后向通道及接口

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1、1.5 后向通道与接口技术11.5 后向通道与接口技术l后向通道 l后向通道中的常用器件及电路 l后向通道中的D/A转换及接口2一、后向通道后向通道是CPU或计算机对控制对象实现控制操作的 输出通道。 l1、后向通道的特点 l2、后向通道的结构 l3、后向通道应解决的问题 3l1、后向通道的特点 (1)小信号输出、大功率控制。 根据目前CPU输出功率的限制，不能输出控制对象所要 求的功率信号。 (2)是一个输出通道。 输出伺服驱动控制信号，而伺服驱动系统中的状态反馈信 号通常是作为检测信号输入前向通道。 (3)接近控制对象，环境恶劣。 控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为 严重。

2、后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不 易受到直接损害；但这些干扰易从系统的前向通道窜入。 4l2、后向通道的结构 根据CPU的输出信号形式和控制对象的特点，后 向通道结构如图所示。 单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过I O口或数据总线送给控制对象。 这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量 和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制 系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数模转 换变换成模拟量控制信号。 56l3、后向通道应解决的问题 (1)功率驱动。将单片机输出的信号进行功率放大， 以满足伺服驱动的功率要求。 (2)干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道 、电源

3、以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常采用 信号隔离、电源隔离和对大功率开关实现过零切换等方 法进行干扰防治。 (3)数模转换。对于二进制输出的数字量采用D A变换器；对于频率量输出则可以采用FV转换器变换 成模拟量。7二、后向通道中的常用器件及电路后向通道中常用的器件及电路主要有数模转换、功 率驱动和干扰防治器件及电路。 l（一） 功率开关接口器件及电路 在CPU输出开关量后，需进行功率放大，才能驱动开 关量外设。 实际的应用系统中，大量使用的是开关量的驱动、控 制。 常用的功率开关接口器件及电路有：功率开关驱动电 路、功率型光电耦合器、集成驱动芯片及固体继电器等。 81、大功率IO口接口电

4、路 在CPU应用系统中，开关量都是通过单片机的IO口或扩展IO 口输出的。这些IO口的驱动能力有限。例如标准的TTL门电路在 0电平时吸收电流的能力约为16mA，常常不足以驱动一些功率开 关(如继电器、电机、电磁开关等)，因此，需要一些大功率开关接 口电路。 功率晶体管驱动 典型的开关功率管具有高速、中等功率特性，其驱动电流可达800mA ，击穿电压为40V。如在500mA和10V处，典型的正向电流增益为30 ，要开关500mA负载电流时，其Ib至少需供给17mA。 在晶体管驱动电路中，开关晶体管的驱动电流IC必须足够 大，否则晶体管会增加其管压降来限制其负载电流，从而有可能使晶 体管超过允许

5、功耗而损坏。 92达林顿驱动电路 对于典型的开关晶体管电路，输出电流是输入电流乘 以晶体管的增益。要保证有足够大的输出电流必须采取增大输入 驱动电流，多级放大和提高晶体管增益。 采用达林顿驱动电路主要是采用多级放大和提高晶体 管增益，避免加大输入驱动电流。这种结构形式具有高输入阻抗 和极高的增益。 单个达林顿晶体管： 10IC达林顿晶体管驱动器: ULN2608,ULN20031112ULN200313143闸流晶体管(可控硅整流器) 在开关工作应用中，可控硅整流器只工作在 导通或截止状态。 由于SCR通常用来控制交流大电压开关负载 ，故不宜直接与数字逻辑电路相连。在实际使用时应 采取隔离措施

6、，如光电耦合隔离。 双向可控硅 15164机械继电器 在数字逻辑电路中最常使用的机械继电器有簧式继电 器。簧式继电器由两个磁性簧片组成，受磁场作用时，两个簧片 相接触而导通。这种簧式继电器控制电流要求很小，而簧式触点 可开关较大的电流。例如，控制线圈为380时，可直接由5V输 入电压驱动，驱动电流为13mA，而簧片触点可通过500mA至几 十A。但与逻辑电路相配用的簧式继电器一般小于1A。 簧式继电器的接口电路如图所示。触点两端的齐纳二 极管用来防止产生触点电弧。 机械继电器的开关响应时间较大，计算机应用系统中 使用机械继电器时，控制程序中必须考虑开关响应时间的影响。175功率场效应管(MOS

7、FET) 中功率、大功率场效应管构成的功率开关驱动器件可 高频工作，输入电流小，并能随意地截止，兼有晶体管开关和 SCR的全部优点。 由于场效应管(FET)是电荷控制器件，只在开关的过 程中才需要电流，而且只要求微安级的输入电流。控制的输出电 流可以很大。例如VN84GA在低频时耗散功率为80W，而在 30MHz时可耗散50W，控制电流可达1 2.5A，图为VMOSFET电 机控制电路，其中 VN66AF为小功率VMOSFET。 186、固态继电器(SSR) 固态继电器是一种无触点通断功率型电子开关 ，又名固态开关。当施加触发信号后其主回路呈导通状态，无信 号时呈阻断状态。它利用了分立器件和集

8、成器件及微 电子技术实现了控制回路(输入端)与负载回路(输出端) 之间的电隔离及信号耦合，没有任何可动部件或触点 。 实现了具有相当于电磁继电器一样的功能。19固态继电器的结构原理固态继电器通常是一个四端组件，两个为输入 端，两个为输出端。图为其结构框。它至少由三个部分组成 ，即输入电路、隔离部分和输出电路。 2021固态继电器有许多类型可供用户选择： 按品种分有军品、民品、IO模块； 按输出功能分有直流型、过零型、非过零型； 按隔离方式分有光隔离和变压器隔离； 按封装结构形式分有塑封型和金属壳全密封型 固态继电器，以及各种特殊用途的固态继电器。 固态继电器的优点由于固态继电器是由固态元件组成

9、的无触点开 关器件。这种结构特点决定了它比电磁继电器工作可靠，寿 命长，对外界干扰小，能与逻辑电路兼容，抗干扰能力强， 开关速度快，使用方便。 固态继电器的应用特性 (1)根据产品的功能不同，输出电路可接交流 或直流。对交流负载的控制有过零不过零控制功能。其控制 波形如图所示。2223(2)由于固态继电器是一种电子开关，故有一 定的通态压降和断态漏电流，其数值与产品型号规格有关。 (3)负载短路易造成SSR的损坏，应特别注意 避免。 (4)必须考虑瞬态过电压和断态dVdt对SSR 的影响。部分SSR产品内部已含有瞬态抑制网络。必要时可 在外部加以适当的瞬态抑制电路。 24 固态继电器的应用 固

10、态继龟器不仅实现了小信号对大电流功率负 载的开关控制，而且还具有隔离功能。2526l（二）光电隔离与接口驱动器件 光电耦合器件能可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能 状态，如信号隔离、隔离驱动、远距离传送等。 一、信号隔离用光电耦合器件 最普通的信号隔离用光电耦合器件如图(a)所示。以发 光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。这种器件一般用在 100kHz以下的频率信号。如果基极有引出线则可满足温度补偿、 检测及调制要求。 图(b)是高速光电耦合器的结构形式，输出部分采用 PIN型光敏二极管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应 速度。 272、隔离驱动用光电耦合器件 达林顿输出光电耦合器

11、件。输出部分以光 敏三极管和放大三极管构成达林顿输出。具有达林顿 输出的一切特性，可直接用于驱动较低频率的负载。 可控硅输出光电耦合器件。输出部分为光 控晶闸管，光控晶闸管有单向、双向两种形式。这种 光电耦合器件常用在交流大功率的隔离驱动中。 283、远距离的隔离传送 目的：应用系统远离工业现场 下图是利用光电耦合器件进行远距离隔离传 送的电路。输入部分为双铰线的20mA电流环远距离 传送。输出部分通过TTL门进行电平调整。 29l（三）线性功率驱动接口器件及电路 在应用系统的直流伺服控制中，经常要用到线性功率驱动。 线性功率驱动接口将单片机通过数模转换后的模拟电压转换成伺服 控制系统所要求的

12、功率输出。 通常线性功率驱动接口器件主要使用集成功率运算放大器。 在后向通道的直流伺服系统中，采用集成功率运算放大器可大大简化 电路，并提高系统的可靠性。 美国B-B公司推出的大功率运算放大器有OPA501、OPA511 512、OPA541，输出电流可达1015A。 右图为OPA501，其性能特点如下：电源电压范围宽 104 0V；输出电流大 1 0A(峰值)；输出功率大2 6 0W(峰值)；最大差动输入电压 Vcc-3V；工作温度范围 -55+125。30l（四）FV转换接口器件及电路 计算机输出信号为频率F信号，在设备现场将F转换 为V信号。 频率信号输出占用总线数量少，易于远距离传送，

13、 抗干扰能力强。将频率信号转换成与频率量成正比的模拟 电压，可采用FV转换器。 通常没有专门用于FV的转换集成器件，而是使用 VF转换器在特定的外接电路下构成FV转换电路。一 般的集成VF转换器都具有FV转换功能。 下图是由LM331 VF转换器构成的两种FV转换 电路。31输入频率脉冲fIN经过C-R网络接入比较器阈值端6脚上，脉冲的下降沿引起输入比较器 触发定时电路。与VF转换器相同，1脚流出的平均电流IAvE=i(11RtCt)fIN。将此电流经过 R 、C网络滤波即可获得与fIN信号频率成正比的直流电压。 图(a) ，网络RL=100k及CL=1F对电流进行滤波，纹波峰值小于10mV。

14、对于0.1s的 时间常数，0.1精度下的建立时间为0.7s。 图6(b)，由运算放大器提供缓冲输出，并实现双极点滤波器的作用，对于所有高于 1kHz的频率，纹波峰值小于5mV，响应时间比图(a)要快得多。然而对于低于200Hz的输入频 率，电路输出的纹波将比图(a)更差。要对滤波时间常数进行调整，以满足响应和足够小的纹 波需要。 图 (a)简单的FV转换(1 0kHz0.06)(b)精密FV转换(1 0kHzO01)32三、后向通道中的D/A转换及接口l（一）DA转换接口设计的一般性问题 l（二）DA转换性能指标与集成芯片 33l（一）DA转换接口设计的一般性问题 1、DA转换芯片的选择原则

15、DA转换芯片的主要特性 主要考虑的是以位数表现的转换精度和转换时 间。 数字输入特性。DA转换芯片一般都只能接 收自然二进制数字代码。模拟输出特性。目前多数DA转换器件均属 电流输出器件。需加运算放大器以转换为电压。锁存特性及转换控制。DA转换器对输入数 字量是否具有锁存功能将直接影响与 CPU的接口设计。如果 DA转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量 时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的I O口给DA送入数字量。34有些DA转换器并不是对锁存的输入的数字 量立即进行DA转换，而是只有在外部施加了转换控制信号 后才开始转换和输出。具有这种输入锁存及转换控制功能的D

16、A转换器(如08 32)，在CPU分时控制多路DA输出时，可 以做到多路DA转换的同步输出。参考电压源。DA转换中，参考电压源是唯 一影响输出结果的模拟参量。是DA转换接口中的重要电路 ，对接口电路的工作性能，电路的结构有很大影响。使用内 部带有低漂移精密参考电压源的DA转换器(如AD563 565A)不仅能保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路 。 2、参考电压源的配置 目前在DA转换接口中常用到的DA转换器大多 不带有参考电压源。有时为了方便地改变输出模拟电压范 围、极性，须要配置相应的参考电压源。故在DA接口 设计中经常要进行参考电压源的配置设计。 35带温度补偿的齐纳二极管 带温度补偿