输入接口电路

输入接口允许传感器（输入换能器）与PC和微控制器进行通信。

接口是将一个设备，特别是计算机或微控制器，连接或链接在一起的方法。输入接口电路使我们能够设计或调整两个电子设备的输出和输入配置，以便它们能够协同工作。

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输出端口来驱动各种外围设备，但许多简单的电子电路也可以用于与现实世界进行接口，无论是使用机械开关作为输入，还是使用单个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且有效，它必须与某些东西进行接口。输入接口电路将电子电路（如运算放大器、逻辑门等）连接到外部世界，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、继电器或执行器进行输出控制。无论哪种方式，输入接口电路将一个电路的电压和电流输出转换为另一个电路的等效值。

输入传感器提供有关环境的输入信息。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（如温度、压力或位置），并给出与所测量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是电阻性的，即它们的电阻随测量量的变化而变化。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是按钮开关。机械ON-OFF拨动开关、按钮开关、摇杆开关、钥匙开关和簧片开关等都因其低成本和易于与任何电路进行输入接口而作为输入设备广受欢迎。此外，操作员可以通过操作开关、按下按钮或将磁铁移动到簧片开关上来简单地改变输入状态。

单个开关的输入接口

单个开关的输入接口

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，触点是开路状态；当开关关闭或操作时，这些触点短路在一起。

将开关（或按钮）与电子电路进行输入接口的最常见方法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”。当开关关闭时，输出接地，输出为0伏或逻辑“0”。

然后根据开关的位置，产生“高”或“低”输出。上拉电阻是必要的，以在开关打开时将输出电压保持在所需值（在此示例中为+5伏），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，电流将通过电阻流到VOUT端子，根据欧姆定律，这种电流流动将导致电阻两端出现电压降。

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：60uAx10kΩ=0.6V，产生5.0–0.6=4.4V的输入“高”电压，这完全在标准数字TTL门的输入规格范围内。

开关或按钮也可以以“高电平有效”模式连接，其中开关和电阻的位置互换，使开关连接在+5V电源电压和输出之间。电阻现在称为下拉电阻，连接在输出和0V地之间。

在这种配置中，当开关打开时，输出信号VOUT为0V或逻辑“0”。当开关操作时，输出变为“高”至+5伏电源电压或逻辑“1”。

与用于限制电流的上拉电阻不同，下拉电阻的主要目的是通过将其连接到0V或地来防止输出端子VOUT浮动。

因此，可以使用更小的电阻，因为其两端的电压降通常非常小。然而，使用过小的下拉电阻值将导致开关关闭或操作时电阻中的高电流和高功耗。

DIP开关输入接口

DIP开关输入接口

除了将单个按钮和摇杆开关与电路进行输入接口外，我们还可以以键盘和DIP开关的形式将多个开关接口在一起。

DIP或双列直插式封装开关是单个开关，它们在一个封装内组合为四个或八个开关。这使得DIP开关可以插入标准IC插座或直接连接到电路或面包板上。

DIP开关封装中的每个开关通常通过其ON-OFF状态指示两种条件之一，四开关DIP封装将具有四个输出，如图所示。滑动和旋转类型的DIP开关可以连接在一起或以两到三个开关的组合连接，这使得将它们与各种电路进行输入接口非常容易。

输入接口电路中的开关弹跳问题

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问题，称为“触点弹跳”。机械开关由两块金属触点组成，当您操作开关时，它们被推到一起以完成电路。

但金属部件在开关体内接触并弹跳在一起，导致开关机构非常快速地多次打开和关闭，而不是产生单一的干净开关动作。

由于机械开关触点设计为快速打开和关闭，因此几乎没有阻力（称为阻尼）来阻止触点在接通或断开时弹跳。结果是，这种弹跳动作在开关形成牢固接触之前产生了一系列脉冲或电压尖峰。

开关弹跳波形

开关弹跳波形

问题是，任何与机械开关进行输入接口的电子或数字电路都可能将这些多次开关操作读取为一系列持续几毫秒的ON和OFF信号，而不是预期的单一和明确的开关动作。

这种多次开关闭合（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。此外，由于开关和触点弹跳在打开和关闭动作期间都会发生，触点之间的弹跳和电弧会导致磨损，增加接触电阻，并降低开关的工作寿命。

然而，有几种方法可以通过使用一些额外的电路（如去抖电路）来解决开关弹跳问题，以“去抖”输入信号。最简单和最直接的方法是创建一个RC去抖电路，允许开关对电容器进行充电和放电，如图所示。

RC开关去抖电路

开关去抖电路

通过在开关的输入接口电路中增加一个额外的100Ω电阻和一个1uF电容器，可以过滤掉开关弹跳的问题。RC时间常数T被选择为比机械开关动作的弹跳时间长。反相施密特触发器缓冲器也可以用于产生从低到高和从高到低的尖锐输出转换。

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决定的速率充电。这个时间常数值以T=R*C（秒）为单位测量，其中R是电阻的值（欧姆），C是电容的值（法拉）。这构成了RC时间常数的基础。

让我们首先假设开关关闭并且电容器完全放电，那么反相器的输入为低电平，其输出为高电平。当开关打开时，电容器通过两个电阻R1和R2以RC网络的C(R1+R2)时间常数决定的速率充电。

随着电容器缓慢充电，开关触点的任何弹跳都被电容器板上的电压平滑。当板上的电荷等于或大于反相器输入电压上限（VIH）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，为开关触点提供了足够的时间以稳定到其最终打开状态。

当开关关闭时，现在完全充电的电容器将通过100Ω电阻以C(R2)时间常数决定的速率快速放电到零，将反相器的输出状态从低电平变为高电平。然而，开关的操作导致触点弹跳，导致电容器希望反复充电，然后迅速放电回零。

由于RC充电时间常数是放电时间常数的十倍，电容器无法在开关弹回其最终关闭位置之前快速充电，因为输入上升时间已经减慢，因此反相器保持输出高电平。结果是，无论开关触点在打开或关闭时弹跳多少，您只会从反相器获得一个单一的输出脉冲。

使用NAND门的开关去抖

这种简单开关去抖电路的优点是，如果开关触点弹跳过多或时间过长，可以增加RC时间常数以进行补偿。还要记住，这个RC时间延迟意味着您需要等待才能再次操作开关，因为如果您过早再次操作开关，它将不会生成另一个输出信号。

虽然这种简单的开关去抖电路适用于将单个（SPST）开关与电子和微控制器电路进行输入接口，但RC时间常数的缺点是它在下一个开关动作发生之前引入了延迟。

如果开关动作快速改变状态，或者像键盘上的多个键被操作，那么这种延迟可能是不可接受的。克服此问题并产生更快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。

使用NAND门的开关去抖

这种简单的开关去抖电路的优点是，如果开关触点弹跳过多或时间过长，可以通过增加RC时间常数来补偿。需要注意的是，这种RC时间延迟意味着在再次操作开关之前需要等待一段时间，因为如果过早再次操作开关，它将不会生成另一个输出信号。

虽然这种简单的开关去抖电路适用于将单刀单掷（SPST）开关与电子和微控制器电路进行输入接口，但RC时间常数的缺点是它在下一个开关动作发生之前引入了延迟。

如果开关动作快速改变状态，或者像键盘上的多个键被操作，那么这种延迟可能是不可接受的。克服此问题并产生更快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。

使用NAND门的开关去抖

使用交叉耦合NAND门的开关去抖

这种类型的开关去抖电路的操作方式与我们之前在时序逻辑部分讨论的SR触发器非常相似。两个数字逻辑门被连接为一对交叉耦合的NAND门，其输入为低电平有效，形成一个SR锁存电路，其中两个NAND门输入通过两个1kΩ上拉电阻保持高电平（+5V），如图所示。

此外，由于该电路作为置位-复位（Set-Reset）SR锁存器工作，因此需要一个单刀双掷（SPDT）切换开关，而不是之前RC去抖电路中的单刀单掷（SPST）开关。

当交叉耦合NAND去抖电路的开关处于位置A时，NAND门U1被“置位”，输出Q为高电平（逻辑“1”）。当开关移动到位置B时，U2被“置位”，从而复位U1。此时输出Q为低电平（逻辑“0”）。

通过在位置A和B之间操作开关，输出Q会在高电平和低电平之间切换。由于锁存器需要两个开关动作来置位和复位，因此开关触点在打开或关闭时的任何弹跳都不会在输出Q上显示出来。此外，这种SR锁存去抖电路的优点是它可以提供互补的输出Q和Q̅。

除了使用交叉耦合的NAND门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其值减小到100Ω来使用交叉耦合的NOR门，如下所示。

使用NOR门的开关去抖

使用交叉耦合NOR门的开关去抖

交叉耦合NOR门去抖电路的操作与NAND电路相同，只是当开关处于位置B时，输出Q为高电平；当开关处于位置A时，输出Q为低电平。这与交叉耦合NAND双稳态锁存器的操作相反。

需要注意的是，当使用NAND或NOR锁存器作为去抖电路进行开关输入接口时，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”输入信号来改变状态。

与光电器件的接口

光耦合器（或光隔离器）是一种电子元件，内部包含一个LED和一个光敏器件（如光电二极管或光电晶体管），封装在同一外壳中。

我们在之前的教程中讨论的光耦合器通过光敏光学接口连接两个独立的电路。这意味着我们可以有效地将不同电压或功率等级的电路接口在一起，而不会相互影响。

光学开关（或光电开关）是另一种用于输入接口的光学（光电）开关器件。其优点在于，光学开关可以用于将有害电压电平接口到微控制器、PIC和其他数字电路的输入引脚，或者通过光检测物体，因为这两个组件在电气上是分离的，但在光学上是耦合的，提供了高度的隔离（通常为2-5kV）。

光学开关有多种类型和设计，适用于各种接口应用。光学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。

槽式光学开关

槽式光学开关

通常使用直流电压驱动发光二极管（LED），将输入信号转换为红外光能量。这种光通过隔离间隙反射并被另一侧的光电晶体管收集，然后转换回输出信号。

对于普通的光电开关，LED的正向电压降在正常输入电流为5到20毫安时约为1.2到1.6伏。这给出了串联电阻值在180到470Ω之间。

槽式光电开关电路

槽式光电输入接口电路

旋转和槽式盘光学传感器广泛用于位置编码器、轴编码器，甚至计算机鼠标的旋转轮中，因此它们是出色的输入接口设备。旋转盘上切出了多个槽，均匀分布的槽数表示每度旋转的分辨率。典型的编码盘每转最多可产生256个脉冲或8位分辨率。

在盘旋转一圈的过程中，LED发出的红外光通过槽照射到光电晶体管上，然后随着盘的旋转被阻挡，每次通过槽时晶体管都会“打开”和“关闭”。电阻R1设置LED电流，而上拉电阻R2确保在晶体管“关闭”时将电源电压Vcc连接到施密特反相器的输入，产生低电平（逻辑“0”）输出。

当盘旋转到开口处时，LED发出的红外光照射到光电晶体管上，并将集电极到发射极的端子短路到地，产生施密特反相器的低电平输入，反相器输出高电平或逻辑“1”。

如果反相器的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单位时间内的轴转数以给出轴的每分钟转数（rpm）。

除了使用槽式光电设备作为输入接口开关外，还有另一种称为反射式光学传感器的光学设备，它使用LED和光电器件来检测物体。反射式光电开关可以通过反射（因此得名）LED的红外光来检测反射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。

反射式光学开关

反射式光学开关

光电晶体管具有非常高的“关闭”电阻（黑暗）和低的“打开”电阻（光），这取决于从LED照射到其基极的光量。如果传感器前方没有物体，LED的红外光将向前照射为单一光束。

当物体靠近传感器时，LED的光被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的饱和程度取决于物体的接近程度或反射率。

其他类型的光电器件

除了使用槽式或反射式光电开关进行电路的输入接口外，我们还可以使用其他类型的半导体光检测器，如光敏电阻、PN结光电二极管甚至太阳能电池。所有这些光敏器件都使用环境光（如阳光或普通室内光）来激活设备，使它们能够轻松地与任何类型的电子电路接口。

普通的信号和功率二极管的PN结被密封在塑料外壳中，既为了安全，也为了防止光子照射到PN结上。当二极管反向偏置时，它会阻止电流流动，就像一个高电阻的断开开关。然而，如果我们用光照射这个PN结，光子会打开结，允许电流流动，具体取决于照射到结上的光强度。

光电二极管通过在其PN结上设置一个小透明窗口来利用这一点，使光电二极管对光非常敏感。根据半导体掺杂的类型和数量，一些光电二极管对可见光敏感，而另一些对红外（IR）光敏感。

当没有入射光时，反向电流几乎可以忽略不计，称为“暗电流”。光强度的增加会导致反向电流的增加。

因此，我们可以看到光电二极管只允许反向电流在一个方向上流动，这与标准整流二极管相反。这种反向电流只有在光电二极管接收到特定量的光时才会流动，在黑暗条件下表现为非常高的阻抗，在明亮光条件下表现为低阻抗器件，因此光电二极管可以在许多应用中用作高速光检测器。

光电二极管的接口

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，光电二极管通过电阻反向偏置，输出电压信号取自串联电阻的两端。该电阻可以是固定值，通常在10kΩ到100kΩ之间，或者如图所示，作为可变的100kΩ电位器。该电阻可以连接在光电二极管和0V地之间，或者连接在光电二极管和正Vcc电源之间。

虽然像BPX48这样的光电二极管对光强度的变化响应非常快，但与其他光电器件（如硫化镉LDR）相比，它们的灵敏度较低，因此可能需要某种形式的放大，如晶体管或运算放大器。

我们已经看到光电二极管可以用作由照射到其结上的光量控制的可变电阻器件。光电二极管可以在纳秒内或频率高于1MHz的情况下从“开”切换到“关”，因此常用于光学编码器和光纤通信中。

除了PN结光电器件（如光电二极管或光电晶体管）外，还有其他类型的半导体光检测器，它们没有PN结，并且其电阻特性随光强度的变化而变化。这些器件称为光敏电阻（LDR）。

LDR，也称为硫化镉（CdS）光电池，是一种被动器件，其电阻随可见光强度的变化而变化。当没有光时，其内部电阻非常高，达到兆欧（MΩ）级别。然而，当被强光照射时，其电阻会降至1kΩ以下。因此，光敏电阻的操作方式类似于电位器，但由光强度控制其电阻值。

光敏电阻的接口

使用LDR光敏电阻的输入接口电路

光敏电阻的电阻值随光强度成比例变化。因此，LDR可以与串联电阻R一起形成跨电源的电压分压网络。在黑暗中，LDR的电阻远大于电阻的电阻，因此通过将LDR从电源连接到电阻或将电阻连接到地，可以将其用作光检测器或暗检测器，如图所示。

由于像NORP12这样的LDR会产生与其电阻值相关的可变电压输出，因此它们可以用于模拟输入接口电路。但LDR也可以作为惠斯通电桥的一部分连接到运算放大器电压比较器或施密特触发电路的输入，以生成用于数字和微控制器输入电路的数字信号。

简单的阈值检测器（用于光强、温度或应变）可以生成TTL兼容的输出，适合直接连接到逻辑电路或数字输入端口。基于运算放大器比较器的光强和温度阈值检测器在测量值超过或低于阈值设置时生成逻辑“1”或逻辑“0”输入。

输入接口总结

正如我们在本教程部分中看到的输入和输出设备，有许多不同类型的传感器可以将一个或多个物理属性转换为电信号，然后由适当的电子、微控制器或数字电路进行处理和使用。

问题是几乎所有被测量的物理属性都不能直接连接到处理或放大电路。因此，需要某种形式的输入接口电路来将各种不同的模拟输入电压和电流接口到微处理器数字电路。

如今，随着现代PC、微控制器、PIC和其他基于微处理器的系统的发展，输入接口电路使这些低电压、低功率设备能够轻松地与外部世界通信，因为许多基于PC的设备都内置了输入输出端口，用于在控制器程序和连接的开关或传感器之间传输数据。

我们已经看到，传感器是将一种属性转换为电信号的电子组件，从而作为输入设备。通过向电子电路添加输入传感器，可以提供有关周围环境的信息，从而扩展其功能。然而，传感器不能独立工作，在大多数情况下，需要一个称为接口的电气或电子电路。

因此，输入接口电路允许外部设备交换信号（数据或代码），从使用开关去抖技术的简单开关（如单个按钮或键盘用于数据输入）到可以检测光、温度、压力和速度等物理量的输入传感器，并通过模数转换器进行转换。接口电路使我们能够做到这一点。