数字逻辑电路分析实例分享

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：由于开关信号只有两种逻辑状态信号“1”和“0”，但是其电平一般与计算机的数字电平不相同，与计算机连接的接口只需考虑逻辑电平的变换以及过程噪声隔离等设计问题，其接口结构如图5-37所示，它主要有输入缓冲器、输入隔离与电平转换电路和地址译码电路等组成。图5-42 开关信号输出逻辑电路图

这里介绍开关量I/O逻辑控制电路。

在机电一体化控制技术中，经常用到数字量输入/输出信号。这些信号如：TTL电平、CMOS电平、非标准电平，实际中应用的开关的接通与断开，指示灯的亮与灭，继电器或接触器触点的吸合与释放，电动机的起动与停止，阀门的打开与关闭等，这些信号的共同特征是以二进制的逻辑“1”和“0”出现的。在机电一体化控制系统中，对应的二进制数码的每一位都可以代表生产过程中的一个状态，这些状态作为控制的依据。输出信号常要求有一定的驱动能力。工业现场存在着电磁、振动、温度和湿度等各种干扰与影响，因此，在开关量输入/输出通道中需采取各种缓冲、隔离与驱动措施。

1.开关信号输入接口

开关信号输入接口的任务是将来自控制过程的开关信号、逻辑电平信号以及一些系统设置开关信号传送给计算机。这些信号是不同电平的数字信号，简称为数字输入信号（DI）。由于开关信号只有两种逻辑状态信号“1”和“0”，但是其电平一般与计算机的数字电平不相同，与计算机连接的接口只需考虑逻辑电平的变换以及过程噪声隔离等设计问题，其接口结构如图5-37所示，它主要有输入缓冲器、输入隔离与电平转换电路和地址译码电路等组成。

图5-37 开关信号输入通道接口结构图

（1）输入隔离及电平转换

在机电一体化系统中。机械开关信号一般为强电信号，必须使强电部分与弱电部分的计算机系统在电气上隔离开来，以消除瞬时高压、过压等现象，以提高系统的抗干扰能力。另外，开关信号的电平通常不是TTL电平，要使中央处理器（CPU）能接收信号，必须进行变换。实现这种信号变换隔离的电路如图5-38所示，它采用光耦合器实现光电转换及公共地线的隔离。

在机电一体化系统中，经常使用按钮、多位开关、接触器、继电器等，它们常常是开关量的输入源，由于这类开关大都是机械开关，当开关触点闭合时，在达到稳定之前会产生短暂的抖动，弹跳抖动的时间一般可达数毫秒。计算机对开关信号采样时，必须消除这种抖动，否则会造成错误。消除抖动可采用软件和硬件两种方法解决。软件的方法是经过延时、采样方法，采样一直进行到两个采样值相同为止，延迟时间应比抖动时间长；硬件方法是在接口电路中加一防抖动电路，如图5-39所示是双向消抖动电路。由两个与非门组成RS触发器，把开关信号输入到RS触发器的一个输入端A，当抖动的第一个脉冲信号使RS触发器翻转时，D端处于高电平状态，故第一个脉冲消失后RS触发器仍保持原状态，以后的抖动所引起的数个脉冲信号对RS触发器的状态无影响，这样就消除了抖动。

图5-38 光耦合信号变换隔离电路

图5-39 双向消抖动电路

（2）开关信号输入接口

图5-40为实现四路过程开关信号和四路系统设置开关信号输入接口电路原理图。过程开关或电平信号通过光隔离器IC₁（TLP-521—4），进行电平转换后，与系统设置开关信号一起进入三态隔离缓冲器IC₂（74LS244）中，通过地址接口控制与数据总线相连接。CPU需执行一条接口输入指令，即可通过总线隔离器将P₀～P₃和S₀～S₃的八个开关信号的状态读入。在计算机控制系统中，需要设计的系统设置开关有“硬手动—软手动开关”“正反作用控制开关”“控制方式选择开关”等。

图5-40 开关信号输入接口电路图

2.开关信号输出接口

（1）开关信号输出接口组成

开关信号输出通道实质是数字输出通道，简称DO通道。其作用是将计算机逻辑运算处理后的开关信号传递给开关执行器（如继电器或报警指示器）。接口设计主要考虑的是内部与外部公共地隔离和驱动开关执行器的功率。输出通道接口主要由输出锁存器、输出驱动器、输出接口地址译码电路等组成，如图5-41所示。

图5-41 开关信号输出接口框图

（2）开关信号输出逻辑电路

如图5-42所示为开关信号输出的逻辑电路图。CPU只需执行一条输出指令，即可把逻辑数字信号写入到输出锁存器IC₂（74LS273）中，其锁存器的锁存控制信号由地址线通过IC₁译码器输出与信号相或后得到。锁存器的输出通过IC₃和IC₄使发光二极管（LED）亮或灭。对应的输出位D_i为“1”时，发光二极管亮，反之为“0”时，发光二极管灭，以此指示计算机控制系统的运行状态。系统工作状态常需要设置的有手动状态“M”，自动状态“A”，串级（外给定）状态“C”，故障状态“F”等。系统信号报警状态常需要设置的有信号低报警状态“AL”和信号高报警状态“AH”，其“F”“AH”和“AL”信号通过光隔离功率放大器输出，以便能驱动更大功率的开关执行器报警（如声报警等）。没有连接LED的输出可作逻辑控制输出接口使用。

光隔离功率放大器已有集成电路，常用的光隔离功率输出器件MOC系列有两种输入电平（集电极开路电平和TTL电平）的接口电路图，可作为开关输出接口的隔离功率驱动器，在图5-42中应采用集电极开路电平输入的电路。如果驱动能力还不能满足开关执行器的要求，可在后面增加更大的功率放大电路。

图5-42 开关信号输出逻辑电路图

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