1
2.0 引言
2.1 DA转换技术
2.2 后向通道 D/A转换器接口
2.2.1 D/A转换器工作原理
2.2.2 D/A转换器的性能指标
2.2.3 典型芯片 -DAC0832
2.2.4 12位芯片 DAC1210
2.3 输出方式
2.3.1 电压输出方式
2.3.2 电流输出方式
2.4 D/A转换模板 (自学 )
3.4.1 D/A转换模板的通用性
3.4.2 D/A转换模板的设计举例第二章 (2) 计算机控制系统的模拟量输出通道 (后向通道 )及功率接口技术
2
2.5 后向通道的功率接口
2.5.1 MCS-51的输出驱动能力及其外围集成数字驱动电路
2.5.2 外围集成数字驱动电路
2.5.3 MCS-51的开关型功率接口三极管驱动电路
MCS-51与光电耦合器 -光耦的接口继电器驱动电路
MCS-51与晶闸管的接口固态继电器驱动电路
3
2.0 引言
1.模拟量输出通道的 任务 -----把计算机处理后的 数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,去驱动相应的执行器,从而达到控制的目的 ;
2.模拟量输出通道 (称为 D/A通道或 AO通道 )构成 -----
一般是由 接口电路,数 /模转换器 (简称 D/A或 DAC)和电压
/电流变换器 等 ;
3.模拟量输出通道基本构成 --多 D/A结构 (图 2-1(a))和共享 D/A结构 (图中 2-1(b))
4
图 2-1 (a)多 D/A结构接口电路通道 1
通道 nD/A
D/A V/I
V/I
PC
总线特点,1.一路输出通道使用一个 D/A转换器
2.D/A转换器芯片内部一般都带有 数据锁存器
3.D/A转换器具有数字信号转换模拟信号,信号保持作用
4.结构简单,转换速度快,工作可靠,精度较高,通道独立
5.缺点是所需 D/A转换器芯片较多
5
接口电路通道 1
通道 n
D/A
V/I
V/I
多路开关采样保持器采样保持器
(b)共享 D/A结构
PC
总线图 2-1
特点,1.多路输出通道共用一个 D/A转换器
2.每一路通道都配有一个 采样保持放大器
3.D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用
4.采样保持器实现 模拟信号保持功能
5.节省 D/A转换器,但电路复杂,精度差,可靠低,占用主机时间
6
一,如何正确 选择 DA器件?
二,如何 应用 DA器件?
2.1 DA转换技术注意事项
1.速度和精度
2.数字接口
3.输出类型
4.基准电压
5.功耗
6.封装
7.满幅度输出
8.价格
7
1.,转换速度,这一指标仅适用于 A/D转换器,D/A
转换器可以忽略不计转换时间,速度 应根据输出信号的最高频率确定,保证 转换器的转换时间要高于系统要求的输出频率,
8
2.,量化误差,和,精度,是同一个概念的两种说法,它们之间没有区别,其次,,分辨率,和,量化误差,的概念虽然有联系,但并不相同,
,分辨率,是指转换器对输人的模拟量或输出的数字量之分辨能力,是对转换量变化敏感程度的描述,转换器的分辨率通常用 位数来表示,如 8位,10位,12位 等,对于 n位转换器,其实际分辨率为模拟量满量程的 1/2N.
“精度,是由转换器转换分辨率所造成的误差,或者说是 真实值与转换值之间的误差,
“精度,与系统中所测量控制的信号范围有关,但估算时要考虑到其他因素,转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位,
9
3.输出类型,数字接口方式 接口有 并行 /串行 之分,串行又有 SPI,I2C等多种不同标准,
不带输入数据锁存器 的 D/A转换器,CPU必须通过 锁存器与 D/A转换器传送数据,
复习,无三态输出功能的 A/D转换器,应当通过 三态缓冲器 与 CPU传送数据,
NOTE:DA器件输出的模拟信号有 电压和电流 两种,
10
4.基准电压,有 内 /外基准 和 单 /双基准 之分,
D/A转换中,参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量,目前大多数 参考电压源 均由 带温度补偿的齐纳二极管构成,近年来又出现了一种新颖的精密参考电压源 ——能隙恒压源,
5.功耗,一般 CMOS工艺的芯片功耗较低,对于 电池供电的手持系统 对功耗要求比较高的场合一定要注意 功耗指标,
11
6.封装 (FOOTPRINT)：常见的封装是 DIP,现在 表面安装 工艺的发展使得表贴型 SOP封装 的应用越来越多,
7.满幅度输出 (Rail-to Rail) 新近业界出现的新概念,
最先应用于运算放大器领域,指 输出电压的幅度可达输入电压范围,在 DA中一般是指 输出信号范围可达到电源电压范围,
12
2.2 后向通道 D/A转换器接口
(1)D/A转换器的工作原理
(2)D/A转换器的性能指标
(3)典型芯片 DAC0832及其应用
13
2.2.1 D/A转换器工作原理 (了解 )
+
A
-
数字量输入
TUOV
基准电压关开换切位
R R
2R 2R 2R 2R 2R
FERV
bfR
1SB2SB3SB 0
SB
1D
R-- 2R 电阻网络图 3-2 D/A 转换器原理框图
R
2D3D 0D
运算放大器
3
I
1
I
0
I
2
I
1 0 1 0 1 0 1 0
I O U T
I R f b
现以 4位 D/A转换器为例说明其工作原理,如图所示,
14
假设 D3 D2 D1 D0为 1111,则开关 BS3.BS2.BS1.BS0全部与,1”端相连,根据电路基础理论,有：
R2
V2
2
II
4R E F
232
R2
V2
2
II
4
R E F121
R2
V2
R2
VI
4
R E F3R E F3
由于开关 BS3～ BS0的状态是受要转换的二进制数 D3 D2 D1 D0
控制的,并不一定全是,1”.因此,可以得到 通式,
00112233OUT IDIDIDIDI
R2
V)2D2D2D2D(I
4
R E F00112233OUT
15
考虑到 放大器反相端为虚地,故：
O U TR fb II
选取 Rfb =R,可以得到：
4
R E F0
0
1
1
2
2
3
3fRFOUT 2
V)2D2D2D2D(RIV
对于 n位 D/A转换器,它的输出电压 VOUT与输入二进制数
B(Dn-1～ D0)的关系式可写成：
n
R E F0
0
1
1
2n
2n
1n
1nOUT 2
V)2D2D2D2D(V
n
VB
2
R E F
结论,由上述推导可见,输出电压除了与 输入的二进制数 有关,还与 运算放大器的反馈电阻 Rfb以及 基准电压 VREF有关,
16
2.2.2 D/A转换器的 性能指标
D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数,也是选用 D/A芯片型号的依据,主要性能指标有：
(1)分辨率
(2)转换精度
(3)偏移量误差
(4)稳定时间
17
(1)分辨率 Resolution:
D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量,即当输入 数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量,它取决于能转换的二进制位数,数字量位数越多,分辨率也就越高,其分辨率与二进制位数 n呈下列关系：分辨率 =满刻度值 /(2n-1)=VREF/2n
有时就用位数来表示分辨率
(2)偏移量误差 --是指 输入数字量时,输出模拟量对于零的偏移值,
此误差可通过 D/A转换器的外接 VREF和电位器加以调整,
18
(3)转换精度 --是指 转换后所得的实际值和理论值的接近程度,
它和分辨率是两个不同的概念,
例如,满量程时的理论输出值为 10V,实际输出值是在
9.99V～ 10.01V之间,其 转换精度为 ± 10mV.对于分辨率很高的
D/A转换器并不一定具有很高的精度,
19
(4)转换时间 --是描述 D/A转换速度快慢 的一个参数,指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差 1/2LSB
时所需的时间,显然,稳定时间越大,转换速度越低,对于 输出是电流 的 D/A转换器来说,稳定时间是很快的,约几微秒,而 输出是电压 的 D/A转换器,其稳定时间主要取决于 运算放大器的响应时间,
(5)量程 /输出范围,一般为 0-5V
20
① 一个 8位 D/A转换器
② 电流输出 方式
③ 稳定时间为 1μs
④ 采用 DIP-20封装
⑤ 同系列芯片还有 DAC0830,DAC0831
2.2.3 典型芯片 -DAC0832(掌握 )
8-Bit μP Compatible,Double-Buffered D to A Converters 9元
1,性能 学生看书 datasheet
21
2.管脚
22
CS*,Chip Select (active low),The CS in combination with ILE
will enable WR1,片选信号,输入线,低电平有效,
WR1*,Write 1 (active low),The active low WR1 is used to load
the digital input data bits (DI) into the input latch,The data in the
input latch is latched when WR1 is high,To update the input
latch,CS and WR1 must be low while ILE is high,写信号 1,输入线,低电平有效,
WR2*,Write 2 (active low),This signal,in combination with
XFER,causes the 8-bit data which is available in the input latch
to transfer to the DAC register,写信号 2,输入线,低电平有效,
23
ILE,Input Latch Enable (active high),The ILE in combination
with CS enables WR1,输入允许锁存信号,输入线,高电平有效,
当 ILE和 CS*同时有效时,8位输入寄存器端为高电平,1”,此时寄存器的输出端 Q跟随输入端 D的电平变化；反之,当端为低电平,0”时,原 D端输入数据被锁存于 Q端,在此期间 D端电平的变化不影响 Q端,
XFER*,Transfer control signal (active low),The XFER will
enable WR2,传送控制信号,输入线,低电平有效,
24
DI0-DI7,Digital Inputs,DI7 is the most significant bit (MSB),DI0 is the
least significant bit (LSB) 数据输入线,其中 DI7为最高有效位 MSB,DI0为最低有效位 LSB,
Iout1,DAC Current Output 1,Iout1 is a maximum for a digital code of all
1’s in the DAC register,and is zero for all 0’s in DAC register.
DAC电流输出端 1,一般作为运算放大器 差动输入信号之一,
Iout2,DAC Current Output 2,IOUT2 is a constant minus(减 ) Iout1,or
Iout1+ Iout2 = constant (I full scale for a fixed reference voltage).
DAC电流输出端 2,一般作为运算放大器另一个差动输入信号,
25
Rfb,Feedback Resistor,The feedback resistor is provided on the IC chip
for use as the shunt(逃避 ) feedback resistor for the external op-amp which
is used to provide an output voltage for the DAC,This onchip resistor
should always be used (not an external resistor) since it matches the
resistors which are used in the on-chip R-2R ladder and tracks these
resistors over temperature,固化在芯片内的反馈电阻连接端,用于连接运算放大器的输出端,
VREF,Reference Voltage Input,This input connects an external precision
voltage source to the internal R-2R ladder,VREF can be selected over the
range of +10 to?10V,基准电压源端,输入线,?10VDC～?10VDC.
Vcc,Digital Supply Voltage,This is the power supply pin for the part,Vcc
can be from +5 to +15VDC,Operation is optimum for +15VDC,工作电压源端,输入线,?5VDC～?15VDC.
26
27
3,工作原理
28
DAC0832的原理框图及引脚如上图所示,DAC0832主要由 8位输入寄存器,8位 DAC寄存器,8位 D/A转换器以及输入控制电路四部分 组成,
(1)8位输入寄存器 用于存放主机送来的数字量,使输入数字量得到 缓冲和锁存,由加以控制；
(2)8位 DAC寄存器用 于 存放待转换的数字量,并加以控制；
(3)8位 D/A转换器 输出与数字量成正比的模拟电流 ；
(4)由 与门 /非与门 组成的输入控制电路来 控制 2个寄存器的选通或锁存状态,
29
当 WR2*和 XFER*同时有效 时,第 2级 8位 DAC寄存器的控制端
LE*为高电平,1”,此时 DAC寄存器的 输出端 Q跟随输入端 D,也就是第 1级输入寄存器 Q端的电平变化；
反之,当控制端 LE*为低电平,0”时,第 1级 8位输入寄存器 Q端的状态则锁存到第 2级 8位 DAC寄存器中,以便第 3级 8位 DAC转换器进行 D/A转换,
一般情况下为了简化接口电路,可以把 WR2*和 XFER*直接接地,使第 2级 8位 DAC寄存器 的 输入端到输出端直通,只有 第 1级 8位输入寄存器置成 可选通 /可锁存的单缓冲输入方式,
特殊情况下可采用 双缓冲输入方式,即把 两个 寄存器都分别接成 受控方式,
30
DI0-DI7：转换数据输入
CS*：片选信号
ILE,WR1*：控制 第 1级输入寄存器
ILE=1,WR1*=0时：直通
ILE=1,WR1*=1时：锁存因此,DAC0832可以有 三种工作形式：
直通 /单级锁存 /两级锁存,
XFER*,WR2*：控制 第 2级 DAC寄存器
XFER*=0,WR2*=0时：直通
XFER*=1 or WR2*=1时：锁存
31
4.接口方式
(1)单缓冲方式 的接口 (1)
一个处于 直通方式,另一个处于 受控的锁存方式译码器输出
32
单缓冲方式的接口 (2)
——两个输入寄存器 同时受控 的方式
33
单缓冲方式的应用 ——产生 锯齿波假定采用接口 (1)方式,即第 1级 输入寄存器受控,而第 2级 DAC寄存器直通,输入寄存器地址为 E000H,产生上升锯齿波,
源程序清单如下：
ORG 0200H
MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址
MOV A,#00H ;转换初值
WW,MOVX @DPTR,A ;WR1有效,启动 D/A转换
INC A
NOP ;延时
NOP
AJMP WW
34
1/28
2/28
3/28
254/28
255/28
0
产生的锯齿波的过程
35
D/A转换产生的 下降锯齿波用同样的方法也可以产生三角波、矩形波、梯形波,
INC改为 DEC A的初值改为
FF 下降波
ORG 0200
MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址
MOV A,#0FFH ;转换初值
WW,MOVX @DPTR,A ;WR1有效,启动 D/A转换
A
NOP ;延时
NOP
AJMP WW
DEC
36;生成 三角波 的程序
DAC0832 EQU 0F200H
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0100H
START,MOV SP,#60H
MOV DPTR,#DAC0832
MOV R0,#00H
LOOP1,MOV A,R0
MOVX @DPTR,A
INC R0
ACALL DELAY
CJNE R0,#0FFh,LOOP1
LOOP2,DEC R0
MOV A,R0
MOVX @DPTR,A
ACALL DELAY
CJNE R0,#00H,LOOP2
AJMP LOOP1
DELAY,MOV R7,#10
DJNZ R7,$
RET
37
(2)双缓冲 方式的接口和应用
——两个锁存器 都接成受控锁存 方式,
对一个数字量的转换,需两步完成,程序如下：
MOV DPTR,#00E0H
MOVX @DPTR,A
MOV DPTR,#00C0H
MOVX @DPTR,A
DAC寄存器地址,00C0H
1100 0000 Y6* XFER*
锁存器译码器
W R
A L E
E A
8 0 3 1
P 0,7 ~ P 0,0
D I 7 - D I 0
I L E
C S
W R 2
W R 1
+ 5 V
D A C 0 8 3 2
X F E R
A7
A6
A5
74LS138
C
B
A
Y7
Y6
输入寄存器地址,00E0H
1110 0000 Y7* CS*
38
2.2.4 12位 DAC1210芯片 (了解 )
1,DAC1210性能
12位 D/A转换器,电流输出方式,其结构原理与控制信号功能基本类似于 DAC0832.由于它比 DAC0832多了 4条数据输入线,故有 24条引脚,DAC1210内部原理框图如图 2-4所示,其同系列芯片 DAC1208
DAC1209可以相互代换,
2,DAC1210工作原理 内部有 三个寄存器,
一个 8位输入寄存器,用于存放 12位数字量中的 高 8位 DI11～ DI4；
一个 4位输入寄存器,用于存放 12位数字量中的 低 4位 DI3～ DI0；
一个 12位 DAC寄存器,存放上述两个输入寄存器送来的 12位数字量；
12位 D/A转换器用 于完成 12位数字量的转换,
由与门 /非与门组成的输入控制电路来控制 3个寄存器的选通或锁存状态,其中引脚 (片选信号 CS*.低电平有效 ).(写信号 WR*.低电平有效 )和 BYTE1/ BYTE2*(字节控制信号 )的组合,用来控制 8位输入寄存器和 4位输入寄存器,
39
QD
D Q
QD
D Q
D
D
Q
Q
D
D
Q
Q
器存寄入输位8
器存寄入输位4
12 位
DAC
寄存器
12 位
D /A
转换器
LE3
LE当 =1 时,Q = D ;
LE当
=0 时，锁存数据
LE2
LE1
(M SB )
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
11
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
(LSB)
BY T E /
BY T E
CS
WR
X F E R
WR 2
1
2
1
FERV
D G N D
2TUOI
1TUOI
bfR
DNGA
ccV
图 3 -4 D A C 12 1 0 原理框图及引脚图 2-4 DAC1210原理框图及引脚
40
当 CS*.WR1*为低电平,0”,
当 BYTE1/BYTE2*为高电平,1”时,与门的输出 LE1*,LE2*为,1”,
选通 8位和 4位两个输入寄存器,将要转换的 12位数据全部送入寄存器；
当 BYTE1/BYTE2*为低电平,0”时,LE1*为,0”,8位输入寄存器锁存刚传送的 8位数据,而 LE2*仍为,1”,4位输入寄存器仍为选通,新的低 4位数据将刷新刚传送的 4位数据,
因此,在与计算机接口电路中,计算机必须先送高 8位后送低 4位,
XFER*和 WR2*用来控制 12位 DAC寄存器,
当 XFER*和 WR2*同为低电平,0”时,与门输出 LE3*为,1”,12位数据全部送入 DAC寄存器,
当 XFER*和 WR2*有一个为高电平,1”时,与门输出 LE3*即为,0”,
则 12位 DAC寄存器锁存住数据使 12位 D/A转换器开始数摸转换,
41
QD
D Q
QD
D Q
D
D
Q
Q
D
D
Q
Q
器存寄入输位8
PC
总线器存寄入输位4
12 位
DAC
寄 存 器
12 位
D/ A
转换器
LE3LE2
LE1
( MSB)
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
11
10
4
5
6
7
8
9
1
FERV
DG N D
2TUOI
1TUOI
bfR
DNGA
ccV
图 3- 6 D AC 12 10 接口电路
CS
WR
WR 2
XFE R
DI
DI
DI
DI
1
2
3
0
( LSB )
+
-
- 5V
12V
TUOV
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
2A
3A
4A
5A
6A
7A
8A
9A
0A
A1
I OW
——
138
BY T E /1 BY T E 2
Y 0
G1
G B
G A
C
B
A
Y 3
Y 2
Y 1
Y 5
Y 6
Y 7
Y 4 DA C 12 10
AE N
图 2-6 DAC1210接口电路
42
图 2-6是 12位 D/A转换器 DAC1210与 PC总线的一种接口电路,它是由 DAC1210转换芯片，运算放大器以及地址译码电路组成,与 8位
DAC0832接口电路不同的是,除了数据总线 D7～ D0与 DAC1210高 8位
DI11～ DI4直接相连,D3～ D0还要与 DAC1210低 4位 DI3～ DI0复用,
因而 控制电路也略为复杂,
图中,CS*.WR1*和 BYTE1/BYTE2*组合,用来依次控制 8位输入寄存器 (LE1*)和 4位输入寄存器 (LE2*)的选通与锁存,XFER*和 WR2*
用来控制 DAC寄存器 (LE3*)的选通与锁存,LOW与 WR1*.WR2*连接,
用来在执行输出指令时获得低电平有效,译码器的两条输出线 Y0、
Y2分别连到 CS和 XFER,一条地址线 A0连到 BYTE1/BYTE2*,从而形成三个口地址：低 4位输入寄存器为 380H,高 8位输入寄存器为 381H,
12位 DAC寄存器为 384H,
43
在软件设计中,为了实现 8位数据线 D0～ D7传送 12位被转换数,主机须 分两次传送被转换数,
首先将 被转换数的高 8位传给 8位输入寄存器 DI11～ DI4,
再将 低 4位传给 4位输入寄存器 DI3～ DI0,
然后再打开 DAC寄存器,把 12位数据送到 12位 D/A转换器去转换,当输出指令执行完后,DAC寄存器又自动处于锁存状态以保持数模转换的输出不变,设 12位被转换数的 高 8位存放在 DATA单元中,低 4位存放在 DATA+1单元中,
44
2.3 输出方式多数 D/A转换芯片输出的是 弱电流信号,要 驱动后面的自动化装置,需在电流输出端 外接运算放大器,根据不同控制系统自动化装置需求的不同,输出方式可以分为 电压输出，电流输出 以及自动 /手动切换输出 等多种方式,
45
2.3.1 电压输出 方式由于系统要求不同,电压输出方式又可分为 单极性输出和双极性输出 两种形式,下面 以 8位的 DAC0832芯片为例 作一说明,
46
1,DAC单极性 输出图 3-8 DAC 单极性输出方式
DAC083 2
Rfb
1TUOI
2TUOI
A
V
FERV
TUO
FERV
DI 7
DI 6
DI 5
DI 4
DI 3
DI 2
DI 1
DI 0
D 7
D 6
D 5
D 4
D 3
D 2
D 1
D 0
25 6
VBV R E F
O U T
00116677 2D2D2D2DB
式中：
VREF/256是常数显然,VOUT和 B 成正比关系,输入数字量
B 为 00H 时,VOUT也为 0 ；输入数字量 B
为 FFH即 255时,VOUT 为与 VREF 极性相反的最大值,
Pdf P11－ 12
DAC单极性输出方式如图 3-8 所示,由式
(3-1)可得输出电压 VOUT的单极性输出表达式为：
47
Pdf P3
Rfb＝ 15k
48
2,DAC双极性 输出方式
DAC双极性输出方式如图 3-9所示,
图 3 -9 DA C 双极性输出方式
DAC0 83 2
Rfb
I 1TUO
2TUOI
2R
V
R
2R
A 2
A
1I 2I
3I
FERV
FERV
TUO
DI 7
DI 6
DI 5
DI 4
DI 3
DI 2
DI 1
DI 0
D 7
D 6
D 5
D 4
D 3
D 2
D 1
D 0 V 1TUO
A 1
49
A1和 A2为运算放大器,A点为虚地,故可得：
解上述方程可得 双极性输出 表达式：
0III 321 256R E F1OUT VBV
R2
VI R E F
1? R2
VI 2OUT
2? RVI O U T 13?
(2-3)
图中 运放 A2的作用是将运放 A1的单向输出变为双向输出,
当输入数字量 小于 80H时,输出模拟电压为 负 ；当输入数字量大于 80H时,输出模拟电压为 正,其它 n位 D/A转换器的输出电路与 DAC0832相同,计算表达式中只要把 28-1改为 2n-1即可,
18
R E F18O U T 2
2
V)2B(V
1
2
BVV
1-8R E FO U T 2或
50
3.3.2 电流输出 方式 (了解 )
因为 电流信号易于远距离传送,且不易受干扰,特别是在过程控制系统中,自动化仪表只接收电流信号,所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息,这就需要将电压信号再转换成电流信号,完成电流输出方式的电路称为 V/I变换电路,电流输出方式一般有两种形式：
1,普通运放 V/I变换电路
2,集成转换器 V/I变换电路
51
2.4 D/A转换模板 (了解 )
2.4.1 D/A转换模板的 通用性为了便于系统设计者的使用,D/A转换模板应具有通用性,它主要体现在三个方面：
1.符合总线标准
2.接口地址可选
3.输出方式可选
52
1．符合总线标准这里的 总线是指计算机内部的总线结构,D/A转换模板及其它所有电路模板都应符合统一的总线标准,以便设计者在组合计算机控制系统硬件时,只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线,十分方便灵活,例如,STD总线标准规定模板尺寸为 165× 114mm,模板总线引脚共有 56根,
并详细规定了每只引脚的功能,
53
2．接口地址可选一套控制系统往往需配置多块功能模板,或者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中,因此,每块模板应具有 接口地址的可选性,
一般接口地址可由 基址 (或称板址 )和片址 (或称口址 )组成,图 2-14给出一种接口地址可选的译码电路,
54
A 7
A
A
A
A
6
5
4
3
17
15
13
11
8
6
4
2
P 7
P 0
Q
Q
7
0
P Q=
G
IO W
1
18
16
14
12
9
7
5
3
74 LS
688
S
S
S
S
S
7
6
5
4
3
+ 5 V
+ 5 V
A 0
1
2
A
A
1
2
3
6
5
4
A
B
C
G 1
G B
G A
Y 0
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
1
2
3
4
5
6
7
74 LS
138
W C 0
W
W
W
W
W
W
W
C
C
C
C
C
C
C
1
2
3
4
5
6
7
+ 5V
8 位量值比较器置位开关译码器片址基址片选信号图 3-14 接口 地址可选的译码电路图 2-14 接口地址可选的译码电路
55
3．输出方式可选为了适应不同控制系统对执行器的不同需求,D/A转换模板往往把 各种电压输出和电流输出方式组合 在一起,
然后通过 短接柱 来选定某一种输出方式,
一个实际的 D/A转换模板,供用户选择的输出范围 常常是,0～ 5V/0～ 10V/± 5V/0～ 10mA/4～ 20mA等,
56
2.4.2 D/A转换模板的 设计举例
1.D/A转换模板的设计原则
2.D/A转换模板的设计步骤
3.8路 8位 D/A转换模板实例
57
1.D/A转换模板的设计原则
D/A转换模板设计主要考虑以下几点：
(1)安全可靠,尽量选用 性能好的元器件,并采用 光电隔离技术,
(2)性能 /价格比高,既要在性能上达到预定的技术指标,又要在技术路线 /芯片元件上降低成本,
(3)通用性,D/A转换模板应符合总线标准,其接口地址及输出方式应具备可选性,
58
2.D/A转换模板的设计步骤
确定性能指标
设计电路原理图 SCH
设计和制造印制线路板 PCB
最后焊接和调试电路板
59
3.8路 8位 D/A转换模板实例
74 LS
24 4
DA C0 83 2
74 LS
13 8
74 LS
68 8
DA C0 83 2
DA C0 83 2
数模转换 电压输出 电流输出数据缓冲总线接口逻辑
I/O 功能逻辑 I/O 电气接口
A2
A0
A7
A3
D7
D0
IO W
基址译码片址译码运放运放运放 V/I
V/I
V/I
CS
CS
I 1
I 2
I 8
V 2
V 1
V 8
图 2-15 8路 D/A转换模板的结构框 图
1G 2G
PC
总线
CS
60
图 2-15给出了 8路 8位 D/A转换模板的结构组成框图,它是按照 总线接口逻辑,I/O功能逻辑和 I/O电气接口 等三部分布局电子元器件的,
(1)总线接口逻辑部分 主要由 数据缓冲与地址译码电路 组成,完成 8
路通道的分别选通与数据传送；
(2)I/O功能逻辑部分 由 8片 DAC0832组成,完成数模转换 ;
(3)I/O电气接口部分 由 运放与 V/I变换电路 组成,实现电压或电流信号的输出 ;
61
要用单片机控制各种各样的 高压,大电流负载,如电动机
/电磁铁 /继电器 /灯泡等,不能用单片机的 I/O线来直接驱动,
而必须通过 各种驱动电路和开关电路来驱动,另外,与 强电隔离和抗干扰,有时需加接 光电耦合器,称此类接口为 MCS51
的 功率接口,
工业生产现场,控制对象是 电磁继电器,电磁开关,可控硅,固态继电器和功率电子开关,
2.5 后向通道的 功率接口 (重要 )
62
P0.P1.P2.P3四个口都可做输出口,但其驱动能力不同,
P0口的驱动能力较大 (8个 LSTTL),
当其输出 高电平 时,可 提供 800?A的电流 ；
当其输出 低电平 时,则可提供 3.2mA的灌电流,如低电平允许提高,灌电流可相应加大,
P1.P2.P3口 的每一位只能驱动 4个 LSTTL,即可提供的 电流只有 P0口的一半 (400?A).
所以,任何一个口要想获得 较大的驱动能力,只能用低电平输出,8031通常要用 P0/P2口作访问外部存储器用,所以只能用 P1/P3口作输出口,P1/P3口的驱动能力有限,在 低电平输出 时,一般也只能提供 不到 2mA的灌电流,通常要加 总线驱动器或其它驱动电路 (7406/7407).
2.5.1 MCS-51的 输出驱动能力 及其 外围集成数字驱动电路
63
5/180=27mA
64
2.5.2 外围集成数字驱动电路常用的 外围集成数字驱动电路 的参数,只要加接合适的 限流电阻和偏置电阻,即可直接由 TTL/CMOS
电路来驱动,
驱动 感性负载 时,必须加接 限流电阻或箝位二极管,此外,有些驱动器内部还设有逻辑门电路,可以完成 与 /与非 /或 /或非 的逻辑功能,
65
例 2.1 驱动 大电流负载电路如下图所示,ULN2068芯片具有 四个大电流达林顿 开关,能 驱动电流高达 1.5A的负载,由于
ULN2068在 25℃ 时功耗达 2075mW,因而 使用时一定要加散热板,
66
例 2.2,慢开启 的白炽灯驱动电路图 4-1为慢开启白炽灯驱动电路,白炽灯的延时 开启时间长短 取决于 时间常数 RC.此电路能直接驱动 工作电压小于 30V,额定电流小于 500mA的任何灯泡,注意：在设计印刷电路板时,驱动器要加装散热板,以便散热,(SN75401)
67
68
例 2-3：大功率 音频振荡器图 4-2电路能直接驱动一个 大功率的扬声器,可用于报警系统,改变电阻或电容 的值便能改变电路的振荡频率,电路中的两个 齐纳二极管 IN751A用于输入端的保护,
69
2.5.3 MCS-51的 开关型功率接口常用的 开关型驱动器件 有,光电耦合器,
继电器,晶闸管,功率 MOS管,集成功率电子开关,固态继电器 等,
70
对于低压情况下的小电流开关量,用 功率三极管就可作开关驱动组件,其 输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积,
1,三极管驱动电路当驱动电流只有十几 mA或几十 mA时,只要采用一个普通的 功率三极管 就能构成驱动电路,
如图 4-6所示,
6047
K3.3
管极三
DEL
V5+
033
图 4-6 小功率三极管输出电路
D i
71
2.达林顿 驱动电路 (Darlington Transistor Arrays )
当 驱动电流需要达到几百毫安 时,如驱动 中功率继电器,
电磁开关等装置,输出电路必须采取 多级放大或提高三极管增益 的办法,
达林顿阵列驱动器是由 多对两个三极管组成的达林顿复合管 构成,它具有 高输入阻抗 /高增益 /输出功率大 及保护措施完善的特点,同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷,
72
图 2-7给出 达林顿阵列驱动器 MC1416 datasheet 的结构图与每对复合管的内部结构,MC1416内含 7对 达林顿复合管,每个复合管的 集电极电流可达 500mA,截止时能承受 100V电压,其 输入输出端均有箝位二极管,输出箝位二极管 D2抑制高电位上发生的正向过冲,D1/D3可抑制低电平上的负向过冲,
73
1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C CO M
16 15 14 13 12 11 10 9
GN D7B6B5B4B3B2B1B
1 2 3 4 5 6 7 8
10,5k Ω
B
R 0
7.2 kΩ
R 1
D 1
R 2
T 1
T 2
D 3
C
E
D 2 CO M
3k Ω
(a )M C1 471 6 结构图 （ b ）复合管内部结构图 4-7 MC 1416 达林顿阵列驱动器
74
图 4 -8 达林顿阵列驱动电 路
7 40 6
达林顿复合管负荷线圈
+ 24 V
D i 1B
1C
G ND
图 4-8为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路,当 CPU数据线 Di 输出数字,0”,即低电平时,经 7406反相驱动 器变为高电平,使 达林顿复合管导通,产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈,而且 利用复合管内的保护二极管,构成了负荷线圈断电时,产生的反向电动势的泄流回路,
75
3.光电耦合器 -光耦 (Opto-isolator)
高速光耦 6N137
PT261
76
(1)类型,光电耦合隔离器按其 输出级 不同可分为三极管型，单向晶闸管型，双向晶闸管型 等几种,
如图 2-16所示,它们的原理是相同的,即都是通过电 -光 -电 这种信号转换,利用 光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的,
图 2-16 光电耦合隔离器的几种类型
77
(2)原理,现以最简单的 三极管型光电耦合隔离 器为例来说明它的结构原理,如图 2-17所示,
端入输端出输
V5+ V5+
+
图 2-17 光电耦合隔离器的结构原理
78
典型的光电耦合隔离电路有 数字量同相传递 与 数字量反相传递 两种,如图 4-3所示,
数字量同相传递 如图 4-3(a)所示,光耦的 输入正端接正电源,
输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上,光耦的 集电极 c端通过电阻接另一个正电源,发射极 e端直接接地,光耦输出端即从集电极 c端引出,
当数据线为低电平,0”时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,输出 c端接地而获得低电平,0”；当 数据线为高电平,1”时,
发光管截止不发光,则光敏管也截止使输出 c端从电源处获得高电平,1”.如此,完成了 数字信号的同相传递,
数字量反相传递 如图 4-3(b)所示,与 (a)不同的是光耦的集电极 c端直接接另一个正电源,而发射极 e端通过电阻接地,则光耦输出端从发射极 e端引出,从而完成了数字信号的 反相传递,
79
路电离隔合耦电光3-4图递传相同量字数 递传相反量字数
+ 5V + 5V + 5V+ 5V
c
c
e
e
+
+
-
-
D 7 ~D 0
74 LS 273
数据缓冲器选通脉冲
b(a(
D 7 ~D 0
74 LS 273
数据缓冲器选通脉冲
80
(3)晶体管输出型 光电耦合器驱动接口光电晶体管除没有使用基极 外,跟普通晶体管一样,取代基极电流 的是以 光作为晶体管的输入,当光电耦合器的发光二极管发光时,光电晶体管受光的影响在
cb间和 ce间有电流流过,这两个电流基本上受光的照度控制,常用 ce极间的电流作为输出电流,输出电流受 Vce
的电压影响很小,
光电晶体管的 集电极电流 Ic与 发光二极管的电流 IF之比 称为光电耦合器的 电流传输比,
光电耦合器在传输 脉冲信号 时,对不同结构的光电耦合器的 输入输出延迟时间相差很大,
81
4N25使两部分的电流信号独立,输出部分的地线接机壳或接大地,而 8031系统的电源 地线浮空,不与交流电源的地线相接,可避免 输出部分电源变化对单片机电源的影响,减少系统所受的干扰,提高系统的可靠性,4N25输入输出端的 最大隔离电压＞ 7500V.
82
光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性,即存在着 截止区,饱和区与线性区三部分,
利用光耦隔离器的开关特性 (即光敏三极管工作在截止区 /饱和区 ),可传送 数字信号 而隔离电磁干扰,简称 对数字信号进行隔离,
在数字量输入输出通道中,以及在模拟量输入输出通道中的 A/D转换器与 CPU或 CPU与 D/A转换器 之间的数字信号的耦合传送,都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离,
在现场传感器与 A/D转换器或 D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送,可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离,
83
光耦的这两种隔离方法各有 优缺点,
模拟信号 隔离方法的 优点 是使用少量的光耦,成本低； 缺点 是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影响 A/D或 D/A转换的精度和线性度,
数字信号 隔离方法的 优点 是调试简单,不影响系统的精度和线性度； 缺点 是使用较多的光耦器件,成本较高,但因光耦越来越价廉,
数字信号隔离方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多,
要注意的是,用于 驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源 不应是共地的同一个电源,必须分开单独供电,才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外,发光二极管的动态电阻很小,也可以抑制系统内外的噪声干扰,因此,利用光耦隔离器可用来 传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰,
为了适应计算机控制系统的需求,目前已生产出 各种集成的多路光耦隔离器,如 TLP系列 就是常用的一种,
84
(4)光电耦合器也常用于 较远距离的信号隔离传送,
可以起到 隔离两个系统地线 的作用,使两个系统的 电源相互独立,消除 地电位不同所产生的影响,
光电耦合器的发光二极管是 电流驱动器件,可以形成 电流环路 的传送形式,由于电流环电路是低阻抗电路,它对噪音的敏感度低,因此提高了通讯系统的抗干扰能力,
85
图 2-5是用光电耦合器组成的 电流环发送和接收 电路,该电路可以用来 传输数据,最大速率为 50kb/s,最大传输距离为 900米,环路连线的电阻 对传输距离影响很大,此电路中 环路连线电阻不能大于 30Ω,当连线电阻较大时,100Ω 的限流电阻要相应减小,光电耦合管使用 TIL110,开关速度比 4N25快,
86
(5)晶闸管输出型 光电耦合器驱动接口输出端是 光敏晶闸管或光敏双向晶闸管,
当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时,
晶闸管即导通,有的光电耦合器的输出端还配有 过零检测电路,用于控制晶闸管 过零触发,以减少用电器在 接通电源时对电网的影响,
87
图 2-19 4N40和 MOC3041的接口驱动电路
88
4N40是常用的 单向晶闸管输出 型光电耦合器,当 输入端有
15～ 30mA电流 时,输出端的 晶闸管导通,输出端的额定电压为
400V,额定电流 有效值为 300mA.隔离电压为 1500～ 7500V.
4N40的 6脚是输出晶闸管的控制端,不使用此端时,此端可对阴极接一个电阻,
4N40常用于 小电流用电器的控制,如 指示灯 等,也可以用于触发大功率的晶闸管,
MOC3041是常用的 双向晶闸管输出 的光电耦合器,带过零触发电路,输入端的控制电流为 15mA,输出端额定电压为 400V,输入输出端隔离电压为 7500V.
MOC3041一般 不直接用于控制负载,而用于 中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管,
89
4.继电器驱动电路电磁继电器主要由线圈，铁心，衔铁和触点等部件组成,简称为继电器,它分为 电压继电器 /电流继电器 /中间继电器 等几种类型,
继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式,通过 弱电控制外界交流或直流的 高电压 /大电流 设备,
继电器驱动电路的设计要根据所用 继电器线圈的吸合电压和电流而定,控制电流一定要 大于 继电器的吸合电流 才能使继电器可靠地工作,
常用的继电器有电压继电器 /电流继电器 /中间继电器等几种类型,由于继电器线圈需要 一定的电流 才能动作,所以必须采取措施加以驱动,
90
D
L K控制电流 外部设备线圈 铁芯 触点衔铁图 2-20 继电器原理
91
图 2-21为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路,当 CPU
数据线 Di输出数字,1” 即高电平 时,经 7406反相驱动器变为 低电平,光耦隔离器的发光二极管导通且发光,使光敏三极管导通,继电器线圈 KA得电,动合触点闭合,从而 驱动大型负荷设备,
由于继电器线圈是 电感性负载,当 电路突然关断 时,会出现较高的 电感性浪涌电压,为了保护驱动器件,应在继电器线圈两端 并联一个反向二极管,为电感线圈提供一个电流泄放回路,
92
cVpV
耦光
6047
KA 220V
图 2-21 继电器输出驱动电路
Di
93
MCS-51与 继电器的接口
(1) 直流 电磁式继电器 功率接口一般用功率接口集成电路或晶体管驱动,在使用较多继电器的系统中,可用 功率接口集成电路 驱动,例如
SN75468,一片 SN75468可驱动 7个继电器,驱动电流 可达
500mA,输出端最大工作电压为 100V.
94
常用的继电器大部分属于 直流 电磁式继电器,也称为 直流继电器,图 4-7是直流继电器的接口电路,继电器的动作由单片机 8031的 P1.5端控制,
P1.5端输出低电平时 (CLR P1.5),继电器 J吸合 ；
P1.5端输出高电平时,继电器 J释放,
采用这种控制逻辑 可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合,(复位,P1=0FFH)
95
二极管 D的作用 是 保护晶体管 T.当继电器 K吸合时,
二极管 D截止,不影响电路工作,继电器释放时,由于继电器线圈存在电感,这时晶体管 K已经截止,所以会在线圈的 两端产生较高的感应电压,极性是 上负下正,
96
(2) 交流 电磁式接触器 的功率接口继电器中 切换电路能力较强 的电磁式继电器称为 接触器,
接触器的触点数一般较多,交流电磁式接触器由于 线圈的工作电压要求是交流电,所以通常使用 双向晶闸管驱动 或使用一个 直流继电器作为中间继电器控制,下图是交流接触器的接口电路图,
97
交流接触器 C的线圈由双向晶闸管 T驱动,
双向晶闸管 的选择要满足,额定工作电压 为交流接触器线圈工作电压的 2～ 3倍,对于工作电压 220V的中 /小型的交流接触器,可以 选择 3A/600V的双向晶闸管,
光电耦合器 MOC3041的作用是 触发双向晶闸管 T以及隔离单片机系统和接触器系统,光电耦合器 MOC3041的输入端接 7407,由单片机 8031的 P1.0端控制,
P1.0输出 低电平 时,双向晶闸管 T导通,接触器 C吸合,
P1.0输出 高电平 时,双向晶闸管 T关断,接触器 C释放,
MOC3041内部带有 过零控制电路,因此双向晶闸管 T工作在 过零触发方式,接触器动作时,电源电压较低,这时接通电器,对电源的影响较小,
98
5.固态继电器 驱动电路固态继电器 SSR (Solid State Relay)是一种新型的 无触点开关 的电子继电器,它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合,而且没有 任何可动部件或触点,却能实现电磁继电器的功能,故称为 固态继电器,
它具有体积小,开关速度快,无机械噪声,无抖动和回跳,
寿命长等传统继电器无法比拟的优点,在计算机控制系统中得到广泛的应用,大有 取代电磁继电器 之势,
99
图 2-22 SSR结构原理及符号
100
固态继电器 SSR是一个 四端组件,有两个输入端,两个输出端,图 2-22所示为其结构原理图,共由五部分组成,
① 光耦隔离电路 的作用是在输入与输出之间起信号传递作用,
同时使两端在电气上完全隔离；
② 控制触发电路 是为后级提供一个 触发信号,使电子开关 (三极管或晶闸管 )能可靠地导通；
③ 电子开关电路 用来接通或关断直流或交流负载电源；
④ 吸收保护电路 的功能是为了防止 电源的尖峰和浪涌 对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害,一般由 RC串联网络和压敏电阻组成；
⑤ 零压检测电路 是为交流型 SSR过零触发 而设置的,
101
SSR的 输入端 与晶体管 /TTL/CMOS电路兼容,输出端 利用器件内的 电子开关来接通和断开负载,
工作时 只要在输入端施加一定的弱电信号,就可以 控制输出端 大电流 负载的通断,
SSR的 输出端 可以是直流也可以是交流,分别称为 直流型 SSR和交流型 SSR.直流型 SSR内部的开关组件为 功率三极管,交流型 SSR内部的开关组件为双向晶闸管,
102
交流型 SSR按控制触发方式不同又可分为 过零型和非过零型 两种,
其中 应用最广泛的是过零型,
过零型交流 SSR是指当 输入端加入控制信号后,需等待 负载电源电压过零时,SSR才为导通状态；而断开控制信号后,也要等待交流电压过零时,SSR才为断开状态,
非过零型 (移相型 )交流 SSR的 断开条件 同过零型交流 SSR,但其 导通条件 简单,只要加入控制信号,不管负载电流相位如何,立即导通,
103
直流型 SSR的输入控制信号与输出完全同步,直流型 SSR主要用于 直流大功率 控制,一般取 输入电压为 4～ 32V,输入电流 5～
10mA.它的输出端为晶体管输出,输出工作电压为 30～ 180V.
交流型 SSR主要用于 交流大功率 控制,一般 取输入电压为 4～
32V,输入电流小于 500mA.它的输出端为双向晶闸管,一般 额定电流在 1A～ 5A范围内,电压多为 380V或 220V.
图 4-13为一种常用的固态继电器驱动电路,当 数据线 Di输出数字,0”时,经 7406反相变为高电平,使 NPN型三极管导通,SSR输入端得电,则输出端 接通大型交流负荷设备 RL.
104
6047
cV
LR
RSS
～
_
图 4-1 3 固 态 继 电 器 输 出 驱 动 电 路交流电源+ ～
D i
当然,在实际使用中,要特别注意固态继电器的 过电流与过电压保护 以及 浪涌电流的承受 等 工程问题,在 选用 固态继电器的 额定工作电流与额定工作电压时,一般要远大于实际负载的电流与电压,而且输出驱动电路中仍要考虑增加 阻容
RC吸收组件,具体电路与参数请参考生产厂家有关手册,
105
6.MCS-51与 晶闸管 的接口
(1) 单向晶闸管 (电力电子内容 )
晶闸管习惯上称可控硅 (整流元件 ),英文名为 Silicon
Controlled Rectifier,简写成 SCR,这是一种 大功率半导体器件,它既有 单向导电的整流 作用,又有可以控制的开关作用,利用它可用 较小的功率控制较大的功率,在 交 /直流电动机调速系统 /调功系统 /随动系统和无触点开关等方面均获得广泛的应用,
如下图示,有三个电极,阳极 A(Anode),阴极 C(Cathode),控制极 (门极 )G(Gate).
106
当其两端加上正向电压而控制极不加电压时,晶闸管并不导通,正向电流很小,处于正向阻断状态；
当加上正向电压,且控制极上 (与阴极间 )也加上一正向电压时,晶闸管便进入导通状态,这时管压降很小 (1V左右 ).这时即使控制电压消失,仍能保持导通状态,所以 控制电压没有必要一直存在,通常采用脉冲形式,以降低触发功耗,
它 不具有自关断能力,要切断负载电流,只有使阳极电流减小到维持电流以下,或加上反向电压实现关断,若在交流回路中应用,当电流过零和进入负半周时,自动关断,为了使其再次导通,必须重加控制信号,
107
(2) 双向晶闸管晶闸管特别适合于 作交流开关使用,如图 2-22所示,采用两个器件反并联,以保证 电流能沿正反两个方向流通,
如把两只反并联的 SCR制作在同一片硅片上,便构成双向可控硅,控制极共用一个,使电路大大简化,其特性如下：
108
① 控制极 G上无信号 时,A1.A2之间呈高阻抗,管子截止,
② VA1A2＞ 1.5V时,不论极性如何,便可利用 G触发电流控制其导通,
③ 工作于交流时,当每一半周交替时,纯阻负载 一般能恢复截止；但在 感性负载 情况下,电流相位滞后于电压,电流过零,可能反向电压超过转折电压,使管子反向导通,所以,要求管子能承受这种反向电压,而且一般要 加 RC吸收回路,
④ A1.A2可调换使用,触发极性可正可负,但触发电流有差异,
双向可控硅经常用作 交流调压,调功,调温和无触点开关,过去其触发脉冲一般都用硬件产生,故检测和控制都不够灵活,而在单片机控制应用系统中则经常可利用 软件产生触发脉冲
109
(3)光耦合双向可控硅驱动器这是单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件,
由两部分组成,输入部分是一砷化镓发光二极管,该 二极管在
5～ 15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光,触发输出部分,输出部分是一硅光敏双向可控硅,在红外线的作用下可双向导通,该器件为 六引脚 双列直插式封装,其引脚配置和内部结构见图 2-23.
110
有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有 过零检测器,
以保证在电压为零 (接近于零 )时才触发可控硅导通,如
MOC3030/31/32(用于 115V交流 ),MOC3040/41(用于 220V交流 ).图 2-24为这类光耦驱动器与双向可控硅的典型电路,
在使用晶闸管的控制电路中,常要求晶闸管在 电源电压为零或刚过零时触发晶闸管,来减少晶闸管在 导通时对电源的影响,这种触发方式称为 过零触发,
过零触发需要过零检测电路,有些光电耦合器 内部含有过零检测电路,如 MOC3061双向晶闸管触发电路,图 2-25是使用 MOC3061双向晶闸管的过零触发电路,
111
图 2-24 光耦与双向可控硅的典型电路
112
图 2-25 MOC3061与双向晶闸管
113
晶闸管常用于高电压大电流的负载,不适宜与 CPU直接相连,在实际使用时要采用隔离措施,图 2-26为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路,当 CPU
数据线 Di输出数字,1” 时,经 7406反相变为低电平,光耦二极管导通,使光敏晶闸管导通,导通电流再触发双向晶闸管导通,从而驱动大型交流负荷设备 RL.
图 2-26 双向晶闸管输出驱动电路
2.0 引言
2.1 DA转换技术
2.2 后向通道 D/A转换器接口
2.2.1 D/A转换器工作原理
2.2.2 D/A转换器的性能指标
2.2.3 典型芯片 -DAC0832
2.2.4 12位芯片 DAC1210
2.3 输出方式
2.3.1 电压输出方式
2.3.2 电流输出方式
2.4 D/A转换模板 (自学 )
3.4.1 D/A转换模板的通用性
3.4.2 D/A转换模板的设计举例第二章 (2) 计算机控制系统的模拟量输出通道 (后向通道 )及功率接口技术
2
2.5 后向通道的功率接口
2.5.1 MCS-51的输出驱动能力及其外围集成数字驱动电路
2.5.2 外围集成数字驱动电路
2.5.3 MCS-51的开关型功率接口三极管驱动电路
MCS-51与光电耦合器 -光耦的接口继电器驱动电路
MCS-51与晶闸管的接口固态继电器驱动电路
3
2.0 引言
1.模拟量输出通道的 任务 -----把计算机处理后的 数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,去驱动相应的执行器,从而达到控制的目的 ;
2.模拟量输出通道 (称为 D/A通道或 AO通道 )构成 -----
一般是由 接口电路,数 /模转换器 (简称 D/A或 DAC)和电压
/电流变换器 等 ;
3.模拟量输出通道基本构成 --多 D/A结构 (图 2-1(a))和共享 D/A结构 (图中 2-1(b))
4
图 2-1 (a)多 D/A结构接口电路通道 1
通道 nD/A
D/A V/I
V/I
PC
总线特点,1.一路输出通道使用一个 D/A转换器
2.D/A转换器芯片内部一般都带有 数据锁存器
3.D/A转换器具有数字信号转换模拟信号,信号保持作用
4.结构简单,转换速度快,工作可靠,精度较高,通道独立
5.缺点是所需 D/A转换器芯片较多
5
接口电路通道 1
通道 n
D/A
V/I
V/I
多路开关采样保持器采样保持器
(b)共享 D/A结构
PC
总线图 2-1
特点,1.多路输出通道共用一个 D/A转换器
2.每一路通道都配有一个 采样保持放大器
3.D/A转换器只起数字到模拟信号的转换作用
4.采样保持器实现 模拟信号保持功能
5.节省 D/A转换器,但电路复杂,精度差,可靠低,占用主机时间
6
一,如何正确 选择 DA器件?
二,如何 应用 DA器件?
2.1 DA转换技术注意事项
1.速度和精度
2.数字接口
3.输出类型
4.基准电压
5.功耗
6.封装
7.满幅度输出
8.价格
7
1.,转换速度,这一指标仅适用于 A/D转换器,D/A
转换器可以忽略不计转换时间,速度 应根据输出信号的最高频率确定,保证 转换器的转换时间要高于系统要求的输出频率,
8
2.,量化误差,和,精度,是同一个概念的两种说法,它们之间没有区别,其次,,分辨率,和,量化误差,的概念虽然有联系,但并不相同,
,分辨率,是指转换器对输人的模拟量或输出的数字量之分辨能力,是对转换量变化敏感程度的描述,转换器的分辨率通常用 位数来表示,如 8位,10位,12位 等,对于 n位转换器,其实际分辨率为模拟量满量程的 1/2N.
“精度,是由转换器转换分辨率所造成的误差,或者说是 真实值与转换值之间的误差,
“精度,与系统中所测量控制的信号范围有关,但估算时要考虑到其他因素,转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位,
9
3.输出类型,数字接口方式 接口有 并行 /串行 之分,串行又有 SPI,I2C等多种不同标准,
不带输入数据锁存器 的 D/A转换器,CPU必须通过 锁存器与 D/A转换器传送数据,
复习,无三态输出功能的 A/D转换器,应当通过 三态缓冲器 与 CPU传送数据,
NOTE:DA器件输出的模拟信号有 电压和电流 两种,
10
4.基准电压,有 内 /外基准 和 单 /双基准 之分,
D/A转换中,参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量,目前大多数 参考电压源 均由 带温度补偿的齐纳二极管构成,近年来又出现了一种新颖的精密参考电压源 ——能隙恒压源,
5.功耗,一般 CMOS工艺的芯片功耗较低,对于 电池供电的手持系统 对功耗要求比较高的场合一定要注意 功耗指标,
11
6.封装 (FOOTPRINT)：常见的封装是 DIP,现在 表面安装 工艺的发展使得表贴型 SOP封装 的应用越来越多,
7.满幅度输出 (Rail-to Rail) 新近业界出现的新概念,
最先应用于运算放大器领域,指 输出电压的幅度可达输入电压范围,在 DA中一般是指 输出信号范围可达到电源电压范围,
12
2.2 后向通道 D/A转换器接口
(1)D/A转换器的工作原理
(2)D/A转换器的性能指标
(3)典型芯片 DAC0832及其应用
13
2.2.1 D/A转换器工作原理 (了解 )
+
A
-
数字量输入
TUOV
基准电压关开换切位
R R
2R 2R 2R 2R 2R
FERV
bfR
1SB2SB3SB 0
SB
1D
R-- 2R 电阻网络图 3-2 D/A 转换器原理框图
R
2D3D 0D
运算放大器
3
I
1
I
0
I
2
I
1 0 1 0 1 0 1 0
I O U T
I R f b
现以 4位 D/A转换器为例说明其工作原理,如图所示,
14
假设 D3 D2 D1 D0为 1111,则开关 BS3.BS2.BS1.BS0全部与,1”端相连,根据电路基础理论,有：
R2
V2
2
II
4R E F
232
R2
V2
2
II
4
R E F121
R2
V2
R2
VI
4
R E F3R E F3
由于开关 BS3～ BS0的状态是受要转换的二进制数 D3 D2 D1 D0
控制的,并不一定全是,1”.因此,可以得到 通式,
00112233OUT IDIDIDIDI
R2
V)2D2D2D2D(I
4
R E F00112233OUT
15
考虑到 放大器反相端为虚地,故：
O U TR fb II
选取 Rfb =R,可以得到：
4
R E F0
0
1
1
2
2
3
3fRFOUT 2
V)2D2D2D2D(RIV
对于 n位 D/A转换器,它的输出电压 VOUT与输入二进制数
B(Dn-1～ D0)的关系式可写成：
n
R E F0
0
1
1
2n
2n
1n
1nOUT 2
V)2D2D2D2D(V
n
VB
2
R E F
结论,由上述推导可见,输出电压除了与 输入的二进制数 有关,还与 运算放大器的反馈电阻 Rfb以及 基准电压 VREF有关,
16
2.2.2 D/A转换器的 性能指标
D/A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数,也是选用 D/A芯片型号的依据,主要性能指标有：
(1)分辨率
(2)转换精度
(3)偏移量误差
(4)稳定时间
17
(1)分辨率 Resolution:
D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量,即当输入 数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量,它取决于能转换的二进制位数,数字量位数越多,分辨率也就越高,其分辨率与二进制位数 n呈下列关系：分辨率 =满刻度值 /(2n-1)=VREF/2n
有时就用位数来表示分辨率
(2)偏移量误差 --是指 输入数字量时,输出模拟量对于零的偏移值,
此误差可通过 D/A转换器的外接 VREF和电位器加以调整,
18
(3)转换精度 --是指 转换后所得的实际值和理论值的接近程度,
它和分辨率是两个不同的概念,
例如,满量程时的理论输出值为 10V,实际输出值是在
9.99V～ 10.01V之间,其 转换精度为 ± 10mV.对于分辨率很高的
D/A转换器并不一定具有很高的精度,
19
(4)转换时间 --是描述 D/A转换速度快慢 的一个参数,指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差 1/2LSB
时所需的时间,显然,稳定时间越大,转换速度越低,对于 输出是电流 的 D/A转换器来说,稳定时间是很快的,约几微秒,而 输出是电压 的 D/A转换器,其稳定时间主要取决于 运算放大器的响应时间,
(5)量程 /输出范围,一般为 0-5V
20
① 一个 8位 D/A转换器
② 电流输出 方式
③ 稳定时间为 1μs
④ 采用 DIP-20封装
⑤ 同系列芯片还有 DAC0830,DAC0831
2.2.3 典型芯片 -DAC0832(掌握 )
8-Bit μP Compatible,Double-Buffered D to A Converters 9元
1,性能 学生看书 datasheet
21
2.管脚
22
CS*,Chip Select (active low),The CS in combination with ILE
will enable WR1,片选信号,输入线,低电平有效,
WR1*,Write 1 (active low),The active low WR1 is used to load
the digital input data bits (DI) into the input latch,The data in the
input latch is latched when WR1 is high,To update the input
latch,CS and WR1 must be low while ILE is high,写信号 1,输入线,低电平有效,
WR2*,Write 2 (active low),This signal,in combination with
XFER,causes the 8-bit data which is available in the input latch
to transfer to the DAC register,写信号 2,输入线,低电平有效,
23
ILE,Input Latch Enable (active high),The ILE in combination
with CS enables WR1,输入允许锁存信号,输入线,高电平有效,
当 ILE和 CS*同时有效时,8位输入寄存器端为高电平,1”,此时寄存器的输出端 Q跟随输入端 D的电平变化；反之,当端为低电平,0”时,原 D端输入数据被锁存于 Q端,在此期间 D端电平的变化不影响 Q端,
XFER*,Transfer control signal (active low),The XFER will
enable WR2,传送控制信号,输入线,低电平有效,
24
DI0-DI7,Digital Inputs,DI7 is the most significant bit (MSB),DI0 is the
least significant bit (LSB) 数据输入线,其中 DI7为最高有效位 MSB,DI0为最低有效位 LSB,
Iout1,DAC Current Output 1,Iout1 is a maximum for a digital code of all
1’s in the DAC register,and is zero for all 0’s in DAC register.
DAC电流输出端 1,一般作为运算放大器 差动输入信号之一,
Iout2,DAC Current Output 2,IOUT2 is a constant minus(减 ) Iout1,or
Iout1+ Iout2 = constant (I full scale for a fixed reference voltage).
DAC电流输出端 2,一般作为运算放大器另一个差动输入信号,
25
Rfb,Feedback Resistor,The feedback resistor is provided on the IC chip
for use as the shunt(逃避 ) feedback resistor for the external op-amp which
is used to provide an output voltage for the DAC,This onchip resistor
should always be used (not an external resistor) since it matches the
resistors which are used in the on-chip R-2R ladder and tracks these
resistors over temperature,固化在芯片内的反馈电阻连接端,用于连接运算放大器的输出端,
VREF,Reference Voltage Input,This input connects an external precision
voltage source to the internal R-2R ladder,VREF can be selected over the
range of +10 to?10V,基准电压源端,输入线,?10VDC～?10VDC.
Vcc,Digital Supply Voltage,This is the power supply pin for the part,Vcc
can be from +5 to +15VDC,Operation is optimum for +15VDC,工作电压源端,输入线,?5VDC～?15VDC.
26
27
3,工作原理
28
DAC0832的原理框图及引脚如上图所示,DAC0832主要由 8位输入寄存器,8位 DAC寄存器,8位 D/A转换器以及输入控制电路四部分 组成,
(1)8位输入寄存器 用于存放主机送来的数字量,使输入数字量得到 缓冲和锁存,由加以控制；
(2)8位 DAC寄存器用 于 存放待转换的数字量,并加以控制；
(3)8位 D/A转换器 输出与数字量成正比的模拟电流 ；
(4)由 与门 /非与门 组成的输入控制电路来 控制 2个寄存器的选通或锁存状态,
29
当 WR2*和 XFER*同时有效 时,第 2级 8位 DAC寄存器的控制端
LE*为高电平,1”,此时 DAC寄存器的 输出端 Q跟随输入端 D,也就是第 1级输入寄存器 Q端的电平变化；
反之,当控制端 LE*为低电平,0”时,第 1级 8位输入寄存器 Q端的状态则锁存到第 2级 8位 DAC寄存器中,以便第 3级 8位 DAC转换器进行 D/A转换,
一般情况下为了简化接口电路,可以把 WR2*和 XFER*直接接地,使第 2级 8位 DAC寄存器 的 输入端到输出端直通,只有 第 1级 8位输入寄存器置成 可选通 /可锁存的单缓冲输入方式,
特殊情况下可采用 双缓冲输入方式,即把 两个 寄存器都分别接成 受控方式,
30
DI0-DI7：转换数据输入
CS*：片选信号
ILE,WR1*：控制 第 1级输入寄存器
ILE=1,WR1*=0时：直通
ILE=1,WR1*=1时：锁存因此,DAC0832可以有 三种工作形式：
直通 /单级锁存 /两级锁存,
XFER*,WR2*：控制 第 2级 DAC寄存器
XFER*=0,WR2*=0时：直通
XFER*=1 or WR2*=1时：锁存
31
4.接口方式
(1)单缓冲方式 的接口 (1)
一个处于 直通方式,另一个处于 受控的锁存方式译码器输出
32
单缓冲方式的接口 (2)
——两个输入寄存器 同时受控 的方式
33
单缓冲方式的应用 ——产生 锯齿波假定采用接口 (1)方式,即第 1级 输入寄存器受控,而第 2级 DAC寄存器直通,输入寄存器地址为 E000H,产生上升锯齿波,
源程序清单如下：
ORG 0200H
MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址
MOV A,#00H ;转换初值
WW,MOVX @DPTR,A ;WR1有效,启动 D/A转换
INC A
NOP ;延时
NOP
AJMP WW
34
1/28
2/28
3/28
254/28
255/28
0
产生的锯齿波的过程
35
D/A转换产生的 下降锯齿波用同样的方法也可以产生三角波、矩形波、梯形波,
INC改为 DEC A的初值改为
FF 下降波
ORG 0200
MOV DPTR,#0E000H ;指向输入寄存器地址
MOV A,#0FFH ;转换初值
WW,MOVX @DPTR,A ;WR1有效,启动 D/A转换
A
NOP ;延时
NOP
AJMP WW
DEC
36;生成 三角波 的程序
DAC0832 EQU 0F200H
ORG 0000H
AJMP START
ORG 0100H
START,MOV SP,#60H
MOV DPTR,#DAC0832
MOV R0,#00H
LOOP1,MOV A,R0
MOVX @DPTR,A
INC R0
ACALL DELAY
CJNE R0,#0FFh,LOOP1
LOOP2,DEC R0
MOV A,R0
MOVX @DPTR,A
ACALL DELAY
CJNE R0,#00H,LOOP2
AJMP LOOP1
DELAY,MOV R7,#10
DJNZ R7,$
RET
37
(2)双缓冲 方式的接口和应用
——两个锁存器 都接成受控锁存 方式,
对一个数字量的转换,需两步完成,程序如下：
MOV DPTR,#00E0H
MOVX @DPTR,A
MOV DPTR,#00C0H
MOVX @DPTR,A
DAC寄存器地址,00C0H
1100 0000 Y6* XFER*
锁存器译码器
W R
A L E
E A
8 0 3 1
P 0,7 ~ P 0,0
D I 7 - D I 0
I L E
C S
W R 2
W R 1
+ 5 V
D A C 0 8 3 2
X F E R
A7
A6
A5
74LS138
C
B
A
Y7
Y6
输入寄存器地址,00E0H
1110 0000 Y7* CS*
38
2.2.4 12位 DAC1210芯片 (了解 )
1,DAC1210性能
12位 D/A转换器,电流输出方式,其结构原理与控制信号功能基本类似于 DAC0832.由于它比 DAC0832多了 4条数据输入线,故有 24条引脚,DAC1210内部原理框图如图 2-4所示,其同系列芯片 DAC1208
DAC1209可以相互代换,
2,DAC1210工作原理 内部有 三个寄存器,
一个 8位输入寄存器,用于存放 12位数字量中的 高 8位 DI11～ DI4；
一个 4位输入寄存器,用于存放 12位数字量中的 低 4位 DI3～ DI0；
一个 12位 DAC寄存器,存放上述两个输入寄存器送来的 12位数字量；
12位 D/A转换器用 于完成 12位数字量的转换,
由与门 /非与门组成的输入控制电路来控制 3个寄存器的选通或锁存状态,其中引脚 (片选信号 CS*.低电平有效 ).(写信号 WR*.低电平有效 )和 BYTE1/ BYTE2*(字节控制信号 )的组合,用来控制 8位输入寄存器和 4位输入寄存器,
39
QD
D Q
QD
D Q
D
D
Q
Q
D
D
Q
Q
器存寄入输位8
器存寄入输位4
12 位
DAC
寄存器
12 位
D /A
转换器
LE3
LE当 =1 时,Q = D ;
LE当
=0 时，锁存数据
LE2
LE1
(M SB )
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
11
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
(LSB)
BY T E /
BY T E
CS
WR
X F E R
WR 2
1
2
1
FERV
D G N D
2TUOI
1TUOI
bfR
DNGA
ccV
图 3 -4 D A C 12 1 0 原理框图及引脚图 2-4 DAC1210原理框图及引脚
40
当 CS*.WR1*为低电平,0”,
当 BYTE1/BYTE2*为高电平,1”时,与门的输出 LE1*,LE2*为,1”,
选通 8位和 4位两个输入寄存器,将要转换的 12位数据全部送入寄存器；
当 BYTE1/BYTE2*为低电平,0”时,LE1*为,0”,8位输入寄存器锁存刚传送的 8位数据,而 LE2*仍为,1”,4位输入寄存器仍为选通,新的低 4位数据将刷新刚传送的 4位数据,
因此,在与计算机接口电路中,计算机必须先送高 8位后送低 4位,
XFER*和 WR2*用来控制 12位 DAC寄存器,
当 XFER*和 WR2*同为低电平,0”时,与门输出 LE3*为,1”,12位数据全部送入 DAC寄存器,
当 XFER*和 WR2*有一个为高电平,1”时,与门输出 LE3*即为,0”,
则 12位 DAC寄存器锁存住数据使 12位 D/A转换器开始数摸转换,
41
QD
D Q
QD
D Q
D
D
Q
Q
D
D
Q
Q
器存寄入输位8
PC
总线器存寄入输位4
12 位
DAC
寄 存 器
12 位
D/ A
转换器
LE3LE2
LE1
( MSB)
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
DI
11
10
4
5
6
7
8
9
1
FERV
DG N D
2TUOI
1TUOI
bfR
DNGA
ccV
图 3- 6 D AC 12 10 接口电路
CS
WR
WR 2
XFE R
DI
DI
DI
DI
1
2
3
0
( LSB )
+
-
- 5V
12V
TUOV
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
2A
3A
4A
5A
6A
7A
8A
9A
0A
A1
I OW
——
138
BY T E /1 BY T E 2
Y 0
G1
G B
G A
C
B
A
Y 3
Y 2
Y 1
Y 5
Y 6
Y 7
Y 4 DA C 12 10
AE N
图 2-6 DAC1210接口电路
42
图 2-6是 12位 D/A转换器 DAC1210与 PC总线的一种接口电路,它是由 DAC1210转换芯片，运算放大器以及地址译码电路组成,与 8位
DAC0832接口电路不同的是,除了数据总线 D7～ D0与 DAC1210高 8位
DI11～ DI4直接相连,D3～ D0还要与 DAC1210低 4位 DI3～ DI0复用,
因而 控制电路也略为复杂,
图中,CS*.WR1*和 BYTE1/BYTE2*组合,用来依次控制 8位输入寄存器 (LE1*)和 4位输入寄存器 (LE2*)的选通与锁存,XFER*和 WR2*
用来控制 DAC寄存器 (LE3*)的选通与锁存,LOW与 WR1*.WR2*连接,
用来在执行输出指令时获得低电平有效,译码器的两条输出线 Y0、
Y2分别连到 CS和 XFER,一条地址线 A0连到 BYTE1/BYTE2*,从而形成三个口地址：低 4位输入寄存器为 380H,高 8位输入寄存器为 381H,
12位 DAC寄存器为 384H,
43
在软件设计中,为了实现 8位数据线 D0～ D7传送 12位被转换数,主机须 分两次传送被转换数,
首先将 被转换数的高 8位传给 8位输入寄存器 DI11～ DI4,
再将 低 4位传给 4位输入寄存器 DI3～ DI0,
然后再打开 DAC寄存器,把 12位数据送到 12位 D/A转换器去转换,当输出指令执行完后,DAC寄存器又自动处于锁存状态以保持数模转换的输出不变,设 12位被转换数的 高 8位存放在 DATA单元中,低 4位存放在 DATA+1单元中,
44
2.3 输出方式多数 D/A转换芯片输出的是 弱电流信号,要 驱动后面的自动化装置,需在电流输出端 外接运算放大器,根据不同控制系统自动化装置需求的不同,输出方式可以分为 电压输出，电流输出 以及自动 /手动切换输出 等多种方式,
45
2.3.1 电压输出 方式由于系统要求不同,电压输出方式又可分为 单极性输出和双极性输出 两种形式,下面 以 8位的 DAC0832芯片为例 作一说明,
46
1,DAC单极性 输出图 3-8 DAC 单极性输出方式
DAC083 2
Rfb
1TUOI
2TUOI
A
V
FERV
TUO
FERV
DI 7
DI 6
DI 5
DI 4
DI 3
DI 2
DI 1
DI 0
D 7
D 6
D 5
D 4
D 3
D 2
D 1
D 0
25 6
VBV R E F
O U T
00116677 2D2D2D2DB
式中：
VREF/256是常数显然,VOUT和 B 成正比关系,输入数字量
B 为 00H 时,VOUT也为 0 ；输入数字量 B
为 FFH即 255时,VOUT 为与 VREF 极性相反的最大值,
Pdf P11－ 12
DAC单极性输出方式如图 3-8 所示,由式
(3-1)可得输出电压 VOUT的单极性输出表达式为：
47
Pdf P3
Rfb＝ 15k
48
2,DAC双极性 输出方式
DAC双极性输出方式如图 3-9所示,
图 3 -9 DA C 双极性输出方式
DAC0 83 2
Rfb
I 1TUO
2TUOI
2R
V
R
2R
A 2
A
1I 2I
3I
FERV
FERV
TUO
DI 7
DI 6
DI 5
DI 4
DI 3
DI 2
DI 1
DI 0
D 7
D 6
D 5
D 4
D 3
D 2
D 1
D 0 V 1TUO
A 1
49
A1和 A2为运算放大器,A点为虚地,故可得：
解上述方程可得 双极性输出 表达式：
0III 321 256R E F1OUT VBV
R2
VI R E F
1? R2
VI 2OUT
2? RVI O U T 13?
(2-3)
图中 运放 A2的作用是将运放 A1的单向输出变为双向输出,
当输入数字量 小于 80H时,输出模拟电压为 负 ；当输入数字量大于 80H时,输出模拟电压为 正,其它 n位 D/A转换器的输出电路与 DAC0832相同,计算表达式中只要把 28-1改为 2n-1即可,
18
R E F18O U T 2
2
V)2B(V
1
2
BVV
1-8R E FO U T 2或
50
3.3.2 电流输出 方式 (了解 )
因为 电流信号易于远距离传送,且不易受干扰,特别是在过程控制系统中,自动化仪表只接收电流信号,所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息,这就需要将电压信号再转换成电流信号,完成电流输出方式的电路称为 V/I变换电路,电流输出方式一般有两种形式：
1,普通运放 V/I变换电路
2,集成转换器 V/I变换电路
51
2.4 D/A转换模板 (了解 )
2.4.1 D/A转换模板的 通用性为了便于系统设计者的使用,D/A转换模板应具有通用性,它主要体现在三个方面：
1.符合总线标准
2.接口地址可选
3.输出方式可选
52
1．符合总线标准这里的 总线是指计算机内部的总线结构,D/A转换模板及其它所有电路模板都应符合统一的总线标准,以便设计者在组合计算机控制系统硬件时,只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线,十分方便灵活,例如,STD总线标准规定模板尺寸为 165× 114mm,模板总线引脚共有 56根,
并详细规定了每只引脚的功能,
53
2．接口地址可选一套控制系统往往需配置多块功能模板,或者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中,因此,每块模板应具有 接口地址的可选性,
一般接口地址可由 基址 (或称板址 )和片址 (或称口址 )组成,图 2-14给出一种接口地址可选的译码电路,
54
A 7
A
A
A
A
6
5
4
3
17
15
13
11
8
6
4
2
P 7
P 0
Q
Q
7
0
P Q=
G
IO W
1
18
16
14
12
9
7
5
3
74 LS
688
S
S
S
S
S
7
6
5
4
3
+ 5 V
+ 5 V
A 0
1
2
A
A
1
2
3
6
5
4
A
B
C
G 1
G B
G A
Y 0
Y
Y
Y
Y
Y
Y
Y
1
2
3
4
5
6
7
74 LS
138
W C 0
W
W
W
W
W
W
W
C
C
C
C
C
C
C
1
2
3
4
5
6
7
+ 5V
8 位量值比较器置位开关译码器片址基址片选信号图 3-14 接口 地址可选的译码电路图 2-14 接口地址可选的译码电路
55
3．输出方式可选为了适应不同控制系统对执行器的不同需求,D/A转换模板往往把 各种电压输出和电流输出方式组合 在一起,
然后通过 短接柱 来选定某一种输出方式,
一个实际的 D/A转换模板,供用户选择的输出范围 常常是,0～ 5V/0～ 10V/± 5V/0～ 10mA/4～ 20mA等,
56
2.4.2 D/A转换模板的 设计举例
1.D/A转换模板的设计原则
2.D/A转换模板的设计步骤
3.8路 8位 D/A转换模板实例
57
1.D/A转换模板的设计原则
D/A转换模板设计主要考虑以下几点：
(1)安全可靠,尽量选用 性能好的元器件,并采用 光电隔离技术,
(2)性能 /价格比高,既要在性能上达到预定的技术指标,又要在技术路线 /芯片元件上降低成本,
(3)通用性,D/A转换模板应符合总线标准,其接口地址及输出方式应具备可选性,
58
2.D/A转换模板的设计步骤
确定性能指标
设计电路原理图 SCH
设计和制造印制线路板 PCB
最后焊接和调试电路板
59
3.8路 8位 D/A转换模板实例
74 LS
24 4
DA C0 83 2
74 LS
13 8
74 LS
68 8
DA C0 83 2
DA C0 83 2
数模转换 电压输出 电流输出数据缓冲总线接口逻辑
I/O 功能逻辑 I/O 电气接口
A2
A0
A7
A3
D7
D0
IO W
基址译码片址译码运放运放运放 V/I
V/I
V/I
CS
CS
I 1
I 2
I 8
V 2
V 1
V 8
图 2-15 8路 D/A转换模板的结构框 图
1G 2G
PC
总线
CS
60
图 2-15给出了 8路 8位 D/A转换模板的结构组成框图,它是按照 总线接口逻辑,I/O功能逻辑和 I/O电气接口 等三部分布局电子元器件的,
(1)总线接口逻辑部分 主要由 数据缓冲与地址译码电路 组成,完成 8
路通道的分别选通与数据传送；
(2)I/O功能逻辑部分 由 8片 DAC0832组成,完成数模转换 ;
(3)I/O电气接口部分 由 运放与 V/I变换电路 组成,实现电压或电流信号的输出 ;
61
要用单片机控制各种各样的 高压,大电流负载,如电动机
/电磁铁 /继电器 /灯泡等,不能用单片机的 I/O线来直接驱动,
而必须通过 各种驱动电路和开关电路来驱动,另外,与 强电隔离和抗干扰,有时需加接 光电耦合器,称此类接口为 MCS51
的 功率接口,
工业生产现场,控制对象是 电磁继电器,电磁开关,可控硅,固态继电器和功率电子开关,
2.5 后向通道的 功率接口 (重要 )
62
P0.P1.P2.P3四个口都可做输出口,但其驱动能力不同,
P0口的驱动能力较大 (8个 LSTTL),
当其输出 高电平 时,可 提供 800?A的电流 ；
当其输出 低电平 时,则可提供 3.2mA的灌电流,如低电平允许提高,灌电流可相应加大,
P1.P2.P3口 的每一位只能驱动 4个 LSTTL,即可提供的 电流只有 P0口的一半 (400?A).
所以,任何一个口要想获得 较大的驱动能力,只能用低电平输出,8031通常要用 P0/P2口作访问外部存储器用,所以只能用 P1/P3口作输出口,P1/P3口的驱动能力有限,在 低电平输出 时,一般也只能提供 不到 2mA的灌电流,通常要加 总线驱动器或其它驱动电路 (7406/7407).
2.5.1 MCS-51的 输出驱动能力 及其 外围集成数字驱动电路
63
5/180=27mA
64
2.5.2 外围集成数字驱动电路常用的 外围集成数字驱动电路 的参数,只要加接合适的 限流电阻和偏置电阻,即可直接由 TTL/CMOS
电路来驱动,
驱动 感性负载 时,必须加接 限流电阻或箝位二极管,此外,有些驱动器内部还设有逻辑门电路,可以完成 与 /与非 /或 /或非 的逻辑功能,
65
例 2.1 驱动 大电流负载电路如下图所示,ULN2068芯片具有 四个大电流达林顿 开关,能 驱动电流高达 1.5A的负载,由于
ULN2068在 25℃ 时功耗达 2075mW,因而 使用时一定要加散热板,
66
例 2.2,慢开启 的白炽灯驱动电路图 4-1为慢开启白炽灯驱动电路,白炽灯的延时 开启时间长短 取决于 时间常数 RC.此电路能直接驱动 工作电压小于 30V,额定电流小于 500mA的任何灯泡,注意：在设计印刷电路板时,驱动器要加装散热板,以便散热,(SN75401)
67
68
例 2-3：大功率 音频振荡器图 4-2电路能直接驱动一个 大功率的扬声器,可用于报警系统,改变电阻或电容 的值便能改变电路的振荡频率,电路中的两个 齐纳二极管 IN751A用于输入端的保护,
69
2.5.3 MCS-51的 开关型功率接口常用的 开关型驱动器件 有,光电耦合器,
继电器,晶闸管,功率 MOS管,集成功率电子开关,固态继电器 等,
70
对于低压情况下的小电流开关量,用 功率三极管就可作开关驱动组件,其 输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积,
1,三极管驱动电路当驱动电流只有十几 mA或几十 mA时,只要采用一个普通的 功率三极管 就能构成驱动电路,
如图 4-6所示,
6047
K3.3
管极三
DEL
V5+
033
图 4-6 小功率三极管输出电路
D i
71
2.达林顿 驱动电路 (Darlington Transistor Arrays )
当 驱动电流需要达到几百毫安 时,如驱动 中功率继电器,
电磁开关等装置,输出电路必须采取 多级放大或提高三极管增益 的办法,
达林顿阵列驱动器是由 多对两个三极管组成的达林顿复合管 构成,它具有 高输入阻抗 /高增益 /输出功率大 及保护措施完善的特点,同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷,
72
图 2-7给出 达林顿阵列驱动器 MC1416 datasheet 的结构图与每对复合管的内部结构,MC1416内含 7对 达林顿复合管,每个复合管的 集电极电流可达 500mA,截止时能承受 100V电压,其 输入输出端均有箝位二极管,输出箝位二极管 D2抑制高电位上发生的正向过冲,D1/D3可抑制低电平上的负向过冲,
73
1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C CO M
16 15 14 13 12 11 10 9
GN D7B6B5B4B3B2B1B
1 2 3 4 5 6 7 8
10,5k Ω
B
R 0
7.2 kΩ
R 1
D 1
R 2
T 1
T 2
D 3
C
E
D 2 CO M
3k Ω
(a )M C1 471 6 结构图 （ b ）复合管内部结构图 4-7 MC 1416 达林顿阵列驱动器
74
图 4 -8 达林顿阵列驱动电 路
7 40 6
达林顿复合管负荷线圈
+ 24 V
D i 1B
1C
G ND
图 4-8为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路,当 CPU数据线 Di 输出数字,0”,即低电平时,经 7406反相驱动 器变为高电平,使 达林顿复合管导通,产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈,而且 利用复合管内的保护二极管,构成了负荷线圈断电时,产生的反向电动势的泄流回路,
75
3.光电耦合器 -光耦 (Opto-isolator)
高速光耦 6N137
PT261
76
(1)类型,光电耦合隔离器按其 输出级 不同可分为三极管型，单向晶闸管型，双向晶闸管型 等几种,
如图 2-16所示,它们的原理是相同的,即都是通过电 -光 -电 这种信号转换,利用 光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的,
图 2-16 光电耦合隔离器的几种类型
77
(2)原理,现以最简单的 三极管型光电耦合隔离 器为例来说明它的结构原理,如图 2-17所示,
端入输端出输
V5+ V5+
+
图 2-17 光电耦合隔离器的结构原理
78
典型的光电耦合隔离电路有 数字量同相传递 与 数字量反相传递 两种,如图 4-3所示,
数字量同相传递 如图 4-3(a)所示,光耦的 输入正端接正电源,
输入负端接到与数据总线相连的数据缓冲器上,光耦的 集电极 c端通过电阻接另一个正电源,发射极 e端直接接地,光耦输出端即从集电极 c端引出,
当数据线为低电平,0”时,发光管导通且发光,使得光敏管导通,输出 c端接地而获得低电平,0”；当 数据线为高电平,1”时,
发光管截止不发光,则光敏管也截止使输出 c端从电源处获得高电平,1”.如此,完成了 数字信号的同相传递,
数字量反相传递 如图 4-3(b)所示,与 (a)不同的是光耦的集电极 c端直接接另一个正电源,而发射极 e端通过电阻接地,则光耦输出端从发射极 e端引出,从而完成了数字信号的 反相传递,
79
路电离隔合耦电光3-4图递传相同量字数 递传相反量字数
+ 5V + 5V + 5V+ 5V
c
c
e
e
+
+
-
-
D 7 ~D 0
74 LS 273
数据缓冲器选通脉冲
b(a(
D 7 ~D 0
74 LS 273
数据缓冲器选通脉冲
80
(3)晶体管输出型 光电耦合器驱动接口光电晶体管除没有使用基极 外,跟普通晶体管一样,取代基极电流 的是以 光作为晶体管的输入,当光电耦合器的发光二极管发光时,光电晶体管受光的影响在
cb间和 ce间有电流流过,这两个电流基本上受光的照度控制,常用 ce极间的电流作为输出电流,输出电流受 Vce
的电压影响很小,
光电晶体管的 集电极电流 Ic与 发光二极管的电流 IF之比 称为光电耦合器的 电流传输比,
光电耦合器在传输 脉冲信号 时,对不同结构的光电耦合器的 输入输出延迟时间相差很大,
81
4N25使两部分的电流信号独立,输出部分的地线接机壳或接大地,而 8031系统的电源 地线浮空,不与交流电源的地线相接,可避免 输出部分电源变化对单片机电源的影响,减少系统所受的干扰,提高系统的可靠性,4N25输入输出端的 最大隔离电压＞ 7500V.
82
光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性,即存在着 截止区,饱和区与线性区三部分,
利用光耦隔离器的开关特性 (即光敏三极管工作在截止区 /饱和区 ),可传送 数字信号 而隔离电磁干扰,简称 对数字信号进行隔离,
在数字量输入输出通道中,以及在模拟量输入输出通道中的 A/D转换器与 CPU或 CPU与 D/A转换器 之间的数字信号的耦合传送,都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离,
在现场传感器与 A/D转换器或 D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送,可用光耦的这种线性区对模拟信号进行隔离,
83
光耦的这两种隔离方法各有 优缺点,
模拟信号 隔离方法的 优点 是使用少量的光耦,成本低； 缺点 是调试困难,如果光耦挑选得不合适,会影响 A/D或 D/A转换的精度和线性度,
数字信号 隔离方法的 优点 是调试简单,不影响系统的精度和线性度； 缺点 是使用较多的光耦器件,成本较高,但因光耦越来越价廉,
数字信号隔离方法的优势凸现出来,因而在工程中使用的最多,
要注意的是,用于 驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源 不应是共地的同一个电源,必须分开单独供电,才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外,发光二极管的动态电阻很小,也可以抑制系统内外的噪声干扰,因此,利用光耦隔离器可用来 传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰,
为了适应计算机控制系统的需求,目前已生产出 各种集成的多路光耦隔离器,如 TLP系列 就是常用的一种,
84
(4)光电耦合器也常用于 较远距离的信号隔离传送,
可以起到 隔离两个系统地线 的作用,使两个系统的 电源相互独立,消除 地电位不同所产生的影响,
光电耦合器的发光二极管是 电流驱动器件,可以形成 电流环路 的传送形式,由于电流环电路是低阻抗电路,它对噪音的敏感度低,因此提高了通讯系统的抗干扰能力,
85
图 2-5是用光电耦合器组成的 电流环发送和接收 电路,该电路可以用来 传输数据,最大速率为 50kb/s,最大传输距离为 900米,环路连线的电阻 对传输距离影响很大,此电路中 环路连线电阻不能大于 30Ω,当连线电阻较大时,100Ω 的限流电阻要相应减小,光电耦合管使用 TIL110,开关速度比 4N25快,
86
(5)晶闸管输出型 光电耦合器驱动接口输出端是 光敏晶闸管或光敏双向晶闸管,
当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时,
晶闸管即导通,有的光电耦合器的输出端还配有 过零检测电路,用于控制晶闸管 过零触发,以减少用电器在 接通电源时对电网的影响,
87
图 2-19 4N40和 MOC3041的接口驱动电路
88
4N40是常用的 单向晶闸管输出 型光电耦合器,当 输入端有
15～ 30mA电流 时,输出端的 晶闸管导通,输出端的额定电压为
400V,额定电流 有效值为 300mA.隔离电压为 1500～ 7500V.
4N40的 6脚是输出晶闸管的控制端,不使用此端时,此端可对阴极接一个电阻,
4N40常用于 小电流用电器的控制,如 指示灯 等,也可以用于触发大功率的晶闸管,
MOC3041是常用的 双向晶闸管输出 的光电耦合器,带过零触发电路,输入端的控制电流为 15mA,输出端额定电压为 400V,输入输出端隔离电压为 7500V.
MOC3041一般 不直接用于控制负载,而用于 中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管,
89
4.继电器驱动电路电磁继电器主要由线圈，铁心，衔铁和触点等部件组成,简称为继电器,它分为 电压继电器 /电流继电器 /中间继电器 等几种类型,
继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式,通过 弱电控制外界交流或直流的 高电压 /大电流 设备,
继电器驱动电路的设计要根据所用 继电器线圈的吸合电压和电流而定,控制电流一定要 大于 继电器的吸合电流 才能使继电器可靠地工作,
常用的继电器有电压继电器 /电流继电器 /中间继电器等几种类型,由于继电器线圈需要 一定的电流 才能动作,所以必须采取措施加以驱动,
90
D
L K控制电流 外部设备线圈 铁芯 触点衔铁图 2-20 继电器原理
91
图 2-21为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路,当 CPU
数据线 Di输出数字,1” 即高电平 时,经 7406反相驱动器变为 低电平,光耦隔离器的发光二极管导通且发光,使光敏三极管导通,继电器线圈 KA得电,动合触点闭合,从而 驱动大型负荷设备,
由于继电器线圈是 电感性负载,当 电路突然关断 时,会出现较高的 电感性浪涌电压,为了保护驱动器件,应在继电器线圈两端 并联一个反向二极管,为电感线圈提供一个电流泄放回路,
92
cVpV
耦光
6047
KA 220V
图 2-21 继电器输出驱动电路
Di
93
MCS-51与 继电器的接口
(1) 直流 电磁式继电器 功率接口一般用功率接口集成电路或晶体管驱动,在使用较多继电器的系统中,可用 功率接口集成电路 驱动,例如
SN75468,一片 SN75468可驱动 7个继电器,驱动电流 可达
500mA,输出端最大工作电压为 100V.
94
常用的继电器大部分属于 直流 电磁式继电器,也称为 直流继电器,图 4-7是直流继电器的接口电路,继电器的动作由单片机 8031的 P1.5端控制,
P1.5端输出低电平时 (CLR P1.5),继电器 J吸合 ；
P1.5端输出高电平时,继电器 J释放,
采用这种控制逻辑 可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合,(复位,P1=0FFH)
95
二极管 D的作用 是 保护晶体管 T.当继电器 K吸合时,
二极管 D截止,不影响电路工作,继电器释放时,由于继电器线圈存在电感,这时晶体管 K已经截止,所以会在线圈的 两端产生较高的感应电压,极性是 上负下正,
96
(2) 交流 电磁式接触器 的功率接口继电器中 切换电路能力较强 的电磁式继电器称为 接触器,
接触器的触点数一般较多,交流电磁式接触器由于 线圈的工作电压要求是交流电,所以通常使用 双向晶闸管驱动 或使用一个 直流继电器作为中间继电器控制,下图是交流接触器的接口电路图,
97
交流接触器 C的线圈由双向晶闸管 T驱动,
双向晶闸管 的选择要满足,额定工作电压 为交流接触器线圈工作电压的 2～ 3倍,对于工作电压 220V的中 /小型的交流接触器,可以 选择 3A/600V的双向晶闸管,
光电耦合器 MOC3041的作用是 触发双向晶闸管 T以及隔离单片机系统和接触器系统,光电耦合器 MOC3041的输入端接 7407,由单片机 8031的 P1.0端控制,
P1.0输出 低电平 时,双向晶闸管 T导通,接触器 C吸合,
P1.0输出 高电平 时,双向晶闸管 T关断,接触器 C释放,
MOC3041内部带有 过零控制电路,因此双向晶闸管 T工作在 过零触发方式,接触器动作时,电源电压较低,这时接通电器,对电源的影响较小,
98
5.固态继电器 驱动电路固态继电器 SSR (Solid State Relay)是一种新型的 无触点开关 的电子继电器,它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合,而且没有 任何可动部件或触点,却能实现电磁继电器的功能,故称为 固态继电器,
它具有体积小,开关速度快,无机械噪声,无抖动和回跳,
寿命长等传统继电器无法比拟的优点,在计算机控制系统中得到广泛的应用,大有 取代电磁继电器 之势,
99
图 2-22 SSR结构原理及符号
100
固态继电器 SSR是一个 四端组件,有两个输入端,两个输出端,图 2-22所示为其结构原理图,共由五部分组成,
① 光耦隔离电路 的作用是在输入与输出之间起信号传递作用,
同时使两端在电气上完全隔离；
② 控制触发电路 是为后级提供一个 触发信号,使电子开关 (三极管或晶闸管 )能可靠地导通；
③ 电子开关电路 用来接通或关断直流或交流负载电源；
④ 吸收保护电路 的功能是为了防止 电源的尖峰和浪涌 对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害,一般由 RC串联网络和压敏电阻组成；
⑤ 零压检测电路 是为交流型 SSR过零触发 而设置的,
101
SSR的 输入端 与晶体管 /TTL/CMOS电路兼容,输出端 利用器件内的 电子开关来接通和断开负载,
工作时 只要在输入端施加一定的弱电信号,就可以 控制输出端 大电流 负载的通断,
SSR的 输出端 可以是直流也可以是交流,分别称为 直流型 SSR和交流型 SSR.直流型 SSR内部的开关组件为 功率三极管,交流型 SSR内部的开关组件为双向晶闸管,
102
交流型 SSR按控制触发方式不同又可分为 过零型和非过零型 两种,
其中 应用最广泛的是过零型,
过零型交流 SSR是指当 输入端加入控制信号后,需等待 负载电源电压过零时,SSR才为导通状态；而断开控制信号后,也要等待交流电压过零时,SSR才为断开状态,
非过零型 (移相型 )交流 SSR的 断开条件 同过零型交流 SSR,但其 导通条件 简单,只要加入控制信号,不管负载电流相位如何,立即导通,
103
直流型 SSR的输入控制信号与输出完全同步,直流型 SSR主要用于 直流大功率 控制,一般取 输入电压为 4～ 32V,输入电流 5～
10mA.它的输出端为晶体管输出,输出工作电压为 30～ 180V.
交流型 SSR主要用于 交流大功率 控制,一般 取输入电压为 4～
32V,输入电流小于 500mA.它的输出端为双向晶闸管,一般 额定电流在 1A～ 5A范围内,电压多为 380V或 220V.
图 4-13为一种常用的固态继电器驱动电路,当 数据线 Di输出数字,0”时,经 7406反相变为高电平,使 NPN型三极管导通,SSR输入端得电,则输出端 接通大型交流负荷设备 RL.
104
6047
cV
LR
RSS
～
_
图 4-1 3 固 态 继 电 器 输 出 驱 动 电 路交流电源+ ～
D i
当然,在实际使用中,要特别注意固态继电器的 过电流与过电压保护 以及 浪涌电流的承受 等 工程问题,在 选用 固态继电器的 额定工作电流与额定工作电压时,一般要远大于实际负载的电流与电压,而且输出驱动电路中仍要考虑增加 阻容
RC吸收组件,具体电路与参数请参考生产厂家有关手册,
105
6.MCS-51与 晶闸管 的接口
(1) 单向晶闸管 (电力电子内容 )
晶闸管习惯上称可控硅 (整流元件 ),英文名为 Silicon
Controlled Rectifier,简写成 SCR,这是一种 大功率半导体器件,它既有 单向导电的整流 作用,又有可以控制的开关作用,利用它可用 较小的功率控制较大的功率,在 交 /直流电动机调速系统 /调功系统 /随动系统和无触点开关等方面均获得广泛的应用,
如下图示,有三个电极,阳极 A(Anode),阴极 C(Cathode),控制极 (门极 )G(Gate).
106
当其两端加上正向电压而控制极不加电压时,晶闸管并不导通,正向电流很小,处于正向阻断状态；
当加上正向电压,且控制极上 (与阴极间 )也加上一正向电压时,晶闸管便进入导通状态,这时管压降很小 (1V左右 ).这时即使控制电压消失,仍能保持导通状态,所以 控制电压没有必要一直存在,通常采用脉冲形式,以降低触发功耗,
它 不具有自关断能力,要切断负载电流,只有使阳极电流减小到维持电流以下,或加上反向电压实现关断,若在交流回路中应用,当电流过零和进入负半周时,自动关断,为了使其再次导通,必须重加控制信号,
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(2) 双向晶闸管晶闸管特别适合于 作交流开关使用,如图 2-22所示,采用两个器件反并联,以保证 电流能沿正反两个方向流通,
如把两只反并联的 SCR制作在同一片硅片上,便构成双向可控硅,控制极共用一个,使电路大大简化,其特性如下：
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① 控制极 G上无信号 时,A1.A2之间呈高阻抗,管子截止,
② VA1A2＞ 1.5V时,不论极性如何,便可利用 G触发电流控制其导通,
③ 工作于交流时,当每一半周交替时,纯阻负载 一般能恢复截止；但在 感性负载 情况下,电流相位滞后于电压,电流过零,可能反向电压超过转折电压,使管子反向导通,所以,要求管子能承受这种反向电压,而且一般要 加 RC吸收回路,
④ A1.A2可调换使用,触发极性可正可负,但触发电流有差异,
双向可控硅经常用作 交流调压,调功,调温和无触点开关,过去其触发脉冲一般都用硬件产生,故检测和控制都不够灵活,而在单片机控制应用系统中则经常可利用 软件产生触发脉冲
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(3)光耦合双向可控硅驱动器这是单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件,
由两部分组成,输入部分是一砷化镓发光二极管,该 二极管在
5～ 15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光,触发输出部分,输出部分是一硅光敏双向可控硅,在红外线的作用下可双向导通,该器件为 六引脚 双列直插式封装,其引脚配置和内部结构见图 2-23.
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有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有 过零检测器,
以保证在电压为零 (接近于零 )时才触发可控硅导通,如
MOC3030/31/32(用于 115V交流 ),MOC3040/41(用于 220V交流 ).图 2-24为这类光耦驱动器与双向可控硅的典型电路,
在使用晶闸管的控制电路中,常要求晶闸管在 电源电压为零或刚过零时触发晶闸管,来减少晶闸管在 导通时对电源的影响,这种触发方式称为 过零触发,
过零触发需要过零检测电路,有些光电耦合器 内部含有过零检测电路,如 MOC3061双向晶闸管触发电路,图 2-25是使用 MOC3061双向晶闸管的过零触发电路,
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图 2-24 光耦与双向可控硅的典型电路
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图 2-25 MOC3061与双向晶闸管
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晶闸管常用于高电压大电流的负载,不适宜与 CPU直接相连,在实际使用时要采用隔离措施,图 2-26为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路,当 CPU
数据线 Di输出数字,1” 时,经 7406反相变为低电平,光耦二极管导通,使光敏晶闸管导通,导通电流再触发双向晶闸管导通,从而驱动大型交流负荷设备 RL.
图 2-26 双向晶闸管输出驱动电路
