单片机的常见输入输出电路介绍

2013-09-24 10:43:41来源: 互联网 关键字:单片机  输入输出  电路介绍
2 输出电路设计

  单片机输出端口受驱动能力的限制,一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别,但一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。

  2.1 直接耦合

  在采用直接耦合的输出电路中,要避免出现图5所示的电路。

  

 

  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L2 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。

  

直接耦合输出电路

 

  2.2 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。

  

 

  2.3 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人控制门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,通过二报管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闯没有电的联系,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。

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