《开关量输出器件》PPT课件.ppt

2.5 开关量输出器件（课本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 智能仪器的开关量输出信号具有下列用处： （1）越限报警 （2）开关量控制 用于控制的开关信号的电气接口形式又分为无源和有源两类。 无源是指智能仪器只提供输出电路的通、断状态，负载电源由外电路提供。 有源的开关量输出信号往往表示为电平的高低或电流的有无，由智能仪器为负载提供全部或部分电源。 （3）反映智能仪器本身的工作状态,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。,二、开关量输出隔离的一般结构,地址译码电路用于产生开关量输出口地址的锁存命令信号，锁存器用于锁存多位开关量信号，它可以使用普通锁存器（如74LS273等），也可以使用可编程IO芯片（8255等）。锁存器输出的开关信号往往需要经过隔离和驱动才能与执行机构相连接。,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（optical coupler-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1010，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。,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、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等，它们的高电平输出电流 IOH= -15 mA, 低电平输出电流 IOL=24 mA,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0.51W)和小功率三极管(PC0.5W)）,四、开关量输出驱动电路,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。,3、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。,达林顿晶体管阵列驱动器芯片适用于多路开关量 中功率驱动电路，例如MC1416包含有七路开关量驱动 器，每路驱动器的内部结构如图4-17（a）所示。 MC1416特性如下： 每路输出电流可达500mA，但每一块双列直插式芯片总的输出电流不得超过2.5A。 输