單片機I/O的常用驅(qū)動與隔離電路的設(shè)計

隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，原來以強電和電器為主、功能簡單的電氣設(shè)備發(fā)展成為強、弱電結(jié)合，具有數(shù)字化特點、功能完善的新型微電子設(shè)備。在很多場合，已經(jīng)出現(xiàn)了越來越多的單片機產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電氣控制產(chǎn)品。屬于存儲程序控制的單片機，其控制功能通過軟件指令來實現(xiàn)，其硬件配置也可變、易變。因此，一旦生產(chǎn)過程有所變動，就不必重新設(shè)計線路連線安裝，有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和訂單式生產(chǎn)。

傳統(tǒng)電氣設(shè)備采用的各種控制信號，必須轉(zhuǎn)換到與單片機輸入/輸出口相匹配的數(shù)字信號。用戶設(shè)備須輸入到單片機的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器輸出的開關(guān)量等，通過輸入電路轉(zhuǎn)換成單片機能夠接收和處理的信號。輸出電路則應(yīng)將單片機送出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換、放大到現(xiàn)場需要的強輸出信號，以驅(qū)動功率管、電磁閥和繼電器、接觸器、電動機等被控制設(shè)備的執(zhí)行元件，能方便實際控制系統(tǒng)使用。針對電氣控制產(chǎn)品的特點，本文討論了幾種單片機I/O的常用驅(qū)動和隔離電路的設(shè)計方法，對合理地設(shè)計電氣控制系統(tǒng)，提高電路的接口能力，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力有實際指導(dǎo)意義。

1、 輸入電路設(shè)計

圖1 開關(guān)信號輸入

一般輸入信號最終會以開關(guān)形式輸入到單片機中，以工程經(jīng)驗來看，開關(guān)輸入的控制指令有效狀態(tài)采用低電平比采用高電平效果要好得多，如圖1如示。當按下開關(guān)S1時，發(fā)出的指令信號為低電平，而平時不按下開關(guān)S1時，輸出到單片機上的電平則為高電平。該方式具有較強的耐噪聲能力。

若考慮到由于TTL電平電壓較低，在長線傳輸中容易受到外界干擾，可以將輸入信號提高到+24 V，在單片機入口處將高電壓信號轉(zhuǎn)換成TTL信號。這種高電壓傳送方式不僅提高了耐噪聲能力，而且使開關(guān)的觸點接觸良好，運行可靠，如圖2所示。其中，D1為保護二極管，反向電壓≥50 V。

圖2 提高輸入信號電平

圖3 輸入端保護電路

為了防止外界尖峰干擾和靜電影響損壞輸入引腳，可以在輸入端增加防脈沖的二極管，形成電阻雙向保護電路，如圖3所示。二極管D1、D2、D3的正向?qū)▔航礥F≈0.7 V，反向擊穿電壓UBR≈30 V，無論輸入端出現(xiàn)何種極性的破壞電壓，保護電路都能把該電壓的幅度限制在輸入端所能承受的范圍之內(nèi)。即：VI～VCC出現(xiàn)正脈沖時，D1正向?qū)?；VI～VCC出現(xiàn)負脈沖時，D2反向擊穿；VI與地之間出現(xiàn)正脈沖時，D3反向擊穿；VI與地之間出現(xiàn)負脈沖時，D3正向?qū)?，二極管起鉗位保護作用。緩沖電阻RS約為1.5～2.5 kΩ，與輸入電容C構(gòu)成積分電路，對外界感應(yīng)電壓延遲一段時間。若干擾電壓的存在時間小于τ，則輸入端承受的有效電壓將遠低于其幅度；若時間較長，則D1導(dǎo)通，電流在RS上形成一定的壓降，從而減小輸入電壓值。

此外，一種常用的輸入方式是采用光耦隔離電路。如圖4所示，R為輸入限流電阻，使光耦中的發(fā)光二極管電流限制在10～20 mA。輸入端靠光信號耦合，在電氣上做到了完全隔離。同時，發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小，不會產(chǎn)生地線干擾或其他串擾，增強了電路的抗干擾能力。

圖4 輸入端光耦隔離

在滿足功能的前提下，提高單片機輸入端可靠性最簡單的方案是：在輸入端與地之間并聯(lián)一只電容來吸收干擾脈沖，或串聯(lián)一只金屬薄膜電阻來限制流入端口的峰值電流。

2、 輸出電路設(shè)計

單片機輸出端口受驅(qū)動能力的限制，一般情況下均需專用的接口芯片。其輸出雖因控制對象的不同而千差萬別，但一般情況下均滿足對輸出電壓、電流、開關(guān)頻率、波形上升下降速率和隔離抗干擾的要求。在此討論幾種典型的單片機輸出端到功率端的電路實現(xiàn)方法。

2.1 直接耦合

在采用直接耦合的輸出電路中，要避免出現(xiàn)圖5所示的電路。

圖5 錯誤的輸出電路

T1截止、T2導(dǎo)通期間，為了對T2提供足夠的基極電流，R2的阻值必須很小。因為T2處于射極跟隨器方式工作，因此為了減少T2損耗，必須將集射間電壓降控制在較小范圍內(nèi)。這樣集基間電壓也很小，電阻R2阻值很小才能提供足夠的基極電流。R2阻值過大，會大幅度增加T2壓降，引起T2發(fā)熱嚴重。而在T2截止期間，T1必須導(dǎo)通，高壓+15 V全部降在電阻R2上，產(chǎn)生很大的電流，顯然是不合理的。另外，T1的導(dǎo)通將使單片機高電平輸出被拉低至接近地電位，引起輸出端不穩(wěn)定。T2基極被T1拉到地電位，若其后接的是感性負載，由于繞組反電勢的作用，T2的****極可能存在高電平，容易引起T2管基射結(jié)反向擊穿。

圖6為一直接耦合輸出電路，由T1和T2組成耦合電路來推動T3。T1導(dǎo)通時，在R3、R4的串聯(lián)電路中產(chǎn)生電流，在R3上的分壓大于T2晶體管的基射結(jié)壓降，促使T2導(dǎo)通，T2提供了功率管T3的基極電流，使T3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。當T1輸入為低電平時，T1截止，R3上壓降為零，T2截止，最終T3截止。R5的作用在于：一方面作為T2集電極的一個負載，另一方面T2截止時，T3基極所儲存的電荷可以通過電阻R3迅速釋放，加快T3的截止速度，有利于減小損耗。

圖6 直接耦合輸出電路

2.2 TTL或CMOS器件耦合

若單片機通過TTL或CMOS芯片輸出，一般均采用集電極開路的器件，如圖7(a)所示。集電極開路器件通過集電極負載電阻R1接至+15 V電源，提升了驅(qū)動電壓。但要注意的是，這種電路的開關(guān)速度低，若用其直接驅(qū)動功率管，則當后續(xù)電路具有電感性負載時，由于功率管的相位關(guān)系，會影響波形上升時間，造成功率管動態(tài)損耗增大。

為了改善開關(guān)速度，可采用2種改進形式輸出電路，如圖7(b)和圖7(c)所示。圖7(b)是能快速開通的改進電路，當TTL輸出高電平時，輸出點通過晶體管T1獲得電壓和電流，充電能力提高，從而加快開通速度，同時也降低了集電極開路TTL器件上的功耗。圖7(c)為推挽式的改進電路，采用這種電路不但可提高開通時的速度，而且也可提高關(guān)斷時的速度。輸出晶體管T1是作為射極跟隨器工作的，不會出現(xiàn)飽和，因而不影響輸出開關(guān)頻率。

圖7 TTL或CMOS器件輸出電路

2.3 脈沖變壓器耦合

脈沖變壓器是典型的電磁隔離元件，單片機輸出的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成一種頻率很高的載波信號，經(jīng)脈沖變壓器耦合到輸出級。由于脈沖變壓器原、副邊線圈間沒有電路連接，所以輸出是電平浮動的信號，可以直接與功率管等強電元件耦合，如圖8所示。

圖8 脈沖變壓器輸出電路

這種電路必須有一個脈沖源，脈沖源的頻率是載波頻率，應(yīng)至少比單片機輸出頻率高10倍以上。脈沖源的輸出脈沖送入控制門G，單片機輸出信號由另一端輸入G門。當單片機輸出高電平時，G門打開，輸出脈沖進入變壓器，變壓器的副線圈輸出與原邊相同頻率的脈沖，通過二極管D1、D2檢波后經(jīng)濾波還原成開關(guān)信號，送入功率管。當單片機輸出低電平時，G門關(guān)閉，脈沖源不能通過G門進入變壓器，變壓器無輸出。

這里，變壓器既傳遞信號，又傳送能量，提高了脈沖源的頻率，有利于減輕變壓器的體重。由于變壓器可通過調(diào)整電感量、原副邊匝數(shù)等來適應(yīng)不同推動功率的要求，所以應(yīng)用起來比較靈活。更重要的是，變壓器原副邊線圈之間沒有電的聯(lián)系，副線圈輸出信號可以跟隨功率元件的電壓而浮動，不受其電源大小的影響。

當單片機輸出較高頻率的脈沖信號時，可以不采用脈沖源和G門，對變壓器原副邊電路作適當調(diào)整即可。

2.4 光電耦合

光電耦合可以傳輸線性信號，也可以傳輸開關(guān)信號，在輸出級應(yīng)用時主要用來傳遞開關(guān)信號。如圖9所示，單片機輸出控制信號經(jīng)緩沖器7407放大后送入光耦。R2為光耦輸出晶體管的負載電阻，它的選取應(yīng)保證：在光耦導(dǎo)通時，其輸出晶體管可靠飽和；而在光耦截止時，T1可靠飽和。但由于光耦響應(yīng)速度慢使開關(guān)延遲時間加長，限制了其使用頻率。

圖9 光耦輸出電路

結(jié)語

單片機接口技術(shù)在很多文獻中均有詳細的介紹，但在對大量電氣控制產(chǎn)品的改造和設(shè)計中，經(jīng)常會碰到用接口芯片所無法解決的問題（如驅(qū)動電流大、開關(guān)速度慢、抗干擾差等），因此必須尋求另一種電路解決方案。上述幾種輸入/輸出電路通過廣泛的應(yīng)用表明，其對合理、可靠地實現(xiàn)單片機電氣控制系統(tǒng)具有較高的工程實用價值。