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    单片机外围电路设计攻略大全

    发布者:小智-詹 阅读量:11 发布时间:2020-05-11 17:51:05
    智茂铣刀PCB分板机分享:单片机外围电路设计攻略大全



    01

    单片机外围电路设计之一:电阻


    对于电阻,想必大家都觉得简单,没有什么好说的。其实电阻的应该还是非常广泛的,在不同的应用场合其作用是完全不同的。本人将总结其基本用法,及容易被忽略的地方。


    1、概念
    电阻(Resistance,通常用“R”表示),在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。导体的电阻越大,表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化,电阻越小,电子流通量越大,反之亦然。而超导体则没有电阻。


    电阻元件的电阻值大小一般与温度,材料,长度,还有横截面积有关,衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数,其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。


    电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可说它是一个耗能元件,电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻。


    导体的电阻通常用字母R表示,电阻的单位是欧姆(ohm),简称欧,符号是Ω(希腊字母,读作Omega),1Ω=1V/A。比较大的单位有千欧(kΩ)、兆欧(MΩ)(兆=百万,即100万)。


    KΩ(千欧), MΩ(兆欧),他们的换算关系是:


    1TΩ=1000GΩ;1GΩ=1000MΩ;1MΩ=1000KΩ;1KΩ=1000Ω(也就是一千进率)


    两个电阻并联式也可表示为
    串联:R=R1+R2+...+Rn
    并联:1/R=1/R1+1/R2+...+1/Rn
    两个电阻并联式也可表示为 R=R1·R2/(R1+R2)
    定义式:R=U/I
    决定式:R=ρL/S(ρ表示电阻的电阻率,是由其本身性质决定,L表示电阻的长度,S表示电阻的横截面积)

    电阻元件的电阻值大小一般与温度有关,还与导体长度、横截面积、材料有关。衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数,其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。多数(金属)的电阻随温度的升高而升高,一些半导体却相反。如:玻璃,碳在温度一定的情况下,有公式R=ρl/s其中的ρ就是电阻率,l为材料的长度,单位为m,s为面积,单位为平方米。可以看出,材料的电阻大小正比于材料的长度,而反比于其面积。

    电阻物理量:1欧电压产生一欧电流则为1欧电阻。另外电阻的作用除了在电路中用来控制电流电压外还可以制成发热元件等。


    2、电阻应用
    电阻在电路中的主要作用为分流、限流、分压、偏置、滤波(与电容器组合使用)和阻抗匹配等。


    电阻通常分为三大类:固定电阻,可变电阻,特种电阻。


    在电子产品中,以固定电阻应用最多。常用、常见的有RT型碳膜电阻、RJ型金属膜电阻、RX型线绕电阻,近年来还广泛应用的片状电阻。


    电阻器型号命名:R代表电阻,T-碳膜,J-金属,X-线绕,是拼音的第一个字母。在国产老式的电子产品中,常可以看到外表涂覆绿漆的电阻,那就是RT型的。而红颜色的电阻,是RJ型的。 


    按照功率可以分为小功率电阻和大功率电阻。大功率电阻通常是金属电阻,实际上应该是在金属外面加一个金属(铝材料)散热器,所以可以有10W以上的功率;在电子配套市场上专门卖电阻的市场上可以很容易地看到。 

    金属电阻通常是作为负载,或者作为小设备的室外加热器,如,在CCTV的一些解码器箱和全天候防护罩中可以看到。 


    电阻在电路中起到限流、分压等作用。通常1/8W电阻已经完全可以满足使用。但是,在作为7段LED中,要考虑到LED的压降和供电电压之差,再考虑LED的最大电流,通常是20mA(超高亮度的LED),如果是2×6(2排6个串联),则电流是40mA。

    不同厂家选用不同材料的,其压降也有所不同。所以需要加上电实测一下。但是,不要让单只LED的电流超出20mA,这时加大电流亮度也不会增加,但是LED的寿命会下降,限流电阻的大小就是压降除以电流。电阻的功率随之可以算出。 


    电位器 
    电位器就是可调电阻。它的阻值在1~nΩ之间变化。如N=102=10×10的2次方,也就是1000欧姆,1KΩ 。同理,502=5KΩ。

    电位器又分单圈和多圈电位器。单圈的电位器通常为灰白色,面上有一个十字可调的旋纽,出厂前放在一个固定的位置上,不在2头;多圈电位器通常为蓝色,调节的旋纽为一字,一字小改锥可调;多圈电位器又分成顶调和侧调2种,主要是电路板调试起来方便。 

    有些是仪器仪表设备,通常是模拟电路,有一些不确定的因素,需要调节才能达到最理想的效果;有些是设备本身就需要输出一个可变的东西,如电压和电流,也需要一个电位器。 


    排电阻 
    是sip n的封装,比较常用的就是阻值502和103的9脚的电阻排;象sip9就是8个电阻封装在一起,8个电阻有一端连在一起,就是公共端,在排电阻上用一个 小白点表示。排电阻通常为黑色,也有黄色;51系统的P0需要一个排电阻上拉,否则,作为输入的时候,不能正常读入数据;作为输出的时候,接7407是可 以的,不需要上拉电阻;但是,接其它的芯片,还是不行。有兴趣可以看看51的P0的结构;没有兴趣,依葫芦画瓢,照做没错。 


    光敏电阻 
    当照在光敏电阻上的光强变化时,电阻值也在变化。显然这是半导体材料的特性。 
    使用光敏电阻可以检测光强的变化。 


    电阻的封装 
    电阻的封装有表面贴和轴向的封装。轴向封装有:axial0.4、axial0.6、axial0.8等等;axial在英语中就是轴的意思;表面贴电阻的封装最常用的就是0805;当然还有更大的;但是更大的电阻不是很常用的。


    3、限流电阻
    电阻作为限流应该是最常用的应用之一,对于单片机外围设计来说,电阻的应用非常重要,在很多时候,我们必须在单片机的I/O端口上连接一个限流电阻,保证外围电路不会应用短路、过载等原因烧坏单片机的I/O端口,甚至整个单片机。

    对于限流,想必大家都很清楚,可是在选择电阻阻值时,你的标准是什么?你知道单片机端口是最大输入电流吗?知道单片机的最大输出电流吗?知道单片机端口能承受的最大电压吗?

    面对这些问题,恐怕很多人都是知其然不知其所以然,完全凭靠经验获取,并没有完全按照电路的要求计算取值。为此,在这里提出这些问题,并不想教大家怎么去计算这些值,知道欧姆定律的人都应该知道该怎么计算吧,所以,只是希望大家在选择之前,先了解单片机的这些参数,然后,根据参数进行计算。在计算时一定要留一定的预留空间。

    IOL,IOH究竟指的是什么?

    在看一些元器件的DATASHEET文件时,经常会碰到元器件的参数,IOL,IOH,IIL,IIH,我也知道他们指的是输入输出高低电平时的最大最小电流,但在连接时他们之间的匹配问题一直很模糊,如:IOL=1.5MA;     IOH=-300UA

    另一个的输入为:
    IIL=-100UA;    IIH=10UA;
    他们之间是否能直接相接?IOL,IOH,究竟指的是什么?是驱动么?


    参考答案:

    IIL和IIH表示输入高低电平时的电流值,-号表示从器件流出电流。
    IOL和IOH表示输出为低、高电平时的电流值,同样-号表示从器件流出的电流。

    你所说的第一个器件表示在输出低电平的时候可以吸收(流入)1.5mA电流,输出为高电平的时候,可以输出300uA电流。第二个器件表示在输入低的时候会流出100uA电流,输入高的时候将吸收10uA电流。|IOL|>    |IIL|,|IOH|>    |IIH|,就表示输出器件可以带动输入器件。


    4、上下拉电阻
    电阻的又一应用就是上下拉电阻,上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平,电阻同时起限流作用。下拉同理。也是是将不确定的信号通过一个电阻钳位在低电平。

    上拉是对器件输入电流,下拉是输出电流;强弱只是上拉电阻的阻值不同,没有什么严格区分;对于非集电极(或漏极)开路输出型电路(如普通门电路)提升电流和电压的能力是有限的,上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。

    1 当TTL电路驱动CMOS电路时,如果电路输出的高电平低于CMOS电路的最低高电平(一般为3.5V), 这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻,以提高输出高电平的值。
    2 OC门电路必须使用上拉电阻,以提高输出的高电平值。
    3 为增强输出引脚的驱动能力,有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。
    4 在CMOS芯片上,为了防止静电造成损坏,不用的管脚不能悬空,一般接上拉电阻以降低输入阻抗, 提供泄荷通路。
    5 芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平,从而提高芯片输入信号的噪声容限,增强抗干扰能力。
    6 提高总线的抗电磁干扰能力,管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。
    7 长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰,加上、下拉电阻是电阻匹配,有效的抑制反射波干扰。


    上拉电阻
    就是从电源高电平引出的电阻接到输出端

    1 如果电平用OC(集电极开路,TTL)或OD(漏极开路,CMOS)输出,那么不用上拉电阻是不能工作的, 这个很容易理解,管子没有电源就不能输出高电平了。

    2 如果输出电流比较大,输出的电平就会降低(电路中已经有了一个上拉电阻,但是电阻太大,压降太高),就可以用上拉电阻提供电流分量, 把电平“拉高”。(就是并一个电阻在IC内部的上拉电阻上,这时总电阻减小,总电流增大)。当然管子按需要工作在线性范围的上拉电阻不能太小。当然也会用这个方式来实现门电路电平的匹配。


    为什么要使用上拉电阻
    一般作单键触发使用时,如果IC本身没有内接电阻,为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态,必须在IC外部另接一电阻。

    数字电路有三种状态:高电平、低电平、和高阻状态,有些应用场合不希望出现高阻状态,可以通过上拉电阻或下拉电阻的方式使处于稳定状态,具体视设计要求而定!

    一般说的是I/O端口,有的可以设置,有的不可以设置,有的是内置,有的是需要外接,I/O端口的输出类似于一个三极管的C,当C接通过一个电阻和电源连接在一起的时候,该电阻成为上拉电阻,也就是说,该端口正常时为高电平;C通过一个电阻和地连接在一起的时候,该电阻称为下拉电阻。

    上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的问题的。一般说法是上拉增大电流,下拉电阻是用来吸收电流。


    5、典型应用
    1 固定电平
    在外设没有收到控制时,我们需要把某一外设或单片机I/O端口固定在某一固定电平上时,需要根据需要接上下拉电阻,例如:
    上图中,对于按键输入来说,在没有按下按键时,如果没有上拉电阻的存在,单片机端口将处于悬乎状态,没有确定电平,当然如果有内部上拉电阻的单片机除外,加上上拉电阻会,在没有按键时,单片机端口保持高电平,有按键时,单片机端口将输入低电平。而对于蜂鸣器来说,由于和按键有同样的效果,不加上拉电阻,无法区别在没有单片机控制时,三极管的工作状态,所以,必须加上上拉电阻以保障无单片机控制时,三极管截止,蜂鸣器不工作。

    2 电平输入

    有时候由于器件自身设计的原因,如果不接外部上下拉电阻,设备无法正常实现高低电平的转换。例如,对于开漏输出的I2C总线来说,如果不接上拉电阻,其只能输出低电平,无法实现高电平输出,加上上拉电阻,保证在没有控制信号时,通过上拉电阻实现高电


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