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两种信号量:模拟量与数字量

概述

我们生活在一个模拟世界。 可以用无限细分的数量表示的颜色来绘制一个物体(即使这种差异是我们肉眼难以分辨的),我们可以听到无限种的音调,并且有无限种的我们可以闻到的气味。 所有这些模拟信号的共同特点是它们的无限可分性。

 

用数字的信号和量来处理离散或有限的领域,这意味着它们只有一组有限的值。 这可能意味着只有确定不可分割的值,即255,4,294,967,296或任何其他值,只要它不是∞(无穷大)。

Analog and digital real-life items

真实世界的中许多的事物可以用数据表示,通过模拟或数字方式进行输入。 (从左至右):时钟,万用表和操纵杆(上面的模拟,下面的数字)。

应用电子技术意味着处理模拟和数字信号,无论是输入还是输出。我们的电子项目必须以某种方式与真实的模拟世界进行交互,但我们的大多数微处理器,计算机和逻辑单元都是纯数字的方式进行处理。 这两种类型的信号就像不同的电子语言; 有些电子元件是双语的,其他的只能输入和输出其中的一种。

在本教程中,我们将介绍数字和模拟信号的基础知识,包括每个示例。 我们还将讨论模拟和数字电路及其电子元器件。

建议先阅读

模拟和数字的概念独立存在,不需要大量以前的电子知识。但在您开始阅读本文之前,还是需要确保您已经知道或者学习了以下教程中所罗列的内容:

模拟信号

定义:信号

在进一步讨论之前,我们应该谈一谈信号究竟是什么,特别是电子信号。 我们正在谈论的信号是时变的“量”,其传达某种信息。在电气工程中,随时间变化的量通常是电压,偶尔也会是电流。 所以当我们谈论信号时,只要将它们看作随时间变化的电压即可。

设备之间传递信号以发送和接收信息,这些信息可能是视频,音频或某种编码数据。 通常信号通过导线传输,但也可以通过射频(RF)波传播。 音频信号可能会在计算机的音频卡和扬声器之间传输,而数据信号可能会通过平板电脑和WiFi路由器之间的空气传播。

模拟信号图

由于信号随时间而变化,因此,将其时间绘制在水平(x轴)和电压绘制在垂直(y轴)上的图很有帮助。 查看信号图通常是识别模拟或数字信号的最简单方法; 模拟信号的电压 – 时间曲线应该平滑连续

Analog Sine Wave

尽管这些信号可能被限制在最大值和最小值的范围内,但是在该范围内仍然有无限数量的可能值。 例如,从墙上插座出来的模拟电压可能会在-120V和+ 120V(译者注:这指的是美国国家标准的市电,中国国家标准市电的峰值电压是-310V和310V)之间被限制,但是,随着分辨率越来越高,您会发现信号实际上可以有无数个值(如64.4V ,64.42V,64.424V和无限的,越来越精确的值)。

模拟信号示例

视频和音频传输通常使用模拟信号传输或记录。 例如,从旧的RCA插孔出来的分量视频线是一种编码模拟信号,通常介于0到1.073V之间。 信号微小的误差对视频的颜色或位置有很大的影响。

Composite video signal

一行表示分量视频数据的模拟信号

纯音频信号也是模拟信号。 来自麦克风的信号充满了各种频率复合而成的模拟谐波,一起产生了美妙的音乐。

数字信号

数字信号的分量必须是有限值集合中的一个。 该集合中的值的数量可以是两个之间的唯一值,并且可以两个电压相差很大的模拟量,但不是无穷大。 最常见的数字信号将是两个值之一 – 如0V或5V。 这些信号的时序图看起来像方波。

Square wave signal. Two values, either 0V or 5V.

或者数字信号可能是模拟信号波形近似拟合后的离散表示。从远处看,下面的波函数可能看起来很平滑和模拟,但是当你仔细观察时,信号拟合近似时会有微小的离散间距:

Digital Sine Wave

这是模拟信号的波形和数字信号的波形之间的巨大差异。 模拟信号的波形是平稳而连续的,数字波,正方形和离散。

数字信号的例子

并非所有的音频和视频信号都是模拟的。 视频(和音频)的HDMI等标准化信号以及音频的MIDII2SAC’97都是数字传输的。

集成电路之间的大多数通信是数字信号的。像serial(串口),I2CSPI等接口都通过一个编码的方波序列来传输数据的。

SPI square wave signals

串行外设接口(SPI)使用许多数字信号在设备之间传输数据

模拟和数字电路

模拟电子技术

大多数基本电子元件 – 电阻器,电容器,电感器,二极管,晶体管和运算放大器 – 都是模拟本质的器件。 仅由这些电子元件构建的电路通常是模拟的。

Example analog circuit

模拟电路通常是运算放大器,电阻器,电容器和其他基础电子元件的组合。 这是B类模拟音频放大器的一个例子。

模拟电路往往是非常优美的设计,具有许多组件,或者它们可以非常简单,就像两个电阻串联在一起构成分压器。但是,一般来说,设计同样功能的模拟电路的比数字电路要困难得多。需要特殊的模拟电路指导思路来设计模拟无线电接收器或模拟电池充电器; 数字元器件的存在使得这些设计更加简单。

模拟电路通常更容易受到噪声的干扰(电压中的小的不希望的变化)。 模拟信号电压的小误差在经过后续处理后可能导致明显的差错。

数字电子技术

数字电路使用数字离散信号进行操作。这些电路通常由晶体管和逻辑门以及更高级别的微控制器或其他计算芯片组成。 大多数处理器,无论它们是计算机中的大型处理器,还是小型微控制器,都属于数字电子技术。

Example digital circuit

数字电路利用诸如逻辑门或更复杂的数字IC(通常用带有从其延伸的带有标记的引脚的矩形表示)的组件来使用

数字电路通常使用数字信号的二进制格式。 这些系统将两种不同的电压分配为两种不同的逻辑电平 – 高电压(通常为5V,3.3V或1.8V)代表一个值1,而低电压(通常为0V)代表另一个0。

虽然数字电路通常比较容易设计,但它们确实比同等功能的模拟电路贵一点。

模拟和数字组合

在电路中看到模拟和数字组件的混合并不罕见。 虽然微控制器通常是数字化的,但它们通常具有内部电路,使它们能够与模拟电路(模数转换器,脉宽调制和数模转换器)进行接口。模数转换器(ADC )允许微控制器连接到模拟传感器(如光电池或温度传感器)以读取模拟电压,不太常见的数模转换器允许微控制器产生模拟电压,这在需要制造时很方便 声音。

更多可供深入学习的资料

现在您知道模拟信号和数字信号的区别了,我们建议您查看模数转换教程。 使用微控制器或任何基于逻辑的电子设备,意味着大部分时间都属于数字电路。 如果您想要感测光线,温度,或将微控制器与各种其他模拟传感器连接,则需要知道如何将它们产生的模拟电压量转换为数字量。

另外,请考虑阅读我们的脉宽调制Pulse Width Modulation(PWM)教程。 PWM是微控制器可以用来使数字信号近似成模拟信号使用的方法。

以下是其他一些主要涉及数字电路技术的主题:

或者,如果您想深入研究模拟电子技术,请考虑继续学习这些教程:

 


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  • 演绎 — 修改、转换或以本作品为基础进行创作
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PCB基础知识

 

概述

电子技术和工业实践中一个非常关键的一个概念就是印刷电路板,英文缩写PCB。它甚至基础到这个行业里的人都觉得已经是不言而喻无需解释的东西。这篇教程将对印刷电路板PCB的组成和一些重要的基本概念进行说明。

接下来的内容,我们将讨论印刷电路板的组成部分,涵盖部分行业术语,生产中的装配方法,以及简单介绍设计新的印刷电路板的基本流程。

建议先阅读

在您开始阅读本文之前,请确保您已经知道或者学习了以下教程中所罗列的内容:

 

什么是印刷电路板PCB?

印刷电路板PCB是最常叫的名字,也可以称印刷连线板和印刷连线板卡。在PCB出现以前,人们通过点对点的绕线来实现相同的功能。这种不可靠的连接方法,当导线绝缘开始老化和破裂时,导致导线连接处和短路处经常出现故障。

Mass of wire wrap

绕线连接电路(图片来自维基百科用户Wilinaut)

一个重要的进步是线绕包装的发展,在每个连接点上,小规格的线材被缠绕在柱子上,形成高度耐用且易于更换的气密连接。

当电子工业的主流组成器件从真空管和继电器转变到硅器件与集成电路,电子元件的尺寸和造价开始大幅下降。电子技术遂开始在消费类产品中普及开来,由于减小尺寸和降低造价的驱动力,促使业界寻找更佳的解决方案来满足需求。因而诞生了印刷电路板的技术。

LilyPad PCB

PCB是印刷电路板的英文首字母缩写。它是一块拥有铜线和焊盘用于连接大量电路端点的板子。由上图所示,上面的轨迹线中可以看出在接线端子和电子元件之间存在着电气连接。印刷电路板上,信号和电能在不同的物理器件之间连接。焊锡能使PCB表面与电子元件的引脚电气连通。焊锡除了提供电气连通的功能外,也能为元器件提供有力的粘接附着作用。

组成

印刷电路板有点像层状蛋糕或烤宽面条 – 有不同材料的交替层,用热和粘合剂层压在一起,从而固结在一起。

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让我们从上图中间开始向外各层开始介绍

FR4

FR4是一种耐燃材料等级的代号,所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格,它不是一种材料名称,而是一种材料等级。这个坚硬的核心给了PCB的刚性和厚度。 也有灵活的高温塑料(卡普顿或其它等效替代品)建造的柔性PCB。

你会发现许多不同厚度的PCB;产品最常用的厚度是1.6mm(0.063“),一些特殊产品,如LilyPad板和Arudino Pro Micro板使用0.8mm厚的板。

Perf board

更便宜的印刷电路板和印刷电路板(如上所示)将采用环氧树脂或酚醛树脂等其他材料制成,这些材料缺乏FR4的耐用性,但价格便宜得多。 当你焊接时,你会知道你正在使用这种类型的PCB – 它们具有非常难闻的难闻气味。 这些类型的衬底通常也可以在低端消费电子产品中找到。 酚醛树脂具有较低的热分解温度,当烙铁在电路板上过长时,会导致它们分层,产生烟雾和并且炭化。

铜箔

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铜裸露的PCB,没有阻焊层或丝网印刷。

下一层是薄铜箔,用热和粘合剂将其层压到电路板上。 在常见的双面PCB上,铜被涂在基板的两侧。 在成本较低的电子小配件中,PCB可能仅在一侧具有铜。 当我们提到双面或双层板时,我们指的是我们电路板含有的铜层数(2)。 这可以少至1层或多达16层或更多。

阻焊层

铜箔顶部的层称为阻焊层。 该层为PCB提供颜色。 它被覆盖在铜层上以保持对外绝缘,使铜迹线不会与其他金属,焊料或导电钻头因意外接触而短接。 这层帮助用户焊接到正确的位置并防止焊接时产生连锡现象。

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在上面的例子中,绿色阻焊层被应用于PCB的大部分,覆盖了较小的走线,但是银环和SMD焊盘暴露在外,因此可以焊接到PCB上。

在上面的例子中,绿色阻焊层被覆盖于PCB的大部分,包括较细的内部走线,但是银色圆环过孔焊盘和SMD焊盘暴露在外,方便相应元件焊接到PCB上。

丝印

PCB with silkscreen

白色丝网印刷层被印刷在阻焊层之上。 丝印为PCB增加了字母,数字和符号,使人们更容易组装和指示并提供简单指示,以更好地理解电路板。 人们经常使用丝印的标签来指示每个引脚或LED的功能。

丝印最常见的是白色,但可以使用任何油墨颜色。 黑色,灰色,红色,甚至黄色丝印颜色都广泛应用;但是,在单个电路板上看到多种颜色的情况并不常见。

术语

现在您已经了解了PCB的结构和基本概念,下面我们介绍一些在PCB设计制造和使用时常用到的术语:

  • 元器件孔 – PCB上环形元器件覆铜通孔电镀锡。

              Annular ring on resistorAnnular ring on vias

圆环过孔的例子。

  • DRC(design rule check) – 设计规则检查。 对设计运用软件进行检查,以确保设计不包含工艺能力达不到或者其它会导致问题的潜在风险,如走线太细钻孔太小等。
  • 钻孔偏移——应该钻孔的设计,或者他们实际在钻孔板上钻孔的地方。 不精确的装夹定位的钻头的引偏造成的钻孔不准是一个常见的制造问题。

Bad drill hits

钻孔偏移,但电路板功能依旧正常的钻孔

  • 手指插-露出的金属垫沿着电路板的边缘,用于在两块电路板之间建立连接。 常见的例子是计算机扩展卡或内存条以及旧版盒式游戏卡。
  • 锯齿 – 用于将板与面板分离的V型槽切的替代品。 许多钻孔聚集在一起,形成了一个薄弱点,事后可以很容易地折断该处。

LilyPad Protosnap with mouse bites

锯齿在LilyPad ProtoSnap上的咬合可以让PCB轻松拆下。

  • 焊盘 – 用于让元件焊接到的电路板,表面暴露金属的部分。

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PTH(镀通孔)焊盘,右侧为SMD(表面贴装器件)焊盘。

  • 拼板 – 一个大的电路板,由许多较小的电路板组成,在使用前将被拆开。 自动化的许多电路板处理设备通常在生产处理较小的电路板上会有问题,并且通过一次将多个电路板聚合在一起,使得工艺生产过程可以显着加快。
  • 钢网- 将锡膏(锡膏)印刷于电路板再经过回流焊炉连接电子零件于电路板上,是现今电子制造业最普遍的使用方法。锡膏的印刷其实有点像是在墙壁上油漆一般,所不同的,为了要更精确的将锡膏涂抹于一定位置与控制其锡膏量,所以必须要使用一片更精准的特制钢网(模版)来控制锡膏的印刷。
  • 贴片/贴片机- 将贴片元件放置在电路板上的过程及其设备。
  • 覆铜区 – 电路板上的连续铜箔区域,由边界而非路径定义。 通常也称为“敷铜”。

PCB ground pour

PCB的没有走线的各个部分区域都被大面积覆铜并与GND相连

  • 电镀通孔 – 电路板上的一个孔,该电路板上有一个环形环,并且两面都有焊盘在电路板上。 可能用于通孔元件的引线连接,通过信号并安装。

Plated through hole resistor

插入FabFM PCB中的PTH电阻器,可以进行焊接。 电阻器的腿穿过孔。 电镀孔可以在PCB的前部和PCB的后部连接到它们表面的铜箔走线。

  • Pogo金探针触点- 内置弹簧测试针加载的触点,用于进行测试或编程的临时连接。

Pogo Pin

流行的弹簧金针尖。 我们在测试设备上使用了大量的这些金针

  • 回流焊 – 熔化焊料以在焊盘和元件引线之间形成连接。
  • 丝印 – 电路板上的字母,数字,符号和图像。 通常只有一种颜色可用,分辨率通常很低。

Silkscreen

丝印将此LED标记为电源LED。

  • 铣槽 – 电路板上任何不是圆形的孔都属于此类。 槽边缘可能会也可能不会覆铜喷锡。 铣槽有时会增加成本,因为它们需要额外的铣削时间。

slot

复合的槽刀切入ProtoSnap Pro Mini。 还有很多锯齿用于拆下小块的电路板。 注意:插槽的拐角处不能做成完全直角,因为它们是用圆形铣刀切割的。

  • 焊膏 – 悬浮在凝胶介质中的焊锡小球,在放置组件之前,借助于焊膏模板将其施加到PCB上的表面安装焊盘上。 在回流焊过程中,焊膏中的焊料会熔化,从而在焊盘和部件之间形成电气和机械连接。

alt text元件放置前不久,在PCB上焊上锡膏。 一定要阅读上面关于钢网的介绍。

  • 焊锡炉 – 用于快速将焊锡板与通孔组件配合使用的罐。 通常包含少量熔化的焊料,电路板快速浸入其中,在所有暴露的焊盘上留下焊点。
  • 阻焊层 – 一层覆盖金属的防护材料,以防止短路,腐蚀和其他问题。 虽然其他颜色(红色,蓝色或黑色)也是可能的,但通常是绿色的。

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阻焊层覆盖信号走线,但留下焊盘焊接

  • 连锡 – 不需要的焊锡连接的电路板上两个相邻引脚的焊锡连接成一块。
  • 表面贴装 – 允许将组件简单贴在电路板上的安装方法,而不需要引线穿过电路板上的孔。 这是今天使用的主要元件放置方法,允许电路板快速且容易安装。
  • 阻隔覆铜散热 – 用于将焊盘连接到其它处的走线。 如果焊盘没有阻隔散热的设计,则难以使焊盘达到足够高的温度以形成良好的焊点。 当您试图焊接时,不适当散热的焊盘会感觉“焊锡难以熔化”,并且需要非常长的时间进行焊接。

thermal

在左侧,过孔和焊盘都是十字连接到GND覆铜区。 在右侧,没有热量的通孔将其完全连接到地平面。

  • 覆铜点(取样点)-为了保持PCB在电镀时板上各点镀铜厚度均匀而加的铜皮,网格线或铜点。 减少蚀刻难度,因为需要更少的时间来去除不需要的铜,也可避免该区域铜箔过度电镀的情况发生。
  • PCB迹线 – 电路板上铜走线的连续路径。

Traces on PCB

将RES焊盘连接到电路板上其他位置的小迹线。 较粗大的迹线连接到5V电源引脚。

  • V切槽-通过部分切割板子,形成V槽,使板子可以很容易地沿着此V槽线折断。
  • 通孔 – 用于将信号从一层传递到另一层的板上的孔。 盖油过孔由阻焊层覆盖,以防被焊接。连接器和元件需要连接的通孔通常未被覆盖并裸露出焊盘,以便它们更容易地被焊接。

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同一PCB的正面和背面显示一个盖油过孔。 该过孔将来自PCB正面的信号通过电路板的中部引至背面。

  • 波峰焊 – 一种用于自动焊接通孔元件电路板的焊接方法,其中电路板通过熔化焊料的驻波,该焊料粘附在裸露的焊盘和元件引线上。

快来设计你自己的PCB吧!

你如何设计自己的PCB? PCB设计的细节深入到了这里,但如果你真的想开始自己设计PCB,这里有一些建议:

  1. 选择一个用于PCB设计的计算机辅助设计软件:市场上有许多低成本或免费的PCB设计软件。 选择套餐时需要考虑的事项:
    • 社区支持:有很多人使用这个软件包吗? 使用它的人越多,你就越容易找打你需要使用的现成元器件模型和丰富的库文件。
    • 易用性:如果使用它上手困难,你当然不会选择它。
    • 功能强大:这些软件都会有限的设计 – 层数,组件数量,板的尺寸大小等。它们中的大多数允许您支付许可证以升级其功能。
    • 可迁移性:一些免费软件不允许您导出或转换您的设计,只能将您锁定到指定的供应商来制造你的电路板。 也许这是用你支付的制造价格来支付方软件开销成本,但也会限制你设计资料日后的可迁移性。
  2. 看看其他人的电路板布局设计,尤其是优秀的产品,看看他们做的设计细节,反思其中原因,对比你自己会不会如此设计。现在,找到开源硬件的原始设计资料比以往更容易。
  3. 不断练习,温故知新
  4. 不要过高估计自己的能力,宝贵的经验都是多次实践中累积起来的。 你的第一块电路板设计会有很多问题。 你的第20块电路板设计会少一点问题,但仍然会有一些。 你无法轻易完全摆脱电路板设计中的各种问题。
  5. 原理图非常重要。 对一个没有良好原理图保证进行电路板设计是徒劳的。

最后,谈谈设计自己的电路板的实用性。 如果您打算制作一个或两个以上的特定项目,设计电路板的投资回报相当不错 – 洞洞板上的点对点走线很麻烦,而且它们往往不如专门设计的板可靠和稳定。 如果它变得流行,你也可以卖你的设计的产品。那可真是创客精神的体现,自己动手,物质精神双丰收。

更多可供深入学习的资料

PCB基础知识仅仅是个开始! 我们推荐您阅读更多以下资料

 


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  • 演绎 — 修改、转换或以本作品为基础进行创作
  • 在任何用途下,甚至商业目的。
  • 只要你遵守许可协议条款,许可人就无法收回你的这些权利。

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原始文章及相关素材链接:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/pcb-basics

高级版Fritz表情机器人安装

欢迎购买高级版开源表情机器人Fritz套件,如果您看完本教程后对此制作感兴趣,可以考虑从下述淘宝网址购买我们提供的配套套件:

创元素淘宝店—表情机器人套件高级版

(购买后我们将于48小时内发货给您)

安装简介

此款为高级版,保留了所有的眼球和脖子的动作,安装过程较多,需要你的耐心和毅力。相当其他渠道您所能获得的版本,我们提供的此版本经过大量实践改良,采用可多次重复拆卸的螺栓螺母等连接方式。避免使用热胶枪这类工具的麻烦,以及初学者在初次安装过程中出错后,并不会因为使用了热胶枪而导致木板等零配件的损坏。您就尽情的大胆尝试吧。

可以参考以下视频,步骤都是类似的,该主题及更多版本很快上市,提供给大家:

需要的工具:

  1. 尖嘴钳、螺丝刀、镊子等
  2. 电脑
  3. 耐心

 

总组装

以上三步骤,请观看以下视频了解细节(注意,部分步骤已经被优化,无需使用热熔胶,部分运动轴也被长螺丝替代,便于重新拆装及调整)老版视频,用热熔胶连接,较为麻烦,仅供参考。

此处要把舵机和舵盘连上

5

连接电路

Arduino固定上,连接电机的连线,插上USB。

02

装配完成!

烧录Arduino程序

烧录前可能要先检查串口驱动程序是否安装并正常工作,否则电脑可能无法识别Arduino控制板并与之通信

打开设备管理器

在“我的电脑”或者计算机,右键它弹出菜单表,点击“管理”;(仅限于win7系统的用户)


在计算机管理页面左侧列表,可以找到“设备管理器”双击它,中间会显示硬件和设备是否正常的信息。有黄色感叹号就代表者有问题。

如果您的电脑买安装此驱动,需要参考以下网址,安装CH340驱动后,电脑即可与Arduino通讯

win7 http://www.arduined.eu/files/CH341SER.zip

win8 http://www.arduined.eu/files/windows8/CH341SER.zip

Mac http://kig.re/downloads/CH341SER_MAC.ZIP

Mac https://github.com/adrianmihalko/ch340g-ch34g-ch34x-mac-os-x-driver

点击[INSTALL],就可以完成驱动程序安裝。

确保驱动程序已经安装后,即可烧录Arduino程序

打开Arduino软件,没装过Arduino的可以在下述网址中下载并找到运行程序

https://pan.baidu.com/s/1dG44Fxn

03

文件 -> 打开,找到》》》》》

双击 Fritz.ino

04

在工具菜单项里设置 板 为 Arduino Uno,串口选中。

05

点击 上传

06

成功!

配置电脑控制程序

可以在下述网址中下载并找到运行程序

https://pan.baidu.com/s/1dG44Fxn

打开fritz.exe,等待连接成功(如果使用过程中连接经常断开,可能是因为没有使用电池盒单独供电或没有打开电池盒开关及电池电量不足引起的。)

07

打开 set motor

08

全打勾,

09

拖动一下眼眉,看看是不是能控制啦!

10

恭喜你!大功告成!

查看下面视频了解更多上位机软件使用过程中的详细情形:

Arduino锂电扩展板

Arduino的锂电源板,专门为Arduino设计的锂电池充电板,Arduino的不间断供电电源,能够为Arduino提供5V的电能,同时自带的锂电池可充电,带有锂电池充电电路,锂电池保护电路,锂电池升压电路,同时还可以作为一个普通的5V电源使用。

有时,我们会对电池电压非常感兴趣,因为电池电压与电池容量有关,当锂电池输出电压很低时,意味着电池里的电也即将用完,这时,测量电池电压就有了必要。
Arduino Power Shield 中,我们设置了电压测量插针BAT_TST,当需要Arduino 使用模拟引脚测量电池电压时,只需将BAT_TST 引脚短路即可,这时,锂电池的正极,就连接到了Arduino 上的ANALOG 引脚中的A0引脚。

BAT_TST 引脚的短路可以使用跳帽或者杜邦线连接等方法。

接好后,即可编写程序。程序非常简单,只需读取模拟A0 口的电压,后在串口输出即可,程序如下。

const int analogInPin = A0; //A0 口
float voltage; //电压变量
int A0Value = 0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600); //波特率设置
}

void loop()
{
  A0Value = analogRead(analogInPin); //读取A0 口的AD 转换数据到变量A0Value 中
  voltage = float(A0Value * 5.1 / 1023); //将AD 读出的值转换为电压值,除以1023 是因为这里的AD 转换器是10 位的,
  满量程为1023
  //乘以5.1 是因为Power Shield 供电大概在5.1V
  Serial.print("Battery Voltage = " );//Serial 口输出
  Serial.print(voltage);
  Serial.print("V\n ");
  delay(2000);
}

运行程序,Arduino 串口监视器显示如下:

此程序也可嵌入到各种程序中,在电池电压降到一定程序时,执行相应的动作。电池电压在3.2V~3.3V 时,即可认为电池电压低,电量即将耗尽。

 

PIR传感器相关知识

PIR传感器跟其他的传感器比起来可能要更加复杂(像光电池,避震器,湿度传感器),因为其中有许多影响传感器输入和输出的变量。我们会使用这个不错的图解来开始解释一个基本的传感器是如何工作的。

PIR传感器上有两个插槽,每个插槽由特殊的对红外信号敏感的材料做成。这里使用的镜头不会真的做这么多,所以我们可以看到两个插槽可以“看到”过去的一段距离。(基本上是传感器的敏感性)。当传感器没有工作时,两个传感器检测到同样数量周围环境,比如房间,墙壁或者室外辐射出来的的红外信号。当一个有温度的物体,比如一个人或只动物经过,物体一开始会挡住一半的传感器,这会在传感器两边产生微小的正向电势差。当有温度的物体离开传感器所能探测到的区域,传感器电势差就会发生反转,进而能够产生负向的电势差。这就是传感器检测到的脉冲变化。

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PIR传感器

PIR传感器被封装在一个密封的金属盒中。在金属盒上有一个用能传递红外信号的材料做成(比较典型的是硅,因为红外线可以很容易就通过硅。)的窗口,用来保护传感器的感应部分。在窗口后面是两个平衡传感器。

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你可以在上面的上面展示的图像中看到窗口的组成—两片传感材料。

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这张图展示了传感器的内部结构,在里面有一个低噪音的结晶型场效应晶体管(一种晶体管),并将传感器的极高的阻抗缓冲到低成本的的芯片上(比如BIS0001)

透镜

PIR传感器是通用的,而且大部分的价格和灵敏度都不同。大部分的魔术都是通过光来实现的,这对于制造来说是个不错的主意:PIR传感器和电路是固定的,并且成本为几美元。而镜头只需几美分,同时很容易改变宽度,范围和感应模式。

在上图中,透镜只是一块塑料,但这意味着检测区域仅仅是两个矩形。通常我们想要一个更大的检测区域。为了做到这一点,我们使用了一个简单的镜头,比如相机里的那些镜头:他们把一个大的区域(如风景)浓缩成一个小的(在胶片上或CCD传感器上)。由于这些原因很快就会显现出来,我们想要使PIR镜头变得小巧而薄,并且可以从廉价的塑料中进行模塑,尽管它可能会增加变形。由于这个原因,传感器实际上是菲奈尔透镜:

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菲勒透镜凝聚了光,为传感器提供了更大范围的红外线。

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现在我们有了一个更大的范围。然而,请记住,我们实际上有两个传感器,更重要的是,我们不想要两个真正大的矩形区域,而是多个小区域的散射。所以我们要做的是把镜头分成多个部分,每个部分都是菲勒尔透镜。

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在这里你可以看到多面部分

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这一宏观的镜头在每个方面展示了不同的法伦镜头!

不同的面部和副透镜产生了一系列的检测区域,相互交错。这就是为什么镜头中心在上面的部分是“不一致的”——每一个都指向不同的PIR传感元件。

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连接一个PIR传感器

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大部分的PIR模块在两侧或者底部有一个3个引脚的接口。模块之间的输出引脚可能会有所不同,所以对于输出引脚要检查3次。位于接口右边的输出引脚经常是丝网印刷成的(至少我们的是)其中一个引脚会接地,另一个是信号输入,最后一个是接入电源。输入电压经常是3-5V的直流电压但有时会达到12V。在接地。有电源和两个开关连接的情况下有些大的模块没有直接输出,而是通过一个继电器进行操作。

一些继电器的输出是集电极,这说明该继电器需要一个上拉电阻。如果你的输出不可改变,请确保能够在信号引脚和电源引脚之间添加一个10K欧的上拉电阻。

当连接端口的间隔是0.1秒时,一个关于原型PIR传感器的简单方法就是将其连接到面包板上。一些PIR传感器上面已经有数据头了。来自adafruitde PIR有一个三引脚的便于连接导线的接线头。

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我们的PIR传感器的红色线连接电源正极,黑线接负极,黄线是信号输出。要确保像上面展示的一样连接好线头。如果你反过来接,虽然不会损坏传感器,但是传感器不会工作。

 

测试一个PIR红外传感器

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在当PIR传感器检测到人的动作,输出引脚就会上“升”到3.3V,然后点亮LED灯。

如果你手上有已经连好线的面包板,将电池接入之后,为了使PIR“稳定”下来,要先等待30到60秒。在这期间LED灯可能会闪烁。等到LED灯完全熄灭后,为了让灯再次亮起来,我们可以在传感器面前来回走动,挥手等等。

重触发

你手上的PIR传感器有两种选项。首先我们将会探索“重触发”选项。

当你使LED灯闪烁时,观察PIR传感器背面并确保跳线像下面展示的一样连接在L接口。

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现在再次搭建好测试板电路,你可能会注意到当像上面一样连接好PIR传感器时,如果在LED灯面前移动,灯不会保持点亮,而是大约每一秒点亮和熄灭一次。这被叫做“非重触发”。

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现在将跳线转接到H接口,如果你再次搭建好测试电路,你会注意到如果有物体移动时,灯会一直亮着。这被叫做“重触发”。

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对于大多数的应用,“重触发”(跳线像上面展示的一样被接到H接口)模式一般会更好。

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如果你需要将传感器连接到一些边缘触发的装置,你可能会选择将其调节至“非重触发”模式(跳线被连接到L接口)。

改变灵敏度

Adafruit PIR传感器在背部有一个调节灵敏度的微调筒。如果你的PIR传感器太灵敏或者太迟钝,你可以调整这个微调筒—顺时针调节会让传感器更加灵敏。

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改变脉冲时间和超时时长

在PIR传感器上有两个“超时设定”。其中一个是“Tx”设定:传感器检测到动作后LED灯会点亮多久—由于有电位计,调整Adafruit PIR传感器将会变得很简单。

第二个是决定没检测到动作时LED灯会熄灭多久的“Ti”超时设定。这个设定可能没那么容易去改变,可如果你用电焊去操作,这将变得可行。

首先让我们再看下电路数据

Tx=输出引脚(V0)触发后保持高电平的时间。

Ti=在周期中,触发被抑制,仔细观察时间表。

Tx≈24576×R10×C6;  Ti≈24×R9×C7(参考原理图)

Adafruit PIR传感器,有一个标记着时间的调整电位器。这是一个被串联到一个10 k欧电阻器的1兆欧可调电阻器。同时C6的值为0.01Uf,所以

Tx=24576×(10K)×0.01uF=2.5秒(约等于)

如果Rtime电位器从顺时针方向转到1兆欧电阻,则

Tx=24576×(1010K)×0.01uF=250秒(约等于)

如果Rtime位于中间,那结果将会大概是120秒(2分钟),所以你可以尽可能的开足马力。比如说如果你想通过一个人的动作去打开一个风扇至少1分钟,将Rtime电位器调整至一圈的1/4位置。

对于较旧的或者其他PIR传感器

如果你拿到的是一个没有可调整的电位器的PIR传感器,你可以像这样找出调整电阻

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判断R10和R9并不是很难,可惜这个PIR传感器时贴错标签的(似乎将R9和R17调换了位置),你可以通过查找BISSOO1数据表来查探引脚,然后找出分别是什么引脚—R10和引脚3连接,R9和引脚7连接,而区别电容会有点难,但是你可以通过“逆向工程”的方法并对传感器记录时间,从而得到解决。

例如;

Tx=24576*R10*C6= ~1.2秒

R10=4.7K,R10=10nF

同样

Ti=24*R9*C7=~1.2秒

R9=470K,R7=0.1Uf

你可以通过交换不同的电阻或电容来改变时间。

 

使用一个PIR传感器

将PIR传感器与微控制器连接起来非常简单。PIR是一个数字输出,所以你所需要做的就是侦听引脚来变成高电平(有检测到)或低电平(未检测到)。

很可能你会想要重新开始,所以一定要把跳线连接到H接口!用5V电压连接传感器并将其接地。然后将输出连接到数字针上。在本例中,我们将使用2引脚。

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代码很简单,基本上就是跟踪输入2的输入是高还是低。它还会跟踪大头针的状态,这样当运动开始和停止时它就会打印出一条信息。、

  1. /*
  2. * PIR sensor tester
  3. */
  4. int ledPin = 13; // choose the pin for the LED
  5. int inputPin = 2; // choose the input pin (for PIR sensor)
  6. int pirState = LOW; // we start, assuming no motion detected
  7. int val = 0; // variable for reading the pin status
  8. void setup() {
  9. pinMode(ledPin, OUTPUT); // declare LED as output
  10. pinMode(inputPin, INPUT); // declare sensor as input
  11. Serial.begin(9600);
  12. }
  13. void loop(){
  14. val = digitalRead(inputPin); // read input value
  15. if (val == HIGH) { // check if the input is HIGH
  16. digitalWrite(ledPin, HIGH); // turn LED ON
  17. if (pirState == LOW) {
  18. // we have just turned on
  19. Serial.println(“Motion detected!”);
  20. // We only want to print on the output change, not state
  21. pirState = HIGH;
  22. }
  23. } else {
  24. digitalWrite(ledPin, LOW); // turn LED OFF
  25. if (pirState == HIGH){
  26. // we have just turned of
  27. Serial.println(“Motion ended!”);
  28. // We only want to print on the output change, not state
  29. pirState = LOW;
  30. }
  31. }
  32. }

不要忘记有些时候你不需要一个微控制器。一个PIR传感器可以连接到一个继电器(也许是一个晶体管缓冲区),而无需微管

创建你需要的Frizting元件

什么是Fritzing?

Fritzing Logo

Fritzing是一个强大的开源工具让任何一个人用于教学,分享和模仿他们的电子项目! 它允许你设计原理图,因此设计一个部件,然后可以添加到非常专业的接线图。 你甚至可以设计自己的PCB,并从你设计的文件制造。 在SparkFun,我们在教室中使用Fritzing,我们的连接指南,以及任何其他地方,我们需要展示如何将我们的电路板连接到其他硬件。

Fritzing Hookup Example

一个利用Frizting将INA169连接到Arduino的例子

Fritzing的令人敬畏的事情是,你可以为你的项目制作自己的Fritzing零件,并在社区中分享! 本教程将从头开始一步步介绍如何在Fritzing(新)零件编辑器中创建自定义Fritzing零件,

你是否需要做一个自定义的Fritzing零件?

Fritzing在软件安装的时候就带有大量的电子元件。 SparkFun还有一个Fritzing Github库,用于我们在Fritzing中尚未创建的零件。 在创建自己的零件之前,请仔细检查我们的零件是否在自带的元件库或者Github上已经有,或者如果另一个Fritzing用户已经在Fritzing论坛上创建了你所需要的零件。 如果零件已经创建,它将为你节省大量时间! 但是,如果你确定你需要的零件在Frizting里面还没有,请继续阅读!

建议阅读

本教程假设你已经熟悉Adobe Illustrator,Inscape或两者。 使用这些程序超出了本教程的范围。 如果你需要更多的信息,如何使用这些程序的eithwer,他们各自的网站有很多教程和指南,如何开始矢量图形。 如果失败,总是有Google。

这里是其他相关的教程,你阅读这个教程前可能想查看:

下载和安装

你需要下载和安装Frizting软件,并跟着教程来制作你自己的Frizting零件

请注意:如果你只需要做一个基本的IC,Frizting(新)部件编辑器让你轻松制作自定义IC,你不需要下载矢量图形编辑器。但你仍然可以往下阅读,因为本教程将在Frizting(新)零件编辑器中构建一个自定义的IC。

Fritzing

Frizting官网(可能需要科学上网)的下载页面,为你的操作系统下载最新的Frizting版本,找到你要将Fritzing安装在硬盘驱动器上的位置,然后在该位置解压缩Fritzing文件夹。

矢量图形编辑器

有很多不同类型的矢量图形编辑器。我们在SparkFun使用的矢量图形编辑器是Adobe Illustrator和Inkscape。选择你最熟悉和用起来最舒服的。如果你没有一个矢量图形编辑器,Inkscape是一个强大的开源软件选择,并且它是免费的。

Inkscape

Inkscape Logo

Inkscape下载页面,并为你的计算机下载相应的正式发行包。

Windows用户:双击可执行文件。 按照Inkscape设置向导。

Mac OS X用户:按照Inkscape网站上的最新说明进行操作。

Adobe Illustrator

Adobe Illustrator Logo

Adobe Illustrator不是免费的,但如果你已经有Adobe Creative Cloud,你可以下载它。 你还可以购买Illustrator每月会员资格。

请注意:我们与Adobe没有任何关系,只是宣传Illustrator,因为它是一个强大的软件,对在本教程中很有帮助。

Other Downloads其它需要下载的东西

Fritzing字体和模板

Fritzing使用OCR-A字体作为IC使用。 对于所有其他零件,你可以使用OCR-A和Droid Sans fonts字体。 Fritzing具有可在其网站上下载的字体和模板。 你将需要下载Fritzing的图形标准来遵循本教程。 转到他们的模板下载页面,并下载Fritzing的图形标准文件夹。 下载其zip文件后,你需要解压zip文件夹,并放置在计算机上你将要在计算机上安装字体的位置。

SparkFun Fritzing示例模板

本教程将引用很多SparkFun Fritzing示例模板。 如果你正在为SparkFun板制作Fritzing零件或想要一个起点,请从SparkFun Fritzing零件Github库中下载这组示例模板。 SparkFun Fritzing模板将具有本教程的示例,SparkFun T5403气压计SVG,要比较和处理的文件。

面包板视图

当Fritzing启动时,你将会进入欢迎界面,并且你将要转到面包板视图。

breadboard view

在面包板视图中你需要做两个重要的步骤,首先,创建你的面包板SVG,然后上传。 Fritzing更倾向于使用SVG格式,所以你的图像看起来很棒,当你放大和缩小! 其次,你需要改变连接器针脚。

请注意:如果你只制作一个基本的IC,你可以跳到本教程的编辑面包板视图部分。

Fritzing图形标准

在Fritzing网站上,有很多图形标准要遵循。 这是一个很好规范,因为遵循图形标准,你的零件可以匹配其他Fritzing零件。

模板

当你制作零件时,建议从模板开始。 有一个要引用的零件的图像,因此,当制作你的SVG文件时,该过程会更快。

提示:如果你在为EAGLE中设计的板制作自定义Fritzing零件,则可以下载ULP将板转换为SVG格式。 这样,你可以有一个准确的SVG的EAGLE板作为参考。 你可以在Cadsoft网站上找到EAGLE ULP。

现在是时候为你的面包板视图制作你的图形!

 

创建新元件

在本教程中,我们将会为SparkFun T5403气压计创建一个Frizting新零件。

T5403 Breakout Image

SparkFun T5403的EAGLE图

打开Fritzing应用程序。 你应该在程序顶部看到欢迎,面包板,示意图和PCB的选项卡。 单击面包板按钮以确保你目前在面包板视图中。

Breadboard Button

检查库中自带元件

如果你只是在Fritzing中更新一个板,首先检查是否有一个与你想要创建的Fritzing部分相接近或相关的零件。你可以在搜索栏中键入零件的名称。

Search for Part

搜索栏可以在零件窗口的顶部找到

你也可以在Fritzing的零件窗口的不同部分查看类似的零件。

Parts Window

寻找SparkFun火焰并点击可以看到一个巨大的SparkFun Fritzing零件库

从绘制IC开始

如果没有一个零件像你想要的,使用IC作为基础是一个好的开始。 单击零件窗口中的CORE选项卡。 向下滚动,直到看到IC。 在ICs部分下,单击并拖动IC图标到Breadboard窗口。

Core Tab

自定义IC很简单,因为Fritzing可以改变引脚和IC封装的数量

Dragging IC on breadboard window

更改IC的名称

 

查看右侧的“查看栏”中IC的属性。 将IC的名称更改为元件名。 然后,更改引脚部分中模块或元件的引脚数。 对于SparkFun T5403气压计,我们需要8个引脚。 你将在“面包板”视图中看到模块中IC更改后的名称。

Changing name

Fritzing(新)元件编辑器

右键单击面包板窗口中的IC,然后选择编辑(新元件编辑器)。Fritzing(新)元件编辑器弹出。

Go to Parts Editor

Fritzing(新)零件编辑器有6个主要部分,你需要在其中进行更改。那些是:

  • 面包板
  • 示意图
  • PCB
  • 图标
  • 元数据
  • 连接器

真的没有你需要遵循的命令。在做了几个不同的自定义部件后,你可能会最终在一个视图开始之前的其他工作。在本教程中,我们只是去一个个讲述教程。

作者注释:我发现,对于具有大量引脚的板,从连接器视图开始的板可以节省更多的时间,因为你可以在列表中更快地命名连接器引脚。

在继续之前,最好先保存为新零件。如果你需要在制作自定义部件时随时停止,你可以在将来再次使用。转到文件。然后,选择另存为新零件

Save as new Part

如果需要,你可以选择命名前缀


让我们继续面包板视图!

自定义面包板SVG

创建文件

打开矢量图形编辑器并创建一个新文件。文件的图像大小应与你的开发板的大小相同。SparkFun T5403气压计爆破尺寸为1“x 0.650”。你将要使用一个好的命名约定保存文件,因为在创建Fritzing部分时最终需要3个不同的svg文件。

Illustrator用户: 你可以通过转到文件 – >另存为,保存为SVG,然后点击保存保存。

对于此示例,面包板SVG命名为:SFE_T5403_Barometer_Breakout_breadboard.svg

使用模板作为参考

要比较不同的图层和组,你可以打开Fritzing BreadboardViewGraphic_Template.svg文件,该文件位于先前下载的Fritzing Fonts and Template文件夹中。你还可以从SparkFun Fritzing Parts Github仓库打开示例SparkFun T5403晴雨表分线板SVG模板文件。

你可以看到示例模板如何保持图层的组织。对于SparkFun T5403气压计,有一个“面包板”组。在面包板组内,它将具有一组部件,铜层,丝印组和板路径。

制作你的自定义面包板图形的提示

你现在可以创建自定义零件的面包板图形。这里有一些有用的提示!

遵循Fritzing图形标准

Here are some main color standards for Breadboard images:

这里是面包板图像的一些主要颜色标准:

为了符合Fritzing图形标准,你将要使铜触点成为铜/镀锡颜色。

Copper Green

HEX: 9A916C, RGB: 154 145 108

如果你的板上有任何部件的引脚,使用的颜色是灰色的。

Leg Grey

HEX: 8C8C8C, RGB: 140 140 140

SparkFun红色是:HEX:E62C2E,RGB:230 44 46

把事情简单化

Fritzing的伟大之处在于,你可以使你的板子变得简单或你想要的结果。由于SparkFun总是试图使我们的产品更好的修订和有很多的板,更容易和更快的我们不包括某些细节,如痕迹或每个组件,在我们的板子上。如果电路板有新的变化,如电阻值的变化,我们不必在Fritzing部分进入和更改该电阻。更多地关注重要的组件,如IC,可能这是个更好的方式来投入你的时间。它仍然会看起来不错,但工作量少!

使用已经存在的组件

如果你需要在板上的使用已经在Fritzing有的SMD LED,请继续使用它!这将节省你的时间,并保持所有的Fritzing部分具有相同的标准。如果你创建一个自定义的板子,其他人可以使用的组件,你可以在Fritzing网站上分享,让其他人也可以使用!确保在你正在使用的矢量图形编辑器中组织好组件图形,因此在以后的的板子上使用时很容易找到这些部件。

铜组中的名称连接器引脚

Naming your connectors will be a huge time saver. For the SparkFun T5403 Barometer Breakout example, under the copper group, each connector is named connector#pad.

命名你的连接器将是一个巨大的节省时间。对于SparkFun T5403气压计示例,在铜组下,每个连接器命名为连接器#垫。

Copper Layers

示例在Illustrator中。如果你使用Inkscape,你仍然需要确保连接器已正确命名。

使用ORC-A或Droid Sans字体。

坚持Fritzing字体保持所有Fritzing部分看起来一样。建议标准字体大小为5pt。然而,有时候,你不会有空间更小的板。你最好不要低于3pt,因为它开始变得更难看到,而不放大。在Fritzing的网站,他们提到使用黑色作为字体颜色。无论你的丝印颜色往往看起来更好。对于这个例子,我们使用白色,因为这是分线板的丝印颜色,它更容易阅读红色背景。

创建复合路径以制作板开口

Illustrator用户:在PCB的大小中创建路径。对于SparkFun T5403气压计,你可以使用矩形工具制作1“x 0.650”的矩形。然后,在你的板子有开口的路径。例如,你可以使用椭圆形工具,在矩形工具下,制作完整的圆形,其中有支座和连接器针脚的开口。选择所有的开孔层和底部PCB层。

Select All

确保选择底部PCB层

接下来转到Object-> Compound Path-> Make。你现在应该有一个复合的路径,你将能够看到通过Fritzing的开口。

Final Breadboard Image

最终面包板图形

保存

确保在创建自定义板后再次另存为SVG!现在,你可以继续编辑面包板视图。

面包板视图 – 零件编辑器

加载图像

创建自定义面包板图像后,你将需要在Fritzing(新)零件编辑器中加载面包板SVG。首先,返回到Fritzing(新)零件编辑器,然后单击面包板按钮进入面包板视图。转到文件 – >加载图像的视图。

Load graphic

接下来,你将选择刚刚创建的面包板SVG,然后单击打开。图形现在应该在Fritzing(新)零件编辑器中。

连接器

在Fritzing应用程序中,你可以使用彩色线连接不同的Fritzing零件,以显示零件如何连接。为了使Fritzing知道板或部件上的连接器引脚,你需要告诉Fritzing这些连接器在哪里。

连接器引脚的名称和说明

对于面包板视图,连接器窗口将位于Fritzing(新)零件编辑器的右侧。选择一个引脚以更改引脚的名称并添加描述。

Select Pin

选择任何连接器针脚进行编辑

Change Connector Pin Name

选择连接器针脚的图形

单击连接器针脚名称右侧的选择图形按钮。然后,单击连接器针脚的图形。这将设置锚点。锚点是电线连接到该连接器的位置。默认情况下,终点将显示在所选图形的中间。如果要移动终点,你可以单击终点并按住以移动。你也可以通过在连接器窗口中单击“中心”,“W”,“N”,“S”或“E”来更改终端点。

Example Terminal Placement

你可以看到更改终端点时导线位置的差异

更改连接器类型

在“连接器”窗口中更改连接器的类型。你可以选择公头,母头或焊盘。对于SparkFun T5403气压计,所有连接器针脚都是母头。

Set Connector Type

在下图中,你可以看到将连接器类型设置为公头和母头之间的差异。

Different Connector Type

顶板的连接器类型设置为公头。底板的连接器类型正确设置为母头。

对所有连接器针脚重复此操作

名称,选择适当的图形,并更改所有连接器引脚的连接器类型。你还可以在“连接器”窗口中设置“内部连接”。

原理图

自定义原理图SVG

回到Illustrator,Inkscape或你正在使用的矢量图形编辑器。在下载的字体和模板文件夹中打开Fritzing的SchematicViewGraphic_Template.svg。你还可以从SparkFun Fritzing零件Github仓库打开示例SparkFun T5403气压计原理图SVG模板文件。

当编辑原理图以匹配电路板时,你需要确保显示每个连接器引脚。你将需要更改引脚标签以匹配连接器引脚名称。根据你的部件,你可能需要调整模板原理图的大小。确保主零件符号正方形和外销的边缘之间有0.1“的空间。

Schematic Example

确保删除0.1“维度帮助程序框,因此它不会显示在最终的Fritzing原理图图形中

保存SVG

你需要确保保存为一个新的SVG。记住要有一个命名约定,很容易说明为Fritzing部分创建的其他SVG文件之间的区别。

在零件编辑器中编辑原理图视图

加载SVG

返回零件编辑器,点击原理图按钮进入原理图视图。转到文件 – >加载图像的视图。接下来,你将选择刚刚创建的原理图SVG,然后单击打开。零件现在应该在Fritzing(新)零件编辑器中。

设置连接器引脚

如果你看看右侧的连接器窗口,你会注意到你的引脚名称已经存在。当你更改连接器引脚的名称和描述时,在面包板,原理图,PCB或连接器视图中,零件编辑器将自动更改其他视图的连接器引脚名称和描述。此外,连接器类型(公头,母头或焊盘)将仍然相同。

就像在面包板视图中所做的那样,你仍然需要为每个引脚选择一个图形。点击“选择图形”按钮,并为该引脚选择适当的图形。对于示意图视图,你将要更改终端点,因此连接线在最远点连接。

最简单的方法是确保连接器引脚的图形仍然被选中,并更改连接器窗口中的终端点。对于GND图形,通过单击“S”将终点移动到南端。

Terminal Point

对所有连接器重复此操作

在更新所有连接器针脚后,你可以继续在PCB视图中编辑。

PCB视图

制作自定义PCB SVG

回到Illustrator,Inkscape或你正在使用的矢量图形编辑器。当制作自定义PCB SVG时,你需要的主要图像组是铜(其将具有所有连接器焊盘)和丝印。

创建PCB图形

你可以在创建PCB SVG,修改自定义面包板SVG或在下载的字体和模板文件夹中编辑Fritzing的PCBViewGraphic_Template.svg时重新启动。对于此示例,修改了自定义面包板SVG,并将该文件另存为一个名为SFE_T5403_Barometer_Breakout_PCB.svg的新SVG。

确保有两个铜组

设置图层时,请确保有两个铜组。所有连接器层都应在铜组中。当你这样做时,Fritzing将知道该组件在PCB的两侧都有铜连接器。

Example of PCB Layers

有两个铜组的Illustrator示例

确保连接器引脚的间距准确

重要的是让PCB连接器引脚与你的电路板精确匹配,并在引脚之间留出适当的间距。Fritzing提供PCB Fab服务。如果你或其他Fritzing用户想要使用你的自定义部件使用该服务,你将需要确保你的PCB视图是准确的。

图形标准

代替连接器引脚是铜/镀锡绿色,PCB视图连接器引脚是“铜”颜色:

Copper Color

Hex: F7BD13 RGB: 247 189 19

自定义面包板SVG的主要变化是主要的组是铜和丝网印刷。丝网仍然是白色的。

Final PCB Graphic

最终PCB图形

在零件编辑器中编辑PCB视图

返回零件编辑器,点击PCB按钮进入PCB视图。转到文件 – >加载图像的视图。接下来,你将选择刚创建的PCB SVG,然后单击打开。零件现在应该在Fritzing(新)零件编辑器中。

更新连接器引脚

为每个连接器针脚选择适当的图形,就像在面包板和示意图视图中所做的那样。

图标视图

重复使用过去的图形

转到Fritzing(新)零件编辑器,然后单击图标按钮进入图标视图。关于Icon视图的一个伟大的事情是,你可以重用你的面包板,原理图或PCB SVG的图标图像,所以没有必要做一个新的图像!所有你需要做的是去文件,并选择你想要重用的图像。对于SparkFun T5403气压计,Icon视图重新使用面包板图像。面包板图像应显示。

Reuse Past Graphic

伟大的斯科特!你现在完成了图标视图!

元数据

转到元数据视图

转到零件编辑器,然后单击元数据按钮进入元数据视图。元数据是你将添加关于你的部件的所有重要信息的地方!

元数据视图中的不同部分

标题:很自然的。这将是你的部分的名称。

日期:在Fritzing中锁定日期条目。日期应显示你创建零件的日期。如果你稍后在道路上更新部件,日期将更改为上次更新的当前日期。

作者:你会想把你的名字在这里,所以,如果你与Fritzing社区分享你的一部分,他们知道谁是谁的部分。

说明:说明应包括对电路板重要的任何事项,例如工作电压。

标签:标签显示在示意图视图中,可以更容易地识别你选择的部件。对于SparkFun T5403气压计突破,标签将更改为零件。原因是,因为Part相当小,SparkFun T5403气压计名称已经在原理图图形本身。它取决于你想要标记你的部分!

URL:考虑张贴零件的网址,这样任何人都可以获得有关零件的更多信息。

家庭:如果你有一个部分有不同的颜色,芯片包等,你会希望他们在同一个家庭。例如,如果你有一个通孔LED有不同的颜色,同一个LED的所有不同的颜色将在同一个家庭。

变体:创建全新零件时,你要确保变体是1.当你以后进行修订时,如果变体2在同一系列中,则会将下一个修订版本更改为变体2。

属性:一个放置重要细节(如零件号,针脚间距等)的地方。

标签:使用可以找到更容易和最好描述你的部分尽可能少的单词的标签。

Metadata

觉得信息有点缺乏?你可以稍后再更新此内容,当你掌握了更多信息

连接器视图

转到连接器视图

转到零件编辑器,然后单击连接器按钮进入连接器视图。在“连接器”视图中,你可以执行以下操作:

  • 更改连接器数量
  • 设置连接器类型
  • 将连接器针脚设置为通孔或SMD
  • 名称连接器引脚
  • 添加连接器引脚描述

Connectors view

你不需要更改“连接器”视图中的任何内容,因为你已经填写了其他视图中的所有信息。如果你需要做任何最后一分钟的变化,现在你可以。请记住,如果你更改此处的连接器数量,则需要返回并更新面包板,原理图和PCB视图。

保存

 

现在你可以保存你的部分!转到文件>保存

继续导出部件!

导出新零件

Fritzing应用程序中的质量检查

现在是时候在主Fritzing应用程序中检出你的新Fritzing部分。当你在Fritzing(新)零件编辑器中保存为新零件时,零件将自动显示在Fritzing主应用程序中的MINE选项卡的My Parts标签下。

在导出新的自定义零件之前,你需要检查每个视图是否看起来不错。确保你在主Fritzing应用程序,而不是Fritzing(新)零件编辑器。通过单击顶部的面包板按钮,转到面包板视图。在零件窗口中,在右侧,确保你在MINE选项卡。你应该看到你的新部分。在面包板视图上单击并拖动板。

MINE Tab

仔细检查引脚是否命名正确,并且工作正常。在原理图和PCB视图中执行相同操作。一旦进行了质量检查,就可以导出零件。

导出零件

右键单击我的零件窗口中新零件的图标,然后选择导出零件。保存你的Fritzing部分。

Export Part

恭喜你,你做了自己的Fritzing零件!

更多信息和资源

贡献Fritzing

现在你已经完成了你的任务,你可以连接其他Fritzing零件。你可以在Fritzing网站上分享你的部分或项目教程。还有更多的方法来帮助Fritzing社区!查看Fritzing Support Us页面,了解更多支持Fritzing的方法。

大批量的Fritzing零件?

如果你是使用EAGLE的开发人员或投入大量时间来制作Fritzing零件的开发人员,Fritzing团队已经开放了一个工具包,从EAGLE .brd文件制作SVG文件。强烈建议你检查是否正在创建批处理的SVG板文件准备Fritzing。他们在Fritzing Google代码页上有源代码


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原始文章采用CC BY-SA 4.0,您可以自由地:

  • 演绎 — 修改、转换或以本作品为基础进行创作
  • 在任何用途下,甚至商业目的。
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本文由翻译美国开源硬件厂商Sparkfun(火花快乐)的相关教程翻译,原始教程采用同样的CC BY-SA 4.0协议,为便于理解和方便读者学习使用,部分内容为适应国内使用场景稍有删改或整合,这些行为都是协议允许并鼓励的。

原始文章及相关素材链接:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/make-your-own-fritzing-parts

SPI总线介绍(串行外围设备接口)

简介

串行外围设备接口 (SPI) 是一种接口总线,常用于微控制器与小型外围设备之间,使他们以串行方式通信。这些外围设备如位移寄存器、 传感器和SD卡等。 它使用单独的时钟、数据线以及从机通信选择线。

普通串行端口有什么问题?

一般只含RX(接收)线和TX(传送)线的串行端口,我们会称它作异步串口。因为该类串口无法很精确地保证数据在通讯两端实现同步传收。这是由于计算机系统的一切操作都由标准时钟源信号驱动(计算机的晶振源),则如果两个系统的标准时间系统由稍微偏差,它们之间的通讯就会出问题。

为了解决这个问题,异步串口通讯系统在每一帧数据里额外增加了起始位和结束位,以保证接收端对每一帧的数据完整接收。另外,在通信两端,都必须设同样的通讯速率(如9600波特率)。起始位和结束位的设定下,保证了即使帧与帧之间的时间间隔有稍微偏差,也能实现正常通讯。

Asynchronous serial waveform

(另外,如上图所示,所发送的“11001010” 实际上不等于0x53,因为在串口通讯中一般会首先从数据的最低位开始发送,因此最左端的实际是数据的最低位。所以低半字节实际是0011 = 0x3,高半字节是0101 = 0x5。)

异步通讯纵然好,但它在每帧数据的起始位与结束位上浪费太多信息空间,并且对通讯端的硬件要求较高。另外,当你发现在你的项目中,通讯端之间的传输速率不一,那么传输的数据必然会严重失真。这是因为异步通信里,接收端只能在特定的时间点里对数据线进行采样(如上图虚线处)。否则,接收端会采集到错误的数据。

一个同步的解决方案

SPI 的工作原理有一点不同。它是一种“同步”的数据总线系统,这意味着它额外的增加了一个通讯线共享时钟源,以实现传输同步。这时钟源是一种震荡信号,用来告知接收端对数据线的正确采样时间点。这有可能是时钟信号的上升沿(电平由低到高)或下降沿(电平由高到低);这可以在硬件的数据手册查询。接收端一检测到时钟线的电平变化,就会对数据线进行采样一,以获得一位新的数据(如下图虚线处)。由于每一位数对应着据时钟越变信号,数据就不需要用很精准的速率传输,不过传输端还是会以最高速传输。(我们接着会讨论选择适合的时钟沿以及传输每一位数据的速度。)

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SPI这么受欢迎的原因之一是它对接收端的硬件要求不高,一个位移寄存器就能实现接收。它比使用UART(全双工异步串口通信端)的硬件更简单和便宜。

如何接收数据

你可能会想,这听起来这么棒的通信系统是怎样把数据发送到另一端的呢?这原理就稍微有点复杂。

在SPI,只有一个端口发生时钟源信号(时钟源端一般简写为CLK、SCK),发送时间源信号的硬件叫主机,另一端则叫从机。在一个SPI通信系统里,只有一个主机(一般是MCU),从机则会有多个。

当数据从主机传到从机时,该数据传输线称MOSI(“Master Out / Slave In”),从机传发送数据到主机由另外一条数据线负责,叫MISO(“Master In / Slave Out”),以上两个过程中,主机产生时钟脉冲信号,对应每一位的数据传输,从机则按照时钟脉冲信号,把每一位数据按次序存储或输出。

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由于主机一直操控时钟线,因此它会预先知道从机将会返回多少位数据。以上特点与异步串口通信很不一样,它的接收端接收来自发送端的数据时间上是相对随机的。在SPI通讯中,信息是以特殊的数据格式和协议来传输。例如,MCU对传感器发出“读数据”的指令,传感器一般会按通信协议返回两位字节数据。(如果,你想要一个完整原始的数据,你可以先让传感器先返回一或两个字节声明该原始数据的长度,然后再传输原始数据。)

注意SPI是“全双工”总线系统(拥有分别独立的发送线和接收线)因此,在实际情况下,你可以同时实现数据的发送和接收(例如,实现发送要求对一个传感器读数据的命令,同时接收另外一个传感器回传的数据)。硬件的数据手册会告诉你这是可行的。

从机通讯选择 (SS)

这是SPI总线系统里最后一个你需要关注的线,它叫SS(Slave Select)。这根线是用来激活主机所需通讯的从机。

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SS在空闲时为高电平,即断开从机与主机之间的SPI通讯。(这种类型的逻辑被称为“低电平有效”,您经常会看到它用于使能和复位。)在数据传输之前,要拉低所需通讯从机的SS端。当你不与该从机通讯,则将它的SS端拉高。这对应于移位寄存器里的锁存端。

多从机工作

要是有两个或以上从机连在同一根SPI总线系统上:

  1. 一般来说每一个从机都要独立分配一个SS线。当要与指定的从机通讯时,你将对应的SS端拉低,其它从机的则保持高电平(你不会想同时让两个从机被激活,否则这两个从机就会同时在MISO端与主机通讯,造成数据的相互干扰失真)。每一个从机对应一条独立的SS线。如果你的主机输出口不够,可以用译码器扩展。alt text
  2. 在另一方面,若是要环形传输数据,一个从机的MISO连到下一个从机的MOSI。则要把所有的从机激活通讯。只要数据传输完成,就要把对应的SS端拉高,以防多个从机同时激活。这类结构经常用在位移寄存器和可寻址LED硬件里。

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注意在这设计里,当数据流从一个从机到另一个,至到任意一个,你将需要传输足够多的数据来推动这个数据流。同样,要注意你传出去的第一分数据是留给最后一个从机的。

这类型的设计通常用在单一输出的情况下,就如LED模块,工作时它并不会返回任何的数据。这样情况你便可以省去MISO端。另外,要是有数据返回,你可以选择环形总线结构来返回数据(上图蓝线所示)如果你选择这类结构。当你接收端来自从机1的数据时,则说明它的数据已经流过所有的从机。所以,为了接收到你所需的数据,你要传输足够多的接收命令。

SPI的程序

许多的MCU已经内置了SPI的硬设,来应对所需高速传输数据的所有要求。而且,对你们来说,按SPI的通讯协议配置相应的I/O口去传输数据是十分简单的。(一个很好的例子在维基百科的SPI。)

如果你想在一个Arduino实现SPI与其他硬件通讯,这有两种方法:

  1. 你可以用shiftIn()shiftOut() 指令。这是基于软件的指令,你可以用任何的引脚作为输出,但这样传输速度会比较慢。
  2. 或者你可以用SPI Library,是集成到MCU的SPI模块。它比指令方法快多了,但它只能按特定的引脚输出。

在通讯之前,你要设置一些相关选项。这些设置必须要和你所通讯的外设相匹配;查阅它们的资料手册,看通讯时需要什么配置要求。

  • 在通讯时可以先发送最高有效位(MSB)或最低有效位(LSB)。在Arduino的SPI库里,这由 setBitOrder() 函数控制。
  • 从机会在时钟脉冲信号上升沿或下降沿读取数据。另外,要注意时钟线在空闲时时高电平还是低电平。在Arduino的SPI库里,这由 setDataMode() 函数控制。
  • SPI可以高速传输数据(几兆每秒),这对于一些外设来说太快了。为了适应这些设备,你可以调节传输速度。在Arduino的SPI库里,这由setClockDivider() 函数来实现,它会将主机的输出时钟频率(对于大多Ardunio是16MHz)分频(8MHz (/2)到125kHz (/128)之间。
  • 如果你用SPI库,你只能用它所指定提供的SCK, MOSI and MISO 引脚。另外,还有一条指定的SS端(对于SPI硬件模块来说,必须至少有一根SS端),不过你也要分配其他的端口作SS端,分别控制每一个从机。
  • 在旧版的Arduino,你需要额外写程序控制相应SS端,让其在通讯前拉低,在通讯结束时拉高。在新版的Ardunio,如Due 可以自动控制每一个SS端,详情见 Due SPI documentation page

更多相关资源

提示和技巧由于

  • 由于SPI传输的是高速信号,它只能进行短距离通讯(仅几英尺)。如果你要远距离通讯,则要降低时钟脉冲频率,并加专用的驱动芯片
  • 如果SPI的传输情况不符合你的预期设想,用逻辑分析仪去排误是一个不错的选择。智能分析仪如Saleae USB Logic Analyzer,可以译码并显示和记录所测量的数据。

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SPI的优点:

  • 它比异步串口通讯要快
  • 就收器的硬件要求较低,如移位寄存器
  • 支持多从机通讯

 SPI的缺点:

  • 相比其他通讯方案,它需要的信号线较多
  • 要制定通讯协议(你不可以随意发一堆数据)
  • 只能有主机控制所有的通讯(从机之间不能直接通讯)
  • 它需要额外分配SS线对应每一个从机,如果众多从机,这将是个大问题。

扩展阅读

查阅  SPI的维基百科, 那有很多关于SPI的信息以及一些同步串口通讯的资料。

这篇博客 展现了更多关于基于嵌入式硬件建立SPI通讯的正确方法,示例是用 Arduino

许多SparkFunA的产品支持SPI通讯。如 Bar Graph Breakout kit

其他通讯方案:

现在你是SPI的支持者之一了,以下有一些其他教程来练习你的新技能:

 


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  • 演绎 — 修改、转换或以本作品为基础进行创作
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本文由翻译美国开源硬件厂商Sparkfun(火花快乐)的相关教程翻译,原始教程采用同样的CC BY-SA 4.0协议,为便于理解和方便读者学习使用,部分内容为适应国内使用场景稍有删改或整合,这些行为都是协议允许并鼓励的。

原始文章及相关素材链接:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/serial-peripheral-interface-spi?_ga=1.36860256.1133118399.1488205103

串联和并联电路

串联电路和并联电路

简单的电路(只有几个元件)通常很适合让新手入门。但是,当有新的元件加进来时,事情就不那么简单了。电流是怎么流动的?电压在干什么?可以将这些简化而令人更容易明白吗?恐怕不能。

在这片文章,我们首先会讨论串联电路和并联电路,电路中只有最基础的元件——电阻和电池——来呈现两种电路的不同之处。当你将不同的元件(比如电容器和电感器)结合在串联或并联电路中时,我们会探索一下串联或并联不同的结果。

本文章的内容

  • 串联电路和并联电路是什么样子的?
  • 在两种电路中,元件会如何运作。
  • 在两种电路中,电源电压会对耗能元件有什么影响。

建议阅读

在继续阅读本教程前,建议你阅读以下文章:

串联电路

节点和电流

在我们深入学习本章节之前,我们要提一下什么是节点。这并不是什么有趣的东西,就是连接的两个元件之间的线路。

Node example schematic

四种不同颜色的节点

了解这个,我们学习串并联电路的不同之处就完成一半了。我们还要理解电流是怎么流过电路的。电流从电压高的地方流向电压低的地方。电流会找尽办法流向电压最低的地方(也就是地端)。以上面的电路作为一个例子,这里表明了电流如何从电源正极流向电源负极:

Example of current flow through circuit

电流(用蓝色,橙色,粉色的线表示)在电路中流动。不同的电流用不同的颜色表示。

注意有些节点(就像R1和R2之间的)的电流在进来和出去后都是一样的。在其他节点(特别是R2,R3,R4这三路)干路电流被分成不同的两部分。这就是串并联电路不同的关键。

串联电路的定义

如果两个元件在同一线路上,并且流经它们的电流是同一路电流,那么就说这两个元件串联。这里是三个串联电阻的电路:

Schematic: Three resistors in series

在此电路中,电流只能有一条路线。从电源正极开始,电流首先流过R1。然后直接流过R2,然后R3,最终回到电源的负极。这里只有一条路径让电路流过。这些元件是串联的。

并联电路

并联电路的定义

如果元件之间有不同的节点,它们就是并联的。这里是三个并联电阻的例子:

Schematic: Three resistors in parallel

电流中电源正极出发,然后分别流过R1,R2和R3。将R1和电源连起来的节点也和其他电阻相连。其它电阻也类似地连接在一起。并最终和电源负极相连。这种情况下的电阻的就是并联。

串联电路中的电流处处相等,并联电路中的元件两端的电压相等。

串联和并联同时工作

以下是串联和并联共存的电路。电流从电源正极出来,首先经过R1,然后被分流,经支线流过R2和R3,最后又回到干线上,最终流回电源负极。

Schematic: Series and Parallel Resistors

在这个例子里,R2和R3并联,R1和R2,R3组成的并联电路串联。

计算串联电路中的等效电阻

这里有一些对你来说特别有用的信息。当我们在串联或并联电路中这样放置电阻,我们可以改变流过它们的电流的大小。例如,如果我们有一个10V的电源,一个10kΩ的电阻。依据欧姆定律我们得到1mA的电流。

Schematic: Single Resistor in series with battery

如果在电流中在加一个10kΩ的电阻,还是原来的电源,我们就使电流减少了一半,因为电阻变成原来的两倍了。

Schematic: Two series resistors in series with a battery

换一句话,我们的电路只有一条路径可以让电流流过,我们只不过是使电流流通的条件变得更艰难了。有多艰难呢?10kΩ+10kΩ=20kΩ。这就是我们计算串联电路电阻的方法——直接将它们相加

为了让这个方程更直观:电阻的数量是N——N是任意的值——电阻总值就是每一电阻相加。

Schematic snippet: N resistors in series

Equation: Rtot = R1+R2+...+R(N-1)+RN

计算并联电路中的等效电阻

串联电路中的电阻是怎样的呢?这回稍微复杂一点,但不会太多。回顾一下我们刚才10V电源和10kΩ电阻的例子,这一次我们增加一个10kΩ的电阻和原来的电阻并联。现在电流有两条路径可以走了。因为电压是不变的,在欧姆定律中,第一个电阻的电流仍然是1mA,那么同样的第二只电阻的电流也是1mA,我们就可以得到干路中的电流是2mA。这意味我们使电路中的电阻减半了。

Schematic: Two parallel resistors in parallel with a battery

我们可以很简便得得出10kΩ||10kΩ=5kΩ(||代表并联),但是电阻中不会只有两个电阻的。遇到更多的电阻怎么办呢?

求任意数量并联电阻总阻值的公式是:

1/Rtot = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/R(N-1) + 1/RN

If reciprocals aren’t your thing, we can also use a method called “product over sum” 如果你不喜欢倒数,我们还有一个方法——积除以和,当然是只有两个电阻的时候可以用这个公式:

R1||R2 = R1*R2/(R1+R2)

通过计算R1||R2的总电阻,我们可以将这条方程扩展到多个电阻的情况。但是用倒数相加的方法可能效率更高。

实验时间——第一部分

你需要的器材:

我们做一个简单的实验以验证我们对于串并联电路的理论。

首先,我们将几个10kΩ的电阻串联起来。参照下图,在面包板插一个10kΩ的电阻,并用万用表测量阻值。是的,我们已经知道之前电阻的阻值是10kΩ,但是确保严谨我们还是要测量一下电阻。当我们看到电表的指针稳定下来后,将另一个电阻接在面包板上,并确保和第一个电阻电气相连,然后用万用表测量两个电阻的总阻值。万用表的值大约是20kΩ。

你可能注意到你测量的电阻的阻值和你预想的值并不完全一样。电阻的实际阻值是有一个误差范围的,会与标明的阻值误差几个百分点。因此你可能读到9.99kΩ或10.1kΩ。只要这个读数和正确的数值接近就好,一切都会顺利工作。

Multimeter Fritzing Diagram

Experiment Time – Part 2

现在我们来处理并联电路的情况。如下图左下角那样安置两个电阻,确保它们的引脚是电气相连的。在用万用表测量它们的总阻值之前,你可以先计算一下它们的总阻值(提示:结果是5kΩ)。如果你测到的是接近5kΩ的值,这是好的。如果不是,检查一下连接有没有问题。

Experiment: Measure parallel resistors with a multimeter

分别用3个、4个、5个电阻重复实验。测量到的值分别是3.3kΩ,2.5kΩ和2kΩ。一切事情都按照计划进行吗?如果不是,检查一下连接是否出错。

串、并联电路电阻第一规则

有许多情况需要我们连接多个电阻。例如,你可能想要建立一个特殊的参考电压,你一定需要一系列的电阻,而且这些电阻的值也会比较特殊。既然我们电阻的阻值精度够高,我们就可以用多个不同阻值的电阻组合成我们需要的阻值。

提示1:并联电路中的等价电阻。

并联电路中的N个阻值(R)相同的电阻,那么总的电阻就是R/N。比如说我们需要一个2.5kΩ的电阻,但我们只有10kΩ的电阻。将四个这样的电阻串联起来,我们就会得到2.5kΩ的电阻。

Four 10kΩ Resistors in parallel can be used to create a 2.5kΩ one!

贴士2:精确度(tolerance)

确定你需要的精确度。例如,如果你需要3.2kΩ的电阻,你可以并联3个10kΩ的电阻。你得到的是3.3kΩ的电阻,和你预想中的阻值误差了4%。但是,如果你需要误差小于4%,你可以测量那些“10kΩ”的电阻,挑选测量值小于10kΩ的电阻并联在一起,你就可以得到更接近3.2kΩ的阻值了。理论上,如果我们的10kΩ电阻误差不超过1%,我们只能得到3.3kΩ的阻值。但是一些成品误差会大一些,需要我们耐心点找它出来。

贴士3:串、并联电路的功率

串、并联电路中的电路同样会有功率。比如说有一个100Ω,功率是2W,但我们只有1kΩ,0.25W电阻。你可以将十个1kΩ的电阻并联起来得到100Ω的阻值,总功率是10*0.25W,也就是2.5W。

但我们并联阻值不相同的电阻时,我们要更小心地处理总电压和总功率的值。

贴士4:并串联电路中的不同电阻

并联电路的总阻值一定会小于阻值最小那个电阻。

贴士5:并联电路中能量的损耗。

如果并联电路中的电压值不相同,那么支路中的电能损耗是不一样的,因为电流并不相同。用前面的例子(1kΩ||10kΩ),我们会发现1kΩ电阻的电流是10kΩ电阻电流的10倍。欧姆定律告诉我们功率=电压*电流,就可以推导出1kΩ电阻电功率是10kΩ电阻电功率的10倍。

最后,当我们处理电阻值不同的并联电路时,我们要时常想起贴士4贴士5.如果电阻值是相同的,贴士1和贴士3就变得很好用了。

串联电路和并联电路中的电容

将电容联合起来就像将电阻联合起来……只不过结果刚好相反。为什么会这样呢?

电容器是两块分开但是间隔非常近的导体板,它的主要功能是容纳一定量的电荷。电容器的容值越大,它越能容纳更多的电荷。如果增加导体的面积,电容值会变大,因为容纳电荷的物理面积变大了。如果导体板的距离变大了,电容值就会减小,因为距离使它们之间的场强减弱了。

我们将两个10uF的电容串联在一起,并假设它们都充满电了并准备放电。

Capacitors in series

记住在串联电路中电流只有一条路可以走。也就是说在下面的电容放出的电量和在顶部放出的电量是相等的。因此电容器的总容量并没有增加。

事实上,情况会更糟糕。通过串联电容器,我们只不过是将导体板隔离得更远了。我们得到的不是20uF,或者甚至是10uF。而只是5uF。这个结论的得出和我们计算并联电路的电阻一样,同样都是用“乘除以积”的方法。

Capacitors in series schematic/equation

这看起来似乎没有串联电容的用武之地。但是应该指出,我们得到的是多倍的电压。就像电池一样,我们将电容器串联起来就使电压增加了。

并联电路中的电容相加就像将串联电路中的电阻相加:直接将各部分的值加起来就可以了。为什么是这样呢?将电容器并联起来就像将电容器导体板的面积增加了。更大的面积意味着更大的电容。

Capacitors in parallel schematic/equation

实验时间——第三部分

你会需要:

让我们看看实际中一些串联和并联的电容器。这一部分比电阻那一部分稍微麻烦一点,因为电容器的容量不能直接用万用表测量出来。

让我们首先看看从0开始慢慢增加电容器两端的电压会怎样。如果电容器的电阻为0,电流就会很大。电容器会一直放电,直达它的电压和供应电压相等。

如果电容器的电阻为零,那么放电的速度非常快,电流很大,而充电的速度也会很快(微秒级甚至更少)。在这个实验中,我们想看看一个电容器是怎样充满电的。我们将使用一个10kΩ的电阻,将充电的速度减慢下来,使我们能够比较容易的观察现象。但是首先我们要谈谈什么是RC时间常量。

Tau = R*C

上面的公式是是说一个时间常量的长度(单位:秒)等于电阻(单位:欧姆)乘以电容(单位:法拉)。简单吗?我们将在下一页阐释这个公式。

实验时间——第三部分(继续……)

在本实验的第一部分,我们会用10kΩ的电阻和一个100uF(即0.0001F)的电容.这两者相乘得出一秒的时间常量:

Tau = 10kOhm * 100uF = 1 second

通过一个10kΩ的电阻为100uF的电容器充电,我们可以预测在一个时间常量内(也就是1秒),电容器的电压上升到了供应电压的63%。在5个时间常量后,电容器的电压是供应电压的99%,这是符合以下的曲线的:

Capacitor charge time graph

既然我们已经知道这个规律,我们将要将电路是图案联系起来(请确保不要搞错电容器的两极。)

Fritzing diagram, power off, cap in series with resistor, battery

用万用表测电池包的输出电压。输出电压测量值应该在4.5V附近(如果是新
电池,电压会稍微大一点)。现在连接电路,要注意在和面包板连接前把电
源开关打到OFF位置。同时,红线和黑线不要接错了。你可以用鳄鱼夹将被
测电容和万用表探头连接起来(你可以将线头拉长一点,使连接变得容易)

只要我们对电路的连接满意了,就可以将电池包的开关打到ON。在五秒钟后
,万用表的读数应该和电源的电压接近,这意味着公式是正确的。现在把开
关关了。万用表的读数并没有变化。这是因为电流已经无路可走了,电容器
不会放电,这是一种开路的情况。为了给电容器放电,你可以用10kΩ的电阻
与之并联。在5秒后,电表读数将接近0。

实验时间——第三部分(再继续……)

在本实验的第一部分,我们会用10kΩ的电阻和一个100uF(即0.0001F)的电容.这两者相乘得出一秒的时间常量

C = 100uF*100uF/(100uF+100uF) = 50uF

时间常量会是怎样的呢?

Tau = 0.5 seconds

Experiment 3.2 fritzing diagram

记住这些结果,增加一个电容器,与第一个串联(如上图),确保电表的值
是0V。将滑动开关滑到“ON”。电压表的读数从0变成电源电压值是不是用了原
来一半稍微多的时间呢?这是因为电容器比原来多了一
倍。总的电容值变小了,所以将它充满电需要更少的时间。我们建议用第三
个电容器来证明这一点。

现在我们尝试并联电容器,记住我们说过这就像将电阻串联。于是我们得到
的总容量就是200uF。时间常量就变成:

Tau = 2 seconds

这就意味着如果我们用4.5V的电压给电容器充电,我们大约需要10秒。

Frizing diagram: caps in parallel

为了证明这一点,我们用原先10kΩ和100uF串联的电路,并在这实验中参考
第一个实验那张图。我们已经知道充满电容器需要5秒。现在增加第二个电
容器与之并联。请确保电表的读数是0V(如果不是,就用一个10kΩ的电容器
放电),然后将电池开关打到“ON”。充电时间会久一点,不是吗?我们将电
容器的容量扩大了,当然需要更多时间将它充满电。你可以自己证明它,用
第三个100uF的电容器,并观察它充电的时间。

串联和并联电感器

串联和并联电感器

在电路中串联电感器的情况是很罕见的,但并非没有听说过。我们可以这样
做完成特殊任务。

简而言之,它们就像电阻那样,就是说如果串联,它们的值简单相加,如果
并联,就用“乘积除以和”的值。棘手的部分是,如果它们靠得太近,就会或
多或少产生互相干扰的磁场。为此,只用一个电感比用两个或更多要好,
虽然大部分电感器都包装成可以阻碍磁场。

在任何情况下,说它们像电阻那 样增加是恰当的。关于电感器的更多内容超出了本教程的范围。

资源与深入学习

现在你已经熟悉了串并联电路,为什么不搜索一下这些文章呢?

  • Voltage Dividers (电压驱动器)- 最基础的一种循环电路就是电压驱动器。这是一个建立在本教 程概念之上的电路。
  • What is an Arduino?(什么是Arduino?) -现在你肚子里已经有了电路的基础知识,你可以直接学习 最受欢迎的一种微控制器开发平台:Arduino
  • Switch Basics(开关基础) – 我们在本教程里已经谈论了一些电路基础知识,但还不包括这一 种。开关是每种电路都必需包含的部件。在这篇教程里学习关开关的所有 内容吧。
  • Sewing with Conductive Thread(缝合导电线) – 电路不是只有能在面包上拉电线. E纺织品使用导电线将电灯 缝如衣服或其他纺织物。

    cc

    原始文章采用CC BY-SA 4.0,您可以自由地:

    • 演绎 — 修改、转换或以本作品为基础进行创作
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    • 只要你遵守许可协议条款,许可人就无法收回你的这些权利。

    本文由翻译美国开源硬件厂商Sparkfun(火花快乐)的相关教程翻译,原始教程采用同样的CC BY-SA 4.0协议,为便于理解和方便读者学习使用,部分内容为适应国内使用场景稍有删改或整合,这些行为都是协议允许并鼓励的。

    原始文章及相关素材链接:

    https://www.sparkfun.com/search/results?term=DC+AC

电阻

简介

电阻是最常见的电路元件。在每个电路中它们是至关重要的一部分。在我们喜爱的欧姆定律中,电阻是主角。

resistors

在电阻这一部分,我们涉及以下内容:

  • 什么是电阻?
  • 电阻的单位
  • 电阻的符号
  • 串联、并联电路中的电阻
  • 电阻的不同种类
  • 解读颜色编码
  • 解读表面安装式电阻
  • 电阻应用举例

相关阅读

本文章中一些概念是建立在重要的电学知识上的。在继续阅读本文章之前,建议阅读(起码要浏览)以下文章:


电阻基础

电阻是拥有电抵抗力的电路元件。电阻能够限制流过电路中的电流。

它们是消极的元件,因为它们只能消耗能量(不能产生)。电阻通常在运算放大器、位控制器和其他集成电路中充当活跃的一部分。通常电阻被用来限流、分压上拉IO口

电阻单位

电阻抵抗电流的能力用欧姆来表示。欧姆的符号是希腊字母Ω。1Ω的定义是电阻两端的电压为1V时,流过电阻的电流是1A的阻值。

电阻抵抗电流的能力用欧姆来表示。欧姆的符号是希腊字母Ω。1Ω的定义是电阻两端的电压为1V时,流过电阻的电流是1A的阻值。
SI单位制中,更大或更小的欧姆值可以加上前缀千、兆、吉,这样使比较大的值更容易阅读。像千欧(KΩ)和兆欧(MΩ)是非常常见的电阻单位,百万欧(mΩ)是比较少见的单位。例如,4700Ω和4.7KΩ是相等的,5600000Ω可以写成5600KΩ或5.6MΩ。

符号

所有电阻都是有两极的,电阻的两端都要连接在电路中。电阻的符号有以下两种形式:

Resistor schematic symbols

两种常见的电阻符号。R1是美国式的1KΩ电阻,R2是国际式的47KΩ电阻。

电阻的两端是波浪线(或矩形)伸展出来的线。这两端要和电路的其余部分相连。

电阻的符号通常会由阻值和名字强调出来。以欧姆为单位的阻值,对于估测并实际建造电路是至关重要的。电阻的名字通常由字母R和紧跟着的数字组成。电路中每一个电阻的名字都必须独一无二。举个例子,这里是555定时器电路中的一些电阻:

Example schematic with resistors - a 555 timer

在这个电路中,电阻扮演了设置555定时器输出频率的重要角色。另一个电阻(R3)限制了流过LED的电流大小。


电阻类型

电阻有各种各样的形状和大小。它们可能是穿孔安装或表面安装。穿孔安装通常被缩写成PTH(plated through-hole),表面安装通常被缩写成SMD/SMT(surface-mount technology or device)。

终端和安装

PTH电阻具有长而柔软的引脚,可以插进面包板或手工焊接到测试板或PCB板上。有时候你不想焊接又薄又小的SMD电阻,这些PTH电阻对于使用面包板或其他测试板就显得特别有用了。PTH电阻的引脚又细又长,这就意味着它们比起SMD电阻要更多存储空间。比较普遍的PTH电阻采用轴式包装。电阻的大小和它的功率相关。一个常见的0.5瓦特的电阻长9.2mm,而0.25的电阻长6.3mm。

1/4 and 1/2 watt resistors

一个0.5瓦特的电阻(上)和0.25瓦特的电阻(下)

SMT电阻外形是薄而黑的矩形,两端是更小的铮亮的银色导体边缘。这些电阻一般被安装在PCB板的顶部,与其他元件焊接在一起。因为这些电阻太小了,通常要用机器把它们放在热箱里进行熔焊,并固定在特定的地方。

SMD resistor on a quarter

一个0603外形的330Ω电阻

SMD电阻有标准的大小:通常是0805(0.8mm长,0.5mm宽),0603或0402.它们有利于生产大量的电路板,而且特别节省空间。虽然它们在焊接时需要熟练而精确的焊接技术。

电阻的组成

电阻可以是各种各样的材料。最普遍流行的电阻通常用碳、金属或金属氧化物制成。在这些电阻里,一个薄薄的导体片被绝缘材料弯弯曲曲地包裹着。大多数穿孔式安装的电阻是由碳片或金属片组成的。

Peeled away view of carbon-film resistors

看一看碳片电阻的内容。电阻的阻值(从上到下):27Ω,330Ω,3.3MΩ。在电阻里其他PTH电阻会用超薄的金属片制造。这些电阻通常贵一些。一些高端产品,例如大范围的温度计会选择使用这些电阻。

SMT电阻既有薄的也有厚的。厚的一类通常便宜些但阻值没有薄的那么精确。在两种电阻类型中,一片小小的具有阻值的金属合金被夹在陶瓷基架上,最外层由玻璃或环氧树脂覆盖,然后与两端的导体边连接。

电阻封装种类

电阻有许多特殊的封装类别。有些电阻由四到五个内置电阻排成阵列封装而成,外头引出每个电阻的引脚。在这些阵列的电阻可能共同使用同一个引脚,或者被设置成分压器。

Resistor Network

5个330Ω的电阻阵列,每个电阻的一端都连接在一起。
电阻的阻值不一定是恒定不变的。变阻器的电阻就是可变的,这是一种可以将阻值在一定范围内调整的电阻。和变阻器相似的有电位计。两个电阻在内部串联起来,中间的接头可以调节出适合分压器。这些可变电阻通常用于调节输入电压,比如音量旋钮。

A smattering of potentiometers

一些零散的电位计。


解读颜色带

虽然阻值并没有在电阻上直接标明,但是电阻会用标记来表示阻值。PTH电阻有颜色编码系统,SMD有自己的值标记系统。

解码颜色带

穿孔式安装的轴式电阻通常使用颜色带系统来表示阻值。大多数这类电阻组会有四条环带。

Resistors showing their stripes

前面两条带表示电阻值的两位最重要的数字。第三条带是数字的权重,使这两位数以十的倍数变化。

最后的环带表示电阻的阻值误差范围。误差范围表明了表明的阻值的浮动范围。没有一个电阻是完美的,不同的制作工艺使电阻有不同的精确度。例如,一个误差范围是5%的1KΩ电阻,它的实际阻值在0.95KΩ到1.05KΩ之间。

你怎样分辨那一条环带排在第一呢?最后要说的是,公差带通常很明显地与表示阻值的环带隔离,它通常是金色或银色的。

这里是一张颜色-阻值对应表:

颜色 数值 倍率 倍数 误差范围
黑色 0 100 1
褐色 1 101 10
红色 2 102 100
橙色 3 103 1,000
黄色 4 104 10000
绿色 5 105 100,000
蓝色 6 106 1,000,000
紫色 7 107 10,000,000
灰色 8 108 100,000,000
白色 9 109 1,000,000,000
金色 ±5%
银色 ±10%

这是一个有四条颜色带的4.7kΩ的电阻:

Close-up of a 4.7kOhm resistor

W在解读电阻的颜色带时,最好查阅一张颜色编码表。在前两条颜色带中,找到颜色对应的数字。4.7kΩ的有黄色和紫色的颜色带,分别对应数字4和7。第三条颜色带是红色的,表明47要乘十的二次方,也就是4700!

如果你尝试记住颜色编码表,口诀可能对你有帮助。这里有一个口诀,可以帮助你记住电阻阻值颜色编码。以下是好用的一个,将黑色和褐色的拼写区分开来了:

Big brown rabbits often yield great big vocal groans when gingerly snapped.”

如果你记得“ROY G.BIV”,去掉了靛青色(可怜的靛青色,总会被人遗忘)将黑色和褐色添加在前面,灰色、白色在后面,这就就是典型的彩虹颜色顺序。

颜色代码计算

如果你有一定的数学能力或拿着一部计算器,可以尝试计算一下

 

Band 1 Band 2 Band 3 Band 4
Value 1 (MSV) Value 2 Weight Tolerance

Resistance:

1,000 Ω ±5%

解读SMT电阻阻值

像0603或0805这样的SMT电阻,有它们独特的表示电阻的方式。这里有一些常见的表示阻值的方式。通常有三到四个符号——数字或字母,被打印在电阻上面。
如果你看到的三个符号都是数值,你很可能看到的是以E24方式标记的电阻。这种标记方法和PTH电阻的颜色编码法有几分类似。前两个数字代表了电阻最重要的两个基数,最后一个数字代表的十的次方数。

Examples of E-24 marked SMD resistors

在上面的例图中,电阻上标志着104,105,205,751和754.104标志100kΩ,105表示1MΩ,205表示2MΩ,751表示750Ω,754表示750kΩ。

另一种编码方式是E96,这是一种最隐晦的方式。E96有三个符号,包括在前面的两个数字和一个在后面的字母。前面的两个数字告诉你电阻值的三位数字,这张查阅表对应了并不那么明显的数字关系。

CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE CODE VALUE
01 100 17 147 33 215 49 316 65 464 81 681
02 102 18 150 34 221 50 324 66 475 82 698
03 105 19 154 35 226 51 332 67 487 83 715
04 107 20 158 36 232 52 340 68 499 84 732
05 110 21 162 37 237 53 348 69 511 85 750
06 113 22 165 38 243 54 357 70 523 86 768
07 115 23 169 39 249 55 365 71 536 87 787
08 118 24 174 40 255 56 374 72 549 88 806
09 121 25 178 41 261 57 383 73 562 89 825
10 124 26 182 42 267 58 392 74 576 90 845
11 127 27 187 43 274 59 402 75 590 91 866
12 130 28 191 44 280 60 412 76 604 92 887
13 133 29 196 45 287 61 422 77 619 93 909
14 137 30 200 46 294 62 432 78 634 94 931
15 140 31 205 47 301 63 442 79 649 95 953
16 143 32 210 48 309 64 453 80 665 96 976

后面的字母表示倍数关系,在这张表有匹配值

LETTER MULTIPLIER LETTER MULTIPLIER LETTER MULTIPLIER
Z 0.001 A 1 D 1000
Y or R 0.01 B or H 10 E 10000
X or S 0.1 C 100 F 100000

Resistors marked with E-96 codes

因此01C电阻就是10KΩ,01B就是1kΩ,01D就是100kΩ。这些比较容易计算,但其他就不一定了。85A是750Ω,30C实际上是20kΩ.


功率

电阻功率是一个比较隐藏的值。然而这个值是重要的,当我们选择电阻类型时更是如此。

功率是能量形式转换的速率,它的单位是瓦特(W)。例如一个电灯泡能将电能转换成光能。但是一个电阻只能将电能转换成热能。在电路中,热能不是一个友善的小伙伴。太多热量会导致冒烟,然后是火星,然后是火焰!

每一个电阻都有其最大功率。为了不让电阻变得太热,将电阻的实际功率限制在最大范围之内显得尤其重要。电阻的单位是瓦特,电阻的功率通常在0.125W到1W之间。功率大于1W的电阻通常是耗能电阻,它们的能力主要表现为消耗电能。

找到电阻的功率

一个电阻的功率通常可以根据包装外形大小来推断。标准的穿孔式电阻功率通常为0.25W或0.5W。一些耗能电阻会直接将功率值标在电阻上。

Some examples of power resistors

一个耗能电阻在爆炸之前能够消耗许多能量。从右上角到左下角,电阻的功率依次是:25W,5W和3W,阻值分别是2Ω,3Ω,0.1Ω和22Ω。比较小的耗能电阻通常用来感应电流。

表面安装型电阻的功率通常可以通过外形大小来判断。0420和0603的电阻通常是1/16W,0805是1/10W。

计算电阻的功率

功率通常表示成电压和电流的乘积。但是,通过应用欧姆定律,我们也可以用电阻的阻值来计算功率。如果我们知道经过过电阻的电流大小,我们可以这样计算功率

P=I^2*R

或者,我们知道电阻两端的电压值,我们可以这样计算功率:

P=V^2/R


串联、并联电路中的电阻

电阻总是在串联或并联电路中成群结队地出现。在混联电路中的电阻产生的总阻值可以用一个或两个公式计算出来。为了方便了解电阻的总阻值是如何组成的,你需要设计一些特殊的阻值。

串联电阻

串联电路中的电阻阻值之和是各部分电阻阻值的简单相加。

Schematic of resistors in series

Equation for adding resistors in series

串联电路中的N个电阻。总阻值是所有电阻阻值之和

举个例子:如果你想要12.33KΩ的电阻,找到12kΩ和330Ω的电阻,将它们串联起来就可以了。

并联电阻

计算并联电阻中的阻值大小并不是一件容易的事情。并联电路中的N个电阻的总阻值的倒数是所有电阻阻值的倒数之和。

Schematic of resistors in parallel

Equation for adding resistors in parallel

并联电路中的N个电阻。为了计算总阻值,将每一部分阻值取倒数,将它们加起来,然后再将和倒过来,就是总阻值。

阻值的倒数实际上叫传导系数,所以可以更简洁地说:并联电路的传导系数是每一部分电阻传导系数之和。

如果只有两个电阻在并联电路中,总阻值可以用这样的等式计算:

Equation for calculating two resistors in parallel

例如,两个10kΩ的并联电阻的总阻值是5KΩ。

可以用一个符号表示两个并联的电阻:||。如果R1和R2并联,可以记作R1||R2。

电阻网络

为了教授学生计算总阻值,电学老师总是喜欢让学生计算那个疯狂的U型电路的阻值。

一个乏味的求电阻网络总阻值的问题可能是这样的:从A端到B端电路的总阻值是多少?

An example of a resistor network

为了解决这个问题,我们从电路后面的弯道开始,慢慢地简化A到B端的电路。在这里R7,R8,R9是串联在一起的,可以将阻值相加。这三个电阻和R6并联,所以这四个电阻可以记作R6||(R7+R8+R9),得到新的电路图:

Resistor network simplified

现在右边的四个电阻又可以继续简化。R4,R5以及R6-R9联合电阻是串联的,可以相加。现在又可以得到新的电路图:

Resistor network further simplified

现在AB端只有三个串联的电阻。将它们相加起来,那么电路中的总电阻就是:R1+R2+R3 || (R4+R5+R6 || (R7+R8+R9)).


应用举例

电阻出现在每个电路中。这里有几个深度依赖电阻的电路例子。

LED电流限制

在接通电源时,为了确保LED不会爆炸,电阻就显得非常重要。通过将电阻和LED串联,流过两个元件的电路会限制在一个安全的范围内。

Current limiting resistor schematic

当寻找合适的电阻时,可以参考LED的两个电气特性:工作电压和极大电流。工作电压是让LED正常发光的电压。它的范围(通常是1.7V和3.4V)取决于LED的颜色。普通LED的极大电流电流通常是20mA。连续流过LED的电流应该等于或小于极大电流。

只要你掌握了这两个数值,你就能利用以下等式计算限流电阻阻值:

Current limiting resistor = (Vs-Vf)/If

Vs是电源电压:通常是电池的工作电压。VF 和IF是led的工作电压以及点亮它需要的电流。

举个例子,你有一个9V的电池。如果LED是红色的,它的工作电压可能是1.8V。如果你想将电流限制在10mA,用一个720Ω的串联电阻。

Current limiting example equation R=(9-1.8)/.010

分压器

分压器是一种能够将电压值变小的电路。只要使用两个串联电阻,输出的电压是输入电压的分数。

这里有一个分压器电路:

Voltage divider circuit

串联的两个电阻R1和R2,电源电压是Vin,从Vout到地的电压值可以这样计算:

Voltage divider equation

串联的两个电阻R1和R2,电源电压是Vin,从Vout到地的电压值可以这样计算:

分压器对于电阻式传感器非常有用, 比如 photocells(光电池), flex sensors(柔性传感器), and force-sensitive resistors(力敏电阻). 分压器的一半是传感器,另一半是恒阻值电阻。两个元件之间的输出电压可以用微控制器上的模数转换器来阅读。

A photocell and resistor make a light sensor

电阻R1和光电管组成一个分压器,产生可变的输出电压。

上拉电阻

当你需要设置微控制器的输入引脚为宜特定状态时,可以使用上拉电阻。电阻的一端与单片机的引脚相连。另一端与高电压相连(5V或3.3V)。

没有上拉电阻,微控制器的输入就悬浮了。不能保证浮空的引脚是高电平或低电平。

上拉电阻通常被用在按钮或开关的接口。上拉电阻可以使输入引脚的状态在开始时处于某一确定值。当开关断开时,它可以保护电路以免短路。

A resistor pulling up a button input

在上面的电路中。当开关断开,微控制器通过电阻与5V电源相连。当开关闭合,输入引脚直接与地相连。

一个上拉电阻不需要有什么特殊的。但是它的阻值必须能让5V的电源不要耗费太多电压。通常阻值是10kΩ就可以了。


资源和深入学习

现在你是电阻方面的小小专家,探索更多的电学基础概念怎样呢?电阻并不是我们在电学中唯一使用的元件,它们还有:

或者你想更深入地了解电阻的应用

  • Voltage Dividers(分压器)
  • Pull-up Resistors(上拉电阻)

    cc

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电容器

简介

电容是有两个终端的电子元件。连同电阻、电感器,这三者是我们使用的最基础的耗能元件。你很难找到一个没有电容器的电路。

Capacitor variety hour

让电容特殊的是它的储电能力。它们像一个充电电池。电容在电路中拥有各种各样至关重要的应用。一般的应用包括储存能量,电压滤波,以及复杂信号的滤波。

本教程内容

在本文章中,我们会探讨有关电容器的话题,包括:

  • 如何制造一个电容
  • 电容器如何工作
  • 电容的单位
  • 电容的种类
  • 如何分辨电容
  • 串联、并联电路中的电容总和
  • 电容器的应用

建议阅读

本文章的一些概念建立在一些重要的电学概念基础之上。在你继续阅读本文章之前,建议阅读(至少浏览)以下相关文章:


符号和单位

电路符号

有两个表示电容器的符号。它们通常有两端,这两端要与电路中的其他部分连接。一种符号是两根较粗且不弯曲的平行直线。两条平行直线靠得很近但不接触。这实际上已经说明了如何制造一个电容器,但是描述起来很难,画图更直截了当:

Capacitor circuit symbols

(1)和(2)是标准的电容器电路符号。(3)是电容器应用在电压调控电路中的例子。

有曲线的符号(图2)表示电容器是有极性 的。本文章中的大部分电容器都用这种符号表示。

每个电容符号都要有一个名字,比如C1,C2等,以及一个值。这个值是指电容器的电容大小。也就是电容是多少法拉。(电容单位是法拉(F))

电容单位

不是所有电容器的电容值都一样的。每个电容器都拥有自己的电容值。电容值是指一个电容器能储存多少电量的能力,电容值越大,储电能力越强。电容的标准单位是法拉,可以简写成F。

1F是非常大的电容值,即使是0.001F(1mF)也是一个巨大的电容值。通常你看到的电容单位是pF(10-12)到mF(10-6)。

 

名称 符号 量级 与法拉相比
皮法 pF 10-12 0.000000000001 F
纳法 nF 10-9 0.000000001 F
微法 µF 10-6 0.000001 F
毫法 mF 10-3 0.001 F
千法 kF 103 1000 F

当你遇到法拉甚至是千法拉级的电容时,你遇到的是一种特殊的超级电容。


电容理论

接下来的部分不一定要初学者全部明白,直到文章后面,这一步分都是比较复杂的。我们建议阅读《如何制造一个电容器》这一章节,如果其他内容让你感到头痛,你可以忽略它们。

如何制造一个电容器

电容的符号实际上已经暗示了它是如何制造的。两块平行金属板之间有一个叫电介质的绝缘材料。两块金属板间隔非常近,但是中间的绝缘电解质保证它们不会互相接触。

Internal capacitor view

标准的电容器夹层:两块金属板被一块绝缘电介质分隔

电解质可以是各种各样的材料:纸,玻璃,橡胶,陶瓷,塑料或者是其他能让电流流过的材料。

两片材料是导体金属:铝,钽,银,或其他金属。两片金属都连着导线,两条线最终和电路的其他元件相连。

电容器的电容值——具有多少法拉——取决于它是如何制造的。更大的电容值意味着更大的电容器。两金属片之间重叠的部分越多,电容器的电容值越大,而金属片之间的距离越,电容值则越小。电解质也对电容有影响。电容可以用以下公式来计算:

C=er*A/(4*pi*d)

εr 是电解质的 介电常数(一个由电解质材料决定的常数), A是两块金属片的重叠面积,d是金属片之间的距离。

电容器如何工作

电荷的流动就是电流,电流使电灯点亮,使风扇转动,使任何电器能工作。当电流通到电容器时,它们不能穿越两块金属板,因为它们中间的电解质是绝缘的。电子——带负电的粒子——充满了其中一块金属板,这块板也就带满了负电。带负电的金属板将另一块金属板上等量的负电荷排斥走了,使另一块带正电。

Charged Cap Drawing

带正电和带负电的金属板互相吸引,因为异号电荷互相吸引。但因为中间的电解质,它们无法结合在一起,而电荷也会一直保持在金属片中。金属片上稳定的电荷创造了电场,影响了电势能和电压。当电容器的电量增长起来,电容器就像电池那样储存了电能。

充电和放电

充电就是使电容的两片金属板分别带上正电和负电。电容器能够保持电场——保留电量——因为每一片金属板都带上正电或负电,而它们永不接触。

在一定程度上,电容的电量已经多到不足以容纳更多的电荷了。其中一片金属板已经有足够的电子,这些电子会排斥任何想加入进来的电子。这就是电容器的储电能力,以法拉衡量,这告诉你一个电容器能带的最大电量是多少。

如果电路通路了,会使电量找到通向另一金属片的路径,使电容器的电量中和,这就是放电

例如,在下面的电路中,一个电池组可以用来在电容器两端产生电势。这会使电容器两金属板上带上等量异号的电量,知道电容器不能容纳更多的电荷。一个和电容串联的LED和电容形成通路,电容器中储存的能量可以用来点亮LED。

capacitor charge/discharge example

计算电量,电压,电流

一个电容器的电容——有多少法拉——告诉你它们储存多少的电量。一个电容器的储存的电量取决于电容器两端的电压。电量,电容,电压的关系可以用以下方程来描述:

Q=CV

电容器的电量Q是电容值和电压V的乘积

电容器的电容值是一个已知常量。因此我们可以调成电压大小来增加或减小电容器的电量。更大的电压就有更多的电量,较小的电压电量就比较少。这个方程提供我们定义法拉的好方法。1F就是在1V电压的情况下容纳1C电量的能力。

计算电流

我们要深入探索电量、电压、电容的关系式,找到电容和电压是如何影响电流的,因为电流是电荷的流动速度。电容中电压和电流的关系的主要内容是:电容器的电流取决于电压增加或减少的速率。如果电容两端的电压迅速增加,就会产生带正号的电流。电压改变的速率小,电流也随之变小。如果电容器的电压稳定不变,就不会有电流。

(这条方程有点丑,因为有微分在里面。如果觉得困难,可以跳过这部分)这个方程是:

i=Cdv/dt

dV/dt这部分是电压对时间的导数,这等价于:在这一瞬间电压增加或减少的速率。如果电压是稳定的,那么导数的结果就是0,也就是电流也是0.这就是为什么两端带有稳定直流电压的电容器不能产生电流。


电容器的种类

电容器有不同的种类,每种都有其特点让它在电路的应用中不可代替。

在选择一个电容器时,可以参考这些特性:

  • 大小 – 通常指物理体积的大小和电容值的大小。电容器成为电路中最大的元件是很正常的。虽然它们可以非常小,但是更多的是比较大的电容器。
  • 最大电压 – 每个电容器的两端电压都有一个最大值。一些电容器可能是1.5V,其他可能是100V.超过最大电压可能会摧毁电容器。
  • 漏电 – 电容器不是完美的。每一个电容器都会有微弱的电荷流过电解质。这就是漏电。漏电现象是电容器的电能慢慢地跑光。
  • 自带电阻(ESR) – 通常指物理体积的大小和电容值的大小。电容器成为电路中最大的元件是很正常的。虽然它们可以非常小,但是更多的是比较大的电容器。
  • 公差 – 电容器的电容值不可能是精确的预想中的数字。每个电容器的电容值都会和名义上的值有差别,差别的多少取决于电容器的种类。实际的电容值与预想值之间会有1%到20%的偏差。

陶瓷电容

陶瓷电容是最常见的一种电容。它的名字来自于电解质的材料。

陶瓷电容通常在物理体积和电容值上都比较小。你很难找到一个大于10uF的陶瓷电容。一个表面安装型陶瓷电容通常封装成0402(0.4mm*0.2mm),0603(0.6mm*0.3mm)或0805.穿孔安装式陶瓷电容通常看起来像小小电灯泡,两端都有一条金属线引申出来。

Ceramic Capacitors

两个穿孔安装式电容器。一个22pF(左)一个0.1uF(右)。中间的是0603表面安装型0.1uF电容。

C和其它比较受欢迎的电容器相比,陶瓷电容式一个接近理想的电容(自带电阻和漏电都比较小),但是它们比较小的电容值可能是一个缺点。它们通常也是最不昂贵的一种选择。这些电容器同样适用于高频耦合和去耦。

铝电解电容和电解钽电容

电解式电容的好处在于它的体积通常比较小。如果你想找一个1uF到1mF之间的电容,最好去找电解电容。它们能适应比较大的电压,因为它们的最大电压值比较高。

电解铝电容是电容家族中最受欢迎的一员。它通常看起来像罐子,底部有两条导线。

Electrolytic caps

即可穿孔安装又可表面安装的电容。每一个都有阴极引脚。

很不幸运,电解电容通常是有极性的。它们有一个正极引脚——阳极,一个负极引脚——阴极。当在电容两端加上电压时,电容器阳极的电位一定要比阴极的电位高。电容器的阴极通常有一个“-”号标记符。阳极的引脚通常比阴极引脚长。如果将电容器反接在电路中(电位差相反),电容器就永久废掉了。一个爆炸后的电解电容看起来像经历了短路。

这些电容也因为漏电而臭名昭著——电流(nA级别)从一极流向另一极。这使电解电容在储存电能上不是那么理想。

超级电容

如果你想找一储存电能的电容器,超级电容是一个很好的选择。这些电容被独特地制造成具有法拉级别的电容值。

Supercapacitor

一个1F的超级电容器。超高的电容值,但是只能承受最大2.5V电压。这也是有极性的。

虽然超级电容能储存大量的电量,但是它不能承受太大的电压。一个10F的超级电容只能承受2.5V以内的电压。超过这个值就会摧毁它。超级电容通常串联在电路中,这样就可以适应一个比较大的电压(与之串联的元件承担了部分电压)。

超级电容的主要应用是充电和放电,就像它的竞争对手电池。虽然超级电容不能储存比同样大小电池多的电量,但是它放电速度更快,寿命更长。

其他内容

80%的电容器都是电解电容和陶瓷电容,超级电容只占2%。另一种比较流行的电容是薄膜电容,它的特点是自带电阻非常小,在有大电流时优点非常明显。

另外还有许多不太常见的电容器。可变电容器的容量有一个可调整的范围,这使它成为调谐电路中可变电阻的替选品。两根金属导线和PCB板之间可以形成电容器,因为它们中间被绝缘电解质隔离者。莱顿瓶(畜电器)——一个被导体填满包围的玻璃瓶——是电容器家族的老大。最后,磁通电容器(电感器和电容器的奇怪组合)是至关重要的。


串联和联电路中的电容器

就像电阻, 多个电容器可以在电路中串联或并联组成一个统一的电容器。然而,总电容的计算恰好和总电阻的计算想反。

并联电容

并联电路中电容器的总容量等于各电容容量之和。这和串联电阻的情况类似。

Capacitors in parallel add

例如,如果你有三个电容器,10uF,1uF和0.1uF,并联在电路中总容量就是11.1uF(10+1+0.1)。

串联电路中的电容器

就像将并联电路中的电阻加起来那样痛苦,串联电路中电容的相加也是那么难啃。N个串联电阻的总容量的倒数是各部分电阻容量的倒数之和。

Capacitors in series are the inverse of the sum of their inverses

如果电路中只有两个电容器,你可以用“积除以和”的方法去计算总容量:

Equation for 2 capacitors in series Ctot=C1*C2/(C1+C2)


应用举例

电容器应用范围很广泛。举几个例子:

退耦电容

你在大多数电路看到的电容都是用来退耦的。退耦电容用于高频消振,消除高频信号中的躁波。它们可以除去电源的电压波动,避免损坏脆弱的集成电路芯片。

退耦电容可以作为集成电路芯片的内置电源(就像电脑内部的不断续电源)。如果外置电源的电压突然下降,一个退耦电容可以提供补偿电压。它们通常被叫做旁路电容,可以在一定时间内充当电源。

退耦电容两端电压是5.5V或3.3V。用两个不同容量甚至是不同类型的电容器充当旁路电源并非罕见,因为一些电容器在滤除某个特定频率的躁波比较有优势。

Decoupling capacitor schematic

在这幅图中,三个退耦电容用于减少积分器供应电源电压的躁波。两个0.1uF的陶瓷电和一个10uF的钽电解电容被用于退耦。

这看起来像电源和地之间短路了,只有高频信号才能经过电容器通往地端。直流信号会直接传送到IC。另一个它们被叫做旁路电容的原因是高频信号绕过了芯片,直接从电容器通向地端。

当我们连接一个退耦电容时,它们通常尽量和芯片靠得近一些。离得越远,它们的效果越差。

ADXL345 breakout decoupling caps

图中是一个物理电路。小小的黑色集成芯片旁边有两个0.1uF的电容器和一个10uF的钽电解电容(高的,长方形的电容器)。

一个好的集成芯片,至少会有一个退耦电容。通常0.1uF是好的选择,1uF或10uF也可以。它们很便宜,可以保证芯片不会被突然过大的电压损坏。

电源滤波

二极管整流器 可以将交流电压转换成直流电压。但是一个单独的二极管没有办法将交流电转换成直流电,它需要电容器的帮助。将一个电容器并联到桥式整流器中,整流器的信号本来是这样:

Rectification pre-Cap

信号会被转换成这样:

Rectification post-cap

电容会抵抗电压的突然变化。当整流器的电压增加时,滤波电容会被充电。当整流器的电压有非常大的下降趋势时,电容器会慢慢放电,为电路提供能量。在整流器电压信号开始再次上升之前,电容器最好不要完全放电。这种电压的增减变化在一秒之内会发生许多次。

Power supply circuit

一个交流到直流的转换电路。滤波电容C1至关重要,因为它时电路的直流信号变得光滑。

如果你将交-直转换电路剖解,你一定可以至少找到一个大型的电容器。下图是9V的直流电压调整器的拆解图。看一看里面的每个电容器:

alt text

电容器的数量比你想象的要多。这里有四个看起来来像小罐子的电解电容,容量在47uF到1000uF之间。那个大的、长方形的黄色电容器是一个高电压的聚丙烯薄膜电容器,容量是0.1uF。蓝色圆盘状和绿色的小小那只都是陶瓷电容。

储电和供电

如果一个电容器储存了电能,那么很明显它的其中一个用途就是供电,就像电池那样。但问题是和电池相比,电容器的能量密度比较小,和相同大小的化学电池相比,它们储存的电量少一点(但也只是一点而已!)。

电容器的一个好处是它们寿命比电池的长,这使它们成为一种环境友好的选择。电容器还有一个本领,它的放电速度绝对比电池快,有时需要一些短促的但是爆发力强的能量时就需要它们了。照相机的闪光灯的电能就是来自电容器的(电容器的电能来自电池)。

电池还是电容?

电池 电容器
容量
能量密度
充、放电速度
寿命

 

信号滤波

滤波电容能将一定频段内的信号从总信号中去除。当只需要高频信号时,它可以将低频信号去除掉。它就像高频信号俱乐部的保镖。

滤波信号可以被用在各种信号接收设备中。收音机会利用电容器将不需要的频率去除。

另一个电容器的应用例子是扩音器里的分频电路,也就是将声音信号分成许多不同频段。一个串联的电容器会滤掉低频信号,剩下的高频信号就会到达这一对扩音器。在低通滤波电路里,高频信号会被并联电容器滤掉。

Crossover schematic

一个简单音箱分频电路。电容器阻拦了低频信号,电感器阻拦了高频信号。每一个扬声器都能接收到对应的信号。

降级

如果要使用电容器,电容器要有一个比电压最大值要大得多的耐受度。
这里有一个SparkFun的工程师Shawn的优秀视频,是关于当你降低电容器级别并使电压过大时,你的电容器会发生什么。你可以在这里了解更多本实验的内容。


资源和深入学习

现在是不是感觉自己像一个电容器专家呢。想持续学习电学基础知识?如果你已经准备好了,可以尝试阅读关于以下电子部件的文章:

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