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第二課基本的芯片和分立器件

原著南方的老樹

2.1 簡述
有必要對以下系列的芯片和分立器件進行介紹。除了單片機作為控制器的核心外，作為一個產品，由很多東西構成；所以，在講系統(tǒng)之前，先將這些零零碎碎的東西一并交待。就好像一棟房子，有各種各樣的構件組成，下面的這些東東就像磚瓦一樣，沒有不行。

2.2 74系列芯片

74系列的芯片的下載地址：
http://www.dainau.com/ttldatasheet.htm
http://www.100y.com.tw/asp/class36_40.htm
http://www.mcu51.com/download/digitpdf/74xx/default.htm
74系列的芯片是古老的一族，大部分的芯片現(xiàn)在均已不用了，但是，實際上，在目前的系統(tǒng)中，還能看到一些芯片，有些芯片現(xiàn)在還在系統(tǒng)中使用，

例如：

1、 7404 – 6個反相門

將輸入的ttl邏輯反相，如：0->1，1->0

2、 7407 – 6個集電極開路門

由于集電極開路門可以外接高電壓，可以最高到dc30v，電流最大39ma，通常我用它驅動8字數(shù)碼管和繼電器等大電流的負載；開路門內部結構是達林頓管的，輸出的邏輯是正的；與其類似的芯片是7406，只不過是反相開路門。

3、 74ls573與74ls373 – 8 數(shù)據(jù)鎖存器

引入幾個概念：
1. 真值表
參見74ls373的pdf的第2頁：
                     dn    le  oe  on
                     h     h   l    h
                     l      h   l    l
                     x       l   l   qo
                     x       x    h    z

這個就是真值表，表示這個芯片在輸入和其它的情況下的輸出情況。每個芯片的數(shù)據(jù)手冊（datasheet）中都有真值表。布爾邏輯比較簡單，在此不贅述；

2. 高阻態(tài)

就是輸出既不是高電平，也不是低電平，而是高阻抗的狀態(tài)；在這種狀態(tài)下，可以多個芯片并聯(lián)輸出；但是，這些芯片中只能有一個處于非高阻態(tài)狀態(tài)，否則會將芯片燒毀；高阻態(tài)的概念在rs232和rs422通訊中還可以用到。

3. 數(shù)據(jù)鎖存

當輸入的數(shù)據(jù)消失時，在芯片的輸出端，數(shù)據(jù)仍然保持；這個概念在并行數(shù)據(jù)擴展中經(jīng)常使用到。

4. 數(shù)據(jù)緩沖

加強驅動能力。74ls244/74ls245/74ls373/74ls573都具備數(shù)據(jù)緩沖的能力。

oe：output_enable，輸出使能；
le：latch_enable，數(shù)據(jù)鎖存使能，latch是鎖存的意思；
dn：第n路輸入數(shù)據(jù)；
on：第n路輸出數(shù)據(jù)；

再看這個真值表，意思如下：第四行：當oe＝1是，無論dn、le為何，輸出端為高阻態(tài)；第三行：當oe＝0、le＝0時，輸出端保持不變；  第二行第一行：當oe＝0、le＝1時，輸出端數(shù)據(jù)等于輸入端數(shù)據(jù)；結合下面的波形圖，在實際應用的時候是這樣做的：
a． oe＝0；
b．先將數(shù)據(jù)從單片機的口線上輸出到dn；
c．再將le從0->1->0
d．這時，你所需要輸出的數(shù)據(jù)就鎖存在on上了，輸入的數(shù)據(jù)在變化也影響不到輸出的數(shù)據(jù)了；實際上，單片機現(xiàn)在在忙著干別的事情，串行通信、掃描鍵盤……單片機的資源有限啊。在單片機按照ram方式進行并行數(shù)據(jù)的擴展時，使用MOVx @dptr, a這條指令時，這些時序是由單片機來實現(xiàn)的。
后面的表格中還有需要時間的參數(shù)，你不需要去管它，因為這些參數(shù)都是幾十ns級別的，對于單片機在12m下的每個指令周期最小是1us的情況下，完全可以實現(xiàn)；如果是你自己來實現(xiàn)這個邏輯，類似的指令如下：

             MOV  p0,a ;將數(shù)據(jù)輸出到并行數(shù)據(jù)端口
             clr  le
             setb  le
             clr  le  ;上面三條指令完成le的波形從0->1->0的變化

74ls573跟74ls373邏輯上完全一樣，只不過是管腳定義不一樣，數(shù)據(jù)輸入和輸出端各在一側，pcb容易走線；所以大家都喜歡使用這個芯片。

4、 74ls244 – 數(shù)據(jù)緩沖器

數(shù)據(jù)輸出能力比較強，輸出電流可以到40ma以上； 4個緩沖器分成2組，具有高阻態(tài)控制端口

5、 74ls245 – 總線緩沖器

雙向數(shù)據(jù)接口，通常在isa板卡上可以看到；早期的51系統(tǒng)中，為了擴展ram、eprom、a/d、d/a、i/o等經(jīng)�？梢钥吹竭@個片子；為了增強驅動能力，有時是為了隔離輸入和輸出，主要是布線方便，象74ls573一樣，輸入、輸出在一側，經(jīng)常用到這個片子

6、 74ls138 – 三－八譯碼器

在早期的51系統(tǒng)的擴展中，作為地址選通的片子，可以經(jīng)常看到。另外一個類似的芯片是74ls154，是4-16譯碼器，現(xiàn)在更是少見了。有興趣的可以研究一下何立民的經(jīng)典著作中的有關章節(jié)。知道有這么一個芯片就可以了。

2.3  cd4000系列

cd4000系列的芯片，除了跟74系列的電氣特性有所區(qū)別外，例如：
1) 電壓范圍寬，應該可以工作在3v～15v，輸入阻抗高，驅動能力差外，跟74系列的功能基本沒有區(qū)別；
2) 輸入時，1/2工作電壓以下為0，1/2工作電壓以上為1；
3) 輸出時，1=工作電壓；0=0v
4) 驅動能力奇差，在設計時最多只能帶1個ttl負載；
5) 如果加上拉電阻的話，至少要100k電阻；
6) 唯一現(xiàn)在使用的可能就是計數(shù)器，cd4060的計數(shù)器可以到14級二進制串行計數(shù)/分頻器，這個74系列的做不到這么高；

2.4 uln2003/uln2008

它的內部結構也是達林頓的，專門用來驅動繼電器的芯片，甚至在芯片內部做了一個消線圈反電動勢的二極管。uln2003的輸出端允許通過ic 電流200ma，飽和壓降vce 約1v左右，耐壓bvceo 約為36v。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可以直接驅動繼電器或固體繼電器(ssr)等外接控制器件，也可直接驅動低壓燈泡。經(jīng)常在工控的板卡中見到這個芯片。有個完全一樣的型號mc1413，不過現(xiàn)在好像不怎么見到這個型號了，但是管腳與2003完全兼容。 uln2003可以驅動7個繼電器；uln2008驅動8個繼電器。

2.5 光耦

光耦是做什么用的？光耦是用來隔離輸入輸出的，主要是隔離輸入的信號。在各種應用中，往往有一些遠距離的開關量信號需要傳送到控制器，如果直接將這些信號接到單片機的i/o上，有以下的問題：

1) 信號不匹配，輸入的信號可能是交流信號、高壓信號、按鍵等干接點信號；
2) 比較長的連接線路容易引進干擾、雷擊、感應電等，不經(jīng)過隔離不可靠
所以，需要光耦進行隔離，接入單片機系統(tǒng)。

常見的光耦有：
1) tlp521-1/ tlp521-2/ tlp521-4，分別是1個光耦、2個光耦和4個光耦，hp公司和日本的東芝公司生產。發(fā)光管的工作電流要在10ma時，具有較高的轉換速率；在5v工作時，上拉電阻不小于5k，一般是10k；太小容易損壞光耦；

2) 4n25/4n35，motorola公司生產
隔離電壓高達5000v；

3) 6n136，hp公司生產

要想打開6n136，需要比較大的電流，大概在15~20ma左右，才能發(fā)揮高速傳輸數(shù)據(jù)的作用。如果對速率要求不高，其實tlp521－1也可以用，實際傳輸速率可以到19200波特率。

選擇光耦看使用場合，tlp521-1是最常用的，也便宜，大概0.7~1元；要求隔離電壓高的，選用4n25/4n35，大概在3元左右；要求在通訊中高速傳輸數(shù)據(jù)的，選用6n136，大概在4元左右。

光耦應用的原理框圖如下所示：
1. 輸入干接點隔離
2. 輸入ttl電平隔離
3. 輸入交流信號隔離
4. 輸出rs232信號隔離
5. 輸出rs422信號隔離
光耦除了隔離數(shù)字量外，還可以用來隔離模擬量。將在今后的章節(jié)中描述。

2.6 三極管
2.7 光電管
2.8 電容
2.9 電阻
2.10 固態(tài)繼電器
2.11 繼電器
2.12 變壓器與整流橋
2.13 三端穩(wěn)壓器
2.14 開關電源芯片
2.15 封裝知識、芯片批號等
2.16 接插件
2.17 器件選購的知識

2.6 三極管

2.6.1 三極管的4種工作狀態(tài)

1) 飽和導通狀態(tài)

飽和導通=0

2) 截止狀態(tài)

飽和導通=1

3) 線性放大狀態(tài)

作為低頻放大器時使用，具體的可參見有關電子線路的書籍；

4) 非線性工作狀態(tài)

在無線電通信系統(tǒng)中，作為混頻器等使用。具體的可參見有關電子線路的書籍；愚記得南京工學院也就是現(xiàn)在的東南大學在80年代初期有一套《電子線路》5本，是電子專業(yè)的書籍，比較難懂；現(xiàn)在，即使是在電子專業(yè)的學生中，也應該降低了對三極管的哪些復雜的參數(shù)的要求了吧；在實際使用時，即使是模擬電路、非線性電路，也都是集成電路了，誰還使用三極管自己做呢？如果萬一需要，現(xiàn)學也來得及。這套書很強的。編寫人在那個年代肯定都是牛人。學三極管這些參數(shù)很繁瑣的，要是現(xiàn)在的非電子類的大學生或者大專生們還學這些玩意，我只能說是學校在誤人子弟了。好多學校都在擴招，很多學生念了4年下來，學了一堆過時的理論，跟實際的東西
一點沒有接軌，不知道7407是干什么用得，不知道三極管的幾個狀態(tài)；我只能無話可說。所以，念了4年下來，跟企業(yè)的需求還有一段距離，還需要從頭來過；聰明的學生趕緊抓住機會去學習，去實習，這樣，還可以趕緊補上實際應用的這一課。

言歸正傳。

參見下圖：

當單片機的口線輸出電平為1時，三極管的be結導通，ce結導通，輸出的電壓值為0v；當單片機的口線輸出電平為0時，三極管的be結不導通，ce結截止，輸出的電壓值為5v；在這種數(shù)字電路的應用中，相當于三極管是一個反相開路門。計算是否導通，公式如下：

i＝b（放大倍數(shù)，希臘字母的貝塔）×ibe
當ice<i時，即為飽和導通；
相差越大，飽和程度越深，vce越小，三極管的輸出內阻越�。�

這個概念要用到光電管中。

設計使用時大概算算，心里有個數(shù)；在電路板上試試，行的通，那就是它了�？梢詼y量vce值，至少要小于0.1v就可以了。常用的pnp三極管是2n5551，驅動40ma的led（電壓在24v）、蜂鳴器等均沒有問題。

2.6.2 三極管的具體應用

實際上，已經(jīng)有象7407、uln2003可以取代三極管在數(shù)字電路中的作用；但是，有時是受到pcb面積的制約，有時是為了降低成本，有時是因為布局方便，在1~2個輸出點時，還是可以使用三極管來做驅動的。

例如：驅動一個蜂鳴器；往往系統(tǒng)中的蜂鳴器跟其它驅動設備，繼電器等，距離較遠；這時，沒有必要使用一片7407，或者uln2003來驅動。

2.7 光電管

我這里所謂的光電管有2種：

1) 反射型光電管
2) 對射型光電管

這2種產品在市場上又可分為調理好的和沒有調理好的；這2種光電管在電子產品世界和電子技術應用雜志上都有大量的廣告。隨便找一本都有。我所說的調理好的指的是內部已經(jīng)加了限流電阻和輸出的放大驅動電路了。它的特點是只有3根線，電源2根，輸出信號一根，ttl電平的；但是，有時受到某種限制，需要使用沒有調理好的，怎么辦呢？

參見下圖：光電管原理框圖

這種沒有調理好的光電管在使用時，需要做一塊小的電路板，在發(fā)光管加限流電阻，在光電三極管的集電極加上拉電阻到5v，如下圖所示：光電管工作框圖1。但是，在使用中我發(fā)現(xiàn)，輸出的信號不穩(wěn)定，尤其是在使用比較長的電纜傳輸?shù)絾纹瑱C的時候；究其原因，我認為是由于反射或者對射的紅外光落在光電三極管的靶面上，光強未能導致光電三極管深度飽和，使得輸出的內阻偏大，環(huán)境的噪聲和電纜的干擾信號容易在線路上疊加的緣故；為了可靠工作，仿照達林頓管的結構，在光電三極管的輸出端加一個限流電阻接到npn的b結，當無光的時候，2n5551飽和導通，輸出電壓為0v；實際測量小于0.1v；當有光，甚至是弱光時，2n5551截至，輸出電壓為5v。將3k電阻換成更大或更小的電阻，可以調整光電三極管的輸出的靈敏度。具體工作過程可以自行分析，做個實驗。

2.8 電容

2.8.1 電容的主要種類

電容有以下幾大類：

1) 電解電容
2) 獨石電容
3) 磁片電容
4) 膽（左金右旦）電解電容
5) 滌綸電容等

電容的指標是：耐壓值和電容容量。例如：220u/50v，就是說，這個電解電容耐壓值為50v，容量為220u。電容的容量跟電容的介質有關。

顧名思義：

電解電容為電解質作為介質的，鋁作為電極；獨石電容是使用石頭作為介質的；磁片電容是磁片作為介質的；膽（左金右旦）電解電容使用電解質作為介質，但是，電極采用膽（左金右旦）金屬。滌綸電容采用滌綸作為介質。有興趣的網(wǎng)友可以拆一個電容看看。

2.8.2 電容的使用場合

1. 電源穩(wěn)壓和濾波

電解電容主要是用來穩(wěn)壓和低頻交流濾波的；高頻濾波是使用磁片電容和獨石電容。當電解電容作為穩(wěn)壓時，接在整流橋和三端穩(wěn)壓器的輸出端，起到穩(wěn)定電壓的作用。其工作機理相當于一個水庫，從上游來的帶有波浪的水到了水庫，就變的平滑了。但是，鋁電解電容的電解質隨著時間的推移會干涸，所以在設計時需要留有余量，保證系統(tǒng)正常工作到它的壽命。有些遠端供電的直流電源，接到電路板的輸入端時，需要在電路板的電源輸入端加一個大的電解電容，通常可以是220u/25v，這樣，這塊電路板需要供電時，不是直接從電源處取，而是從電容中取電，可以得到穩(wěn)定的電流供給；但是，電解電容只能濾除低頻的波動；對于直流電源中的高頻波動，可以加一個0.1u或0.01u的獨石電容或者磁片電容。很多教科書都指出，在每一個芯片的電源和地兩端接一個0.1u或0.01u的獨石電容或者瓷片電容，解決芯片的供電過程中，由于電路板的走線電感產生的電源開關噪聲尖峰。這種作用下的電容叫去耦電容。這是電路板的常規(guī)的設計；

2. 定時參數(shù)

對于象555這樣需要外接電容產生穩(wěn)定的脈沖的器件，滌綸電容是首選�？梢韵胂�，滌綸一層又一層纏繞，受到溫度變化引起的滌綸的面積的變化的相對值要遠遠小于獨石電容的介質石頭受到溫度變化而引起的變化值。

3. 產生其它電壓

有些需要從單一電壓產生其它的電壓的芯片，如：max232，需要外接電容才能實現(xiàn)。參見max232技術資料。外接01.u的膽電容。

2.8.3 電容的封裝

電容有直插和表面貼的不同封裝。電解電容表面貼封裝的通常耐壓值不超出25v，電容值不超出100u。再大，就只好使用直插的了。其它的電容，磁片和獨石都有表面貼封裝的。