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1、第六章信号输出电路 1 内容 一 LED二 LCD三 常用功率开关驱动电路四 继电器五 步进电机 2 一 LED 1 LED概述2 LED数码管驱动与接口电路3 LED点阵显示器驱动与接口电路 3 1 LED概述 LED LightEmittingDiode 发光二极管 由GaAs 砷化镓 GaP 磷化镓 GaAsP 磷砷化镓 InGaN 氮化铟钾 AlGaInP 磷化铝镓铟 等半导体制成的 其核心是PN结 具有高亮度 色彩鲜艳 稳定性好 功耗低 响应时间短 光效高 寿命长等优点 汽车 照明 LCD背光 种类发光二极管数码管专用显示模块LED点阵显示器显示颜色可分为 单基色 红色或绿色等 双基
2、色 红色 绿色 三基色 红色 绿色 蓝色 用控制二极管的点亮时间 亮度等方法 可实现256或更高级灰度显示 即可实现真彩色显示按显示性能可分为 文本屏 图文屏 计算机视频 电视视频 行情显示屏像素间距可分为3mm 5mm 8mm 10mm等 4 2 LED驱动与接口电路 LED驱动 LM2623StepupDC DC 5 2 LED驱动与接口电路 LM2623StepupDC DC 6 3 LED数码管驱动与接口电路 七段LED数码管显示器 7 静态显示与动态显示方式 显示单元通常由多位LED数码管构成 把点亮LED某一段的控制称为段选 而把点亮LED某一位的控制称为位选或片选 根据LED数码
3、管的段选线 位选线与控制端口的连接方式不同 LED数码管显示器有静态显示与动态显示两种方式 在静态显示方式中 与各数码管接口的I O口线是专用的 各数码管持续得到被送显的信号 其工作特点是显示稳定 无闪烁 不需要扫描电路 但用元器件多 占用I O线多 在系统运行过程中需要更新显示内容时 CPU才去执行显示更新子程序 占用CPU时间少 编程简单 在动态显示方式中 与各位数码管段选线相连的I O口线是共用的 而与公共极相连的I O口线是专用的 需要一位一位地轮流点亮每位显示器 其特点是有闪烁 需要扫描 占用CPU时间多 编程复杂 但用元器件少 占用I O线少 因此 一般采用动态显示方式 8 移位寄
4、存器74LS164组成的静态显示接口电路 3个共阳极数码管的公共端均接Vcc CPU在时钟信号 或I O口 作用下 通过移位寄存器74LS164将串行数据转换为三个74LS164芯片的并行输出 并作为3个数码管的段码 先送出的段码字节在LED2数码管上显示 图中的电阻值取300 左右 当74LS164没有时钟信号作用时 并行输出不变 3个数码管的段码不变 因此 显示数值保持不变 9 MC14495组成的静态显示接口电路 BCD码并行数据通过MC14495依次锁存 译码并输出到各位的a b c d e f g段 使各位显示相应的数字 a 10 MC14495和7406组成的动态显示接口电路 11
5、 MAX7221为LED数码管专用显示驱动芯片 芯片内部集成了BCD译码器 驱动电路 静态RAM 兼容SPI QSPI和MicrowireSerialInterface串行接口 可以驱动8位LED数码管或64个LED 若微处理器无SPI等串行接口 则可以用普通I O线控制MAX7221的串行数据输入端DIN 时钟信号CLK和数据转载控制端LOAD MAX7221组成的显示接口电路 12 4 LED点阵显示器驱动与接口电路 每一行所有的LED连在一起形成共阳级 每一列所有的LED连在一起形成共阴级 大屏幕显示系统一般是将由多个LED点阵组成的小模块以搭积木的方式组合而成的 每一个小模块都有自己的
6、独立的控制系统 组合在一起后只要引入一个总控制器控制各模块的命令和数据即可 这种方法既简单而且具有易扩展和维修 LED点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种 静态显示原理简单 控制方便 但硬件接线复杂 在实际应用中一般采用动态显示方式 13 典型的LED点阵显示系统一般由控制单元 单片机 计算机或计算机 单片机主从系统 扫描单元 驱动单元和LED点阵显示屏组成 扫描单元一般由译码器完成LED阵列各行的扫描 每一行的数据由串行输入并行输出寄存器和锁存器提供 列驱动电路一般由三极管或驱动芯片提供大电流 动态显示采用扫描的方式工作 首先输出第一行的数据 并且由扫描单元选通第一行 持续一段
7、时间 接着从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通 同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号 反复循环以上操作 就可显示各种图形或文字信息 根据人眼的视觉暂留时间 整屏幕刷新速度20帧 秒以上 观察时就基本没有闪烁感 在动态显示时 LED点阵显示屏的发光亮度与扫描时间内发光时间成正比 因此 调节扫描时间内发光时间的长短就可以实现不同灰度的显示 14 从单片机I O口送出的信号经过内部带锁存的4 16译码器74HCT4514译码 三极管驱动后选通某一行而从单片机I O口送出的每一行要显示的数据通过串行输入 并行输出芯片74HC595分配和三极管驱动后送到LED点阵列的所有列上 其中 74HC
8、595采用级联方式 从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通 同时又向各列送出信号 反复循环以上操作 就可显示各种图形或文字信息 通过增加74HC595可以扩大列数 增加I O口或译码输出线可以扩大行数 主从控制方式LED点阵显示电路 15 二 LCD 1 LCD2 LCD显示器电路接口段位式LCD显示器接口电路字符式LCD液晶显示器接口电路点阵式LCD液晶显示器接口电路 16 1 LCD 20世纪70年代初 第一台液晶显示器LCD LiquidCrystalDisplay 被称之为TN LCD 扭曲向列 液晶显示器 尽管是单色显示 它仍被推广到了电子表 计算器等领域 具有功耗低 体积小 重量
9、轻 抗干扰能力强 价格低 接口控制方便等特点 目前已广泛应用在各种显示领域 尤其在袖珍仪表和低功耗应用系统中 LCD显示器可分为段式液晶显示器 字符型液晶显示器 图形点阵式液晶显示器 带汉字字库图形点阵式液晶显示器 专用型液晶显示器 彩色液晶显示器等 另外 按照采光分为 自然采光 背光源采光 CCFL 冷阴极荧光灯 和LED 按照驱动方式分为 静态驱动 动态驱动 LED内部驱动电压远低于CCFL 功耗和安全性均好于CCFL 寿命更长 短小轻薄 厚度大约为CCFL的一半 以及环保等特性 17 2 LCD显示器电路接口 常见的点阵式LCD液晶显示器驱动芯片SED1330 SED1335 SED13
10、36 MSM6255和T6963C等 18 内藏T6963C控制器的液晶显示模块与单片机直接访问方式的典型接口电路 19 三 常用功率开关驱动器件 晶体管场效应管晶闸管绝缘栅双极晶体管 IGBT 20 晶体管直流负载功率驱动电路 满足Ib IL 可确保V导通时工作于饱和区 以降低V的导通电阻及减小功耗 高压 大电流 21 场效应晶体管直流负载功率驱动电路 用于功率驱动电路的场效应晶体管称为功率场效应晶体管 功率场效应晶体管是电压控制器件 具有很高的输入阻抗 所需的驱动功率很小 对驱动电路要求较低 功率场效应晶体管具有较高的开启阈值电压 有较高的噪声容限和抗干扰能力 功率小 速度快 b 22 绝
11、缘栅双极晶体管 IGBT 功率小 速度快 电压高 电流大 23 晶闸管交流负载功率驱动电路 交流负载的功率驱动电路 通常采用晶闸管来构成 晶闸管有单向晶闸管 单向可控硅 SCR 双向晶闸管 TRIAC 两种类型 在阳极A与阴极K之间加正向电压 同时在门极G与阴极K之间加正向电压 触发 这样阳极A与阴极K之间即进入导通状态 晶闸管一旦导通 只要阳极A与阴极K之间的电流不小于其维持电流 门极G与阴极K之间是否还存在正向电压 对已经导通的晶闸管完全没有影响 主电极阳极A与阴极K之间的电流小于其维持电流 晶闸管即进入关断状态 单向晶闸管 24 双向晶闸管 与单向晶闸管相比较 双向晶闸管的主要区别是 在
12、触发之后是双向导通的 触发电压不分极性 只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通 25 四 继电器 继电器是一种当输入量达到一定值时 使输出电路导通或断开的电器 是一种二值逻辑自动控制器件 输入量可以是电气量 如电流 电压 功率 阻抗 频率等 或非电气量 如磁 声 光 温度 压力 速度等 特点 可以用较小的输入信号去控制较大输出电流 继电器具有输入和输出隔离功能 多触点继电器可以同时控制多路输出 多个继电器组合可以完成比较复杂的控制任务 可以通过程序实现自动控制 26 四 继电器 分类按作用原理分类电磁式继电器 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等组成的 通过控制线圈的电流 利用
13、电磁效应 使衔铁在电磁力作用下带动触点动作 固态继电器 输入 输出功能由电子元件完成而无机械运动部件的一种继电器 时间继电器 当加上或除去输入信号时 需到规定的时间才闭合或断开继电器 其它类型的继电器 如磁继电器 光继电器 声继电器 温度继电器 风速继电器 和加速度继电器等 按触点负载分类微功率继电器 小功率继电器 中功率继电器 大功率继电器和节能功率继电器等 按保护形式分类可以分为密封继电器 塑封继电器 防尘罩继电器和敞开继电器等 按用途分类可以分为电力系统继电器 通讯继电器 机床继电器 家电用继电器和汽车继电器等 27 电磁式继电器广泛用于生产控制和电力系统中 具有接触电阻小 流通电流大和
14、耐压高等优点 至今仍无法用无触点器件取代对继电器或接触器的驱动 实际上是对其励磁线圈电流通断的控制 继电器励磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种 固态继电器驱动 四 继电器 28 直流输入继电器的控制 29 交流继电器的控制 30 五 步进电动机 步进电机 伺服电机和测速电机等各种控制电机要求有较高的控制性能 能量的转换是次要的 对控制电机的主要要求为 反应快 精度高 重量轻 体积小 耗电少和运行可靠等 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制 并将电脉冲信号转变为相应角位移或线位移的控制电机 给电机加一个脉冲信号 电机则转过一个步距角 在负载能力的范围内 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量 从而达
15、到准确定位的目的 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从而达到调速的目的 步进电机适合于速度 位置等控制领域 作为数字控制系统的执行元件 如各种数控机床 自动绘图仪 自动记录仪 印刷设备和机器人等 步进电机种类按步进电机的运行方式 可以将步进电机分为旋转式和直线式两类 步进电机按结构特点进行分类反应式 磁阻式 步进电机 VR 永磁式步进电机 PM 混合式 感应子式 步进电机 HB 步进电机按绕组中电流方向进行分类 单极性步进电机 每极有两个绕组 每个绕组中电流仅沿一个方向流动 它也被称为两线步进电机 双极性步进电机 每极只有单一的绕组 每个绕组都可以两个方向通电和通用步进电机
16、 31 1 反应式步进电机工作原理 定子上有三对磁极 则齿距角为 Z 40 则齿距角为 32 当只有A相绕组通电时 步进电机建立如图a所示以AA 为轴线的磁场 当转子齿与定子齿对齐时 磁极的磁导率最大 磁阻最小 磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过 因此 只有A相绕组通电时 转子处于A相转子齿与定子齿对齐位置 注意 此时B相和C相的转子齿与定子齿都处于不对齐状态 B相绕组的轴线与A相绕组的轴线的夹角为120o 中间包含的齿数为120o 9o 13 1 3 当A相转子齿与定子齿对齐时 B相转子齿与定子齿错开了1 3齿 C相绕组的轴线与A相绕组的轴线的夹角为240o 中间包含的齿数为240o 9o 26 2 3 即当A相转子齿与定子齿对齐时 C相转子齿与定子齿错开了2 3齿 33 A相绕组通电 A相转子齿与定子齿对齐位置B相转子齿与定子齿错开了1 3齿在A相绕组断电 B相绕组通电时 转子的位置与A相绕组通电时的平衡位置相比 沿ABC方向转了1 3齿距 即3o空间角在B相绕组断电 C相绕组通电时 则建立以CC 为轴线的磁场 转子沿ABC方向又转了1 3齿距 当以A B C A 的顺序不断地给各
