輸入接口電路

輸入接口允許傳感器（輸入換能器）與PC和微控制器進行通信。

接口是將一個設備，特別是計算機或微控制器，連接或鏈接在一起的方法。輸入接口電路使我們能夠設計或調整兩個電子設備的輸出和輸入配置，以便它們能夠協同工作。

但接口不僅僅是使用計算機和處理器的軟件程序來控制某些東西。雖然計算機接口使用單向和雙向輸入輸出端口來驅動各種外圍設備，但許多簡單的電子電路也可以用于與現實世界進行接口，無論是使用機械開關作為輸入，還是使用單個LED作為輸出。

按鈕開關

按鈕開關

為了使電子或微電子電路有用且有效，它必須與某些東西進行接口。輸入接口電路將電子電路（如運算放大器、邏輯門等）連接到外部世界，擴展其功能。

電子電路放大、緩沖或處理來自傳感器或開關的信號作為輸入信息，或控制燈、繼電器或執行器進行輸出控制。無論哪種方式，輸入接口電路將一個電路的電壓和電流輸出轉換為另一個電路的等效值。

輸入傳感器提供有關環境的輸入信息?？梢允褂酶鞣N傳感器和開關設備測量隨時間緩慢或連續變化的物理量（如溫度、壓力或位置），并給出與所測量物理量相關的輸出信號。

我們可以在電子電路和項目中使用的許多傳感器是電阻性的，即它們的電阻隨測量量的變化而變化。例如，熱敏電阻、應變計或光敏電阻（LDR）。這些設備都被歸類為輸入設備。

輸入接口電路

最簡單和最常見的輸入接口設備是按鈕開關。機械ON-OFF撥動開關、按鈕開關、搖桿開關、鑰匙開關和簧片開關等都因其低成本和易于與任何電路進行輸入接口而作為輸入設備廣受歡迎。此外，操作員可以通過操作開關、按下按鈕或將磁鐵移動到簧片開關上來簡單地改變輸入狀態。

單個開關的輸入接口

單個開關的輸入接口

開關和按鈕是具有兩組或更多組電觸點的機械設備。當開關打開或斷開時，觸點是開路狀態；當開關關閉或操作時，這些觸點短路在一起。

將開關（或按鈕）與電子電路進行輸入接口的最常見方法是通過上拉電阻連接到電源電壓，如圖所示。當開關打開時，輸出信號為5伏或邏輯“1”。當開關關閉時，輸出接地，輸出為0伏或邏輯“0”。

然后根據開關的位置，產生“高”或“低”輸出。上拉電阻是必要的，以在開關打開時將輸出電壓保持在所需值（在此示例中為+5伏），并防止開關在關閉時短路電源。

上拉電阻的大小取決于開關打開時的電路電流。例如，當開關打開時，電流將通過電阻流到VOUT端子，根據歐姆定律，這種電流流動將導致電阻兩端出現電壓降。

然后，如果我們假設數字邏輯TTL門需要60微安（60uA）的輸入“高”電流，這將導致電阻兩端的電壓降為：60uAx10kΩ=0.6V，產生5.0–0.6=4.4V的輸入“高”電壓，這完全在標準數字TTL門的輸入規格范圍內。

開關或按鈕也可以以“高電平有效”模式連接，其中開關和電阻的位置互換，使開關連接在+5V電源電壓和輸出之間。電阻現在稱為下拉電阻，連接在輸出和0V地之間。

在這種配置中，當開關打開時，輸出信號VOUT為0V或邏輯“0”。當開關操作時，輸出變為“高”至+5伏電源電壓或邏輯“1”。

與用于限制電流的上拉電阻不同，下拉電阻的主要目的是通過將其連接到0V或地來防止輸出端子VOUT浮動。

因此，可以使用更小的電阻，因為其兩端的電壓降通常非常小。然而，使用過小的下拉電阻值將導致開關關閉或操作時電阻中的高電流和高功耗。

DIP開關輸入接口

DIP開關輸入接口

除了將單個按鈕和搖桿開關與電路進行輸入接口外，我們還可以以鍵盤和DIP開關的形式將多個開關接口在一起。

DIP或雙列直插式封裝開關是單個開關，它們在一個封裝內組合為四個或八個開關。這使得DIP開關可以插入標準IC插座或直接連接到電路或面包板上。

DIP開關封裝中的每個開關通常通過其ON-OFF狀態指示兩種條件之一，四開關DIP封裝將具有四個輸出，如圖所示。滑動和旋轉類型的DIP開關可以連接在一起或以兩到三個開關的組合連接，這使得將它們與各種電路進行輸入接口非常容易。

輸入接口電路中的開關彈跳問題

機械開關因其低成本和易于輸入接口而廣受歡迎。然而，機械開關有一個常見問題，稱為“觸點彈跳”。機械開關由兩塊金屬觸點組成，當您操作開關時，它們被推到一起以完成電路。

但金屬部件在開關體內接觸并彈跳在一起，導致開關機構非?？焖俚囟啻未蜷_和關閉，而不是產生單一的干凈開關動作。

由于機械開關觸點設計為快速打開和關閉，因此幾乎沒有阻力（稱為阻尼）來阻止觸點在接通或斷開時彈跳。結果是，這種彈跳動作在開關形成牢固接觸之前產生了一系列脈沖或電壓尖峰。

開關彈跳波形

開關彈跳波形

問題是，任何與機械開關進行輸入接口的電子或數字電路都可能將這些多次開關操作讀取為一系列持續幾毫秒的ON和OFF信號，而不是預期的單一和明確的開關動作。

這種多次開關閉合（或打開）動作在開關中稱為開關彈跳，在繼電器中稱為觸點彈跳。此外，由于開關和觸點彈跳在打開和關閉動作期間都會發生，觸點之間的彈跳和電弧會導致磨損，增加接觸電阻，并降低開關的工作壽命。

然而，有幾種方法可以通過使用一些額外的電路（如去抖電路）來解決開關彈跳問題，以“去抖”輸入信號。最簡單和最直接的方法是創建一個RC去抖電路，允許開關對電容器進行充電和放電，如圖所示。

RC開關去抖電路

開關去抖電路

通過在開關的輸入接口電路中增加一個額外的100Ω電阻和一個1uF電容器，可以過濾掉開關彈跳的問題。RC時間常數T被選擇為比機械開關動作的彈跳時間長。反相施密特觸發器緩沖器也可以用于產生從低到高和從高到低的尖銳輸出轉換。

那么這種類型的輸入接口電路是如何工作的呢？我們在RC充電教程中看到，電容器以由其時間常數T決定的速率充電。這個時間常數值以T=R*C（秒）為單位測量，其中R是電阻的值（歐姆），C是電容的值（法拉）。這構成了RC時間常數的基礎。

讓我們首先假設開關關閉并且電容器完全放電，那么反相器的輸入為低電平，其輸出為高電平。當開關打開時，電容器通過兩個電阻R1和R2以RC網絡的C(R1+R2)時間常數決定的速率充電。

隨著電容器緩慢充電，開關觸點的任何彈跳都被電容器板上的電壓平滑。當板上的電荷等于或大于反相器輸入電壓上限（VIH）的最低值時，反相器改變狀態，輸出變為低電平。在這個簡單的開關輸入接口示例中，RC值約為10mS，為開關觸點提供了足夠的時間以穩定到其最終打開狀態。

當開關關閉時，現在完全充電的電容器將通過100Ω電阻以C(R2)時間常數決定的速率快速放電到零，將反相器的輸出狀態從低電平變為高電平。然而，開關的操作導致觸點彈跳，導致電容器希望反復充電，然后迅速放電回零。

由于RC充電時間常數是放電時間常數的十倍，電容器無法在開關彈回其最終關閉位置之前快速充電，因為輸入上升時間已經減慢，因此反相器保持輸出高電平。結果是，無論開關觸點在打開或關閉時彈跳多少，您只會從反相器獲得一個單一的輸出脈沖。

使用NAND門的開關去抖

這種簡單開關去抖電路的優點是，如果開關觸點彈跳過多或時間過長，可以增加RC時間常數以進行補償。還要記住，這個RC時間延遲意味著您需要等待才能再次操作開關，因為如果您過早再次操作開關，它將不會生成另一個輸出信號。

雖然這種簡單的開關去抖電路適用于將單個（SPST）開關與電子和微控制器電路進行輸入接口，但RC時間常數的缺點是它在下一個開關動作發生之前引入了延遲。

如果開關動作快速改變狀態，或者像鍵盤上的多個鍵被操作，那么這種延遲可能是不可接受的。克服此問題并產生更快輸入接口電路的一種方法是使用交叉耦合的2輸入NAND或2輸入NOR門，如下所示。

使用NAND門的開關去抖

這種簡單的開關去抖電路的優點是，如果開關觸點彈跳過多或時間過長，可以通過增加RC時間常數來補償。需要注意的是，這種RC時間延遲意味著在再次操作開關之前需要等待一段時間，因為如果過早再次操作開關，它將不會生成另一個輸出信號。

雖然這種簡單的開關去抖電路適用于將單刀單擲（SPST）開關與電子和微控制器電路進行輸入接口，但RC時間常數的缺點是它在下一個開關動作發生之前引入了延遲。

如果開關動作快速改變狀態，或者像鍵盤上的多個鍵被操作，那么這種延遲可能是不可接受的?？朔藛栴}并產生更快輸入接口電路的一種方法是使用交叉耦合的2輸入NAND或2輸入NOR門，如下所示。

使用NAND門的開關去抖

使用交叉耦合NAND門的開關去抖

這種類型的開關去抖電路的操作方式與我們之前在時序邏輯部分討論的SR觸發器非常相似。兩個數字邏輯門被連接為一對交叉耦合的NAND門，其輸入為低電平有效，形成一個SR鎖存電路，其中兩個NAND門輸入通過兩個1kΩ上拉電阻保持高電平（+5V），如圖所示。

此外，由于該電路作為置位-復位（Set-Reset）SR鎖存器工作，因此需要一個單刀雙擲（SPDT）切換開關，而不是之前RC去抖電路中的單刀單擲（SPST）開關。

當交叉耦合NAND去抖電路的開關處于位置A時，NAND門U1被“置位”，輸出Q為高電平（邏輯“1”）。當開關移動到位置B時，U2被“置位”，從而復位U1。此時輸出Q為低電平（邏輯“0”）。

通過在位置A和B之間操作開關，輸出Q會在高電平和低電平之間切換。由于鎖存器需要兩個開關動作來置位和復位，因此開關觸點在打開或關閉時的任何彈跳都不會在輸出Q上顯示出來。此外，這種SR鎖存去抖電路的優點是它可以提供互補的輸出Q和Q?。

除了使用交叉耦合的NAND門形成雙穩態鎖存輸入接口電路外，我們還可以通過改變兩個電阻的位置并將其值減小到100Ω來使用交叉耦合的NOR門，如下所示。

使用NOR門的開關去抖

使用交叉耦合NOR門的開關去抖

交叉耦合NOR門去抖電路的操作與NAND電路相同，只是當開關處于位置B時，輸出Q為高電平；當開關處于位置A時，輸出Q為低電平。這與交叉耦合NAND雙穩態鎖存器的操作相反。

需要注意的是，當使用NAND或NOR鎖存器作為去抖電路進行開關輸入接口時，NAND配置需要低電平或邏輯“0”輸入信號來改變狀態，而NOR配置需要高電平或邏輯“1”輸入信號來改變狀態。

與光電器件的接口

光耦合器（或光隔離器）是一種電子元件，內部包含一個LED和一個光敏器件（如光電二極管或光電晶體管），封裝在同一外殼中。

我們在之前的教程中討論的光耦合器通過光敏光學接口連接兩個獨立的電路。這意味著我們可以有效地將不同電壓或功率等級的電路接口在一起，而不會相互影響。

光學開關（或光電開關）是另一種用于輸入接口的光學（光電）開關器件。其優點在于，光學開關可以用于將有害電壓電平接口到微控制器、PIC和其他數字電路的輸入引腳，或者通過光檢測物體，因為這兩個組件在電氣上是分離的，但在光學上是耦合的，提供了高度的隔離（通常為2-5kV）。

光學開關有多種類型和設計，適用于各種接口應用。光學開關最常見的用途是檢測移動或靜止的物體。光電晶體管和光電達林頓配置提供了光電開關所需的大部分功能，因此是最常用的。

槽式光學開關

槽式光學開關

通常使用直流電壓驅動發光二極管（LED），將輸入信號轉換為紅外光能量。這種光通過隔離間隙反射并被另一側的光電晶體管收集，然后轉換回輸出信號。

對于普通的光電開關，LED的正向電壓降在正常輸入電流為5到20毫安時約為1.2到1.6伏。這給出了串聯電阻值在180到470Ω之間。

槽式光電開關電路

槽式光電輸入接口電路

旋轉和槽式盤光學傳感器廣泛用于位置編碼器、軸編碼器，甚至計算機鼠標的旋轉輪中，因此它們是出色的輸入接口設備。旋轉盤上切出了多個槽，均勻分布的槽數表示每度旋轉的分辨率。典型的編碼盤每轉最多可產生256個脈沖或8位分辨率。

在盤旋轉一圈的過程中，LED發出的紅外光通過槽照射到光電晶體管上，然后隨著盤的旋轉被阻擋，每次通過槽時晶體管都會“打開”和“關閉”。電阻R1設置LED電流，而上拉電阻R2確保在晶體管“關閉”時將電源電壓Vcc連接到施密特反相器的輸入，產生低電平（邏輯“0”）輸出。

當盤旋轉到開口處時，LED發出的紅外光照射到光電晶體管上，并將集電極到發射極的端子短路到地，產生施密特反相器的低電平輸入，反相器輸出高電平或邏輯“1”。

如果反相器的輸出連接到數字計數器或編碼器，則可以確定軸的位置或計算單位時間內的軸轉數以給出軸的每分鐘轉數（rpm）。

除了使用槽式光電設備作為輸入接口開關外，還有另一種稱為反射式光學傳感器的光學設備，它使用LED和光電器件來檢測物體。反射式光電開關可以通過反射（因此得名）LED的紅外光來檢測反射物體的存在或不存在。反射式光電傳感器的基本布置如下所示。

反射式光學開關

反射式光學開關

光電晶體管具有非常高的“關閉”電阻（黑暗）和低的“打開”電阻（光），這取決于從LED照射到其基極的光量。如果傳感器前方沒有物體，LED的紅外光將向前照射為單一光束。

當物體靠近傳感器時，LED的光被反射回來并被光電晶體管檢測到。光電晶體管感測到的反射光量和晶體管的飽和程度取決于物體的接近程度或反射率。

其他類型的光電器件

除了使用槽式或反射式光電開關進行電路的輸入接口外，我們還可以使用其他類型的半導體光檢測器，如光敏電阻、PN結光電二極管甚至太陽能電池。所有這些光敏器件都使用環境光（如陽光或普通室內光）來激活設備，使它們能夠輕松地與任何類型的電子電路接口。

普通的信號和功率二極管的PN結被密封在塑料外殼中，既為了安全，也為了防止光子照射到PN結上。當二極管反向偏置時，它會阻止電流流動，就像一個高電阻的斷開開關。然而，如果我們用光照射這個PN結，光子會打開結，允許電流流動，具體取決于照射到結上的光強度。

光電二極管通過在其PN結上設置一個小透明窗口來利用這一點，使光電二極管對光非常敏感。根據半導體摻雜的類型和數量，一些光電二極管對可見光敏感，而另一些對紅外（IR）光敏感。

當沒有入射光時，反向電流幾乎可以忽略不計，稱為“暗電流”。光強度的增加會導致反向電流的增加。

因此，我們可以看到光電二極管只允許反向電流在一個方向上流動，這與標準整流二極管相反。這種反向電流只有在光電二極管接收到特定量的光時才會流動，在黑暗條件下表現為非常高的阻抗，在明亮光條件下表現為低阻抗器件，因此光電二極管可以在許多應用中用作高速光檢測器。

光電二極管的接口

使用光電二極管的輸入接口電路

在左側的兩個基本電路中，光電二極管通過電阻反向偏置，輸出電壓信號取自串聯電阻的兩端。該電阻可以是固定值，通常在10kΩ到100kΩ之間，或者如圖所示，作為可變的100kΩ電位器。該電阻可以連接在光電二極管和0V地之間，或者連接在光電二極管和正Vcc電源之間。

雖然像BPX48這樣的光電二極管對光強度的變化響應非?？欤c其他光電器件（如硫化鎘LDR）相比，它們的靈敏度較低，因此可能需要某種形式的放大，如晶體管或運算放大器。

我們已經看到光電二極管可以用作由照射到其結上的光量控制的可變電阻器件。光電二極管可以在納秒內或頻率高于1MHz的情況下從“開”切換到“關”，因此常用于光學編碼器和光纖通信中。

除了PN結光電器件（如光電二極管或光電晶體管）外，還有其他類型的半導體光檢測器，它們沒有PN結，并且其電阻特性隨光強度的變化而變化。這些器件稱為光敏電阻（LDR）。

LDR，也稱為硫化鎘（CdS）光電池，是一種被動器件，其電阻隨可見光強度的變化而變化。當沒有光時，其內部電阻非常高，達到兆歐（MΩ）級別。然而，當被強光照射時，其電阻會降至1kΩ以下。因此，光敏電阻的操作方式類似于電位器，但由光強度控制其電阻值。

光敏電阻的接口

使用LDR光敏電阻的輸入接口電路

光敏電阻的電阻值隨光強度成比例變化。因此，LDR可以與串聯電阻R一起形成跨電源的電壓分壓網絡。在黑暗中，LDR的電阻遠大于電阻的電阻，因此通過將LDR從電源連接到電阻或將電阻連接到地，可以將其用作光檢測器或暗檢測器，如圖所示。

由于像NORP12這樣的LDR會產生與其電阻值相關的可變電壓輸出，因此它們可以用于模擬輸入接口電路。但LDR也可以作為惠斯通電橋的一部分連接到運算放大器電壓比較器或施密特觸發電路的輸入，以生成用于數字和微控制器輸入電路的數字信號。

簡單的閾值檢測器（用于光強、溫度或應變）可以生成TTL兼容的輸出，適合直接連接到邏輯電路或數字輸入端口。基于運算放大器比較器的光強和溫度閾值檢測器在測量值超過或低于閾值設置時生成邏輯“1”或邏輯“0”輸入。

輸入接口總結

正如我們在本教程部分中看到的輸入和輸出設備，有許多不同類型的傳感器可以將一個或多個物理屬性轉換為電信號，然后由適當的電子、微控制器或數字電路進行處理和使用。

問題是幾乎所有被測量的物理屬性都不能直接連接到處理或放大電路。因此，需要某種形式的輸入接口電路來將各種不同的模擬輸入電壓和電流接口到微處理器數字電路。

如今，隨著現代PC、微控制器、PIC和其他基于微處理器的系統的發展，輸入接口電路使這些低電壓、低功率設備能夠輕松地與外部世界通信，因為許多基于PC的設備都內置了輸入輸出端口，用于在控制器程序和連接的開關或傳感器之間傳輸數據。

我們已經看到，傳感器是將一種屬性轉換為電信號的電子組件，從而作為輸入設備。通過向電子電路添加輸入傳感器，可以提供有關周圍環境的信息，從而擴展其功能。然而，傳感器不能獨立工作，在大多數情況下，需要一個稱為接口的電氣或電子電路。

因此，輸入接口電路允許外部設備交換信號（數據或代碼），從使用開關去抖技術的簡單開關（如單個按鈕或鍵盤用于數據輸入）到可以檢測光、溫度、壓力和速度等物理量的輸入傳感器，并通過模數轉換器進行轉換。接口電路使我們能夠做到這一點。