技术指南:数字I/O技术

目的
概述下列数字I/O技术在数据采集(DAQ)领域的应用:

  • 上拉与下拉电阻
  • 从TTL到固态继电器
  • 分压器
  • 低通滤波器

适用人群
本文档适用于配置和操作DAQ系统中数字输入/输出通道的用户。

基本原理
上拉与下拉电阻s
设备上电或复位时,数字I/O引脚通常被设计为高阻态输入。输入端可获取的驱动电流应足够驱动外部连接设备,如固态继电器(SSR)。

为避免不必要的开关切换,并使数字输出在上电或复位后处于已知、安全的状态,可用上拉或下拉电阻将所有数字引脚拉高或拉低。

上拉电阻
在上拉配置中,I/O导线通过电阻连接至逻辑电源。

当数字I/O设备复位时,会进入高阻态输入模式,I/O导线被拉高。

数字I/O设备和附属设备都会感应到高电平信号。输出模式下的电路板有足够功率覆盖上拉电阻的高电平信号并驱动导线电压降低至0V。

 

下拉电阻
在下拉配置中,I/O导线通过电阻连接至逻辑地。

当数字I/O设备复位时,会进入高阻态输入模式,I/O导线被拉低。

数字I/O设备和附属设备都会感应到低电平信号。输出模式下的电路板有足够功率覆盖下拉电阻的低电平信号并驱动导线电压升至5V。

Pull-up Resistor Pull-down Resistor

MCC基于USB的数字I/O设备设计有内置拉电阻。

从TTL到固态继电器(SSR)
许多应用要求数字输出来控制交流与直流高电压的开关,以及监测交流与直流高电压的通断。然而,高电压不能被设备的TTL数字线路直接控制或读取。使用SSR可以控制与监测交流与高压直流信号,并提供高于1000V的隔离。当与交流或高压直流信号相连时,我们建议您使用SSR。

使用SSR最方便的方法是将其安装到一个接口支架上 --- 一个电路板(带有SSR底座和足够切换SSR的缓存放大器)。SSR支架可从MCC及绝大多数SSR制造商获取。更多关于SSR与MCC可获取支架的信息,请前往我们的 信号调理网页。

分压器
当检测一个共地信号时,如果其变化范围超出数字输入的最大输入规格,不妨考虑使用分压器或其它外部设备,将输入电压衰减至安全范围内。注意,这种方法不提供隔离。

欧姆定律指出:电压 = 电流 * 电阻

在分压器中,电路中任一电阻两端的电压正比于其阻值占电路总阻值的比例。

使用分压器的目的是选择两个阻值比例恰当的电阻,以达到期望的输入电压衰减比例。

Voltage divider

图3. 分压器原理图

按比例降低电压被称为“衰减”。可变衰减是期望输出电压(最大设备输入电压)和现场设备全部输入电压之间的比例差。衰减比例计算公式为

衰减比例 = (R1 + R2)/R2

例如,如果场电压在0V至10V变化,而您期望用5V的最大设备输入电压来检测它,那么衰减比例必须为2:1或简写为2。

2 = (10K + 10K) / 10K

对于给定的衰减比例(A),选取一个方便的电阻R2,然后用此公式计算R1:

R1 = (A – 1) * R2

数字输入经常需要分压器。例如,检测一个在0V关闭,24V启动的场信号时,您不能直接将其连接至绝大多数电路板的数字输入端(MCC PDISO系列除外)。启动电压必须衰减至最高5V,衰减比例为24:5或4.8。假定R2为1 kOhm,可使用以上公式选取合适的R1数值。请记住,TTL输入电压大于2.5V即被认定为高电平。

计算分压电路中的功耗
根据下列等式,电阻R1和R2将消耗分压电路中的全部功率:

电流 = 电压 ÷ 电阻

阻值(R1 + R2)越大,分压电路的功耗则越低。简单规则如下:

  • 衰减比例小于等于5:1,所有电阻阻值应大于等于10 kOhm。
  • 衰减比例大于5:1,所有电阻阻值应大于等于1 kOhm。

用低通滤波器实现输入去抖
输入信号可能受生成监测信号的电路中外部器件的噪声干扰。外部器件通常是一种机械开关。

为削弱噪声,可在信号源和数字设备之间的信号线上使用低通滤波器。低通滤波器将阻止高于截止频率的信号进入数字设备的数字输入端。

截止频率意味着随时间变化的电压信号的频率高于此频率时,则无法进入电路。例如,如果一个低通滤波器截止频率为30Hz,来自电线电压的干扰(60Hz)将最大限度地被滤除。然而,25Hz的信号则以较少的衰减通过。

在数字电路中,低通滤波器可能会用于开关或外部继电器输入的去抖和滤波。如果开关/继电器耦合为水银弹簧开关,则更易于在关闭时发生短暂抖动,产生脉冲噪声信号。

下图展示了由一个电阻(R)与一个电容(C)构成的简单低通滤波器。

Low-pass filter

图4. 低通滤波器原理图

截止频率由以下公式计算:

Fc = 1/(2πRC)

π = 3.14...
R = ohms
C = farads
Fc = 截止频率(c/s)

R = 1/(2πCFc)


更多信息
如果您有任何疑问或想要获取更多信息,请联系Measurement Computing Corporation。

更多技术指南可在我们的数据采集技术文章网页上获取。