接口是將一個設備連接或鏈接在一起的方法，尤其是計算機或微控制器。輸入接口電路允許我們設計或調(diào)整兩個電子設備的輸出和輸入配置，以便它們可以協(xié)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和輸出端口來驅(qū)動各種外圍設備，但許多簡單的電子電路可用于連接到現(xiàn)實世界，既可以使用機械開關作為輸入，也可以使用單個 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和有效，它必須與某些東西接口。輸入接口電路將運算放大器、邏輯門等電子電路連接到外部世界以擴展其功能。
    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(zhí)行器以進行輸出控制。無論哪種方式，輸入接口電路都會將一個電路的電壓和電流輸出轉(zhuǎn)換為另一個電路的等效電壓和電流輸出。
    輸入傳感器提供有關環(huán)境信息的輸入?？梢允褂酶鞣N傳感器和開關設備測量隨時間緩慢或連續(xù)變化的物理量，例如溫度、壓力或位置，并提供與被測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都是電阻性的，因為它們的電阻會隨著測量的量而變化。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類型是按鈕開關。機械式 ON-OFF 撥動開關、按鈕開關、翹板開關、按鍵開關和簧片開關等都被廣泛用作輸入設備，因為它們成本低且易于與任何電路進行輸入接口。操作員也可以簡單地通過操作開關、按下按鈕或在簧片開關上移動磁鐵來更改輸入狀態(tài)。
   

    輸入接口單個開關
    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，觸點開路，當開關閉合或操作時，這些觸點短路在一起。
    將開關（或按鈕）連接到電子電路的最常見輸入方式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”。當開關閉合時，輸出接地且輸出為 0v，或邏輯“0”。
    然后根據(jù)開關的位置，產(chǎn)生“高”或“低”輸出。需要一個上拉電阻來在開關打開時將輸出電壓電平保持在所需值（在本例中為 +5v），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，電流將通過電阻器向下流到V OUT端子，根據(jù)歐姆定律，這種電流流動將導致電阻器兩端出現(xiàn)電壓降。
    然后，如果我們假設數(shù)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：60uA x 10kΩ = 0.6V，產(chǎn)生輸入“高”電壓為5.0 – 0.6 = 4.4V，完全符合標準數(shù)字 TTL 門的輸入規(guī)格。
    開關或按鈕也可以在“高電平有效”模式下連接，其中開關和電阻器反向，以便開關連接在 +5V 電源電壓和輸出之間。該電阻現(xiàn)在稱為下拉電阻，連接在輸出和 0v 地之間。
    在此配置中，當開關打開時，輸出信號V OUT為 0v，或邏輯“0”。當操作開關時，輸出變?yōu)椤案唠娖健敝?+5 伏電源電壓或邏輯“1”。
    與用于限制電流的上拉電阻器不同，下拉電阻器的主要目的是通過將輸出端子V OUT連接到 0v 或接地來防止其浮動。
    因此，可以使用小得多的電阻器，因為它兩端的電壓降通常非常小。然而，使用太小的下拉電阻值將導致在開關閉合或操作時電阻中的高電流和高功率耗散。

    DIP 開關輸入接口
    撥碼開關輸入接口
    除了將各個按鈕和翹板開關連接到電路的輸入接口外，我們還可以將多個開關以鍵盤和 DIP 開關的形式連接在一起。
    DIP 或雙列直插式封裝開關是單獨的開關，在單個封裝內(nèi)組合在一起作為四個或八個開關。這允許將 DIP 開關插入標準 IC 插座或直接連接到電路或試驗板上。
    DIP 開關封裝內(nèi)的每個開關通常通過其開-關狀態(tài)指示兩種情況之一，而四開關 DIP 封裝將具有四個輸出，如圖所示?；瑒邮胶托D(zhuǎn)式 DIP 開關都可以連接在一起，也可以連接兩個或三個開關的組合，這使得它們與各種電路的輸入接口非常容易。
    遭受開關彈跳的輸入接口電路
    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的問題，稱為“觸點彈跳”。機械開關由兩片金屬觸點組成，當您操作開關時，它們被推在一起以完成電路。
    但是，金屬部件并沒有產(chǎn)生一個干凈的開關動作，而是在開關體內(nèi)相互接觸和彈跳，導致開關機構非常快速地打開和關閉幾次。
    由于機械開關觸點設計用于快速打開和關閉，因此阻力非常小，稱為阻尼以阻止觸點在閉合或斷開時彈跳。結果是這種彈跳動作會在開關牢固接觸之前產(chǎn)生一系列脈沖或電壓尖峰。
    開關彈跳波形

    開關彈跳波形
    問題在于，機械開關輸入接口的任何電子或數(shù)字電路也可以將這些多個開關操作讀取為一系列持續(xù)幾毫秒的 ON 和 OFF 信號，而不僅僅是一個預期的單一和正切換動作。
    這種多重開關閉合（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的相同動作。此外，由于在打開和關閉動作期間都會發(fā)生開關和觸點彈跳，由此產(chǎn)生的彈跳和觸點間的電弧會導致磨損，增加接觸電阻，并降低開關的使用壽命。
    但是，有幾種方法可以通過使用一些以去抖動電路形式的額外電路來“去抖動”輸入信號來解決開關彈跳的問題。最簡單和最簡單的方法是創(chuàng)建一個 RC 去抖動電路，允許開關對電容器充電和放電，如圖所示。
    RC 開關去抖電路

    開關去抖動電路
    通過在開關輸入接口電路中增加一個額外的 100Ω 電阻和一個 1uF 電容器，可以濾除開關彈跳問題。選擇的 RC 時間常數(shù)T長于機械開關動作的反彈時間。反相施密特觸發(fā)器緩沖器也可用于產(chǎn)生從低電平到高電平以及從高電平到低電平的急劇輸出轉(zhuǎn)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(shù)T確定的速率充電。該時間常數(shù)值根據(jù)T = R*C測量，以秒為單位，其中R是以歐姆為單位的電阻值，C是以法拉為單位的電容器值。這便構成了RC時間常數(shù)的基礎。
    首先假設開關閉合且電容器完全放電，然后逆變器的輸入為低電平，輸出為高電平。當開關打開時，電容器通過兩個電阻器R1和R2充電，充電速率由 RC 網(wǎng)絡的C(R1+R2)時間常數(shù)決定。
    隨著電容器緩慢充電，開關觸點的任何彈跳都會被電容器板上的電壓消除。當極板上的電荷等于或大于反相器上輸入電壓 ( V IH ) 的最低值時，反相器改變狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖健Ｔ谶@個簡單的開關輸入接口示例中，RC值約為 10mS，使開關觸點有足夠的時間進入最終打開狀態(tài)。
    當開關閉合時，現(xiàn)在充滿電的電容器將通過 100Ω 以C(R2)時間常數(shù)確定的速率快速放電至零，從而將逆變器輸出的狀態(tài)從低電平變?yōu)楦唠娖?。然而，開關的操作會導致觸點彈跳，導致電容器反復充電，然后迅速放電至零。
    由于 RC 充電時間常數(shù)是放電時間常數(shù)的 10 倍，由于輸入上升時間減慢，電容器在開關彈回其最終閉合位置之前不能足夠快地充電，因此逆變器保持輸出高的。結果是，無論開關觸點在打開或關閉時跳動多少，您都只能從逆變器獲得單個輸出脈沖。
    使用與非門的開關去抖動

    這種簡單的開關去抖動電路的優(yōu)點是，如果開關觸點彈跳太多或太長，可以增加 RC 時間常數(shù)來進行補償。還請記住，此 RC 時間延遲意味著您需要等待才能再次操作開關，因為如果您再次操作開關太快，它將不會產(chǎn)生另一個輸出信號。
    雖然這個簡單的開關去抖動電路適用于將單個 (SPST) 開關連接到電子和微控制器電路的輸入接口，但 RC 時間常數(shù)的缺點是它會在下一個開關動作發(fā)生之前引入延遲。
    如果切換動作快速改變狀態(tài)，或者像在鍵盤上一樣操作多個鍵，那么這種延遲可能是不可接受的?？朔@個問題并產(chǎn)生更快的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。
    與非門開關去抖動
    開關去抖與交叉耦合的與非門
    這種類型的開關去抖動電路的工作方式與我們在時序邏輯部分看到的 SR 觸發(fā)器非常相似。兩個數(shù)字邏輯門作為一對交叉耦合的 NAND 門連接，具有低電平有效輸入，形成 SR 鎖存器電路，因為兩個 NAND 門輸入由兩個1kΩ上拉電阻保持高電平 (+5v)，如圖所示。
    此外，由于該電路用作設置復位 SR 鎖存器，因此該電路需要一個單刀雙擲 (SPDT) 轉(zhuǎn)換開關，而不是之前 RC 去抖動電路的單刀單擲 (SPST) 開關。
    當交叉耦合 NAND 去抖動電路的開關處于位置A時，NAND 門U1被“設置”并且Q處的輸出為邏輯“1”的高電平。當開關移至位置B時，U2變?yōu)椤爸梦弧?，從而使U1復位。Q的輸出現(xiàn)在為邏輯“0”的低電平。
    在位置A和B之間操作開關可將Q 處的輸出從高電平切換為低電平或從低電平切換為高電平。由于鎖存器需要兩個開關動作來設置和重置它，因此在輸出Q處看不到開關觸點在打開和關閉的任一方向上的任何彈跳。此 SR 鎖存器去抖動電路的優(yōu)點還在于它可以在Q和Q上提供互補輸出。
    除了使用交叉耦合的與非門來形成雙穩(wěn)態(tài)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它們的值減小到100Ω來使用交叉耦合的或非門，如下所示。
    使用或非門開關去抖動
    帶交叉耦合或非門的開關去抖
    交叉耦合 NOR 門去抖動電路的操作與 NAND 電路相同，不同之處在于當開關處于位置 B 時Q的輸出為高電平，而當開關處于位置A時輸出為低電平。交叉耦合 NAND 雙穩(wěn)態(tài)鎖存器的反向。
    然后值得注意的是，當輸入接口切換到使用 NAND 或 NOR 鎖存器用作去抖動電路的電路時，NAND 配置需要低電平或邏輯“0”輸入信號來改變狀態(tài)，而 NOR 配置需要高電平或邏輯“1”輸入信號改變狀態(tài)。
    與光電設備接口
    光耦合器（或光隔離器）是一種電子元件，具有 LED 和光敏器件，例如封裝在同一封裝中的光電二極管或光電晶體管。
    我們在之前的教程中看到的光耦合器通過光敏光學接口互連兩個獨立的電路。這意味著我們可以有效地將兩個不同電壓或額定功率的電路連接在一起，而不會影響另一個電路。
    光開關（或光開關）是另一種用于輸入接口的光（光）開關設備。這里的優(yōu)點是，光開關可用于將有害電壓電平輸入連接到微控制器、PIC 和其他此類數(shù)字電路的輸入引腳上，或者用于使用光檢測物體，因為這兩個組件是電氣分離的，但光學耦合提供了高度隔離（通常為 2-5kV）。
    光開關有多種不同的類型和設計，可用于各種接口應用。光電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。
    開槽光開關

    開槽光開關
    直流電壓通常用于驅(qū)動發(fā)光二極管 (LED)，將輸入信號轉(zhuǎn)換為紅外光能。該光被隔離間隙另一側(cè)的光電晶體管反射和收集，并轉(zhuǎn)換回輸出信號。
    對于普通光開關，在 5 到 20 毫安的正常輸入電流下，LED 的正向壓降約為 1.2 到 1.6 伏。這給出了 180 和 470Ω 之間的串聯(lián)電阻值。
    開槽光電開關電路

    開槽光電輸入接口電路
    旋轉(zhuǎn)和開槽圓盤光學傳感器廣泛用于位置編碼器、軸編碼器，甚至是計算機鼠標的轉(zhuǎn)輪，因此可以作為出色的輸入接口設備。轉(zhuǎn)盤上有許多從不透明輪上切出的槽，均勻分布的槽數(shù)代表每旋轉(zhuǎn)一度的分辨率。典型編碼光盤的分辨率高達每轉(zhuǎn) 256 個脈沖或 8 位。
    在圓盤旋轉(zhuǎn)一圈時，來自 LED 的紅外光通過槽照射光電晶體管，然后在圓盤旋轉(zhuǎn)時被阻擋，使晶體管在每次通過槽時“ON”然后“OFF”。電阻器R1設置 LED 電流，上拉電阻器R2確保電源電壓，當晶體管“關閉”時，Vcc 連接到施密特反相器的輸入，產(chǎn)生低電平，邏輯“0”輸出。
    當圓盤旋轉(zhuǎn)到開路時，來自 LED 的紅外光照射光電晶體管并將集電極-發(fā)射極端子短路到地，從而為施密特反相器產(chǎn)生低電平輸入，而施密特反相器又輸出高電平或邏輯“1”。
    如果逆變器輸出連接到數(shù)字計數(shù)器或編碼器，則可以確定軸的位置或計算軸每單位時間的轉(zhuǎn)數(shù)以得出軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) (rpm)。
    除了使用開槽光電設備作為輸入接口開關外，還有另一種類型的光學設備稱為反射式光學傳感器，它使用 LED 和光電設備來檢測物體。反射式光電開關可以通過反射（因此得名）被感測的反射物體的 LED 紅外光來檢測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。
    反射光開關

    反射光開關
    光電晶體管具有非常高的“關斷”電阻（暗）和低“導通”電阻（亮），它們由從 LED 照射到其基極的光量控制。如果傳感器前面沒有物體，則 LED 的紅外光將作為單光束向前照射。
    當有物體靠近傳感器時，LED 光會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飽和度將取決于物體的接近程度或反射程度。
    其他類型的光電器件
    除了使用開槽或反射式光電開關作為電路的輸入接口，我們還可以使用其他類型的半導體光檢測器，例如光阻光檢測器、PN 結光電二極管甚至太陽能電池。所有這些光敏設備都使用環(huán)境光（例如陽光或普通室內(nèi)光）來激活設備，從而使它們能夠輕松連接到任何類型的電子電路。
    普通信號和功率二極管的 PN 結密封在塑料體內(nèi)，以確保安全并阻止光子撞擊它。當二極管反向偏置時，它會阻止電流流動，就像一個高阻開路開關。然而，如果我們將光照射到這個 PN 結上，光子就會打開結點，從而允許電流流動，具體取決于結點上的光強度。
    光電二極管通過具有一個小的透明窗口來利用這一點，該窗口允許光照射其 PN 結，從而使光電二極管具有極強的感光性。根據(jù)半導體摻雜的類型和數(shù)量，一些光電二極管響應可見光，一些響應紅外 (IR) 光。
    當沒有入射光時，反向電流幾乎可以忽略不計，稱為“暗電流”。光強量的增加會導致反向電流的增加。
    然后我們可以看到光電二極管只允許反向電流沿一個方向流動，這與標準整流二極管相反。該反向電流僅在光電二極管接收到特定量的光時流動，在黑暗條件下充當非常高的阻抗，在亮光條件下充當?shù)妥杩乖O備，因此光電二極管可在許多應用中用作高速光檢測器。
    連接光電二極管

    使用光電二極管的輸入接口電路
    在左側(cè)的兩個基本電路中，光電二極管簡單地通過電阻反向偏置，輸出電壓信號取自串聯(lián)電阻兩端。該電阻器可以是固定值，通常在 10kΩ 至 100kΩ 范圍內(nèi)，或者作為可變 100kΩ 電位器，如圖所示。該電阻器可以連接在光電二極管和 0v 接地之間，或者連接在光電二極管和正 Vcc 電源之間。
    雖然 BPX48 等光電二極管對光照水平的變化做出非?？焖俚捻憫c硫化鎘 LDR 電池等其他光電設備相比，它們的靈敏度可能較低，因此晶體管或運算放大器形式的某種形式的放大可能需要。
    然后我們看到光電二極管可以用作可變電阻器件，由落在其結上的光量控制。光電二極管可以非常快速地從“ON”切換到“OFF”，有時甚至在納秒內(nèi)或頻率超過 1MHz 時非?？?，因此常用于光學編碼器和光纖通信中。
    除了 PN 結光電器件，例如光電二極管或光電晶體管，還有其他類型的半導體光檢測器，它們在沒有 PN 結的情況下工作，并隨著光強度的變化或變化而改變其電阻特性。這些設備稱為光敏電阻器或 LDR。
    LDR，也稱為硫化鎘 (CdS) 光電池，是一種無源設備，其電阻隨可見光強度而變化。當沒有光時，它們的內(nèi)阻非常高，約為兆歐 (MΩ)。然而，當被照亮時，它們的電阻在強烈的陽光下會降至 1kΩ 以下。然后，光敏電阻器以與電位計類似的方式工作，但光強度控制其電阻值。
    連接 LDR 光敏電阻

    使用 ldr 光敏電阻的輸入接口電路
    光敏電阻器的電阻值與光強成正比。然后，LDR 可與串聯(lián)電阻R一起使用，以在電源上形成分壓器網(wǎng)絡。在黑暗中，LDR 的電阻比電阻器的電阻大得多，因此通過將 LDR 從電源連接到電阻器或電阻器到地，它可以用作光檢測器或暗檢測器，如圖所示。
    由于 NORP12 等 LDR 會產(chǎn)生與其電阻值相關的可變電壓輸出，因此它們可用于模擬輸入接口電路。但 LDR 也可以作為惠斯通電橋裝置的一部分連接，作為運算放大器電壓比較器或施密特觸發(fā)器電路的輸入，以產(chǎn)生用于連接數(shù)字和微控制器輸入電路的數(shù)字信號。
    用于光照水平、溫度或應變的簡單閾值檢測器可用于產(chǎn)生適合直接連接到邏輯電路或數(shù)字輸入端口的 TTL 兼容輸出。只要測量的水平超過或低于閾值設置，基于運算放大器比較器的光和溫度水平閾值檢測器就會生成邏輯“1”或邏輯“0”輸入。
    輸入接口總結
    正如我們在本教程中關于輸入和輸出設備的部分所看到的，有許多不同類型的傳感器可用于將一個或多個物理特性轉(zhuǎn)換為電信號，然后可以由合適的電子設備、微控制器或數(shù)字電路。
    問題是幾乎所有被測量的物理特性都不能直接連接到處理或放大電路。然后需要某種形式的輸入接口電路將各種不同的模擬輸入電壓和電流連接到微處理器數(shù)字電路。
    今天，對于現(xiàn)代 PC、微控制器、PIC 和其他基于微處理器的系統(tǒng)，輸入接口電路允許這些低電壓、低功率設備輕松地與外界通信，因為許多這些基于 PC 的設備具有內(nèi)置的輸入輸出端口，用于傳輸數(shù)據(jù)進出控制器程序和連接的開關或傳感器。
    我們已經(jīng)看到，傳感器是一種電子元件，可以將一種屬性轉(zhuǎn)換為電信號，從而起到輸入設備的作用。將輸入傳感器添加到電子電路可以通過提供有關周圍環(huán)境的信息來擴展其功能。但是，傳感器不能自行運行，在大多數(shù)情況下，需要稱為接口的電氣或電子電路。
    然后輸入接口電路允許外部設備使用開關去抖動技術從單個按鈕或鍵盤交換信號（數(shù)據(jù)或代碼）到輸入傳感器，這些傳感器可以檢測光、溫度、壓力等物理量，以及使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的速度。然后接口電路使我們能夠做到這一點。