化了传统的晶闸管隔离驱动电路的设计。三、双向晶闸管输出接口三、双向晶闸管输出接口5/6/202498.1.2 开关量输出接口开关量输出接口l
13、固态继电器(固态继电器(SSR)是近年发展起来的一种新型电子继电器,)是近年发展起来的一种新型电子继电器,其输入控制电流小,用其输入控制电流小,用TTL、HTL、COMS等集成电路或加等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动,因此适宜于在微机测控系统简单的辅助电路就可直接驱动,因此适宜于在微机测控系统中作为输出通道的控制元件;其输出利用晶体管或晶闸管驱中作为输出通道的控制元件;其输出利用晶体管或晶闸管驱动,无触点。动,无触点。与普通的电磁式继电器和磁力开关相比,具有无机械噪声、与普通的电磁式继电器和磁力开关相比,具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工无抖动和回跳、
14、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工作可靠等特点,并且耐冲力、抗潮湿、抗腐蚀,因此在微机作可靠等特点,并且耐冲力、抗潮湿、抗腐蚀,因此在微机测控等领域中,已逐步取代传统的电磁式继电器和磁力开关测控等领域中,已逐步取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件。作为开关量输出控制元件。四、固态继电器输出接口四、固态继电器输出接口5/6/2024108.1.2 开关量输出接口开关量输出接口l固态继电器由光电耦合电路、触发电路、开关电路、过零控固态继电器由光电耦合电路、触发电路、开关电路、过零控制电路和吸收电路五部分构成。这五部分被封装在一个六面制电路和吸收电路五部分构成。这五部分被封装在
15、一个六面体外壳内,成为一个整体,外面有四个引脚(图中的、体外壳内,成为一个整体,外面有四个引脚(图中的、)。如果是过零型、)。如果是过零型SSR 就包括就包括“过零控制电路过零控制电路”部分,部分,而非过零型而非过零型SSR则没有这部分电路。则没有这部分电路。5/6/2024118.1.2 开关量输出接口开关量输出接口l直流型固态继电器主要用于直流大功率控制场合。直流型固态继电器主要用于直流大功率控制场合。其输入端为一光电耦合电路,因此可用其输入端为一光电耦合电路,因此可用OC门或晶体门或晶体管直接驱动,驱动电流一般管直接驱动,驱动电流一般330mA,输入电压为,输入电压为530V,因此在电路
16、设计时可选用适当的电压和限流,因此在电路设计时可选用适当的电压和限流电阻。其输出端为晶体管输出,输出电压电阻。其输出端为晶体管输出,输出电压30180V。1、直流型固态继电器、直流型固态继电器注意在输出端为感性负载时,要接保护二极管用于防止直流固注意在输出端为感性负载时,要接保护二极管用于防止直流固态继电器由于突然截止所引起的高电压。态继电器由于突然截止所引起的高电压。5/6/2024128.1.2 开关量输出接口开关量输出接口l交流型固态继电器分为非过零型和过零型,二者都交流型固态继电器分为非过零型和过零型,二者都是用双向晶闸管作为开关器件,用于交流大功率驱是用双向晶闸管作为开关器件,用于交
17、流大功率驱动场合。动场合。l非过零型非过零型SSR,在输入信号时,不管负载电源电压,在输入信号时,不管负载电源电压相位如何,负载端立即导通;而过零型必须在负载相位如何,负载端立即导通;而过零型必须在负载电源电压接近零且输入控制信号有效时,输出端负电源电压接近零且输入控制信号有效时,输出端负载电源才导通,可以抑制射频干扰。当输入端的控载电源才导通,可以抑制射频干扰。当输入端的控制电压撤消后,流过双向晶闸管负载电流为零时才制电压撤消后,流过双向晶闸管负载电流为零时才关断。关断。、交流型固态继电器、交流型固态继电器5/6/2024138.1.2 开关量输出接口开关量输出接口过零型过零型基本控制基本控
18、制非过零型非过零型TTL控制控制5/6/202414 在测量和工业实时控制中,经常需要对现场物理量进行测量,或在测量和工业实时控制中,经常需要对现场物理量进行测量,或者采集下来进行处理。这就需要构成一个模拟信号的输入通道,如图者采集下来进行处理。这就需要构成一个模拟信号的输入通道,如图所示。所示。单片机或微处理器低通滤波采样保持A/D转换传感器前置放大模拟输入通道8.2 模模拟拟信号信号输输入通道入通道5/6/2024158.2.1 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 l1、分辨率、分辨率 ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输
19、入模拟电压的变化量。常用二进制的位数表所需输入模拟电压的变化量。常用二进制的位数表示。例如示。例如12位位ADC的分辨率就是的分辨率就是12位,或者说分辨位,或者说分辨率为满刻度率为满刻度FS的的1/。一个。一个10V满刻度的满刻度的12位位ADC能分辨输入电压变化最小值是能分辨输入电压变化最小值是10V1/=2.4mV。5/6/2024168.2.1 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标l量化误差量化误差 ADC把模拟量变为数字量,用数字量近似表示模把模拟量变为数字量,用数字量近似表示模拟量,这个过程称为量化。量化误差是拟量,这个过程称为量化。量化误差是ADC的有限位数对模的有限位
20、数对模拟量进行量化而引起的误差。实际上,要准确表示模拟量,拟量进行量化而引起的误差。实际上,要准确表示模拟量,ADC的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的的位数需很大甚至无穷大。一个分辨率有限的ADC的阶的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线转换特性曲线(直线)之间的最大偏差即是量化误差。(直线)之间的最大偏差即是量化误差。5/6/2024178.2.1 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标l偏移误差偏移误差是指输入信号为零时,输出信号不为零的是指输入信号为零时,输出信号不为零的值,所以有时又称为零值误差。假定值,所以有时又称为零
21、值误差。假定ADC没有非线没有非线性误差,则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定性误差,则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线,这条直线与横轴相交点所对应的输入电压是直线,这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。值就是偏移误差。l满刻度误差满刻度误差又称为增益误差。又称为增益误差。ADC的满刻度误差是的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。入电压之差。5/6/2024188.2.1 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标l线性度线性度有时又称为非线性度,它是指转换器实际的转换特性与理想直线的有时又称
22、为非线性度,它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。最大偏差。l绝对精度绝对精度 在一个转换器中,任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差在一个转换器中,任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值,称为绝对精度。对于的最大值,称为绝对精度。对于ADC而言,可以在每一个阶梯的水平中而言,可以在每一个阶梯的水平中点进行测量,它包括了所有的误差。点进行测量,它包括了所有的误差。l转换速率转换速率 ADC的转换速率是能够重复进行数据转换的速度,即每秒转换的次数。而的转换速率是能够重复进行数据转换的速度,即每秒转换的次数。而完成一次完成一次A/D转换所需的时间(包括稳定时间
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