第3章硬件基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)3.1 3.2 3.3

ID:1167894 · 發(fā)表于 2026-3-17 10:43

      通過第二章的學(xué)習(xí)，貌似成功地點(diǎn)亮了一個LED小燈，但是有一些知識點(diǎn)還需要深入學(xué)習(xí)。單片機(jī)是根據(jù)硬件電路圖的設(shè)計來編寫代碼的，所以學(xué)習(xí)單片機(jī)不僅僅要學(xué)習(xí)編程知識，還要學(xué)習(xí)基本的硬件知識，本章就來穿插介紹電路硬件知識。
3.1 電磁干擾EMI
      首先介紹一下去耦電容的應(yīng)用背景，這個背景就是電磁干擾，也就是傳說中的EMI（Electromagnetic Interference）。
1、冬天的時候，尤其是空氣比較干燥的內(nèi)陸城市，很多朋友都有這樣的經(jīng)歷，手觸碰到計算機(jī)外殼、鐵柜子等物品的時候會被電擊，這就是“靜電放電”現(xiàn)象，也稱之為ESD。
2、不知道你有沒有這樣的經(jīng)歷，早期使用電鉆這種電機(jī)設(shè)備，并且同時在看電視的時候，電視會出現(xiàn)雜音，這就是“快速瞬間群脈沖”的效果，也稱之為EFT。
3、以前的老電腦，有的性能不是很好，帶電熱插拔優(yōu)盤、移動硬盤等外圍設(shè)備的時候，內(nèi)部會產(chǎn)生一個百萬分之一秒的電源切換，直接導(dǎo)致電腦出現(xiàn)藍(lán)屏或者重啟現(xiàn)象，就是熱插拔的“浪涌”效果，稱之為Surge。
……
      電磁干擾的內(nèi)容有很多，這里不能一一列舉，但是有些內(nèi)容非常重要，后邊要一點(diǎn)點(diǎn)的了解。這些問題大家不要認(rèn)為是小問題，比如一個簡單的靜電放電，用手能感覺到的靜電，可能已經(jīng)達(dá)到3KV以上了，如果用眼睛能看得到的，至少是5KV了，只是因為這個電壓雖然很高，能量卻非常小，持續(xù)的時間非常短，因此不會對人體造成傷害。但是這些半導(dǎo)體元器件就不一樣了，一旦瞬間電壓過高，就有可能造成器件的損壞。即使不損壞，在2、3里邊介紹的兩種現(xiàn)象，也已經(jīng)嚴(yán)重干擾到設(shè)備的正常使用了。
基于以上的這些問題，就誕生了電磁兼容(EMC)這個名詞。這節(jié)課講一下去耦電容的應(yīng)用，電磁兼容的處理在今后設(shè)計電路，對PCB畫板布局中應(yīng)用尤為重要。
3.2 去耦電容的應(yīng)用
      首先來看圖3-1，前面已經(jīng)見過的USB接口和供電電路。

圖3-1  USB接口和供電電路
      右邊這張圖，在+5IN處接了一個22uF的電容C16，這個電容值相對開發(fā)板上其他的電容比較大，理論上可以理解成水缸或者水池子，同時，可以直接將電流理解成水流，大自然萬物的原理都是類似的。
（1）緩沖作用。當(dāng)上電的瞬間，電流從電源處流下來的時候，容易沖擊電子器件，加個電容可以起到緩沖作用。就如同直接用水龍頭的水澆地，容易沖壞花花草草。只需要在水龍頭處加個水池，讓水經(jīng)過水池后再緩慢流進(jìn)草地，就不會沖壞花草，起到有效的保護(hù)作用。
（2）穩(wěn)定作用。電路中后級諸多電子器件的功率大小都不一樣，而器件正常工作的時候，所需電流的大小也不是一成不變的。比如后級有個器件還沒有工作的時候，電流消耗是100mA，突然它參與工作了，電流猛的增大到了150mA，這個時候如果沒有一個水缸，電路中的電壓（水位）就會直接突然下降，比如5V電壓突然降低到3V了。而系統(tǒng)中有些電子元器件必須高于一定的電壓才能正常工作，電壓太低就直接不工作了，這個時候水缸就必不可少了。電容會在這個時候把存儲在里邊的電量釋放一下，穩(wěn)定電壓，當(dāng)然，隨后前級的電流會及時把水缸充滿的。
      有了這個電容，可以說電壓和電流就會很穩(wěn)定了，不會產(chǎn)生大的波動。這種電容常用的有如圖3-2和圖3-3所示三種：

圖3-2 鋁電解電容

圖3-3  鉭電容和陶瓷電容
      其中第一種個頭大，占空間大，單位容量價格最便宜，第二種和第三種個頭小，占空間小，性能一般也略好于第一種，但是價格也貴不少。當(dāng)然，除了價格，還有一些特殊參數(shù)，在通信要求高的場合也要考慮很多，這里暫且不說。
      電容的選取，第一個參數(shù)是耐壓值的考慮。Kingst51開發(fā)板用的是5V系統(tǒng)，電容的耐壓值要高于5V，一般推薦1.5倍到2倍即可，有些場合稍微再高點(diǎn)也可以。C16選用的是25V耐壓的。第二個參數(shù)是電容容值，這個就需要根據(jù)經(jīng)驗來選取了，選取的時候，要看這個電容起作用的整套系統(tǒng)的功率消耗情況，如果系統(tǒng)耗電較大，波動可能比較大，那么容值就要選大一些，反之可以小一些。
      剛開始設(shè)計電路也是要模仿別人，別人用多大自己也用多大，慢慢積累。比如上邊講電容作用二的時候，電流從100mA突然增大到150mA，其實即使加上這個電容，電壓也會輕微波動，比如從5V波動到4.9V，但是只要板子上的器件在電壓4.9V以上也可以正常工作的話，這點(diǎn)波動是被容許的，如果不加或者加的很小，電壓波動比較大，有些器件的工作就會不正常。如果加的太大，占空間并且價格也高，所以電容的選取多參考經(jīng)驗。
      在開發(fā)板的每一個芯片的VCC和GND之間，都有一個0.1uF的電容，也就是100nF，它是用來濾除高頻信號干擾的，以CH340N為例，如圖3-4的C4所示。

圖3-4 USB轉(zhuǎn)串口電路電容示意圖
      初中學(xué)過電容的特性——可以通交流隔直流，但是電容的參數(shù)對不同頻率段信號的作用是不一樣的。這個100nF的電容，是前輩根據(jù)干擾的頻率段，根據(jù)板子的參數(shù)，根據(jù)電容本身的參數(shù)所總結(jié)出來的一個值。也就是說，以后在設(shè)計數(shù)字電路的時候，在電源處的去耦高頻電容，直接用這個0.1uF就可以了，不需要再去計算和考量太多。
      還有一點(diǎn)，可以仔細(xì)觀察Kingst51開發(fā)板，在所有的IC器件的VCC和GND之間的這個0.1uF的高頻去耦電容，特別在布板的時候，這個0.1uF電容要盡可能的靠近IC，盡量很順利的與這個IC的VCC和GND連到一起（盡量不通過過孔連接），確保抗干擾的效果。
3.3 三極管在數(shù)字電路中的應(yīng)用
      三極管在數(shù)字電路和模擬電路中都有大量的應(yīng)用，在Kingst51開發(fā)板上也用了多個三極管。在板子上的LED小燈部分，就有這個三極管的應(yīng)用了，圖3-5的LED電路中的 Q16就是一個PNP型的三極管。

圖3-5 LED電路
3.3.1 三極管的初步認(rèn)識
三極管是一種常用的控制和驅(qū)動器件，常用的三極管根據(jù)材料分有硅管和鍺管兩種，原理相同，壓降略有不同，硅管用的較普遍，而鍺管應(yīng)用較少，本書采用硅管的參數(shù)來進(jìn)行講解。三極管有2種類型，分別是PNP型和NPN型，如圖3-6所示。

圖3-6  三極管示意圖
      三極管一共有3個極，從圖3-6來看，橫向左側(cè)的引腳叫做基極(base)，中間有一個箭頭，一頭連接基極，另外一頭連接的是發(fā)射極e(emitter)，剩下的一個引腳就是集電極c(collector)了。這是必須要記住的內(nèi)容，死記硬背即可。
3.3.2 三極管的原理
      三極管有截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)。放大狀態(tài)主要應(yīng)用于模擬電路中，且用法和計算方法也比較復(fù)雜暫時用不到。而數(shù)字電路主要使用的是三極管的開關(guān)特性，只用到了截止與飽和兩種狀態(tài)，所以重點(diǎn)講這兩種用法。三極管的類型和用法作者給大家總結(jié)了一句口訣：箭頭朝內(nèi)PNP，導(dǎo)通電壓順箭頭過，電壓導(dǎo)通，電流控制。
      解析一下這個口訣。如圖3-6所示，三極管有2種類型，箭頭朝內(nèi)就是PNP，那箭頭朝外的自然就是NPN了，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)實際電路的需求來選擇到底用哪種類型。
      三極管的用法特點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)在于b極（基極）和e級（發(fā)射極）之間的電壓情況，對于PNP而言，e極電壓只要高于b級0.7V以上，這個三極管e級和c級之間就可以順利導(dǎo)通。也就是說，控制端在b和e之間，被控制端是e和c之間。同理，NPN型三極管的導(dǎo)通電壓是b極比e極高0.7V，總之是箭頭的始端比末端高0.7V就可以讓三極管的e極和c極導(dǎo)通。這就是關(guān)于“導(dǎo)通電壓順箭頭過，電壓導(dǎo)通”的解釋。

圖3-7  三極管的用法
      以圖3-7為例，三極管基極通過一個10kΩ的電阻接到了單片機(jī)的一個I/O口上，假定是P1.0，發(fā)射極接到5V的電源上，集電極接了一個LED小燈，并且串聯(lián)了一個1K的限流電阻最終接到了電源負(fù)極GND上。
      如果P1.0由程序給一個高電平1，那么基極b和發(fā)射極e都是5V，也就是說e到b不會產(chǎn)生一個0.7V的壓降，這個時候，發(fā)射極和集電極也就不會導(dǎo)通，那么豎著看這個電路在三極管處是斷開的，沒有電流通過，LED2小燈也就不會亮。如果程序給P1.0一個低電平0，這時e極還是5V，于是e和b之間產(chǎn)生了壓差，三極管e和b之間也就導(dǎo)通了，三極管e和b之間大概有0.7V的壓降，那還有(5-0.7)V的電壓會在電阻R47上。這個時候，e和c之間也會導(dǎo)通了，那么LED小燈本身有2V的壓降，三極管本身e和c之間大概有0.2V的壓降，忽略不計。在R41上就會有大概3V的壓降，可以計算出來，這條支路的電流大概是3mA，可以成功點(diǎn)亮LED。
      電流控制是什么意思呢？前邊講過，三極管有截止、放大以及飽和三個狀態(tài)。截止，就是e和b之間不導(dǎo)通。而要讓這個三極管處于飽和狀態(tài)，就是所謂的開關(guān)特性，必須要滿足一個條件。三極管都有一個放大倍數(shù)β，要想處于飽和狀態(tài)，b極電流就必須大于e和c之間電流值除以β。這個β，對于常用的三極管大概可以認(rèn)為是100。那么圖3-7中的R47的阻值必須要來計算一下了。
      剛才算過了，e和c之間的電流是3mA，那么b極電流最小就是3mA除以100等于30uA，大概有4.3V電壓會落在基極電阻上，基極電阻最大值就是4.3V/30uA = 143K。電阻值只要比這個值小就可以，當(dāng)然也不能太小，太小會導(dǎo)致單片機(jī)的I/O口電流過大燒壞三極管或者單片機(jī)，STC89C52的I/O口輸入電流最大理論值是25mA，推薦不要超過6mA，用電壓和電流算一下，就可以算出來最小電阻值，圖3-7取的是經(jīng)驗值。
3.3.3 三極管的應(yīng)用
      三極管在數(shù)字電路里的開關(guān)特性，最常見的應(yīng)用有2個：一個是控制應(yīng)用，一個是驅(qū)動應(yīng)用。所謂的控制就是如圖3-7里邊介紹的，可以通過單片機(jī)控制三極管的基極來間接控制后邊的小燈的亮滅。還有一個控制就是進(jìn)行不同電壓之間的轉(zhuǎn)換控制，比如Kingst51單片機(jī)是5V系統(tǒng)，現(xiàn)在要跟一個12V的系統(tǒng)對接，如果I/O直接接12V電壓就會燒壞單片機(jī)，所以加一個三極管，三極管的工作電壓高于單片機(jī)的I/O口電壓，用5V的I/O口來控制12V的電路，如圖3-8所示。

圖3-8  三極管實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換
      圖3-8中，當(dāng)I/O口輸出高電平5V時，三極管導(dǎo)通，OUT輸出低電平0V，當(dāng)I/O口輸出低電平時，三極管截止，OUT則由于上拉電阻R2的作用而輸出12V的高電平，這樣就實現(xiàn)了低電壓控制高電壓的工作原理。
      所謂的驅(qū)動，主要是指電流輸出能力。如圖3-9中兩個電路之間的對比。

圖3-9  LED小燈控制方式對比
      圖3-9中上邊的的LED燈，和第二課講過的LED燈是一樣的，當(dāng)I/O口是高電平時，小燈熄滅，當(dāng)I/O口是低電平時，小燈點(diǎn)亮。那么下邊的電路呢，按照這種推理，I/O口是高電平的時候，應(yīng)該有電流流過并且點(diǎn)亮小燈，但實際上卻并非這么簡單。
      單片機(jī)主要是個控制器件，具備四兩撥千斤的特點(diǎn)。就如同杠桿必須有一個支點(diǎn)一樣，想要撐起整個地球必須有力量承受的支點(diǎn)。單片機(jī)的I/O口可以輸出一個高電平，但是它的輸出電流卻很有限，普通I/O口輸出高電平的時候，大概只有幾十到幾百uA的電流，達(dá)不到1mA，也就點(diǎn)不亮這個LED小燈或者是亮度很低，這個時候如果想用高電平點(diǎn)亮LED，就可以用上三極管來處理了，板上的這種三極管型號，可以通過500mA的電流，有的三極管通過的電流還更大一些，如圖3-10所示。

圖3-10 三極管驅(qū)動LED小燈
圖3-10中，當(dāng)I/O口是高電平，三極管導(dǎo)通，因為三極管的電流放大作用，c極電流就可以達(dá)到mA以上了，就可以成功點(diǎn)亮LED小燈。

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