《智能光电系统设计》课件 项目3 常见电路模块

项目3常见电路模块任务目标1、学会分析常见、基本的电源电路模块，理解电源电路在一个电路中的重要性。2、掌握回收桶控制基础电路模块，如开关电路，运放类电路，ADC转换。3、掌握晶振电路、复位电路等这些嵌入式电路基础单元。3.1电源电路电源电路是指提供给用电设备电力供应的电源部分的电路及其电路形式，一般有交流电源也有直流电源之分。电源电路一般可分为开关电源电路，稳压电源电路，稳流电源电路，功率电源电路，逆变电源电路，DC-DC电源电路，保护电源电路等。以下介绍几种常用的电源电路：3.1.1三端集成稳压电源三端集成稳压电源以正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列比较常见，其中xx表示固定电压输出的数值。如：7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79xx系列也与之对应，只不过是负电压输出。这类稳压器的最大输出电流为1.5A，塑料封装(TO-220)最大功耗为10W(加散热器)；金属壳封装(TO-3)外形，最大功耗为20W（加散热器）。LM7805的典型应用电路见图3-1。图3-17805典型应用3.1.25V电源电路示例输出5V的电源有多种选择，如降压型电源管理芯片LM2596S-5.0，其应用电路如图3-2所示，输入的12V直流电压经LM2596S-5.0后输出稳定的5V直流电压，输出电流可达3A。图3-2降压型芯片LM2596S-5.0输出5V3.1.25V电源电路示例图3-3开关电源芯片TPS54332输出5V

也有采用开关电源方式的，如图3-3所示，TPS54332输出1MHz的开关信号，该开关信号的占空比受外电路参数的调节，当参数选定后，电路的输出电压可以稳定到5V。3.1.35V转3.3V电源电路示例电路中，ARM芯片等一般需要3.3V的供电电压，这时候，5V转3.3V的电路就成为必要。常见的芯片有ASM1117-3.3V或REG1117-3.3V，图3-4显示的是利用REG1117-3.3V将5V转成3.3V的电路。图3-4

5V转3.3V电源芯片3.2开关电路开关电路有数字开关电路、模拟开关电路、机械开关电路等。开关电路的输入和输出一般都是开关两，即高电平或低电平。如图3-5（a）所示，当DI01的输入是高电平时，NPN晶体管Q1饱和导通，DO01被拉到低电位；当DI01的输入是低电平时，Q1截止，DO01被拉到高电位。如图3-5（b）所示，当DI02的输入是高电平时，PNP晶体管Q2截止，DO02输出低电位；当DI02的输入是低电平时，Q2饱和导通，DO02被拉到高电位。图3-5由三极管所构成的开关电路3.3同相比例运算放大电路同相输入放大电路的典型电路如图3-6所示，信号电压vin通过电阻R46加到运放的同相输入端，输出电压vout通过电阻R37和R47反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。根据虚短、虚断的概念可求得：vout=（1+R47/R37)vin所以该电路实现同相比例运算。图3-6同相比例运算放大器电路3.4反相比例运算放大电路反相输入放大电路的典型电路如图3-7所示，信号电压vin通过电阻R30加到运放的反相输入端，输出电压vout通过反馈电阻R32反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路。根据虚短、虚断的概念可求得：vout=-(R32/R30)*vin该电路实现反相比例运算放大，输出反相。图3-7反相比例运算放大电路3.5运算放大器构成比较器图3-8显示的是一个比较器电路，输入电压vin经R10、R12分压后，和U6B同相输入端的电压值进行比较，大于U6B同相输入端的电压时，输出接近VEE，小于U6B同相输入端的电压时，输出接近VCC。图3-8比较器电路3.6运算放大器构成加法器用运算放大器可以构成反相加法器电路，实现若干个电压信号的加法运算如图3-9所示。由于虚断特性，输入运算放大器的电流为0；又由于虚短特性，u-=u+，因此有：因此有如果R1=R2=R3，则图3-9反相加法器电路3.6运算放大器构成加法器图3-10是由运算放大器构成的同相放大器，输入电压和输出电压之间的关系为：如果R1=R2=R3，则图3-10同相加法器3.7ADCADC(analogtodigitalconverter）是数模转换的意思，即将模拟量转换为数字量。ADC的基本转换原理可分为：采样保持电路（Sampleandhold）、量化（Quantizer）、编码（Coder）等，所谓采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量。将采样结果储存起来，直到下次采样，这个过程叫作保持。模拟信号通过ADC转换成数字信号的这一过程称为量化；将量化的数据进行编码，即可输出的数字信号。ADC(analogtodigitalconverter）是数模转换的意思，即将模拟量转换为数字量。ADC的基本转换原理可分为：采样保持电路（Sampleandhold）、量化（Quantizer）、编码（Coder）等，所谓采样就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量。将采样结果储存起来，直到下次采样，这个过程叫作保持。模拟信号通过ADC转换成数字信号的这一过程称为量化；将量化的数据进行编码，即可输出的数字信号。3.7ADC图3-11显示的是量化编码示意图，如果按照1V的间隔编码，则可用000代表电压0≤V＜1，001代表电压1≤V＜2，010代表电压2≤V＜3，011代表电压3≤V＜4，100代表电压4≤V＜5，101代表电压5≤V＜6，110代表电压6≤V＜7，111代表电压7≤V＜8。如果将量化台阶间隔减小，则测量的精度会更高。图3-11量化编码示意图3.7ADC微控制单元(MicrocontrollerUnit;MCU)均具有ADC功能，一般都有很多个ADC输入通道。以STM32F407为例，共中有三个ADC（ADC1-3），每个ADC有12位、10位、8位和6位可选，每个ADC有16个外部通道。如果选12位ADC，如果输入参考电压3.3V，则0V对应0x000，3.3V对应0xFFF，其他的电压值可按比例计算。编写好程序后，获得的ADC值即是12位的数字量。3.8晶振电路在数字电路中，时钟起着至关重要的作用。时钟电路提供数字电路的时序控制的标准时刻，以便让数字电路在特定时刻完成特定任务。如果没有一个时序控制的标准时刻，整个数字电路就会成为“聋子”，就不知道什么时刻该做什么事情了。可以用RC、LC等的谐振电路获得时钟信号，但这些电路的振荡频率并不稳定，在对时钟要求较高的电路中，必须使用石英晶体振荡电路。石英振荡器简称晶振，英文名为Crystal，它是时钟电路中最重要的部件，它的主要作用是向显卡、网卡、主板等配件的各部分提供基准频率，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。3.8晶振电路图3-12是典型的晶振电路，其中a图是普通的晶振电路，需2个小电容以及MCU内部的放大器构成晶振电路；b图是有源晶振，通电即可以输出时钟信号。图3-12无源及有源晶振电路3.9复位电路复位电路，就是让电路尤其是有MCU、CPU等电路恢复到起始状态的电路。有几种手段都可以实现复位，一是在电路通电时马上进行复位操作，名为上电复位；一是在必要时手动操作，名为按键复位；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行，名为软件或程序复位。图3-13中由R23、S3、EEC4所构成的电路是比较常见的复位电路。在通电瞬间，电容器EEC4两端没有电荷，因此RESET端的电压为低电平，系统复位，即上电复位。为了确保复位，EEC4和R23可以取得较大一点，以使低电平的时间较长（一般需要20ms以上）。随着电容器充电的进行，RST电位逐渐升高，超过复位阈值电压后，复位结束，系统正常工作。复位电路的参数能否满足要求，可以用公式=RC进行计算。在系统运行时，如果按下按键S3，则RESET电位又被拉低，可以实现按键复位。图3-13复位电路项目小结本项