51微控制器最小系統電路解析!

1 電源

我們在學習過程中,很多指標都是直接用的概念指標,比如我們說+5V代表1,GND代表0等等這些。但在實際電路中是沒有這麼精準的,那這些指標允許範圍是什麼呢?隨著我們所學的內容不斷增多,大家要慢慢培養一種閱讀手冊的能力。

比如我們使用STC89C52RC微控制器的時候,我們找到他的手冊的11頁,第二個選項,工作電壓:5。5V-3。4V(5V微控制器),這個地方就說明我們這個微控制器正常的工作電壓是個範圍值,只要電源VCC在5。5V到3。4V之間都可以正常工作,電壓超過5。5V是絕對不允許的,會燒壞微控制器,電壓如果低於3。4V,微控制器不會損壞,但是也不能正常工作。而在這個範圍內,最典型、最常用的電壓值就是5V,這就是後面括號裡“5V微控制器”這個名稱的由來。除此之外,還有一種常用的工作電壓範圍是2。7V-3。6V、典型值是3。3V的微控制器,也就是所謂的“3。3V微控制器”了。日後隨著大家接觸的東西慢慢增多,對這點會有更深刻的理解。

現在我們再順便多瞭解一點,大家開啟74HC138的資料手冊,會發現74HC138手冊的第二頁也有一個表格,上邊寫了74HC138的工作電壓範圍,最小值是4。75V,額定值是5V,最大值是5。25V,可以得知它的工作電壓範圍是4。75V-5。25V。這個地方講這些目的是讓大家清楚的瞭解,我們獲取器件工作引數的一個最重要,也是最權威的途徑,就是透過器件的資料手冊。

2 晶振

晶振通常分為無源晶振和有源晶振兩種型別,無源晶振一般稱之為crystal(晶體),而有源晶振則叫做oscillator(振盪器)。

有源晶振是一個完整的諧振振盪器,他是利用石英晶體的壓電效應來起振,所以有源晶振需要供電,當我們把有源晶振電路做好後,不需要外接電路,它就可以主動產生振盪頻率,並且可以提供高精度的頻率基準,訊號質量比無源訊號好。

而無源晶振自身無法振盪起來,它需要晶片內部的振盪電路一起工作才能振盪,它允許不同的電壓,但是訊號質量和精度較有源晶振差一些。相對價格來說,無源晶振要比有源晶振價格便宜很多。無源晶振兩側通常都會有兩個電容,一般其容值都選在10pF~40pF之間,如果手冊中有具體電容大小的要求則要根據要求來選電容,如果手冊沒有要求,我們用20pF就是比較好的選擇,這是一個長久以來的經驗值,具有極其普遍的適用性。

我們來認識下比較常用的兩種晶振的樣貌,如圖1和圖2所示。

51微控制器最小系統電路解析!

圖1 27Mhz有源晶振

51微控制器最小系統電路解析!

圖2 11。0592M無源晶振

有源晶振通常有4個引腳,VCC,GND,晶振輸出引腳和一個沒有用到的懸空引腳。無源晶振有2個或3個引腳,如果是3個引腳的話,中間引腳是晶振的外殼,使用時要接到GND,兩側的引腳就是晶體的2個引出腳了,這兩個引腳作用是等同的,就像是電阻的2個引腳一樣,沒有正負之分。對於無源晶振,就是用我們的微控制器上的兩個晶振引腳接上去即可,而有源晶振,只接到微控制器的晶振的輸入引腳上,輸出引腳上不需要接,如圖3和圖4所示。

51微控制器最小系統電路解析!

51微控制器最小系統電路解析!

圖3 無源晶振接法 圖4 有源晶振接法

3 復位電路

我們先來分析一下我們的復位電路,如圖8-5所示。

51微控制器最小系統電路解析!

圖5 微控制器復位電路

當這個電路處於穩態時,電容起到隔離直流的作用,隔離了+5V,而左側的復位按鍵是彈起狀態,下邊部分電路就沒有電壓差的產生,所以按鍵和電容C11以下部分的電位都是和GND相等的,也就是0V電壓。我們這個微控制器是高電平復位,低電平正常工作,所以正常工作的電壓是0V電壓,完全OK,沒有問題。

我們再來分析從沒有電到上電的瞬間,電容C11上方是5V電壓,下方是0V電壓,根據我們初中所學的知識,這個時候電容C11要進行充電,正離子從上往下充電,負電子從GND往上充電,這個時候電容對電路來說相當於一根導線,全部電壓都加在了R31這個電阻上,那麼RST埠位置是+5V電壓,隨著電容充電越來越多,即將充滿的時候,電流會越來越小,那RST埠上的電壓值等於電流乘以R31的阻值,也就會越來越小,一直到電容完全充滿後,線路上不再有電流,這個時候RST和GND的電位就相等了也就是0V了。

從這個過程上來看,我們加上這個電路,微控制器系統上電後,RST引腳會先保持一小段時間的高電平而後變成低電平,這個過程就是上電覆位的過程。那這個“一小段時間”到底是多少才合適呢?每種微控制器不完全一樣,51微控制器手冊裡寫的是持續時間不少於2個機器週期的時間。復位電壓值,每種微控制器不完全一樣,我們按照通常值0。7Vcc作為復位電壓值,復位時間的計算過程比較複雜,我這裡只給大家一個結論,時間t=1。2RC,我們用的R是4700,C是0。0000001,那計算得知t是564us,遠遠大於2個機器週期(2us),在電路設計的時候一般留夠餘量就行。

按鍵復位(即手動復位)有2個過程,按下按鍵之前,RST的電壓值是0V,當按下按鍵後電路導通,同時電容也會在瞬間進行放電,RST電壓值變化為4700Vcc/(4700+18),會處於高電平復位狀態。當鬆開按鍵後就和上電覆位類似了,先是電容充電,後電流逐漸減小直到RST電壓變0V的過程。我們按下按鍵的時間通常都會有上百毫秒,這個時間足夠復位了。按下按鍵的瞬間,電容兩端的5V電壓(注意不是電源的5V和GND之間)會被直接接通,此刻會有一個瞬間的大電流衝擊,會在區域性範圍內產生電磁干擾,為了抑制這個大電流所引起的干擾,我們這裡在電容放電迴路中串入一個18歐的電阻來限流。