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    單片機外圍電路設計攻略大全

    發布者:小智-詹 閱讀量:90 發布時間:2020-05-11 17:51:05
    智茂銑刀PCB分板機分享:單片機外圍電路設計攻略大全



    01

    單片機外圍電路設計之一:電阻


    對于電阻,想必大家都覺得簡單,沒有什么好說的。其實電阻的應該還是非常廣泛的,在不同的應用場合其作用是完全不同的。本人將總結其基本用法,及容易被忽略的地方。


    1、概念
    電阻(Resistance,通常用“R”表示),在物理學中表示導體對電流阻礙作用的大小。導體的電阻越大,表示導體對電流的阻礙作用越大。不同的導體,電阻一般不同,電阻是導體本身的一種特性。電阻將會導致電子流通量的變化,電阻越小,電子流通量越大,反之亦然。而超導體則沒有電阻。


    電阻元件的電阻值大小一般與溫度,材料,長度,還有橫截面積有關,衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數,其定義為溫度每升高1℃時電阻值發生變化的百分數。


    電阻的主要物理特征是變電能為熱能,也可說它是一個耗能元件,電流經過它就產生內能。電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。對信號來說,交流與直流信號都可以通過電阻。


    導體的電阻通常用字母R表示,電阻的單位是歐姆(ohm),簡稱歐,符號是Ω(希臘字母,讀作Omega),1Ω=1V/A。比較大的單位有千歐(kΩ)、兆歐(MΩ)(兆=百萬,即100萬)。


    KΩ(千歐), MΩ(兆歐),他們的換算關系是:


    1TΩ=1000GΩ;1GΩ=1000MΩ;1MΩ=1000KΩ;1KΩ=1000Ω(也就是一千進率)


    兩個電阻并聯式也可表示為
    串聯:R=R1+R2+...+Rn
    并聯:1/R=1/R1+1/R2+...+1/Rn
    兩個電阻并聯式也可表示為 R=R1·R2/(R1+R2)
    定義式:R=U/I
    決定式:R=ρL/S(ρ表示電阻的電阻率,是由其本身性質決定,L表示電阻的長度,S表示電阻的橫截面積)

    電阻元件的電阻值大小一般與溫度有關,還與導體長度、橫截面積、材料有關。衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數,其定義為溫度每升高1℃時電阻值發生變化的百分數。多數(金屬)的電阻隨溫度的升高而升高,一些半導體卻相反。如:玻璃,碳在溫度一定的情況下,有公式R=ρl/s其中的ρ就是電阻率,l為材料的長度,單位為m,s為面積,單位為平方米??梢钥闯?,材料的電阻大小正比于材料的長度,而反比于其面積。

    電阻物理量:1歐電壓產生一歐電流則為1歐電阻。另外電阻的作用除了在電路中用來控制電流電壓外還可以制成發熱元件等。


    2、電阻應用
    電阻在電路中的主要作用為分流、限流、分壓、偏置、濾波(與電容器組合使用)和阻抗匹配等。


    電阻通常分為三大類:固定電阻,可變電阻,特種電阻。


    在電子產品中,以固定電阻應用最多。常用、常見的有RT型碳膜電阻、RJ型金屬膜電阻、RX型線繞電阻,近年來還廣泛應用的片狀電阻。


    電阻器型號命名:R代表電阻,T-碳膜,J-金屬,X-線繞,是拼音的第一個字母。在國產老式的電子產品中,??梢钥吹酵獗硗扛簿G漆的電阻,那就是RT型的。而紅顏色的電阻,是RJ型的。 


    按照功率可以分為小功率電阻和大功率電阻。大功率電阻通常是金屬電阻,實際上應該是在金屬外面加一個金屬(鋁材料)散熱器,所以可以有10W以上的功率;在電子配套市場上專門賣電阻的市場上可以很容易地看到。 

    金屬電阻通常是作為負載,或者作為小設備的室外加熱器,如,在CCTV的一些解碼器箱和全天候防護罩中可以看到。 


    電阻在電路中起到限流、分壓等作用。通常1/8W電阻已經完全可以滿足使用。但是,在作為7段LED中,要考慮到LED的壓降和供電電壓之差,再考慮LED的最大電流,通常是20mA(超高亮度的LED),如果是2×6(2排6個串聯),則電流是40mA。

    不同廠家選用不同材料的,其壓降也有所不同。所以需要加上電實測一下。但是,不要讓單只LED的電流超出20mA,這時加大電流亮度也不會增加,但是LED的壽命會下降,限流電阻的大小就是壓降除以電流。電阻的功率隨之可以算出。 


    電位器 
    電位器就是可調電阻。它的阻值在1~nΩ之間變化。如N=102=10×10的2次方,也就是1000歐姆,1KΩ 。同理,502=5KΩ。

    電位器又分單圈和多圈電位器。單圈的電位器通常為灰白色,面上有一個十字可調的旋紐,出廠前放在一個固定的位置上,不在2頭;多圈電位器通常為藍色,調節的旋紐為一字,一字小改錐可調;多圈電位器又分成頂調和側調2種,主要是電路板調試起來方便。 

    有些是儀器儀表設備,通常是模擬電路,有一些不確定的因素,需要調節才能達到最理想的效果;有些是設備本身就需要輸出一個可變的東西,如電壓和電流,也需要一個電位器。 


    排電阻 
    是sip n的封裝,比較常用的就是阻值502和103的9腳的電阻排;象sip9就是8個電阻封裝在一起,8個電阻有一端連在一起,就是公共端,在排電阻上用一個 小白點表示。排電阻通常為黑色,也有黃色;51系統的P0需要一個排電阻上拉,否則,作為輸入的時候,不能正常讀入數據;作為輸出的時候,接7407是可 以的,不需要上拉電阻;但是,接其它的芯片,還是不行。有興趣可以看看51的P0的結構;沒有興趣,依葫蘆畫瓢,照做沒錯。 


    光敏電阻 
    當照在光敏電阻上的光強變化時,電阻值也在變化。顯然這是半導體材料的特性。 
    使用光敏電阻可以檢測光強的變化。 


    電阻的封裝 
    電阻的封裝有表面貼和軸向的封裝。軸向封裝有:axial0.4、axial0.6、axial0.8等等;axial在英語中就是軸的意思;表面貼電阻的封裝最常用的就是0805;當然還有更大的;但是更大的電阻不是很常用的。


    3、限流電阻
    電阻作為限流應該是最常用的應用之一,對于單片機外圍設計來說,電阻的應用非常重要,在很多時候,我們必須在單片機的I/O端口上連接一個限流電阻,保證外圍電路不會應用短路、過載等原因燒壞單片機的I/O端口,甚至整個單片機。

    對于限流,想必大家都很清楚,可是在選擇電阻阻值時,你的標準是什么?你知道單片機端口是最大輸入電流嗎?知道單片機的最大輸出電流嗎?知道單片機端口能承受的最大電壓嗎?

    面對這些問題,恐怕很多人都是知其然不知其所以然,完全憑靠經驗獲取,并沒有完全按照電路的要求計算取值。為此,在這里提出這些問題,并不想教大家怎么去計算這些值,知道歐姆定律的人都應該知道該怎么計算吧,所以,只是希望大家在選擇之前,先了解單片機的這些參數,然后,根據參數進行計算。在計算時一定要留一定的預留空間。

    IOL,IOH究竟指的是什么?

    在看一些元器件的DATASHEET文件時,經常會碰到元器件的參數,IOL,IOH,IIL,IIH,我也知道他們指的是輸入輸出高低電平時的最大最小電流,但在連接時他們之間的匹配問題一直很模糊,如:IOL=1.5MA;     IOH=-300UA

    另一個的輸入為:
    IIL=-100UA;    IIH=10UA;
    他們之間是否能直接相接?IOL,IOH,究竟指的是什么?是驅動么?


    參考答案:

    IIL和IIH表示輸入高低電平時的電流值,-號表示從器件流出電流。
    IOL和IOH表示輸出為低、高電平時的電流值,同樣-號表示從器件流出的電流。

    你所說的第一個器件表示在輸出低電平的時候可以吸收(流入)1.5mA電流,輸出為高電平的時候,可以輸出300uA電流。第二個器件表示在輸入低的時候會流出100uA電流,輸入高的時候將吸收10uA電流。|IOL|>    |IIL|,|IOH|>    |IIH|,就表示輸出器件可以帶動輸入器件。


    4、上下拉電阻
    電阻的又一應用就是上下拉電阻,上拉就是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平,電阻同時起限流作用。下拉同理。也是是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在低電平。

    上拉是對器件輸入電流,下拉是輸出電流;強弱只是上拉電阻的阻值不同,沒有什么嚴格區分;對于非集電極(或漏極)開路輸出型電路(如普通門電路)提升電流和電壓的能力是有限的,上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。

    1 當TTL電路驅動CMOS電路時,如果電路輸出的高電平低于CMOS電路的最低高電平(一般為3.5V), 這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻,以提高輸出高電平的值。
    2 OC門電路必須使用上拉電阻,以提高輸出的高電平值。
    3 為增強輸出引腳的驅動能力,有的單片機管腳上也常使用上拉電阻。
    4 在CMOS芯片上,為了防止靜電造成損壞,不用的管腳不能懸空,一般接上拉電阻以降低輸入阻抗, 提供泄荷通路。
    5 芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平,從而提高芯片輸入信號的噪聲容限,增強抗干擾能力。
    6 提高總線的抗電磁干擾能力,管腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾。
    7 長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾,加上、下拉電阻是電阻匹配,有效的抑制反射波干擾。


    上拉電阻
    就是從電源高電平引出的電阻接到輸出端

    1 如果電平用OC(集電極開路,TTL)或OD(漏極開路,CMOS)輸出,那么不用上拉電阻是不能工作的, 這個很容易理解,管子沒有電源就不能輸出高電平了。

    2 如果輸出電流比較大,輸出的電平就會降低(電路中已經有了一個上拉電阻,但是電阻太大,壓降太高),就可以用上拉電阻提供電流分量, 把電平“拉高”。(就是并一個電阻在IC內部的上拉電阻上,這時總電阻減小,總電流增大)。當然管子按需要工作在線性范圍的上拉電阻不能太小。當然也會用這個方式來實現門電路電平的匹配。


    為什么要使用上拉電阻
    一般作單鍵觸發使用時,如果IC本身沒有內接電阻,為了使單鍵維持在不被觸發的狀態或是觸發后回到原狀態,必須在IC外部另接一電阻。

    數字電路有三種狀態:高電平、低電平、和高阻狀態,有些應用場合不希望出現高阻狀態,可以通過上拉電阻或下拉電阻的方式使處于穩定狀態,具體視設計要求而定!

    一般說的是I/O端口,有的可以設置,有的不可以設置,有的是內置,有的是需要外接,I/O端口的輸出類似于一個三極管的C,當C接通過一個電阻和電源連接在一起的時候,該電阻成為上拉電阻,也就是說,該端口正常時為高電平;C通過一個電阻和地連接在一起的時候,該電阻稱為下拉電阻。

    上拉電阻是用來解決總線驅動能力不足時提供電流的問題的。一般說法是上拉增大電流,下拉電阻是用來吸收電流。


    5、典型應用
    1 固定電平
    在外設沒有收到控制時,我們需要把某一外設或單片機I/O端口固定在某一固定電平上時,需要根據需要接上下拉電阻,例如:
    上圖中,對于按鍵輸入來說,在沒有按下按鍵時,如果沒有上拉電阻的存在,單片機端口將處于懸乎狀態,沒有確定電平,當然如果有內部上拉電阻的單片機除外,加上上拉電阻會,在沒有按鍵時,單片機端口保持高電平,有按鍵時,單片機端口將輸入低電平。而對于蜂鳴器來說,由于和按鍵有同樣的效果,不加上拉電阻,無法區別在沒有單片機控制時,三極管的工作狀態,所以,必須加上上拉電阻以保障無單片機控制時,三極管截止,蜂鳴器不工作。

    2 電平輸入

    有時候由于器件自身設計的原因,如果不接外部上下拉電阻,設備無法正常實現高低電平的轉換。例如,對于開漏輸出的I2C總線來說,如果不接上拉電阻,其只能輸出低電平,無法實現高電平輸出,加上上拉電阻,保證在沒有控制信號時,通過上拉電阻實現高電


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