硬件电路基础学习
一、基础元器件学习
1、电阻
1.1 作用
电阻的工作原理是基于欧姆定律，即电阻的阻值取决于其材料、长度和横截面积。电阻的主要作用是限制电流，调节电压和电流，以及保护电路。
1.2 数值计算
欧姆定律
注意：上拉电阻、下拉电阻往往会选择1kΩ到10kΩ
2、电容
2.1 原理
2.2 作用
电容：电容的工作原理是基于电容器充放电的特性。当电容器两端加上电压时，电容器会充电，储存电荷；当电容器两端电压降低时，电容器会放电，释放储存的电荷。电容的主要作用是过滤电源上的波动和纹波(滤波)、耦合，平滑电源 通交隔直。
（1）滤波
需要认识到一点就是电路中的信号不是一成不变的直流电，而是混有波动信号的。将波形进行分解可将实际电压信号分解成一个直流(虚线）和一个交流（实线)
经典滤波电路：
滤交流留直流
此外对于交流信号有高低频之分，所以对于低频和高频信号需要不同的电容进行滤波，大电容滤低频 小电容滤高频。一般情况下，使用10uF滤除低频信号，100nF(0.1uF)滤除高频信号，且先滤低频后滤高频。
旁路电容滤波
统一使用100nF进行旁路滤波
RC延时电路
RC延时原理：如图，3.3V电源通过R1之后会给C1充电，A点的电压会从0开始升高，对于后续电路来讲，A点升高到后续电路所需有效电压的时间t就可以认为是延时的时间。
3、电感
3.1 作用
电感：电感的工作原理是基于电磁感应的原理。当电流通过线圈时，会产生磁场，磁通量随着电流的变化而变化。电感的主要作用是在电路中储能、滤波、阻抗匹配。“通直流，阻交流“
充磁
放磁
因为电流不变化时di/dt =0；(di/dt是电流的变化量，电流随时间变化越快，di/dt越大，如果电流随时间不变化，di/dt = 0)；
因为感应电动势UL = L * (di/dt) ,得出电流不变化时。感应电动势为0，无感应电流
当电感通电的瞬间电流从0开始有值，这个变化时间很短，所以变化很快，di/dt大，
产生感应电动势和感应电流，由楞次定律感应电流的方向总是和变化的方向相反，所以产生的感应电流的大小正好和施加电流的方向相反，在这一瞬间产生的电流基本会被抵消，导致电感两端的电流为0；但是此时电感的电压并不是0；
4、二极管
4.1 介绍
二极管：二极管的工作原理是基于PN结的单向导电性。在正向偏置时，PN结中的电子会从N极流向P极，形成电流；在反向偏置时，PN结中的空穴会从P极流向N极，形成反向电流。
二极管的主要作用是整流、稳压和保护电路。
4.2 作用
（1）整流
通过整流桥实现：
（2）稳压和保护电路
通过 稳压二极管（齐纳Zener二极管）实现
普通二极管一般在正向电压下工作，稳压管则在反向击穿状态下工作，二者用法不同；普通二极管的反向击穿电压一般在40V以上，高的可达几百伏至上千伏，而且在伏安特性曲线反向击穿的一段不陡，即反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。
对于稳压管，当反向电压超过其工作电压Vz（亦称齐纳电压或稳定电压）时，反向电流将突然增大，而器件两端的电压基本保持恒定。对应的反向伏安特性曲线非常陡，动态电阻很小。
稳压管可用作稳压器、电压基准、过压保护、电平转换器等。
例：
5、三极管
5.1 介绍
三极管：三极管的工作原理是基于电流放大和开关的原理。三极管有三个极：发射极、基极和集电极。当三极管工作时，基区内的电子会被激发到发射区，形成发射极电流；同时，集电区的空穴会被吸引到基区，形成集电极电流。三极管有两种：NPN型 和 PNP型
区分方法：首先，看箭头，都是（P→N），确定基极和发射极，集电极是P是N看发射极三极管有三种状态：截止态、放大态、饱和态
当工作在放大态时：Ic=β*Ib ;I
e=Ib+β*Ib =（1+β）*Ib；( β为放大系数)
引用视频讲解：三极管的工作原理_哔哩哔哩_bilibili三极管的主要作用是放大信号、电流控制，控制电压以及开关电路。
5.2 应用
开关
例：
6、MOS管
6.1介绍
MOS管：场效应管（MOS管）的工作原理是基于半导体材料的电压控制特性。在MOS管的源极和漏极之间加上电压时，会产生一个垂直的电场，这个电场会控制源极和漏极之间的电阻。MOS管的主要作用是放大信号、降低阻抗和开关电路。
6.2 PMOS 与NMOS
6.3 特点
特点：1、输入阻抗非常高，因为MOS管栅极有绝缘膜氧化物，甚至可达上亿欧姆，所以他的输入几乎不取电流，可以用作电子开关。
2、导通电阻低，可以做到几个毫欧的电阻，极低的传导损耗。
3、开关速度快，开关损耗低，特别适应PWM输出模式。
对比三极管开关与MOS管开关
三极管开关：流控，耗能，反应速度较慢（三极管打开要经历 截止-->放大-->饱和 状态的变化）
MOS管开关：压控，几乎无能耗，开关反应速度快
6.4 应用举例
二、运放-集成运算放大电路
1.运放定义与特性
把三极管、电阻、电容等元器件以及它们之间的导线制作在同一小块单晶硅的芯片上。这些元器件的组合电路具备一定的功能。集成电路运算放大器简称运放
2.分类
2.1 电压比较器
2.1 电压跟随器
在电压选择器的基础上引入负反馈
假设Un初始为0，Up输入3V电压，当Up输入的那一刻，Up>Un，按照运放特性曲线，Uo会输出高电平，但是这个高电平并不是突变的，而是线性变化，需要时间一点一点上升，因为Uo和Un短接，所以Uo上升，Un也跟着上升，当Uo上升到临近Up即Un≈Up时，此时由于运放的特性，Uo不变，此时可视作Uo=Up，所以输入的Up和输出Uo相等，将此称作电压跟随器。
虚短与虚断的概念
由上面的负反馈可以看出，只要存在负反馈，其Up=Un，就像短路了一样，称为虚短。而运放内阻很高，导致Ip和In几乎为0，就像两个点断开了一样，成为虚断。
需要注意的是，只有负反馈存在，虚短才会存在。
2.3 同相比例放大器
分析：
2.4 反相比例放大器
分析：
2.5 同相加法器
补充：
2.6 同相减法器
2.7 反向加法器
三、常见运放芯片
LM358、LMV358、LM393
1. LM393
常见应用：
1.1 火焰传感器电路
分析：
反相端电压：由于断路，U6=3.3v
同相端电压：由于U5是R67上分压的一部分，由于R61的存在，R67上最大的分压也要小于3.3v，也就是U5一定会小于3.3v
同相端 < 反相端 ---> 输出低电平 ----> LD6熄灭
反相端电压：由于火焰传感器导通了，所以R76和R77那条线路会被短路，相当于反相端直接接地了，所以U6=0
同相端电压：由于U5是R67上分压的一部分，假设R67上半部分为a，下半部分为b,则U5=3.3 * b/(100R+a+b)，一定大于等于0（默认大于0）
同相端>反相端 --->输出高电平 --->LD6点亮
1.2 光敏电阻模块电路
分析：
AO的作用是输出Up，AO可外界ADC，即可计算光照强度的大小
通过调节VR1，可以设置Un的大小，即可用于设定光照强度阈值
Up的大小等于光敏电阻的分压，
光照强度变大-->光敏电阻阻值降低-->光敏电阻分压降低-->Up减小-->若比Un(阈值)小，则DO为0
光照强度变小-->光敏电阻阻值升高-->光敏电阻分压升高-->Up增加-->若比Un(阈值)大，则DO为1
1.3 烟雾传感器电路
烟雾传感器特性:
当烟雾浓度增大-->烟雾传感器内部可导电颗粒物增多-->传感器导电性增强-->相当于烟雾传感器电阻降低
当烟雾浓度降低-->烟雾传感器内部可导电颗粒物减少-->传感器导电性降低-->相当于烟雾传感器电阻增加
分析：
AO的作用是输出Un，AO可外界ADC，即可计算烟雾浓度的大小
通过调节VR1，可以设置Up的大小，即可用于设定烟雾浓度阈值
Un大小等于 大小为1k的那个电阻（设为R1）分压，烟雾传感器电阻（Rs）
当烟雾浓度增大-->烟雾传感器电阻降低-->Rs分压降低-->R1分压增大-->Un增大-->若比Up(阈值)大，则DO为0
当烟雾浓度降低-->烟雾传感器电阻增大-->Rs分压增大-->R1分压降低-->Un降低-->若比Up(阈值)小，则DO为1
2.LMV358
两组运放组合
常见应用电路：电压跟随器
特点：U5=U7=U6