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简单的输入接口电路设计细节分析

技术中心

Technology

简单的输入接口电路设计细节分析

分类:
电源技术
作者:
广州市爱浦电子科技有限公司
来源:
原创
发布时间:
2020/12/22
浏览量

       接口是将一个设备(尤其是计算机或微控制器)与另一个设备连接或链接在一起的方法,这使我们能够设计或调整两个电子设备的输出和输入配置,以便它们可以一起工作。


       但是接口不仅仅是使用计算机和处理器的软件程序来控制某些东西。尽管计算机接口使用单向和双向输入和输出端口来驱动各种外围设备,但是许多简单的电子电路都可以使用机械开关作为输入,或者使用单独的LED作为输出来连接到现实世界。


       为了使电子电路或微电子电路有用且有效,它必须与某些事物进行交互。输入接口电路将诸如运算放大器,逻辑门等的电子电路连接到外部世界,以扩展其功能。

       电子电路放大,缓冲或处理来自传感器或开关的信号作为输入信息,或放大到控制灯,继电器或执行器以进行输出控制。无论哪种方式,输入接口电路都会将一个电路的电压和电流输出转换为另一个电路的等效电压。

       输入传感器提供有关环境信息的输入。可以使用各种传感器和开关设备来测量随时间缓慢或连续变化的物理量,例如温度,压力或位置,这些传感器和开关设备会提供相对于被测物理量的输出信号。

       我们可以在电子电路和项目中使用的许多传感器都是电阻性的,因为它们的电阻会随所测量的量而变化。例如,热敏电阻,应变仪或光敏电阻器(LDR)。这些设备都归类为输入设备。

输入接口电路
       输入接口设备最简单,最常见的类型是按钮开关。机械式ON-OFF拨动开关,按钮开关,翘板开关,键开关和簧片开关等因其价格低廉且易于与任何电路进行输入接口而广泛用作输入设备。此外,操作员只需操作一个开关,按下一个按钮或在一个簧片开关上移动一个磁铁就可以改变输入的状态。
输入接口单个开关

       开关和按钮是具有两套或更多套电触点的机械设备。当开关断开或断开时,触点断开,而当开关闭合或操作时,这些触点一起短路。

       如图所示,将开关(或按钮)连接到电子电路的最常见输入方式是通过上拉电阻连接到电源电压。当开关断开时,给出5伏或逻辑“ 1”作为输出信号。当开关闭合时,输出接地并且为0v,或者将逻辑“ 0”作为输出。

       然后根据开关的位置,产生“高”或“低”输出。当开关断开时,需要一个上拉电阻来将输出电压电平保持在所需值(在此示例中为+ 5v),并且在闭合时也要防止开关短路电源。

       上拉电阻的大小取决于开关断开时的电路电流。例如,在开关断开的情况下,电流将流过电阻器流至V OUT端子,并且从欧姆定律流过该电流将导致电阻器两端出现电压降。

       然后,如果我们假设数字逻辑TTL门需要60微安(60uA)的输入“高”电流,这将导致电阻两端的压降为:60uA x10kΩ= 0.6V,产生的输入“高”电压为5.0-0.6 = 4.4V,完全在标准数字TTL门的输入规格之内。

       开关或按钮也可以在“高电平有效”模式下连接,在该模式下,将开关和电阻反向,以便将开关连接在+ 5V电源电压和输出之间。该电阻器(现在称为下拉电阻器)连接在输出和0v接地之间。在此配置中,当开关断开时,输出信号V OUT为0v或逻辑“ 0”。当巫婆被操作时,输出将“高”到+5伏电源电压或逻辑“ 1”。

       与用于限制电流的上拉电阻不同,下拉电阻的主要目的是通过将输出端子V OUT绑在0v或地上来防止其浮动。结果,可以使用小得多的电阻器,因为其两端的电压降通常很小。但是,当开关闭合或操作时,使用过小的下拉电阻值将导致电阻中的高电流和高功耗。
DIP开关输入接口

       除了将各个按钮和翘板开关连接到电路的输入,我们还可以将多个开关以键盘和DIP开关的形式连接在一起。

       DIP或双列直插式包装交换机是单独的交换机,在单个包装中组合为四个或八个交换机。这允许将DIP开关插入标准IC插座中,或直接连接到电路或面包板上。

       DIP开关套件中的每个开关通常通过其ON-OFF状态指示两种状态之一,而四开关DIP套件将具有四个输出,如图所示。滑动式和旋转式DIP开关都可以连接在一起,也可以将两个或三个开关组合在一起,这使得输入非常容易地将它们连接到各种电路。

       机械开关之所以受欢迎,是因为它们的成本低并且易于输入接口。但是,机械开关有一个常见的问题,称为“触点反弹”。机械开关由两片金属触点组成,当您操作开关时,这两个金属触点被推在一起以形成完整的电路。但是,金属零件没有产生单一的清洁开关动作,而是在开关主体内部接触并弹回,从而使开关机构非常快速地打开和闭合几次。

       由于机械开关触头设计为可以快速打开和闭合,因此阻力很小,称为阻尼,可防止触头成触点或断开时弹跳。结果是,这种反弹动作会在开关牢固接触之前产生一系列脉冲或电压尖峰。
开关弹跳波形

       问题在于,任何与机械开关相连的电子电路或数字电路也可能将这些多次开关操作读为一系列持续几毫秒的ON和OFF信号,而不仅仅是一个预期的单一和肯定的开关动作。

       多个开关的闭合(或断开)动作在开关中称为“开关弹跳”,而在继电器中,相同的动作称为“接触弹跳”。而且,由于在打开和闭合动作期间都发生开关和触头弹跳,因此在触头上产生的弹跳和电弧会导致磨损,增加接触电阻并降低开关的使用寿命。
       但是,有几种方法可以通过使用一些额外的电路来解决开关弹跳的问题,这些电路以去弹跳电路的形式来“去弹跳”输入信号。最简单,最简单的方法是创建一个RC去抖动电路,该电路允许开关对电容器进行充电和放电,如图所示。
RC开关去抖电路

       通过在开关输入接口电路中增加一个额外的100Ω电阻和一个1uF电容器,可以消除开关弹跳的问题。RC时间常数T选择为比机械开关动作的弹跳时间长。反向施密特触发器缓冲器还可用于产生从LOW到HIGH以及从HIGH到LOW的陡峭输出过渡。

       那么,这种类型的输入接口电路如何工作?我们在RC充电教程中看到,电容器以其时间常数T决定的速率充电。该时间常数以T = R * C表示,以秒为单位,其中R是以欧姆为单位的电阻值,C是以法拉表示的电容值。然后,这构成了RC时间常数的基础。
       首先,假设开关闭合并且电容器完全放电,然后逆变器的输入为LOW,其输出为HIGH。当开关断开时,电容器通过两个电阻R1和R2以RC网络的C(R1 + R2)时间常数确定的速率充电。

       当电容器缓慢充电时,电容器板上的电压会消除开关触点的弹跳。当板上的电荷等于或大于逆变器的上限输入电压(V IH)的最小值时,逆变器将更改状态,并且输出变为LOW。在这个简单的开关输入接口示例中,RC值约为10mS,从而使开关触点有足够的时间稳定到其最终断开状态。

       当开关闭合时,已充满电的电容器将以C(R2)时间常数确定的速率通过100Ω快速放电至零,该速率将逆变器的输出状态从LOW变为HIGH。但是,开关的操作会导致触点弹跳,导致电容器想要重复充电,然后迅速放电回零。

       由于RC充电时间常数是放电时间常数的十倍,因此由于输入上升时间已减慢,因此在开关弹回到其最终闭合位置之前,电容器无法足够快地充电,因此逆变器会保持输出高。结果是,无论开关触点在断开或闭合时有多少反弹,您都只会从逆变器获得单个输出脉冲。

       这种简单的开关反跳电路的优点是,如果开关触点的反跳太多或fr太长,则可以增加RC时间常数以进行补偿。还请记住,此RC时间延迟意味着您将需要等待,然后才能再次操作开关,因为如果再次操作开关太早,它将不会生成另一个输出信号。

       尽管这种简单的开关去抖动电路将可以用于单接口(SPST)开关与电子和微控制器电路的输入接口,但是RC时间常数的缺点在于,它会在下一次开关动作发生之前引入延迟。如果切换动作迅速改变状态,或者像键盘上的操作多个键,则这种延迟可能是不可接受的。解决此问题并产生更快的输入接口电路的一种方法是使用交叉耦合的2输入NAND或2输入NOR门,如下所示。
NAND门的开关去抖动

       这种类型的开关去抖电路的工作方式与我们在“顺序逻辑”部分中介绍的SR触发器非常相似。如图所示,两个数字逻辑门以一对交叉耦合的“与非”门连接,它们具有有效的LOW输入,形成SR锁存电路,因为两个“与非”门输入通过两个1kΩ上拉电阻保持在高电平(+ 5v)。

       同样,由于该电路用作置位复位SR锁存器,因此该电路需要单刀双掷(SPDT)转换开关,而不是先前RC去抖动电路的单刀单掷(SPST)开关。

       当交叉耦合的NAND去抖动电路的开关在位置A时,NAND门U1被“置位”,并且Q处的输出在逻辑“ 1”处为HIGH。当开关移至位置B时,U2变为“设置”状态,从而重置U1。现在,Q处的输出为逻辑“ 0”时为低电平。

       通过操作位置A和B之间的开关,可以将Q处的输出从HIGH切换到LOW或从LOW切换到HIGH。由于锁存器需要两个开关动作来进行设置和复位,因此在输出Q上看不到开关触头在打开和关闭方向上的任何弹跳。SR锁存器去抖动电路的优点还在于它可以在Q和Q处提供互补输出。

       除了使用交叉耦合的NAND门形成双稳态锁存器输入接口电路之外,我们还可以通过更改两个电阻的位置并将其值减小到100Ω来使用交叉耦合的NOR门,如下所示。
或非门的开关去抖动

       交叉耦合的NOR栅极去抖动电路的操作与NAND电路相同,不同之处在于,当开关位于位置B时Q的输出为高电平,而当位置A时Q的输出为低电平。交叉耦合NAND双稳态锁存器的反向。

       然后值得注意的是,当输入接口切换到使用NAND或NOR锁存器用作去抖动电路的电路时,NAND配置需要LOW或逻辑“ 0”输入信号来改变状态,而NOR配置则需要HIGH或逻辑“ 1”输入信号可更改状态。

与光电设备接口
       一个光电耦合器(或光隔离器)是具有LED和光敏装置,诸如在同一封装中封装的光电二极管或光电晶体管的电子部件。我们在上一教程中看到的光耦合器通过光敏光学接口将两个独立的电路互连。这意味着我们可以有效地将具有不同额定电压或额定功率的两个电路连接在一起,而不会互相影响。

       光学开关(或光电开关)是另一类光学(光电)开关设备,可用于输入接口。此处的优点是,光开关可用于将有害电压电平输入接口,连接到微控制器,PIC和其他此类数字电路的输入引脚上,或用于通过光检测物体,因为两个组件在电气上是分开的,但通过光耦合提供了很高的隔离(通常为2-5kV)。

       光开关有各种不同的类型和设计,可用于各种接口应用。光开关的最常见用途是检测移动或静止的物体。光电晶体管和光电达林顿配置提供了光电开关所需的大多数功能,因此是最常用的功能。
开槽光开关

       通常使用DC电压来驱动发光二极管(LED),该发光二极管将输入信号转换为红外光能。该光被隔离间隙另一侧的光电晶体管反射并收集,然后转换回输出信号。

       对于普通的光电开关,在5至20毫安的正常输入电流下,LED的正向压降约为1.2至1.6伏。这样得到的串联电阻值在180至470Ω之间。
开槽光电开关电路

       旋转和狭缝式磁盘光学传感器广泛用于位置编码器,轴编码器,甚至计算机鼠标的旋转轮,因此成为了出色的输入接口设备。旋转盘具有从不透明轮切出的多个槽,其中均匀间隔的槽的数量表示每旋转度的分辨率。典型的编码光盘每转具有高达256脉冲或8位的分辨率。

       在磁盘旋转一圈的过程中,来自LED的红外光通过插槽撞击光电晶体管,然后随着磁盘旋转而被阻挡,每次通过插槽时,将晶体管“ ON”,然后“ OFF”。电阻R1设置LED电流,上拉电阻R2确保当晶体管“ OFF”产生低电平逻辑“ 0”输出时,电源电压Vcc连接到施密特逆变器的输入。

       当磁盘旋转到开孔时,来自LED的红外光撞击光电晶体管并使集电极-发射极端子接地,从而使施密特逆变器产生LOW输入,该输入继而输出HIGH或逻辑“ 1”。如果将逆变器输出连接到数字计数器或编码器,则可以确定轴位置或计算每单位时间的轴转数,从而获得每分钟的轴转数(rpm)。

       除了使用开槽的光电设备作为输入接口开关之外,还有另一种类型的光学设备,称为反射型光学传感器,它使用LED和光电设备来检测物体。反射式光电开关可以通过反射(因此得名)被感应的反射物体的LED红外光来检测物体的不存在。反射式光电传感器的基本布置如下。
反射式光开关

       光电晶体管具有很高的“关”电阻(暗)和很低的“导通”电阻(亮),这由从LED射向其基极的光量来控制。如果传感器前没有任何物体,则LED红外光将以单束光束的形式向前照射。当有物体靠近传感器时,LED的光被光电晶体管反射回来并被检测到。光电晶体管感测到的反射光量和晶体管饱和度将取决于物体的接近或反射程度。

其他类型的光电设备
       除了将开槽或反射式光电开关用于电路的输入接口外,我们还可以使用其他类型的半导体光检测器,例如光阻光检测器,PN结光电二极管甚至太阳能电池。所有这些光敏设备都使用环境光(例如日光或正常的室内光)来激活设备,从而使它们可以轻松地连接到任何类型的电子电路。

       普通信号二极管和功率二极管的PN结密封在塑料体内,以确保安全并阻止光子撞击。当二极管反向偏置时,它会阻止电流流动,就像高电阻的开路开关一样。但是,如果我们要在此PN结上照射光,则光子会打开结,使电流根据结上的光强度流过。

       光电二极管通过具有一个小的透明窗口来利用这一点,该窗口允许光撞击其PN结,从而使光电二极管具有极高的感光性。根据半导体掺杂的类型和数量,一些光电二极管对可见光做出响应,而另一些对红外(IR)光做出响应。当没有入射光时,反向电流几乎可以忽略不计,被称为“暗电流”。光强度的增加导致反向电流的增加。

       然后我们可以看到光电二极管只允许反向电流沿一个方向流动,这与标准整流二极管相反。仅当光电二极管接收到一定量的光(在黑暗条件下充当非常高的阻抗,在明亮的光照条件下充当低阻抗的器件)时,这种反向电流才流过,因此光电二极管可以在许多应用中用作高速光检测器。
光电二极管接口

       在左侧的两个基本电路中,光电二极管通过电阻简单地反向偏置,而输出电压信号则取自串联电阻两端。该电阻可以是固定值,通常在10kΩ至100kΩ范围内,或者如图所示为可变100kΩ电位计。该电阻可以连接在光电二极管和0v地之间,或连接在光电二极管和Vcc的正电源之间。

       尽管诸如BPX48之类的光电二极管能够对光水平的变化做出非常快速的响应,但与诸如硫化镉LDR电池之类的其他光电设备相比,它们的灵敏度可能较低,因此可以以晶体管或运放的形式进行某种形式的放大可能是必需的。然后我们看到,光电二极管可用作可变电阻器件,受落在其结上的光量控制。光电二极管可以从“ ON”切换到“ OFF”,然后可以非常快的速度切换回来,有时只需几纳秒或超过1MHz的频率,因此通常在光学编码器和光纤通信中使用。

       除PN结光电器件(例如光电二极管或光电晶体管)外,还有其他类型的半导体光检测器,它们在没有PN结的情况下工作,并且随着光强度的变化或变化而改变其电阻特性。这些设备称为光敏电阻或LDR。

       LDR,也称为硫化镉(CdS)光电管,是一种无源器件,其电阻随可见光强度而变化。当不存在光时,它们的内部电阻非常高,约为兆欧(MΩ)。但是,在强光照射下,当其照明时,其电阻会降至1kΩ以下。然后,光敏电阻以类似于电位计的方式工作,但光强控制其电阻值。
连接LDR光敏电阻

       光敏电阻器的电阻值与光强度成比例地变化。然后,LDR可以与串联电阻R一起使用,以在电源两端形成一个分压器网络。在黑暗中,LDR的电阻远大于电阻器的电阻,因此通过将LDR从电源连接到电阻器或将电阻器接地,可以将LDR用作光检测器或如图所示的黑暗检测器。

       由于诸如NORP12之类的LDR产生相对于其电阻值的可变电压输出,因此它们可用于模拟输入接口电路。但是,LDR也可以作为惠斯通电桥装置的一部分连接起来,作为运算放大器电压比较器或施密特触发器电路的输入,以产生用于与数字和微控制器输入电路接口的数字信号。

       可以使用简单的阈值检测器来检测光线水平,温度或应变,以产生TTL兼容的输出,适合直接与逻辑电路或数字输入端口接口。每当测量的电平超过或低于阈值设置时,基于运算放大器比较器的光和温度电平阈值检测器都会生成逻辑“ 1”或逻辑“ 0”输入。

输入接口摘要
       正如我们在本教程中有关输入和输出设备的本节中所看到的,有许多不同类型的传感器可用于将一种或多种物理性质转换为电信号,然后由合适的电子,微控制器或数字电路。

       问题在于,几乎所有要测量的物理特性都不能直接连接到处理或放大电路。然后,需要某种形式的输入接口电路,以将各种不同的模拟输入电压和电流与微处理器数字电路接口。

       如今,随着现代PC,微控制器,PIC和其他此类基于微处理器的系统的使用,输入接口电路使这些低电压,低功耗设备可以轻松地与外界通信,因为许多基于PC的设备具有内置的输入-输出端口,可用于传输往返于控制器程序和连接的开关或传感器的数据。

       我们已经看到,传感器是将一种类型的属性转换为电信号从而用作输入设备的电气组件。通过提供有关周围环境的信息,将输入传感器添加到电子电路可以扩展其功能。但是,传感器不能单独运行,并且在大多数情况下,需要称为接口的电路。

       然后,输入接口电路允许外部设备使用来自单个按钮或键盘的开关防抖技术,通过简单的开关从简单的开关交换信号(数据或代码),以输入到可以检测物理量(例如光,温度,压力,和使用模数转换器的转换速度。然后,接口电路使我们能够做到这一点。
       爱浦电子-模块电源制作专家提醒您,本文章来自网络,我们对文中观点保存中立,对所包含内容的准确性、可靠性不提供任何明示或者暗示的保证,并不对文章的观点负责。版权属于原作者。

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