1、第11章 數字量輸入輸出與抗干擾設計技術11.1 開關量功率接口技術在單片機測控系統中，有時需要輸出開關量信號，即以（1或0）高、低電平輸出。但是用一般的開關量信號控制交直流工業設備，例如電機、繼電器、工業交流接觸器及電磁閥等，這些設備往往需要驅動電流大，驅動電壓高，有的還需要在交流電下工作，而產生驅動控制信號的單片機輸出的是TTL電平信號，驅動能力非常有限。因此，不能將單片機系統的輸出信號直接用于大功率、強電設備的驅動。需要借助于開關量功率器件，將單片機輸出的“弱”控制信號，變為能夠為大功率外設使用的“強”驅動信號。在單片機控制系統中，和外部電路硬件的連接方式為：單片機輸出口線驅動或隔離器件

2、功率晶體管或繼電器或可控硅11.1.1 功率驅動接口在單片機測控系統中，根據驅動電流和驅動功率的大小，可以分別采用三態門、OC門、小功率晶體管、達林頓驅動芯片、繼電器或可控硅驅動等驅動技術實現功率驅動。1總線驅動器和OC門驅動電路【OCOpen Collector（Open Drain）】單片機的P0P3口本身的驅動能力有限，其中，P0口輸出驅動最強，在輸出高電平時，可提供400uA的電流；輸出低電平（0.45V）時，灌入電流能夠達到3.2mA。而P1、P2和P3可提供的驅動電流只有P0的一半。而常用的LED發光二極管的發光電流需要515mA。顯然用單片機直接驅動LED是有問題的，必須加驅動電

3、路。【LED發光二極管簡介LED發光二極管（簡稱LED），采用砷化鎵、鎵鋁砷和磷化鎵等材料制成，其內部結構為一個PN結，具有單向導電性。發光二極管根據所使用的材料，可以發出不同顏色的光。 LED發光二極管的發光顏色有：紅色光、黃色光、綠色光、紅外光等。LED發光二極管發光的外形有：圓形、長方形、三角形、正方形、組合形、特殊形等。 常用的LED發光二極管應用電路有四種，即直流驅動電路、交流驅動電路、脈沖驅動電路、變色發光驅動電路。使用LED作指示電路時，應該串接限流電阻，該電阻的阻值大小應根據不同的使用電壓和LED所需工作電流來選擇。LED發光二極管的壓降一般為1.52.0 V【不同顏色的發光二

4、極管，其壓降也不一樣】，其工作電流一般在515 mA為宜。【不同顏色的發光二極管并聯時，要注意】 （1）通過應用TTL三態門緩沖器提高單片機端口的驅動能力 例如，應用74LS244、74LS245等，高電平輸出電流為15mA，低電平灌入電流為24mA，可以用來驅動光耦隔離器、LED數碼管等。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，驅動LED】 （2）應用集電極開路（OC門）驅動電路控制低壓開關量信號輸出OC門，又稱集電極開路（漏極開路）與非門，Ope

5、n Collector（Open Drain）。實際使用中，有時需要兩個或兩個以上與非門的輸出端連接在同一條導線上，將這些與非門上的輸出端（狀態電平）用同一條導線輸送出去。因此，需要一種新的與非門電路-OC門來實現“線與邏輯”。【OC門的工作原理 TTL與非門電路的輸出級采用推拉式電路，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），在使用的時候，外接一個負載電阻R和電源，就變成了OC門電路。這種電路的最大特點是：可以實現線與（即輸出信號之間為“與”的關系）。實現線與的電路連接，就是將n個OC門集電極并聯，然后共用那一個外接的負載電阻作為它們的集電極負載電阻。這樣，當有任何一個門

6、輸入全為1的時候，它的輸出就為0，而n個門電路輸出端又是連接在一起的，所以輸出為0，實現了線與】1、實現與或非邏輯，用做電平轉換，用做驅動器。由于OC門電路的輸出管的集電極懸空，使用時需外接一個上拉電阻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動能力，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當足夠大；從確保足夠的驅動電流考慮應當足夠小。 2、線與邏輯，即兩個輸出端（包括兩個以上）直接互連就可以實現“AND”的邏輯功能。在總線傳輸等實際應用中需要多個門的輸出端并聯連接使用，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門或三態門（ST門）來實現。 用OC門實現線與，應同時在輸出端口應加一個上拉電阻。 3、三態門（ST門）主要用在應用于多個門輸出共享數據總線，為避免多個門輸出同時占用數據總線，這些門的使能信號（EN）中只允許有一個為有效電平（如高電平），由于三態門的輸出是推拉式的低阻輸出，且不需接上拉（負載）電阻，所以開關速度比OC門快，常用三態門作為輸出緩沖器。7406常用于微機和單片機應用系統中LED數碼管顯示的段碼和位碼的電流驅動。 典型OC門驅動芯片74LS06、74LS07在輸出低電平時，吸收電流的能力也高達40mA。當輸出高電平時，輸出電流

8、有電源5V經過上拉電阻提供輸出，根據輸出電流的要求，來選擇合適的上拉電阻。74LS06（反向）11.1.2 光電隔離接口技術 在輸出通道中，最常用的是光電隔離技術，因為光信號傳輸不受電場、磁場的干擾，可以有效地隔離電信號。光電耦合器件是把發光器件（如發光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現耦合構成電光和光電的轉換器件。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。它對輸入、輸出電信號有很好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。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：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，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，電信號傳輸具有單向性等特點，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的同時，能夠有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，使通道上的信號噪聲比大為提高，主要有以下幾個方面的原因： （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的產生。 （3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現故障，甚至輸入信號短接時，也不會損壞儀表。因為光耦器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。 （4）光電耦合器的響應速度極快，其響應延時只有10us左右，適于對響應速度要求很高的場合。注意事項：（1）在光電耦合的輸入部分和輸出部分必須采用獨立的電源，

11、若兩端共用一個電源，則光耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當光電耦合起來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號（包括數字量、控制信號、狀態信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯系，否則這種隔離是沒有意義的。【轉】常用光耦簡介及常見型號及參數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信號的傳輸，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，并且小信號時性能較好，能以線性特性進行隔離控制，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、飽和區與線性區三部分。利用光耦隔離器的開關特性（即光敏三極管工作在截止區、飽和區），可傳送數字信號而隔離電磁干擾，簡稱對數字信號進行隔離。例如在數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轉換器與CPU或CPU與D/A轉換器之間的數字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開關特性對數字信號進行隔離。 要注意的是，用于驅動發光管的電源與驅動光敏管的電源不應是共地的同一個電源，必須分開單獨供電，才能有效避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾；另外，發光二極管的動態電阻很小，也可以抑制系統內外的噪聲干擾。因此，利用光耦隔離器可用來傳遞信號而有效地隔離電磁場的電干擾。光電耦合隔離器是目前計算機控制系統中最常用的一種抗干擾方法。利用光耦隔離器的開關特性，可傳送數字信號而隔離電磁干擾，即在數字信號通道中進行隔離。4N29、4N30、4N31、4N32、4N33 達林頓輸出 4N294N33功能圖【林教材，P179】一般光耦的輸入導通電流為10mA左右，而發光管的壓降為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】#include <reg51