基于單片機的電路常識概念-MCU電路設計經(jīng)驗(共25頁pdf下載)

ID:298228 · 發(fā)表于 2018-3-28 11:51

很全面的講述了mcu電路設計要注意的要點及經(jīng)驗。

基于單片機的電路常識概念
—— 小貝收集整理

前言
MCU發(fā)展趨勢
未來以及相當長的一段時間內(nèi)，單片機應用技術的發(fā)展趨勢為：
1 、全盤 CMOS化
CMOS 電路具有眾多的優(yōu)點，如極寬的工作電壓范圍、極佳的本質(zhì)低功耗及功耗管理特征，形成了嵌入式系統(tǒng)獨特的低功耗及功耗管理應用技術。
2 、最大化的SoC設計
目前單片機已逐漸向片上系統(tǒng)發(fā)展，原有的單片機逐漸發(fā)展成通用型 SoC 單片機（如 C8051F 系列）或 SoC 的標準 IP 內(nèi)核（如 DW8051_core ），以及各種專用的 SoC 單片機。
3 、以串行方式為主的外圍擴展
目前單片機外圍器件普遍提供了串行擴展方式。串行擴展具有簡單、靈活、電路系統(tǒng)簡單、占用 I/O資源少等優(yōu)點，是一種流行的擴展方式。
4 、 8 位機仍有巨大發(fā)展空間

電路常識性概念（ 1 ） - - - - 輸入、輸出阻抗

1 、輸入阻抗
輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個電壓源 U ，測量輸入端的電流 I ，則輸入阻抗 Rin=U/I 。你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端，這個電阻的阻值，就是輸入阻抗。輸入阻抗跟一個普通的電抗元件沒什么兩樣，它反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅(qū)動的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅(qū)動，也不會對信號源有影響；而對于電流驅(qū)動型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。因此，我們可以這樣認為：如果是用電壓源來驅(qū)動的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅(qū)動的，則阻抗越小越好（注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題。另外如果要獲取最大輸出功率時，也要考慮阻抗匹配問題。）

2 、輸出阻抗
無論信號源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內(nèi)阻。本來，對于一個理想的電壓源（包括電源），內(nèi)阻應該為 0 ，或理想電流源的阻抗應當為無窮大。輸出阻抗在電路設計最特別需要注意。現(xiàn)實中的電壓源，則做不到這一點。我們常用一個理想電壓源串聯(lián)一個電阻 r 的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯(lián)的電阻 r ，就是（信號源 / 放大器輸出 / 電源）的內(nèi)阻了。當這個電壓源給負載供電時，就會有電流 I 從這個負載上流過，并在這個電阻上產(chǎn)生 I × r 的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率（關于為什么會限制最大輸出功率，請看后面的 “ 阻抗匹配 ” ）。同樣的，一個理想的電流源，輸出阻抗應該是無窮大，但實際的電路是不可能的。

3 、阻抗匹配
阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。
阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。
我們先從直流電壓源驅(qū)動一個負載入手。由于實際的電壓源，總是有內(nèi)阻的，我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻 r 串聯(lián)的模型。假設負載電阻為 R ，電源電動勢為 U ，內(nèi)阻為 r ，那么我們可以計算出流過電阻 R 的電流為： I=U/(R+r) ，可以看出，負載電阻 R 越小，則輸出電流越大。負載 R 上的電壓為： Uo=IR=U/[1+(r/R)] ，可以看出，負載電阻 R 越大，則輸出電壓 Uo 越高。
再來計算一下電阻 R 消耗的功率為：

在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時，在負載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結構以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為 75 Ω ，而一些射頻設備上則常用特征阻抗為 50 Ω 的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為 300 Ω 的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因為電視機的射頻輸入端輸入阻抗為 75 Ω ，所以 300 Ω 的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機的附件中，有一個 300 Ω到 75 Ω 的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個塑料封裝的，一端一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大）。
它里面其實就是一個傳輸線變壓器，將 300 Ω 的阻抗，變換成 75 Ω 的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強調(diào)一點的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關，也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產(chǎn)生反射，負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配，如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。
當阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián) / 并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián) / 并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配，例如， 485 總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián) 12 0歐的匹配電阻。
為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設你在練習拳擊 —— 打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不了了 —— 這就是負載過重的情況，會產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了 —— 這就是負載過輕的情況。另一個例子，不知道大家有沒有過這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時上 / 下樓梯，當你以為還有樓梯時，就會出現(xiàn) “ 負載不匹配 ” 這樣的感覺了。當然，也許這樣的例子不太恰當，但我們可以拿它來理解負載不匹配時的反射情況。

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Q ：什么是電流控制器件？
A ：如果這個器件的輸出參數(shù)大小和輸入的電流參數(shù)大小有關，就叫該器件是 “ 電流控制器件 ” ，簡稱 “ 流控器件 ” 。
“ 電流控制器件 ” 輸入的是電流信號，是低阻抗輸入，需要較大的驅(qū)動功率。例如：雙極型晶體管(BJT) 是電流控制器件、 TTL 電路是電流控制器件。
Q ：什么是電壓控制器件？
S ：如果這個器件的輸出參數(shù)大小和輸入的電壓參數(shù)大小有關，就叫該器件是 “ 電壓控制器件 ” ，簡稱 “ 壓
控器件 ” 。“ 電壓控制器件 ” 輸入的是電壓信號，是高阻抗輸入，只需要較小的驅(qū)動功率；例如：場效應晶體管 (FET) 是電壓控制器件、 MOS 電路是電壓控制器件。
Q ：為什么 BJT 是電流控制器件而 FET 和 MOS 是電壓控制器件？
S ： BJT 是通過基極電流來控制集電極電流而達到放大作用的；而 FET&MOS 是靠控制柵極電壓來改變源漏電流，所以說 BJT 是電流控制器件，而 FET 和 MOS 是電壓控制器件。

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ID:245224 · 發(fā)表于 2018-4-15 12:42

好東西啊，看的人為啥這么少，感謝版主加精讓我看到，用心了

ID:194257 · 發(fā)表于 2018-4-15 14:03

總結的很到位。

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