开关量输出电路
第4章开关量信号的输入输出
智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出第四章开关信号的输入/输出1．开关和开关量信号的区别？开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装置，主要用于向单片机输入电平信号。
开关量信号就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个固定不变的电平信号。
在智能仪器中用于向单片机输入控制命令或数据，开关信号可以通过机械式开关、电子式开关、温度开关等方式产生。
2．开关量信号的特点是什么？只有开和关、通和断、高电平和低电平两种状态的信号叫开关量信号，在智能仪器的电子电路中，通常用二进制数0和1来表示。
1智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出3．开关量信号的作用？开关量输入、输出部分是智能仪器与外部设备的联系部件，智能仪器通过接受来自外部设备的开关量输入号和向外部设备发送开关量信号，实现对外部设备状态的检测、识别和对外部执行元器件的驱动和控制。
4．常见电子开关都有哪些？常见电子开关有：扳键开关、BCD码拔盘开关、磁性开关、光敏器件开关（光电开关、光纤开关等）、温度超限开关。
5.电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电流和开关的触点，这些信号经常会产生瞬时高压、过电流或接触抖动等现象。
因此为使信号安全可靠，在输入到单片机之前必须接入信号输人电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平转换和隔离保护等。
2智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出外界的开关量信号在一般情况下可直接连入以单片机为核心的智能仪器中。
但当外界的开关量信号的电平幅度与单片机I／O端口的信号电平不相符时（由于这些电平信号功率有限，加上外界还存在各种干扰和影响），应在电平转换后(采用各种缓冲、放大、隔离和驱动电路等措施），再输入到单片机的I／O端口上。
34.1开关量信号的输入开关量信号和单片机的电气接口有TTL电平、CMOS 电平、非标准电平、开关或继电器的触点等，请说明TTL电平和CMOS电平的特征？4TTL电平（晶体管-晶体管逻辑电平）,通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。
S7-300 通用型开关量输出扩展模块(SM322)技术规范及接线图
0.6 A
•40 - 60℃时
“1”信号允许
范
5 mA
围，最大
•“1”信号
最小负载电流
•“1”信号
允许的浪涌电 0.5 mA
流，最大
•“0”信号 残余电流，最大
输出总电流 ( 每组)
垂直安装位置 2A
•最高 40℃ 时，最大
水平安装位置
4A
•最高 40℃
时，最大
•最高 50℃
时，最大
3A
•最高 60℃
700000(120VAC，2A 时)100000(230VAC，2A 时)
数
3A 时)，
100000 (230VAC，5A
100000(230VAC，3A 时)
时)
继电器触点
的开关能力
3A；3A(230VAC)，2A 5A；5A(230VAC)，5A 2A；2A(230VAC)，2A (24VDC)
10 mA
10 mA
1A
1A
10 mA
10 mA
20A；最大 1AC 周期 20A；2 个半波
2 mA
2 mA
0.5 A 10 mA 20A；2 个半波
2 mA
1A
10 mA
10A；每组(2 个 AC 周期)
5 mA
2 mA
垂直安装位
置
4A
2A
•最高 40℃时，最大
4A
水平安装位
置
4A
2A
•最高 40℃时，最大
×
√
√；参数可赋 ×
值
绝缘
500 V DC 500 V DC 500 V DC 500 V DC 1500 V AC 1500 V AC
开关量采集电路原理
开关量采集电路原理开关量采集电路是用于检测和采集开关量信号的电路。
开关量信号是指只存在两个离散状态（通常是高电平和低电平）的信号。
开关量采集电路在工业控制、自动化、仪器仪表等领域广泛应用，常用于检测开关状态、控制电路、触发报警等。
开关量采集电路的原理是将开关量信号转换为相应的数字信号。
一般情况下，开关量信号通过接入电阻与电源相连接，当开关闭合或断开时，会在电路中产生一个高电平或低电平信号。
开关量采集电路需要对这个信号进行检测，并将其转换为数字信号输出。
一个简单的开关量采集电路可以由一个触发器、一个滤波电路和一个比较器组成。
首先，开关量信号经过滤波电路进行处理，以去除可能存在的噪声干扰。
滤波电路可以通过使用电容器和电阻器形成一个RC滤波器来实现。
该滤波器可以将信号的瞬时变化平滑化，以减少干扰。
然后，经过滤波后的信号进入比较器。
比较器是一个电路，它将输入信号与一个预设的阈值进行比较。
当输入信号超过或低于阈值时，比较器将输出一个相应的高电平或低电平信号。
这样，将开关量信号从模拟信号转换为数字信号。
在实际应用中，还可以使用微控制器或数字逻辑集成电路来实现开关量采集电路。
微控制器具有内置的数字输入/输出端口和专用的计数器/定时器功能，可以方便地检测和采集开关量信号。
数字逻辑集成电路可以使用逻辑门等元件来实现开关量信号转换功能。
除了基本的开关量采集电路，还可以根据具体需求添加其他功能。
例如，可以通过添加扩展电路和多路开关等元件来实现多个开关量信号的采集和控制。
此外，还可以通过添加光电隔离电路和电压隔离电路等元件来提高系统的稳定性和安全性。
总之，开关量采集电路的原理是将开关量信号转换为数字信号。
通过滤波电路去除噪声干扰，比较器将模拟信号转换为数字信号。
根据具体应用的需求，还可以添加其他功能来满足系统的需求。
开关量采集电路在工业和自动化控制领域具有重要的应用价值。
开关量输入输出电路
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只要通过软件使并行口的PB0输出 “0”，PB1输出“1”，便可使与非门 H1输出低电平，光敏三极管导通，继电 器KM被吸合。
在初始化和需要KM返回时，PB0=1， PB1=0
设置反相器B1及与非门H1而不将发 光二极管直接同并行口相连，一方面是因 为并行口带负载能力有限，不足以驱动发 光二极管，另一方面是因为采用与非门后 要满足两个条件才能使KM动作，增加了 抗干扰能力。
开关量输入、 输出电路
五、开关量输入及输出
基本功能：将测控对象需要的状态信号引入微机系统，并将CPU送出的数 字信号或数据进行显示、控制或调节。
（一）开关量输入电路
包括：断路器和隔离接头等输入、外部装置闭锁重合闸触点接入、装置上连接片位置输 入等回路。
对于从装置外部引入的 接点，当S1接通时，有电流 通过光电掐进的发光二极管 回路，使光敏三极管导通。 S1断开时，光敏三极管截止。 因此，三极管的导通与截止 完全反应了外部接点的状态。
五、开关量输入及输出
（二）开关量输出回路
包括自动装置的跳闸出口及信号，一般采用并行接口的输出来控制有接点继 电器。为了提高抗干扰能力，也经过一级光电隔离。
1、安装在装置面板上的接点。包括在装置调试时用的或运行中定期检查装 置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。
2、从装置外部经端子排引入装置的接点。如需要由运行人员不打开装置外 盖在运行中切换的各种压板、转换开关及其他装置和操作继电器。
五、开关量输入及输出
（一）开关量输入电路
对于装在面板上的接点， 可直接接至微机的并行口， 只要在可初始化时规定图中 可 编 程 的 并 行 口 PA 0 为 输 入 端，CPU就可以通过软件查 询，随时知道外部接点S1的 状态。
plc开关量的输入输出接线方式
PLC开关量输入／输出单元的接线方式核心提示：1．输入接线方式按PLC的输入单元与用户设备接线方式的形式可分为汇点式输入接线和分隔式输入接线两种基本形式，如图1.12所示。
汇点式输入接线是指输入回路有一1．输入接线方式按PLC的输入单元与用户设备接线方式的形式可分为汇点式输入接线和分隔式输入接线两种基本形式，如图1.12所示。
汇点式输入接线是指输入回路有一个公共端（汇集端）COM，它可以是全部输入点为一组，并共用一个公共端和一个电源，如图1.12 (a)所示的直流输入单元，其直流电源由P LC内部提供。
汇点式输入接线方式也可以采用将全部输入点分为Ⅳ组，每组有一个公共端和一个单独的电源，如图1.12 (b)所示。
汇点式输入接线方式可以用于直流，也可以用于交流输入单元，交流输入单元的电源由用户提供。
分隔式输入接线方式如图1.12 (c)所示，它是将每个输入点单独用各自的电源接入输入单元，在输入端没有公共的汇点，每个输入器件是隔离的。
2．输出接线方式根据输出单元与外部用户输出设备的接线形式不同，输出接线方式可分为汇点式输出和分隔式输出两种基本形式，如图1.12 (d)所示。
可以把全部输出点汇集成一组共用一个公共端COM和一个电源；也可以将所有的输出点分成Ⅳ组，每组有一个公共端COM和一个单独的电源。
这两种形式的电源均由用户提供，可根据实际负载确定选用直流或交流电源。
图1.12 输入／输出接线3．开关量输入单元的接线方式说明PLC的输入端用于连接按钮开关及各类传感器。
这些器件的功率消耗都很小，一般可以采用PLC内部电源为其供电，也可以由外部设备供电。
图1.13所示为FX系列PLC的输入／输出端开关量信号的接线示意图，PLC开关量输入端的接线说明如下所述。
(1)图中·表示空端子，勿接线。
(2)如图1.13 (a)所示，PLC输入端的XO～X3采用汇点式接线方式。
(3)图1.13 (b)中的XO和X1接入传感器信号，其中XO端的传感器采用PLC内部的24VDC工作电源供电，XI端的传感器采用外部电源为其供电。
第三节开关量输入输出电路
第三节 开关量输入输出电路
微机继电保护装置在运行时， 微机经常需要接收或发送一些以开
关量形式出现的控制信号。 在接收这些开关量信号时， 微机不能直接 接收， 而是必须经过专用的开关量输入电路转换成微机接口元件可接
收的电平信号之后， 才允许进入微机； 而在微机发送出这类开关量信 号时， 这种数字信号也不能直接去驱动相关的执行元件， 而是将这种
输出的数字信号经过专用的开关量输出电路转换成模拟电压信号后， 才能驱动相应的执行元件，完成微机发出的继电保护命令。
一！一 ９
太原理工大学硕士学位论（
第二 章
一．开 输入，路 ‘ 关最 １ １ ．
１ ．输入开关最
Ｉ微机输入的开关吊即触点状态的输入信 号 ｝ ｄ 通常司分为内部开
关鼠和外部开 关鼠两类
０ 内部汗关吊： 少 反映安装在微机继电保护装置内部的触奴状态的开
关量， 称为内部开关量。 对十这一类的触点状态包括起动继电器
触点的状态，例如，当线路发生故障时，起动继电器动作，Ｓ触 ｝
作状态。
对于从微机继电保护装置外部引入的开关量触点状态， 如果也按
上述方式引入， 将给微机带来干扰信号， 因此应采用光电祸合隔离技
术将开关量回路 与 微机并行接口回路隔离后， 再将开关量信号接入微
机并行接口上。
一！ ９一
太原理工戈学硕士学位论文
第二 章
一 开关最 输出Ｉ路 Ｌ ！
在微机继电保护装置中， 山微机发出的汗关量形式的数字信 号上 要是保护跳闸及具它控制信 号， 这类数字信 甘一般是经过专川开关最 输出电路将数字信 号转换成模拟电压信 号后 刁 去驭动相应的执行 能
开关量输入输出模块
开关量输入输出模块（ELM-25-01）1 模块结构框图和功能描述模块结构框图如图：开关量模块功能由三部分组成：四个8421拨码盘，8位LED发光管和8个拨码开关。
模块的译码控制电路由两片74138来完成。
74HC245和74HC574分别是输入输出锁存器。
2 各模块原理图2.1 8421拨码盘图ELM-25-01-02 8421拨码盘原理图8421拨码盘使用：拨码盘有四个。
左边两个DA1和DA2受同一输入缓冲芯片U1控制，DA1输出为8位的高四位，DA2为8位的低四位输出。
右边两个DA3和DA4受U2控制。
DA3为8位的高四位输出，DA4为8位的低四位输出。
U1和U2的片选地址不同。
8421拨码盘盘面中间有一可调节旋钮，对应刻度为0～9、A～F。
使用时，拨动旋钮的指针指向某一刻度，则与拨码盘相连的8、4、2、1 四个插孔分别由高到低地输出该刻度的8421编码值。
例如，当指针指向5时，四个插孔输出“0101”。
2.2 LED指示灯原理图图ELM-25-01-03 LED指示灯原理图LED指示灯：指示灯L0～L7受驱动芯片U3控制。
可以显示8位的单片机数据输出。
L7指示最高位，L0指示最低位。
接通电源后指示灯常亮。
2.3 拨动乒乓开关原理图图ELM-25-01-04 拨动乒乓开关原理图乒乓开关使用：乒乓开关G0～G7为开关量8位输出。
G7为最高位，G0为最低位。
当开关拨到上面为开，拨到下面为关，输出受U4控制。
3 模块器件分布及说明ELM-25-01-05 模块器件分布图J2：总线插槽J3：电源插槽，从左向右依次为VCC，VCC，GND，GND。
当接通电源时LED1指示灯亮。
若芯片U13不焊且J12跳线连上，则本系统工作电压为+3.3V，否则为+5V。
J4，J5，J6，J7：当1，2脚短接时，表示其对应芯片的使能段均为高电平，即芯片不工作，逻辑编程由FPGA实现,信号由PR1，PR2，PR3，PR4接入；当2，3脚短接时，则工作在总线方式。
开关量输入╱输出电路
开关量输入/输出电路一、开关量的隔离与抗干扰1、开关量的隔离（1）隔离的作用隔离的主要作用是：使低压输入电路与大功率的电源隔离；外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰；多个输入电路之间的隔离。
（2）开关量的隔离方法常用的开关量的隔离方法主要有以下方式。
○1光电隔离。
（图3－28 光电耦合器原理接线图）○2继电器隔离。
（图3－29 采用继电器隔离的开关原理接线图）○3继电器和光电耦合器双重隔离。
2、抗干扰软件抗干扰措施主要是适当增加延时，以躲开触点抖动的影响。
二、开关量的采集、检测与变位识别1、开关量的采集方式（图3—30 中断申请电路图）当开关状态发生变化时，由于Q端仍保持原状态，D、Q异或的结果使输出由低电平跳变为高电平，通过非门变成低电平向CPU申请一次中断。
当CPU 响应中断以后，发出INTA信号使触发器触发。
D、Q状态趋于一致，异或门输出又成为低电平。
2、开关动作的检测把3次采样的开关量用A、B、C三个布尔数来表示，从中任取出两个进分“与”运算，如果其中有两个或两个以上为“1”，则运算结果必定有一个为“1”；反之，若有两个或两个以上为“0”，则运算结果必定全为“0”。
另外，再根据“或”运算的规则，在N个数中只要有一个是“1”，则运算结果必定是“1”；只有当N个数全为“0”时，结果才为“0”。
可以把三取二表决的算法用以下逻辑算式来处理（A·B）＋（B·C）＋（C·A）（3－15）3、开关变位的识别开关量的状态通常用一位二进制数来表示，例如用“1”代表闭合，用“0”代表断开。
变电所的开关量数目很多，为了简化分析，下面只对用一个字节的二进制数表示的8个开关状态进行分析，但所得到的结论具有普遍的意义。
○1现状○＋原状，若有变位则该位为1；若无变位，则该位为0。
○2（现状○＋原状）∧原状，若为1，则该位由1→0。
○3（现状○＋原状）∧现状，若为1，则该位由0→1。
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开关量输出电路的设计如图，单片机输出高电平信号时，NPN管Q导通，在光电耦合器SW-GD(型号为4N25)中的发光二级管发光，三级管导通。
此时，NPN基极产生高电平信号，使NPN管Q导通。
继电器J即得电产生动作，触点J闭合，接通负载的通电回路，负载可以是指示灯和电磁阀线圈等，继电器D为续流保护的作用。
单片机控制的I/O口和继电器之间用光电耦合器进行了隔离，这样，由于继电器通断所造成的电火花和电弧就不会影响到单片机系统了。
如果是电感类负载如电磁阀线圈，图中FA，最好在电磁阀线圈两侧并接压敏电阻，压敏电阻是一种非线性电阻性元件，它对外加的电压十分敏感，外加电压的微小变动，其阻值会发生明显的变化，因此电压的微增量可引起大的电流增量。
当有电压（当电压达到临界值以上）时，压敏电阻即迅速变为低阻抗（响应时间为毫微秒数量级），电流急剧上升，电阻急剧下降，过电压以过电电流的形式被压敏电阻吸收掉，相当于过电压部分被短路。
当浪涌过电压过后，电路电压恢复到正常工作电压，压敏电阻又恢复到高阻状态。
可以利用压敏电阻的上述特性来吸收各种干扰过电压。