第3章硬件基础知识学习3.1 3.2 3.3

ID:1167894 · 发表于 2026-3-17 10:43

      通过第二章的学习，貌似成功地点亮了一个LED小灯，但是有一些知识点还需要深入学习。单片机是根据硬件电路图的设计来编写代码的，所以学习单片机不仅仅要学习编程知识，还要学习基本的硬件知识，本章就来穿插介绍电路硬件知识。
3.1 电磁干扰EMI
      首先介绍一下去耦电容的应用背景，这个背景就是电磁干扰，也就是传说中的EMI（Electromagnetic Interference）。
1、冬天的时候，尤其是空气比较干燥的内陆城市，很多朋友都有这样的经历，手触碰到计算机外壳、铁柜子等物品的时候会被电击，这就是“静电放电”现象，也称之为ESD。
2、不知道你有没有这样的经历，早期使用电钻这种电机设备，并且同时在看电视的时候，电视会出现杂音，这就是“快速瞬间群脉冲”的效果，也称之为EFT。
3、以前的老电脑，有的性能不是很好，带电热插拔优盘、移动硬盘等外围设备的时候，内部会产生一个百万分之一秒的电源切换，直接导致电脑出现蓝屏或者重启现象，就是热插拔的“浪涌”效果，称之为Surge。
……
      电磁干扰的内容有很多，这里不能一一列举，但是有些内容非常重要，后边要一点点的了解。这些问题大家不要认为是小问题，比如一个简单的静电放电，用手能感觉到的静电，可能已经达到3KV以上了，如果用眼睛能看得到的，至少是5KV了，只是因为这个电压虽然很高，能量却非常小，持续的时间非常短，因此不会对人体造成伤害。但是这些半导体元器件就不一样了，一旦瞬间电压过高，就有可能造成器件的损坏。即使不损坏，在2、3里边介绍的两种现象，也已经严重干扰到设备的正常使用了。
基于以上的这些问题，就诞生了电磁兼容(EMC)这个名词。这节课讲一下去耦电容的应用，电磁兼容的处理在今后设计电路，对PCB画板布局中应用尤为重要。
3.2 去耦电容的应用
      首先来看图3-1，前面已经见过的USB接口和供电电路。

图3-1  USB接口和供电电路
      右边这张图，在+5IN处接了一个22uF的电容C16，这个电容值相对开发板上其他的电容比较大，理论上可以理解成水缸或者水池子，同时，可以直接将电流理解成水流，大自然万物的原理都是类似的。
（1）缓冲作用。当上电的瞬间，电流从电源处流下来的时候，容易冲击电子器件，加个电容可以起到缓冲作用。就如同直接用水龙头的水浇地，容易冲坏花花草草。只需要在水龙头处加个水池，让水经过水池后再缓慢流进草地，就不会冲坏花草，起到有效的保护作用。
（2）稳定作用。电路中后级诸多电子器件的功率大小都不一样，而器件正常工作的时候，所需电流的大小也不是一成不变的。比如后级有个器件还没有工作的时候，电流消耗是100mA，突然它参与工作了，电流猛的增大到了150mA，这个时候如果没有一个水缸，电路中的电压（水位）就会直接突然下降，比如5V电压突然降低到3V了。而系统中有些电子元器件必须高于一定的电压才能正常工作，电压太低就直接不工作了，这个时候水缸就必不可少了。电容会在这个时候把存储在里边的电量释放一下，稳定电压，当然，随后前级的电流会及时把水缸充满的。
      有了这个电容，可以说电压和电流就会很稳定了，不会产生大的波动。这种电容常用的有如图3-2和图3-3所示三种：

图3-2 铝电解电容

图3-3  钽电容和陶瓷电容
      其中第一种个头大，占空间大，单位容量价格最便宜，第二种和第三种个头小，占空间小，性能一般也略好于第一种，但是价格也贵不少。当然，除了价格，还有一些特殊参数，在通信要求高的场合也要考虑很多，这里暂且不说。
      电容的选取，第一个参数是耐压值的考虑。Kingst51开发板用的是5V系统，电容的耐压值要高于5V，一般推荐1.5倍到2倍即可，有些场合稍微再高点也可以。C16选用的是25V耐压的。第二个参数是电容容值，这个就需要根据经验来选取了，选取的时候，要看这个电容起作用的整套系统的功率消耗情况，如果系统耗电较大，波动可能比较大，那么容值就要选大一些，反之可以小一些。
      刚开始设计电路也是要模仿别人，别人用多大自己也用多大，慢慢积累。比如上边讲电容作用二的时候，电流从100mA突然增大到150mA，其实即使加上这个电容，电压也会轻微波动，比如从5V波动到4.9V，但是只要板子上的器件在电压4.9V以上也可以正常工作的话，这点波动是被容许的，如果不加或者加的很小，电压波动比较大，有些器件的工作就会不正常。如果加的太大，占空间并且价格也高，所以电容的选取多参考经验。
      在开发板的每一个芯片的VCC和GND之间，都有一个0.1uF的电容，也就是100nF，它是用来滤除高频信号干扰的，以CH340N为例，如图3-4的C4所示。

图3-4 USB转串口电路电容示意图
      初中学过电容的特性——可以通交流隔直流，但是电容的参数对不同频率段信号的作用是不一样的。这个100nF的电容，是前辈根据干扰的频率段，根据板子的参数，根据电容本身的参数所总结出来的一个值。也就是说，以后在设计数字电路的时候，在电源处的去耦高频电容，直接用这个0.1uF就可以了，不需要再去计算和考量太多。
      还有一点，可以仔细观察Kingst51开发板，在所有的IC器件的VCC和GND之间的这个0.1uF的高频去耦电容，特别在布板的时候，这个0.1uF电容要尽可能的靠近IC，尽量很顺利的与这个IC的VCC和GND连到一起（尽量不通过过孔连接），确保抗干扰的效果。
3.3 三极管在数字电路中的应用
      三极管在数字电路和模拟电路中都有大量的应用，在Kingst51开发板上也用了多个三极管。在板子上的LED小灯部分，就有这个三极管的应用了，图3-5的LED电路中的 Q16就是一个PNP型的三极管。

图3-5 LED电路
3.3.1 三极管的初步认识
三极管是一种常用的控制和驱动器件，常用的三极管根据材料分有硅管和锗管两种，原理相同，压降略有不同，硅管用的较普遍，而锗管应用较少，本书采用硅管的参数来进行讲解。三极管有2种类型，分别是PNP型和NPN型，如图3-6所示。

图3-6  三极管示意图
      三极管一共有3个极，从图3-6来看，横向左侧的引脚叫做基极(base)，中间有一个箭头，一头连接基极，另外一头连接的是发射极e(emitter)，剩下的一个引脚就是集电极c(collector)了。这是必须要记住的内容，死记硬背即可。
3.3.2 三极管的原理
      三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。放大状态主要应用于模拟电路中，且用法和计算方法也比较复杂暂时用不到。而数字电路主要使用的是三极管的开关特性，只用到了截止与饱和两种状态，所以重点讲这两种用法。三极管的类型和用法作者给大家总结了一句口诀：箭头朝内PNP，导通电压顺箭头过，电压导通，电流控制。
      解析一下这个口诀。如图3-6所示，三极管有2种类型，箭头朝内就是PNP，那箭头朝外的自然就是NPN了，在实际应用中，要根据实际电路的需求来选择到底用哪种类型。
      三极管的用法特点，关键点在于b极（基极）和e级（发射极）之间的电压情况，对于PNP而言，e极电压只要高于b级0.7V以上，这个三极管e级和c级之间就可以顺利导通。也就是说，控制端在b和e之间，被控制端是e和c之间。同理，NPN型三极管的导通电压是b极比e极高0.7V，总之是箭头的始端比末端高0.7V就可以让三极管的e极和c极导通。这就是关于“导通电压顺箭头过，电压导通”的解释。

图3-7  三极管的用法
      以图3-7为例，三极管基极通过一个10kΩ的电阻接到了单片机的一个I/O口上，假定是P1.0，发射极接到5V的电源上，集电极接了一个LED小灯，并且串联了一个1K的限流电阻最终接到了电源负极GND上。
      如果P1.0由程序给一个高电平1，那么基极b和发射极e都是5V，也就是说e到b不会产生一个0.7V的压降，这个时候，发射极和集电极也就不会导通，那么竖着看这个电路在三极管处是断开的，没有电流通过，LED2小灯也就不会亮。如果程序给P1.0一个低电平0，这时e极还是5V，于是e和b之间产生了压差，三极管e和b之间也就导通了，三极管e和b之间大概有0.7V的压降，那还有(5-0.7)V的电压会在电阻R47上。这个时候，e和c之间也会导通了，那么LED小灯本身有2V的压降，三极管本身e和c之间大概有0.2V的压降，忽略不计。在R41上就会有大概3V的压降，可以计算出来，这条支路的电流大概是3mA，可以成功点亮LED。
      电流控制是什么意思呢？前边讲过，三极管有截止、放大以及饱和三个状态。截止，就是e和b之间不导通。而要让这个三极管处于饱和状态，就是所谓的开关特性，必须要满足一个条件。三极管都有一个放大倍数β，要想处于饱和状态，b极电流就必须大于e和c之间电流值除以β。这个β，对于常用的三极管大概可以认为是100。那么图3-7中的R47的阻值必须要来计算一下了。
      刚才算过了，e和c之间的电流是3mA，那么b极电流最小就是3mA除以100等于30uA，大概有4.3V电压会落在基极电阻上，基极电阻最大值就是4.3V/30uA = 143K。电阻值只要比这个值小就可以，当然也不能太小，太小会导致单片机的I/O口电流过大烧坏三极管或者单片机，STC89C52的I/O口输入电流最大理论值是25mA，推荐不要超过6mA，用电压和电流算一下，就可以算出来最小电阻值，图3-7取的是经验值。
3.3.3 三极管的应用
      三极管在数字电路里的开关特性，最常见的应用有2个：一个是控制应用，一个是驱动应用。所谓的控制就是如图3-7里边介绍的，可以通过单片机控制三极管的基极来间接控制后边的小灯的亮灭。还有一个控制就是进行不同电压之间的转换控制，比如Kingst51单片机是5V系统，现在要跟一个12V的系统对接，如果I/O直接接12V电压就会烧坏单片机，所以加一个三极管，三极管的工作电压高于单片机的I/O口电压，用5V的I/O口来控制12V的电路，如图3-8所示。

图3-8  三极管实现电压转换
      图3-8中，当I/O口输出高电平5V时，三极管导通，OUT输出低电平0V，当I/O口输出低电平时，三极管截止，OUT则由于上拉电阻R2的作用而输出12V的高电平，这样就实现了低电压控制高电压的工作原理。
      所谓的驱动，主要是指电流输出能力。如图3-9中两个电路之间的对比。

图3-9  LED小灯控制方式对比
      图3-9中上边的的LED灯，和第二课讲过的LED灯是一样的，当I/O口是高电平时，小灯熄灭，当I/O口是低电平时，小灯点亮。那么下边的电路呢，按照这种推理，I/O口是高电平的时候，应该有电流流过并且点亮小灯，但实际上却并非这么简单。
      单片机主要是个控制器件，具备四两拨千斤的特点。就如同杠杆必须有一个支点一样，想要撑起整个地球必须有力量承受的支点。单片机的I/O口可以输出一个高电平，但是它的输出电流却很有限，普通I/O口输出高电平的时候，大概只有几十到几百uA的电流，达不到1mA，也就点不亮这个LED小灯或者是亮度很低，这个时候如果想用高电平点亮LED，就可以用上三极管来处理了，板上的这种三极管型号，可以通过500mA的电流，有的三极管通过的电流还更大一些，如图3-10所示。

图3-10 三极管驱动LED小灯
图3-10中，当I/O口是高电平，三极管导通，因为三极管的电流放大作用，c极电流就可以达到mA以上了，就可以成功点亮LED小灯。

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