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1、ArduinoArduino技术及应用技术及应用第一章第一章第一章第一章 ArduinoArduino硬件硬件硬件硬件目录目录电路基础电路基础Arduino控制器Arduino外围模块2嵌入式系统应用13 Arduino UNO入门4v本章主要内容：v电路基础v认识不同型号的Arduino控制器v众多的Arduino外围模块v从Arduino UNO开始v本章主要介绍arduino硬件的相关知识，从最基本的电路基础开始，帮我们一步步的看懂电路图，认知各种不同型号的Arduino控制器，熟悉众多的Arduino外围模块，详细了解Arduino UNO的组成、特点、供电方式、输入输出、下载程序、通
2、信接口等内容。第一章第一章 ArduinoArduino硬件硬件v1.1 电路基础电路基础1.1 电路基础1.1.1 电压、电流与接地1、电压河水之所以能够流动，是因为有水位差；电荷之所以能够流动，是因为有电位差。电位差也就是电压。电压是形成电流的原因。在电路中，电压常用U表示。电压的单位是伏（V），也常用毫伏（mV）或者微伏（uV）做单位。1V=1000mV，1mV=1000uV。电压可以用电压表测量。测量的时候，把电压表并联在电路上，要选择电压表指针接近满偏转的量程。如果电路上的电压大小估计不出来，要先用大的量程，粗略测量后再用合适的量程。这样可以防止由于电压过大而损坏电压表。1.1.1
3、电压、电流与接地电压、电流与接地在常用的电子电路中，带有控制芯片的电路（如：彩电的控制芯片、微波炉控制芯片等）常用的芯片供电电压为5V。其他电路的常用电压为12V（最常见），功率稍大的电路使用24V电压，如彩电的场扫描电路。其他小功率电器的供电电压，有1.5V、3V、4.5V、6V、9V等。这些标准是考虑到方便电池供电的，因为干电池为1.5V，增加电池的个数，就很方便的达到3V、4.5V、6V、9V等电压。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地2、电流电荷的定向移动叫做电流。电路中，电流常用I表示。电流分直流和交流两种。电流的大小和方向不随时间变化的叫做直流。电流的大小和方向随时间变化的
4、叫做交流。电 流 的 单 位 是 安（A），也 常 用 毫 安（mA)或 者 微 安(uA)做 单 位。1A=1000mA,1mA=1000uA。电流可以用电流表测量。测量的时候，把电流表串联在电路中，要选择电流表指针接近满偏转的量程。这样可以防止电流过大而损坏电流表。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地3、接地接地点是电路中的共用参考点，这一点的电压为0，电路中其他各点的电压高低都是以这一参考点为基准的，电路图中所标出的各点电压数据都是相对地端的大小，这样可以大大方便电压测量。1）地的分类工程师在设计电路时，为防止各种电路在电路正常工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地有效工作。根据电
5、路的性质，将电路中“零电位”“地”分为不同的种类，比如按交直流分为直流地、交流地，按参考信号分为数字地（逻辑地）、模拟地，按功率分为信号地、功率地、电源地等，按与大地的连接方式分为系统地、机壳地（屏蔽地）、浮地。不同的接地方式在电路中应用、设计和考虑也不相同，应根据具体电路分别进行设置。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地信号地信号地（SG）是各种物理量的传感器和信号源零电位以及电路中信号的公共基准地线（相对零电位）。此处信号一般指模拟信号或者能量较弱的数字信号，易受电源波动或者外界因素的干扰，导致信号的信噪比（SNR）下降。特别是模拟信号，信号地的漂移，会导致信噪比下降；信号的测量值
6、产生误差或者错误，可能导致系统设计的失败。因此对信号地的要求较高，也需要在系统中特殊处理，避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰地线直接连接。尤其是微小信号的测量，信号地通常需要采取隔离技术。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地模拟地模拟地（AG）是系统中模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的处理，又承担大信号的功率处理；既有低频的处理，又有高频处理；模拟量从能量、频率、时间等都很大的差别，因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。减小地线的导线电阻，将电路中的模拟和数字部分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地
7、应尽量分开，最后通过电感滤波和隔离，汇接到一起，如下图1-1所示。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地图1-1模拟地和数字地1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地v数字地v数字地（DG）是系统中数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会在电源系统中产生比较大的毛刺，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。尽量将电路中的模拟和数字部分分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地应尽量分开，最后通过电感，汇接到一起。v悬浮地v悬浮地（FG）是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接，而是通过变压器耦
8、合或者直接不连接，处于悬浮状态。该部分电路的电平是相对于自己“地”的电位。常用在小信号的提取系统或者强电和弱电混合系统中。v电源地v电源地是系统电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其他单元稳定可靠地工作。同时，电源系统功耗比大，在单层板或者双层板中地线的线宽必须加粗。若在多层板中，则应以一层或者多层作为系统的地平面。v功率地v功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大，因此功率地必须与其他弱电地分
9、别设置、分别布线，以保证整个系统稳定可靠地工作。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地v2）接地方式v在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。v单点接地v工作频率低（10MHz）的采用多点接地式（如图1-3所示）。在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部
10、分各自的地回路。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。此处电路板最好设计为多层电路（4层以上），提供一层作为地平面。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地图1-3多点接地1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地v混合接地v工作频率介于1MHz10MHz,的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。根据系统的需求和电路的需要进行合理的安排。1.1.1 电压、电流与接地电压、电流与接地v悬浮接地v
11、悬浮接地是系统的地与大地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。悬浮接地应注意以下几点：vA、尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统中的共模干扰电流，保证系统的可靠性。vB、注意浮地系统对地存在的较大寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中，在设计时一定要注意。vC、悬浮接地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。vD、采用浮地技术时，系统容易积累静电，当静电积累到一定应程度后，可以对人和设备产生很多的损害，所以要注意静电和电压反击对设备和人身的危害。1.1.2 微电脑板的电源适配器微电脑板的电源适配
12、器v电源适配器又叫外置电源，是小型便携式电子设备及电子电器的供电电压变换设备，一般是由三部分构成：交流变压器、整流电路和滤波电路（功能型的还有稳压电路）。按其输出类型可分为交流输出型和直流输出型；按连接方式可分为插墙式和桌面式。常见于手机、液晶显示器和笔记本电脑等小型电子产品上。它的作用是将家里的220伏高电压转换成这些电子产品能工作的5伏至20伏左右稳定的低电压，使他们能正常工作。v先以变压器将220V电压变为需要的电压伏数，再用四个整流二极管组成的整流电路，将变压后的交流电整流为直流电。最后以滤波电容将整流后的脉冲直流滤波成为平滑的线性直流电，这样才能供电给设备工作。1.1.3 电阻电阻v
13、电路中对电流通过有阻碍作用并且造成能量消耗的部分叫做电阻，电阻常用R表示。电阻的单位是欧（），也常用千欧（k）或者兆欧（M）做单位。1k=1000，1M=1000000。导体的电阻由导体的材料、横截面积和长度决定。v电阻可以用万用表欧姆档测量。测量的时候，要选择电表指针接近偏转一半的欧姆档。如果电阻在电路中，要把电阻的一头烫开后再测量。v电阻为线性原件，即电阻两端电压与流过电阻的电流成正比，通过这段导体的电流强度与这段导体的电阻成反比。即欧姆定律：I=U/R。v电阻的作用为分流、限流、分压、偏置、滤波（与电容器组合使用）和阻抗匹配等。1.1.3 电阻电阻v电阻器的在电路中的参数标注方法有3种，
14、即：直标法、色环标注法和数字倍乘标注法。v直标法是将电阻器的标称值用数字和文字符号直接标在电阻体上，其允许偏差则用百分数表示，未标偏差值的即为20%。v数字倍乘标注法主要用于贴片等小体积的电路，在三位数码中，从左至右第一，二位数表示有效数字，第三位表示10的倍幂或者用R表示(R表示0。)如：472表示47102（即4.7K）；104则表示100K；R22表示0.22。v色环标注法使用最多，普通的色环电阻器用4环表示，精密电阻器用5环表示，紧靠电阻体一端头的色环为第一环，露着电阻体本色较多的另一端头为末环。每种颜色代表不同的数字，具体含义如下表1-1。1.1.3 电阻电阻颜色黑 棕 红 橙 黄
15、绿 蓝 紫 灰 白 金 银数字0123456789倍乘10010110210310410510610710810910-110-2误差%12.5.25.1.05510字母表示FGDCBAJK表1-1电阻器色环标注法每种颜色含义图1-4色环标注法例如：（棕绿红金），电阻值为5%。，误差为1.1.3 电阻电阻1.1.4 电容电容v电容是衡量导体储存电荷能力的物理量。在两个相互绝缘的导体上，加上一定的电压，它们就会储存一定的电量。其中一个导体储存着正电荷，另一个导体储存着大小相等的负电荷。加上的电压越大，储存的电量就越多。储存的电量和加上的电压是成正比的，它们的比值叫做电容。电容可用于隔直流、旁路、
16、耦合、滤波、补偿、充放电、储能等。如果电压用U表示，电量用Q表示，电容用C表示，则电容的单位是法（F），也常用微法（uF）或者皮法（pF）做单位。1F=106uF，1F=1012pF。1.1.4 电容电容v电容可以用电容测试仪测量，也可以用万用电表欧姆档粗略估测。欧姆表红、黑两表笔分别碰接电容的两脚，欧姆表内的电池就会给电容充电，指针偏转，充电完了，指针回零。调换红、黑两表笔，电容放电后又会反向充电。电容越大，指针偏转也越大。对比被测电容和已知电容的偏转情况，就可以粗略估计被测电容的量值。在一般的电子电路中，除了调谐回路等需要容量较准确的电容以外，用得最多的隔直、旁路电容、滤波电容等，都不需要
17、容量准确的电容。因此，用欧姆档粗略估测电容量值是有实际意义的。但是，普通万用电表欧姆档只能估测量值较大的电容，量值较小的电容就要用中值电阻很大的晶体管万用电表欧姆档来估测，小于几十个微微法的电容就只好用电容测试仪测量了。1.1.4 电容电容电容器容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。电容的特性主要是隔直流通交流，通低频阻高频。电容的分类：根据极性可分为有极性电容和无极性电容。我们常见到的电解电容就是有极性的，是有正负极之分。1.1.4 电容电容v电容器的主要性能指标是：v电容器的容量：即储存电荷的容量；v耐压值：指在额定温度范围内
18、电容能长时间可靠工作的最大直流电压或最大交流电压的有效值；v耐温值：表示电容所能承受的最高工作温度。.v电容器的识别方法与电阻的识别方法基本相同，分直标法、色标法和数标法3种。v直标法是将电容的标称值用数字和单位在电容的本体上表示出来。如：220MF表示220UF；.01UF表示0.01UF；R56UF表示0.56UF；6n8表示6800PF。v不标单位的数码表示法。其中用一位到四位数表示有效数字，一般为PF，而电解电容其容量则为UF。如：3表示3PF；2200表示2200PF；0.056表示0.056UF。v数字表示法：一般用三为数字表示容量的大小，前两位表示有效数字，第三位表示10的倍幂。
19、如102表示10*102=1000PF；224表示22*104=0.2UF。v用色环或色点表示电容器的主要参数。电容器的色标法与电阻相同。1.1.5 二极管二极管v二极管实际上就是一个PN结，它具有单向导电性，在二极管上加上正向电压，它能导通，如果加上反向电压，则不能导通。在电路中常用“D”加数字表示二极管，如：D5表示编号为5的二极管。电路符号是：半导体二极管的分类：A、按材质分：硅二极管和锗二极管；B、按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，发光二极管，光电二极管，变容二极管。1.1.5 二极管二极管半导体二极管的导通电压是：A、硅二极管在两极加上电压，并且电压大于0.6V时才能导通
20、，导通后电压保持在0.6-0.8V之间；B、锗二极管在两极加上电压,并且电压大于0.2V时才能导通，导通后电压保持在0.2-0.3V之间。半导体二极管的识别方法：A、目视法判断半导体二极管的极性：一般在实物的电路图中可以通过眼睛直接看出半导体二极管的正负极。在实物中如果看到一端有颜色标示的是负极，另外一端是正极。B、用万用表(指针表)判断半导体二极管的极性：通常选用万用表的欧姆档（R100或R1K），然后分别用万用表的两表笔分别接出到二极管的两个极上出，当二极管导通，测的阻值较小（一般几十欧姆至几千欧姆之间），这时黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。当测的阻值很大（一般为几百至
21、几千欧姆），这时黑表笔接的是二极管的负极，红表笔接的是二极管的正极。C、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）v发光二极管（英语：Light-EmittingDiode，简称LED）是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件。电路符号是：这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随
22、着技术的不断进步，发光二极管已被广泛地应用于显示器、电视机、采光装饰和照明。1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）v发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏
23、安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用下式计算：1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）v式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的正常工作电流。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。（1-1）1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED
24、）v当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。vLED被称为第四代光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域。1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）vLED优点：电光转化效率高、绿色环保、寿命长（可达10万小时）、工作电压低（3V左右）、反复开关无损寿命、体积小、发热少、亮度高、坚固耐用、易于调光、色彩多样、光束集中稳定、启动无延时；vLED缺点：起始成本高、显色性差、
25、大功率LED效率低、恒流驱动（需专用驱动电路）。相比之下，各种传统照明存在一定的缺陷。v发光二极管可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）vLED的控制模式有恒流和恒压两种，有多种调光方式，比如模拟调光和PWM调光，大多数的LED都采用的是恒流控制，这样可以保持LED电流的稳定，不易受VF的变化，可以延长LED灯具的使用寿命。v普通单色发光二极管v普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，
26、可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。它属于电流控制型半导体器件，使用时需串接合适的限流电阻。1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）v高亮度单色发光二极管v高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。v通常，高亮度单色发光二极管使用砷铝化镓（GaAlAs）等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓（GaAsInP）等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓（GaP）或磷砷化镓（GaAsP）等材料。v变色发光二极管v变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色
27、（有红、蓝、绿、白四种颜色）发光二极管。1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）v闪烁发光二极管v闪烁发光二极管（BTS）是一种由CMOS集成电路和发光二极管组成的特殊发光器件，可用于报警指示及欠压、超压指示。v闪烁发光二极管在使用时，无须外接其它元件，只要在其引脚两端加上适当的直流工作电压（5V）即可闪烁发光。v电压控制型发光二极管v普通发光二极管属于电流控制型器件，在使用时需串接适当阻值的限流电阻。电压控制型发光二极管（BTV）是将发光二极管和限流电阻集成制作为一体，使用时可直接并接在电源两端。1.1.6 发光二极管（发光二极管（LED）v红外发光二极管v红外发光二极管也称红外线发射二
28、极管，它是可以将电能直接转换成红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光控及遥控发射电路中。v红外发光二极管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。v电池LED灯viViTiOn，有一个可令它发光最长3小时的内置电池。有电时，电池充电，而且灯泡正常发光。停电时，灯泡自动切换到电池模式。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v电子设备中有各种各样的图。能够说明它们工作原理的是电路原理图，简称电路图。电路图有两种，一种是说明模拟电子电路工作原理的。它用各种图形
29、符号表示电阻器、电容器、开关、晶体管等实物，用线条把元器件和单元电路按工作原理的关系连接起来。这种图长期以来就一直被叫做电路图。另一种是说明数字电子电路工作原理的。它用各种图形符号表示门、触发器和各种逻辑部件，用线条把它们按逻辑关系连接起来，它是用来说明各个逻辑单元之间的逻辑关系和整机的逻辑功能的。为了和模拟电路的电路图区别开来，就把这种图叫做逻辑电路图，简称逻辑图。除了这两种图外，常用的还有方框图。它用一个框表示电路的一部分，它能简洁明了地说明电路各部分的关系和整机的工作原理。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v前面我们只是简单介绍了几种电路图中常用的元器件的作用和符号。一张电路图通常有几十乃
30、至几百个元器件，它们的连线纵横交叉，形式变化多端，初学者往往不知道该从什么地方开始，怎样才能读懂它。其实电子电路本身有很强的规律性，不管多复杂的电路，经过分析可以发现，它是由少数几个单元电路组成的。因此初学者只要先熟悉常用的基本单元电路，再学会分析和分解电路的本领，看懂一般的电路图应该是不难的。v按单元电路的功能可以把它们分成若干类，每一类又有好多种，全部单元电路大概总有几百种。下面我们选最常用的基本单元电路来介绍。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v一、电源电路的功能和组成v每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直
31、流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。v电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从220伏市电变换成直流电，应该先把220伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流电源的组成一般有四大部分，见图1-5。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v图1-5 整流电源的组成1.1.7 看懂电路图看
32、懂电路图v1.整流电路v整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。v（1）半波整流v半波整流电路只需一个二极管，见图1-6（a）。在交流电正半周时VD导通，负半周时VD截止，负载R上得到的是脉动的直流电。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v（2）全波整流v全波整流要用两个二极管，而且要求变压器有带中心抽头的两个圈数相同的次级线圈，见图1-6（b）。负载RL上得到的是脉动的全波整流电流，输出电压比半波整流电路高。v（3）全波桥式整流v用4个二极管组成的桥式整流电路可以使用只有单个次级线圈的变压器，见图1-6（c）。负载上的电流波形和输出电压值与全波整流电路相同。1.
33、1.7 看懂电路图看懂电路图v（4）倍压整流v用多个二极管和电容器可以获得较高的直流电压。图1-6（d）是一个二倍压整流电路。当U2为负半周时VD1导通，C1被充电，C1上最高电压可接近1.4U2；当U2正半周时VD2导通，C1上的电压和U2叠加在一起对C2充电，使C2上电压接近2.8U2，是C1上电压的2倍，所以叫倍压整流电路。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v 图1-6 整流电路1.1.7 看懂电路图看懂电路图v2.滤波电路v整流后得到的是脉动直流电，如果加上滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分，就可得到平滑的直流电。v（1）电容滤波v把电容器和负载并联，如图1-7（a），正半周时电容被充电
34、，负半周时电容放电，就可使负载上得到平滑的直流电。v（2）电感滤波v把电感和负载串联起来，如图1-7（b），也能滤除脉动电流中的交流成分。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v（3）L、C滤波v用1个电感和1个电容组成的滤波电路因为象一个倒写的字母“L”，被称为L型，见图1-7（c）。用1个电感和2个电容的滤波电路因为象字母“”，被称为型，见图1-7（d），这是滤波效果较好的电路。v（4）RC滤波v电感器的成本高、体积大，所以在电流不太大的电子电路中常用电阻器取代电感器而组成RC滤波电路。同样，它也有L型，见图1-7（e）；型，见图1-7（f）。1.1.7 看懂电路图看懂电路图图1-7滤波电路1.
35、1.7 看懂电路图看懂电路图v3、稳压电路v交流电网电压的波动和负载电流的变化都会使整流电源的输出电压和电流随之变动，因此要求较高的电子电路必须使用稳压电源。v（1）稳压管并联稳压电路v用一个稳压管和负载并联的电路是最简单的稳压电路，见图1-8（a）。图中R是限流电阻。这个电路的输出电流很小，它的输出电压等于稳压管的稳定电压值VZ。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v（2）串联型稳压电路v有放大和负反馈作用的串联型稳压电路是最常用的稳压电路。它的电路和框图见图1-8（b）、（c）。它是从取样电路（R3、R4）中检测出输出电压的变动，与基准电压（VZ）比较并经放大器（VT2）放大后加到调整管（VT
36、1）上，使调整管两端的电压随着变化。如果输出电压下降，就使调整管管压降也降低，于是输出电压被提升；如果输出电压上升，就使调整管管压降也上升，于是输出电压被压低，结果就使输出电压基本不变。在这个电路的基础上发展成很多变型电路或增加一些辅助电路，如用复合管作调整管，输出电压可调的电路，用运算放大器作比较放大的电路，以及增加辅助电源和过流保护电路等。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v（3）开关型稳压电路v近年来广泛应用的新型稳压电源是开关型稳压电源。它的调整管工作在开关状态，本身功耗很小，所以有效率高、体积小等优点，但电路比较复杂。v开关稳压电源从原理上分有很多种。它的基本原理框图见图1-8（d）。
37、图中电感L和电容C是储能和滤波元件，二极管VD是调整管在关断状态时为L、C滤波器提供电流通路的续流二极管。开关稳压电源的开关频率都很高，一般为几几十千赫，所以电感器的体积不很大，输出电压中的高次谐波也不多。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v它的基本工作原理是：从取样电路（R3、R4）中检测出取样电压经比较放大后去控制一个矩形波发生器。矩形波发生器的输出脉冲是控制调整管（VT）的导通和截止时间的。如果输出电压U0因为电网电压或负载电流的变动而降低，就会使矩形波发生器的输出脉冲变宽，于是调整管导通时间增大，使L、C储能电路得到更多的能量，结果是使输出电压U0被提升，达到了稳定输出电压的目的。1.1
38、.7 看懂电路图看懂电路图v（4）集成化稳压电路v近年来已有大量集成稳压器产品问世，品种很多，结构也各不相同。目前用得较多的有三端集成稳压器，有输出正电压的CW7800系列和输出负电压的CW7900系列等产品。输出电流从0.1A3A，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等多种。v这种集成稳压器只有三个端子，稳压电路的所有部分包括大功率调整管以及保护电路等都已集成在芯片内。使用时只要加上散热片后接到整流滤波电路后面就行了。外围元件少，稳压精度高，工作可靠，一般不需调试。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v图1-8（e）是一个三端稳压器电路。图中C是主滤波电容，C1、C2是消除
39、寄生振荡的电容，VD是为防止输入短路烧坏集成块而使用的保护二极管。图1-8稳压电路1.1.7 看懂电路图看懂电路图v电源电路是电子电路中比较简单然而却是应用最广的电路。拿到一张电源电路图时，应该：v先按“整流滤波稳压”的次序把整个电源电路分解开来，逐级细细分析。v逐级分析时要分清主电路和辅助电路、主要元件和次要元件，弄清它们的作用和参数要求等。例如开关稳压电源中，电感电容和续流二极管就是它的关键元件。v因为晶体管有NPN和PNP型两类，某些集成电路要求双电源供电，所以一个电源电路往往包括有不同极性不同电压值和好几组输出。读图时必须分清各组输出电压的数值和极性。在组装和维修时也要仔细分清晶体管和
40、电解电容的极性，防止出错。v熟悉某些习惯画法和简化画法。v最后把整个电源电路从前到后全面综合贯通起来。这张电源电路图也就读懂了。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v二、放大电路的用途和组成v放大器有交流放大器和直流放大器。交流放大器又可按频率分为低频、中源和高频；接输出信号强弱分成电压放大、功率放大等。此外还有用集成运算放大器和特殊晶体管作器件的放大器。它是电子电路中最复杂多变的电路。但初学者经常遇到的也只是少数几种较为典型的放大电路。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v读放大电路图时也还是按照“逐级分解、抓住关键、细致分析、全面综合”的原则和步骤进行。首先把整个放大电路按输入、输出逐级分开，然后
41、逐级抓住关键进行分析弄通原理。放大电路有它本身的特点：一是有静态和动态两种工作状态，所以有时往往要画出它的直流通路和交流通路才能进行分析；二是电路往往加有负反馈，这种反馈有时在本级内，有时是从后级反馈到前级，所以在分析这一级时还要能“瞻前顾后”。在弄通每一级的原理之后就可以把整个电路串通起来进行全面综合。下面我们介绍几种常见的放大电路。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v1.低频电压放大器v低频电压放大器是指工作频率在20赫20千赫之间、输出要求有一定电压值而不要求很强的电流的放大器。v共发射极放大电路v图1-9（a）是共发射极放大电路。C1是输入电容，C2是输出电容，三极管VT就是起放大作用的
42、器件，RB是基极偏置电阻，RC是集电极负载电阻。1、3端是输入，2、3端是输出。3端是公共点，通常是接地的，也称“地”端。静态时的直流通路见图1-9（b），动态时交流通路见图1-9（c）。电路的特点是电压放大倍数从十几到一百多，输出电压的相位和输入电压是相反的，性能不够稳定，可用于一般场合。1.1.7 看懂电路图看懂电路图图1-9共发射极放大电路1.1.7 看懂电路图看懂电路图v分压式偏置共发射极放大电路v图1-10比图1-9多用3个元件。基极电压是由RB1和RB2分压取得的，所以称为分压偏置。发射极中增加电阻RE和电容CE，CE称交流旁路电容，对交流是短路的；RE则有直流负反馈作用。所谓反馈
43、是指把输出的变化通过某种方式送到输入端，作为输入的一部分。如果送回部分和原来的输入部分是相减的，就是负反馈。图中基极真正的输入电压是RB2上电压和RE上电压的差值，所以是负反馈。由于采取了上面两个措施，使电路工作稳定性能提高，是应用最广的放大电路。1.1.7 看懂电路图看懂电路图图1-10分压式偏置共发射极放大电路1.1.7 看懂电路图看懂电路图射极输出器图1-11（a）是一个射极输出器。它的输出电压是从射极输出的。图1-11（b）是它的交流通路图，可以看到它是共集电极放大电路。图1-11射极输出器1.1.7 看懂电路图看懂电路图v这个图中，晶体管真正的输入是Vi和Vo的差值，所以这是一个交流
44、负反馈很深的电路。由于很深的负反馈，这个电路的特点是：电压放大倍数小于1而接近1，输出电压和输入电压同相，输入阻抗高输出阻抗低，失真小，频带宽，工作稳定。它经常被用作放大器的输入级、输出级或作阻抗匹配之用。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v低频放大器的耦合v一个放大器通常有好几级，级与级之间的联系就称为耦合。放大器的级间耦合方式有三种：RC耦合，见图1-12（a）。优点是简单、成本低。但性能不是最佳。变压器耦合，见图1-12（b）。优点是阻抗匹配好、输出功率和效率高，但变压器制作比较麻烦。直接耦合，见图1-12（c）。优点是频带宽，可作直流放大器使用，但前后级工作有牵制，稳定性差，设计制作较麻
45、烦。1.1.7 看懂电路图看懂电路图图1-12低频放大器的耦合1.1.7 看懂电路图看懂电路图v2.功率放大器v能把输入信号放大并向负载提供足够大的功率的放大器叫功率放大器。例如收音机的末级放大器就是功率放大器。（1）甲类单管功率放大器图1-13单管功率放大器1.1.7 看懂电路图看懂电路图v图1-13是单管功率放大器，C1是输入电容，T是输出变压器。它的集电极负载电阻Ri是将负载电阻RL通过变压器匝数比折算过来的：vRC=（N1N2）2RL=N2RL（1-2）v负载电阻是低阻抗的扬声器，用变压器可以起阻抗变换作用，使负载得到较大的功率。v这个电路不管有没有输入信号，晶体管始终处于导通状态，静
46、态电流比较大，困此集电极损耗较大，效率不高，大约只有35。这种工作状态被称为甲类工作状态。这种电路一般用在功率不太大的场合，它的输入方式可以是变压器耦合也可以是RC耦合。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v乙类推挽功率放大器v图1-14是常用的乙类推挽功率放大电路。它由两个特性相同的晶体管组成对称电路，在没有输入信号时，每个管子都处于截止状态，静态电流几乎是零，只有在有信号输入时管子才导通，这种状态称为乙类工作状态。当输入信号是正弦波时，正半周时VT1导通VT2截止，负半周时VT2导通VT1截止。两个管子交替出现的电流在输出变压器中合成，使负载上得到纯正的正弦波。这种两管交替工作的形式叫做推挽电
47、路。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v图1-14乙类推挽功率放大电路v乙类推挽放大器的输出功率较大，失真也小，效率也较高，一般可达60。1.1.7 看懂电路图看懂电路图OTL功率放大器目前广泛应用的无变压器乙类推挽放大器，简称OTL电路，是一种性能很好的功率放大器。为了易于说明，先介绍一个有输入变压器没有输出变压器的OTL电路，如图1-15。图1-15OTL功率放大器1.1.7 看懂电路图看懂电路图v这个电路使用两个特性相同的晶体管，两组偏置电阻和发射极电阻的阻值也相同。在静态时，VT1、VT2流过的电流很小，电容C上充有对地为12Ec的直流电压。在有输入信号时，正半周时VT1导通，VT2截止
48、，集电极电流ic1方向如图所示，负载RL上得到放大了的正半周输出信号。负半周时VT1截止，VT2导通，集电极电流ic2的方向如图所示，RL上得到放大了的负半周输出信号。这个电路的关键元件是电容器C，它上面的电压就相当于VT2的供电电压。v以这个电路为基础，还有用三极管倒相的不用输入变压器的真正OTL电路，用PNP管和NPN管组成的互补对称式OTL电路，以及最新的桥接推挽功率放大器，简称BTL电路等等。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v3.直流放大器v能够放大直流信号或变化很缓慢的信号的电路称为直流放大电路或直流放大器。测量和控制方面常用到这种放大器。（1）双管直耦放大器v直流放大器不能用RC耦
49、合或变压器耦合，只能用直接耦合方式。图1-16是一个两级直耦放大器。直耦方式会带来前后级工作点的相互牵制，电路中在VT2的发射极加电阻RE以提高后级发射极电位来解决前后级的牵制。直流放大器的另一个更重要的问题是零点漂移。所谓零点漂移是指放大器在没有输入信号时，由于工作点不稳定引起静态电位缓慢地变化，这种变化被逐级放大，使输出端产生虚假信号。放大器级数越多，零点漂移越严重。所以这种双管直耦放大器只能用于要求不高的场合。1.1.7 看懂电路图看懂电路图图1-16两级直耦放大器1.1.7 看懂电路图看懂电路图v差分放大器v解决零点漂移的办法是采用差分放大器，图1-17是应用较广的射极耦合差分放大器。
50、它使用双电源，其中VT1和VT2的特性相同，两组电阻数值也相同，RE有负反馈作用。实际上这是一个桥形电路，两个RC和两个管子是四个桥臂，输出电压V0从电桥的对角线上取出。没有输入信号时，因为RC1=RC2和两管特性相同，所以电桥是平衡的，输出是零。由于是接成桥形，零点漂移也很小。1.1.7 看懂电路图看懂电路图图1-17射极耦合差分放大器差分放大器有良好的稳定性，因此得到广泛的应用。1.1.7 看懂电路图看懂电路图v4.集成运算放大器v集成运算放大器是一种把多级直流放大器做在一个集成片上，只要在外部接少量元件就能完成各种功能的器件。因为它早期是用在模拟计算机中做加法器、乘法器用的，所以叫做运算