第11章 数字量输入输出与抗干扰设计技术 - 1

1、第11章 数字量输入输出与抗干扰设计技术11.1 开关量功率接口技术在单片机测控系统中，有时需要输出开关量信号，即以（1或0）高、低电平输出。但是用一般的开关量信号控制交直流工业设备，例如电机、继电器、工业交流接触器及电磁阀等，这些设备往往需要驱动电流大，驱动电压高，有的还需要在交流电下工作，而产生驱动控制信号的单片机输出的是TTL电平信号，驱动能力非常有限。因此，不能将单片机系统的输出信号直接用于大功率、强电设备的驱动。需要借助于开关量功率器件，将单片机输出的“弱”控制信号，变为能够为大功率外设使用的“强”驱动信号。在单片机控制系统中，和外部电路硬件的连接方式为：单片机输出口线驱动或隔离器件

2、功率晶体管或继电器或可控硅11.1.1 功率驱动接口在单片机测控系统中，根据驱动电流和驱动功率的大小，可以分别采用三态门、OC门、小功率晶体管、达林顿驱动芯片、继电器或可控硅驱动等驱动技术实现功率驱动。1总线驱动器和OC门驱动电路【OCOpen Collector（Open Drain）】单片机的P0P3口本身的驱动能力有限，其中，P0口输出驱动最强，在输出高电平时，可提供400uA的电流；输出低电平（0.45V）时，灌入电流能够达到3.2mA。而P1、P2和P3可提供的驱动电流只有P0的一半。而常用的LED发光二极管的发光电流需要515mA。显然用单片机直接驱动LED是有问题的，必须加驱动电

3、路。【LED发光二极管简介LED发光二极管（简称LED），采用砷化镓、镓铝砷和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。发光二极管根据所使用的材料，可以发出不同颜色的光。 LED发光二极管的发光颜色有：红色光、黄色光、绿色光、红外光等。LED发光二极管发光的外形有：圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。 常用的LED发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。使用LED作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和LED所需工作电流来选择。LED发光二极管的压降一般为1.52.0 V【不同颜色的发光二

4、极管，其压降也不一样】，其工作电流一般在515 mA为宜。【不同颜色的发光二极管并联时，要注意】 （1）通过应用TTL三态门缓冲器提高单片机端口的驱动能力 例如，应用74LS244、74LS245等，高电平输出电流为15mA，低电平灌入电流为24mA，可以用来驱动光耦隔离器、LED数码管等。74LS273高电平输出电流为6.5mA，低电平灌入电流为20mA74LS373高电平输出电流为6.5mA，低电平灌入电流为20mA 【可以用74LS273、74LS373输出低电平时，驱动LED】 （2）应用集电极开路（OC门）驱动电路控制低压开关量信号输出OC门，又称集电极开路（漏极开路）与非门，Ope

5、n Collector（Open Drain）。实际使用中，有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上，将这些与非门上的输出端（状态电平）用同一条导线输送出去。因此，需要一种新的与非门电路-OC门来实现“线与逻辑”。【OC门的工作原理 TTL与非门电路的输出级采用推拉式电路，将输出端下边的那只三极管集电极悬空（也就是去掉上边的输出管），在使用的时候，外接一个负载电阻R和电源，就变成了OC门电路。这种电路的最大特点是：可以实现线与（即输出信号之间为“与”的关系）。实现线与的电路连接，就是将n个OC门集电极并联，然后共用那一个外接的负载电阻作为它们的集电极负载电阻。这样，当有任何一个门

6、输入全为1的时候，它的输出就为0，而n个门电路输出端又是连接在一起的，所以输出为0，实现了线与】1、实现与或非逻辑，用做电平转换，用做驱动器。由于OC门电路的输出管的集电极悬空，使用时需外接一个上拉电阻Rp到电源VCC。OC门使用上拉电阻以输出高电平，此外为了加大输出引脚的驱动能力，上拉电阻阻值的选择原则，从降低功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；从确保足够的驱动电流考虑应当足够小。 2、线与逻辑，即两个输出端（包括两个以上）直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能。在总线传输等实际应用中需要多个门的输出端并联连接使用，而一般TTL门输出端并不能直接并接使用，否则这些门的输出管之间由于低阻抗形

7、成很大的短路电流（灌电流），而烧坏器件。在硬件上，可用OC门或三态门（ST门）来实现。 用OC门实现线与，应同时在输出端口应加一个上拉电阻。 3、三态门（ST门）主要用在应用于多个门输出共享数据总线，为避免多个门输出同时占用数据总线，这些门的使能信号（EN）中只允许有一个为有效电平（如高电平），由于三态门的输出是推拉式的低阻输出，且不需接上拉（负载）电阻，所以开关速度比OC门快，常用三态门作为输出缓冲器。7406常用于微机和单片机应用系统中LED数码管显示的段码和位码的电流驱动。 典型OC门驱动芯片74LS06、74LS07在输出低电平时，吸收电流的能力也高达40mA。当输出高电平时，输出电流

8、有电源5V经过上拉电阻提供输出，根据输出电流的要求，来选择合适的上拉电阻。74LS06（反向）11.1.2 光电隔离接口技术 在输出通道中，最常用的是光电隔离技术，因为光信号传输不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。光电耦合器件是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电光和光电的转换器件。光电耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有很好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组

9、成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入和输出之间的隔离作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。光电耦合之所以在传输信号的同时，能够有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，主要有以下几个方面的原因： （1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106欧姆。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，

10、只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。 （2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此，回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 （3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号短接时，也不会损坏仪表。因为光耦器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 （4）光电耦合器的响应速度极快，其响应延时只有10us左右，适于对响应速度要求很高的场合。注意事项：（1）在光电耦合的输入部分和输出部分必须采用独立的电源，

11、若两端共用一个电源，则光耦合器的隔离作用将失去意义。（2）当光电耦合起来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数字量、控制信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。【转】常用光耦简介及常见型号及参数光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制，可用于模拟量的传输。常用的4N系列属于非线性光耦，常用的线性光耦是PC817AC系列。常见的光耦传输速率为：100K b

12、it/S、1M bit/S、10M bit/S。4N25、4N26、4N27、4N28 晶体管输出 光电耦合隔离器的输入输出类似普通三极管的输入输出特性，即存在着截止区、饱和区与线性区三部分。利用光耦隔离器的开关特性（即光敏三极管工作在截止区、饱和区），可传送数字信号而隔离电磁干扰，简称对数字信号进行隔离。例如在数字量输入输出通道中，以及在模拟量输入输出通道中的A/D转换器与CPU或CPU与D/A转换器之间的数字信号的耦合传送，都可用光耦的这种开关特性对数字信号进行隔离。 要注意的是，用于驱动发光管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的同一个电源，必须分开单独供电，才能有效避免输出端与输入端相互间的反馈和干扰；另外，发光二极管的动态电阻很小，也可以抑制系统内外的噪声干扰。因此，利用光耦隔离器可用来传递信号而有效地隔离电磁场的电干扰。光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一种抗干扰方法。利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。4N29、4N30、4N31、4N32、4N33 达林顿输出 4N294N33功能图【林教材，P179】一般光耦的输入导通电流为10mA左右，而发光管的压降为1.52.0V左右【例题】【在Proteus中输入“OPTOC”，可以显示光耦和光电可控硅符号