开关量与模拟量

1、开关量与模拟量开关量与模拟量11.1 概述概述11.1.1 开关量开关量 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。图图 11.1 大电流干扰地电平示意图大电流干扰地电平示意图 消除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 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

2、、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，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. 模拟量的输入通道模拟量的输入通道123RV1 I1IinR1V2 I2R2V3 I3R3V1V2V3图图 11.2 模拟量的输入模拟量的输入/输出通道结构图输出通道结构图 信号变送器信号隔离器工作原理：首先将变送器或仪表的信号，通过半导体器件调制变换，然 后通过光感或磁感器件进行隔 离转换，然后再进行 解调变换回隔离前原信号 ，同时 对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地 之间绝对独 立。信号隔离器功能：一：保护下级的控制回路。二：消弱环境噪声对测试电路的影响。三：抑制公共接地、变频器、电磁阀及不明脉冲对设备的干扰；同时对下级设备具有限压、额流的功能是变送器、仪表

3、、变频器、电磁阀PLC/DCS 输入输出及通讯接口的忠实防护。KLG 系列导轨结构，易于安装，可有效的隔离：输入、输出和电源及大地之间的电位。能够克服变频器噪声及各种高低频脉动干扰。信号隔离器的主要类型有哪些？隔离器：工业生产中为增加仪表负载能力并保证连接同一信号的仪表之间互不干扰，提高电气安全性能。需要将输入的电压、电流或频率、电阻等信号进行采集、放大、运算、和 A/D D/A 进行抗干扰处理后，再输出 隔离的电流和电压信号，安全的送给二次仪表或plcdcs使用。配电器：工业现场一般需要采用 两线制传输方式 ，既要为变送器等一次仪表提供 24V 配电电源，同时又要对输入的电流信号进行采集、放大、运算、和进行抗干扰处理后，再输出隔离的电流和电压信号，供后面的二次仪表或其它仪表使用。安全栅：一些特殊的工业现场（如燃气公司和化工厂）不但需要两线制传输，既提供配电电源又有信号隔离功能，同时还需要具有安全火花防爆的性能，可靠地遏制电源功率、防止电源、信号及地之间的点火，限流、降压双重限制信号及电源回路，把进入危险场所的能量限制在安全定额范围内。信号隔离器位于二个系统通道之间，所以选择隔离器首先

4、要确定输入输出功能，同时要使隔离器输入输出模式（电压型、电流型、环路供电型等）适应前后端通道接口模式。此外尚有精度 功耗噪音绝缘强度总线通讯功能等许多重要参数涉及产品性能，例如噪音与精度有关、功耗热量与可靠性有关，这些需要使用者慎选。总之，适用、可靠、产品性价比是选择隔离器的主要原则。隔离器安装维护应注意哪些事项由于生产厂家不同，对隔离器的生产工艺、接线定义也不都相同，但使用场合基本相同，所以对产品的防护要求及维护基本相同。1 使用前应详细阅读说明书。2 作为信号隔离使用时，应将输入端串入环路电路中，输出端接取样回路。3 作为隔离配电使用时，应将输入端并入电源电路中，输出端接变送器。4 若不正常工作应先检查接线是否正确，注意电源有无及极性反正。设计隔离端子的原则设计要遵循两个原则。 第一：外部设备与中央处理系统（例如PLC、DCS）之间要进行电气隔离 。第二：外部设备信号 （无论是向中央处理系统发送信号的外部设备到还是接收信号的外部设备） 之间要实现相互电气隔离 。例如要把 PLC 输出的一路信号传给两个外部设备就要求输入 /输出保证隔离的同时二个输出之间也是隔离的。二线回路供电方式是

5、一种常见模拟接口 。与这个接口相适合的产品称为二线制回路隔离系列产品。这种隔离变送器内部的隔离器件均采用变压器方式，一方面传递了信号，另一方面也将供电端的电能传送到输入部份，使输入部分的各种电路能正常工作。该系列中有处理 Pt100、Cu50、热偶等温度传感器的 WS2050、WS2060 二线制温度隔离式变送器，也有处理电压、电流信号的WS2020、WS2022 等产品可供选择。市场上出现的国外同类型产品也不少，例如日本M-system 公司的B5VS、B5RS、B5TS 以及德国 weidmuller 公司的产品。几种常用二线制配电器常用的二线制隔离配电器有两个系列品种可以选择。两个系列产品的共同点是均能通过外部供电电源经隔离后给两线制变送器提供一个独立的隔离电源；区别有二点，以WS1525、WS2025 为例。WS1525 需要一个单独电源供电，这个电源与输入 /输出都隔离。而 WS2025 无须单独电源供电，它只有输入 /输出端，没有单独电源端。WS1525 输出的 420mA 面对接口是电阻负载。 WS2025 输出面对的是 24VDC和取样电阻（或称负载电阻）相串联的二线制

6、供电回路。选择哪种隔离器产品的型号为变送器配电取决于现场所配 PLC、DCS 模拟量输入端模式。如果隔离端子的外加工作电源与输入 /输出两个部分都隔离，那么不管隔离器数量的多少，都可只用一台电源供电。2. 模拟量的输出通道模拟量的输出通道 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(Digital to Analog)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 开关量接口开关量接口11.2.1 光电子器件光电子器件 1. 光电二极管光电二极管图 11.3 光电

7、二极管电路 (a) 符号；(b) 等效电路；(c) 特性曲线 2. 发光二极管发光二极管-20-4-6-8-10-50E200 1xE400 1xvp / Vip / A(c)(b)(a)akvpip-ak3. 光电耦合器件光电耦合器件11.2.2 开关量输入接口电路开关量输入接口电路 光电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。图图 11.8 光电隔离输入接口电路光电隔离输入接口电路akce5 VS15 V*5 VS25 V*D1D05 VSn5 V*D7-5 V* 11.2.3 开关量输出接口电路开关量输出接口电路图图 11.11 开关量输出接口的逻辑结构开关量输出接口的逻辑结构 1. 缓冲寄存器缓冲寄存器 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

8、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(16 位)和四套相应电路(每套 16 路)。2. 驱动放大电路驱动放大电路 因为有些输出电路要求比较大的电流(例如，继电器需 20 mA 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 20 mA，电压为+5 V，输入高压约为 2430 V，电 流为 0.51 A。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 20 mA，宽度 20 s，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(

9、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。RESETIOR图图 11.12 几种常用输出部件的电路结构图几种常用输出部件的电路结构图 11.13光电隔离输出接口电路实例光电隔离输出接口电路实例 图中输出控制用一块 8 位锁存器进行缓冲，然后再经一块反相器与发光二极管的一端 相接。该反相器可以用 OC 门，也可以用吸收电流较大的 TTL 门(如 71LS240)。当继电器 的工作电流不太大时，光敏三极管的集电极可以串接一个继电器线圈，以直接驱动继电器 工作。当所接的继电器的工作电流较大时，需要加一级驱动放大电路(可以用一级前置继电 器，也可以用一级晶体管放大电路)。与继电器线圈并联的二极管起阻尼作用，它在继电器 断电时，为在线圈中的工作电流提供一个低电阻通路，以保护光敏三极管不致于被继电器 线圈电感产生的高的反向电压击穿。 ) 脉冲变压器输出 如图 11.12(c)所示，脉冲变压器多用于高频脉冲调制型输出。脉冲宽度可为 25 s。 脉冲变压器在光电开关不适合的快速、负载轻的情况下使用。 4) 固态继电器 固态继电器是光电开关隔离的扩展应用，在工业上用途广泛，是性能较为理想的开关 量输出元件，其结

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