單片機輸出電路設(shè)計

1、博士學(xué)位論文答辯單片機基礎(chǔ)知識與科技創(chuàng)新單片機基礎(chǔ)知識與科技創(chuàng)新2010年年 10月月 主講人：王福忠主講人：王福忠 教授教授河南理工大學(xué)河南理工大學(xué) 本章內(nèi)容本章內(nèi)容第四章第四章單片機在大學(xué)生科技單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用創(chuàng)新活動中的應(yīng)用大賽典型競賽題目大賽典型競賽題目分析分析單片機基礎(chǔ)知識與科技創(chuàng)新單片機基礎(chǔ)知識與科技創(chuàng)新電源電路設(shè)計電源電路設(shè)計輸入通道電路設(shè)計輸入通道電路設(shè)計人機接口電路設(shè)計人機接口電路設(shè)計 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電

2、路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用輸出通道是對控制對象實現(xiàn)控制操作的通道。它的結(jié)構(gòu)和特點和控制對象與控制任務(wù)密切相關(guān)。根據(jù)控制對象對控制信號的要求，后向通道具有以下特點：單片機輸出功率較小，滿足不了控制對象要求。因此，需要功率放到驅(qū)動?？刂茖ο蟠蠖鄶?shù)是大功率的伺服驅(qū)動機構(gòu)，電磁、機械干擾較為嚴(yán)重。這些干擾信號易從后向通道進入計算機系統(tǒng)。所以，后向通道的隔離對系統(tǒng)的可靠性影響很大。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)

3、計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 要用單片機控制各種各樣的要用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載高壓、大電流負(fù)載，如電，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等，動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等，不能用單片機的不能用單片機的I/OI/O線來直線來直接驅(qū)動接驅(qū)動，而必須通過各種驅(qū)動電路和開關(guān)電路來驅(qū)動。，而必須通過各種驅(qū)動電路和開關(guān)電路來驅(qū)動。 另外，與強電隔離和抗干擾，有時需加接光電耦合器。另外，與強電隔離

4、和抗干擾，有時需加接光電耦合器。稱此類接口為稱此類接口為MCS-51MCS-51的的功率接口功率接口。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 對于負(fù)載相對較小，可直接由TTL、MOS以及CMOS電路來驅(qū)動。 對于電阻性負(fù)載：只要加接合適的限流電阻和偏置電阻，即可直接由TTL、MOS以及CMOS電路來驅(qū)動。 驅(qū)動感性負(fù)載時，必須加接限流電阻或箝位二極管。此外，有些驅(qū)動器內(nèi)部有邏輯門電路，可以完成與、與非、或以及或非的邏輯功能。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生

5、科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 圖1為慢開啟白熾燈驅(qū)動電路，白熾燈的延時開啟時間長短取決于時間常數(shù)RC。此電路能直接驅(qū)動工作電壓小于30V、額定電流小于500mA的任何燈泡。例1慢開啟的白熾燈驅(qū)動電路 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 圖2電路能直接驅(qū)動一個大功率的揚聲器，可用于報警系統(tǒng)，改變電阻或電容的值便能改變電路的振蕩頻率。電路中的兩個齊納二極管IN751A用于輸入端的保護。例2大功率音頻振蕩器 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大

6、學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 電路如圖3所示。ULN2068芯片具有四個大電流達(dá)林頓開關(guān)，能驅(qū)動電流高達(dá)1.5A的負(fù)載。由于ULN2068在25時功耗達(dá)2075mW，因而使用時一定要加散熱板。例3 驅(qū)動大電流負(fù)載 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 常用的開關(guān)型驅(qū)動器件有，光電耦合器、繼電器、晶閘管、功率MOS管、集成功率電子開關(guān)、固態(tài)繼電器等。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中

7、的應(yīng)用 做信號隔離用的光耦合器件，通常有兩種形式，如下圖所示。最簡單的信號隔離用光耦合器件如下圖(a)所示。以發(fā)光二極管為輸入端，光敏三極管為輸出端。這種器件一般用在100kHz以下的頻率信號。如果基極有引出線，則可滿足溫度補償、檢測和調(diào)制要求。圖(b)是高速光耦合器的結(jié)構(gòu)形式。輸出部分采用PIN型二極管和高速開關(guān)管組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，有較高的響應(yīng)速度。（1）晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 圖4為使用4N25光電耦合器接口電路圖。4N25使輸出驅(qū)動與單片機主機系統(tǒng)的電流

8、信號相互獨立（隔離）。減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。4N25輸入輸出端的最大隔離電壓2500V。（1）晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 做隔離驅(qū)動用的晶體管輸出型的光耦合器件，主要有達(dá)林頓輸出光耦合器件。如下圖所示，其輸出部分是以光敏感三極管和放大三極管構(gòu)成的達(dá)林頓輸出，可直接用于驅(qū)動較低頻率的負(fù)載。（1）晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動

9、中的應(yīng)用 1530mA電流。輸出端額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。隔離電壓為15007500V;MOC3041為常用雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，輸入輸出端隔離電壓為7500V。（2）晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（2）晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（

10、1）直流電磁式繼電器功率接口 常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。 一般用功率接口集成電路或晶體管驅(qū)動。在使用較多繼電器的系統(tǒng)中，可用功率接口集成電路驅(qū)動，例如SN75468，一片SN75468可驅(qū)動7個繼電器，驅(qū)動電流可達(dá)500mA，輸出端最大工作電壓為100V。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（1）直流電磁式繼電器功率接口 圖7是直流繼電器的接口電路。繼電器的動作由單片機8031的P1.0端控制。P1.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P1.0端輸出高電平時，繼電器J釋放

11、。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機受控復(fù)位時不吸合。二極管是保護晶體管T 。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（2）交流電磁式接觸器的功率接口 切換大電流，高電壓的負(fù)荷時，需要電磁式繼電器（稱為接觸器）。交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電,所以通常使用雙向晶閘管驅(qū)動或使用一個直流繼電器作為中間繼電器控制。圖8為交流接觸器的雙向晶閘管驅(qū)動接口電路圖。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中

12、的應(yīng)用（2）交流電磁式接觸器的功率接口 下圖為：直流繼電器作為中間繼電器的交流接觸器驅(qū)動接口電路圖。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（1）單向晶閘管 晶閘管習(xí)慣上稱可控硅（整流元件），英文名為Silicon Controlled Rectifier，簡寫成SCR，這是一種大功率半導(dǎo)體器件，它既有單向?qū)щ姷恼髯饔茫钟锌梢钥刂频拈_關(guān)作用。利用它可用較小的功率控制較大的功率。在交、直流電動機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和無觸點開關(guān)等方面均獲得廣泛的應(yīng)用，如圖示，有三個電極：陽極A、陰極C、控制極（

13、門極）G。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（2）雙向晶閘管如下圖所示，相當(dāng)于兩個晶閘管反并聯(lián)，應(yīng)用于交流電路控制時 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（3）光耦合雙向可控硅驅(qū)動器 是單片機輸出與雙向可控硅之間較理想的接口器件，由兩部分組成，輸入部分是一砷化鎵發(fā)光二極管，該二極管在515mA正向電流作用下發(fā)出足夠強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。輸出部分是一硅光敏雙向可控硅，在紅外線的作用下可雙向?qū)?。該器?/p>

14、為六引腳雙列直插式封裝，其引腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖11。 常用型號有：MOC3030/31/32（用于115V交流），MOC3040/41（用于220V交流）MOC3061雙向晶閘管觸發(fā)電路。- MOTOROLAMOTOROLA公司公司 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（3）光耦合雙向可控硅驅(qū)動器 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（3）光耦合雙向可控硅驅(qū)動器 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路

15、設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用v模數(shù)轉(zhuǎn)換器（D/A）就是一種把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為模擬電信號的器件。 v D/A轉(zhuǎn)換是單片機應(yīng)用測控系統(tǒng)典型的接口技術(shù)內(nèi)容。vD/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計的主要任務(wù)： 選擇D/A集成芯片，配置外圍電路及器件，實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的線性轉(zhuǎn)換。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 （1）DA轉(zhuǎn)換芯片主要性能指標(biāo)的選擇 DA轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)，芯片器件手冊上都會給出。 在DA接口設(shè)計的實際應(yīng)用中，用戶在選擇時主要考慮的是用位數(shù)（8位

16、、12位）表示的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 （2）DA轉(zhuǎn)換芯片的主要結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用特性選擇 DA轉(zhuǎn)換器的特性雖然主要表現(xiàn)為芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置狀況，但這些配置狀況對DA轉(zhuǎn)換接口電路設(shè)計帶來很大影響，主要有： 1）數(shù)字輸入特性 數(shù)字輸入特性包括接收數(shù)的碼制、數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平等。目前批量生產(chǎn)的DA轉(zhuǎn)換芯片一般都只能接收自然二進制數(shù)字代碼。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 2

17、）數(shù)字輸出特性 目前多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器件均屬電流輸出器件，手冊上通常給出的輸入?yún)⒖茧妷杭皡⒖茧娮柚碌臐M碼（全l）輸出電流I0。另外還給出最大輸出短路電流以及輸出電壓允許范圍。 3）鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制 D/A轉(zhuǎn)換器對數(shù)字量輸出是否具有鎖存功能將直接影響與CPU的接口設(shè)計。如果D/A轉(zhuǎn)換器沒有輸入鎖存器，通過CPU數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)字量時，必須外加鎖存器，否則只能通過具有輸出鎖存功能的IO給D/A送入數(shù)字量。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 4）參考源 D/A轉(zhuǎn)換中，參考電壓源是唯一影響輸出結(jié)果的模擬參

18、量，是D/A轉(zhuǎn)換接口中的重要電路，對接口電路的工作性能、電路的結(jié)構(gòu)有很大影響 使用內(nèi)部帶有低漂移精密參考電壓源的D/A轉(zhuǎn)換器（如AD588ADl147）不僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 （1 1）參考源的配置）參考源的配置 目前在目前在D/AD/A轉(zhuǎn)換接口中常用到的轉(zhuǎn)換接口中常用到的D/AD/A轉(zhuǎn)換器大多不帶轉(zhuǎn)換器大多不帶有參考電壓源。有時為了方便地改變輸出模擬電壓范有參考電壓源。有時為了方便地改變輸出模擬電壓范圍、極性，須要配置相應(yīng)的參考電壓源

19、。故在圍、極性，須要配置相應(yīng)的參考電壓源。故在D/AD/A接口接口設(shè)計中經(jīng)常要進行參考電壓源的配置設(shè)計。設(shè)計中經(jīng)常要進行參考電壓源的配置設(shè)計。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用 D DA A轉(zhuǎn)換接轉(zhuǎn)換接口中常用的幾口中常用的幾種參考電壓源種參考電壓源電路電路 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用v電氣式電氣式如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、直線電機、如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、直線電機

20、、電磁閥電磁閥動力源易獲得動力源易獲得v液壓式液壓式如液壓油缸、液壓馬達(dá)如液壓油缸、液壓馬達(dá)輸出功率較大，低速下運行平穩(wěn)輸出功率較大，低速下運行平穩(wěn)v氣動式氣動式如氣缸、氣壓馬達(dá)如氣缸、氣壓馬達(dá).重量較輕，宜于遠(yuǎn)距離傳輸及控制重量較輕，宜于遠(yuǎn)距離傳輸及控制v其它新型執(zhí)行裝置其它新型執(zhí)行裝置高磁性材料、化學(xué)法制作繞組、硅技術(shù)等特殊材料高磁性材料、化學(xué)法制作繞組、硅技術(shù)等特殊材料 各種微型電動機，壓電、靜電、形狀記憶合金（各種微型電動機，壓電、靜電、形狀記憶合金（SMASMA）、橡）、橡膠、仿生型、超聲波、超導(dǎo)等執(zhí)行裝置。膠、仿生型、超聲波、超導(dǎo)等執(zhí)行裝置。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通

21、道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用v電機（控制電機、伺服電機）與驅(qū)動電機（控制電機、伺服電機）與驅(qū)動電機電機驅(qū)動卡驅(qū)動卡 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（1 1）步進電機工作原理）步進電機工作原理 特點：它能接受步進脈沖的控制一步一步地旋轉(zhuǎn)。特點：它能接受步進脈沖的控制一步一步地旋轉(zhuǎn)。A AAAB BBBC CCC定子定子 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 步進電機的種類較多，如單相、雙相、三相、四相、五相及六相等多種類型。本例以三相反應(yīng)式步進電機為例來說明

22、它的工作原理及工作方式。該電機的步距角為1.5；最大靜力距為50kgcm；最高空載起動頻率為550步/秒。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用（1 1）步進電機工作原理）步進電機工作原理 特點：它能接受步進脈沖的控制一步一步地旋轉(zhuǎn)。特點：它能接受步進脈沖的控制一步一步地旋轉(zhuǎn)。A AAAB BBBC CCC定子定子 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 步進電機的轉(zhuǎn)子上均勻地分布著40個齒，齒間（齒距）夾角為9（360/40）,定子上有6個大齒，相差180的兩個大齒組成一相，共有A、三相。每個大齒上有若干個與轉(zhuǎn)子上一樣的小齒。定子的每一相都有勵磁繞組。 4.5 4.5 輸出通道電路設(shè)計輸出通道電路設(shè)計第四章第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的