第四-6章單片機輸出電路設(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,2010年 10月,主講人：王福忠 教授,河南理工大學(xué),本章內(nèi)容,第四章單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,常用元器件的識別與檢測,大賽典型競賽題目分析,單片機基礎(chǔ)知識與科技創(chuàng)新,人機接口電路設(shè)計,電源電路設(shè)計,輸入通道電路設(shè)計,輸出通道電路設(shè)計,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,在工業(yè)拉制系統(tǒng)中，單片機總要對控制對象實現(xiàn)控制操作，因此，要有控制輸出通道

2、。,一、概述二、單片機的功率接口設(shè)計 三、后向通道中的D／A轉(zhuǎn)換技術(shù)和接口芯片四、執(zhí)行器類型,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,一、概述,1.輸出通道及其特點,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：（1）小信號輸出、大功率控制。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。（

3、2）接近伺服驅(qū)動現(xiàn)場，環(huán)境惡劣。控制對象大多數(shù)是大功率的伺服驅(qū)動機構(gòu)，電磁、機械干擾較為嚴重。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。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,一、概述,2.輸出通道的基本結(jié)構(gòu),數(shù)字信號形態(tài)：主要有開關(guān)量、二進制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開關(guān)量、數(shù)字量和頻率量的調(diào)制系統(tǒng)。 模擬量：數(shù)／模轉(zhuǎn)換變換成模擬量控制信號。,4.6

4、輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,一、概述,3.輸出應(yīng)解決的問題,1)功率驅(qū)動。將單片機輸出的信號進行功率放大，以滿足伺服驅(qū)動對功率的要求。 2)干擾防治。主要防治伺服驅(qū)動系統(tǒng)通過信號通道、電源以及空間電磁場對計算機系統(tǒng)的干擾。通常通過信號隔離、電源隔離和對大功率開關(guān)實現(xiàn)過零切換等方法進行干擾防治。 3)數(shù)／模轉(zhuǎn)換。對于二進制輸出的數(shù)字雖采用D／A轉(zhuǎn)換；對于頻率量輸出則可以采用F／V轉(zhuǎn)換器變換成模擬量。,

5、4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,要用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等，不能用單片機的I/O線來直接驅(qū)動，而必須通過各種驅(qū)動電路和開關(guān)電路來驅(qū)動。 另外，與強電隔離和抗干擾，有時需加接光電耦合器。稱此類接口為MCS-51的功率接口。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)

6、計,1.外圍集成數(shù)字驅(qū)動電路,對于負載相對較小，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。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,1.外

7、圍集成數(shù)字驅(qū)動電路,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,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,1.外圍集成數(shù)字驅(qū)動電路,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IN75

8、1A用于輸入端的保護。,例2大功率音頻振蕩器,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,1.外圍集成數(shù)字驅(qū)動電路,電路如圖3所示。ULN2068芯片具有四個大電流達林頓開關(guān)，能驅(qū)動電流高達1.5A的負載。由于ULN2068在25℃時功耗達2075mW，因而使用時一定要加散熱板。,例3 驅(qū)動大電流負載,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的

9、功率接口設(shè)計,2. MCS-51的開關(guān)型功率接口,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。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——光電耦合器,1）信號隔商用光耦合器件 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

10、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,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——光電耦合器,1）信號隔商用光耦合器件

11、 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,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——光電耦合器,2）隔離驅(qū)動用光耦合器件 做隔離驅(qū)動用的晶體管輸出型的光耦合器

12、件，主要有達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)成的達林頓輸出，可直接用于驅(qū)動較低頻率的負載。,（1）晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——光電耦合器,輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，晶閘管即導(dǎo)通。有的光電耦合器的輸出端還配有過零檢測電路

13、，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時對電網(wǎng)的影響。 4N40為常用單向晶閘管輸出型光電耦合器。輸入15～30mA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1500～7500V;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,4.6 輸出通道電路設(shè)

14、計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——光電耦合器,（2）晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動接口,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——繼電器的接口,（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

15、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500mA，輸出端最大工作電壓為100V。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——繼電器的接口,（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

16、合；P1.0端輸出高電平時，繼電器J釋放。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 。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——繼電器的接口,（2）交流電磁式接觸器的功率接口,切換大電流，高電壓的負荷時，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)

17、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。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——繼電器的接口,（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。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)

18、型功率接口——MCS-51與晶閘管的接口,（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（門極）G。,4.6 輸出通道電

19、路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——MCS-51與晶閘管的接口,（2）雙向晶閘管,如下圖所示，相當于兩個晶閘管反并聯(lián)，應(yīng)用于交流電路控制時,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——MCS-51與晶閘管的接口,（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

20、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5~15mA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)?。該器件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。-- MOTOROLA公司,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單

21、片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——MCS-51與晶閘管的接口,（3）光耦合雙向可控硅驅(qū)動器,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,二、單片機的功率接口設(shè)計,2. 單片機的開關(guān)型功率接口——MCS-51與晶閘管的接口,（3）光耦合雙向可控硅驅(qū)動器,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,三、輸出通道中的D／A轉(zhuǎn)換技術(shù)和接

22、口芯片,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。 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。D/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。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,三、輸出通道中的D／A轉(zhuǎn)換技術(shù)和接口芯片,1. D／A轉(zhuǎn)換器的選擇要點,（1）D／A轉(zhuǎn)換芯片主要性能指標的選擇 D／

23、A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標，芯片器件手冊上都會給出。 在D／A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、12位）表示的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,三、輸出通道中的D／A轉(zhuǎn)換技術(shù)和接口芯片,1. D／A轉(zhuǎn)換器的選擇要點,（2）D／A轉(zhuǎn)換芯片的主要結(jié)構(gòu)特性與應(yīng)用特性選擇 D／A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

24、對D／A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D／A轉(zhuǎn)換芯片一般都只能接收自然二進制數(shù)字代碼。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,三、輸出通道中的D／A轉(zhuǎn)換技術(shù)和接口芯片,1. D／A轉(zhuǎn)換器的選擇要點,2）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?/p>

25、電壓及參考電阻之下的滿碼（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I／O給D/A送入數(shù)字量。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,三、輸出通道中的D／A轉(zhuǎn)

26、換技術(shù)和接口芯片,1. D／A轉(zhuǎn)換器的選擇要點,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AD588／ADl147）不僅能保證有較好的轉(zhuǎn)換精度，而且可以簡化接口電路。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,三、輸出通道中的D／A轉(zhuǎn)換技術(shù)和接口芯

27、片,2. D／A轉(zhuǎn)換器接設(shè)計的幾點實用技術(shù),（1）參考源的配置 目前在D/A轉(zhuǎn)換接口中常用到的D/A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圍、極性，須要配置相應(yīng)的參考電壓源。故在D/A接口設(shè)計中經(jīng)常要進行參考電壓源的配置設(shè)計。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,三、輸出通道中的D／A轉(zhuǎn)換技術(shù)和接口芯片,2. D／A轉(zhuǎn)換器接設(shè)計的幾點實用技術(shù),D／A轉(zhuǎn)換接口中常用的幾種

28、參考電壓源電路,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,四、執(zhí)行器類型,電氣式如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、直線電機、電磁閥……動力源易獲得液壓式如液壓油缸、液壓馬達…輸出功率較大，低速下運行平穩(wěn)氣動式如氣缸、氣壓馬達…..重量較輕，宜于遠距離傳輸及控制其它新型執(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 各種微型電動機，壓電、靜電、形狀記憶合金（SMA）、橡膠、仿

29、生型、超聲波、超導(dǎo)等執(zhí)行裝置。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,四、執(zhí)行器類型,電機（控制電機、伺服電機）與驅(qū)動,電機驅(qū)動卡,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,五、設(shè)計一個三相步進電機的單片機控制電路,（1）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)。,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

30、。本例以三相反應(yīng)式步進電機為例來說明它的工作原理及工作方式。該電機的步距角為1.5º；最大靜力距為50kg·cm；最高空載起動頻率為550步/秒。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,五、設(shè)計一個三相步進電機的單片機控制電路,（1）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)。,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°

31、;（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、Ｂ、Ｃ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。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,五、設(shè)計一個三相步進電機的單片機控制電路,（1）步進電機工作原理,工作原理：當按一定規(guī)律循環(huán)給三相步進電機的A、B、C三個繞組供電，該電機將按要求的規(guī)律運轉(zhuǎn)。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章

32、 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,五、設(shè)計一個三相步進電機的單片機控制電路,（2）控制電路總體方案設(shè)計,主要由單片機、控制電路、功率放大器及步進電機組成、傳感器、人機接口電路等組成。,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,五、設(shè)計一個三相步進電機的單片機控制電路,（3）單片機主系統(tǒng)設(shè)計,4.6 輸出通道電路設(shè)計,第四章 單片機在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動中的應(yīng)用,五、設(shè)計一個三相步進電機的單片機控制電路,（4