开关量与模拟量接口技术

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1、第11章开关量与模拟量接口技术1．教学目的和要求：掌握开关量和开关量接口掌握模拟量和模拟量接口了解分布式采集系统2．教学重点：开关量接口模拟量接口3．掌握难点：A/D和D/A转换5．教学方法：课堂讲授6．教学内容摘要：11.1概述11.1.1开关量在微机应用系统中，通常要引入一些开关量的输出控制(如继电器的通/断)及状态量的反馈输入(如机械限位开关状态、控制继电器的触点闭合等)。这些控制动作都和强电(大电流、高电压)控制电路联系在一起，合理地设计和应用十分重要。如果应用不当而形成了强电控制电路，则会对微机应用系统造成严重干扰，会导致微机系统不能正常工作。图11.1大电流干扰地电平示意图消除

2、上述干扰的最有效方法是使微机应用系统主机部分的接地和强电控制电路的接地隔开，不让它们在电气上共地。微机应用系统主机部分的控制信息以某种非电量(如光、磁等)形式传递给强电控制电路，实现电信号的隔离，从而消除强电干扰。目前，最常见的是采用光电隔离器或继电器隔离，其中光电隔离器件体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高，因而获得了广泛的应用。11.1.2模拟量模拟量输入/输出通道是微型计算机与控制对象之间的一个重要接口，也是实现工业过程控制的重要组成部分。在工业生产中，需要测量和控制的物理量往往是连续变化的量，如电流、电压、温度、压力、位移、流量等。为了利用计算机实现对工业生产过程的自动监测和控制，

3、首先要能够将生产过程中监测设备输出的连续变化的模拟量转变为计算机能够识别和接受的数字量。其次，还要能够将计算机发出的控制命令转换为相应的模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。这样两个过程，都需要模拟量的输入和输出通道来完成。模拟量输入/输出通道的结构如图11.2所示，下面分别介绍输入和输出通道中各环节的作用。1.模拟量的输入通道图11.2模拟量的输入/输出通道结构图2.模拟量的输出通道计算机的输出信号是数字信号，而有些控制执行元件要求提供模拟的输入电流或电压信号，这就需要将计算机输出的数字量转换为模拟量，这个过程的实现由模拟量的输出通道来完成。输出通道的核心部件是D/A(DigitaltoAn

4、alog)转换器，由于将数字量转换为模拟量同样需要一定的转换时间，也就要求在整个转换过程中待转换的数字量要保持不变。而计算机的运行速度很快，其输出的数据在数据总线上稳定的时间很短，因此，在计算机与D/A转换器之间必须加一级锁存器以保持数字量的稳定。D/A转换器的输出端一般还要加上低通滤波器，以平滑输出波形。另外，为了能够驱动执行器件，还需要设置驱动放大电路将输出的小功率模拟量加以放大，以足够驱动执行元件动作。11.2开关量接口11.2.1光电子器件1.光电二极管图11.3光电二极管电路(a)符号；(b)等效电路；(c)特性曲线2.发光二极管3.光电耦合器件11.2.2开关量输入接口电路光电

5、隔离输入通常用于控制动作的状态反馈。这种反馈可能是电信号形式，也可能是机械触点的断开或闭合形式。这里，我们假定状态反馈形式是继电器触点的断开或闭合。光电隔离输入接口电路的具体实例如图11.8所示。图11.8光电隔离输入接口电路11.2.3开关量输出接口电路图11.11开关量输出接口的逻辑结构1.缓冲寄存器缓冲寄存器中寄存器的每一位表示一个开关量，用“0”和“1”区分通/断或有/无。寄存器的字长等于数据总线位数，可容纳同样多的开关量数目。每个寄存器给一个地址，由控制译码器提供一个选通信号，开关量数目被字长除得的整数即为寄存器的数目。例如，对16位计算机，若有64个开关量输出，则需要四个寄存器

6、(16位)和四套相应电路(每套16路)。2.驱动放大电路因为有些输出电路要求比较大的电流(例如，继电器需20mA电流)，所以需要驱动放大电路。这里采用辅助操作接口中的总线驱动器元件。3.输出部件输出元件通常有四种，即继电器、光电开关、脉冲变压器和固态继电器。其电路原理如图11.12所示。1)继电器输出如图11.12(a)所示，驱动电流约为20mA，电压为+5V，输入高压约为24～30V，电流为0.5～1A。当开关量为1时，线圈通过电流，触点被吸合。VFl与V0接近，输入线VF2一般可公用，也可分开接不同设备。线圈并联二极管用以防止反冲。压敏电阻为齐纳二极管，起到防止冲击、防止火花、去干扰和

7、保护触点等作用。继电器用于负载重、速度慢的情况。2)光电开关输出光电开关电路示于图11.12(b)，一般要求驱动电流为20mA，宽度20μs，用于负载较轻的使用情况。光电隔离输出接口，一般是CPU和大功率执行机构(如大功率继电器、电机等)之间的接口，控制信息通过它才能送到大功率的执行机构。CPU与继电器之间的接口如图11.13所示，它是光电隔离输出接口的一个实例。图11.12几种常用输出部件的电路结构图11.13光电隔离