电路的三种状态是指有三种工作状态i=o是什么状态

待解决问题&
电路的基本物理量(I、V、P)、电路的三种工作状态(短路、开路、带载)。
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更新时间: 14:12
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为您的数字输出传感器选择合适的工业数字I/O模块
数字输出传感器与数字信号驱动的其它激励器一样,常用于各类工业应用中。我们可很容易的找到数字输出的各类传感器,包括温度、流量、压力、速度等,它们具有各种格式的数字信号输出。本文中,我们首先按照输出信号特性与电路接口两个方面对数字输出传感器进行分类,然后讨论选择数字I/O模块时需要考虑的关键参数。
1. 数字输出传感器介绍
数字传感器是一种仅产生二值输出的传感器,相比于模拟输出传感器输出一定范围内连续变化的值,数字输出仅为“0”或“1”。数字传感器最简单的例子是触摸开关。典型的触摸开关是一个无限电阻的开路电路,当按下开关后则变为阻抗为零的电路。
连接数字传感器时,我们需要着重考虑涉及传感器与数据采集设备的兼容性问题。本文接下来将讨论所涉及的关键问题,并提供数据采集设备选择中的简单解决方案。
2. 数字输出传感器的分类依据:
数字输出传感器可以依据下列参数分类:
3. 传感器输出信号的特性
随着技术发展,各类复杂的数字传感器不断进入市场。现在的传感器可以生成开状态与关状态间的一系列转换,并通过频率特性甚至脉冲列形状实现测量,从而使连续测量成为可能。
图1是按照驱动信号特性分类的数字输出传感器。可以发现,其中45%的传感器基于开关状态;35%的传感器基于信号频率;12%是基于输出频率占空比2。
图1 – 数字输出传感器 – 特性传递测量2
传感器测量的信号特性是选择工业数字I/O模块的首要考虑参数。尤其要考虑是否需要选择带有计数器的数字I/O模块。
4. 灌/拉输出
灌、拉是定义控制直流电流在负载中流向的术语。
灌电流设备: 提供电流至接地端的通路,和设备供电无关。描述灌电流设备的术语有: NPN、集电极输出、常高及IEC负逻辑。
拉电流设备: 拉电流设备提供电源或正电压。该类设备从负载上拉电流。描述拉电流设备的术语有:PNP, 发射极输出, 常低及IEC正逻辑。
灌和拉是与实现操作的元器件(如晶体管、机械继电器等)独立的概念。它适用于任何DC电路,而实现电路的元器件可能各异。
图2. 灌电流输出传感器
图3. 拉电流输出传感器
5. 2-线与3-线传感器
第三种分类方法很重要,尤其在定义传感器“0”状态与“1”状态电压与电流间的关系。传感器可分为2线或3线设备,如下:
2线传感器:与采集数据的设备串口连接。
图4 – 2线传感器
传感器处于非工作状态下,必须汲取最低工作电流,通常称为关状态泄漏电流,有时也被传感器制造商称为漏电流,它是传感器内部的电子流动。如果与数据采集设备以外的负载直接连接,漏电流的存在将无关紧要,例如在工业环境下通常不会将2线传感器与电机或类似的低阻抗设备直接连接。
如果传感器的漏电流高于数字I/O模块可承受的范围,那么电路将出现问题。此时的数字I/O模块可能误识别“1”状态,因为汲取的电流将高于预期电流。多数2线工业传感器都有大约1.7 mA的关状态泄漏电流,或称漏电流。
与“0”状态类似,也存在维持On状态的最小电流,称为最小维持电流。通常该电流在3 mA至20 mA之间。如果数字I/O模块不能灌拉该电流,传感器将不能正常工作。
3线传感器:3线传感器从激励端获得电流,而非直接从数字输出端。这类传感器也被制造商称为线供电传感器。
图5 – 3线传感器
此类设备从数字I/O模块获得的操作电流被称为负载电流,一般为20mA。值得注意的是,该电流由激励端提供。
6. 实现传感器输出的电子元件
通常有三种电子元件驱动信号输出传感器的输出:
机械继电器;
双向FET设备 ;
机械继电器:机械继电器是一种机电设备,通过闭合接触来连通电路,或断开接触从而断开电路。此类设备能够处理高电压下的电流负载。
由于机械继电器与固态继电器相比是一种响应较慢的设备,所以常用于电路状态为信号驱动输出特性的传感器。这类设备会受到接触磨损及阻抗的约束,它们的使用寿命取决于负载电流大小及使用频率。在与计数器和数字I/O模块的连接中,有时可能因为接触反弹而造成不可预知的结果。
晶体管:晶体管是一种固态设备,用于控制直流电流。晶体管常在低功率传感器中作为输出开关。有两种类型的晶体管 – NPN和PNP。
图6显示的NPN(灌电流)开集晶体管
图6 – 传感器NPN输出
双向FET设备:市场上许多光敏器件的输出都采用了双向FET输出构架,如图7。该构架具有许多优势,但最重要的一点是它能够直接与TTL和COMS电路连接。此外它们还具有以下特性:
关状态泄漏电流低;
响应时间快;
FET的全称为场效应晶体管,它有望成为最流行的数字传感器输出,因为它的工作特性与理想的开关模型最接近。
图7 – 双向FET设备输出传感器
7. 为您的数字信号选择合适的工业数字I/O模块
选择合适的数字I/O模型,用户需要回答以下三个问题:
传感器测量的数字信号具有何种特性?这点在本文的“传感器输出驱动信号的特性”部分已经有所讨论。
关于答案,可以参考表A来选择适合您应用的数字I/O模块。
传感器的输出是灌电流还是拉电流?
表A还按照灌拉能力对NI板卡进行了分类,所以在需要灌电流输出的应用中应该选择拉电流输入的板卡,反之亦然。
接收设备输出的器件是哪种?
这里需要考虑关状态泄漏电流及开状态的最小维持电流。
表B比较了传感器与数据采集设备的规格,以此来选择最适合传感器的设备。除了电压等级外,以下是常被忽视的两点,但却非常重要。
关状态泄漏电流(传感器)< 低状态的最大输入电流(板卡)
最小维持电流(传感器)< 高状态的最大输入电流(板卡)
On-Off (状态)
基于定时的传感器(频率、占空比等)
数字 I/O 模块
24 DIO 1 CTR
32 DI 32 DO
32 DI 32 DO
16 DI 16 DO
16 DI 16 DO
8 DI 8 DO 1 CTR
24 DI 24 DO
(*USB-6501及USB-6525有一个事件计数器)
最大转换能力
输入逻辑低电平(VIL)
输入逻辑高电平(HIL)
最大输入电流(低)
最大输入电流(高)
Supply +0.3 VDC
-10 uA
200 uA
Supply +0.3 VDC
-10 uA
200 uA
-91.0 uA
91.0 uA
4.5 mA/line
12.5 mA/line
4.5 mA/line
12.5 mA/line
4.5 mA/line
12.5 mA/line
4.5 mA/line
12.5 mA/line
4.5 mA/channel
12.5 mA/channel
3.0 mA/channel
3.0 mA/channel
8. 数字传感器的范例
测量类型:流量测量
制造商:Gems Sensors公司
数字输出类型:频率
测量类型:加速度(ADXL202, ±2 g 两轴加速度计)
制造商:Analog Devices公司
数字输出类型:占空比(TTL, CMOS容量)
测量类型:位置开关(机械继电器)
制造商:Schmersal公司
数字输出类型:ON-OFF输出
其他数字传感器制造商包括
o Encoder Products Co.
o US. Sensors
o Sensotec
o PCB Piezotronics
o Weed Instrument
o Measurement Specialities
o Macro Sensors
o Transducer Techniques Inc.
1本文中“数字I/O模块”用于描述与数字输出传感器连接的数字采集设备。
2 Kirianaki, Yurish, Shpak, Deynega.智能传感器的数据采集及信号处理, 2002 [ISBN 0-470-84317-9].
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