arduino数字端口输出电压可驱动多大继电器呢_「白皮书」数字信号与脉冲序列调理...

脉冲序列调理数字信号

数字IO接口

数字信号

数字信号通信是计算机与外设、仪器等电子设备之间最常见的通信方式，因为它是计算机工作的基本要素。在输入计算机并进行处理之前，必须将任何信号转换为数字信号。

当数字信号流入或流出系统时，或单个信号或一串脉冲，只能通过单个端口或多个平行端口，平行端口上的每个信号线代表字符中的一个bit。计算机的数字输出信号线通常用于控制继电器，间接控制其他设备的开关。类似地，数字输入信号线可以代表某个传感器或开关的两种状态之一，而一串脉冲序列可以指示某个设备的当前位置或瞬时速度。继电器或其他固态设备可以输入信号。

大电流、高压数字IO

超出计算机内部处理范围的电压或电流可通过继电器控制，但信号或状态的响应速度受线圈频率响应和触点运动的限制。同时，当电感负载从闭合切换到断开时，必须抑制两端的反向自感电势，并将续流二极管连接到负载两端，为脉冲电流提供释放能量的通路。如果没有这个二极管，继电器两端的电弧会缩短其使用寿命(见图11.01)。

TTL和CMOS设备通常用于连接高速低压信号，例如速度或位置传感器的输出信号。但是在需要用计算机去激励继电器线圈的应用中，TTL或CMOS设备可能无法满足电压和电流的要求。因此，需要TTL一级缓冲连接到信号和继电器，以提供30V，100mA驱动能力。

该系统的一个例子用于数字IO仪器板卡，板载放大/衰减单元，由一个PNP晶体管、续流二极管和电阻.02)。控制标准24V继电器需要从外部引入24V电源。内部TTL输出高电时，三极管导通，输出低电平(约0.7V)；TTL输出低电时，三极管进入截止区，输出被拉到24V。由于继电器线圈是感性负载，因此在开关切换过程中需要连接一个续流二极管来保护继电器。

图11.03演示了高压数字输入的降压电路。TTL高达48V电压。高压信号接入电阻分压电路并衰减。选择电阻值适当的电阻R，用于处理不同程度的高压信号。.04中的表格提供了一些常见的解决方案。

数字输入

计算机处理数字输入的方法多种多样，既困难又容易。本章简要讨论了软件触发、单字节读取、硬件控速、数字输入、外部触发、数字输入。

数字输入的异步读取

当计算机定期采样数字引脚时，需要使用软件触发的异步读取方法。有时，读取数字输入的速度和时间非常重要，但很难保持软件触发的单字节读取间隔的稳定，特别是当应用程序在多任务操作系统下运行时，例如PC机上运行。原因是读取间隔受计算机运行速度等并发任务的影响。读取间隔的不稳定可用软件定时器进行补偿，但是小于10ms时间分辨率在PC很难保证。

同步读取数字输入

一些系统提供数字输入读取方法，用户可以设置数字输入端口的读取频率。例如，一个系统可以使用100kHz读取16位频率IO有些系统可以达到1MHz的速度。读取硬件控制的最大优点是比软件快得多。最后，该设备可以在读取模拟输入的同时读取数字输入，使模拟输入与数字输入的数据密切相关。

数字输入的外部触发读取

一些外部设备以独立于数据采集系统的速率生成比特、字节或单词的数据。读数只能在新数据可读时进行，而不是以预设的速度读数。因此，这些外部设备通常采用信号交换技术进行数据传输。当新事件发生时，如外部数据就绪或门控信号输入，外部设备在单个信号线上产生电平翻转。数据采集系统必须具，数据采集系统必须具有外部信号控制的输入锁定功能。这样，一个逻辑信号交给主控计算机，提示新数据准备就绪，可以从锁定器中读取。

例如，一个以这种方式工作的设备，其六条控制信号线中的一条线用于通知外部设备主机正在读取输入锁中的数据。此动作使外部设备能够保持新数据，直到读取完成。

数字隔离

由于各种原因，数字信号往往需要被隔离，如保护系统的一端免受另一端随时可能损坏的高压信号，使两个设备之间的正常通信或确保医疗应用中用户的安全。光耦是常见的隔离方案。光耦包含一个用于发射数字信号的LED或激光二极管，以及用于接收信号的光电二极管或光电三极管(见图11.05)。虽然光耦体积小，但可隔离500V高压，这种技术还可以用于控制并监控不共地的设备。

脉冲序列信号调理

在许多测量频率的应用中，脉冲信号被计数或与固定的时基单元进行比较。脉冲也可以作为数字信号，因为只有上升或下降。在许多情况下，脉冲序列甚至可能来自模拟信号源，如电磁拾波器(magnetic pickup)。

例如，广泛应用于数据采集系统的频率采集卡提供四个频率输入通道，包括两个独立的前端电路，一个用于数字信号输入，另一个用于模拟信号输入。采集卡将数字输入分为不同的逻辑状态，将模拟输入转换为纯数字脉冲序列，随时间变化。

图11.06演示了原理框图：模拟输入和信号调理两部分。前端RC网络提供高于25的交流耦合Hz信号通过。可调的衰减器降低了波形的整体范围，削弱了不必要的低压噪声。当需要使用来自继电器闭合时的脉冲序列时，此电路单元为用户提供了软件可配置去抖时间的功能。数字电路监控被调节的脉冲序列，保持高电平或低电平。如果没有抖动，信号中的额外边缘会导致频率读数过高和不稳定。

大量传感器输出调频信号，而不是调幅信号。例如，用于测量旋转和流体流速的传感器通常属于这一类。光电倍增管(photomultiplier tubes)带电粒子探测器(charged-particle detectors)常用于测量和输出频率信号。原则上，这些信号也可以使用AD但这种方法会产生大量冗余数据，使分析工作难以进行。频率测量的直接效率要高得多。

频率 - 电压转换

数据采集系统可以通过多种方式测量频率：连续AC信号或脉冲序列得分，与频率成比例DC电压，或用AD将交流电压转换为二进制数字信号或数字脉冲计数。

脉冲序列积分

单通道转换技术常用，模块化信号调节：输入脉冲积分，输出与频率成比例的电压信号。首先， AC通过一系列电容耦合过滤超低频和DC重量，每次输入信号通过零，比较器产生恒定宽度的脉冲，脉冲通过低通滤波器等积分电路，然后输出变化缓慢的信号，与输入信号频率成正比（见图11.08)。

频压转换器响应时间较慢，约为低通滤波器截止频率的倒数。截止频率必须远低于待测信号频率，并足够高，以确保所需的响应时间。如果待测信号频率接近截止频率，明显的纹波将成为一个严重的问题，如图11所示.09所示。

外部电容决定了特殊频压转换IC时间常数使电路可以在更宽的频率范围内测量信号，但当频率发生变化时，电容器也必须发生变化。不幸的是，频压转换器的频率低于100Hz由于截止频率低于10，性能很差Hz低通滤波器需要超级电容器。

数字脉冲计数

另一种用于测量数字脉冲或数字脉冲AC耦合模拟信号频率技术DC电压，类似于上面提到的积分法，只是在这里DC电压来源于DAC。前端电路将输入的模拟或数字信号转换为纯脉冲序列，使其进入DAC以前不会有继电器毛刺、高频噪声等多余信号(见图11.10)。

例如，模拟输入通道前置低通滤波器的标准数据采集卡可设置为100kHz、300Hz或30Hz，测频范围1Hz至100kHz，信号峰峰值50mV至80V。数字输入部分直流耦合TTL电平的施密特触发器，可测量0.001Hz至950kHz，±15VDC的信号。继电器或开关应用通常具有上拉电阻。

频率分辨率取决于用户可配置的最小脉冲宽度。频率可以从测量的周期数据中转换，然后根据频率值进行控制DAC将相应的模拟信号输出到数据采集系统，信号流入DC调节电路，最后软件将电压转换为频率值。该方法可以测量宽幅值和频率范围的信号，并快速响应。最好匹配程序可控频率量程ADC量程，提高测量性能。

DAC输出范围±5V，用户配置的最低频率对应-5V，最高频率对应 5V。事实上，用户可以随意配置频带范围，如500Hz-10kHz、59.5Hz-60.5Hz。但ADC无论频宽如何，固定为12位分辨率-5V至 5V按比例将电压分为4096级，因此设置的频宽越窄，频率分辨率越高。例如1Hz的频宽划分为4096份，分辨率高达1/4096Hz(0.00244Hz)，而100Hz分辨率降至24.41Hz。

虽然分辨率在不同量程下是固定的12位，但测量速度不同。从1Hz电压转换时间为自定义频率上限2-4ms，最长不超过输入信号的周期。0至10kHz范围内的信号更新率为2-4ms；0至60Hz，则需要16.6ms。比如49到51，输入量程越来越窄Hz，处理12位分辨率Hz带宽消耗的时间越来越长，转换时间约为59ms。

除低通滤波器外，内置的迟滞功能还可以防止高频噪声引起的错误计数。软件可以将抖动时间配置为0.6ms至10ms，用于处理开关、继电器等机电设备的切换状态会产生毛刺的设备。

基于门控脉冲计数的频率测量

门控脉冲计数相对于频压转换法精准度更高。门控脉冲计数法记录在指定时间内出现的脉冲个数，除以计数时间即频率值，频率误差可以低至计数时间的倒数，例如以2s作为计数时间，频率误差低至0.5Hz。

许多数据采集系统包含TTL电平兼容的计数器/定时器IC，可以产生门控脉冲、测量数字输入，然而并不适用于未经调理的模拟信号。所幸多数频率输出设备可以输出TTL电平。有些产品上的一个计数器/定时器IC，包含了5个计数器/定时器，而且通常使用数据采集系统的内部晶振，或外部晶振。这些IC通常使用多个通道配合完成计数功能，每路通道都包含一个输入部分，一个门控部分和一个输出部分。最简单的计数只需使用输入部分，PC以一定的周期读取计数值并复位计数器，这种方法的不足之处是读取周期不确定，函数执行过程中突然出现的情况可能随时启动或停止计数。另外，延时函数，例如延时50ms，依赖于不精确的软件定时器。这两点原因致使计数时间较短的频率测量毫无意义，但是，这种技术足以应对计数时间超过1秒的频率测量。

门控信号控制着计数时间，所以改变门控信号可以获得更高的精准度。这样，频率测量就变得与软件方面的时间问题无关。可以配置门控信号，在其高电平时才进行脉冲计数。同样的，也可以配置成在检测到一个脉冲时开始计数，检测到另一个脉冲时停止计数。

这种方法的一个缺点是需要额外的计数器用于控制。但在多通道频率采集的应用中，一个计数器可以控制多个通道。例如在5个通道的系统中，4通道用于计数，1通道用于控制。

计时应用

计数器/定时器同样可用于需要计时/定时的应用场合。将连接至输入通道的时钟信号作为门控信号是不错的选择，当信号为高电平时，使能计数。同样的方法可用于测量两个脉冲之间的时间间隔，只需配置成在第一个脉冲到来时开始计数，下一个脉冲到来时停止计数。

由于16位计数器在计数到65535时，即将发生溢出，所以以1MHz的时钟频率计数时，可测脉宽不超过65.535ms，更宽的脉冲将会导致计数器溢出，除非降低时钟频率。

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