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單片機的应用与分类-單片機5V轉3.3V電平的方法技巧大全-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-17 

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單片機,單片機5V轉3.3V電平

單片機

單片機(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位單片機,发展到现在的300M的高速單片機。


單片機的应用分类

單片機(Microcontrollers)作为计算机发展的一个重要分支领域,根据发展情况,从不同角度,單片機大致可以分为通用型/专用型、總線型/非總線型及工控型/家电型。


通用型

这是按單片機(Microcontrollers)适用范围来区分的。例如,80C51式通用型單片機,它不是为某种专门用途设计的;专用型單片機是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的,例如为了满足电子体温计的要求,在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。


總線型

这是按單片機(Microcontrollers)是否提供并行总线来区分的。總線型單片機普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线,这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与單片機连接,另外,许多單片機已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内,因此在许多情况下可以不要并行扩展总线,大大减省封装成本和芯片体积,这类單片機称为非總線型單片機。


控制型

这是按照單片機(Microcontrollers)大致应用的领域进行区分的。一般而言,工控型寻址范围大,运算能力强;用于家电的單片機多为专用型,通常是小封装、低价格,外围器件和外设接口集成度高。 显然,上述分类并不是惟一的和严格的。例如,80C51类單片機既是通用型又是總線型,还可以作工控用。


單片機5V轉3.3V電平的方法技巧

(一)使用LDO穩壓器,從5V電源向3.3V系統供電

标准三端线性稳压器的压差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地转换为 3.3V,就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降 (Low Dropout, LDO)稳压器,是此类应用的理想选择。图 1-1 是基本LDO 系统的框图,标注了相应的电流。从图中可以看出, LDO 由四个主要部分组成:


1. 导通晶体管


2. 带隙参考源


3. 运算放大器


4. 反馈电阻分压器


在选择 LDO 时,重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数,将会得到最优的设计。

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LDO電壓穩壓器


LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流 IGND。 IGND 是 LDO 用来进行稳压的电流。当IOUT>>IQ 时, LDO 的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而,轻载时,必须将 IQ 计入效率计算中。具有较低 IQ 的 LDO 其轻载效率较高。轻载效率的提高对于 LDO 性能有负面影响。静态电流较高的 LDO 对于线路和负载的突然变化有更快的响应。


(二)采用齊納二極管的低成本供電系統

詳細說明了一個采用齊納二極管的低成本穩壓器方案。

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齊納電源


可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本 3.3V稳压器,如图 2-1 所示。在很多应用中,该电路可以替代 LDO 稳压器并具成本效益。但是,这种稳压器对负载敏感的程度要高于 LDO 稳压器。另外,它的能效较低,因为 R1 和 D1 始终有功耗。R1 限制流入D1 和 PICmicro? MCU的电流,从而使VDD 保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时,二极管的反向电压也将发生改变,所以需要仔细考虑 R1 的值。


R1 的选择依据是:在最大负载时——通常是在PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时,在最小负载时——通常是 PICmicro MCU 复位时——VDD 不超过齐纳二极管的额定功率,也不超过 PICmicro MCU的最大 VDD。


(三)采用3個整流二極管的更低成本供電系統

如下图详细说明了一个采用 3 个整流二极管的更低成本稳压器方案。

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二極管電源


我们也可以把几个常规开关二极管串联起来,用其正向压降来降低进入的 PICmicro MCU 的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。


所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管 D1-D3 的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接 R1 是为了避免在负载最小时——通常是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状态时——PICmicro MCU VDD 引脚上的电压超过PICmicro MCU 的最大 VDD 值。根据其他连接至VDD 的电路,可以提高R1 的阻值,甚至也可能完全不需要 R1。二极管 D1-D3 的选择依据是:在最大负载时——通常是 PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——D1-D3 上的电压降要足够低从而能够满足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。


(四)使用開關穩壓器,從5V電源向3.3V系統供電

如图下所示,降压开关稳压器是一种基于电感的转换器,用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制 MOSFET Q1 的导通(ON)时间来实现的。由于 MOSFET 要么处于低阻状态,要么处于高阻状态 (分别为 ON 和OFF),因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。


当 Q1 在这两种状态期间时,通过平衡电感的电压- 时间,可以建立输入和输出电压之间的关系。

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对于MOSFET Q1,有下式:

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在选择电感的值时,使电感的最大峰 - 峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值,是个很好的初始选择。

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在选择输出电容值时,好的初值是:使 LC 滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果突然卸掉负载,电压过冲能处于可接受范围之内。

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在选择二极管 D1 时,应选择额定电流足够大的元件,使之能够承受脉冲周期 (IL)放电期间的电感电流。

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降壓(BUCK)穩壓器


數字連接

在連接兩個工作電壓不同的器件時,必須要知道其各自的輸出、輸入阈值。知道阈值之後,可根據應用的其他需求選擇器件的連接方法。下表是本文檔所使用的輸出、輸入阈值。在設計連接時,請務必參考制造商的數據手冊以獲得實際的阈值電平。

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輸入/輸出


(五)3.3V →5V直接连接

将 3.3V 输出连接到 5V 输入最简单、最理想的方法是直接连接。直接连接需要满足以下 2 点要求:


? 3.3V输出的 VOH 大于 5V 输入的 VIH


? 3.3V输出的 VOL 小于 5V 输入的 VIL


能够使用这种方法的例子之一是将 3.3V LVCMOS输出连接到 5V TTL 输入。从表 4-1 中所给出的值可以清楚地看到上述要求均满足。

3.3V LVCMOS 的 VOH (3.0V)大于 5V TTL 的VIH (2.0V)


3.3V LVCMOS 的 VOL (0.5V)小于 5V TTL 的VIL (0.8V)。


如果这两个要求得不到满足,连接两个部分时就需要额外的电路。可能的解决方案请参阅技巧 6、7、 8 和 13。


(六)3.3V→5V使用MOSFET轉換器

如果 5V 输入的 VIH 比 3.3V CMOS 器件的 VOH 要高,则驱动任何这样的 5V 输入就需要额外的电路。图 6-1 所示为低成本的双元件解决方案。


在选择 R1 的阻值时,需要考虑两个参数,即:输入的开关速度和 R1 上的电流消耗。当把输入从 0切换到 1 时,需要计入因 R1 形成的 RC 时间常数而导致的输入上升时间、 5V 输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下式计算:

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由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的,提高输入开关速度的惟一途径是降低 R1 的阻值。而降低 R1 阻值以获取更短的开关时间,却是以增大5V 输入为低电平时的电流消耗为代价的。通常,切换到 0 要比切换到 1 的速度快得多,因为 N 沟道 MOSFET 的导通电阻要远小于 R1。另外,在选择 N 沟道 FET 时,所选 FET 的 VGS 应低于3.3V 输出的 VOH。

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MOSFET轉換器


單片機的应用

电子技术中單片機的应用


1、在家用電器領域的应用

现在在家用电器的更新、市场开拓等方面,單片機的应用越来越广泛,比如电子玩具或者高级的电视游戏机中,会应用單片機实现其控制功能;而洗衣机可以利用單片機识别衣服的种类与脏污程度,从而自动选择洗涤强度与洗涤时间;在冰箱冷柜中采用單片機控制可以识别食物的种类与保鲜程度,实现冷藏温度与冷藏时间的自动选择;微波炉也可以通过單片機识别食物种类从而自动确定加热温度与加热时间等等,这些家用电器在应用單片機技术后,无论是性能还是功能,与传统技术相比均有长足的进步。


2、在醫用設備領域的應用

现代医疗条件越来越发达,人们对医疗灭菌消毒技术也越来越重视,但是一些偏远地区的小医院、小诊所其消毒灭菌设备还十分简陋,无法有效的控制消毒质量。随着單片機技术的发展,其体积较小、功能强大、具有灵活的扩展性、应用方便的特点也越来越突出,因此在医用呼吸机、分析仪与监护仪、超声诊断设备、病床呼叫系统等设备中得到了广泛的应用。


3、在工業控制領域的應用

其实最早的單片機正是从工业领域开始兴起的,至今其在工业控制领域的应用仍然十分广泛,利用單片機技术构成多种多样的数据采集系统与智能控制系统,比如工厂流水线的智能化管理、智能化电梯、报警系统等等,均是通过單片機技术与计算机联网构成二级控制系统。


4、在儀器儀表領域的應用

上文中也谈到單片機具备集成度高、体积小、较强的控制功能与扩展的灵活性等特点,并且处理速度快,具有较高的可靠性,所以在智能仪器仪表领域其应用也十分广泛。从某种程度而言,單片機带动了传统测量、控制仪器仪表技术的一项革命,通过單片機技术实现了仪器仪表技术的数字化、智能化、综合化以及多功能化,与传统的电子电路或者数字电路相比,其功能更强大,综合性更突出。


單片機故障排除方法

1、單片機正常工作的三个条件

單片機工作的三个条件分别是电源、时钟晶振、复位。当單片機不能正常工作时,我们首先就要检查这三个条件,用电压表或者万用表检测他的电源和接地脚,检测两个引脚之间的电压是不是5V左右;对于时钟晶体振荡有没有正常工作,我们最好用示波器进行检测,看能否检测到相应频率的正弦波脉冲;复位检测比较简单,單片機的复位电平一般是高电平复位,單片機在接通电源的时候一般复位引脚上会出现5V左右的高电平,另外在按下复位按键时,复位引脚上也会出现高电平,用一般的电压表或者万用表都可以进行检测。


2、單片機内部是否正常工作的检测

單片機内部有没有正常工作,我们主要是通过写入程序的方式来进行检测和排查。这个检测需要有“烧入”代码的硬件和软件才行,检测的原理就是通过“烧入”代码的硬件和软件,将一段带有检测功能的正常代码“烧入”到單片機。检查两个方面:第一就是能不能将目标代码正常写入單片機,不能正常写入單片機时,说明單片機已经损坏,需要更换同型号的單片機;第二就是目标代码可以正常写入單片機,写入后的效果是不是就是程序设定的功能,如果是说明單片機正常。


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