第6节 电子器件
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更新于2008-05-16 19:30:49

电阻
       电阻是对电流呈阻碍、抵抗的两端口器件。根据欧姆定律,在相同电压下,电阻值越大,该电阻上流经的电流越小。电流经过电阻时,电阻材料内部的电子会相互推压、排斥、碰撞,而正是这些碰撞产生了电阻的阻抗特性。电阻内的电子碰撞会导致能量以热和光的形式耗散掉(如电热管和电灯泡)。电阻的单位是欧姆ohms,一欧姆的定义是:在1V电压下能够通过1A电流的阻值。各种阻值的电阻目前都可以购买到,从小到几毫欧姆到大到几兆欧姆。在大多数电路中,1欧姆的电阻是很小的值很小电阻,100千欧姆一般来说是比较大的。电阻的物理尺寸和形状是可以根据具体需求来制作的。一般来说,消耗大量热能的电阻值都比较大(比如电热管),而只消耗少量电流的电阻值相对来说都较小(比如各种功能的digilent电路板)。电阻消耗的电功率可以用公式来计算: 其中I为通过电阻的电流。V是跨接在电阻两端的电压,R是阻抗。一个消耗功率为5W的电阻,其尺寸大小和写字笔差不多,而一个消耗功率为1/8W的电阻,其尺寸大概只有一个米粒那么小。如果在电路板中放置的电阻所消耗的功率超过了额定功率,那么它就被融化。
在Digilent电路板中使用了各种不同的电阻。其中一些用来限制LED的电流,还有一些用来在主要芯片的输入端防止电流过流(比如按钮和开关电路)和过冲放电(即ESD-这个后面将要详细讨论)。Digilent电路板上使用的电阻,比如数字系统板上使用的电阻基本都是小尺寸的,这是由于这些电阻上的电压和电流都不大。对于这些小尺寸电阻,起电阻体上都印刷有极小的欧姆值标度,但肉眼是看不见的。


        一些原始的或低成本的电路板使用的是“过孔”类器件,而不是更小型化(更便宜)的“表贴”器件。过孔型电阻大概有5mm长、2mm宽。典型的印刷成褐色和兰色为底色,在起电阻体上还有彩条(这些彩条代表着电阻值)。在电路原理图和器件列表中,电阻一般都以参考指定标识来标记,以“R”开头。你可以看见在Digilent电路板丝印层上有一些方形白框标有“R--”,这就是电阻。在原理图中,电阻一般都被标识为一条锯齿线。

电容
       电容是一种可以存储由带电粒子构成的电能的两端口器件。你可以把电容看作是一个在一定时间内充放电荷的容器。电压跨接在电容两端后,有一定比例的电荷将被电容存储起来。对一个给定尺寸的电容来说,其存储电荷越多,电容两端的电压就越大。由于电容的电荷是不可能瞬间充电或放电的,所以电容两端的电压也是不可能瞬时变化的。这一特性就使得在Digilent电路板上和其他电路设计应用中,电容将发挥巨大的作用。

        电容的单位是法拉力。一法拉力电容可以在1伏特电压下存储一库仑电荷。在一些小型化设备应用中(比如手持设备和桌面设备),一法的电容容量远远超过了应用所需的电容容量(就像是一辆小汽车配备一个1000加仑的大油箱)。经常用到的有用电容容量一般都在微法量级(uF)或是皮法量级(pF)。而毫法和纳法一般也很少用到。大电容一般都会在其电容体上明确的标有其电容值比如10uF(10微法)。小型化电容,像是颗粒状的、盘状和晶片状的一般都会采用编码形式来表示其电容值,并印在电容上面(类似于上面讨论的电阻)。这些小电容一般都采用三位数来表示起电容值大小,单位为皮法。头两位是“基本”数值,第三位表示10的多少次方(比如,印有“104”的电容就表示100000皮法)。偶尔也会遇到只有两位表示的电容,一般这种情况下其电容值就是那两位十进制数表示的,单位为皮法(综上所述,如果一个电容用三位数表示,并且第三位是8或9,那么最后的值就是头两位相应的乘以0.01和0.1,单位是法{译者说明:这个地方原文应该是写错了,应该是乘以0.0001和0.001})。通常电容值后面都会有一个字母-这个字母就表明了电容的品质。

         Digilent电路板上使用电容是为了不管电路工作状态如何,都能够保持供电电源和某些信号的稳定性,当器件输入端激活驱动的时候,电容能够存储电荷,从而延缓了器件的有效时间。Digilent电路板上的大部分电容是用来退耦的,隔离电源与信号。这些旁路电容要放置在离芯片Vdd管脚很近的地方,从而可以为芯片提供瞬时电流。如果没有这些旁路电容,某些芯片需要的大电流就需要从电源流过整个电路板得到,从而浪费了大量的时间。基本上所有的数字系统电路板上都使用旁路电容。旁路电容的容值可以用已知的最低需求电流来计算,但更通常的做法是采用容值为0.001uF到0.047uF之间电容,而不考虑需求电流的情况。Digilent电路板也使用大尺寸电容放在电源附近以及电路板周围,使之能够存储更多的额外电荷来为整个电路提供短期电流。这些大体积电容(一般是10uF到100uF)有时在特别情况下可以在周围另外放一些小的旁路电容。

        根据电容尺寸,印制电路板丝印层上会有不同的圆形或方形来表示电容的焊接位置(通常小电容都是方形的,大电容都是圆形的)。某些电容是带极性的,这就意味着焊接的时候这些电容必须要朝着其正确的方向(也就是说有一端始终是焊接在高电压处的)。极性电容必须连接在高电压的一端都会有一条黑色条带,或是一个“-”标志放在必须连接低电压的一端。极性电容在丝印层上的表示通常都会有一个“+”号放在高电压端的过孔周围。在电路原理图和器件列表中,电容通常都会用参考标识“C--”来标定。

输入类器件(按钮和开关)


       电路通常都有来自用户(或是其它设备)的输入部分。用户输入设备有许多种形式,比如像键盘(PC上的),按钮(计算器和电话机上的),旋转拨号器,开关以及杠杆式触发设备等。Digilent电路板上包括有一些输入器件,比如推式按钮和滑动开关。由于数字电路工作状态只有两种电平(LHV或是Vdd,LLV或是GND),类似于按钮和开关之类的输入器件就可以根据用户动作分别产生这两种电平。

       滑动开关就是我们都知道的“单针双路开关”(STDP),它只有一个摆动针,而有两条线路可用(其中一路可以电气连接在电路上)。这类开关既可以输出Vdd也可以输出GND电平。按钮式开关也是瞬时接触式开关,只有实际按下该类开关的时候,才会有物理接触。当开关不按的时候,输出GND电平;当按下按钮的时候,输出Vdd电平。下面的图就显示了Digilent电路板上典型的按钮开关和滑动式开关。


输出类器件(发光二极管)


      电路通常都需要输出器件来将自己的状态传送给用户。电子输出器件主要有计算机显示器,液晶显示面板,小灯泡,发光二极管等。Digilent电路板上有各种不同的输出类器件,值得一提的是,都包括有一定数量的发光二极管。其中七段LED显示管可以显示十进制数0-9的每一位(每个七段LED显示管都包括几个独立的发光二极管)。发光二极管是一种两端口半导体器件,它只能单向通过电流(从正极到阴极)。一块小的发光二极管通常都被封装在一个小塑料管中,并以指定的频率发光(红光,黄光等),通常其允许的电流范围是10mA到25mA。

        发光二极管一般都使用“LD--”参考标识来标定的。在Digilent电路中,七段LED显示管使用“DSP” 的参考标识来标定的。在Digilent电路中,发光二极管通常都是由Xilinx芯片来驱动的,但LED显示管通常都需要一个外部三极管来提供更多的电流。Digilent电路中典型的发光二极管电路如图所示:


        发光二极管在其两端电压低于阀值电压之前是不工作的,一般阀值电压为2伏特。如果两端电压小于这个阀值电压,该发光二极管就不会亮。图中所示,该发光二极管需要2伏特电压压降来驱动它,还有1.3伏特的压降分在了电阻上。因此,为了使发光二极管上通过的电流为10mA,就需要串联一个130欧姆的电阻(3.3V – 2V = 1.3V, 1.3V/130ohms = 10mA)。

接插头


       Digilent电路板上使用了很多用于各种用途的接插件。这些接插件都是用来在外部设备和本地板卡之间传送信息的。根据习惯,一般都用参考标识“J--”来标记。我们使用的接插件种类很多,尺寸和形状也各不相同,但为了简化表示并且大部分接插件投影为方形,所以在电路原理图和印制电路板丝印层上都会以一个方框来表示。下面是多种Digilent电路板使用到的部分接插件(但并是所有的)。

PS/2接插件,用于连接鼠标和键盘;
DB25接插件,并口,允许并行数据的传送;
DB9接口,用于RS232串口通信;
DB15接插件,用于VGA显示器的通信;
DIP接口,用于接插DIP封装的芯片,并传送信号;
电源插座,可以用于各种适配的直流电源;
音频信号插头,用于驱动喇叭或是麦克风输入;
同轴电缆插头,用于测试设备连接或是简单的测试用途。

 

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