硬件基础知识

电磁干扰

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

• “静电放电”现象，也称之为ESD
  
• 在看电视或者是收听收音机的时候，收音机或者电视会出现杂音，这就是“快速瞬间群脉冲”的效果，也称之为EFT
  
• 以前的老计算机，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电源切换，直接导致计算机出现蓝屏或者重启现象，就是热插拔的”浪涌“效果，称之为Surge
  以上都是电磁干扰
  

一个静电放电，用手能感觉到到的静电，可能就已经达到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。但是应用这些半导体元器件就不一样了，一旦瞬间电压过高，就有可能造成元器件的损坏。即使不损坏，在EFT以及Surge现象下，也已经严重干扰到设备的正常使用了
电磁干扰的对立面是电磁兼容EMC
去耦电容的应用

在左图中，过了保险丝以后，接了一个470uF的电容C16
在右图中，经过开关后，接了一个100uF的电容C19，并且并联了一个0.1uF的电容C10
其中C16和C19作用一样，C10作用与前者不一样
稳压电容

容值比较大的电容，可以理解为一个容器，起到以下作用

• 缓冲作用。当上电瞬间，电流从电源处流下来的时候，不稳定，容易冲击电子元器件，加一个电容可以起到缓冲作用。
  
• 稳定作用。电路中后级电子元器件的功率大小都不一样，而元器件正常工作的时候，所需的电流的大小也不是一成不变的。例如：后级有一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容器，电路中的电压就会直接突然下降，比如5V电压突然降低到3V了，而这个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，电压低就直接不工作了，这个时候容器就必不可少了。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容器充满的。
  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，例如：铝电解电容、钽电容以及陶瓷电容
  
  
  
  

电容的选取

第一个参数是耐压值的考虑。我们用的是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。
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的，反之可以小一些。
去耦高频电容

容值较小的电容，是用来滤除高频信号干扰的，比如ESD、EFT等。电容的特性：通交流隔直流，但是电容的参数对不同频率段的干扰的作用是不一样的。
这个100nF的电容，是前辈们根据干扰的频率段、板子参数、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0.1uF就可以了，无需计较和考量太多。
一般我们在布板的时候，在电路中需要较大电流供给的元器件附近，会加上一个大电容，用来稳压或者稳流；在IC器件附近会加上一个0.1uF的去耦高频电容
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

上图中 Q16 就是一个 PNP 型的三极管
三极管的初步认识

三极管是一种很常用的控制和驱动器件，常用的三极管根据材料分为硅管和锗管两种，原理相同，压降略有不同，硅管用的比较普遍，而锗管应用较少。三极管有两种类型，分别是 PNP 型和 NPN 型。

三极管一共有三个极，从上图看，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)，那剩下的一个引脚技术集电极c(collector)
三极管原理

三极管有截止、放大和饱和三种工作状态。
放大状态主要用于模拟电路中，而数字电路主要用的是三极管的开关特性，只用到了截止和饱和两种状态。
三极管的类型和用法：
箭头朝内PNP，导通电压顺箭头过，电压导通，电流控制
三极管有两种类型，箭头朝内就是 PNP ，那箭头朝外的自然就是 NPN 了
三极管的用法特点，关键点在于 b极(基极)和e极(发射极)之间的电压情况，对于 PNP 而言，e极电压只要高于 b极电压0.7V以上，这个三极管 e极和 c极之间就可以顺利导通。也就是说，控制端在 b极和 e极之间，被控制端是 e极和 c极之间。同理， NPN 型三极管，的导通电压是 b极比 e极高0.7V，总之就是箭头的始端比末端高0.7V就可以导通三极管的 e极和 c极。
电流控制。三极管有放大、截止和饱和三个状态，截止就是 e极和 b极不导通。要让三极管处于饱和状态，就是所谓的开关特性，必须满足一个条件。三极管都有一个放大倍数 β，想要处于饱和状态， b极电流就必须大于 e极和 c极之间电流值除以 β。这个 β对于常用的三极管大概可以认为是100。

三极管的应用

三极管在数字电路里的开关特性，最常见的应用有两个：

• 控制应用
  
• 驱动应用
  

所谓的控制就是通过单片机控制三极管的基极来间接控制后边小灯的亮灭，如上图的使用。还有一个控制就是进行不同电压之间的转换控制，比如单片机是5V系统，它现在要跟一个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来控制12V电路，如下图

当I/O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，这样子就实现了低电压控制高电压的工作原理

上图中上边的LED灯，和前面讲过的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。
下边的电路和上边电路看似相同，实则不同。
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，普通的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小灯或者是亮度非常低。
这时如果用高电平来点亮LED，就可以用上述三极管来处理了，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

如上图，当I/O口是高电平时，三极管导通，因为三极管有电流的放大作用，此时集电极c极电流就可以达到mA以上，就可以成功点亮小灯。
虽然I/O口的低电平可以直接点亮LED小灯，但是单片机的I/O口作为低电平，输入电流就可以很大吗？当然是不可以。
单片机的I/O口电流承受能力，不同的型号不完全一样，就STC89C52来说，官方介绍，整个单片机的工作电流，不要超过50mA，单个I/O口总电流不要超过6mA。即使一些增强型51的I/O口承受电流要大一点，可以到25mA，但是还是要受到总电流50mA的限制。

看电路图的知识点：
电路图右侧所有的LED下侧的线的最终都连接到一根黑色的粗线上去了，这个地方不是实际的完全连接到一起，而是一种总线的画法，画了这种线以后，表示这是个总线结构。而所有名字一样的节点是一一对应地连接到一起，其他名字不一样的，是不连在一起的。比如左侧的DB0和右侧的最右边的LED2小灯下边的DB0是连在一起的，而和DB1等其他线不是连在一起的。

每个LED灯自身的导通压降是2V
三极管导通后，自身e,c间的压降为0.2V

这是一路的电流为8mA，如果8路全部算上，则是64mA。这样子如果直接接到单片机的I/O口上，单片机肯定是受不了的，即使短时间可以承受，长时间工作就会不稳定，导致单片机被烧坏。
74HC245芯片--双向总线发送器/接收器

除了三极管外，还有一些驱动的IC，这些驱动的IC可以作为单片机的缓冲器，仅仅是电流驱动缓冲，不起到任何逻辑控制的效果，74HC245稳定工作在70mA电流是没有问题的，比单片机的8个I/O口大多了，所以可以把它接在小灯和I/O口之间作为缓冲

上图VCC和GND之间接了一个0.1uF的电容，是[[硬件基础知识#^Decoupling-of-high-frequency-capacitors|去耦电容]]
74HC245是一个双向缓冲器
1脚DIR方向引脚，其为高电平时，B编号引脚电压等于A编号引脚电压，其为低电平时，A编号的引脚电压等于B编号的引脚电压
此处因为芯片的A编号脚接单片机的I/O口，故要B编号脚电压等于A编号脚电压，所以DIR需要为高电平，即1脚需要是高电平
图中R10到R17是上拉电阻
还有一个19号脚，是使能脚OE，叫作输出使能，这个引脚上有一横，是低电平有效，当接了低电平后，74HC245就会按照刚才上边说的起到双向缓冲器的作用，如果OE接了高电平，则无论DIR怎么接，A和B引脚都是没有关系的，也就是74HC245功能无法使用

在上图中可以看出，单片机的I/O口和74HC245是直接连接的，那为什么在VCC处有三极管驱动了，还要在此处加上一个245芯片呢？电路上从正极经过器件到地，首先必须有电流才能正常工作，电路中任何一个位置断开，都不会有电流，器件也就不会参与工作了。其次，和水流一个道理，从电源正极到负极的电流水管的粗细都要满足要求，任何一个位置的管子过细，都会出现瓶颈效应，电流在整个通路中细管处会受到限制而降低，所以在电路通路的每个位置上，都要保证通道足够畅通，这个74HC245芯片的作用就是消除掉单片机I/O口这一环节的瓶颈
74HC138芯片--三八译码器

在设计单片机电路的时候，单片机的I/O口数量是有限的，有时满足不了设计需求，比如STM89C52一共有32个I/O口，但是为了控制更多的器件，就要使用一些外围的数字芯片，这种芯片由简单的输入逻辑控制输出逻辑，比如74HC138这个三八译码器。

三八译码器就是把三种输入状态翻译成八种输出状态
从上图中可以看出，74HC138有1~6一共有6个输入引脚
其中的4,5,6三个引脚是使能引脚，4号脚E1是低电平有效，5号脚E2是低电平有效，6号脚是高电平有效，使能引脚有效该芯片才可正常使用，若使能引脚无效，则不管输入引脚即1,2,3号脚的状态如何，输出引脚即Y0到Y7号脚都是高电平
真值表

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