数字电子技术基础教程[夏路易][电子教案]12

第12章数字输入与驱动电路数字输入与驱动电路是配合数字电路工作的电路，本章重点介绍常用的数字接口电路，包括按键、按键消除抖动电路与光隔离输入电路等常用输入电路，以及LED显示电路与数字驱动电路等常用输出电路，最后介绍三态总线与数字实验电路。12.1常用开关量输入电路12.1.1按键电路1．按键具有上拉与下拉电阻的按键电路如图12-1所示。在上拉电阻的按键电路中（见图12-1（a）），要保证5VR1IHI输入高电平IHV。在下拉电阻的按键电路中（见图12-1（b）），要保证R1ILI输入低电平ILV。这里IHI和ILI分别是数字电路引脚高电平输入电流和低电平输入电流。IHV和ILV分别是数字电路引脚高电平输入电压和低电平输入电压。2．按键抖动消除电路按键的抖动与按键的质量有关，一般质量的按键常有1～25ms的抖动时间，按键闭合时电阻为0.1Ω，断开时电阻为无穷大。具有上拉电阻的按键抖动过程波形如图12-3所示。（1）具有电容的消除按键抖动电路很多应用中需要消除按键抖动，具有电容的消除按键抖动的硬件电路如图12-4所示。当按键按下时，电容通过20电阻快速放电，VC小于74LS14的VT，VO为高电平，在随后的按键抖动期间，电容C1充电时间短，所充电压VC达不到74LS14的VT+，因此VO为高电平；当按键释放时，电源通过1k电阻向电容C1充电，由于按键抖动期间，按键的短时间闭合使电容C1放电，电容C1上的电压VC达不到VT+，所以VO为高电平，直到按键不抖动，电容C1上的电压VC达到VT+时，使输出VO为低电平。在按键释放时，VC电压会升高，当电源电压为5V时，其值为：11/C55etRCV若R1=1k，则可以得到VC=VT+=2V时的电容量C1与充电时间t之间的关系：1/1k2.055etC11kln(1.67)tC若C1=33F，可以得到t=17ms，也就是电容电压升到74LS14的VT+电压需要17ms。（2）使用计数器的消除按键抖动电路使用计数器的消除按键抖动电路如图12-6（a）所示。该电路采用计数器74LS161计数的方法延时消除按键抖动，当按键按下后，D触发器置1，使输出信号PB为1，同时使计数器开始计数；当计数到1001时，计数器CLR端为低电平，计数器异步置0，同时D触发器也清零，使输出信号PB为0。该电路工作波形如图12-6（b）所示。（3）基于时基电路555的消除按键抖动电路由定时器555组成的消除按键抖动电路如图12-7（a）所示，该电路在按键按下后输出与按键按下时间相同的高电平信号。在按键按下瞬间，由于定时器555进入时间tW=1.1R2C1=1.110k1F=10ms的暂稳态，在暂稳态期间可以消除按键抖动，暂稳态结束后，如果按键还保持在按下状态，则输出VO保持高电平，直到按键释放后，VO恢复低电平，等待按键再次按下。该电路工作波形如图12-7（b）所示。3．同步按键电路状态机的输入信号常常是按键信号，既然是按键信号，则按下去的时间长短是随机的，可能是一个或多个状态机时钟脉冲的时间。如果状态机的状态转移是在某输入信号的作用之下连续转移，例如，在状态1，当按键第一次为0时，转移到状态2，第二次按键为0时转移到状态1，则会因为按钮一直保持在0，引起状态连续地转换，不能实现每按一次按键，转换一次状态的目的。解决的方法是使一个按键按下后，只在状态变化的时钟沿输出一个时钟周期低电平的电路。图12-8（a）是实现该功能的同步按键电路。输出波形如图12-8（b）所示，图中VI是按键信号，VO是输出信号，由图可以看出，输出信号是输入信号下降沿的微分。4．矩阵按键44矩阵按键电路如图12-9所示。12.1.2光耦隔离输入电路1．光耦合器光耦合器（简称光耦）种类有很多，分为直流输入与交流输入两种，下面分别介绍。（1）直流输入光耦4N254N25的内部电路与引脚排列如图12-10所示。4N25的主要电特性如表12-1所示。具有IF电流的情况：若图12-11中选择IF为5mA，由于电源电压为5V、LED的压降为1.5V，可以得到串联电阻R1阻值近似为680。根据电流传输比CTR=（IC/IF）10%，则有最小集电极电流IC=IF20%=1mA，因为RC电阻为10k，所以三极管Q1可处于深度饱和状态，三极管压降VCE接近于0V。没有IF电流的情况：若是没有IF电流，发光二极管不亮，三极管暗电流约为50nA，则VCE近似为电源电压5V。（2）交流输入的光耦TLP120TLP120是可以接收交流输入信号的光耦，其内部电路与引脚排列如图12-12所示。该芯片推荐工作条件为：电源电压VCC范围为5～48V，正向电流IF最大为20mA，集电极电流IC为1～10mA。主要电特性如表12-2所示。2．光耦隔离的直流开关输入电路光耦隔离开关输入电路可以有效隔离高电压与输入共模干扰。图12-13所示的就是数字系统中常用的光耦隔离输入电路。（1）饱和条件图中电源BAT的电压VBAT为12V时，流过光耦的电流IF为IF=（VBATVFVD）/R1=（12V1.5V1.8V）/2.4k=3.6mA式中，VBAT是电源BAT电压，VD是LED压降，VF是光耦内部LED的最大管压降。按照传输比CTR=20%计算，得到IC=IF·20%=0.72mA的电流，由于上拉电阻RC的阻值为10k，电流IC=0.72mA可以使VCE处于深饱和状态，输出电压VO近似为0V。②截止条件三极管截止后的电流（最大暗电流）为50nA，可以算出暗电流时的电阻RC压降为10k50nA=0.5mV，因压降很小，所以可以保证三极管截止时，三极管集电极输出电压VO近似为5V。若是需要在接线时不考虑开关侧的电源极性，则可以采用图12-14所示的电路。由于TLP120的最小电流传输比CTR=50%，大于4N25的传输比，因此可以有效保证三极管的饱和与截止，使输出电压VO满足数字器件的高低电平需求。3．光耦隔离的交流输入电路光耦隔离的交流输入电路如图12-15所示。该电路的输入电源是电压范围为200～240V/50Hz的交流电源，采用电容限流的方法向TLP120光耦发光二极管供电。图中C1是限流电容，C2是滤波电容。由于电容C1的容抗很大，忽略图中LED压降、TLP120内部发光二极管压降与电阻R2上的压降，则可以估算流过光耦的电流IF有效值为SF12000.009A113140.15μFVIC由于TLP120的最小电流传输比CTR=50%，因此可以获得4.5mA的IC电流，可以可靠保证三极管饱和，使输出VO近似为0V。12.2LED显示电路1．发光二极管显示实际中，常用发光二极管（LED灯）作为指示灯显示引脚的电平。通常有两种方式连接LED灯，一种是引脚输出高电平使LED灯亮，另外一种是引脚输出低电平使LED灯亮。2．静态数码管显示数字电路直接驱动静态数码管显示电路如图12-17所示。3．扫描数码管显示4位扫描数码管显示电路如图12-18所示，其中图12-18（a）为共阳数码管显示电路，图12-18（b）是共阴数码管显示电路。4．基于74HC595的静态数码管显示电路74HC595是8位串入、并行输出的移位寄存器。引脚排列与内部逻辑如图12-20所示。图12-21由74HC595组成的3位静态数码管显示电路图12-22采用两片74HC595组成的8位动态数码管显示电路5．88点阵LED显示器88点阵LED显示器的内部结构如图12-23（a）所示。图12-2388点阵LED显示器的内部结构与显示原理图图12-2474HC59588点阵LED驱动电路12.3数字驱动电路12.3.1采用三极管或场效应管驱动继电器1.继电器工作原理与参数由于数字电路驱动能力不够大，因此常借助于三极管或场效应管驱动继电器。图12-25继电器结构图与符号图通常直流驱动的继电器参数为：①工作电压或工作电流是继电器工作时，其线圈需要的电压或电流。这需要数字电路提供，若是数字电路引脚提供的电压与电流不满足要求，则需要外接驱动电路。②直流电阻是继电器线圈的直流电阻。通常给出线圈电流、电压和电阻三个参数之二。③吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小线圈电流。④释放电流是指继电器产生释放动作的最大线圈电流。释放电流比吸合电流小得多。⑤触点负荷是指继电器触点允许的电压和电流，或者是继电器带负载的能力。该参数决定了继电器能控制电压和电流能力的大小。不能用触点负荷小的继电器去控制大电流和高电压，因为触头会因为电流容量小而被烧损。2．三极管驱动继电器使用三极管可以增加数字集成电路引脚的驱动能力，数字电路通过三极管驱动继电器的电路如图12-26所示。在使用TTL/CMOS输出电平信号驱动三极管时，需要考虑如下问题。①TTL/CMOS集成电路的引脚拉电流输出能力应该满足如下关系：OHBOHBEB1()/IIVVR式中，IOH是高电平输出电流，IB是三极管基极电流，VBE是发射结压降，RB1是基极串联电阻。②为使三极管处于开关状态，需要三极管饱和，就是满足如下基本关系：BCII式中，是三极管的电流放大倍数，IC是集电极电流。如果这个条件不满足，三极管可能工作在放大区，由于管压降VCE的增加，使三极管的消耗功率（PD=ICVCE）增加而发热并烧毁。③由于三极管工作在开关状态，所以自身损耗的功率很小。④三极管的集电极电流IC应该足够大，不至于因为电流大，引起过热而烧毁晶体管。⑤电源能够提供足够大的电流。⑥数字电路引脚必须提供足够的IB，或者三极管的电流放大倍数应该足够大，*12.3.2其他数字输出接口电路1．光耦直接输出采用光耦TLP521-2的隔离输出电路如图12-27所示。TLP521-2光耦的参数如下。（1）极限参数发光二极管：最大正向电流IF=50mA，反向耐压VR=5V。三极管：集电极-发射极间电压VCEO=55V，集电极电流IC=50mA。（2）推荐工作条件电源电压VCC：5～24V。最大发光二极管正向电流IF=20mA。三极管集电极电流IC=1～10mA。（3）静态电特性发光二极管正向电压VF：当IF=10mA时，VF=1～1.3V，典型值为1.15V。三极管暗电流ICEO：VCE=24V时，ICEO=10～100nA。电流传输比CTR=IC/IF：当IF=5mA、VCE=5V时，CTR=（100～600）%。三极管饱和电压VCE（sat）：当IC=2.4mA、IF=8mA时，最大VCE（sat）=0.4V。按照图示参数可知发光二极管IF近似为6mA，若是取最小电流传输比为1，则流过三极管集电极的电流IC最大为IFCTR=6mA。图12-28（a）是采用三极管9013的驱动继电器电路，图12-28（b）是采用NMOS管IRF540的驱动继电器电路。2．三极管直接输出三极管输出电路形式相比于继电器输出响应快（一般在0.2ms以下），适用于要求快速响应的场合；（1）NPN型输出电路NPN型三极管作为输出的电路如图12-29所示。（2）PNP型输出电路PNP型三极管作为输出的电路如图12-30所示。图中元件参数要求同NPN电路3．使用功率绝缘栅场效应晶体管功率绝缘栅场效应晶体管（MOS管）主要用做功率开关及各种驱动器，其优点是开关速度快、在很宽的温度范围内增益稳定。图12-31所示的是两种常用的功率MOS管驱动电路。图12-32是TTL有源输出电路和集电极开路输出电路驱动低端功率MOS管的电路图图12-33（a）所示的是N沟道功率MOS管驱动继电器类负载的电路，该电路在数字电路输出高电平时，功率MOS管导通。图12-33（b）所示的是功率P沟道MOS管驱动继电器类负载的电路，该电路在数字电路输出低电平时，功率MOS管导通。下面举例说明N沟道功率MOS管IRF640的主要参数。最大漏源电压VDS：200V。最大栅源电压VGS：20V。最大漏极电流ID：18A。在VGS=10V、ID=9A时，RDS=0.15。漏