单片机/嵌入式小白教程—硬件（五）单片机电路常识与基本电路原理

目录

简介

电阻

电压

电势

电容

上拉电阻

晶振

限流电阻

匹配电阻

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简介

该部分是对之前（一）（二）（三）（四）部分的基础讲解，主要是针对单片机最小系统部分和其电路原理，具备电路基础的可以跳过。

电阻

电阻是阻挡电流的器件，电阻是最传统最常见的元器件，电阻与电流、电压遵循以下规律。

I=U/R

其中I是电流，U是电压，R是电阻，为了方便理解，我们通常把电压和电阻看作自变量，电流看作因变量，并认为电压产生电流，电压更为本质（注意，，说“电压更为本质”这是一种理解方法，不是物理规律）。

因为电压产生电流，所以电压越大电流越大，而电阻阻碍电流，所以电阻越大电流越小，三者之间的关系是线性的。

电压

为了方便理解，我们通常把电流比作水流，把电压比作水压，水压产生水流，电压是一个差值，电压是两个电势之间的差，当我们没有规定是哪两个电势之间的差的时候，单独指出的某一点的电压，通常都是说它相当于电势零点的差（通常是地：GND，也就是认为规定的0V的位置）

电势

电势本身也是人为定义的相对值，如果你有初中物理学基础，你可以把它理解为重力势，重力势越高的地方，能量越大，电势也是一样，而重力势零点通常是人为定义的（比如定义为海平面，离地面0米高的地方），这样就更好理解电压了，把他看作水，水所处的高度决定了它的重力势，高度越高势能越大，高度差又产生了水压。

电容

电容是除电阻外最常见的电子元器件，电容是一种储能器件，它可以将两端的电压以化学能或者电场能储存起来。

我们再次将电比作水，主供电干路相当于是一条大河，通常大河的水位是稳定的，水位稳定水压就稳定，但是，如果这个时候突然河流沿岸消耗了大量的水资源进行灌溉，水位会出现突然的下降，这种下降会造成水压波动，但是当灌溉结束后，大河的源头又能把水位补回来，现在的问题是，我们不希望水压波动，于是我们在需要灌溉的农田边修了几个池塘作为调节用的水库，当需要灌溉的时候，池塘里的水能快速进行补充，池塘里的水和大河里的水一同下降，但是因为现在不是大河自己承担灌溉用水，所以水位下降的速度要慢一些，慢多少，跟池塘能储存多少水有关系，这个蓄水量就是电容的容值，当然也跟水池的远近有关系，也跟水池本身连接过来的水渠有关系。

现在，单片机或者其他用电设备就是农田，单片机的用电量会发生变化，就相当于是耗水量会变化，再回头看一下上面这段话，你就能理解单片机外面的这一圈电容是干嘛用的。

同样的，我们也会在供电器件（LDO旁边）放几个大电容，就相当于是在河流的源头修了一个大水库，也是一样的作用。

注意：当水池没有蓄满水的时候，大河里的水会源源不断地往水池里流入，这时候电容是个用电设备，消耗大量的电流，近似于短路，耗电量很大，当水池蓄满水后，水池几乎就不再吸收任何水了，相当于是开路，当水池蓄满水，既不放水也不进水的时候，就可以看作是不存在的。

上拉电阻

看这张图，这是一张STM32单片机的复位电路图，这里面有一颗电阻，这颗电阻就是上拉电阻，当这个电路稳定后，左边的按键没有按下，就相当于是开路，我们可以认为它不存在，下边的电容充满电，我们也认为它不存在，于是可以看作右边的电路，即从RESET引脚引出一根线，并通过一颗电阻连接到3.3V，RESET引脚的电阻很高，相当于是一头被堵住的水管，这颗电阻是10K欧姆，也就是1万欧姆，而RESET引脚里面的电阻可能比他还高几百倍，当3.3V的电压流过来后，充斥着从电阻到导线再到RESET引脚的每一处，因为RESET里面几乎不导通，消耗的水流和水压很小，因此，这外面一圈回路里面的电压几乎是处处相等的，也就是RESET现在是3.3V，电阻两端也是3.3V，这个结构几乎不耗电，电阻分得的电压也几乎为0。

同样的，如果这个RESET引脚通过一颗电阻连到0V的位置，也就是GND，那么这颗电阻就可以叫做下拉电阻。

晶振

晶振的全程是晶体振荡器，在很早以前，人们就发现在石英的表面施加一个压力，会导致石英的两端产生电势差，也就是石英体本身产生电压，因此产生了石英压电装置，可以通过外接施加压力产生电能。

更为神奇的是，这种特性是可逆的，也就是说，在石英特定的两点间施加电压，会使石英内部产生一个向外的斥力，撤掉电压，斥力就会消失，不断地施加和撤掉电压，斥力就会造成震动，这就是晶体振荡器的又来，这里的晶体现在一般是指石英，很早的一段时间流行一种石英表，精度比机械表高很多，那个石英和晶振是一回事。

单片机通过晶振引脚输出一个包含各种杂波的信号，迫使晶振发生震动，晶振起振后会滤除不相匹配的杂波，并把匹配的固定频率的波持续叠加，产生一个周期稳定，信号明显的波，这个波的频率就是晶振上面标注的频率。

限流电阻

我们有时候会看到原理图中一根导线的中间突然出现一个电阻，比如LED（发光二极管）的回路中通常会串联一个电阻，这个电阻就是限流电阻，电路中的电流对于LED来说太大了，需要电阻的I=U/R的能力发挥作用，限制I的大小，防止把LED烧毁，同样的，通讯线路中的电阻也能起到类似的作用，比如USB接口上串联的两个阻值比较小的电阻，但是，这两颗电阻还有别的妙用。

匹配电阻

上面说到——比如USB接口上串联的两个阻值比较小的电阻，但是，这两颗电阻还有别的妙用。

把线路比作水管，不同的阻值表示水管的阻力不同，当水流在水管中流的好好的，突然遇到一截阻力过大的地方，就像海浪撞上了堤坝，会产生回流，回流会干扰这个水管中水流水压的稳定性，从而影响通讯，回灌的水流通常发生在水流突然变化的时候，所以我们加上一个稍微增大阻力的地方，限制一下水流的大小，水流小，就不容易产生波动，毕竟，风浪越大，堤岸反弹的水流也越大，虽然这颗电阻也会产生轻微的回灌，但是这个毕竟是可控的，为了防止因为匹配电阻造成回流太大，弄巧成拙，我们选的电阻会比较小，通常在几十欧姆到几百欧姆，不会很大。