مدار واسط ورودی (Input Interfacing Circuit) یا مدار رابط ورودی، به سنسورها (ترانسدیوسرهای ورودی) این امکان را می‌دهد تا با میکروکنترلرها و کامپیوترها ارتباط داشته باشند. در این مطلب قصد داریم به بررسی انواع مدارات واسط ورودی مختلف بپردازیم.

استفاده از مدارات واسط یک روش متداول برای ارتباط دو وسیله با یکدیگر است. این روش معمولا برای ارتباط ادواتی مانند کامپیوتر و نیز میکروکنترلر با یک وسیله دیگر به کار گرفته می‌شود و به طراح اجازه می‌دهد تا پیکربندی ورودی و خروجی دو مدار الکترونیکی را به نحوی طراحی و تطبیق کند که بتوانند به صورت صحیح با یکدیگر عمل کنند. مدار واسط هدفی متفاوت با استفاده از برنامه‌های نرم‌افزاری کامپیوتری و پردازنده‌ای برای کنترل دارد.

در حالی که واسط‌های کامپیوتری از پورت‌های ورودی و خروجی تک جهته (Unidirectional) و دو جهته (Bidirectional) برای درایو وسایل جانبی مختلف استفاده می‌کنند، اما مدارات الکترونیکی بسیار ساده‌ای نیز وجود دارند که می‌توانند برای ارتباط با دنیای واقعی از کلیدهای مکانیکی به عنوان ورودی و از لامپ‌های LED به عنوان خروجی استفاده کنند.

همان طور که گفتیم برای این‌که یک مدار میکرو الکترونیکی و یا الکترونیکی بتواند عملکردی مفید و مطابق انتظار داشته باشد، باید بتواند با المان‌های دیگر ارتباط برقرار کند. استفاده از مدار واسط ورودی می‌تواند مدارهای الکترونیکی مانند اپ امپ‌ها و یا گیت‌های منطقی را به دنیای بیرون متصل کند و در نتیجه دامنه کارایی آن‌ها را گستردش دهد.

مدارت الکترونیکی می‌توانند هم سیگنال‌های دریافتی از سنسورها و کلیدها را به عنوان اطلاعات ورودی پردازش (Process)، تقویت (Amplify) و یا بافر (Buffer) کنند و هم از این اطلاعات برای کنترل لامپ‌ها، رله‌ها و محرک‌ها (Actuators) یا به عبارت دیگر کنترل خروجی‌ها استفاده کنند. در هر کدام از این دو حالت، مدار واسط ورودی ولتاژ و جریان خروجی از یک مدار را به مقدار معادل برای مدار دیگر تبدیل می‌کند.

سنسورهای ورودی در حالت کلی اطلاعاتی را درباره یک محیط یا پدیده فراهم می‌آورند. مشخصه‌های فیزیکی مانند دما، فشار، موقعیت و … به آهستگی یا به صورت پیوسته با زمان تغییر می‌کنند و می‌توان آن‌ها را با استفاده از سنسورهای مختلف اندازه‌گیری کرد. از طرف دیگر، ادوات کلیدزنی سیگنال قطع و وصل متناسب با مشخصه فیزیکی مورد اندازه‌گیری تولید می‌کنند.

بسیاری از سنسورهایی که می‌توانیم آن‌ها را در مدارت و پروژه‌های خود به کار ببریم، مقاومتی هستند. به عبارت دیگر، مقاومت این سنسورها با تغییر در مشخصه فیزیکی مورد اندازه‌گیری، افزایش یا کاهش می‌یابد. ترمیستور (Thermistor)، استرین گیج (Strain Gauges) و مقاومت وابسته به نور یا LDR نمونه‌ای از چنین سنسورهایی هستند. تمام این ادوات تحت عنوان ادوات ورودی طبقه‌بندی می‌شوند.

مدارات واسط ورودی برای کلیدها

ساده‌ترین و متداول‌ترین نوع از مدارات واسط ورودی، کلیدهای فشاری (Push Button Switch) هستند. کلیدهای تغییر وضعیت مکانیکی ON-OFF، کلیدهای فشاری، کلیدهای Rocker، سوئیچ‌های کلیدی (Key Switches) و کلیدهای رید (Reed) نمونه‌ای از انواع کلیدها هستند. در شکل زیر نمایی از یک کلید فشاری یا پوش باتن دیده می‌شود.

نمایی از یک کلید پوش باتن
نمایی از یک کلید پوش باتن

این کلیدها به عنوان ادوات ورودی بسیار متداول و محبوب هستند؛ زیرا هم قیمت پایینی دارند و هم به عنوان ورودی برای ارتباط با هر مداری بسیار ساده هستند. با فشار دادن یک کلید یا حرکت دادن یک آهنربا در کلیدهای Reed می‌توان وضعیت ورودی‌های مختلف را در یک مدار تغییر داد.

مدار واسط ورودی برای یک کلید تکی

سوئیچ‌ها و کلیدهای فشاری ادوات مکانیکی هستند که دارای دو یا تعداد بیشتری اتصال الکتریکی هستند. زمانی که کلید باز یا ارتباط آن قطع باشد، اتصالات مدار باز هستند. اما زمانی که کلید بسته شده باشد، اتصالات آن به یکدیگر وصل می‌شوند. متداول‌ترین روش برای ایجاد ارتباط ورودی بین یک کلید و یک مدار الکترونیکی، از طریق قرار دادن یک مقاومت پول آپ (Pull-Up) بین کلید و منبع تغذیه است. شکل زیر نمایی از چنین مداری را نشان می‌دهد.

اتصال مقاومت پول آپ بین کلید و منبع تغذیه
اتصال مقاومت پول آپ بین کلید و منبع تغذیه

زمانی که کلید باز باشد، سیگنال ۵ ولت و یا سطح یک منطقی در ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. به طریق مشابه، زمانی که کلید بسته باشد، ولتاژ ۰ ولت یا سطح صفر منطقی در ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. بنابراین بسته به موقعیت کلید، یک ولتاژ سطح HIGH یا سطح LOW در خروجی تولید می‌شود. استفاده از مقاومت پول آپ در چنین مداری به این دلیل ضرور است که هنگام باز بودن کلید، مقدار ولتاژ را در سطح مورد نظر (مثلا ۵ ولت) حفظ کند. همچنین کاربرد اصلی دیگر مقاومت پول آپ به منظور جلوگیری از برقراری اتصال کوتاه بین منبع تغذیه و زمین است.

باید به این نکته توجه کرد که اندازه مقاومت پول آپ به مقدار جریان گذرا از مدار هنگام باز بودن کلید بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر کلید باز باشد، جریان از مقاومت پول آپ می‌گذرد و به ترمینال $$ V_{OUT} $$ وارد می‌شود. بر اساس قانون اهم، این جریان باعث ایجاد افت ولتاژ در طول مقاومت پول آپ می‌شود.

بنابراین اگر فرض کنیم که یک گیت منطقی دیجیتال TTL به یک ورودی HIGH با جریان ۶۰ میکرو آمپر نیاز داشته باشد، آن‌گاه افت ولتاژی برابر با $$ 60 \mu A \times 10 K \Omega = 0.6 V $$ در طول مقاومت پول آپ به وجود می‌آید. در نتیجه می‌توان محاسبه کرد که یک ولتاژ سطح HIGH برابر با $$ 5.0 – 0.6 = 4.4V $$ در ورودی گیت منطقی به دست می‌آید که بر اساس استاندارهای گیت‌های منطقی TTL، مقداری مناسب برای ورودی محسوب می‌شود.

یک سوئیچ یا کلید فشاری می‌تواند در مود Active High متصل شود که در این حالت جای کلید و مقاومت برعکس می‌شود. در نتیجه کلید بین منبع تغذیه ولتاژ ۵ ولت و خروجی متصل می‌شود. نوعی دیگر از مقاومت‌ها که با نام پول داون (Pull-Down) یا پایین‌کش شناخته می‌شوند نیز وجود دارند که می‌توان آن‌ها را بین خروجی و صفر ولت زمین متصل کرد. در این پیکربندی، زمانی که کلید باز باشد، مقدار ولتاژ $$ V_{OUT} $$ در صفر ولت یا سطح صفر منطقی قرار دارد. با بسته شدن کلید، مقدار ولتاژ خروجی به سطح HIGH یا ۵ ولت منبع تغذیه می‌رود و در نتیجه خروجی از صفر منطقی به یک منطقی تغییر می‌یابد. نمایی از اتصال یک مقاومت پول داون را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

اتصال یک مقاومت پول داون بین خروجی و ولتاژ صفر ولت
اتصال یک مقاومت پول داون بین خروجی و ولتاژ صفر ولت

بر خلاف مقاومت پول آپ، که برای محدود کردن جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد، هدف اصلی از به کارگیری مقاومت پول داون، جلوگیری از شناور ماندن مقدار ترمینال خروجی $$ V_{OUT} $$ و تثبیت مقدار آن در صفر ولت یا زمین است. در نتیجه می‌توان از یک مقاومت با مقدار بسیار کوچک‌تر استفاده کرد؛ زیرا افت ولتاژ در طول آن همیشه بسیار کوچک خواهد بود. با این حال، استفاده از یک مقاومت پول داون با مقدار بسیار کوچک نیز هنگام بسته بودن کلید باعث ایجاد جریان بزرگ و اتلاف توان بالا در مقاومت می‌شود.

مدار واسط ورودی برای دیپ سوئیچ

علاوه بر کلیدهای تکی مانند پوش باتن‌ها و کلیدهای Rocker، می‌توان چندین کلید را نیز به فرم دیپ سوئیچ (DIP switches) و صفحه کلید (Keypads)، با استفاده از مدارات واسط به ورودی مدارات الکترونیکی متصل کرد.

دیپ سوئیچ‌ها در واقع چندین کلید تکی هستند که در گروه‌های ۴ یا ۸ تایی در یک پکیج جمع شده‌اند. چنین پیکربندی به دیپ سوئیچ‌ها این امکان را می‌دهد که به سوکت (Socket) آی‌سی‌های استاندارد متصل شوند و یا به صورت مستقیم در مدار یا برد بورد (Breadboar) قرار گیرند. هر کلید در یک پکیج از دیپ سوئیچ، نشان‌دهنده یکی از دو حالت باز یا بسته (خاموش یا روش) است. بنابراین یک دیپ سوئیچ چهار کلیدی، مطابق شکل زیر دارای ۴ خروجی متمایز است.

مدار واسط ورودی برای دیپ سوئیچ
مدار واسط ورودی برای دیپ سوئیچ

هم دیپ سوئیچ‌های لغزشی (Slide) و هم دیپ سوئیچ‌های چرخشی می‌توانند به یکدیگر و یا به ترکیبی از کلیدهای دیگر متصل شوند و همین امر اتصال این کلیدها به ورودی بسیاری از مدارات را آسان می‌کند. کلیدهای مکانیکی به دلیل قیمت پایین و نیز سهولت در ارتباط ورودی بسیار پرکاربرد هستند، اما این کلیدها یک مشکل اساسی دارند که جهش اتصال (Contact Bounce) نام دارد.

ساختمان کلیدهای مکانیکی از اتصال دو قطعه فلز تشکیل شده است. این فلزات هنگام بسته شدن کلید به یکدیگر وصل می‌شوند و ارتباط بین دو نقطه از مدار را برقرار می‌کنند. اما در این کلیدها، به جای ایجاد یک سیگنال کلیدزنی صاف، دو قسمت فلزی در داخل بدنه کلید به یکدیگر برخورد می‌کنند و دوباره باز می‌شوند. این نوسانات تا بازه زمانی کوتاهی بعد از کلیدزنی  ادامه می‌یابد. به عبارت دیگر، چنین جهش‌هایی باعث می‌شوند که مکانیزم کلیدزنی چندین بار با سرعت زیاد باز و بسته شود.

به دلیل این‌که اتصالات مکانیکی کلید به صورتی طراحی شده‌اند تا بسیار سریع باز و بسته شوند، بنابراین یک مقدار مقاومت بسیار کم برای جلوگیری از جهش‌های کلید وجود دارد. این مقاومت، مقاومت میراکننده (Damping) نام دارد. نتیجه چنین پدیده‌ای در کلیدزنی این است که تا قبل از رسیدن کلید به حالت پایدار و اتصال ثابت، دنباله‌ای از پالس‌ها یا پیک‌های ولتاژ در خروجی کلید تولید می‌شود. در تصویر زیر نمایی از شکل موج ولتاژ خروجی کلید در اثر پدیده جهش اتصال دیده می‌شود.

شکل موج ولتاژ خروجی کلید در اثر پدیده جهش
شکل موج ولتاژ خروجی کلید در اثر پدیده جهش

مشکل اساسی که پدیده جهش ایجاد می‌کند در این است که هر مدار دیجیتالی و یا الکترونیکی که از کلیدهای مکانیکی به عنوان ورودی استفاده می‌کند، این جهش‌های ولتاژ خروجی کلید را به عنوان دنباله‌ای از سیگنال‌های ON و OFF در نظر می‌گیرند. از دید مدارات دیجیتال، این پالس‌ها دستوراتی برای تغییر وضعیت هستند، اما به جای این‌که یک سیگنال کلیدزنی یگانه باشند، چندین سیگنال کلیدزنی متمایز در نظر گرفته می‌شوند که هر کدام چند میلی ثانیه طول می‌کشند.

باز و بسته شدن‌های متوالی در یک کلید را جهش کلیدزنی (Switch Bounce) می‌گویند. چنین عملکردی در رله‌‌ها جهش اتصال (Contact Bounce) نام دارد. چون جهش اتصال و جهش کلیدزنی، هم در هنگام باز شدن و هم هنگام بسته شدن کلید یا رله اتفاق می‌افتند، در نتیجه جهش‌های حاصل و قوس به وجود آمده در طول اتصالات، باعث می‌شوند که اصطکاک و استهلاک در کلید یا رله افزایش یابد، مقاومت کلید بالاتر برود و طول عمر مفید آن کاهش یابد.

راه‌های مختلفی برای مقابله با مشکل جهش کلیدزنی وجود دارد. در این روش‌ها لازم است که از مدارات اضافه‌ای به فرم مدارت دیبانس (Debounce Circuit) استفاده شود تا جهش‌های حاصل از کلیدزنی از سیگنال خروجی حذف شوند. یکی از آسان‌ترین و متداول‌ترین راه‌های مورد استفاده برای رفع مشکل جهش کلیدزنی، استفاده از مدار دیبانس RC است. این مدار به کلید اجازه می‌دهد تا یک خازن را شارژ و دشارژ کند.

مدار دیبانس کلیدزنی RC

در تصویر زیر نمایی از یک مدار دیبانس RC برای صاف کردن ولتاژ کلیدزنی را مشاهده می‌کنید.

یک مدار دیبانس RC برای صاف کردن ولتاژ کلیدزنی
یک مدار دیبانس RC برای صاف کردن ولتاژ کلیدزنی

با اضافه کردن یک مقاومت ۱۰۰۰ اهم و یک خازن ۱ میکرو فاراد به مدار واسط ورودی کلیدها، می‌توان مشکل جهش ولتاژ در خروجی کلیدها را حل کرد. ثابت زمانی مدار RC را T می‌نامیم. T باید به صورتی انتخاب شود که از زمان نوسان ولتاژ کلیدزنی بزرگ‌تر باشد. می‌توان از یک بافر اشمیت تریگر معکوس‌کننده نیز جهت تولید خروجی با لبه‌های تیز برای گذار از سطح HIGH به LOW و از LOW به HIGH استفاده کرد. اما نحوه عملکرد این نوع از مدارات واسط ورودی چگونه است؟

در مطلب مدارات RC دیدیم که یک خازن با نرخی که توسط ثابت زمانی T آن تعیین می‌شود، شارژ می‌شود. این مقدار ثابت زمانی توسط عبارت $$ T=R*C $$ بر حسب ثانیه محاسبه می‌شود و در آن R مقدار مقاومت بر حسب اهم و C مقدار خازن بر حسب فاراد است. بنابراین مقدار ثابت زمانی مدار RC را به این طریق می‌توان به دست آورد.

ابتدا فرض می‌کنیم که کلید بسته باشد و خازن به صورت کامل دشارژ شده باشد. بنابراین ورودی به معکوس‌کننده در سطح LOW منطقی قرار دارد و خروجی آن سطح HIGH است. زمانی که کلید را باز کنیم، خازن از طریق دو مقاومت $$ R_1 $$ و $$ R_2 $$ شارژ می‌شود. سرعت شارژ شدن خازن در این مرحله توسط ثابت زمانی شبکه RC تعیین می‌شود که برابر با $$ C(R_1+R_2) $$ است.

با شارژ شدن خازن، هر گونه نوسان موجود در ولتاژ کلیدزنی توسط ولتاژ دو سر خازن صاف می‌شود. زمانی که شارژ روی صفحات خازن برابر یا بزرگ‌تر از کمینه مقدار ولتاژ ورودی بالای معکوس‌کننده ($$ V_IH $$) شود، معکوس‌کننده حالت خود را عوض می‌کند و خروجی آن در سطح LOW منطقی قرار می‌گیرد. در این مثال ساده از مدار واسط ورودی برای کلید، مقدر RC برابر با ۱۰ میلی ثانیه است و به اتصالات کلید این امکان را می‌دهد که زمان کافی برای مستقر شدن در حالت نهایی خود را داشته باشند.

زمانی که کلید بسته باشد، خازن که اکنون به صورت کامل شارژ شده است، سریعا از طریق مقاومت 100 اهم به مقدار صفر دشارژ می‌شود و نرخ دشارژ شدن آن از طریق ثابت زمانی شبکه RC و برابر با $$ C*R_2 $$ به دست می‌آید. دشارژ شدن خازن باعث می‌شود که معکوس‌کننده حالت خروجی خود را از سطح LOW به سطح HIGH تغییر دهد. بنابراین، عملکرد کلید باعث نوسان در اتصالات آن می‌شود و در نتیجه خازن تمایل دارد که همواره شارژ شود و سپس سریعا دشارژ شده و به صفر بازگردد.

از آن‌جا که ثابت زمانی شبکه RC شارژ شدن ده برابر بزرگ‌تر از ثابت زمانی شبکه RC برای دشارژ شدن است، خازن با سرعت کافی شارژ نمی‌شود. به عبارت دیگر خازن قبل از بازگشتن نوسانات کلیدزنی به حالت نهایی موقعیت بسته کلید، شارژ نمی‌شود. چون زمان صعود ورودی کاهش یافته است، بنابراین معکوس‌کننده همچنان خروجی را در سطح HIGH نگه می‌دارد. در نتیجه، این که کلید هنگام باز یا بسته شدن چقدر نوسان کند اصلا مهم نیست، در هر حال می‌توان یک پالس خروجی تکی و صاف را از معکوس‌کننده دریافت کرد.

مزیت اصلی این مدار دیبانس کلیدزنی بسیار ساده، در این است که اگر اتصالات کلید، جهش‌های زیادی داشته باشند یا برای زمان زیادی نوسان ادامه داشته باشد، می‌توان ثابت زمانی مدار RC را تا مقدار لازم بالاتر برد و این زمان را جبران کرد. البته به این نکته توجه کنید که افزایش مقدار تاخیر زمانی RC به این معنی است که قبل از عملکرد مجدد کلید باید به اندازه زمان تاخیر صبر کرد؛ زیرا اگر زودتر از آن مجددا از کلید استفاده کرد، کلید قادر نخواهد بود تا سیگنال خروجی دیگری را تولید کند.

اگرچه این مدار ساده دیبانس کلیدزنی می‌تواند برای مدار واسط کلیدهای تکی در مدارات الکترونیکی و میکروکنترلرها به خوبی عمل کند، اما عیب اصلی ثابت زمانی شبکه RC مورد استفاده در این روش این است که قبل از اعمال کلیدزنی بعدی، زمان تاخیری باید رعایت شود. اگر عملکرد کلیدزنی با سرعت زیادی تغییر حالت دهد و یا مانند صفحه کلیدها لازم باشد تا چندین کلید به صورت همزمان فشار داده شوند، آن‌گاه این تاخیر زمانی قابل قبول نخواهد بود. یک راه برای غلبه بر این مشکل و تولید یک مدار واسط ورودی سریع‌تر برای کلیدزنی، استفاده از دو گیت NAND دو ورودی یا دو گیت NOR دو ورودی است که با یکدیگر کوپل متقاطع شده باشند.

مدار دیبانس کلیدزنی لچ بای‌استابل با گیت NAND

در تصویر زیر نمایی از یک مدار دیبانس کلیدزنی با استفاده از دو گیت NAND دیده می‌شود.

یک مدار دیبانس کلیدزنی با استفاده از دو گیت NAND
یک مدار دیبانس کلیدزنی با استفاده از دو گیت NAND

این نوع از مدارات دیبانس کلیدزنی بسیار مشابه با فلیپ فلاپ‌های SR عمل می‌کنند که در مطالب قبلی مجله فرادرس به بررسی آن‌ها پرداختیم. در این مدار، دو گیت منطقی دیجیتالی به صورت یک جفت گیت منطقی با اتصال کوپل متقاطع و ورودی‌های Active LOW قرار می‌گیرند. در واقع این گیت‌های منطقی یک مدار لچ SR را تشکیل می‌دهند که در آن دو ورودی از ورودی‌های گیت‌های NAND توسط دو مقاومت پول آپ ۱ کیلو اهم در سطح HIGH یا ۵ ولت نگه داشته می‌شوند.

چون مدار به عنوان یک لچ SR عمل می‌کند، در نتیجه در این مدار بر خلاف مدار دیبانس RC قبلی که به یک کلید تک پل تک زبانه (Single-Pole Single-Throw) یا SPST نیاز داشت، به یک کلید تک پل دو زبانه (Single-Pole Double-Throw) یا SPDT نیاز دارد. زمانی که کلید در مدار دیبانس دو گیت کوپل متقاطع NAND در موقعیت A قرار داشته باشد، گیت NAND اولی یا U1 ست (SET) می‌شود و خروجی Q در سطح HIGH یا یک منطقی قرار می‌گیرد. زمانی که کلید به موقعیت B می‌رود، U2 ست می‌شود و U1 را ریست می‌کند. حال مقدار خروجی در نقطه Q در سطح LOW یا صفر منطقی قرار دارد.

عملکرد کلید بین دو نقطه A و B باعث می‌شود که مقدار خروجی در نقطه Q بین دو مقدار منطقی تغییر وضعیت دهد و از سطح HIGH به LOW و از LOW به HIGH برود. چون لچ برای ست و ریست کردن خود به دو بار تغییر وضعیت کلید یا عملکرد کلید نیاز دارد، بنابراین هر گونه جهش اتصال در هر دو حالت عملکرد کلید، یعنی هم بسته شدن کلید و هم باز شدن آن، در خروجی Q دیده نخواهند شد. مزیت اصلی این مدار دیبانس کلیدزنی لچ SR این است که می‌تواند خروجی‌های مکمل Q و $$ \overline { Q } $$ را فراهم کند.

علاوه بر استفاده از گیت‌های NAND کوپل متقاطع برای تشکیل مدار واسط ورودی لچ بای‌استابل، می‌توان از گیت‌های منطقی NOR کوپل متقاطع نیز استفاده کرد. در این صورت باید جای دو مقاومت را عوض کرد و مقدار آن‌ها را نیز به ۱۰۰ اهم کاهش داد. در تصویر زیر نمایی از یک مدار واسط ورودی دیبانس کلیدزنی با استفاده از گیت‌های NOR را می‌‌توان دید.

مدار واسط ورودی دیبانس کلیدزنی با استفاده از گیت‌های NOR
مدار واسط ورودی دیبانس کلیدزنی با استفاده از گیت‌های NOR

عملکرد مدار دیبانس کلیدزنی با استفاده از دو گیت NOR نیز بسیار شبیه به عملکرد این مدار با دو گیت NAND است. اما تفاوتی که این مدار دارد در این است که اگر کلید در موقعیت B قرار داشته باشد، آن‌گاه مقدار خروجی Q در سطح HIGH قرار دارد و اگر کلید در موقعیت A قرار گیرد، مقدار خروجی Q در سطح LOW قرار می‌گیرد. بنابراین در حالت کلی می‌توان گفت که این مدار معکوس مدار لچ بای استابل قبلی محسوب می‌شود.

ذکر این نکته بسیار مهم است که در مدار واسط ورودی کلید که از لچ‌های منطقی NAND و یا NOR برای دیبانس کلیدزنی استفاده می‌کند، در پیکربندی با گیت NAND، به یک سیگنال ورودی سطح LOW و یا صفر منطقی برای تغییر حالت خروجی نیاز دارد، اما در پیکربندی با گیت NOR سیگنال ورودی سطح HIGH یا یک منطقی برای تغییر حالت مورد نیاز است.

مدار واسط ورودی با استفاده از ادوات نوری

تزویج‌کننده نوری یا اپوتوکوپلر (Optocoupler) یک المان الکترونیکی است که از یک LED و یک وسیله حساس به نور مانند فتودیود یا فتوترانزیستور تشکیل شده و در یک جعبه بسته‌بندی شده‌اند. همان طور که در مقاله اپتوکوپلر در مطالب پیشین مجله فرادرس دیدیم، یک اپتوکوپلر دو مدار الکتریکی مجزا را با استفاده از رابطه‌های نوری حساس به روشنایی به یکدیگر متصل می‌کند. بنابراین، با استفاده از  نور می‌توان دو مدار با ولتاژ و توان متفاوت را به صورت موثری به یکدیگر لینک کرد، بدون این‌که از نظر الکتریکی بر هم تاثیر بگذارند.

کلیدهای نوری (Optical Switches) یا Opto-Switches نوعی دیگر از ادوات کلیدزنی نوری هستند که می‌توانند به عنوان واسط ورودی مورد استفاده قرار بگیرند. یکی از مزایای استفاده از کلیدهای نوری در این است که می‌توان از آن‌ها در مدارات واسط ورودی برای سطوح خطرناک ولتاژ، در پین‌های ورودی میکروکنترلرها، PICها و سایر مدارات دیجیتال مشابه استفاده کرد. مزیت دیگر کلیدهای نوری این است که می‌توان از آن‌ها برای شناسایی یا تشخیص اشیا با استفاده از نور استفاده کرد. در این حالت، اگرچه اجزا به صورت الکتریکی از یکدیگر مجزا هستند، اما با استفاده از نور به یکدیگر تزویج شده‌اند و در نتیجه درجه بالایی از ایزولاسیون، معمولا از ۲ تا ۵ کیلو ولت، ایجاد می‌شود.

کلیدهای نوری دارای انواع مختلفی هستند و برای استفاده در گستره وسیعی از کاربردهای مدار واسط ورودی طراحی شده‌اند. یکی از متداول‌ترین کاربردهای کلید نوری یا اپتوکوپلر در تشخیص اشیا متحرک یا ثابت است. پیکربندی‌های فتوترانزیستور و فتودارلینگتون (Photodarlington) بسیاری از ویژگی‌های مورد نیاز برای کلیدهای نوری را فراهم می‌کنند، بنابراین پرکاربردترین نوع کلیدهای نوری مورد استفاده هستند.

کلیدهای نوری شکاف‌دار

در تصویر زیر نمایی از یک کلید نوری شکاف‌دار (Slotted Optical Switch) را می‌توان مشاهده کرد.

 نمایی از یک کلید نوری شکاف‌دار
نمایی از یک کلید نوری شکاف‌دار

در این نوع کلید نوری، معمولا یک ولتاژ DC برای درایو یک LED مورد استفاده قرار می‌گیرد. LED سیگنال ورودی را به انرژی نورانی مادون قرمز تبدیل می‌کند. این نور پس از انتشار، توسط فتوترانزیستورها در سمت دیگر گپ ایزولاسیون، منعکس و جمع‌آوری می‌شود و سپس دوباره به یک سیگنال خروجی تبدیل می‌شود. در کلیدهای نوری معمولی، افت ولتاژ LED در بایاس مستقیم و در جریان متداول ورودی ۵ تا ۲۰ میلی آمپر، برابر با ۱٫۲ تا ۱٫۶ ولت خواهد بود. این افت ولتاژ برابر با یک مقاومت سری با مقدار ۱۸۰ تا ۴۷۰ اهم در نظر گرفته می‌شود. مدار داخلی یک کلید نوری شکاف‌دار در تصویر زیر دیده می‌شود.

مدار داخلی یک کلید نوری شکاف‌دار
مدار داخلی یک کلید نوری شکاف‌دار

دیسک‌های شکافٰ‌دار و گردان به صورت گسترده در انکودرهای موقعیت، انکودرهای شفت و در ماوس‌های کامپیوتری مورد استفاده قرار می‌گیرند و مدار واسط ورودی فوق‌العاده‌ای را ایجاد می‌کنند. دیسک گردان دارای تعدادی شکاف‌های شفاف بر روی یک فضای مات (Opaque) است که تعداد این شکاف‌ها نشان‌دهنده رزولوشن انکودر بر درجه چرخش در نظر گرفته می‌شود. دیسک‌های انکودر معمولی، دارای رزولوشن بالاتر از ۲۵۶ پالس یا ۸ بیت بر درجه چرخش هستند.

در طول یک چرخش دیسک، نور مادون قرمز LED از طریق شکاف به فتوترانزیستور برخورد می‌کند و هر گاه با فضاهای مات دیسک گردان برخورد کند، دریافت نور مسدود می‌شود. این روال منجر به خاموش و روشن شدن ترانزیستور در طول دریافت و انسداد نور از دیسک گردان می‌شود. مقاومت $$ R_1 $$ جریان LED را تنظیم می‌کند. مقاومت پول آپ $$ R_2 $$ باعث می‌شود منبع تغذیه $$ V_{C} $$، هنگام خاموش بودن ترانزیستور به ورودی اشمیت تریگر متصل شود و یک خروجی LOW یا سطح صفر منطقی تولید شود.

زمانی که دیسک می‌چرخد و به فضای شکاف‌دار می‌رسد، نور مادون قرمز LED به فتوترانزیستور برخورد می‌کند و ترمینال‌های کلکتور به امیتر را به زمین متصل می‌کند و یک ورودی سطح LOW برای اشمیت تریگر فراهم می‌کند. در نتیجه خروجی اشمیت تریگر به سطح HIGH یا یک منطقی می‌رود. اگر خروجی معکوس‌کننده به یک شمارنده دیجیتال یا یک انکودر متصل می‌شد، می‌توانستیم موقعیت شفت را تعیین کنیم و یا تعداد چرخش‌های شفت را بشماریم تا سرعت چرخش شفت در دقیقه را به دست آوریم.

کلیدهای نوری انعکاسی

علاوه بر استفاده از کلیدهای نوری شکاف‌دار به عنوان کلیدهای واسط ورودی، انواع دیگری از ادوات نوری نیز وجود دارند که به آن‌ها سنسورهای نوری انعکاسی (Reflective Optical Sensor) گفته می‌شود. این ادوات از یک LED و فتودیود برای تشخیص اشیا استفاده می‌کنند. کلید نوری انعکاسی می‌تواند حضور یا عدم حضور یک شی را از طریق انعکاس نور تابانده شده LED توسط شی صیقلی (Reflective Object) تشخیص دهد. آرایش پایه یک کلید نوری انعکاسی در شکل زیر نشان داده شده است.

آرایش پایه یک کلید نوری انعکاسی
آرایش پایه یک کلید نوری انعکاسی

فتوترانزیستور دارای مقدار مقاومت قطع (OFF) بسیار بالا و مقاومت وصل (ON) بسیار پایین است. این مقادیر با نور دریافت شده از LED توسط بیس ترانزیستور کنترل می‌شوند. اگر هیچ شی در مقابل سنسور قرار نداشته باشد، نور منتشر شده توسط LED به عنوان یک اشعه یکتا به مقابل پخش می‌شود. اما اگر یک شی در فاصله‌ای نزدیک در مقابل سنسور قرار گیرد، نور LED به عقب منعکس می‌شود و توسط فتوترانزیستور تشخیص داده می‌شود. مقدار نور بازتابانده شده توسط فتوترانزیستور اندازه‌گیری می‌شود و سطح اشباع ترانزیستور به این بستگی دارد که شی در چه فاصله‌ای از سنسور قرار گرفته باشد و یا تا چه حد خاصیت بازتاب‌کنندگی داشته باشد.

انواع دیگر ادوات نوری

علاوه بر استفاده از کلیدهای نوری شکاف‌دار و کلیدهای نوری انعکاسی در مدار واسط ورودی، می‌توان از سایر انواع آشکارسازهای نوری نیمه‌هادی مانند آشکارسازهای نوری فتورزیستور (Photo Resistive Light Detectors)، فتودیودهای پیوند PN و حتی سلول‌های خورشیدی استفاده کرد. تمام این ادوات حساس به نور، از نور محیط مانند نور خورشید یا نور عادی اتاق برای فعال‌سازی وسیله استفاده می‌کنند و همین ویژگی به آن‌ها اجازه می‌دهد که به آسانی به هر نوع مدار الکترونیکی متصل شوند.

پیوند PN در دیودهای توان و دیودهای سیگنال عادی برای امنیت بالاتر و جلوگیری از تابش فوتون‌های نور محیط به آن، توسط یک محفظه پلاستیکی پوشانده شده است. زمانی که یک دیود در بایاس معکوس قرار داشته باشد، می‌تواند عبور جریان را مسدود کند و مانند یک کلید باز با مقاومت بسیار بزرگ عمل کند. اما اگر نور را به پیوند PN در این دیود بتابانیم، فوتون‌های نور پیوند را باز می‌کنند و به جریان اجازه عبور می‌دهند. البته این امر به شدت نور تابانده شده بستگی دارد.

اما فتودیودها از این خاصیت (عکس العمل نسبت به نور دریافتی) استفاده می‌کنند. این دیودها دارای یک پنجره کوچک هستند که نور محیط از طریق آن به پیوند PN تابانده می‌شود و به همین دلیل این نوع از دیودها به شدت نسبت به نور حساس هستند. بسته به مقدار و نوع ناخالصی‌های افزوده شده به نیمه‌هادی، برخی از فتودیودها به نور مرئی و برخی دیگر به نور مادون قرمز عکس‌العمل (پاسخ) نشان می‌دهند. زمانی که هیچ نوری توسط فتودیودها دریافت نشود، جریان معکوس تقریبا قابل صرف نظر است. به این جریان، جریان تاریک (Dark Current) می‌گویند. اما زمانی که شدت نور دریافت شده توسط فتودیود افزایش یابد، مقدار جریان معکوس یا جریان تاریک فتودیود افزایش می‌یابد.

بنابراین می‌توان دید که یک فتودیود به جریان معکوس اجازه می‌دهد تا فقط در یک جهت جریان یابد. این جهت مخالف با جهت دیود یکسوساز استاندارد است. جریان معکوس در فتودیود زمانی جاری می‌شود که مقدار خاصی از نور را دریافت کند. در محیط‌های تاریک فتودیود مانند یک مقاومت با مقدار بسیار بزرگ و در محیط‌های روشن مانند یک مقاومت بسیار کوچک عمل می‌کند. چنین دیودی را می‌توان در بسیاری از کاربردها به عنوان آشکارساز نوری بسیار سریع مورد استفاده قرار داد. در تصویر زیر نمایی از یک مدار واسط ورودی با فتودیود دیده می‌شود.

مدار واسط ورودی با فتودیود
مدار واسط ورودی با فتودیود

در دو مدار ساده سمت چپ در تصویر بالا، فتودیود به سادگی با استفاده از مقاومت، در بایاس معکوس قرار گرفته است و سیگنال ولتاژ خروجی از دو سر مقاومت سری دریافت می‌شود. این مقاومت می‌تواند یا مقدار ثابتی در بازه بین ۱۰ کیلو اهم تا ۱۰۰ کیلو اهم داشته باشد و یا از یک پتانسیومتر متغیر با مقدار ۱۰۰ کیلو اهم استفاده کند. این مقاومت را می‌‌توان بین فتودیود و ولتاژ صفر ولت زمین و یا بین فتودیود و منبع تغذیه $$ V_{CC} $$ متصل کرد.

اگرچه فتودیودهایی مانند BPX48 دارای پاسخ بسیار سریع در برابر تغییرات سطح نور هستند، اما این ادوات نسبت به سایر ادوات نوری مانند سلول‌های LDR کادمیوم سولفید حساسیت کمتری دارند، در نتیجه ممکن است به نوعی از تقویت‌کننده‌ها مانند تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری و یا تقویت‌کننده‌های اپ امپی در مدار نیاز باشد. بنابراین می‌توان فتودیود را به عنوان یک المان مقاومت متغیر مورد استفاده قرار داد که مقدار این مقاومت بر اساس میزان نور تابانده شده توسط پیوندهای فتودیود کنترل می‌شود.

فتودیودها همچنین می‌توانند به عنوان کلید در مدار به کار برده شوند. ویژگی خاص فتودیودها به عنوان کلید در این است که با سرعت بالا می‌توانند از حالت خاموش به روشن و یا از حالت روشن به خاموش تغییر وضعیت دهند. زمان کلیدزنی در این المان می‌تواند از مرتبه نانو ثانیه و فرکانس کلیدزنی بالای ۱ مگا هرتز باشد، بنابراین این المان در کاربردهای مخابرات فیبر نوری و انکودرهای نوری بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مقاومت وابسته به نور (LDR)

علاوه بر ادوات نوری پیوند PN، مانند فتودیود و فتوترانزیستور، انواع دیگری از آشکارسازهای نوری نیمه‌هادی وجود دارند که می‌توانند بدون پیوند PN عمل کنند و مشخصه مقاومتی خود را با تغییر در شدت نور دریافتی تغییر دهند. چنین ادواتی را مقاومت‌های وابسته به نور (Light Dependant Resistors) یا LDR می‌گویند.

LDRها را با عنوان فتوسل (Photocell) کادمیوم سولفید نیز می‌شناسند. این المان، یک عنصر پسیو یا غیرفعال محسوب می‌شود که مقاومت آن با تغییر در شدت نور مرئی دریافتی، تغییر می‌کند. زمانی که هیچ نوری در محیط وجود نداشته باشد، مقاومت داخلی این المان بسیار بالا و از مرتبه مگا اهم است. اما با تابش نور به فتوسل‌ها، مقدار مقاومت آن‌ها به شدت افت می‌کند، به صورتی که در نور خورشید شدید، مقدار مقاومت به زیر ۱ کیلو اهم می‌رسد. مقاومت وابسته به نور بسیار شبیه به پتانسیومتر عمل می‌کند، اما مقدار مقاومت این المان با شدت نور دریافتی کنترل می‌شود. در تصویر زیر نمایی از یک مدار واسط ورودی مقاومت وابسته به نور یا LDR دیده می‌شود.

مدار واسط ورودی مقاومت وابسته به نور یا LDR
مدار واسط ورودی مقاومت وابسته به نور یا LDR

مقاومت‌های وابسته به نور، مقدار مقاومت خود را به صورت متناسب با شدت نور دریافتی تغییر می‌دهند، بنابراین می‌توان این المان‌ها را با یک مقاومت سری R، به منظور ایجاد مدار مقسم ولتاژ در طول منبع تغذیه مورد استفاده قرار داد. در محیط تاریک، مقاومت LDR بسیار بزرگ‌تر از مقاومت R خواهد بود، در نتیجه با اتصال LDR از منبع تغذیه به مقاومت و یا مقاومت به زمین می‌توان از LDR به عنوان آشکارساز روشنایی و یا آشکارساز تاریکی استفاده کرد.

چون LDRهایی مانند NORP12، نسبت به مقدار مقاومت خود، یک ولتاژ خروجی نسبی تولید می‌کنند، بنابراین می‌توان از آن‌ها در مدار واسط ورودی‌های آنالوگ استفاده کرد. همچنین می‌توان یک LDR را به عنوان بخشی از مدار پل وتسون (Wheatstone Bridge) و به عنوان ورودی یک مقایسه‌کننده ولتاژ اپ امپی یا مدار اشمیت تریگر مورد استفاده قرار داد تا یک سیگنال دیجیتال برای ارتباط با مدارات ورودی میکروکنترلرها و سایر مدارات دیجیتال تولید کند.

آشکارسازهای حد آستانه (Threshold Detectors) ساده می‌توانند برای تشخیص سطح نور، دما و یا کشش (Strain) مورد استفاده قرار بگیرند و خروجی‌های مناسب و سازگار با TTL تولید کنند. در نتیجه می‌توان به صورت مستقیم با گیت‌های منطقی یا پورت‌های ورودی دیجیتال ارتباط برقرار کرد. آشکارسازهای حد آستانه دما و نور که مبتنی بر مقایسه‌کننده‌های اپ امپی ساخته شده باشند، هنگامی که سطح نور یا دما از حد آستانه بالاتر برود و یا به زیر سطح آستانه افت کند، ورودی‌های منطق یک و منطق صفر تولید می‌کنند.

خلاصه مدار واسط ورودی

انواع مختلفی از سنسورها وجود دارند که می‌توانند یک یا تعداد بیشتری از مشخصه‌های فیزیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کنند. این سیگنال‌های خروجی می‌تواند توسط ورودی میکروکنترلر‌ها و سایر مدارات دیجیتال و منطقی پردازش و مورد استفاده قرار بگیرد. مشکلی که در این فرایند وجود دارد این است که تقریبا تمام مشخصه‌های فیزیکی مورد اندازه‌گیری را نمی‌توان به صورت مستقیم به ورودی‌های مدارت پردازنده و یا تقویت‌کننده متصل کرد. بنابراین انواع مختلفی از مدار واسط ورودی، برای ارتباط با گستره وسیع ولتاژها و جریان‌های آنالوگ مختلف به مدارت پردازنده‌های دیجیتال، مورد نیاز است.

امروزه با وجود سیستم‌های پیشرفته مبتنی بر PC، میکروکنترلر، PIC و سایر میکروپروسسورهای مدرن، استفاده از مدار واسط ورودی به ادوات با ولتاژها و توان‌های پایین این امکان را می‌دهد که به آسانی با دنیای بیرون ارتباط برقرار کنند و داده‌های خود را منتقل کنند. به همین دلیل است که اکثر کامپیوترها امروزه دارای پورت‌های ورودی-خروجی (Input–Output Ports) هستند تا بتوانند به راحتی داده‌های خود را با برنامه‌های کنترل‌کننده و یا سنسورها و نیز کلیدهای متصل به آن‌ها مبادله کنند.

می‌دانیم که سنسورها عناصر الکتریکی هستند که یک مشخصه فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی متناظر با آن تبدیل می‌کنند، بنابراین عملکردی مانند ادوات ورودی دارند. اضافه کردن یک سنسور ورودی به یک مدار الکترونیکی، می‌تواند تطبیق‌پذیری مدار را بالاتر ببرد؛ زیرا اطلاعاتی از محیط پیرامون مدار را برای آن فراهم می‌کند. با این حال، سنسورها نمی‌توانند به تنهایی در مدار به کار برده شوند و به یک مدار الکتریکی یا الکترونیکی با نام مدار واسط ورودی نیاز دارند.

مدار واسط ورودی به ادوات خارجی اجازه می‌دهد تا داده، کد و یا سیگنال‌های خود را مبادله کنند. به عنوان مثال داده‌ها می‌تواند از یک کلید ساده با تکنیک مدار دیبانس کلیدزنی و یا از کیبورد یا پوش باتن گرفته شوند و یا از سنسورهای ورودی که مشخصه‌های فیزیکی مانند دما، نور و … را تشخیص می‌دهند. با استفاده از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال می‌توان سرعت انتقال را بالاتر برد.

اگر نوشته بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

«مرضیه آقایی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه کنترل پیش‌بین موتورهای الکتریکی بوده و در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 5 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *