输入接口电路

    接口是将一个设备连接或链接在一起的方法，尤其是计算机或微控制器。输入接口电路允许我们设计或调整两个电子设备的输出和输入配置，以便它们可以协同工作。
    但接口不仅仅是使用计算机和处理器的软件程序来控制某些东西。虽然计算机接口使用单向和双向输入和输出端口来驱动各种外围设备，但许多简单的电子电路可用于连接到现实世界，既可以使用机械开关作为输入，也可以使用单个 LED 作为输出。
    按钮开关
    按钮开关
    为了使电子或微电子电路有用和有效，它必须与某些东西接口。输入接口电路将运算放大器、逻辑门等电子电路连接到外部世界以扩展其功能。
    电子电路放大、缓冲或处理来自传感器或开关的信号作为输入信息，或控制灯、继电器或执行器以进行输出控制。无论哪种方式，输入接口电路都会将一个电路的电压和电流输出转换为另一个电路的等效电压和电流输出。
    输入传感器提供有关环境信息的输入。可以使用各种传感器和开关设备测量随时间缓慢或连续变化的物理量，例如温度、压力或位置，并提供与被测物理量相关的输出信号。
    我们可以在电子电路和项目中使用的许多传感器都是电阻性的，因为它们的电阻会随着测量的量而变化。例如，热敏电阻、应变计或光敏电阻 (LDR)。这些设备都被归类为输入设备。
    输入接口电路
    最简单和最常见的输入接口设备类型是按钮开关。机械式 ON-OFF 拨动开关、按钮开关、翘板开关、按键开关和簧片开关等都被广泛用作输入设备，因为它们成本低且易于与任何电路进行输入接口。操作员也可以简单地通过操作开关、按下按钮或在簧片开关上移动磁铁来更改输入状态。
   

    输入接口单个开关
    开关和按钮是具有两组或更多组电触点的机械设备。当开关打开或断开时，触点开路，当开关闭合或操作时，这些触点短路在一起。
    将开关（或按钮）连接到电子电路的最常见输入方式是通过上拉电阻连接到电源电压，如图所示。当开关打开时，输出信号为 5 伏或逻辑“1”。当开关闭合时，输出接地且输出为 0v，或逻辑“0”。
    然后根据开关的位置，产生“高”或“低”输出。需要一个上拉电阻来在开关打开时将输出电压电平保持在所需值（在本例中为 +5v），并防止开关在关闭时短路电源。
    上拉电阻的大小取决于开关打开时的电路电流。例如，当开关打开时，电流将通过电阻器向下流到V OUT端子，根据欧姆定律，这种电流流动将导致电阻器两端出现电压降。
    然后，如果我们假设数字逻辑 TTL 门需要 60 微安 (60uA) 的输入“高”电流，这将导致电阻两端的电压降为：60uA x 10kΩ = 0.6V，产生输入“高”电压为5.0 – 0.6 = 4.4V，完全符合标准数字 TTL 门的输入规格。
    开关或按钮也可以在“高电平有效”模式下连接，其中开关和电阻器反向，以便开关连接在 +5V 电源电压和输出之间。该电阻现在称为下拉电阻，连接在输出和 0v 地之间。
    在此配置中，当开关打开时，输出信号V OUT为 0v，或逻辑“0”。当操作开关时，输出变为“高电平”至 +5 伏电源电压或逻辑“1”。
    与用于限制电流的上拉电阻器不同，下拉电阻器的主要目的是通过将输出端子V OUT连接到 0v 或接地来防止其浮动。
    因此，可以使用小得多的电阻器，因为它两端的电压降通常非常小。然而，使用太小的下拉电阻值将导致在开关闭合或操作时电阻中的高电流和高功率耗散。

    DIP 开关输入接口
    拨码开关输入接口
    除了将各个按钮和翘板开关连接到电路的输入接口外，我们还可以将多个开关以键盘和 DIP 开关的形式连接在一起。
    DIP 或双列直插式封装开关是单独的开关，在单个封装内组合在一起作为四个或八个开关。这允许将 DIP 开关插入标准 IC 插座或直接连接到电路或试验板上。
    DIP 开关封装内的每个开关通常通过其开-关状态指示两种情况之一，而四开关 DIP 封装将具有四个输出，如图所示。滑动式和旋转式 DIP 开关都可以连接在一起，也可以连接两个或三个开关的组合，这使得它们与各种电路的输入接口非常容易。
    遭受开关弹跳的输入接口电路
    机械开关因其低成本和易于输入接口而广受欢迎。然而，机械开关有一个常见的问题，称为“触点弹跳”。机械开关由两片金属触点组成，当您操作开关时，它们被推在一起以完成电路。
    但是，金属部件并没有产生一个干净的开关动作，而是在开关体内相互接触和弹跳，导致开关机构非常快速地打开和关闭几次。
    由于机械开关触点设计用于快速打开和关闭，因此阻力非常小，称为阻尼以阻止触点在闭合或断开时弹跳。结果是这种弹跳动作会在开关牢固接触之前产生一系列脉冲或电压尖峰。
    开关弹跳波形

    开关弹跳波形
    问题在于，机械开关输入接口的任何电子或数字电路也可以将这些多个开关操作读取为一系列持续几毫秒的 ON 和 OFF 信号，而不仅仅是一个预期的单一和正切换动作。
    这种多重开关闭合（或打开）动作在开关中称为开关弹跳，在继电器中称为触点弹跳的相同动作。此外，由于在打开和关闭动作期间都会发生开关和触点弹跳，由此产生的弹跳和触点间的电弧会导致磨损，增加接触电阻，并降低开关的使用寿命。
    但是，有几种方法可以通过使用一些以去抖动电路形式的额外电路来“去抖动”输入信号来解决开关弹跳的问题。最简单和最简单的方法是创建一个 RC 去抖动电路，允许开关对电容器充电和放电，如图所示。
    RC 开关去抖电路

    开关去抖动电路
    通过在开关输入接口电路中增加一个额外的 100Ω 电阻和一个 1uF 电容器，可以滤除开关弹跳问题。选择的 RC 时间常数T长于机械开关动作的反弹时间。反相施密特触发器缓冲器也可用于产生从低电平到高电平以及从高电平到低电平的急剧输出转换。
    那么这种类型的输入接口电路是如何工作的呢？我们在 RC 充电教程中看到，电容器以由其时间常数T确定的速率充电。该时间常数值根据T = R*C测量，以秒为单位，其中R是以欧姆为单位的电阻值，C是以法拉为单位的电容器值。这便构成了RC时间常数的基础。
    首先假设开关闭合且电容器完全放电，然后逆变器的输入为低电平，输出为高电平。当开关打开时，电容器通过两个电阻器R1和R2充电，充电速率由 RC 网络的C(R1+R2)时间常数决定。
    随着电容器缓慢充电，开关触点的任何弹跳都会被电容器板上的电压消除。当极板上的电荷等于或大于反相器上输入电压 ( V IH ) 的最低值时，反相器改变状态，输出变为低电平。在这个简单的开关输入接口示例中，RC值约为 10mS，使开关触点有足够的时间进入最终打开状态。
    当开关闭合时，现在充满电的电容器将通过 100Ω 以C(R2)时间常数确定的速率快速放电至零，从而将逆变器输出的状态从低电平变为高电平。然而，开关的操作会导致触点弹跳，导致电容器反复充电，然后迅速放电至零。
    由于 RC 充电时间常数是放电时间常数的 10 倍，由于输入上升时间减慢，电容器在开关弹回其最终闭合位置之前不能足够快地充电，因此逆变器保持输出高的。结果是，无论开关触点在打开或关闭时跳动多少，您都只能从逆变器获得单个输出脉冲。
    使用与非门的开关去抖动

    这种简单的开关去抖动电路的优点是，如果开关触点弹跳太多或太长，可以增加 RC 时间常数来进行补偿。还请记住，此 RC 时间延迟意味着您需要等待才能再次操作开关，因为如果您再次操作开关太快，它将不会产生另一个输出信号。
    虽然这个简单的开关去抖动电路适用于将单个 (SPST) 开关连接到电子和微控制器电路的输入接口，但 RC 时间常数的缺点是它会在下一个开关动作发生之前引入延迟。
    如果切换动作快速改变状态，或者像在键盘上一样操作多个键，那么这种延迟可能是不可接受的。克服这个问题并产生更快的输入接口电路的一种方法是使用交叉耦合的 2 输入 NAND 或 2 输入 NOR 门，如下所示。
    与非门开关去抖动
    开关去抖与交叉耦合的与非门
    这种类型的开关去抖动电路的工作方式与我们在时序逻辑部分看到的 SR 触发器非常相似。两个数字逻辑门作为一对交叉耦合的 NAND 门连接，具有低电平有效输入，形成 SR 锁存器电路，因为两个 NAND 门输入由两个1kΩ上拉电阻保持高电平 (+5v)，如图所示。
    此外，由于该电路用作设置复位 SR 锁存器，因此该电路需要一个单刀双掷 (SPDT) 转换开关，而不是之前 RC 去抖动电路的单刀单掷 (SPST) 开关。
    当交叉耦合 NAND 去抖动电路的开关处于位置A时，NAND 门U1被“设置”并且Q处的输出为逻辑“1”的高电平。当开关移至位置B时，U2变为“置位”，从而使U1复位。Q的输出现在为逻辑“0”的低电平。
    在位置A和B之间操作开关可将Q 处的输出从高电平切换为低电平或从低电平切换为高电平。由于锁存器需要两个开关动作来设置和重置它，因此在输出Q处看不到开关触点在打开和关闭的任一方向上的任何弹跳。此 SR 锁存器去抖动电路的优点还在于它可以在Q和Q上提供互补输出。
    除了使用交叉耦合的与非门来形成双稳态锁存输入接口电路外，我们还可以通过改变两个电阻的位置并将它们的值减小到100Ω来使用交叉耦合的或非门，如下所示。
    使用或非门开关去抖动
    带交叉耦合或非门的开关去抖
    交叉耦合 NOR 门去抖动电路的操作与 NAND 电路相同，不同之处在于当开关处于位置 B 时Q的输出为高电平，而当开关处于位置A时输出为低电平。交叉耦合 NAND 双稳态锁存器的反向。
    然后值得注意的是，当输入接口切换到使用 NAND 或 NOR 锁存器用作去抖动电路的电路时，NAND 配置需要低电平或逻辑“0”输入信号来改变状态，而 NOR 配置需要高电平或逻辑“1”输入信号改变状态。
    与光电设备接口
    光耦合器（或光隔离器）是一种电子元件，具有 LED 和光敏器件，例如封装在同一封装中的光电二极管或光电晶体管。
    我们在之前的教程中看到的光耦合器通过光敏光学接口互连两个独立的电路。这意味着我们可以有效地将两个不同电压或额定功率的电路连接在一起，而不会影响另一个电路。
    光开关（或光开关）是另一种用于输入接口的光（光）开关设备。这里的优点是，光开关可用于将有害电压电平输入连接到微控制器、PIC 和其他此类数字电路的输入引脚上，或者用于使用光检测物体，因为这两个组件是电气分离的，但光学耦合提供了高度隔离（通常为 2-5kV）。
    光开关有多种不同的类型和设计，可用于各种接口应用。光电开关最常见的用途是检测移动或静止的物体。光电晶体管和光电达林顿配置提供了光电开关所需的大部分功能，因此是最常用的。
    开槽光开关

    开槽光开关
    直流电压通常用于驱动发光二极管 (LED)，将输入信号转换为红外光能。该光被隔离间隙另一侧的光电晶体管反射和收集，并转换回输出信号。
    对于普通光开关，在 5 到 20 毫安的正常输入电流下，LED 的正向压降约为 1.2 到 1.6 伏。这给出了 180 和 470Ω 之间的串联电阻值。
    开槽光电开关电路

    开槽光电输入接口电路
    旋转和开槽圆盘光学传感器广泛用于位置编码器、轴编码器，甚至是计算机鼠标的转轮，因此可以作为出色的输入接口设备。转盘上有许多从不透明轮上切出的槽，均匀分布的槽数代表每旋转一度的分辨率。典型编码光盘的分辨率高达每转 256 个脉冲或 8 位。
    在圆盘旋转一圈时，来自 LED 的红外光通过槽照射光电晶体管，然后在圆盘旋转时被阻挡，使晶体管在每次通过槽时“ON”然后“OFF”。电阻器R1设置 LED 电流，上拉电阻器R2确保电源电压，当晶体管“关闭”时，Vcc 连接到施密特反相器的输入，产生低电平，逻辑“0”输出。
    当圆盘旋转到开路时，来自 LED 的红外光照射光电晶体管并将集电极-发射极端子短路到地，从而为施密特反相器产生低电平输入，而施密特反相器又输出高电平或逻辑“1”。
    如果逆变器输出连接到数字计数器或编码器，则可以确定轴的位置或计算轴每单位时间的转数以得出轴每分钟的转数 (rpm)。
    除了使用开槽光电设备作为输入接口开关外，还有另一种类型的光学设备称为反射式光学传感器，它使用 LED 和光电设备来检测物体。反射式光电开关可以通过反射（因此得名）被感测的反射物体的 LED 红外光来检测物体的存在或不存在。反射式光电传感器的基本布置如下所示。
    反射光开关

    反射光开关
    光电晶体管具有非常高的“关断”电阻（暗）和低“导通”电阻（亮），它们由从 LED 照射到其基极的光量控制。如果传感器前面没有物体，则 LED 的红外光将作为单光束向前照射。
    当有物体靠近传感器时，LED 光会反射回来并被光电晶体管检测到。光电晶体管感测到的反射光量和晶体管饱和度将取决于物体的接近程度或反射程度。
    其他类型的光电器件
    除了使用开槽或反射式光电开关作为电路的输入接口，我们还可以使用其他类型的半导体光检测器，例如光阻光检测器、PN 结光电二极管甚至太阳能电池。所有这些光敏设备都使用环境光（例如阳光或普通室内光）来激活设备，从而使它们能够轻松连接到任何类型的电子电路。
    普通信号和功率二极管的 PN 结密封在塑料体内，以确保安全并阻止光子撞击它。当二极管反向偏置时，它会阻止电流流动，就像一个高阻开路开关。然而，如果我们将光照射到这个 PN 结上，光子就会打开结点，从而允许电流流动，具体取决于结点上的光强度。
    光电二极管通过具有一个小的透明窗口来利用这一点，该窗口允许光照射其 PN 结，从而使光电二极管具有极强的感光性。根据半导体掺杂的类型和数量，一些光电二极管响应可见光，一些响应红外 (IR) 光。
    当没有入射光时，反向电流几乎可以忽略不计，称为“暗电流”。光强量的增加会导致反向电流的增加。
    然后我们可以看到光电二极管只允许反向电流沿一个方向流动，这与标准整流二极管相反。该反向电流仅在光电二极管接收到特定量的光时流动，在黑暗条件下充当非常高的阻抗，在亮光条件下充当低阻抗设备，因此光电二极管可在许多应用中用作高速光检测器。
    连接光电二极管

    使用光电二极管的输入接口电路
    在左侧的两个基本电路中，光电二极管简单地通过电阻反向偏置，输出电压信号取自串联电阻两端。该电阻器可以是固定值，通常在 10kΩ 至 100kΩ 范围内，或者作为可变 100kΩ 电位器，如图所示。该电阻器可以连接在光电二极管和 0v 接地之间，或者连接在光电二极管和正 Vcc 电源之间。
    虽然 BPX48 等光电二极管对光照水平的变化做出非常快速的响应，但与硫化镉 LDR 电池等其他光电设备相比，它们的灵敏度可能较低，因此晶体管或运算放大器形式的某种形式的放大可能需要。
    然后我们看到光电二极管可以用作可变电阻器件，由落在其结上的光量控制。光电二极管可以非常快速地从“ON”切换到“OFF”，有时甚至在纳秒内或频率超过 1MHz 时非常快，因此常用于光学编码器和光纤通信中。
    除了 PN 结光电器件，例如光电二极管或光电晶体管，还有其他类型的半导体光检测器，它们在没有 PN 结的情况下工作，并随着光强度的变化或变化而改变其电阻特性。这些设备称为光敏电阻器或 LDR。
    LDR，也称为硫化镉 (CdS) 光电池，是一种无源设备，其电阻随可见光强度而变化。当没有光时，它们的内阻非常高，约为兆欧 (MΩ)。然而，当被照亮时，它们的电阻在强烈的阳光下会降至 1kΩ 以下。然后，光敏电阻器以与电位计类似的方式工作，但光强度控制其电阻值。
    连接 LDR 光敏电阻

    使用 ldr 光敏电阻的输入接口电路
    光敏电阻器的电阻值与光强成正比。然后，LDR 可与串联电阻R一起使用，以在电源上形成分压器网络。在黑暗中，LDR 的电阻比电阻器的电阻大得多，因此通过将 LDR 从电源连接到电阻器或电阻器到地，它可以用作光检测器或暗检测器，如图所示。
    由于 NORP12 等 LDR 会产生与其电阻值相关的可变电压输出，因此它们可用于模拟输入接口电路。但 LDR 也可以作为惠斯通电桥装置的一部分连接，作为运算放大器电压比较器或施密特触发器电路的输入，以产生用于连接数字和微控制器输入电路的数字信号。
    用于光照水平、温度或应变的简单阈值检测器可用于产生适合直接连接到逻辑电路或数字输入端口的 TTL 兼容输出。只要测量的水平超过或低于阈值设置，基于运算放大器比较器的光和温度水平阈值检测器就会生成逻辑“1”或逻辑“0”输入。
    输入接口总结
    正如我们在本教程中关于输入和输出设备的部分所看到的，有许多不同类型的传感器可用于将一个或多个物理特性转换为电信号，然后可以由合适的电子设备、微控制器或数字电路。
    问题是几乎所有被测量的物理特性都不能直接连接到处理或放大电路。然后需要某种形式的输入接口电路将各种不同的模拟输入电压和电流连接到微处理器数字电路。
    今天，对于现代 PC、微控制器、PIC 和其他基于微处理器的系统，输入接口电路允许这些低电压、低功率设备轻松地与外界通信，因为许多这些基于 PC 的设备具有内置的输入输出端口，用于传输数据进出控制器程序和连接的开关或传感器。
    我们已经看到，传感器是一种电子元件，可以将一种属性转换为电信号，从而起到输入设备的作用。将输入传感器添加到电子电路可以通过提供有关周围环境的信息来扩展其功能。但是，传感器不能自行运行，在大多数情况下，需要称为接口的电气或电子电路。
    然后输入接口电路允许外部设备使用开关去抖动技术从单个按钮或键盘交换信号（数据或代码）到输入传感器，这些传感器可以检测光、温度、压力等物理量，以及使用模数转换器进行转换的速度。然后接口电路使我们能够做到这一点。

本网转载并注明自其它出处的作品，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性，不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时，必须保留本网注明的作品出处，并自负版权等法律责任。
如涉及作品内容、版权等问题，请在作品发表之日起一周内与本网联系，否则视为放弃相关权利。