《智能光電系統(tǒng)設(shè)計》課件 項目3 常見電路模塊

項目3常見電路模塊任務(wù)目標(biāo)1、學(xué)會分析常見、基本的電源電路模塊，理解電源電路在一個電路中的重要性。2、掌握回收桶控制基礎(chǔ)電路模塊，如開關(guān)電路，運(yùn)放類電路，ADC轉(zhuǎn)換。3、掌握晶振電路、復(fù)位電路等這些嵌入式電路基礎(chǔ)單元。3.1電源電路電源電路是指提供給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路及其電路形式，一般有交流電源也有直流電源之分。電源電路一般可分為開關(guān)電源電路，穩(wěn)壓電源電路，穩(wěn)流電源電路，功率電源電路，逆變電源電路，DC-DC電源電路，保護(hù)電源電路等。以下介紹幾種常用的電源電路：3.1.1三端集成穩(wěn)壓電源三端集成穩(wěn)壓電源以正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列比較常見，其中xx表示固定電壓輸出的數(shù)值。如：7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指輸出電壓是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79xx系列也與之對應(yīng)，只不過是負(fù)電壓輸出。這類穩(wěn)壓器的最大輸出電流為1.5A，塑料封裝(TO-220)最大功耗為10W(加散熱器)；金屬殼封裝(TO-3)外形，最大功耗為20W（加散熱器）。LM7805的典型應(yīng)用電路見圖3-1。圖3-17805典型應(yīng)用3.1.25V電源電路示例輸出5V的電源有多種選擇，如降壓型電源管理芯片LM2596S-5.0，其應(yīng)用電路如圖3-2所示，輸入的12V直流電壓經(jīng)LM2596S-5.0后輸出穩(wěn)定的5V直流電壓，輸出電流可達(dá)3A。圖3-2降壓型芯片LM2596S-5.0輸出5V3.1.25V電源電路示例圖3-3開關(guān)電源芯片TPS54332輸出5V

也有采用開關(guān)電源方式的，如圖3-3所示，TPS54332輸出1MHz的開關(guān)信號，該開關(guān)信號的占空比受外電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，當(dāng)參數(shù)選定后，電路的輸出電壓可以穩(wěn)定到5V。3.1.35V轉(zhuǎn)3.3V電源電路示例電路中，ARM芯片等一般需要3.3V的供電電壓，這時候，5V轉(zhuǎn)3.3V的電路就成為必要。常見的芯片有ASM1117-3.3V或REG1117-3.3V，圖3-4顯示的是利用REG1117-3.3V將5V轉(zhuǎn)成3.3V的電路。圖3-4

5V轉(zhuǎn)3.3V電源芯片3.2開關(guān)電路開關(guān)電路有數(shù)字開關(guān)電路、模擬開關(guān)電路、機(jī)械開關(guān)電路等。開關(guān)電路的輸入和輸出一般都是開關(guān)兩，即高電平或低電平。如圖3-5（a）所示，當(dāng)DI01的輸入是高電平時，NPN晶體管Q1飽和導(dǎo)通，DO01被拉到低電位；當(dāng)DI01的輸入是低電平時，Q1截止，DO01被拉到高電位。如圖3-5（b）所示，當(dāng)DI02的輸入是高電平時，PNP晶體管Q2截止，DO02輸出低電位；當(dāng)DI02的輸入是低電平時，Q2飽和導(dǎo)通，DO02被拉到高電位。圖3-5由三極管所構(gòu)成的開關(guān)電路3.3同相比例運(yùn)算放大電路同相輸入放大電路的典型電路如圖3-6所示，信號電壓vin通過電阻R46加到運(yùn)放的同相輸入端，輸出電壓vout通過電阻R37和R47反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念可求得：vout=（1+R47/R37)vin所以該電路實現(xiàn)同相比例運(yùn)算。圖3-6同相比例運(yùn)算放大器電路3.4反相比例運(yùn)算放大電路反相輸入放大電路的典型電路如圖3-7所示，信號電壓vin通過電阻R30加到運(yùn)放的反相輸入端，輸出電壓vout通過反饋電阻R32反饋到運(yùn)放的反相輸入端，構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路。根據(jù)虛短、虛斷的概念可求得：vout=-(R32/R30)*vin該電路實現(xiàn)反相比例運(yùn)算放大，輸出反相。圖3-7反相比例運(yùn)算放大電路3.5運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器圖3-8顯示的是一個比較器電路，輸入電壓vin經(jīng)R10、R12分壓后，和U6B同相輸入端的電壓值進(jìn)行比較，大于U6B同相輸入端的電壓時，輸出接近VEE，小于U6B同相輸入端的電壓時，輸出接近VCC。圖3-8比較器電路3.6運(yùn)算放大器構(gòu)成加法器用運(yùn)算放大器可以構(gòu)成反相加法器電路，實現(xiàn)若干個電壓信號的加法運(yùn)算如圖3-9所示。由于虛斷特性，輸入運(yùn)算放大器的電流為0；又由于虛短特性，u-=u+，因此有：因此有如果R1=R2=R3，則圖3-9反相加法器電路3.6運(yùn)算放大器構(gòu)成加法器圖3-10是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大器，輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系為：如果R1=R2=R3，則圖3-10同相加法器3.7ADCADC(analogtodigitalconverter）是數(shù)模轉(zhuǎn)換的意思，即將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。ADC的基本轉(zhuǎn)換原理可分為：采樣保持電路（Sampleandhold）、量化（Quantizer）、編碼（Coder）等，所謂采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時間上離散變化的模擬量。將采樣結(jié)果儲存起來，直到下次采樣，這個過程叫作保持。模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的這一過程稱為量化；將量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，即可輸出的數(shù)字信號。ADC(analogtodigitalconverter）是數(shù)模轉(zhuǎn)換的意思，即將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。ADC的基本轉(zhuǎn)換原理可分為：采樣保持電路（Sampleandhold）、量化（Quantizer）、編碼（Coder）等，所謂采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)化為時間上離散變化的模擬量。將采樣結(jié)果儲存起來，直到下次采樣，這個過程叫作保持。模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的這一過程稱為量化；將量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，即可輸出的數(shù)字信號。3.7ADC圖3-11顯示的是量化編碼示意圖，如果按照1V的間隔編碼，則可用000代表電壓0≤V＜1，001代表電壓1≤V＜2，010代表電壓2≤V＜3，011代表電壓3≤V＜4，100代表電壓4≤V＜5，101代表電壓5≤V＜6，110代表電壓6≤V＜7，111代表電壓7≤V＜8。如果將量化臺階間隔減小，則測量的精度會更高。圖3-11量化編碼示意圖3.7ADC微控制單元(MicrocontrollerUnit;MCU)均具有ADC功能，一般都有很多個ADC輸入通道。以STM32F407為例，共中有三個ADC（ADC1-3），每個ADC有12位、10位、8位和6位可選，每個ADC有16個外部通道。如果選12位ADC，如果輸入?yún)⒖茧妷?.3V，則0V對應(yīng)0x000，3.3V對應(yīng)0xFFF，其他的電壓值可按比例計算。編寫好程序后，獲得的ADC值即是12位的數(shù)字量。3.8晶振電路在數(shù)字電路中，時鐘起著至關(guān)重要的作用。時鐘電路提供數(shù)字電路的時序控制的標(biāo)準(zhǔn)時刻，以便讓數(shù)字電路在特定時刻完成特定任務(wù)。如果沒有一個時序控制的標(biāo)準(zhǔn)時刻，整個數(shù)字電路就會成為“聾子”，就不知道什么時刻該做什么事情了?？梢杂肦C、LC等的諧振電路獲得時鐘信號，但這些電路的振蕩頻率并不穩(wěn)定，在對時鐘要求較高的電路中，必須使用石英晶體振蕩電路。石英振蕩器簡稱晶振，英文名為Crystal，它是時鐘電路中最重要的部件，它的主要作用是向顯卡、網(wǎng)卡、主板等配件的各部分提供基準(zhǔn)頻率，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。3.8晶振電路圖3-12是典型的晶振電路，其中a圖是普通的晶振電路，需2個小電容以及MCU內(nèi)部的放大器構(gòu)成晶振電路；b圖是有源晶振，通電即可以輸出時鐘信號。圖3-12無源及有源晶振電路3.9復(fù)位電路復(fù)位電路，就是讓電路尤其是有MCU、CPU等電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路。有幾種手段都可以實現(xiàn)復(fù)位，一是在電路通電時馬上進(jìn)行復(fù)位操作，名為上電復(fù)位；一是在必要時手動操作，名為按鍵復(fù)位；三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動地進(jìn)行，名為軟件或程序復(fù)位。圖3-13中由R23、S3、EEC4所構(gòu)成的電路是比較常見的復(fù)位電路。在通電瞬間，電容器EEC4兩端沒有電荷，因此RESET端的電壓為低電平，系統(tǒng)復(fù)位，即上電復(fù)位。為了確保復(fù)位，EEC4和R23可以取得較大一點，以使低電平的時間較長（一般需要20ms以上）。隨著電容器充電的進(jìn)行，RST電位逐漸升高，超過復(fù)位閾值電壓后，復(fù)位結(jié)束，系統(tǒng)正常工作。復(fù)位電路的參數(shù)能否滿足要求，可以用公式=RC進(jìn)行計算。在系統(tǒng)運(yùn)行時，如果按下按鍵S3，則RESET電位又被拉低，可以實現(xiàn)按鍵復(fù)位。圖3-13復(fù)位電路項目小結(jié)本項