一文掌握基礎(chǔ)電路,嵌入式開發(fā)深入淺出

1. 電路知識

1.1.驅(qū)動能力

IC是數(shù)字邏輯芯片，其輸出的是邏輯電平。邏輯電平0表示輸出電壓低于閾值電壓，邏輯1表示輸出電壓高于閾值電壓。負載則是被驅(qū)動的電路或元件，負載大小則指負載的電阻大小。

驅(qū)動能力主要表現(xiàn)在幾個方面：

負載能力：負載過大表現(xiàn)為外部負載的阻值過小，在電壓不變的情況下，過小的阻值會導致電流過大，可能會燒壞器件。負載過小，表現(xiàn)為外部負載的阻值達大，在電壓不變的情況下，過大的阻值會導致電流過小，信號會延遲和衰減。負載能力表現(xiàn)為其電流大小范圍，所以外部負載大小必須合理設(shè)計。

扇出(Fan-out)能力：表現(xiàn)為可以驅(qū)動多少個外部端口。

響應(yīng)速度：信號上長下降的時間，這也決定了信號工作頻率的最大值。

1.2.邏輯電平

邏輯電平是指在數(shù)字電路中表示邏輯狀態(tài)（0或1）的電壓或電位。它用于確定信號的“低”和“高”狀態(tài)，以便進行邏輯運算和數(shù)據(jù)處理。

TTL（Transistor-Transistor Logic）電平：TTL是一種廣泛使用的邏輯電平標準，TTL電路通常需要5伏特的供電電源，閾值電壓通常為2V。

CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是一種常見的邏輯電平標準，廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成電路和數(shù)字系統(tǒng)中。CMOS電平使用的是互補的MOSFET（金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管）來表示邏輯狀態(tài)。CMOS的工作電壓為5V、3.3V、1.8V、1.2V甚至更低。CMOS電平是現(xiàn)代IC的主流電平。CMOS電平的閾值電壓一般為工作電壓的一半。

1.3.輸出狀態(tài)

I/O的引腳輸出狀態(tài)除了高低電平兩種狀態(tài)之外，還有一個高阻狀態(tài)(意味著阻值非常大,極限是懸空無窮大)。高阻狀態(tài)在集成電路也被叫做Z態(tài)，其電平可能高也可能低，是受外部電路影響的。高阻態(tài)是一種輸入狀態(tài)，用來接收外部輸入信息。

1.4.GPIO

芯片內(nèi)存的輸入電路一般是使用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)的，其作用是當輸入電平高于閾值電壓時，其輸出一個穩(wěn)定的高電平，當輸入電平低于閾值電壓時，其輸出一個穩(wěn)定的低電平。下圖不IC輸入電路示意圖：

GPIO（General-purpose input/output），通用目的輸入輸出，指示IC的Pin可以用作輸出或輸入使用。

1.4.1.輸入模式

IO的輸入模式表示IO準備用來接收外部信號的輸入，其有3種狀態(tài)。

高阻(High resistance)狀態(tài)，即IO引腳處于一種高阻值狀態(tài)，此狀態(tài)不穩(wěn)定，易受外部影響導致變高變低，不推薦使用。

上拉電阻(Pull-up resistor)，在輸入模式下將引腳通過一個電阻與電源相連，這樣就能夠保證引腳在默認情況即位于高電平。上拉電阻(Pull-up resistor)，在輸入模式下將引腳通過一個電阻與電源相連，這樣就能夠保證引腳在默認情況即位于高電平。因為IC有內(nèi)阻，接入適合大小的上拉電阻，可以讓輸入引腳處電壓為3.3V。當外部輸入低電平時，無論是否接上拉電阻，輸入電平都為0。上拉電阻也會在開漏輸出中使用，選擇合適的上拉電阻，可以提供相應(yīng)的高電平。如下圖，IIC總線上的SLC/SDA接了上拉電阻，這是因為EEPROM的SCL/SDA要求空閑時為高電平。

下拉電阻(Pull-Down Resistor)，在輸入模式下，將引腳通過電阻連接到地，讓引腳的高阻態(tài)變?yōu)榈碗娖健?/p>

1.4.2.輸出模式

如下圖，是一個IC輸出引腳的內(nèi)部電路示意圖。通過控制2個MOS，理論上可以輸出4種狀態(tài)，但是Q1和Q2同時打開導通時，會造成短路異常。所以控制2個MOS管，可以輸出3種有效狀態(tài)。

推挽輸出（Push-Pull Output）：IO的驅(qū)動是通過電流來表現(xiàn)的，電流向往流，表現(xiàn)為推(Push)，輸出高電平。當電流往里流，表現(xiàn)為挽(Pull)，輸出低電平。推挽模式通過Q1打開Q2關(guān)閉、Q1關(guān)閉Q2打開來實現(xiàn)輸出高電平和低電平。高電平和低電平組成推挽輸出。

開漏輸出（Open-Drain Output）：假如IC的輸出高電平為5V，而外設(shè)器件只支持3.3V。推挽輸出的高電平可能導致外設(shè)器件燒壞，此時可以使用開漏輸出。MOS管Q1關(guān)閉和Q2打開，此時可以正常輸出低電平。MOS管Q1和Q2都關(guān)閉，此時引腳呈高阻態(tài)，此時在外部接入1個3.3V的上拉電阻，IO就可以輸出3.3V了。開漏模式下，可以通過外接不同電壓的上拉電阻來輸出不同的電平。低電平和高阻態(tài)組成開漏輸出。

1.5.濾波電路

在直接電路系統(tǒng)中，因為各種干擾或是整流不夠好，信號中依然會夾雜一些干擾波形。濾波電路就是為了去掉信號中的這些紋波干擾。濾波電路有非常多，常見的設(shè)計有電容濾波、電感濾波、復(fù)合濾波等。

1.5.1.電容濾波

電容器的特點是對直流電表現(xiàn)出的阻抗極大，相當于不導通，對交流電，頻率越高阻抗越小。利用電容器的這個特點可以將混雜在直流信號中的交流信號給過濾出來。電阻和電容構(gòu)建的RC濾波器，有低通和高通濾波器之分，RC濾波器的截止頻率的計算公式為：F(cutoff)= 1 /(2πRC)。

RC低通濾波，通過上面的公式可以計算下面的RC濾波器的截止頻率1592Hz，只有低于這個頻率的信號才能輸出。

RC高通濾波，只有高于截止頻率的信號才能輸出。如麥克風中會附加有直流信號，這是無效信號，可以用高通濾波過濾掉。

3. RC帶通濾波，即同時采用高通濾波和低通濾波，這樣就可以輸出指定頻率范圍內(nèi)的信號。

1.5.2.電感濾波

電感對頻率較低的信號具有較低的阻抗，而對高頻信號則表現(xiàn)出較高的阻抗。

截止頻率的計算公式為：fc = 1 /(2πRL))

RL低通濾波

2.RL高通濾波

1.5.3.復(fù)合濾波

復(fù)合濾波一般是指電容電感同時參與濾波，如LC帶通濾波，因為L,C并聯(lián)電路，電感和電容都是諧振頻率為f0，只有頻率為f0的信號可以通過LC帶通濾波器到下一級電路。

1.5.4.磁珠過濾

磁珠FB對高頻過濾有更好的效果，對電磁抑制效果好，并且其有更低的功耗，尺寸小巧，相比RC/RL過濾，磁珠在高溫高壓下的可靠性更高。C2和C3、C4均是去耦電容，去耦電容主要用于濾除電源波動引起的高頻噪聲和紋波，穩(wěn)定電源，減少開關(guān)噪聲在電路板上的傳播，并防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾。

1.5.5.電源去耦

電容有兩個特性儲能和濾波。電源在開頭的瞬間會有劇烈的變化，可能對IC有較大的影響。去耦電源通過其儲放電的特性，可以讓電源開關(guān)的時候變得更平緩，不會一瞬間完成，這個工作主要由10uF極性電容來完成。0.1uF的小電容，對高頻更敏感，主要是用來過濾高頻信號的。兩個電容都有儲能濾波的功能，只是側(cè)重點不同。

1.6.阻抗匹配

輸出與輸入電路的等效電阻如果不匹配，就會導致電壓電流分配的不均勻，進而會導致信號變化的時候發(fā)生反射，增加干擾等等，這種現(xiàn)象在高速傳輸都號中尤其重要，因為高速對信號的質(zhì)量要求更高。一般建議認為在300MHz的信號速度下，需要考慮阻抗匹配。

阻抗匹配的方法：

PCB走線的寬度、形狀(彎角、直角等)、距離等都影響阻抗大小，通過綜合設(shè)計PCB的走線來實現(xiàn)阻抗匹配。

在數(shù)據(jù)線終端直接添加阻抗匹配電阻進行匹配。

1.7.MOS管與繼電器

MOS管與繼電器都可以用于控制電路中的電流開關(guān)。

MOS管是通過控制柵極電壓來控制源極漏極導通實現(xiàn)對電流的開關(guān)，其響應(yīng)級別為納秒級，且其無機械部件，壽命可達上億次，體積小，功耗小，適用于低電流電路。

繼電器是通過電磁感應(yīng)原理來實現(xiàn)機械的開斷來實現(xiàn)對電流的開頭，其響應(yīng)級別多為毫秒級，且因為是機械部件，壽命在百萬次(詳細參考說明書)，體積較大，功耗較大，高低負載電路均適用。

1.8.RS232和RS485

RS232和RS485包括接口與傳輸一整套電氣和機械規(guī)范。UART更多指IC內(nèi)部的一個模塊，作用是將內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換為串口協(xié)議的接口，與外設(shè)進行通信。PC端用于串口通信的接口，我們一般稱為COM口。

1.8.1.RS232

RS232（Recommended Standard 232）是一種物理接口標準，根據(jù)RS232規(guī)范，傳輸距離在15米以內(nèi)，常見的電壓級別如下：

邏輯1:在RS232中，邏輯1通常被定義為負電平（Negative Voltage Level）。具體的電壓范圍可以在-3V至-15V之間，其中約定更常見的是-12V作為邏輯1的電平。

邏輯0:邏輯0則被定義為正電平（Positive Voltage Level），電壓范圍一般在+3V至+15V之間，其中約定更常見的是+12V作為邏輯0的電平。

所以RS232與TTL電平不兼容，需要電平轉(zhuǎn)換器才能與支持TTL電平的設(shè)備通信。

1.8.2.RS485

RS485（Recommended Standard 485）是一種平衡式串行通信接口標準，主要用于工業(yè)自動化和樓宇自動化等需要長距離、高可靠性通信的應(yīng)用。它是一種差分通信協(xié)議，這意味著它使用兩根信號線（A和B）和一根接地線來傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以讓信號更加穩(wěn)定，傳輸更遠的距離，實際測試有達到幾千米。

邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2-6）V表示；

邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2-6）V表示。

所以, RS485與TTL電平兼容，不需要轉(zhuǎn)換即可以與支持TTL電平的設(shè)備通信。

線纜長度小于100米，支持最大傳輸速度達10 Mbps；線纜長度小于1000米，支持最大傳輸速度達1 Mbps；線纜長度小于10公里，支持最大傳輸速度達100Kbps。

RS485速度快，信號穩(wěn)定，可以用于總線傳輸。傳輸協(xié)議可以參考MODBUS協(xié)議，支持單播模式和廣播模式。

1.9.譯碼器

譯碼器的主要作用是將輸入的編碼信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的輸出信號。如下圖38譯碼器（3-to-8 Decoder）是一種常見的數(shù)字邏輯電路，用于將3位二進制輸入編碼信號轉(zhuǎn)換為8個輸出信號中的一個激活狀態(tài)。

1.10.UART、IIC和SPI

UART、IIC和SPI是常用的幾種外設(shè)通信協(xié)議，多數(shù)IC會自帶相關(guān)接口可以直接配置使用，如果沒有配置，可以通過軟件配置GPIO來實現(xiàn)通信。

1.10.1UART

UART（通用異步收發(fā)器），這是用于全雙工串行通信的最常見協(xié)議。UART一共用4根線，分別是數(shù)據(jù)發(fā)送線，數(shù)據(jù)接收線，VCC，GND。Vcc用于對外提供電源，一般可以不用。GND一般也可以不用，如果監(jiān)控設(shè)備和UART同時接入一臺電腦，GND可以不用接。如果監(jiān)控設(shè)備設(shè)備與UART不在同一臺電腦，需要接上GND作為參考地。

常用的UART是使用USB串口線，電腦安裝串口驅(qū)動，就可以通過電腦串口設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備通信。

波特率（Baud rate）是衡量串行通信速度的指標，表示每秒傳輸?shù)奈粩?shù)或符號數(shù)。它表示在單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小。例如，一個波特率為9600的UART通信表示每秒傳輸9600個位。

PL2303的串口轉(zhuǎn)USB按說明文檔最高支持1.2Mb/S，支持1152000的波特率。為了降低干擾，串口線盡量短一些。

通過UART讓PC與設(shè)備進行通信，可以用于打印調(diào)試信息、控制設(shè)備、設(shè)備升級等。

1.10.2.IIC

IIC（Inter-Integrated Circuit）是一種串行通信協(xié)議，也被稱為I2C（Inter-IC）總線，設(shè)備的SDA和SLC采用開漏輸入，所以需要接上拉電阻。IIC是主從協(xié)議，EEPROM是支持IIC協(xié)議的從設(shè)備。高速 IIC 總線一般可達 400kbps 以上。

1.10.3.SPI

SPI（Serial Peripheral Interface）是一種高速、全雙工的總線協(xié)議。NOR Flash（非易失性存儲器閃存）可以通過SPI接口進行通信。

2. 眼圖

2.1.概念

當前計算機總線系統(tǒng)中，串行總線大行其道，有PCIe、USB、eMMC、UFC等。串行總線追求高速，對信號質(zhì)量要求更高。通過不停采樣大量超過一個周期的隨機信號疊加顯示，其圖形如同一個眼睛，所以這種圖形也被稱為眼圖(Eye Diagram/Eye Pattern)。眼圖一般用于高速信號完整性分析。

2.2.構(gòu)成

單個引腳的輸出電平受其前后電平的影響，所以其有8種可能情況。大量隨機采集的信號，就由這8種信號構(gòu)成，疊加顯示就如下面的眼圖。

2.3.質(zhì)量標準

除另有規(guī)定之外,下限和上限分別定為脈沖峰值幅度的10%和90%。

下降時間(Fall Time)：脈沖信號的下降時間是指從脈沖峰值幅度的90%下降到10%所經(jīng)歷的時間間隔。
上沖(Overshoot)：也叫過沖就是第一個峰值或谷值超過設(shè)定電壓，主要表現(xiàn)為一個尖端脈沖，并且能導致電路元器件的失效。

下沖(Undershoot)：是指下一個谷值或峰值。過分的過沖能夠引起保護二極管工作,導致過早地失效。過分的下沖能夠引起假的時鐘或數(shù)據(jù)錯誤。

門限電平(Threshold/Crossing Percent)：是指在系統(tǒng)傳輸特性劣于某一特定誤碼率的情況下，收信機所能達到的最低接收電平。

由于多次信號的疊加，眼圖的信號線變粗，出現(xiàn)模糊(Blur)的現(xiàn)象。所以眼圖也反映了信號的噪聲和抖動：在縱軸電壓軸上，體現(xiàn)為電壓的噪聲(Voltage Noise)；在橫軸時間軸上，體現(xiàn)為時域的抖動(Jitter)。如下圖示。

一般會使用眼幅度、眼高度、品質(zhì)因子、眼圖交叉比等度量標準來分析眼圖質(zhì)量。

3. U盤電路

3.1.IC端

VCC和VCC3這兩個都是去耦電路，并且在其中加了磁珠，這樣可以更好地過濾高頻信號。并且磁珠的可靠性好，能夠提升電路的可靠性。

R2和R3是兩個阻抗匹配電阻，防止信號反射，提升高速數(shù)據(jù)信號質(zhì)量。

R4是一個上拉電阻。

R6是一個上拉電阻，并配置了一個發(fā)光二極管。

VCC、VCC3.3都接了1個小電壓主要用于過濾高頻信號的去耦電路。

3.2.Flash端

C122和C123用于電源去耦，提升電源質(zhì)量。R50、R51、R52、R53、R54均是上拉電阻，針對輸入式的IO提供默認的高電平。