输入接口电路开关及波形抖动汇总

输入接口允许传感器（输入传感器）与PC和微控制器通信

接口是将一个设备连接或链接在一起的方法，尤其是计算机或微控制器与另一个允许我们设计或调整两个电子设备的输出和输入配置，以便它们可以一起工作。

但接口不仅仅是使用计算机的软件程序和处理器控制某事。虽然计算机接口使用单向和双向输入和输出端口来驱动各种外围设备，但是可以使用许多简单的电子电路来连接现实世界，使用机械开关作为输入，或使用单个LED作为输出。

按钮开关

要使电子或微电子电路有用且有效，它必须与某些东西接口。输入接口电路将诸如运算放大器，逻辑门等电子电路连接到外部世界，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用于输出控制的灯，继电器或执行器。无论哪种方式，输入接口电路都将一个电路的电压和电流输出转换为另一个电路的等效电压。

输入传感器提供有关环境信息的输入。温度，压力或位置随时间缓慢或连续变化的物理量可以使用各种传感器和开关装置测量，给出相对于被测物理量的输出信号。

我们的许多传感器可用于我们的电子电路和项目是电阻性的，因为它们的电阻随测量量而变化。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类型是按钮开关。机械ON-OFF拨动开关，按钮开关，摇臂开关，钥匙开关和簧片开关等都是流行的输入设备，因为它们成本低，并且易于与任何电路连接。操作员也可以通过操作开关，按下按钮或在磁簧开关上移动磁铁来改变输入状态。

输入接口单开关

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，触点断开，当开关闭合或操作时，这些触点短路在一起。

最常见的输入方式是将开关（或按钮）接口连接到电子电路通过上拉电阻连接到电源电压，如图所示。当开关打开时，给出5伏或逻辑“1”作为输出信号。当开关闭合时，输出接地并且为0v，或者给出逻辑“0”作为输出。

然后根据开关的位置，输出“高”或“低”被生产。当开关打开时，需要一个上拉电阻将输出电压电平保持在所需的值（在本例中为+ 5v），并防止开关在闭合时使电源短路。

上拉电阻的大小取决于开关打开时的电路电流。例如，当开关断开时，电流将通过电阻流向 V OUT 端子，并且从欧姆定律中，此电流将导致电压降出现然后，如果我们假设数字逻辑TTL门需要60微安（60uA）的输入“高”电流，这会导致电阻上的电压降：60uAx10kΩ= 0.6V ，产生 5.0-0.6 = 4.4V 的输入“高”电压，完全符合标准数字TTL门的输入规范。

A开关或按钮也可以在“高电平有效”模式下连接，其中开关和电阻器反向，以便开关连接在+ 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接地之间。在此配置中，当开关打开时，输出信号 V OUT 为0v或逻辑“0”。当操作时，输出变为“高电平”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，主要目的是下拉电阻用于保持输出端子 V OUT 悬空，将其连接到0v或接地。结果，可以使用更小的电阻器，因为它上面的电压降通常非常小。但是，当开关闭合或工作时，使用过小的下拉电阻值将导致电阻器中的高电流和高功耗。

DIP开关输入接口

除了输入单个按钮和摇臂开关与电路的接口外，我们还可以通过键盘和DIP开关的形式将多个开关连接在一起。

DIP或双列直插式封装开关是单个开关，在单个封装内组合为四个或八个开关。这允许将DIP开关插入标准IC插座或直接连接到电路或面包板上。

DIP开关封装内的每个开关通常通过其ON-OFF状态和四个开关指示两种情况之一DIP包将有四个输出，如图所示。滑动式和旋转式DIP开关可以连接在一起，也可以组合使用两个或三个开关，这使得输入非常容易连接到各种电路。

机械开关因其低成本而受欢迎易于输入接口。然而，机械开关具有称为“接触弹跳”的常见问题。机械开关由两个金属触点组成，当您操作开关时，它们被推到一起以完成电路。但是，不是产生单一的清洁开关动作，金属部件在开关主体内部接触和弹跳，导致开关机构非常快速地打开和关闭几次。

因为机械开关触点是设计的为了快速打开和关闭，阻力非常小，称阻尼可以阻止触点在制作或断开时弹跳。结果是这个弹跳动作在开关实现紧密接触之前产生一系列脉冲或电压尖峰。

开关弹跳波形

问题在于机械开关输入接口的任何电子或数字电路都可以读取这些多开关操作，作为一系列持续几毫秒的ON和OFF信号，而不仅仅是一个单一的正向开关动作。

这个多开关关闭（或打开）动作在开关中被称为开关弹跳，其中相同的动作在继电器中被称为接触弹跳。此外，由于在打开和关闭动作期间发生开关和触点弹跳，因此在触点上产生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，那里通过使用去抖电路形式的一些额外电路来“去抖”输入信号，我们可以通过几种方式解决这种开关反弹问题。最简单和最简单的方法是创建一个RC去抖电路，允许开关对电容器充电和放电，如图所示。

RC开关去抖电路

通过增加额外的100Ω电阻和1uF电容开关输入接口电路，可以滤除开关弹跳的问题。 RC时间常数 T 选择为长于机械开关动作的跳动时间。反相施密特触发缓冲器也可用于产生从低到高，从高到低的急剧输出转换。

那么这种类型的输入接口电路如何工作？我们在RC充电教程中看到，电容器以其时间常数 T 确定的速率充电。此时间常数值以 T = R * C 为单位测量，单位为秒，其中 R 是电阻值，单位为欧姆且 C 是Farads中电容的值。然后形成 RC 时间常数的基础。

首先假设开关闭合且电容器完全放电，然后变频器的输入为低电平输出为HIGH。当开关打开时，电容器通过两个电阻器充电， R1 和 R2 ，其速率由 C（R1 + R2） RC网络的时间常数。

当电容器充电缓慢时，开关触点的任何弹跳都会被电容器极板上的电压平滑掉。当板上的电荷等于或大于逆变器的上输入电压（ V IH ）的最低值时，逆变器改变状态，输出变为低。在这个简单的开关输入接口示例中， RC 值大约为10mS，使开关触点有足够的时间进入最终打开状态。

当开关闭合时，现在完全充电的电容将通过100Ω快速放电至零，其速率由 C（R2）时间常数决定，将变频器输出状态从低电平变为高电平。然而，开关的操作导致触点反弹，导致电容器想要反复充电，然后迅速放电回零。

由于RC充电时间常数比放电长10倍由于输入上升时间减慢，电容器在开关弹回到最终闭合位置之前不能足够快地充电，因此变频器保持输出为高电平。结果是，无论开关触点在打开或关闭时弹跳多少，您都只能从逆变器获得一个输出脉冲。

如果开关接触，这个简单的开关去抖电路的优势就在于此弹跳太多或太长时间可以增加RC时间常数来补偿。另外请记住，此RC延时意味着您需要等待再次操作开关，因为如果再次操作开关太快，它将不会产生另一个输出信号。

这个简单的开关去抖动电路将用于输入接口单（SPST）开关到电子和微控制器电路，RC时间常数的缺点是它会在下一次开关动作发生之前引入延迟。如果切换动作快速改变状态，或者如键盘上那样操作多个键，则这种延迟可能是不可接受的。解决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门开关去抖

这种类型的开关去抖电路的工作方式与我们在顺序逻辑部分看到的SR触发器非常相似。两个数字逻辑门连接为一对交叉耦合的NAND门，有源低电平输入形成SR锁存电路，因为两个NAND门输入通过两个1kΩ保持高电平（+ 5v）如图所示，上拉电阻。

此外，由于电路作为置位复位SR锁存器运行，该电路需要单刀双掷（SPDT）转换开关而不是单刀单开关 - 前一个RC去抖电路的开（SPST）开关。

当交叉耦合的NAND去抖电路的开关位于 A 时，NAND门 U1 为“设置”且输出为 Q 在逻辑“1”处为高电平。当开关移动到位置 B 时， U2 变为“set”，重置 U1 。 Q 的输出现在处于逻辑“0”的低电平。

在位置 A 和 B 之间操作开关将输出在 Q 处从HIGH切换或切换为LOW或从LOW切换为HIGH。由于锁存器需要两个开关动作来设置和复位，因此在输出 Q 处看不到开关触点在开启和关闭的任一方向上的任何弹跳。此SR锁存器去抖电路的优点还在于它可以在 Q 和 Q 处提供互补输出。

以及使用交叉耦合NAND在形成双稳态锁存输入接口电路的门上，我们也可以通过改变两个电阻的位置并将它们的值减小到100Ω的来使用交叉耦合的NOR门，如下所示。

使用NOR门开关去抖动

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交叉耦合NOR门去抖电路的操作与对于NAND电路，除了当开关处于位置 B 时 Q 处的输出为高电平，而当处于 A 位置时为低电平。交叉耦合NAND双稳态锁存器的反向。

然后值得注意的是，当输入接口切换到使用NAND或NOR锁存器用作去抖电路的电路时，NAND配置需要LOW或逻辑“0”输入信号改变状态，而NOR配置需要HIGH或逻辑“1”输入信号来改变状态。

与光电器件接口

光电耦合器（或光隔离器）是一种带有LED和光敏器件的电子元件，例如封装在同一封装中的光电二极管或光电晶体管。我们在之前的教程中看到的光耦合器通过光敏光学接口互连两个独立的电路。这意味着我们可以有效地将两个不同电压或额定功率的电路连接在一起而不会对另一个产生电影。

光开关（或光开关）是另一种类型的光学（光电）开关设备，它可以用于输入接口。这里的优点是光学开关可用于将有害电压电平连接到微控制器，PIC和其他此类数字电路的输入引脚上或用于使用光检测物体，因为两个部件是电分离但光耦合提供高度隔离（通常为2-5kV）。

光开关有多种不同的类型和设计，可用于各种接口应用。光开关最常见的用途是检测移动或静止物体。光电晶体管和光电耦合器配置提供了照片开关所需的大部分功能，因此是最常用的。

开槽光开关

DC电压通常用于驱动发光二极管（LED），其将输入信号转换为红外光能。该光被隔离间隙另一侧的光电晶体管反射和收集，并转换回输出信号。

对于普通的光开关，LED的正向压降约为1.2至1.6正常输入电流为5至20毫安时的电压。这给出了一个介于180和470Ω之间的串联电阻值。

开槽光电开关电路

旋转和开槽光盘传感器广泛用于位置编码器，轴编码器甚至是电脑鼠标的旋转轮，因此可以实现出色的输入接口设备。旋转盘具有从不透明轮切出的多个槽，其中均匀间隔的槽的数量表示每旋转度的分辨率。典型的编码光盘分辨率最高可达256个脉冲或每次旋转8位。

在光盘旋转一周期间，来自LED的红外光通过插槽撞击光电晶体管，然后被阻挡为光盘旋转，将晶体管“接通”，然后在每次通过时“关闭”。电阻 R1 设置LED电流，上拉电阻 R2 确保电源电压，当晶体管“关闭”时，Vcc连接到施密特反相器的输入低，逻辑“0”输出。

当磁盘旋转到开路切断时，来自LED的红外光照射光电晶体管并使集电极 - 发射极端子短路接地，产生低电平输入施密特反相器输出高电平或逻辑“1”。如果逆变器输出连接到数字计数器或编码器，则可以确定轴位置或计算每单位时间的轴转数，以使轴每分钟旋转（rpm）。

除了使用开槽光电器件作为输入接口开关外，还有另一种称为反射光学传感器的光学器件，它使用LED和光电器件来检测物体。反射光开关可以通过反射（因此其名称）被感测的反射物体的LED红外光来检测物体的存在或不存在。反射光电传感器的基本布置如下：

反射光开关

光电晶体管具有非常高的“OFF”电阻（暗）和低“ON”电阻（光），这些电阻由从LED照射到其基极的光量控制。如果传感器前面没有物体，那么LED红外灯将作为单个光束向前发光。当物体靠近传感器时，LED光被反射回来并被光电晶体管检测到。光电晶体管检测到的反射光量和晶体管饱和度取决于物体的接近程度或反射程度。

其他类型的光电器件

以及使用开槽或者用于电路输入接口的反射式光开关，我们也可以使用其他类型的半导体光探测器，如光电阻光探测器，PN结光电二极管甚至太阳能电池。所有这些光敏设备都使用环境光（如阳光或普通室内光）激活设备，使其可以轻松连接到任何类型的电子电路。

正常信号和功率二极管的PN结密封在内一个塑料体，既安全又可以阻止光子撞击它。当二极管反向偏置时，它会阻断电流，就像高阻开路一样。然而，如果我们要在这个PN结上发光，那么光子会打开结点，允许电流根据结点上的光强度流动。

光电二极管通过一个小透明窗口来利用这一点，允许光线照射到它们的PN结，使光电二极管具有极强的光敏性。根据半导体掺杂的类型和数量，一些光电二极管响应可见光，一些光电二极管响应红外（IR）光。当没有入射光时，反向电流几乎可以忽略不计，称为“暗电流”。光强度的增加会产生反向电流的增加。

然后我们可以看到光电二极管允许反向电流仅在一个方向上流动，这与标准整流二极管相反。该反向电流仅在光电二极管接收在黑暗条件下作为非常高的阻抗的特定量的光并且在强光条件下作为低阻抗装置时流动，并且因此光电二极管可以在许多应用中用作高速光检测器。

接口光电二极管

在左侧的两个基本电路中，光电二极管通过电阻简单地反向偏置，输出电压信号来自串联电阻两端。该电阻可以是固定值，通常在10kΩ至100kΩ范围之间，或者作为可变100kΩ电位器，如图所示。该电阻可以连接在光电二极管和0v接地之间，或者连接在光电二极管和正Vcc电源之间。

虽然光电二极管（如BPX48）可以对光线水平的变化做出非常快速的响应，但它们可以更少与其他光电器件（如硫化镉LDR电池）相比，它可能是敏感的，因此可能需要采用晶体管或运算放大器形式的某种形式的放大。然后我们已经看到光电二极管可以用作由其结上的光量控制的可变电阻器件。光电二极管可以从“开”切换到“关”，有时可以在纳秒内或频率高于1MHz时快速返回，因此通常用于光学编码器和光纤通信。

以及PN在诸如光电二极管或光电晶体管之类的结照相装置中，存在其他类型的半导体光检测器，其在没有PN结的情况下操作并且随着光强度的变化或变化而改变它们的电阻特性。这些器件被称为光依赖电阻器或LDR。

LDR，也称为硫化镉（CdS）光电池，是一种无源器件，其电阻随之变化可见光强度。当没有光存在时，它们的内阻非常高，大约为兆欧（MΩ）。但是，在强光照射下，它们的电阻会降至1kΩ以下。然后，光敏电阻器以与电位器类似的方式工作，但光强控制其电阻值。

接口LDR光电阻器

光敏电阻器根据光强度改变其电阻值。然后，LDR可与串联电阻 R 一起使用，以在整个电源上形成分压网络。在黑暗中，LDR的电阻远大于电阻器的电阻，因此通过将LDR从电源连接到电阻器或电阻器连接到地，它可以用作光检测器或暗检测器，如图所示。

当NORP12等LDR产生相对于其电阻值的可变电压输出时，它们可用于模拟输入接口电路。但LDR也可以作为惠斯通电桥布置的一部分连接，作为运算放大器电压比较器或施密特触发器电路的输入，以产生数字信号，用于连接数字和微控制器输入电路。

简单用于光水平，温度或应变的阈值检测器可用于产生适合直接连接到逻辑电路或数字输入端口的TTL兼容输出。每当测量电平超过或低于阈值设置时，基于运算放大器比较器的光和温度阈值检测器就会产生逻辑“1”或逻辑“0”输入。

输入接口汇总

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正如我们在本教程中关于输入和输出设备的部分所见，有许多不同类型的传感器可用于将一个或多个物理属性转换为电信号，然后可以使用和处理合适的电子，微控制器或数字电路。

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

现在有了现代PC，微控制器，PIC和其他这样的基于微处理器的系统，输入接口电路允许这些低电压，低功耗器件轻松与外界通信，因为许多这些基于PC的器件都具有内置的输入 - 输出端口，用于将数据传输到

我们已经看到传感器是将一种类型的属性转换为电信号的电子组件，从而起到输入设备的作用。将输入传感器添加到电子电路可以通过提供关于周围环境的信息来扩展其能力。然而，传感器不能自己操作，并且在大多数情况下需要称为接口的电气或电子电路。

然后输入接口电路允许外部设备使用开关去抖技术从单个按钮或键盘进行数据输入，从简单的开关交换信号（数据或代码），输入传感器，可以检测光，温度等物理量使用模拟 - 数字转换器进行转换，压力和速度。然后接口电路允许我们这样做。