單片機I/O的常用驅動與隔離電路的設計

隨著微電子技術和計算機技術的發展，原來以強電和電器為主、功能簡單的電氣設備發展成為強、弱電結合，具有數字化特點、功能完善的新型微電子設備。在很多場合，已經出現了越來越多的單片機產品代替傳統的電氣控制產品。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，其硬件配置也可變、易變。因此，一旦生產過程有所變動，就不必重新設計線路連線安裝，有利于產品的更新換代和訂單式生產。

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

1、 輸入電路設計

圖1 開關信號輸入

一般輸入信號最終會以開關形式輸入到單片機中，以工程經驗來看，開關輸入的控制指令有效狀態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S1時，發出的指令信號為低電平，而平時不按下開關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的正向導通壓降UF≈0.7 V，反向擊穿電壓UBR≈30 V，無論輸入端出現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。即：VI～VCC出現正脈沖時，D1正向導通；VI～VCC出現負脈沖時，D2反向擊穿；VI與地之間出現正脈沖時，D3反向擊穿；VI與地之間出現負脈沖時，D3正向導通，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構成積分電路，對外界感應電壓延遲一段時間。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，發光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內阻一般較高，根據分壓原理，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小，不會產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一只電容來吸收干擾脈沖，或串聯一只金屬薄膜電阻來限制流入端口的峰值電流。

2、 輸出電路設計

單片機輸出端口受驅動能力的限制，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，要避免出現圖5所示的電路。

圖5 錯誤的輸出電路

T1截止、T2導通期間，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。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發熱嚴重。而在T2截止期間，T1必須導通，高壓+15 V全部降在電阻R2上，產生很大的電流，顯然是不合理的。另外，T1的導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的發射極可能存在高電平，容易引起T2管基射結反向擊穿。

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導通時，在R3、R4的串聯電路中產生電流，在R3上的分壓大于T2晶體管的基射結壓降，促使T2導通，T2提供了功率管T3的基極電流，使T3變為導通狀態。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，提升了驅動電壓。但要注意的是，這種電路的開關速度低，若用其直接驅動功率管，則當后續電路具有電感性負載時，由于功率管的相位關系，會影響波形上升時間，造成功率管動態損耗增大。

為了改善開關速度，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，不會出現飽和，因而不影響輸出開關頻率。

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，單片機輸出的開關信號轉換成一種頻率很高的載波信號，經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檢波后經濾波還原成開關信號，送入功率管。當單片機輸出低電平時，G門關閉，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整電感量、原副邊匝數等來適應不同推動功率的要求，所以應用起來比較靈活。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，也可以傳輸開關信號，在輸出級應用時主要用來傳遞開關信號。如圖9所示，單片機輸出控制信號經緩沖器7407放大后送入光耦。R2為光耦輸出晶體管的負載電阻，它的選取應保證：在光耦導通時，其輸出晶體管可靠飽和；而在光耦截止時，T1可靠飽和。但由于光耦響應速度慢使開關延遲時間加長，限制了其使用頻率。

圖9 光耦輸出電路

結語

單片機接口技術在很多文獻中均有詳細的介紹，但在對大量電氣控制產品的改造和設計中，經常會碰到用接口芯片所無法解決的問題（如驅動電流大、開關速度慢、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用表明，其對合理、可靠地實現單片機電氣控制系統具有較高的工程實用價值。

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