原理图-复位开关和三极管点亮Led灯分析

分析复位开关和三极管点亮Led灯


前言

   我本是一个Android应用开发工程师,在自学驱动过程中曾无数次为原理图抓狂,奈何自己确实没有任何模电、数电、硬件、大学物理相关基础。 软件工程专业出生,所以总是挠头,看到原理图 自身原因很懵逼,及时硬件同事给我讲了一次,可能下一次还是懵逼。

   硬着头皮看看吧,然后根据自身情况总结知识点,一步一个脚印吧!

参考资料

NPN与PNP的区别
NPN三极管与PNP三极管的电路板应用选择
详解三极管NPN与PNP区别
NPN和PNP 的电流方向 、大小关系 、电压偏置
三极管之——PNP与NPN
新手必看!三极管在电路中的应用分析
三极管的应用:开关电路

一、复位开关原理图分析

比如说,如下这个简单的原理图,同个这个原理图,我们能获取哪些知识点?
在这里插入图片描述

   该原理图展示了一种‌手动复位+防静电保护‌的复位电路,核心是通过电阻、开关、二极管协同实现复位信号的稳定控制。以下是各元件与工作逻辑的详细拆解:

元件功能与连接逻辑

  • R268(100R上拉电阻)‌:连接在RESETn(复位引脚)与电源(假设为+3.3V)之间,作用是‌上拉复位引脚至高电平‌,让电路在正常工作时保持“非复位”状态。

  • R0402(51Ω电阻)‌:串联在RESETn与RESET节点之间,用于‌限流与信号匹配‌,避免复位引脚直接短路或信号冲突。

  • KEY(手动复位开关)‌:通过开关的通断控制RESET节点的电平。当开关‌断开‌时,RESET节点由R268上拉至高电平;当开关‌闭合‌时,RESET节点被拉低至地(GND)。

  • D38(ESD5451N静电保护二极管)‌:连接在RESET节点与地之间,作用是‌抑制静电干扰‌,防止外界静电击穿复位引脚,保障电路可靠性。

实验四 流水设计实验 4.1 实验目的 (1)继续学习 Verilog HDL 语法; (2)提高 VIVADO 环境下的 Verilog HDL 编程设计。 (3)掌握流水的设计,熟悉调试过程。 4.2 实验内容 控制实验台上 16 个 LED 依次点亮流动,实现以 0.1 秒钟流动显示的流水的设计。 4.3 实验要求 (1)做好预习 1) 了解软硬件平台; 2) 掌握流水的工作原理; 3) 确定电路的输入输出端口设计; 4) 在课前画好设计框图或实验原理图。 (2)实验实施 1) 建立工程,编写实验项目对应的设计代码功能仿真代码; 2) 对功能模块进行仿真,得出正确的波形,截图作为实验报告结果一项内容; 3) 改动或改进仿真文件,观察仿真波形的变化; 4) 综合布局布线下载到实验箱里 FPGA 板上,进行上板验证; 5) 改动约束文件的管脚分配,上板演示,拍照作为实验报告结果一项内容。 (3)实验检查 1) 完成上板验证后,指导老师进行检查,进行现场演示,演示前先说明输入输出 管脚代表的意义; 2) 检查验收时侧重体现改动或改进的内容,回答老师提出的问题。 (4)实验报告 1) 实验结束后,按照规定的要求完成实验总结或实验报告的撰写,按规定时间提 交实验报告; 2) 实验报告内容包括但不限于以下内容:实验设计与实现的关键技术与内容、仿 真、下载测试结果,突出个人设计或改进部分的设计与仿真或下载测试;关键代码与 仿真测试文件;实验设计中遇到的问题,分析其原因及如何解决,为后续实验积累经 验;实验的收获与总结等内容。 46 4.4 实验原理 流水实验主要用到的硬件为发光二极管(LED )。实验板卡具有 16 个发光二极管, 其正极接电源,负极串接限流电阻与 FPGA 的引脚相连,FPGA 输出低电平时被点亮。发 光二极管具有单向导电性,当加入正向电压时,板卡上的发光二极管发出红色的光。因为红 色发光二极管的压降为 3.0V ~ 3.2V,而实验中采用 5V 电压,为防止电流过大烧坏发光二 极管,实验板卡设计者在每个流水前加入了限流电阻。不过,板卡上也提供了电压转换电 路将 5V 电压转换为板卡各类芯片所需要的工作电压。 流水设计需要将实验台上的 16 个 LED ,按照顺序依次点亮点亮时间 0.1s,需要 使用到系统时钟、复位信号以及 LED ,电路图及系统构架如图 4-1 4-2 所示。 图 4-1 实验台 16 位 LED 的电路图 图 4-2 流水的系统构架 系统输入 100MHz 时钟复位信号,输出为 16 个 LED 。由计时器移位寄存器两个 功能块构成流水模块。计时器对 100MHz 的系统时钟进行分频,定义 LED 点亮时间47 为 0.1s。时钟周期 10 -8 s,则完成 0.1s 的时间间隔需要 10 7 个周期,所以至少需要一个 N=log210 7=23.253≈24 位的计时器,计时器分频后的时钟输入到移位寄存器中。 移位寄存器的设计:定义 16 个 bit 的寄存器,每个 bit 位控制一个 LED 。寄存器中的 数据从右至左依次变化,使得流水产生从 LED1 到 LED16 依次点亮的效果,每次移位的 过程为:bit[14:0]整体左移,bit[15]移位到 bit[0]处,依次实现移位寄存器。当移位寄存器一 直循环工作时,流水也达到了依次点亮的效果。 4.5 实验步骤 示例:16 位的流水设计实验。 (1)新建工程:启动 Vivado 软件,在菜单栏点击“ File”->“ New Project”,输入工程 名称,选择工程的文件位置。 (2)创建及编写源文件:在“ Project Manager”下点击“Add sources”,选择“Add or create design sources”。输入文件名“Led16”,点击“OK”,点击“Finish”。根据控制流 水的显示实验原理在代码编辑区完成代码编写,实现其功能。 (3)功能仿真:计数器设计完成后需要功能仿真,自行完成仿真代码的编写,再验证 功能仿真正确性并进行仿真分析。修改仿真代码,看结果是否与写入的数据一致。 仿真的过程中会产生波形文件,可以通过观察波形文件确定功能的正确性,在出错的情 况下可以定位错误位置。 (4)进行管脚约束:添加模块中输入输出信号与开发板上芯片的引脚对应约束。在 “Project Manager”下点击“Add sources”,选择“Add or create constraints”,类似前面的 步骤创建 Led16.xdc。 参照实验板原理图引脚对应
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实验四 流水设计实验 4.1 实验目的 (1)继续学习 Verilog HDL 语法; (2)提高 VIVADO 环境下的 Verilog HDL 编程设计。 (3)掌握流水的设计,熟悉调试过程。 4.2 实验内容 控制实验台上 16 个 LED 依次点亮流动,实现以 0.1 秒钟流动显示的流水的设计。 4.3 实验要求 (1)做好预习 1) 了解软硬件平台; 2) 掌握流水的工作原理; 3) 确定电路的输入输出端口设计; 4) 在课前画好设计框图或实验原理图。 (2)实验实施 1) 建立工程,编写实验项目对应的设计代码功能仿真代码; 2) 对功能模块进行仿真,得出正确的波形,截图作为实验报告结果一项内容; 3) 改动或改进仿真文件,观察仿真波形的变化; 4) 综合布局布线下载到实验箱里 FPGA 板上,进行上板验证; 5) 改动约束文件的管脚分配,上板演示,拍照作为实验报告结果一项内容。 (3)实验检查 1) 完成上板验证后,指导老师进行检查,进行现场演示,演示前先说明输入输出 管脚代表的意义; 2) 检查验收时侧重体现改动或改进的内容,回答老师提出的问题。 (4)实验报告 1) 实验结束后,按照规定的要求完成实验总结或实验报告的撰写,按规定时间提 交实验报告; 2) 实验报告内容包括但不限于以下内容:实验设计与实现的关键技术与内容、仿 真、下载测试结果,突出个人设计或改进部分的设计与仿真或下载测试;关键代码与 仿真测试文件;实验设计中遇到的问题,分析其原因及如何解决,为后续实验积累经 验;实验的收获与总结等内容。 46 4.4 实验原理 流水实验主要用到的硬件为发光二极管(LED )。实验板卡具有 16 个发光二极管, 其正极接电源,负极串接限流电阻与 FPGA 的引脚相连,FPGA 输出低电平时被点亮。发 光二极管具有单向导电性,当加入正向电压时,板卡上的发光二极管发出红色的光。因为红 色发光二极管的压降为 3.0V ~ 3.2V,而实验中采用 5V 电压,为防止电流过大烧坏发光二 极管,实验板卡设计者在每个流水前加入了限流电阻。不过,板卡上也提供了电压转换电 路将 5V 电压转换为板卡各类芯片所需要的工作电压。 流水设计需要将实验台上的 16 个 LED ,按照顺序依次点亮点亮时间 0.1s,需要 使用到系统时钟、复位信号以及 LED ,电路图及系统构架如图 4-1 4-2 所示。 图 4-1 实验台 16 位 LED 的电路图 图 4-2 流水的系统构架 系统输入 100MHz 时钟复位信号,输出为 16 个 LED 。由计时器移位寄存器两个 功能块构成流水模块。计时器对 100MHz 的系统时钟进行分频,定义 LED 点亮时间47 为 0.1s。时钟周期 10 -8 s,则完成 0.1s 的时间间隔需要 10 7 个周期,所以至少需要一个 N=log210 7=23.253≈24 位的计时器,计时器分频后的时钟输入到移位寄存器中。 移位寄存器的设计:定义 16 个 bit 的寄存器,每个 bit 位控制一个 LED 。寄存器中的 数据从右至左依次变化,使得流水产生从 LED1 到 LED16 依次点亮的效果,每次移位的 过程为:bit[14:0]整体左移,bit[15]移位到 bit[0]处,依次实现移位寄存器。当移位寄存器一 直循环工作时,流水也达到了依次点亮的效果。 4.5 实验步骤 示例:16 位的流水设计实验。 (1)新建工程:启动 Vivado 软件,在菜单栏点击“ File”->“ New Project”,输入工程 名称,选择工程的文件位置。 (2)创建及编写源文件:在“ Project Manager”下点击“Add sources”,选择“Add or create design sources”。输入文件名“Led16”,点击“OK”,点击“Finish”。根据控制流 水的显示实验原理在代码编辑区完成代码编写,实现其功能。 (3)功能仿真:计数器设计完成后需要功能仿真,自行完成仿真代码的编写,再验证 功能仿真正确性并进行仿真分析。修改仿真代码,看结果是否与写入的数据一致。 仿真的过程中会产生波形文件,可以通过观察波形文件确定功能的正确性,在出错的情 况下可以定位错误位置。 (4)进行管脚约束:添加模块中输入输出信号与开发板上芯片的引脚对应约束。在 “Project Manager”下点击“Add sources”,选择“Add or create constraints”,类似前面的 步骤创建 Led16.xdc。 参照实验板原理图引脚对应关系表,在 I/O Ports 栏下填入正确的 Package Pin,针对 本实验板,I/O Std 要统一设置为 LVCMOS33。 (5)设计综合、实现及生成 bit 流文件:点击 Flow Navigator 中 Synthesis 下 Run Synthesis,进行综合,综合完成后,进行布局布线产生可烧写文件,可以依次双击运行, 也可以只双击“Generate Bitstream”会自动运行这三步。 (6)下载调试:打开 FPGA 实验板,上电,并将下载线与电脑相连后,打开电源,在 比特流文件生成完成的窗口选择“Open Hardware Manager”,进入硬件管理界面。点击 “Open Target”->选择“Auto Connect”自动连接器件。选择下载的 bit 流文件,点击 “Program Device”。 (7)观察及记录实验结果:学生可以不必拘泥参考设计,自行设计实现花样流水。 4.6 实验结果 (1)记录实验内容中的 3 个主要文件:设计源文件(加适当注释),仿真测试文件(加 适当注释),约束文件。 48 (2)记录项目的仿真波形图,生成的逻辑电路图截图保存。 (3)记录下板验证的现象与结果。 4.7 实验报告 (1)按照实验内容及步骤中的要求撰写实验报告; (2)实验预习不要求写预习报告,但要求根据实验原理需要画出对应的原理图,查看 实验任务清单,提前写好每个项目的 3 个主要文件。 (3)实验报告撰写内容包括: 1)实验名称、姓名、身份号; 2)实验设计与实现的关键技术与内容、仿真、下载测试结果,突出展示个人设计或 改进部分的设计与仿真或下载测试; 3)设计代码文件与仿真测试文件(带注释),约束文件; 4)所有项目的仿真波形图截图记录,分析测试结果,综合生成的逻辑电路图截图保 存,记录下板验证的现象与数据,对应说明结果; 5)分析实验中遇到的问题并说明解决方法,为后续实验积累经验; 6)分析计时器的位宽对实验的影响作用是什么?试将流水的闪烁时间修改为1s。 总结实验的收获与建议。
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【四旋翼无人机】具备螺旋桨倾斜机构的全驱动四旋翼无人机:建模与控制研究(Matlab代码、Simulink仿真实现)内容概要:本文围绕具备螺旋桨倾斜机构的全驱动四旋翼无人机展开研究,重点探讨其系统建模与控制策略,结合Matlab代码与Simulink仿真实现。文章详细分析了无人机的动力学模型,特别是引入螺旋桨倾斜机构后带来的全驱动特性,使其在姿态与位置控制上具备更强的机动性与自由度。研究涵盖了非线性系统建模、控制器设计(如PID、MPC、非线性控制等)、仿真验证及动态响应分析,旨在提升无人机在复杂环境下的稳定性控制精度。同时,文中提供的Matlab/Simulink资源便于读者复现实验并进一步优化控制算法。; 适合人群:具备一定控制理论基础Matlab/Simulink仿真经验的研究生、科研人员及无人机控制系统开发工程师,尤其适合从事飞行器建模与先进控制算法研究的专业人员。; 使用场景及目标:①用于全驱动四旋翼无人机的动力学建模与仿真平台搭建;②研究先进控制算法(如模型预测控制、非线性控制)在无人机系统中的应用;③支持科研论文复现、课程设计或毕业课题开发,推动无人机高机动控制技术的研究进展。; 阅读建议:建议读者结合文档提供的Matlab代码与Simulink模型,逐步实现建模与控制算法,重点关注坐标系定义、力矩分配逻辑及控制闭环的设计细节,同时可通过修改参数添加扰动来验证系统的鲁棒性与适应性。
### MOSFET BJT 三极管作为开关的工作原理 #### MOSFET 的开关工作原理 MOSFET 是一种场效应晶体管,其操作基于栅源电压 \( V_{GS} \) 控制漏源电流 \( I_D \)[^3]。当栅源电压超过阈值电压 \( V_{TH} \),沟道形成并允许电流从漏极流向源极。具体来说: - 当 \( V_{GS} < V_{TH} \) 时,MOSFET 处于截止状态(关闭),几乎没有电流流过。 - 当 \( V_{GS} > V_{TH} \) 并且达到饱区时,MOSFET 进入导通状态(开启),此时 Rds(on) 非常低,使得漏源之间几乎像短路一样。 ```python if v_gs < v_th: mosfet_state = "off" else: mosfet_state = "on" ``` #### BJT 三极管的开关工作原理 BJT 是双极型晶体管,通过基极电流 \( I_B \) 来控制集电极电流 \( I_C \)[^1]。在开关应用中,BJT 可以处于两种极端状态之一: - **截至模式**:当基射结无正向偏置或反向偏置时,\( I_B ≈ 0 \),因此 \( I_C ≈ 0 \),这相当于断开电路的状态。 - **饱模式**:当有足够的基极电流使发射极到集电极间的压降接近零伏特时,BJT 完全导通,类似于闭合开关的行为。 ```python if i_b == 0 or v_be < 0.7: # 假设硅材料BJT bjt_state = "cutoff" elif i_c / beta >= i_b: bjt_state = "saturation" ``` #### 关键差异比较 相比于 BJT,MOSFET 更适合用于高频高效率的应用场景,因为前者具有更低的导通电阻 Rds(on),从而减少了功耗损失[^2]。此外,由于 MOSFET 属于电压驱动器件而不需要持续提供输入信号来维持导通状态,所以在实际设计中往往更易于使用。
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