嵌入式基础电路设计和常用芯片用法

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一、基础电路

1. 按键电路

观察以上电路可知：

• 在按键SW1不按下的时候引脚BTN1是接着3V3的，所以默认为高电平
• 按键在按下和释放的瞬间会产生机械振动，这可能导致按键接点之间的瞬时接触和分离，从而造成按键信号的抖动。抖动是指按键在按下或释放时，由于接触不稳定而产生的多次开闭周期，可能会导致电路误触发或不稳定的信号
• 电阻作用：在按键的信号线上形成一个电阻分压网络，起到限流的作用。这样做的目的是减小按键接触的瞬时电流，以防止过大的电流流过按键接点，从而降低接触产生的抖动。
• 电容作用：用于滤除高频噪声。因为按键信号可能会受到电源噪声、干扰或电磁辐射等外部因素的影响，这些干扰信号可能会在按键信号线上引入高频噪声。通过并联的电容，可以将这些高频噪声引流到地，保持按键信号的稳定性。

2. 晶振电路

• 在8M高速晶振中接22pF电容，而32.768k低速晶振中接的是10pF电容，这是因为高频晶振的振荡频率较高，需要较大的电容值来与晶振共振，以确保振荡稳定性。较大的电容值可以提供合适的补偿和负载容性。而对于低速 32.768 kHz 的晶振，常常使用 10 pF 的电容。低频晶振的振荡频率较低，因此需要较小的电容值来与晶振共振。较小的电容值可以提供更适当的补偿和负载容性，以满足低频晶体振荡器的工作条件。

3. 降压电路

• 二极管：以用于保护电路免受反向电压的损害。当输入电压的极性错误或电源关闭时，二极管会阻止反向电流的流动，从而保护其他电路元件免受损坏；在半波或全波整流电路中，二极管起到将交流信号转换为直流信号的作用；调节电压。
• 大小电容：滤波元件：以减小输出电压中的纹波或高频噪声。当输入电压经过降压变换后，可能会存在一些交流成分或高频噪声成分。通过将电容器连接到输出端，可以将这些高频成分导通到地，从而实现对输出电压的平滑滤波。稳定输出电压：电容器的充电和放电特性可以帮助稳定输出电压。降低开关干扰：在一些开关电源降压电路中，电容器也被用于减少开关干扰

二、常见芯片

1. SN74HC244PWR

SN74HC244PWR是一款三态缓冲器/驱动器芯片，其主要作用是在电路中提供信号的缓冲和驱动功能。主要用于信号的缓冲、驱动和隔离，以提高电路的性能、稳定性和可靠性。它广泛应用于数字电路、通信系统、计算机接口和其他电子设备中。

在实际电路设计中一般可用于串口信号的输出

它具有20个引脚，以下是对每个引脚的详细分析：

• 1A1: 输入端口1A1，用于接收输入信号。
  1Y1: 输出端口1Y1，对应于输入端口1A1的输出信号。
• 2A1: 输入端口2A1，用于接收输入信号。
  2Y1: 输出端口2Y1，对应于输入端口2A1的输出信号。
• 3A1: 输入端口3A1，用于接收输入信号。
  3Y1: 输出端口3Y1，对应于输入端口3A1的输出信号。
• 4A1: 输入端口4A1，用于接收输入信号。
  4Y1: 输出端口4Y1，对应于输入端口4A1的输出信号。
• 1A2: 输入端口1A2，用于接收输入信号。
  1Y2: 输出端口1Y2，对应于输入端口1A2的输出信号。
• 2A2: 输入端口2A2，用于接收输入信号。
  2Y2: 输出端口2Y2，对应于输入端口2A2的输出信号。
• 3A2: 输入端口3A2，用于接收输入信号。
  3Y2: 输出端口3Y2，对应于输入端口3A2的输出信号。
• 4A2: 输入端口4A2，用于接收输入信号。
  4Y2: 输出端口4Y2，对应于输入端口4A2的输出信号。
• 4OE: 输出使能引脚，用于控制输出端口是否有效。
• VCC: 正电源引脚，连接到正电源（一般为5V）。
  GND: 接地引脚，连接到电路的地/负极。

主要作用：

• 1. 缓冲器功能： SN74HC244PWR 可以将输入信号进行放大、稳定和隔离，以提供更强的输出信号。它可以防止输入信号的干扰或变形对后续电路产生影响，从而确保信号传输的可靠性和稳定性。

• 2. 驱动器功能： SN74HC244PWR 可以驱动较重的负载，如逻辑门、存储器等，以确保信号能够有效地传输到目标设备或电路。它提供了高驱动能力，使得信号能够在电路中长距离传输而不损失质量。

• 3. 三态功能： SN74HC244PWR 具有三态输出功能，即输出端口可以处于高电平、低电平或高阻态。这使得多个芯片可以在同一个总线上共享，并且通过控制使能引脚来选择性地使输出有效或无效。

• 4. 电路隔离： SN74HC244PWR 可以实现输入和输出之间的电路隔离，防止信号的反馈和干扰。这对于保护电路中的敏感元件或防止干扰很重要。

2. TLP2362

TLP2362是一款光耦合器（Optocoupler）芯片，用于隔离和传输电气信号,在输入和输出之间通过光耦合实现了电气隔离。这意味着输入和输出电路之间的信号传输是通过光线而不是直接的电流传输。光耦合器的隔离性质有助于提供电气隔离和噪声抑制，从而增强系统的稳定性和安全性。

TLP2362 是数字输入和数字输出的光耦合器，适用于直接与 MCU 的数字引脚连接。它可以通过逻辑电平（高或低）来进行控制和通信。

在实际电路设计中一般可用于PWM信号的传输。

具有两个主要引脚：

输入引脚：是连接到输入信号的引脚(如上图LF_PWM)，当输入信号施加在该引脚上时，LED 将发出光信号。

输出引脚：是连接到光敏三极管的引脚(如上图LF_PWM_OUT)，。当 LED 发出光信号时，光敏三极管将感应到光，并产生相应的电信号输出。

通过使用 TLP2362 进行电气隔离，PWM 信号可以有效地传输到目标电路中，同时保持输入和输出电路的隔离性和稳定性。

3. ACS724

ACS724 是一种基于霍尔效应的电流传感器芯片，用于测量直流或低频交流电流，它使用集成的霍尔传感器来感测磁场，并将电流信号转换为与输入电流成比例的电压输出。

以下是 ACS724 测量电流的基本原理：

• 1. 连接电路：将 ACS724 的输入引脚与待测电流的回路连接。通常，电流通过 ACS724 的感测路径，可以将待测电流的正负极之间的线路引入 ACS724 的感测端口。

• 2. 霍尔效应测量：ACS724 使用集成的霍尔传感器来感测通过感测路径的电流，并将其转换为一个与输入电流成比例的电压输出。霍尔传感器感应通过电流产生的磁场，并生成一个电压信号。

• 3. 输出电压：ACS724 的输出是一个模拟电压，其大小与输入电流成比例。输出电压通常在芯片规格中有所指定，可以通过外部电路进行放大和处理，以适应 MCU 的输入范围。

• 4. 读取输出：通过连接 ACS724 的输出引脚到 MCU 的模拟输入引脚，可以读取 ACS724 的输出电压。使用 MCU 的模拟输入功能，你可以获取与输入电流成比例的电压值。

• 5. 校准和计算：为了获得准确的电流值，你可能需要进行校准。校准通常涉及在已知电流条件下测量 ACS724 的输出电压，并使用该信息来建立电流与输出电压之间的关系。然后，使用校准曲线或方程式将测量到的输出电压转换为相应的电流值。

请注意，ACS724 的输出是模拟电压，因此需要将其与 MCU 的模拟输入引脚匹配，并确保 MCU 的ADC（模数转换器）的分辨率和采样速率足够满足所需的精度和响应时间

4. LM358

LM358 是一种双运算放大器芯片，通常用于信号放大、滤波、比较和运算等应用。它由两个独立的运算放大器组成，具有低功耗、宽电压供应范围和较高的共模抑制比等特点， 可以用于测量电压，但需要适当的外部电路来实现电压测量功能。

以下是一种基本的电压测量电路，使用 LM358 来测量电机的电压：

• 1. 连接电路：将电机的正极连接到电路的正电源，负极连接到电路的负地。确保电路的电源范围适合 LM358 的工作电压范围。

• 2. 分压电路：使用电阻分压电路将电机的高电压降低到适合 LM358 输入的范围。这可以通过将两个合适的电阻连接到电机的正负极之间来实现。选择电阻值以获得所需的分压比例，使得分压后的电压适合 LM358 的输入范围。

• 3. 连接至 LM358：将分压电路的输出连接到 LM358 的一个运算放大器的非反向输入引脚（+）。将该运算放大器的反向输入引脚（-）接地。连接运算放大器的输出引脚到 MCU 或其他读取电压的设备。

• 4. 供电和引脚连接：确保 LM358 的电源引脚正确连接到适当的电源电压和地线。还要连接运算放大器的引脚，以便实现所需的操作模式和功能。

• 5. 读取输出：使用 MCU 或其他设备来读取 LM358 输出的电压。根据 LM358 的规格和电路设计，你可以获得与电机电压成比例的电压输出。

需要注意的是，LM358 是一种运算放大器，其输入电阻相对较高，可以接受较高的电压，但仍然需要根据具体的应用需求来选择电阻分压比例和电路设计，以确保测量到的电压在 LM358 的输入范围内。

5. EL357-NB

EL357-NB 是一款光耦合器（Optocoupler）芯片，它集成了发光二极管和光敏二极管，一种高速、高精度、模拟输入和数字输出的光耦合器，需要与 MCU 的模拟输入引脚或使用 ADC（模数转换器）进行信号采样和处理。

在实际电路设计中一般可用于控制信号的输出，如继电器。

功能作用：

• 1. 电气隔离： EL357-NB可以实现输入和输出电路之间的电气隔离。通过光隔离的设计，输入端和输出端的电流和电压之间没有直接的电气连接，从而避免了潜在的电气干扰和噪声传播。这种电气隔离可以提高系统的安全性和可靠性，减少可能的故障和损坏。

• 2. 信号传输： EL357-NB通过调制LED的光输出来传输输入信号。当输入信号发生变化时，LED的光输出也相应改变。光敏二极管接收到这些变化的光信号后，将其转换为相应的电信号，从而实现输入信号到输出信号的传输。这种光电转换的过程可以实现隔离和传输各种类型的信号，例如数字信号、模拟信号、脉冲信号等。

• 3. 噪声抑制： 由于EL357-NB实现了光隔离，它可以有效地抑制来自输入电路的噪声和干扰信号。输入端的噪声和干扰不会传播到输出端，从而提高了输出信号的纯净性和可靠性。这对于在噪声敏感的应用中，例如测量、控制和通信系统，具有重要意义。

• 4. 电压级移： EL357-NB还可以实现输入和输出电路之间的电压级移。由于电气隔离的存在，输入端和输出端可以处于不同的电位，从而能够将高电压系统和低电压系统之间的信号传输和互联。

6. SMBJ30CA

SMBJ30CA 是一种电子元件，它是一款双向可防护二极管，常用于保护电路免受过压或过电流的损害。主要功能是在电路中提供过压保护。当电路中的电压超过设定的阈值（30V）时，SMBJ30CA 将自动导通，将过压电压引导到地，以保护其他电路元件免受损坏。

SMBJ30CA 具体含义：

• SMBJ：表示 SMBJ 封装类型，它是一种表面贴装设备封装，具有矩形形状和小尺寸，适合在印刷电路板上进行安装。

• 30：表示这个二极管的额定反向工作电压（V_RWM）为 30V。这意味着在正常工作条件下，该二极管可以承受不超过 30V 的反向电压。

• CA：表示该二极管是双向可防护型二极管，具有双向电压防护功能。它可以保护电路免受正向和反向过压的损害。