开关量输出器件

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1、2.5 2.5 开关量输出器件开关量输出器件（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二、开关量输出隔离的一般结构 三、开关量输出隔离器件三、开关量输出隔离器件1 1、光电耦合器件、光电耦合器件 2 2、继电器隔离电路、继电器隔离电路 四、开关量输出驱动电路四、开关量输出驱动电路TTLTTL三态门缓冲器、集电极开路门、门电路外加晶体三态门缓冲器、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管、达林顿晶体管阵列驱动器芯片1 1、模拟量输出

2、信号、模拟量输出信号（1 1）直流电流信号）直流电流信号（适合远距离传输）（适合远距离传输） （2 2）直流电压信号）直流电压信号（适合近距离传输）（适合近距离传输） 2 2、开关量输出信号、开关量输出信号 3 3、数字量输出信号、数字量输出信号一、智能仪器输出通道信号种类1 1、模拟量输出信号、模拟量输出信号（1 1）直流电流信号）直流电流信号（适合远距离传输）（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电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信 号号损失。损失。 （2 2）直流电压信号）直流电压信号（适合近距离传输）（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

3、他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串行和并行并行两种。u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。u

4、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（如普通锁存器（如74LS27374LS273等），也可以使用可编程等），也可以使用可编程IOIO 芯片（芯片（82558255等）。锁存器输出的开关信号往往需要经等）。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。过隔离和驱

5、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 1）、光电耦合器件的类型）、光电耦合器件的类型(a)(a)通用型通用型( (无基极引线无基极引线) )；(b)(b)通用型通用型( (有基极引线有基极引线) )； (c)(c)达林顿型；达林顿型；(d)(d)高速型；高速型； (e)(e)光集成

6、电路；光集成电路；(f)(f)光纤型；光纤型； (g)(g)光敏晶闸管型；光敏晶闸管型；(h)(h)光敏场效应管型。光敏场效应管型。 （2 2）、光电耦合器件的特点）、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输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于10101010，耐耐压一般可超过压一般可超过1kV1kV，有的甚至可以达到有的甚至可以达到10kV10kV以上。以上。由于由于“光光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光传输的单向性，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

7、于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器由于发光器件（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，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。干扰并消除噪音。响应速度快，易与响应速度快，易与TTLTTL电路配合使用。光电耦合器件的时间电路配合使用。光电耦合器件的时间 常数通常在微秒甚至毫微秒极。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。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

8、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 3）、工作原理）、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 4）、常用的光电隔离电路）、常用的光电隔离电路光电隔离可直接用门电路去光电隔离可直接用门电路去 驱动，由于一般的门电路驱驱动，由于一般的门电路驱 动能力有限，常用集电极开动能力有限，常用集电极开 路的门电路如路的门电

9、路如74067406等去驱等去驱动，如左图所示。动，如左图所示。 当输出控制电平当输出控制电平PC0PC0为低电平时，为低电平时，74067406输出高电平，输出高电平， 发光二极管截止，光电隔离处于截止状态，发光二极管截止，光电隔离处于截止状态，V VOO输出高输出高 电平，而当输出控制电平为高电平时，电平，而当输出控制电平为高电平时，74067406输出低电输出低电 平，发光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，平，发光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，V VOO 输出低电平。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

10、用 开关控制器件开关控制器件。 （1 1）、电磁继电器的结构和工作原理）、电磁继电器的结构和工作原理2 2、继电器隔离电路、继电器隔离电路当它的电磁铁线圈通过一定数值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，弹簧将衔铁弹回于释放电流时，弹簧将衔铁弹回 ，输出回路各触点恢复原态。，输出回路各触点恢复原态。应应 用时只要把需要控制的电路接到用时只要把需要控制的电路接到

11、 触点上，就可利用继电器达到控触点上，就可利用继电器达到控 制的目的。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 2）、电磁继电器的特性参数）、电磁继电器的特性参数释放电

12、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 当输出回路包含有当输出回路包含有感性负载感性负载而且导通电流较大时，在触点而且导通电流较大时，在触点 断断 开的瞬间有可能在触点间造成开的瞬间有可能在触点间造成高压电弧高压电弧，以至于烧坏触点，以至于烧坏触点 或或 降低触点寿命。为了防止这种情况发生：降低触点寿命。为了防止这种情况发生：uu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直流的，可以

13、在触点间并联续流二极管 ； uu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，可以在触点间并联压敏电阻 ；uu负载电源是交流的，可以在触点间并联阻容电路负载电源是交流的，可以在触点间并联阻容电路 。（3）、常用的继电器保护电路(b)(b)、继电器线圈的保护继电器线圈的保护 当继电器线圈断电时当继电器线圈断电时, ,其储存的感应电能可能在直其储存的感应电能可能在直流电源上产生高达流电源上产生高达1500V1500V的浪涌电压的浪涌电压, ,随着固体器件使随着固体器件使用量的不断增加用量的不断增加, ,必须对继电器线圈进行抑制必须对继电器线圈进行抑制, ,将其电将其电 压压峰值限制在

14、一定的范围。峰值限制在一定的范围。 常见的线圈瞬态抑制方法有：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在线圈上并联一个电阻器或阻容电路, ,或并联一个二极或并联一个二极管。管。线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长，使线圈瞬态抑制电路会使继电器释放时间延长，使 触触点转换速度变慢。点转换速度变慢。 （4 4）、继电器隔离电路）、继电器隔离电路当当A A点为高电平时，晶体管点为高电平时，晶体管VTVT饱和饱和 导通，继电器导通，继电器K K吸合；当吸合；当A A点为低电点为低电 平时，平时，VTVT截止，继电器截止，继电器K K则释放，完则释放，完 成了信号的传送过程。成了信号

15、的传送过程。VDVD是保护二是保护二 极管。极管。当当VTVT由导通变为截止时，继由导通变为截止时，继 电器线圈两端产生很高的反电势，电器线圈两端产生很高的反电势， 以继续维持电流以继续维持电流I IL L。由于该反电势由于该反电势 一般很高，容易造成一般很高，容易造成VTVT击穿。加入击穿。加入 二极管二极管VDVD后，为反电势提供了放电后，为反电势提供了放电 回路，从而保护了三极管回路，从而保护了三极管VTVT。 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，从而波电器的线圈接收

16、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。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