【NI-DAQmx入门】数字IO基础知识

1.漏端和源端数字IO的区别

漏端和源端是用于定义负载中直流电流控制的术语，分别表示所用到的数字输入和输出的类型。

• 漏端的数字I / O（输入/输出）提供与负载的接地连接。
• 源端的数字I / O为负载提供电压源。

以一个由数字输入与数字输出相连而成的简单电路为例，该电路由电压源，地和负载组成。
源端数字I / O提供电路所需的电压。
漏端数字I / O提供电路所需的接地。
数字输入提供电路工作所需的负载。

图1显示了一个漏端的数字输出与源端的数字输入的连接图。在电路中，源端的数字输入提供电源电压和负载，漏端的数字输出通过一个三极管控制该数字线接高（+V）或接地（0V）。

图2显示了源端的数字输出与漏端的数字输入的连接图。这个电路中，源端的数字输出提供电源电压，而漏端的数字输入提供负载和接地。数字输出通过三级管控制数字线保持在0V或升高至+V。

以NI的6514（Sourcing）和6515（Sinking）数字I/O板卡的输出为例：

对于负载而言，6514的Darlington Driver在导通时提供电流，当Darlington Driver关闭时，没有电流流过负载。

对于6515，Darlington Driver在导通时，通过负载电流流入，而当Darlington Driver关闭时，由于没有回路，没有电流流过负载。

因此对于上述模块，不管是Sinking还是Sourcing，都需要外接电源！

再以6238和6239 M系列数据采集卡的数字输出为例：

在使用方法上是同样的，以6239为例，当Darlington管导通时，有电流流过负载，当Darlington断开时，则没有电流流过，没有回路。在使用方法上，只需要外接电源Vcc，并将负载按上图示接在Vcc和P1.x之间即可，不过要注意极性（如果负载有正负的话）。

对于数字输入，大部分情况下，无所谓Sinking和Sourcing，我们只要将外部信号接入数字输入端即可。大部分情况下，我们在产品的规格一栏看到对于数字输入：

2.那些数字IO设备支持变化检测

• 工业数字I/O
  • NI 6509
  • NI 6510
  • NI 6511
  • NI 6514/6515
  • NI 6518/6519
  • NI 6520/6521
  • NI 6528/6529
• NI USB-6525

• 高速数字I/O
  • NI 653X

• 多功能数据采集（DAQ）
  • NI 6154

• 某些M系列（仅端口0）
• X系列
• NI 6612

• C系列（仅cDAQ）
  • NI 9401
  • NI 9402
  • NI 9411
  • NI 9421
  • NI 9422
  • NI 9423
  • NI 9435

3.TTL信号的定义

TTL信号必须符合以下电压和电流输出以及电压和电流输入规范，此外还必须符合脉冲上升和下降时间规范（上升/下降时间）。此外，它们必须具有最小脉冲宽度。

规范使用以下符号：

• 输出低电平 = OL
• 输出高电平 = OH
• 输入低电平 = IL
• 输入高电平 = IH

1、电流、电压输出规格如下：

• 电压= 0.4V
• 电压OH =2.4V
• 输出电压= 16mA
• IOH = 400μA

2、电流、电压输入规格如下

• VIL = 0.8V
• 电压 IH = 2.0V
• IIL = 1.6mA
• IH = 40μA

3. 高电压和低电压之间的最大上升和下降时间必须为50ns。
4、不同设备的最小宽度：

• 具有 NI-STC 的设备为 10ns。
• 配备 NI-TIO 的设备为 5ns。

4.24V数字逻辑 

        测量噪声不仅限于模拟信号。数字逻辑还可能受到嘈杂的电气环境的影响，可能指示错误的开/关值或意外触发。有许多与数字 I/O 相关的电压电平和逻辑系列，其中一些比其他更抗噪声。晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 是迄今为止最常见的逻辑系列，为从微处理器到 LED 的所有设备供电。尽管 TTL 用途广泛，但它可能并不总是所有数字应用的最佳选择。

        对于工业应用，TTL 具有噪声容限小的固有缺点。高逻辑电平和低逻辑电平分别为 2.0 V 和 0.8 V，几乎没有出错的空间。例如，TTL 输入的低电平噪声容限为 0.3 V（最大低电平 TTL 输入 0.8 V 与最大低电平 TTL 输出 0.5 V 之间的差）。耦合到数字信号的任何超过 0.3 V 的噪声都可能将电压转移到 0.8 V 和 2.0 V 之间的未定义区域。这里，数字输入的行为是不确定的，可能会产生不正确的值

        然而，24 V 逻辑可提供更高的噪声容限和更好的整体抗噪能力。由于大多数工业传感器、执行器和控制逻辑已经在 24 V 电源下运行，因此使用相应的数字逻辑电平非常方便。低电平输入为 4 V，高电平输入为 11 V，数字信号不易受噪声影响。

        大多数具有 24 V 数字 I/O 功能的测量设备都提供额外的降噪功能。例如，National Instruments 工业 M 系列和数字 I/O 设备具有可编程输入滤波器，用于消除继电器输入的抖动。当机械继电器闭合时，会有一段很短的时间（大约毫秒），在此期间接触表面会相互弹跳。如果不进行滤波，逻辑输入可能会将其读取为开/关信号突发。这些器件还提供隔离功能，如果整个系统的各个部分由不同的电源供电，这是一个需要考虑的重要因素。

5.数字引脚解释

线

                一条线就是一个独立的信号。线表示一个实体的接线端。线上的数据叫做“位”，是二进制的0或1。线和位基本上是可以互换的术语。例如，8比特端口与8线端口含义相同。

端口

        端口是数字线的集合。通常情况下，数据线都被组合为8位或32位端口。

端口宽度

        端口宽度指端口中线的数量。例如，一个8线端口的端口宽度为8。

6.数字输出传感器的分类

6.1驱动传感器输出的信号特征

        技术发展将各种复杂的数字输出传感器推向市场。如今，您可以找到在开和关状态之间产生一系列转换的传感器，这些类型的传感器的频率特性甚至脉冲串的形状传达了传感器的测量结果，从而可以实现连续测量。

        图 1 显示了基于驱动其输出的信号特征的数字输出传感器的分类。从图表中可以看出，45% 的数字输出传感器基于数字线的开关状态，35% 的传感器基于信号的频率，12% 的传感器基于占空比输出频率2。

图 1 – 数字输出传感器 – 特性输送测量2

        选择工业数字 I/O 模块时，传达传感器测量结果的信号特性是第一个要考虑的参数。这对于决定数字 I/O 模块上是否需要计数器非常重要。

6.2漏极输出与源极输出

  灌电流和源电流是用于定义负载中直流电流控制的术语。

• 灌电流设备：提供电流到地的路径，不负责为设备供电。用于描述灌电流器件的术语包括 NPN、集电极开路、常高和 IEC 负逻辑。
• 供电设备：供电设备提供电源或正电势。源设备将电流“推”过负载。用于描述源器件的术语包括 PNP、开路发射器、常低电平和 IEC 正逻辑。

源极和汇极的概念独立于实现操作的组件（例如：晶体管、机械继电器等）。这个概念适用于任何直流电路；实现电路的组件可能会有所不同。

图 2 - 漏极输出传感器。

图 3 - 采购输出传感器。

6.3 2 线和 3 线传感器

第三类分类对于定义传感器开启状态和关闭状态下电流和电压之间的关系非常重要。传感器可分为 2 线或 3 线设备，如下所示：

• 2 线传感器：它们与采集数据的设备串联。

 

图 4 – 2 线传感器

当传感器未激活时，它必须汲取通常称为断态漏电流的最小工作电流，在某些情况下传感器制造商也将其称为剩余电流。为了保持传感器电子设备正常工作，该电流是必需的。如果传感器直接连接到数据采集设备以外的另一个负载，则剩余电流不是问题，例如在工业环境中，将这些 2 线传感器直接连接到电机和类似设备（其具有较低的电流）并不罕见。阻抗。

如果传感器需要的剩余电流高于数字 I/O 模块设计承受的电流，那么剩余电流就会成为系统的问题。在这种情况下，数字 I/O 模块可能会错误地检测到开启状态，因为消耗的电流高于其预期提供的电流。业内大多数 2 线传感器的断态漏电流或剩余电流不高于 1.7 mA。

与关闭状态类似，维持传感器开启状态也需要一个最小电流，称为最小保持电流。通常，该电流范围为 3 mA 至 20 mA。如果数字 I/O 模块无法吸收或提供该电流，则传感器将无法正常工作。

• 3 线传感器： 3 线传感器从激励端子获取电源，而不是直接通过数字输出线，一些制造商也将它们称为线路供电传感器。

 

 

图 5 – 3 线传感器

这些设备从数字 I/O 模块获取的工作电流称为负载电流，通常约为 20 mA。值得注意的是，该电流是由励磁端子提供的。

6.4用于实现传感器输出的电子元件

  通常由三个电子元件驱动信号输出传感器的输出：

• 机械继电器；
• 晶体管;
• 双边 FET 器件：

机械继电器：机械继电器是一种机电装置，可闭合触点以完成电路或打开触点以中断电路。它是一种可以处理高电压电流负载的设备。

由于与固态继电器相比，它们是相对较慢的设备，因此它们通常由线路状态为信号驱动输出特征的传感器使用。这些设备会受到接触磨损和阻力增大的影响。它们的触点寿命取决于负载电流以及操作频率。当连接到计数器和数字 I/O 模块时，它们有时会由于触点弹跳而产生不稳定的结果。

晶体管：是一种用于控制直流电流的固态器件。晶体管最常见于低直流供电传感器中作为输出开关。晶体管有两种类型 - NPN 和 PNP。

图 6 显示了 NPN（电流吸收）开路集电极晶体管

图 6 – 传感器 NPN 输出。

双边 FET 器件：市场上的许多光电传感器都采用称为双边 FET 输出的架构实现输出，如图 7 所示。这种架构有很多优点，但最重要的是直接连接到 TTL 和 CMOS 电路，此外，他们还表明：

• 低断态漏电流；
• 响应时间快；

FET 代表场效应晶体管，由于其工作特性接近理想模型，预计将成为数字输出传感器最流行的输出。

图 7 - 具有双边 FET 器件输出的传感器

 

7.为您的数字输出传感器选择合适的工业数字 I/O 模块

为了选择数字 I/O 模块，应回答以下三个问题：

• 传达感觉的数字信号有什么特征？这已在本文档的“驱动传感器输出的信号特征”部分中进行了讨论。

根据此答案，请参考表 A，检查适合您的应用的数字 I/O 模块组。

• 传感器输出是漏型输出还是源型输出？

表 A 再次根据灌电流和源电流功能对 NI 板进行了分类，因此，如果您的传感器具有灌电流输出，则需要选择具有源电流输入的板，反之亦然。

• 实现设备输出的组件是什么？

此时可能需要考虑断态漏电流以及导通状态的最小保持电流。

将传感器的规格与表 B 中的数据采集设备的规格进行比较，以便为您的传感器选择最合适的设备。除了电压水平外，还应遵守以下两个有时被忽视的重要条件：

1. 断态漏电流（传感器）<低态最大输入电流（板）
2. 最小保持电流（传感器）<高态最大输入电流（板）