2。硬件基础知识

介绍嵌入式软件开发所需要了解的硬件基础知识，与软件相结合学习

一电阻

阻值：直标法，或色标法（碳膜电阻上的横线）

类型：线性，非线性（压敏电阻、热敏电阻）

基本参数：标称阻值、额定功率、允许误差

电阻在原理图中的表示方法

1 电阻的功能

分压

限流

测温

防浪涌（电压很大时，R1短路，保护电路）

二电容

电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下自由电荷的储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。

利用数字万用表的蜂鸣器，快速检测电容器C是否好用

电容在原理图中的表示方法

1 电容的特点和作用

特点：

隔直通交（隔直流电通交流电）

电容器上的电压不能突变

作用：

储能，通过整流器收集电荷，并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。因此电路的输出端一般会有电容

滤波，利用电容两端电压不会突变，进行滤波，大电容（1000uf）滤低频，小电容（20pf）滤高频（例子为：低通滤波）

退耦、旁路，也是滤波，滤的是高频噪声

三电感

抵制电流变化，理想电感没有电流损耗，只是一个储能元件

电感的特性：通直流阻交流（与电容正好相反）

电感的分类：

按封装形式分：贴片电感和插件电感

按频率分：高频电感、中频电感和低频电感

按用途分：震荡电感、隔离电感、滤波电感

电感的作用：

滤波，用电感或电容来滤波都属于无源滤波

LC震荡

延迟

四熔断器（保险丝）

按形式分：过电流保护和过热保护保险丝

按熔断速度

按是否可恢复：不可恢复保险和自恢复保险

五二极管

贴片二极管

伏安特性

温度特性

二极管类型的分类

二极管的测量

用二极管档、蜂鸣器档、电阻档都可以

六三极管

三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。

基本定义

分类

基本工作原理

用万用表判断三极管的类别和极性

三极管的放大电路（又分共基极电路、共射极电路、共集级电路）

三极管的功能及应用

电流放大

控制开关(同时这里也控制了继电器的开关)

稳压

七接插件、按键及拨码开关

原理图

接插件实物图

按键实物图

拨码开关实物图

拨码开关原理图

八蜂鸣器

实物图

分类

蜂鸣器原理图

九 MOS管（做开关电源）

MOS管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用MOS管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。

MOS管作用:

Nmos为例：信号切换、电压通断。Pmos与之相反

隔离作用

十电阻进阶（压敏电阻，热电偶）

压敏电阻（过电压保护）

热电偶传感器（高温检测热电阻、低温检测热敏电阻）

负温度系数热敏电阻在电冰箱温度控制中的应用·

十一电感进阶（变压器）

十二二极管进阶（整流桥）

由四个二极管组成，以下是原理图

整流桥的应用（半波、全波、桥式整流）

半波整流

全波整流

全波整流和半波整流都是对交流电进行变成直流电的方法。

半波整流仅仅使用了输入电压正半周或者负半周的其中一个，就像是将一个矩形波的一半截掉，所以在输出端只有一半的电压与功率，另一半被削弱或者忽略了。因此，半波整流的效率较低，适用于要求不高的简单电路。

全波整流则是利用整流管两个P-N结件的导通特性，使得输入电压正半周和负半周都得到有效利用，输出端的全部电压和功率都可以被利用。因此，全波整流的效率更高。但是相比于半波整流，全波整流的元器件和数量比较多，同时设计也稍微复杂一些。

桥式整流

桥式整流电路由四个单向导电元件（通常为二极管）组成，这四个元件通过连线形成桥状结构。输入电压经过变压器降压后接入桥式整流电路的输入端，输出端则为整流后的直流电压。

桥式整流电路的工作原理是，当输入电压为正半周时，D1和D3两个二极管导通；当输入电压为负半周时，D2和D4两个二极管导通。这样，桥式整流电路可以让输入电压的正半周和负半周都得到充分利用。相比于半波整流和全波整流，桥式整流电路的效率更高，输出直流电压质量更好，因此在实际应用中被广泛采用。

十三功率器件IGBT（整流）

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的缩写，即绝缘栅双极晶体管。IGBT是一种功率半导体器件，广泛用于工业控制、电力电子等领域。

IGBT集成了双极型晶体管和MOS场效应管的优点，在高频率下具有低开关损耗，且输入阻抗高，控制方便。因此，IGBT比其他功率半导体器件有更高的开关速度和更低的导通电阻，能够承受更高的电压和电流。

IGBT主要由NPN型双极晶体管与PNP型双极晶体管组成，其输入端为固态栅极，通过对栅极施加正向或反向的电压来控制其导通或截止。当IGBT导通时，它的电压降较低，能够减小损耗和加快开关速度；当IGBT截止时，它的输入电流很小，保持在微安级别，耗能较低。

IGBT主要的功能是控制电流和电压，将直流电源转换为可以控制频率、相位和幅度的交流电源，控制电机的运行和速度。

以电动汽车为例，IGBT主要用于变频器，将电池输出的直流电转换为可调节的三相交流电。当需要加速时，变频器控制IGBT导通时间增加，从而提高电机的转速；当需要制动或减速时，变频器控制IGBT截止时间增加，从而降低电机的转速。

在工业控制中，IGBT也常应用于AC调速系统中，如风机、水泵等设备的变频调速器中。通过改变IGBT的导通或截止状态，可以控制输出电源的频率和相位，从而实现对设备转速的调节，达到节能、降低噪音等目的。

实物图

IGBT原理图

十四电源转换器件

用途

常用器件（78XX/79XX系列的三端稳压器）

十五晶振

晶振就是指晶体振荡器，它是一种能够在电路中产生精确稳定的振荡信号的元器件。

晶振的主要组成部分是晶体谐振器，它由一个薄片石英晶体和两个金属电极组成。当晶体振动时，在晶体内部就会产生电场变化，从而形成高稳定性、高精度的振荡信号。这个信号可以用来调整和同步电路中各种元器件的工作状态和时间，保证电路的正常运行。

晶振通常用于数字电路中，如微控制器、计算机等，通过晶振提供的时钟信号来同步各个元器件的操作。此外，晶振还是无线电收发电路中的重要元器件，可以用于产生超声波、射频信号等。

晶振的优点是精度高、稳定性好、温度漂移小，但也有一些限制，如价格较高、频率范围窄、输入功率有限等。因此，在选择晶振时需要根据具体应用场景来综合考虑这些因素。

应用

晶振在单片机中的应用

有源晶振与无源晶振的区别（是否需要内部振荡器）

十六继电器

实物图（信号传递、功率放大）

电路图

分类（电压及电流继电器、时间继电器、中间继电器）

电压电流式继电器

电压电流式继电器是一种用于保护电路和设备的电气元件，它可以监测电路中的电压和电流信号，并在出现异常时立即切断电路。

该继电器通过检测电路中的电压和电流信号来确定电路是否正常工作。如果电路发生故障或负载电流超过了额定值，继电器就会立即切断电路，以避免可能的损坏或危险。

一般情况下，电压电流式继电器都有两个输入端，一个是电流输入，另一个是电压输入。当输入信号超过设定的阈值时，继电器就会动作，切断电路并输出一个告警信号，从而实现对电路的保护。

电压电流式继电器广泛应用于各种电力系统、工控系统、通讯网络等领域中，特别是在需要进行电力负载控制和保护的场合，如电力负载开关、电力接触器、故障保护装置等。此外，它还广泛应用于家用电器、智能家居、汽车电子等领域，保障电路的安全可靠性。

时间继电器

时间继电器是一种能够在电路中实现时间延迟功能的电气元件。它可以在电路中设置一个预定的时间延迟，然后在该延迟时间到达时执行特定的操作或控制。

时间继电器通常由控制电路、计时电路和触发电路等组成。在工作时，通过输入信号触发计时电路开始计时，并将计时结果存储在触发电路中。当计时时间到达设定值时，触发电路就会输出一个信号，从而触发所连接的其他电路或设备的操作。

时间继电器的应用非常广泛，例如在工业自动化系统中，可以用它来实现各种控制任务，如开关灯光、启停电机、控制温度等；在家用电器领域中，可以用它来控制空调、热水器、洗衣机等家电的启停；在安防领域中，可以用它来控制门禁、警报器等设备的操作。

总之，时间继电器在各个领域中都有着广泛的应用，它的主要优点是精度高、稳定性好、使用方便等。

中间继电器

中间继电器是一种常用于自动控制系统中的电气元件，它能够在电路中实现信号的放大、隔离和分配等功能。中间继电器通常由继电器本体、触点组和钩子组成，其中继电器本体可以实现信号的放大、隔离和交换等功能，而触点则可以实现信号的切换和转接。

中间继电器的主要作用是隔离不同电路之间的信号，以防止可能的互相干扰和损坏。此外，中间继电器还能够将一个输入信号分配给多个输出端口，从而实现对多个装置的控制。

中间继电器广泛应用于各种工业自动化、电力电气和智能控制等领域中，如PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）、变频器、电机控制等。在这些应用中，中间继电器可以实现信号的放大和隔离，提高信号传输的可靠性和稳定性，同时也提高了设备的安全性和可维护性。

总之，中间继电器在自动化控制领域中起着至关重要的作用，它可以实现信号的放大、隔离和分配等功能，为各种控制任务提供了可靠的技术支持。

如何用继电器实现逻辑电路“与”或“非”

继电器可以用于实现基本的逻辑电路，其中最基本的三种逻辑电路是"与"门、"或"门和"非"门。

"与"门：使用继电器实现"与"门需要两个输入信号和一个输出信号。当两个输入信号同时为1时，输出信号才为1，否则输出信号为0。实现方法是将两个输入信号连接到两个继电器上，再将这两个继电器的输出端点连接到一个第三个继电器的输入端点，当两个继电器都动作时，第三个继电器的输出才会动作。

"或"门：使用继电器实现"或"门需要两个输入信号和一个输出信号。当两个输入信号中任意一个为1时，输出信号就为1，否则输出信号为0。实现方法是将两个输入信号连接到两个继电器，将这两个继电器的输出端点连接到一个第三个继电器的输入端点，无论哪一个继电器动作，第三个继电器的输出都会动作。

"非"门：使用继电器实现"非"门需要一个输入信号和一个输出信号。当输入信号为1时，输出信号为0，当输入信号为0时，输出信号为1。实现方法是将输入信号通过一个继电器，使得输入信号为1时，这个继电器不动作，而当输入信号为0时，这个继电器发生动作，输出一个1信号。

需要注意的是，使用继电器实现逻辑电路的速度相对较慢，而且随着逻辑复杂度的增加，需要使用的继电器数量也会增加，因此在实际应用中，常常采用其他数字逻辑芯片来实现更高效的逻辑电路。

十七光耦（实现电-光-电转换、抗干扰）

又可分为非线性光耦与线性光耦

开关电源中常用的为线性光耦

实例电路图

十八缓冲器

又分输入缓冲器、输出缓冲器

输入缓存器是将外部输入暂时存放，以便处理器将他取走

使高速工作的CPU与慢速工作的外设起到协调和缓冲作用，实现同步作用

硬件电路中的缓冲器是一种电子元件，主要用于放大和传输信号，同时也能够隔离不同电路之间的信号。缓冲器可以使信号传输更为可靠、稳定，从而提高整个电路的性能。

缓冲器的主要作用是将一个电路的输出信号放大或隔离后，再将其传输到另一个电路中。在这个过程中，缓冲器能够确保信号的质量不会因为传输过程中的损失而下降。此外，缓冲器还能够有效地隔离电路之间的信号，从而避免信号干扰和损坏。

举例来说，缓冲器可以被用于锁存器电路中，其中锁存器需要一个输入信号并产生一个输出信号。在这种情况下，缓冲器可以起到一个信号放大和隔离的作用，确保输入信号的质量和稳定性，并将其精确地传输到锁存器电路的其他部分。

此外，缓冲器还广泛应用于各种数据通信系统中，例如串行通信、并行通信等。在这些应用中，缓冲器能够确保数据信号的质量和稳定性，在传输过程中能够防止信号干扰和数据丢失。

总之，缓冲器在硬件电路中起着至关重要的作用，它能够放大、隔离和传输信号，从而提高整个电路的性能和可靠性。

十九触发器

硬件电路中的触发器是一种同步电路，可以在特定的时刻或条件下将输入信号转换成一个稳定的输出信号。触发器常见的几种类型包括SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器等。

触发器的主要作用是存储和传输数据信号，通常被用于数码逻辑电路、计算机内存和CPU寄存器等领域。触发器可以记录数据状态，并在接收到时钟信号的特定时刻更新输出状态，以实现高速、可靠的数据传输和处理。

举例来说，D触发器是一种最简单的触发器类型，主要用于存储单个二进制位。它包含一个输入端(D)和一个时钟端(CLK)，并输出两个输出端(Q和/ Q)。当CLK输入为1时，D触发器会在时钟上升沿（即由0到1）的那一瞬间将输入信号D存储并保持到输出端Q，同时将其相反值输出到/Q端。当时钟输入为0时，D触发器则会保持当前状态不变。

D触发器还可以通过级联方式组成更复杂的电路，从而实现更多功能。例如，多个D触发器可以级联形成一个移位寄存器，用于向左或向右移位二进制数据。此外，D触发器可以与其他逻辑电路（如门电路）组合使用，以实现更高级别的操作。

总之，触发器在硬件电路中是非常重要的构建块，它们主要用于存储和传输二进制数据，能够实现高速、可靠的信号处理和传输。不同类型的触发器可以用于不同的应用，因此具有广泛的实际应用价值。

电路符号

同步RS触发器

主从RS触发器

二十计数器

对输入时钟脉冲进行计数

硬件电路中的计数器是一种同步电路，用于记录和计算输入脉冲的数量。计数器通常由若干个触发器组成，能够以固定的速率接收输入脉冲，并根据预设规则进行累加或减少操作。

计数器的主要作用是实现数字计数和定时控制等功能。它可以记录输入脉冲的数量，也可以在达到预设计数值时输出相应的信号，用于触发其他电路或控制器的行动。

举例来说，4位二进制计数器是一种常见的计数器类型。它由4个触发器组成，每个触发器的输出通过一个异或门和一个与门进行控制。当输入脉冲信号(CLK)到达时，计数器会按照特定的逻辑规则累加或减少计数器的值，并将更新后的二进制值存储在该计数器的输出端口上。

例如，一个4位二进制计数器的值从0000开始，每当接收到一个上升沿的CLK信号时，该计数器的值就会加1。当计数器的值达到1111时，它会自动地回滚到0000，并在下一个上升沿时再次开始计数。这种计数器可以用于许多应用，如时钟电路、频率分频器、计时器等等。

总之，计数器是硬件电路中非常重要的构建块，它们能够实现数字计数和定时控制等功能，被广泛应用于各种电子设备和系统中。不同类型的计数器可以用于不同的应用，因此具有广泛的实际应用价值。