单片机输出电路设计

博士学位论文答辩单片机基础知识与科技创新2010年10月主讲人：王福忠教授河南理工大学本章内容第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用常用元器件的识别与检测大赛典型竞赛题目分析单片机基础知识与科技创新人机接口电路设计电源电路设计输入通道电路设计输出通道电路设计4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用在工业拉制系统中，单片机总要对控制对象实现控制操作，因此，要有控制输出通道。一、概述二、单片机的功率接口设计三、后向通道中的D／A转换技术和接口芯片四、执行器类型4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用一、概述1.输出通道及其特点输出通道是对控制对象实现控制操作的通道。它的结构和特点和控制对象与控制任务密切相关。根据控制对象对控制信号的要求，后向通道具有以下特点：（1）小信号输出、大功率控制。单片机输出功率较小，满足不了控制对象要求。因此，需要功率放到驱动。（2）接近伺服驱动现场，环境恶劣。控制对象大多数是大功率的伺服驱动机构，电磁、机械干扰较为严重。这些干扰信号易从后向通道进入计算机系统。所以，后向通道的隔离对系统的可靠性影响很大。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用一、概述2.输出通道的基本结构数字信号形态：主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量和频率量的调制系统。模拟量：数／模转换变换成模拟量控制信号。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用一、概述3.输出应解决的问题1)功率驱动。将单片机输出的信号进行功率放大，以满足伺服驱动对功率的要求。2)干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道、电源以及空间电磁场对计算机系统的干扰。通常通过信号隔离、电源隔离和对大功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。3)数／模转换。对于二进制输出的数字虽采用D／A转换；对于频率量输出则可以采用F／V转换器变换成模拟量。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计要用单片机控制各种各样的高压、大电流负载，如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等，不能用单片机的I/O线来直接驱动，而必须通过各种驱动电路和开关电路来驱动。另外，与强电隔离和抗干扰，有时需加接光电耦合器。称此类接口为MCS-51的功率接口。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计1.外围集成数字驱动电路对于负载相对较小，可直接由TTL、MOS以及CMOS电路来驱动。对于电阻性负载：只要加接合适的限流电阻和偏置电阻，即可直接由TTL、MOS以及CMOS电路来驱动。驱动感性负载时，必须加接限流电阻或箝位二极管。此外，有些驱动器内部有逻辑门电路，可以完成与、与非、或以及或非的逻辑功能。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计1.外围集成数字驱动电路图1为慢开启白炽灯驱动电路，白炽灯的延时开启时间长短取决于时间常数RC。此电路能直接驱动工作电压小于30V、额定电流小于500mA的任何灯泡。例1慢开启的白炽灯驱动电路4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计1.外围集成数字驱动电路图2电路能直接驱动一个大功率的扬声器，可用于报警系统，改变电阻或电容的值便能改变电路的振荡频率。电路中的两个齐纳二极管IN751A用于输入端的保护。例2大功率音频振荡器4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计1.外围集成数字驱动电路电路如图3所示。ULN2068芯片具有四个大电流达林顿开关，能驱动电流高达1.5A的负载。由于ULN2068在25℃时功耗达2075mW，因而使用时一定要加散热板。例3驱动大电流负载4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.MCS-51的开关型功率接口常用的开关型驱动器件有，光电耦合器、继电器、晶闸管、功率MOS管、集成功率电子开关、固态继电器等。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——光电耦合器1）信号隔商用光耦合器件做信号隔离用的光耦合器件，通常有两种形式，如下图所示。最简单的信号隔离用光耦合器件如下图(a)所示。以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端。这种器件一般用在100kHz以下的频率信号。如果基极有引出线，则可满足温度补偿、检测和调制要求。图(b)是高速光耦合器的结构形式。输出部分采用PIN型二极管和高速开关管组成复合结构，有较高的响应速度。（1）晶体管输出型光电耦合器驱动接口4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——光电耦合器1）信号隔商用光耦合器件图4为使用4N25光电耦合器接口电路图。4N25使输出驱动与单片机主机系统的电流信号相互独立（隔离）。减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。4N25输入输出端的最大隔离电压＞2500V。（1）晶体管输出型光电耦合器驱动接口4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——光电耦合器2）隔离驱动用光耦合器件做隔离驱动用的晶体管输出型的光耦合器件，主要有达林顿输出光耦合器件。如下图所示，其输出部分是以光敏感三极管和放大三极管构成的达林顿输出，可直接用于驱动较低频率的负载。（1）晶体管输出型光电耦合器驱动接口4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——光电耦合器输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，晶闸管即导通。有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电器在接通电源时对电网的影响。4N40为常用单向晶闸管输出型光电耦合器。输入15～30mA电流。输出端额定电压为400V，额定电流有效值为300mA。隔离电压为1500～7500V;MOC3041为常用双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA，输出端额定电压为400V，输入输出端隔离电压为7500V。（2）晶闸管输出型光电耦合器驱动接口4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——光电耦合器（2）晶闸管输出型光电耦合器驱动接口4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——继电器的接口（1）直流电磁式继电器功率接口常用的继电器大部分属于直流电磁式继电器，也称为直流继电器。一般用功率接口集成电路或晶体管驱动。在使用较多继电器的系统中，可用功率接口集成电路驱动，例如SN75468，一片SN75468可驱动7个继电器，驱动电流可达500mA，输出端最大工作电压为100V。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——继电器的接口（1）直流电磁式继电器功率接口图7是直流继电器的接口电路。继电器的动作由单片机8031的P1.0端控制。P1.0端输出低电平时，继电器J吸合；P1.0端输出高电平时，继电器J释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。二极管是保护晶体管T。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——继电器的接口（2）交流电磁式接触器的功率接口切换大电流，高电压的负荷时，需要电磁式继电器（称为接触器）。交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电,所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。图8为交流接触器的双向晶闸管驱动接口电路图。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——继电器的接口（2）交流电磁式接触器的功率接口下图为：直流继电器作为中间继电器的交流接触器驱动接口电路图。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——MCS-51与晶闸管的接口（1）单向晶闸管晶闸管习惯上称可控硅（整流元件），英文名为SiliconControlledRectifier，简写成SCR，这是一种大功率半导体器件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。利用它可用较小的功率控制较大的功率。在交、直流电动机调速系统、调功系统、随动系统和无触点开关等方面均获得广泛的应用，如图示，有三个电极：阳极A、阴极C、控制极（门极）G。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——MCS-51与晶闸管的接口（2）双向晶闸管如下图所示，相当于两个晶闸管反并联，应用于交流电路控制时4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——MCS-51与晶闸管的接口（3）光耦合双向可控硅驱动器是单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，由两部分组成，输入部分是一砷化镓发光二极管，该二极管在5~15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装，其引脚配置和内部结构见图11。常用型号有：MOC3030/31/32（用于115V交流），MOC3040/41（用于220V交流）MOC3061双向晶闸管触发电路。--MOTOROLA公司4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——MCS-51与晶闸管的接口（3）光耦合双向可控硅驱动器4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用二、单片机的功率接口设计2.单片机的开关型功率接口——MCS-51与晶闸管的接口（3）光耦合双向可控硅驱动器4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用三、输出通道中的D／A转换技术和接口芯片模数转换器（D/A）就是一种把数字信号转换成为模拟电信号的器件。D/A转换是单片机应用测控系统典型的接口技术内容。D/A转换接口设计的主要任务：选择D/A集成芯片，配置外围电路及器件，实现数字量到模拟量的线性转换。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用三、输出通道中的D／A转换技术和接口芯片1.D／A转换器的选择要点（1）D／A转换芯片主要性能指标的选择D／A转换器的主要性能指标，芯片器件手册上都会给出。在D／A接口设计的实际应用中，用户在选择时主要考虑的是用位数（8位、12位）表示的转换精度和转换时间。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用三、输出通道中的D／A转换技术和接口芯片1.D／A转换器的选择要点（2）D／A转换芯片的主要结构特性与应用特性选择D／A转换器的特性虽然主要表现为芯片内部结构的配置状况，但这些配置状况对D／A转换接口电路设计带来很大影响，主要有：1）数字输入特性数字输入特性包括接收数的码制、数据格式以及逻辑电平等。目前批量生产的D／A转换芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。4.6输出通道电路设计第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用三、输出通道中的D／A转换技术和接口芯片1.D／A转换器的选择要点2）数字输出特性目前多数D/A转换器件均属电流输出器件，手册上通常给出的输入参考电压及参考电阻之下的满码（全l）输出电流I0。另外还给出最大输出短路电流以及输出电压允许范围。3）锁存特性及转换控制D/A转换器对数字量输出是否具有锁存功能