单片机I/O常用的驱动与隔离电路设计
时间：2021-09-26 13:43:05
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[导读]关注星标公众号，不错过精彩内容编排| strongerHuang微信公众号|嵌入式专栏随着微电子技术和计算机技术的发展，原来以强电和电器为主、功能简单的电气设备发展成为强、弱电结合，具有数字化特点、功能完善的新型微电子设备。在很多场合，已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气...
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在很多场合，已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气控制产品。单片机其控制功能通过软件指令来实现，其硬件配置也可变、易变。因此，一旦生产过程有所变动，就不必重新设计线路连线安装，有利于产品的更新换代和订单式生产。
传统电气设备采用的各种控制信号，必须转换到与单片机输入/输出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到单片机的各种控制信号，如限位开关、 操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等，通过输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。输出电路则应将单片机送出的弱电控制信 号转换、放大到现场需要的强输出信号，以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触器、电动机等被控制设备的执行元件，能方便实际控制系统使用。
针对电气控制产品的特点，本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法，对合理地设计电气控制系统，提高电路的接口能力，增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。
输入电路设计
若考虑到由于TTL电平电压较低，在长线传输中容易受到外界干扰，可以将输入信号提高到 24 V，在单片机入口处将高电压信号转换成TTL信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力，而且使开关的触点接触良好，运行可靠，如图2所示。其 中，D1为保护二极管，反向电压≥50 V。
为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚，可以在输入端增加防脉冲的二极管，形成电阻双向保护电路，如图3所示。二极管D1、D2、 D3的正向导通压降UF≈0.7 V，反向击穿电压UBR≈30 V，无论输入端出现何种极性的破坏电压，保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即：VI～VCC出现正脉冲时，D1正向导 通；VI～VCC出现负脉冲时，D2反向击穿；VI与地之间出现正脉冲时，D3反向击穿；VI与地之间出现负脉冲时，D3正向导通，二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5～2.5 kΩ，与输入电容C构成积分电路，对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ，则输入端承受的有效电压将远低于其幅度；若时间较长，则D1 导通，电流在RS上形成一定的压降，从而减小输入电压值。此外，一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示，R为输入限流电阻，使光耦中的发光二极管电流限制在10～20 mA。输入端靠光信号耦合，在电气上做到了完全隔离。
同时，发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理，干扰源能馈送到输入 端的干扰噪声很小，不会产生地线干扰或其他串扰，增强了电路的抗干扰能力。
在满足功能的前提下，提高单片机输入端可靠性最简单的方案是：在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲，或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。
输出电路设计
T1截止、T2导通期间，为了对T2提供足够的基极电流，R2的阻值必须很小。因为T2处于射极跟随器方式工作，因此为了减少T2损耗，必须将集射间电压降控制在较小范围内。
这样集基间电压也很小，电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。R2阻值过大，会大幅度增加T2压降，引起T2发热严重。而在T2截止期间，T1必须导通，高压 15 V全部降在电阻R2上，产生很大的电流，显然是不合理的。
另外，T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位，引起输出端不稳定。T2基极被T1拉 到地电位，若其后接的是感性负载，由于绕组反电势的作用，T2的发射极可能存在高电平，容易引起T2管基射结反向击穿。
图6为一直接耦合输出电路，由T1和T2组成耦合电路来推动T3。T1导通时，在R3、R4的串联电路中产生电流，在R3上的分压大于T2 晶体管的基射结压降，促使T2导通，T2提供了功率管T3的基极电流，使T3变为导通状态。当T1输入为低电平时，T1截止，R3上压降为零，T2截止， 最终T3截止。R5的作用在于：一方面作为T2集电极的一个负载，另一方面T2截止时，T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放，加快T3的截止速度，有利于减小损耗。
2.TTL或CMOS器件耦合若单片机通过TTL或CMOS芯片输出，一般均采用集电极开路的器件，如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至 15 V电源，提升了驱动电压。但要注意的是，这种电路的开关速度低，若用其直接驱动功率管，则当后续电路具有电感性负载时，由于功率管的相位关系，会影响波形 上升时间，造成功率管动态损耗增大。
为了改善开关速度，可采用2种改进形式输出电路，如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路，当TTL输出高电平 时，输出点通过晶体管T1获得电压和电流，充电能力提高，从而加快开通速度，同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路， 采用这种电路不但可提高开通时的速度，而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的，不会出现饱和，因而不影响输出开关频率。
3.脉冲变压器耦合脉冲变压器是典型的电磁隔离元件，单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号，经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接，所以输出是电平浮动的信号，可以直接与功率管等强电元件耦合，如图8所示。
这种电路必须有一个脉冲源，脉冲源的频率是载波频率，应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G，单片机输出信号 由另一端输入G门。当单片机输出高电平时，G门打开，输出脉冲进入变压器，变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲，通过二极管D1、D2检波后经滤波还 原成开关信号，送入功率管。当单片机输出低电平时，G门关闭，脉冲源不能通过G门进入变压器，变压器无输出。
这里，变压器既传递信号，又传送能量，提高了脉冲源的频率，有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同 推动功率的要求，所以应用起来比较灵活。更重要的是，变压器原副边线圈之间没有电的联系，副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动，不受其电源大小的 影响。
当单片机输出较高频率的脉冲信号时，可以不采用脉冲源和G门，对变压器原副边电路作适当调整即可。
4.光电耦合光电耦合可以传输线性信号，也可以传输开关信号，在输出级应用时主要用来传递开关信号。
如图9所示，单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2为光耦输出晶体管的负载电阻，它的选取应保证：在光耦导通时，其输出晶体管可靠饱和；而在光耦截止时，T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长，限制了其使用频率。
结语
上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明，其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。
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在很多场合，已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气控制产品。单片机其控制功能通过软件指令来实现，其硬件配置也可变、易变。因此，一旦生产过程有所变动，就不必重新设计线路连线安装，有利于产品的更新换代和订单式生产。
传统电气设备采用的各种控制信号，必须转换到与单片机输入/输出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到单片机的各种控制信号，如限位开关、 操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等，通过输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。输出电路则应将单片机送出的弱电控制信 号转换、放大到现场需要的强输出信号，以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触器、电动机等被控制设备的执行元件，能方便实际控制系统使用。
针对电气控制产品的特点，本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法，对合理地设计电气控制系统，提高电路的接口能力，增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。
输入电路设计
若考虑到由于TTL电平电压较低，在长线传输中容易受到外界干扰，可以将输入信号提高到 24 V，在单片机入口处将高电压信号转换成TTL信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力，而且使开关的触点接触良好，运行可靠，如图2所示。其 中，D1为保护二极管，反向电压≥50 V。
为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚，可以在输入端增加防脉冲的二极管，形成电阻双向保护电路，如图3所示。二极管D1、D2、 D3的正向导通压降UF≈0.7 V，反向击穿电压UBR≈30 V，无论输入端出现何种极性的破坏电压，保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即：VI～VCC出现正脉冲时，D1正向导 通；VI～VCC出现负脉冲时，D2反向击穿；VI与地之间出现正脉冲时，D3反向击穿；VI与地之间出现负脉冲时，D3正向导通，二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5～2.5 kΩ，与输入电容C构成积分电路，对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ，则输入端承受的有效电压将远低于其幅度；若时间较长，则D1 导通，电流在RS上形成一定的压降，从而减小输入电压值。此外，一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示，R为输入限流电阻，使光耦中的发光二极管电流限制在10～20 mA。输入端靠光信号耦合，在电气上做到了完全隔离。
同时，发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理，干扰源能馈送到输入 端的干扰噪声很小，不会产生地线干扰或其他串扰，增强了电路的抗干扰能力。
在满足功能的前提下，提高单片机输入端可靠性最简单的方案是：在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲，或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。
输出电路设计
T1截止、T2导通期间，为了对T2提供足够的基极电流，R2的阻值必须很小。因为T2处于射极跟随器方式工作，因此为了减少T2损耗，必须将集射间电压降控制在较小范围内。
这样集基间电压也很小，电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。R2阻值过大，会大幅度增加T2压降，引起T2发热严重。而在T2截止期间，T1必须导通，高压 15 V全部降在电阻R2上，产生很大的电流，显然是不合理的。
另外，T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位，引起输出端不稳定。T2基极被T1拉 到地电位，若其后接的是感性负载，由于绕组反电势的作用，T2的发射极可能存在高电平，容易引起T2管基射结反向击穿。
图6为一直接耦合输出电路，由T1和T2组成耦合电路来推动T3。T1导通时，在R3、R4的串联电路中产生电流，在R3上的分压大于T2 晶体管的基射结压降，促使T2导通，T2提供了功率管T3的基极电流，使T3变为导通状态。当T1输入为低电平时，T1截止，R3上压降为零，T2截止， 最终T3截止。R5的作用在于：一方面作为T2集电极的一个负载，另一方面T2截止时，T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放，加快T3的截止速度，有利于减小损耗。
2.TTL或CMOS器件耦合若单片机通过TTL或CMOS芯片输出，一般均采用集电极开路的器件，如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至 15 V电源，提升了驱动电压。但要注意的是，这种电路的开关速度低，若用其直接驱动功率管，则当后续电路具有电感性负载时，由于功率管的相位关系，会影响波形 上升时间，造成功率管动态损耗增大。
为了改善开关速度，可采用2种改进形式输出电路，如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路，当TTL输出高电平 时，输出点通过晶体管T1获得电压和电流，充电能力提高，从而加快开通速度，同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路， 采用这种电路不但可提高开通时的速度，而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的，不会出现饱和，因而不影响输出开关频率。
3.脉冲变压器耦合脉冲变压器是典型的电磁隔离元件，单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号，经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接，所以输出是电平浮动的信号，可以直接与功率管等强电元件耦合，如图8所示。
这种电路必须有一个脉冲源，脉冲源的频率是载波频率，应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G，单片机输出信号 由另一端输入G门。当单片机输出高电平时，G门打开，输出脉冲进入变压器，变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲，通过二极管D1、D2检波后经滤波还 原成开关信号，送入功率管。当单片机输出低电平时，G门关闭，脉冲源不能通过G门进入变压器，变压器无输出。
这里，变压器既传递信号，又传送能量，提高了脉冲源的频率，有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同 推动功率的要求，所以应用起来比较灵活。更重要的是，变压器原副边线圈之间没有电的联系，副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动，不受其电源大小的 影响。
当单片机输出较高频率的脉冲信号时，可以不采用脉冲源和G门，对变压器原副边电路作适当调整即可。
4.光电耦合光电耦合可以传输线性信号，也可以传输开关信号，在输出级应用时主要用来传递开关信号。
如图9所示，单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2为光耦输出晶体管的负载电阻，它的选取应保证：在光耦导通时，其输出晶体管可靠饱和；而在光耦截止时，T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长，限制了其使用频率。
结语
上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明，其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。
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