1、第11章 數(shù)字量輸入輸出與抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)11.1 開關(guān)量功率接口技術(shù)在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，有時(shí)需要輸出開關(guān)量信號(hào)，即以（1或0）高、低電平輸出。但是用一般的開關(guān)量信號(hào)控制交直流工業(yè)設(shè)備，例如電機(jī)、繼電器、工業(yè)交流接觸器及電磁閥等，這些設(shè)備往往需要驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)電壓高，有的還需要在交流電下工作，而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的單片機(jī)輸出的是TTL電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)能力非常有限。因此，不能將單片機(jī)系統(tǒng)的輸出信號(hào)直接用于大功率、強(qiáng)電設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。需要借助于開關(guān)量功率器件，將單片機(jī)輸出的“弱”控制信號(hào)，變?yōu)槟軌驗(yàn)榇蠊β释庠O(shè)使用的“強(qiáng)”驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，和外部電路硬件的連接方式為：單片機(jī)輸出口線驅(qū)動(dòng)或隔離器件

2、功率晶體管或繼電器或可控硅11.1.1 功率驅(qū)動(dòng)接口在單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率的大小，可以分別采用三態(tài)門、OC門、小功率晶體管、達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片、繼電器或可控硅驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)。1總線驅(qū)動(dòng)器和OC門驅(qū)動(dòng)電路【OCOpen Collector（Open Drain）】單片機(jī)的P0P3口本身的驅(qū)動(dòng)能力有限，其中，P0口輸出驅(qū)動(dòng)最強(qiáng)，在輸出高電平時(shí)，可提供400uA的電流；輸出低電平（0.45V）時(shí)，灌入電流能夠達(dá)到3.2mA。而P1、P2和P3可提供的驅(qū)動(dòng)電流只有P0的一半。而常用的LED發(fā)光二極管的發(fā)光電流需要515mA。顯然用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)LED是有問題的，必須加驅(qū)動(dòng)電

3、路。【LED發(fā)光二極管簡介LED發(fā)光二極管（簡稱LED），采用砷化鎵、鎵鋁砷和磷化鎵等材料制成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦浴０l(fā)光二極管根據(jù)所使用的材料，可以發(fā)出不同顏色的光。 LED發(fā)光二極管的發(fā)光顏色有：紅色光、黃色光、綠色光、紅外光等。LED發(fā)光二極管發(fā)光的外形有：圓形、長方形、三角形、正方形、組合形、特殊形等。 常用的LED發(fā)光二極管應(yīng)用電路有四種，即直流驅(qū)動(dòng)電路、交流驅(qū)動(dòng)電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路、變色發(fā)光驅(qū)動(dòng)電路。使用LED作指示電路時(shí)，應(yīng)該串接限流電阻，該電阻的阻值大小應(yīng)根據(jù)不同的使用電壓和LED所需工作電流來選擇。LED發(fā)光二極管的壓降一般為1.52.0 V【不同顏色的發(fā)光二

4、極管，其壓降也不一樣】，其工作電流一般在515 mA為宜。【不同顏色的發(fā)光二極管并聯(lián)時(shí)，要注意】 （1）通過應(yīng)用TTL三態(tài)門緩沖器提高單片機(jī)端口的驅(qū)動(dòng)能力 例如，應(yīng)用74LS244、74LS245等，高電平輸出電流為15mA，低電平灌入電流為24mA，可以用來驅(qū)動(dòng)光耦隔離器、LED數(shù)碼管等。74LS273高電平輸出電流為6.5mA，低電平灌入電流為20mA74LS373高電平輸出電流為6.5mA，低電平灌入電流為20mA 【可以用74LS273、74LS373輸出低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)LED】 （2）應(yīng)用集電極開路（OC門）驅(qū)動(dòng)電路控制低壓開關(guān)量信號(hào)輸出OC門，又稱集電極開路（漏極開路）與非門，Ope

5、n Collector（Open Drain）。實(shí)際使用中，有時(shí)需要兩個(gè)或兩個(gè)以上與非門的輸出端連接在同一條導(dǎo)線上，將這些與非門上的輸出端（狀態(tài)電平）用同一條導(dǎo)線輸送出去。因此，需要一種新的與非門電路-OC門來實(shí)現(xiàn)“線與邏輯”。【OC門的工作原理 TTL與非門電路的輸出級(jí)采用推拉式電路，將輸出端下邊的那只三極管集電極懸空（也就是去掉上邊的輸出管），在使用的時(shí)候，外接一個(gè)負(fù)載電阻R和電源，就變成了OC門電路。這種電路的最大特點(diǎn)是：可以實(shí)現(xiàn)線與（即輸出信號(hào)之間為“與”的關(guān)系）。實(shí)現(xiàn)線與的電路連接，就是將n個(gè)OC門集電極并聯(lián)，然后共用那一個(gè)外接的負(fù)載電阻作為它們的集電極負(fù)載電阻。這樣，當(dāng)有任何一個(gè)門

6、輸入全為1的時(shí)候，它的輸出就為0，而n個(gè)門電路輸出端又是連接在一起的，所以輸出為0，實(shí)現(xiàn)了線與】1、實(shí)現(xiàn)與或非邏輯，用做電平轉(zhuǎn)換，用做驅(qū)動(dòng)器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時(shí)需外接一個(gè)上拉電阻Rp到電源VCC。OC門使用上拉電阻以輸出高電平，此外為了加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻阻值的選擇原則，從降低功耗及芯片的灌電流能力考慮應(yīng)當(dāng)足夠大；從確保足夠的驅(qū)動(dòng)電流考慮應(yīng)當(dāng)足夠小。 2、線與邏輯，即兩個(gè)輸出端（包括兩個(gè)以上）直接互連就可以實(shí)現(xiàn)“AND”的邏輯功能。在總線傳輸?shù)葘?shí)際應(yīng)用中需要多個(gè)門的輸出端并聯(lián)連接使用，而一般TTL門輸出端并不能直接并接使用，否則這些門的輸出管之間由于低阻抗形

7、成很大的短路電流（灌電流），而燒壞器件。在硬件上，可用OC門或三態(tài)門（ST門）來實(shí)現(xiàn)。 用OC門實(shí)現(xiàn)線與，應(yīng)同時(shí)在輸出端口應(yīng)加一個(gè)上拉電阻。 3、三態(tài)門（ST門）主要用在應(yīng)用于多個(gè)門輸出共享數(shù)據(jù)總線，為避免多個(gè)門輸出同時(shí)占用數(shù)據(jù)總線，這些門的使能信號(hào)（EN）中只允許有一個(gè)為有效電平（如高電平），由于三態(tài)門的輸出是推拉式的低阻輸出，且不需接上拉（負(fù)載）電阻，所以開關(guān)速度比OC門快，常用三態(tài)門作為輸出緩沖器。7406常用于微機(jī)和單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中LED數(shù)碼管顯示的段碼和位碼的電流驅(qū)動(dòng)。 典型OC門驅(qū)動(dòng)芯片74LS06、74LS07在輸出低電平時(shí)，吸收電流的能力也高達(dá)40mA。當(dāng)輸出高電平時(shí)，輸出電流

8、有電源5V經(jīng)過上拉電阻提供輸出，根據(jù)輸出電流的要求，來選擇合適的上拉電阻。74LS06（反向）11.1.2 光電隔離接口技術(shù) 在輸出通道中，最常用的是光電隔離技術(shù)，因?yàn)楣庑盘?hào)傳輸不受電場(chǎng)、磁場(chǎng)的干擾，可以有效地隔離電信號(hào)。光電耦合器件是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電光和光電的轉(zhuǎn)換器件。光電耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有很好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組

9、成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入和輸出之間的隔離作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。光電耦合之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)，能夠有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號(hào)噪聲比大為提高，主要有以下幾個(gè)方面的原因： （1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105106歐姆。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會(huì)很小，

10、只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。 （2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此，回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。 （3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦钇骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。 （4）光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延時(shí)只有10us左右，適于對(duì)響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。注意事項(xiàng)：（1）在光電耦合的輸入部分和輸出部分必須采用獨(dú)立的電源，

11、若兩端共用一個(gè)電源，則光耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當(dāng)光電耦合起來隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)字量、控制信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。【轉(zhuǎn)】常用光耦簡介及常見型號(hào)及參數(shù)光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號(hào)的傳輸，不適合于傳輸模擬量。線性光耦的電流傳輸特性曲線接近直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制，可用于模擬量的傳輸。常用的4N系列屬于非線性光耦，常用的線性光耦是PC817AC系列。常見的光耦傳輸速率為：100K b

12、it/S、1M bit/S、10M bit/S。4N25、4N26、4N27、4N28 晶體管輸出 光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸入輸出特性，即存在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線性區(qū)三部分。利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號(hào)而隔離電磁干擾，簡稱對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。例如在數(shù)字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的A/D轉(zhuǎn)換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號(hào)的耦合傳送，都可用光耦的這種開關(guān)特性對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。 要注意的是，用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的電源與驅(qū)動(dòng)光敏管的電源不應(yīng)是共地的同一個(gè)電源，必須分開單獨(dú)供電，才能有效避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾；另外，發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)電阻很小，也可以抑制系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾。因此，利用光耦隔離器可用來傳遞信號(hào)而有效地隔離電磁場(chǎng)的電干擾。光電耦合隔離器是目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法。利用光耦隔離器的開關(guān)特性，可傳送數(shù)字信號(hào)而隔離電磁干擾，即在數(shù)字信號(hào)通道中進(jìn)行隔離。4N29、4N30、4N31、4N32、4N33 達(dá)林頓輸出 4N294N33功能圖【林教材，P179】一般光耦的輸入導(dǎo)通電流為10mA左右，而發(fā)光管的壓降為1.52.0V左右【例題】【在Proteus中輸入“OPTOC”，可以顯示光耦和光電可控硅符號(hào)】#include <reg51