RC復(fù)位電路原理分析

前幾周逗比君在調(diào)試時(shí)遇到了這樣一個(gè)現(xiàn)象，如下圖所示

藍(lán)色的是3.3V上電信號(hào)（除個(gè)別芯片使用其他電壓外，整板使用3.3V供電），粉紅色的復(fù)位信號(hào)（此處的復(fù)位信號(hào)是低電平有效的RC接反相器之后的輸出），橫軸每格為2ms，縱軸每格為1V。復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生使用RC上電復(fù)位，可是這里的上電復(fù)位信號(hào)竟然就這么隨著3.3V 就這么頭也不回的一起走了！其結(jié)果就是我的芯片并沒(méi)有收到期望中的復(fù)位信號(hào)，導(dǎo)致工作異常。

于是，逗比君就決定好好理一理RC上電復(fù)位里的各種門道！

依據(jù)復(fù)位信號(hào)的分類，RC復(fù)位電路又可分為高電平有效的RC復(fù)位（下圖左）和低電平有效的RC復(fù)位（下圖右）

以低電平有效的RC復(fù)位電路為例，我們首先對(duì)其原理進(jìn)行分析：

在0時(shí)刻，電容C兩端電壓為0，對(duì)應(yīng)RST為低電平

在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)刻，電容C兩端電壓與VCC兩端電壓一致，對(duì)應(yīng)RST為高電平

由此可知，隨著電容C兩端的電壓逐漸升高，RST對(duì)地的電壓幅值也在升高，對(duì)于普通的芯片而言，其識(shí)別到的低電平與高電平也總是一個(gè)范圍，因此在Vrst到達(dá)芯片復(fù)位管腳可識(shí)別到的高電平后，低電平有效的復(fù)位時(shí)間結(jié)束，此后該管腳均保持高點(diǎn)平狀態(tài)。

為了驗(yàn)證上述的理論分析正確性，我們對(duì)C兩端的電壓值進(jìn)行計(jì)算：

此時(shí)Uc的計(jì)算變成了一個(gè)關(guān)于Uc的一元微分方程組（我也沒(méi)想到這個(gè)地方會(huì)扯到高數(shù)，我也是服了我自己），那么我們就解一下這個(gè)東西

可以看到上述得到結(jié)果，在t=0時(shí)，電容兩端的電壓為0，在t趨近于無(wú)窮大時(shí)，電容兩端的電壓為Vcc，這個(gè)結(jié)果與我們的理論分析結(jié)果是一致的。

理解了這個(gè)之后，我們開始對(duì)復(fù)位時(shí)間進(jìn)行分析，由上述的推導(dǎo)可知復(fù)位時(shí)間為

假設(shè)電容充電至0.9Vcc時(shí)認(rèn)為復(fù)位完成，那么可以計(jì)算得到需要的時(shí)間為

通常將RC的乘積稱為時(shí)間常數(shù)，由此可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)電路中的RC值用于電路設(shè)計(jì)。

在實(shí)際的應(yīng)用中，假設(shè)電源電壓為3V，芯片的復(fù)位管腳在大于2V時(shí)通常會(huì)認(rèn)為是高電平，此時(shí)計(jì)算時(shí)間可知，僅在一倍的時(shí)間常數(shù)下，即可實(shí)現(xiàn)低電平RC復(fù)位的目的。

RC復(fù)位的基本原理我們到這里就算是說(shuō)明白了，可以設(shè)想到實(shí)際應(yīng)用中，如果僅用RC復(fù)位的話，其效果應(yīng)同本文開頭圖中看到的現(xiàn)象一樣，復(fù)位信號(hào)隨著電源建立的過(guò)程逐漸上升，這與我們通常理解的電平由0到1的跳變過(guò)程是不一樣的，因此我們這里加入反相器，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)更加“平滑”的復(fù)位信號(hào)。

先來(lái)看看包含反相器的RC復(fù)位電路

圖中的復(fù)位信號(hào)僅反向一次，事實(shí)上在我們實(shí)際使用中，需要反向三次來(lái)實(shí)現(xiàn)與原信號(hào)的一致

因此以某款反相器為例，繼續(xù)向后分析

在反相器電源電壓為3.3V時(shí)，由其手冊(cè)可知正躍變閾值電壓約為1.0V~2.0V之間，即未到達(dá)正躍變閾值電壓時(shí)，反相器輸出的總是一個(gè)低電平，到達(dá)正躍變閾值電壓后，反相器輸出的總是一個(gè)高電平，這樣即可得到一個(gè)“平滑”的低電平到高電平的復(fù)位信號(hào)。

（到這里我們從另一個(gè)角度去思考下，低電平有效的RC電路中，電容C由于其本生的充電過(guò)程，使得反相器先到達(dá)其3.3V的工作電壓，在反相器正常工作后，開始監(jiān)控復(fù)位管腳上電壓值，到達(dá)正躍變閾值后，輸出的電平由低電平到達(dá)高電平，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。）

接著我們?yōu)榱耸沟碗娖接行У腞C復(fù)位電路具有更強(qiáng)的魯棒性，我們加入二極管來(lái)增強(qiáng)其在放電階段的速度

二極管的作用可以理解為在電源斷電后，電容可通過(guò)二極管迅速放電，待下次電源上電時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠的上電復(fù)位。這種情況通常出現(xiàn)在電源因某種干擾瞬間斷電時(shí)，電容C不能迅速將電荷放掉，在電源恢復(fù)后無(wú)法進(jìn)行完整的充電造成芯片沒(méi)有復(fù)位，致使芯片異常。

到這里我覺(jué)得理論分析部分基本結(jié)束，繼續(xù)我們的故障討論，在本文開始的圖中，選用的電阻值為330K，電容為0.0224uF，計(jì)算可知時(shí)間常數(shù)約在7ms左右，通過(guò)觀察3.3V的建立時(shí)間約為8ms左右，使得我們懷疑上電時(shí)間過(guò)緩造成的電容C的充電過(guò)程過(guò)于緩慢，同時(shí)給到反相器正常工作時(shí)，復(fù)位管腳的電壓已經(jīng)大于2V，造成復(fù)位管腳輸出總是為高電平，最終造成復(fù)位信號(hào)也在一直爬坡。

改進(jìn)方法就是增長(zhǎng)電容C的充電時(shí)間，我們將電容值擴(kuò)大到0.1uF，將時(shí)間常數(shù)擴(kuò)大到35ms左右，此時(shí)的狀態(tài)如下圖所示，橫軸每格為5ms，縱軸每格為1V，復(fù)位信號(hào)狀態(tài)有顯著改善，產(chǎn)品對(duì)應(yīng)芯片復(fù)位引腳工作正常。

說(shuō)到這里，RC復(fù)位電路，你好像也沒(méi)有那么煩了~