【硬件】嵌入式电子设计基础之分析电路

本文从电路分析的角度，介绍了嵌入式工程师必备的一些模拟电子技术。读完本篇文章能够帮助您能够达到理解一般产品的原理图的水平，分析出硬件设计原理从而更好地编程实现产品相关功能需求。

铁路十六宿舍

6875人浏览 · 2023-05-01 23:25:14

铁路十六宿舍 · 2023-05-01 23:25:14 发布

电子技术（electronics）是我们研究科技产品的基石，本文章通过一系列简单且使用的实例，带领大家走进电子技术的世界，并通过对这些实例的分析，掌握其中的知识点和实用的电路分析设计技能。

本篇文章围绕着模拟电路（analogue electronics）进行电路分析介绍以及相关知识讲解，模拟电路中“行走”的都是连续变化的信号，更通俗地说就是直流（DC)、交流（AC）一类的信号。

文章目录

电子电路基础元件

我们首先对文章中涉及的电子电路的元件种类做一下简单的说明：

电阻：电阻是阻碍电流动的一种元器件，在电路中常用于限流，降压，分压以及用作物理量电阻传感器等。电路图中表示为。
电容：电容是一种能以电荷的形式储存能量的元件。在电路中常用于解耦旁路，信号滤波等，在电路图表示为。
电感：电感的基本作用由滤波、振荡、延迟、陷波等，功能形象称为“通直流，阻交流”，在电路图中表示为。
二极管：只允许电流由单一方向流过，具有两个电极的元件，称为二极管。英语：Diode。普通二极管在电路图中表示为。
三极管：三极管全称是“晶体三极管”，也被称作“晶体管”，是一种具有放大功能的半导体器件。通常指本征半导体三极管，即BJT管。具有基极，集电极以及发射极，NPN型三极管在电路中表示为。

电路分析初探

我们在中学时就接触过电路原理图（schematic diagram），简称电路图。那时的电路图都是一些由电阻、电源、开关等组成的简单电路。最初的电路分析也只是使用欧姆定律（Ohm‘s law）来计算电路中的电阻，电流或电压。下面我们对两个常见的更为真实的电路原理进行分析。

光控报警器

下图是一个简单的光控报警器电路：

光控报警器电路的功能是：当照射到红框中的光敏电阻（Resistance，通常用“R”表示）的光线变暗至一定程度时，蜂鸣器（电路中用“HA”表示），从而达到检测光线强度并适时报警的目的。我们在后续的讨论中将图中元器件上的符号（如VT1BC547）称为位号。

我们对上面的电路进行分析，首先去掉两个三极管，如下图：

通过上图可以看出电阻R1与RP的作用是分压，一旦电位器（滑变电阻）确定，P点输出的电压仅由光敏电阻R来决定。然后我们回到完整的原理图：

可以看出，当 $V_{BE1}$ 达到合适偏置电压导通之后， $V_{BE2}$ 之后达到导通所需的0.7V之后导通，蜂鸣器因由电流 $I_{C2}$ 通过而发出报警声，通俗来讲，VT1+VT2两个三极管构成了一个开关，这个开关由P点电压决定。

单管收音机

收音机（radio），是一种小型的无线电接收机，有机械器件、电子器件和磁铁等构件组成，利用电能将电波信号转换，以此来收听无线电电台的广播节目。

下图是单管收音机的原理，我们将其从左往右将原理图分解为四个部分来分析：

调谐电路（tuned circuit）：空中各种频率的电磁波可以让天线E1感应出多种频率的电信号，但是由于电感器L1与电容C5组成了LC并联电路，只有非常接近其谐振频率 $f_o$ 的信号不被“吃掉”而从电感器L1的中心抽头输出到解调电路中。
解调电路（demodulation）：这个是调制的逆过程-把低频有用信号还原出来。高频信号经过二极管D1和电容C6组成的解调电路之后，低频有用信号，也就是广播节目的音频信号被提取了出来。

放大电路：音频信号经过电容C4的耦合进入放大器，该放大器是一个三极管共射极放大器，把非常微弱的音频信号进行发大后驱动耳机EP，这样就可以把广播节目还原出来了。
电源及滤波：单管收音机使用3V电池供电，电容C3可以过滤掉高频噪声信号。

该单管收音机电路比较简单，灵敏度一般，在钢筋水泥的建筑中收听效果不是很好。如果要制造一台性能优良优良的收音机，还需要对收音机电路进行更深入的学习。

集成电路芯片

那一块集成电路，小心意义拆开它的“外套”（封装），中间可以看到一个5mm见方的薄片是集成电路的心脏---芯片（chip），周围一些放射状的导体连通芯片与“外套”外金属引脚，使得芯片能与外界进行沟通。

同一型号的集成电路可以拥有多种封装，比如一个最常用的运算放大器TL071来说，虽然有相同的内部电路和管脚排布，却拥有四种不同的外套：PDIP、CDIP、SPIC、TSSOP，这样可供在电路设计与制作中灵活选择。

集成电路与其他电子元器件一样拥有自己的电路符号。因为种类繁多，出了少数技能功能功能分类的电路集成电路有自己的各自的电路符号之外，大多数集成电路都以一个方框并辅以代表管脚的短线作为电路符号，如下图（a）所示是一个电机驱动器集成电路，型号为 L298HN。在电路符号中，每个管脚上都有管脚序号。有时电路符号并没有按逆时针或者其他顺序排列各个管脚，而是将功能相近的管脚放在一起，比如5、7、10、12管脚都是输入端，所以在原理图上这四个管脚就放到了一起。这样一来就需要注意把电路符号中的管脚与实际器件的管脚对应起来，如下图（b）为L298HN的集成电路的实际器件，实际器件中管脚总是依次排列的。比如在电路符号中左上角第一个管脚是5管脚IN1，在实际器件中是从左往右数第五个，如图（b）所示。

就像其他分立式器件一样，集成电路也有自己的技术参数。其中，简单的参数如额定电压、工作电流、输入/输出限制等。高级的参数则根据不同类型的集成电路有不同的描述方法和范围参考，具体可以详见相应的芯片手册。

运算放大器

运算放大器(operational amplifier，或op-amp，典型的电路符号)简称运放。起初的运放主要用于数学运算如加法、减法、积分、微分等，所以它的名字中包含有“运算”两个字。最开始的运放主要由电子管构成并使用高压来工作，这与今天集成型运放使用低电压并具由高可靠性不可同日而语。

运放在选型时有以下几个参数：

电源电压范围（ $V_{CC}$ ）：不同型号的运放集成电路所能承受的工作电压不尽相同，比如NE533的极限工作电压为+-22V，LM385为+-16V。
共模输入信号范围（ $V_{icm}$ ）：所有的运放对输入信号的电压都有一个承受范围，共模输入信号范围指的是输入运放反向输入端或者同向输入端信号的电压限制，若输入信号超过这个范围，运放的输出将产生截至或者失真。
开环增益（ $A_{ol}$ ）：开环增益指的是运放的内部电压增益，它等于输出电压与输入电压的比值。开环增益只是运放内部电压增益的描述，绝大多数情况下运放都会连接反馈组件，在输入与输出之间形成闭环，此时增益的计算与开环增益就没有什么关系了。
共模抑制比（CMR）：共模抑制比描述运放抑制共模信号的能力。共模抑制比越大说明运放质量越好，理想的运放共模抑制比为无穷大。
转换速率（SR）：转换速率指的是当输入信号出现一个跳变时，运放输出对这个跳变的相应速度，如下图所示，当输入信号Vin出现一个跳变之后，输出信号Vout并不能立刻也跟着来一个完美的跳变，而是需要一小段 $\Delta t$ 才能从原来的电平跳到新的电平上。

下面介绍运放的几种应用。

同相/反相放大器

放大器是运放最广泛的应用。输出信号反馈到运放的反向输入输入端，我们称之为负反馈。负反馈虽然降低了电路的增益，但是它具有提高增益稳定性、减少失真、增加带宽等优点，所以负反馈在电子学中特别是运放中有普遍的应用。

同相放大器（noninverting amplifier）的“同相”二字，指输出信号与输入信号同相（无相移），其典型电路如下图所示，输入信号Vin由同相输入端（+）进入运放，输出信号Vout通过反馈组件（由电阻R1与Rf组成）反馈到反向输入端（-）。

同相放大器的增益计算公式： $A_{v}=1+\frac{R_f}{R_1}$ 。

反向放大器（inverting amplifier）的“反向”二字指的是输出信号与输入信号有180°的相差。其典型电路如下图所示，输入信号Vin由反向输入端（-）进入运放，输出信号Vout通过反馈器件（由电阻R1与Rf组成）反馈到反向输入端（-）。同相输入端（+）接地。

反向放大器的增益计算公式： $A_v=-\frac{R_f}{R_1}$ 。

比较器

运放常常被用来构造成比较器对两个信号的电平进行比较，一般其中一个信号为电平固定的参考电压，另一个是被比较的信号。当被比较的信号高于参考电压时，比较器输出高电平，否则比较器输出低电平。比较器最简单的应用就是检测一个信号是否超过零，如下图为一个过零比较器（zero-level detector）电路，其反向输入端（-）接地作为参考电压端（参考电压为0V），输入信号Vin从同相输入端（+）进入比较器。

加法放大器

如果把反向放大器连接多个输入，就成了一个加法放大器（summing amplifier）。如下图所示，它可以把多个输入信号进行算数相加后取反。

输出电压Vout与驶入电压的公式为：。

差分放大器

差分放大器的概念有时不太好理解，但是它确实是一个非常有用的放大器。在许多工程应用中，为了提高系统的抗干扰能力，以获取微弱的有用信号而常常采用差分放大器（differential amplifier）的形式进行放大。

下图是由一个运放构成的差分放大器，两个输入信号V1,V2分别输入反向输入端和同相输入端，两个输入电阻阻值相同（R1）,反馈电阻与同相输入端接地电阻阻值相同（R2）。

省略推导过程，单运放差分放大器的输入、输出关系式为：。

有源微分器与积分器

有源微分器（active differentiator）在某一时刻的输出与该时刻输入信号的变化率在数值上相等，如下图所示为一个有源微分器的典型电路，信号经由电容C1进入运放， $R_f$ 为反馈电阻。假设输入一个斜率为 $V_E$ 的信号（每秒输入信号的增幅为 $V_E$ ），由于信号的变化率一定，则可以在有源微分器的输出端得到一个大小为- $V_E$ 的直流信号。

有源积分器（active integrator）在某一时刻的输出为之前输入信号的总面积。下图所示为一个有源积分器的典型电路，信号经由电阻 $R_{1}$ 进入运放。假如输入一个幅度为 $V_E$ 的方波信号，随着时间（t）的推移，输入信号 $V_E$ 下的面积越来越大，在 $t_{E}$ 时刻，面积为 $V_E$ * $t_{E}$ 。由于 $V_E$ 恒定，时间越长，面积越大，于是输出端的信号在不断负向增加。

有源滤波器

有源滤波器包含有源高通、低通、带通、带阻滤波器，下边介绍一下有源高通滤波器的实现。

输入信号经过无缘高通滤波器之后进入同相放大器便构成了一个有源高通滤波器（active HPF）,如下图所示，由于有了运放的封闭，后续电路的输入阻抗不会对高通滤波器产生影响，因此有源滤波器较无源滤波器具有更好的频率特性。

其截至频率 $f_c=\frac{1}{2\pi R_1C_1}$ 。

常见传感器

生活中充满着非电信号，它们并不能被“看到”而只能“感觉”，比如温度的高低就看不出来，只能感觉出来。而传感器可以把这些非电信号转化成对应的电信号。常见的传感器有以下几种：

压力传感器：压力传感器主要根据压电效应制成，可以用来测量气体或者液体的压力。MPX2050即为量程为0~50kPa的，具有温度补偿的压力传感器，其结构如下图所示，输出信号为差分电压。

光电传感器：光电传感器把光信号转换为电信号，这一类传感器主要利用半导体材料的光电效应制成。常见的由光敏电阻、硅光电池以及红外对管。
温度传感器：普通的温度计一般由真空的玻璃管里灌注水银或者酒精制成，由于液体的热胀冷缩作用水银或者酒精的液面会在玻璃管内上升或下降，配合玻璃管外的刻度就可以读出实测温度来。下图为LM35温度传感器，它将温度转化为电压信号。

其他常用的元器件

发光二极管：发光二极管（LED，电路符号）是一种最常用的指示器件，发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性，当有足够的正向电流（约10~30mA）通过时便会发光
光耦：光耦（optocoupler，典型的电路符号）是一种利用光电转换实现隔离的器件，它实际上是把发光二极管与光电三极管密封在一个不透明的封装中。下图使用光耦进行了信号隔离。

场效应三极管：场效应三极管（field effect transistor）也是一种非常重要的器件，它是一种利用场效应原理工作的半导体器件。与普通三极管相比，场效应三极管具有输入高阻抗，噪声低，动态范围大，功耗小以及易于集成等特点。
可控硅：可控硅（silicon-controlled rectifier,SCR）是一种半导体功率控制器件，又名晶闸管（thyristor）。下图展示了单向可控硅的外观、电路符号及工作原理示意原理图。当开关S1闭合时，虽然可控硅Q的A、C间获得了正向偏置，但灯泡L不发光。当开关S2也闭合时，G极获得正向电压，可控硅导通，于是电流从A极流向C极，灯泡L有电流流过而发光。此时，如果断开开关S2，灯泡L仍然发光。这就是一个可控硅控制直流电源的简单示例。

继电器：继电器（relay，电路符号）是一种电控开关，适用于需要小电流控制大电流功率器件通断的场合。如下图所示，继电器的控制端由三极管Q来驱动，只要输入端Vin为高电平（+5V），三极管Q导通，继电器控制端（4、5引脚）获得电流而电磁铁工作，于是接触端1、3导通，220V AC电机开始工作。当输入端Vin为低电平时，三极管Q截止，控制器没有电流通过，继电器不工作，于是电机停止。可见继电器实现了低压（5V DC）控制高压（220V AC）的目的。