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嵌入式系统200问，从电阻到RTOS全解析（AI助教回答）适用入门嵌入式软件初级工程师，筑牢基础，技术积累

news 2025/11/16 13:44:22

你是一位具有20年工作经验的嵌入式硬件工程师和嵌入式软件工程师，同时也是计算机科学家，从初学者的角度详细一点，牢记我的要求，一次性全部回答完，一次性全部回答完一次性全部回答完一次性全部回答完：电阻选型时一般从哪几个方面进行考虑？
电容选型一般从哪些方面进行考虑？
放大电路频率补偿的概念，目的和方法分别是什么？
简单说说你对 UART 总线的了解
I2C 总线的工作原理
利用 I2C 总线通信时，怎么区分起始信号和停止信号？
谈谈你对 SPI 总线的了解
SPI 总线的四种工作模式
常见的滤波电路有哪几种
怎么识别滤波器是低通、高通、带通还是带阻滤波器？
集成运放选型时，需要考虑的基本参数有哪些
使用 I2C 总线时需要考虑哪些问题
锁相环的原理
buck 电路中怎么选择续流二极管
DSP 和单片机的区别，应用场合
mos 管的工作原理
mos 管内部的反型层是什么
mos 管和三极管的区别
共模抑制比越大越好还是越小越好
解释一下建立时间，保持时间，不满足时会发生什么？
单片机最小系统由哪几个部分组成？
如果阻抗不匹配，有哪些后果
DCDC 和 LDO 的区别
PCB 的常用布线规则有哪些
解释一下同步电路和异步电路
电感选型时需要重点考虑哪些参数？
二极管的正向导通压降受哪些因素影响？
稳压二极管的工作原理及典型应用场景是什么？
三极管的三种工作状态分别是什么，如何判断？
运算放大器的 "虚短" 和 "虚断" 特性是什么意思？
单稳态触发器和双稳态触发器的区别是什么？
多谐振荡器的工作原理，它能产生什么类型的信号？
施密特触发器的特点，它主要解决什么问题？
串联型稳压电源的组成部分有哪些？
开关型稳压电源相比线性稳压电源有什么优势？
I2C 总线中的从机地址一般有几位，如何避免地址冲突？
SPI 总线中 SCK、MOSI、MISO、CS 信号分别代表什么含义？
UART 通信中波特率、数据位、停止位、校验位的作用是什么？
CAN 总线的工作原理，它为什么适合工业控制场景？
差分信号传输的优势是什么，常见的差分总线有哪些？
单片机中定时器 / 计数器的主要功能有哪些？
单片机的中断系统有什么作用，中断优先级如何设置？
单片机中 AD 转换器的分辨率是什么意思，如何计算？
单片机中 DA 转换器的主要参数有哪些？
嵌入式系统中常用的存储设备有哪些，各自的特点是什么？
Flash 存储器和 EEPROM 的区别是什么？
SRAM 和 DRAM 的区别，各自的应用场景是什么？
嵌入式系统中实时操作系统（RTOS）的作用是什么？
裸机编程和 RTOS 编程的区别是什么？
嵌入式系统中任务调度的基本原理是什么？
三极管放大电路中共射、共集、共基三种组态的区别是什么？
场效应管（MOS 管）的三种工作区域是什么，如何判断？
功率 MOS 管和信号 MOS 管的区别是什么？
晶闸管（SCR）的工作原理，它主要用于什么场景？
双向晶闸管（TRIAC）和单向晶闸管的区别是什么？
光电耦合器的工作原理，它能实现什么功能？
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继电器的工作原理，它和光耦在隔离应用中有什么区别？
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PCB 中的过孔有哪几种类型，各自的用途是什么？
PCB 设计中为什么要避免锐角走线，一般建议的走线角度是多少？
PCB 中的接地方式有哪些，不同接地方式的适用场景是什么？
模拟地和数字地为什么要分开，如何实现两者的连接？
PCB 设计中电源层和地层的布局原则是什么？
高速 PCB 设计中信号完整性问题主要有哪些，如何解决？
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电磁干扰（EMI）的来源有哪些，抑制 EMI 的常用方法是什么？
电路中静电放电（ESD）的危害是什么，如何防护？
浪涌电压的产生原因，电路中如何进行浪涌防护？
保险丝和自恢复保险丝的区别，各自的选型依据是什么？
压敏电阻的工作原理，它在电路中主要起什么作用？
气体放电管的特点，它适合用于哪种类型的过压防护？
集成稳压器的主要参数有哪些，如 7805 系列稳压器的输出电流是多少？
可调集成稳压器（如 LM317）的输出电压如何计算？
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Buck 电路、Boost 电路、Buck-Boost 电路的区别，各自的输出电压与输入电压的关系是什么？
反激式开关电源和正激式开关电源的区别是什么？
开关电源中的变压器和普通工频变压器的区别是什么？
功率因数校正（PFC）的作用是什么，有源 PFC 和无源 PFC 的区别是什么？
直流电机的工作原理，如何实现直流电机的正反转控制？
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嵌入式系统中热敏电阻如何实现温度测量，如何校准测量误差？
嵌入式系统中光敏电阻如何实现光照强度检测？
嵌入式系统中压力传感器如何实现压力测量，需要进行哪些信号处理？
嵌入式系统中加速度传感器如何实现倾角测量？
嵌入式系统中陀螺仪如何实现角速度测量？
嵌入式系统中 GPS 模块如何获取经纬度、海拔等信息？
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嵌入式系统中 NB-IoT 模块如何接入运营商网络？
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嵌入式系统中 RTOS 的消息队列和邮箱的区别是什么？
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嵌入式系统中 BootLoader 的作用是什么，它有哪些功能？
嵌入式系统中固件升级的方式有哪些，如串口升级、OTA 升级？
嵌入式系统中 OTA 升级的原理是什么，需要注意哪些问题？
嵌入式系统中代码优化的方法有哪些，如空间优化、时间优化？
嵌入式系统中内存管理的方式有哪些，如静态内存分配、动态内存分配？
嵌入式系统中堆栈的作用是什么，栈溢出会导致什么问题？
嵌入式系统中看门狗定时器的喂狗时间如何确定？
嵌入式系统中低功耗模式下哪些外设可以继续工作？
嵌入式系统中时钟树的配置原则是什么，如何实现时钟的合理分配？
嵌入式系统中硬件故障诊断的方法有哪些，如何提高系统的可靠性？

一、电阻与电容选型

1. 电阻选型时一般从哪几个方面进行考虑？

① 阻值（Resistance Value）

核心参数，根据欧姆定律 R=U/I 计算
优先选用 E24（±5%）或 E96（±1%）标准系列值，避免定制
初学者陷阱：别算个 123.6Ω 就找这个阻值，取最接近的 120Ω 或 130Ω

② 精度（Tolerance）

常见 ±5%、±1%、±0.1%，精度越高价格越贵
上拉/下拉电阻用 ±5% 足够
运放增益电阻、分压电路建议 ±1% 或更好
经验：模拟电路精度优先，数字电路成本优先

③ 功率（Power Rating）

必须满足 P = I²R 或 P = U²/R 的1.5~2倍裕量
0402 封装通常 1/16W，0603 是 1/10W，0805 是 1/8W
血泪教训：LED 限流电阻经常烧，就是功率算错了！

④ 封装（Package）

贴片：0402、0603、0805、1206（数字表示尺寸，如 0805=0.08×0.05 英寸）
直插：AXIAL-0.4 等
选型原则：便携设备用小封装，调试用手焊用 0805 以上

⑤ 温度系数（TCR, Temperature Coefficient）

单位 ppm/°C，表示温度变化 1°C 时阻值变化百万分之几
碳膜电阻约 200~500ppm/°C（差）
金属膜电阻约 50~100ppm/°C（好）
关键应用：精密测量电路必须用低 TCR 电阻

⑥ 工作电压（Voltage Rating）

特别是高压电路，小封装电阻耐压不够会击穿
0603 一般耐压 50V，1206 可达 200V

⑦ 特殊类型

热敏电阻（NTC/PTC）、光敏电阻、压敏电阻
高精度用金属箔电阻，高频用薄膜电阻

2. 电容选型一般从哪些方面进行考虑？

① 容值（Capacitance）

根据公式选，如滤波电容 C = I/(ΔV×f)
优先 E12/E24 系列，别算个 94nF 非要这个值

② 耐压值（Voltage Rating）

铁律：实际电压 ≤ 额定电压的 70%
5V 系统用 10V/16V 电容，12V 系统用 25V
爆炸现场：耐压不足会鼓包、爆浆！

③ 精度

电解电容 ±20% 很常见
陶瓷电容 ±10% 或 ±5%
定时、振荡电路用 C0G/NP0 材质（±5% 以内）

④ 温度特性（材质）

C0G/NP0：最稳定，温漂 ±30ppm/°C，贵，适合振荡/定时
X7R：中等稳定，容值随电压/温度变化 ±15%，通用
Y5V：不稳定，变化可达 -80%/+30%，便宜，仅用于滤波
铝电解：容值大，有极性，寿命有限（2000~5000 小时）
钽电容：性能稳定，但怕过压，会起火！

⑤ ESR（等效串联电阻）

开关电源输出电容 ESR 影响纹波和稳定性
经验：低 ESR 电容（如固态电容）适合高频大电流

⑥ 封装与尺寸

贴片：0201、0402、0603...
直插：径向、轴向
电解电容还要考虑直径和高度

⑦ 频率特性

高频电路要选自谐振频率（SRF）高的电容
大电容滤低频，小电容滤高频（0.1μF 滤 10MHz，10μF 滤 1MHz）

二、放大电路与频率补偿

3. 放大电路频率补偿的概念，目的和方法分别是什么？

概念（What） 频率补偿是在放大电路中加入电容、电阻等元件，人为修正其频率响应，使电路在所有频率下都能稳定工作，不自激振荡。

目的（Why）

防止自激振荡：运放内部有多个极点，相位滞后累积到 180° 时负反馈变正反馈，就振荡了
扩展带宽：让电路在更宽频率范围内保持稳定
改善瞬态响应：减少过冲和振铃

方法（How） ① 主极点补偿（Dominant Pole Compensation）

在运放内部或输出端并联大电容到地
原理：把主极点频率压低，让增益在相位达 180° 前降到 0dB 以下
缺点：带宽严重下降

② 米勒补偿（Miller Compensation）

在放大级之间并小电容（如 10~100pF）
原理：利用米勒效应，小电容等效为放大后的中大电容
优点：省面积，效果稳定，IC 内部常用

③ 超前补偿（Lead Compensation）

在反馈电阻上并联小电容
原理：引入相位超前，抵消部分相位滞后
公式：f_z = 1/(2πR_fC_c)

④ 滞后补偿（Lag Compensation）

在输入端串联 RC 网络
原理：降低高频增益，保持低频性能

⑤ 经验法则

补偿电容取值：从 10pF 开始试，直到阶跃响应无振铃
看运放手册，很多内置补偿，按推荐电路用就行

三、通信总线详解

4. 简单说说你对 UART 总线的了解

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是异步串行通信，最基础的点对点通信方式。

核心特点

异步：无时钟线，靠双方约定波特率同步
全双工：TX 发、RX 收，可同时进行
简单：就两根数据线（加上 GND 共三根）

数据帧格式

起始位(0) + 数据位(5~9位) + 校验位(可选) + 停止位(1~2位)

最低位先发（LSB First）

关键参数

波特率：每秒传输的符号数，如 9600、115200
数据位：5、6、7、8、9位，通常是 8 位
停止位：1 位（常用）或 2 位
校验位：奇/偶校验，或无校验

工作原理

空闲状态：TX 保持高电平（1）
发送数据：先拉低一个位时间（起始位），然后按波特率逐位发送
接收数据：RX 检测到下降沿（起始位），延迟半个位时间采样，之后每个位周期采样一次

优缺点

优点：协议简单，硬件开销小，几乎所有单片机都有
缺点：速度慢（通常 <1Mbps），无多设备能力，无硬件流控易丢数据

应用场景

调试打印（Debug Print）
GPS、蓝牙模块通信
两个单片机间通信

5. I2C 总线的工作原理

I2C（Inter-Integrated Circuit）是同步、半双工、多主从总线，飞利浦（现 NXP）发明。

物理层

两根线：SCL（时钟线）+ SDA（数据线）
开漏输出：所有设备只能拉低（输出0），不能主动拉高（输出1）
上拉电阻：必须外接上拉电阻到 VCC（通常 4.7kΩ）
线与逻辑：任一设备拉低，线就为低

协议层

起始条件 + 从机地址(7位) + 读写位(1位) + 应答位 + 数据字节 + 应答位 + ... + 停止条件

工作过程

主机发送起始信号：SCL 高时，SDA 由高→低
发送地址：7 位从机地址 + 1 位读写位（0=写，1=读）
从机应答：第 9 个时钟，从机拉低 SDA 表示 ACK
传输数据：每 8 位数据后跟 1 位应答
停止信号：SCL 高时，SDA 由低→高

核心机制

时钟同步：SCL 被最慢设备拉低时延长，实现多主时钟同步
仲裁：多主机同时发送时，先发送高电平而检测到低的设备自动退出

优缺点

优点：省IO口，支持多设备，协议标准化
缺点：速度慢（标准 100kbps），半双工，地址冲突可能

6. 利用 I2C 总线通信时，怎么区分起始信号和停止信号？

关键：观察 SDA 的变化时机——必须在 SCL 为高电平时！

表格

复制

信号	SDA 变化	SCL 状态	总线状态
起始信号 (START)	高 → 低	高电平	开始占用总线
停止信号 (STOP)	低 → 高	高电平	释放总线

为什么这样设计？

数据传输时，SDA 只在 SCL 低电平时变化，高电平时保持稳定
SCL 高时 SDA 跳变是"非法"的数据变化，被定义为控制信号
这种机制保证了总线状态的唯一性

示波器识别技巧

先看 SCL 高电平区间
在该区间内观察 SDA 边沿
下降沿=起始，上升沿=停止
两个起始信号之间没有停止信号，叫重复起始 (Sr)，用于切换读写方向

7. 谈谈你对 SPI 总线的了解

SPI（Serial Peripheral Interface）是同步、全双工、主从总线，摩托罗拉发明。

物理层（4根线）

SCLK (Serial Clock)：主机发出的时钟
MOSI (Master Out Slave In)：主机→从机数据
MISO (Master In Slave Out)：从机→主机数据
CS/SS (Chip Select/Slave Select)：片选，低电平有效

核心特点

主从架构：一主多从，主机控制时钟和片选
全双工：MOSI 和 MISO 同时传输
无应答机制：发出去不管对方收没收到
速度极快：可达几十 MHz（比 I2C 快得多）

工作原理

主机拉低某个从机的 CS
主机在 SCLK 边沿发送数据到 MOSI
从机在相同时钟边沿通过 MISO 返回数据
主机拉高 CS，结束通信

数据采样模式

由 CPOL（时钟极性）和 CPHA（时钟相位）决定
见后续"四种工作模式"详解

优缺点

优点：高速、全双工、协议简单（硬件实现）
缺点：线多（每增加一个从机多一根 CS），无标准应答，无仲裁

应用场景

Flash 存储（W25Qxx）
SD 卡
显示屏驱动（TFT）
高速 ADC/DAC

8. SPI 总线的四种工作模式

由 CPOL (Clock Polarity) 和 CPHA (Clock Phase) 两位配置决定：

表格

复制

模式	CPOL	CPHA	空闲时钟	采样边沿	应用举例
Mode 0	0	0	低电平	上升沿	最常见，W25Q Flash
Mode 1	0	1	低电平	下降沿	某些 ADC
Mode 2	1	0	高电平	下降沿	较少见
Mode 3	1	1	高电平	上升沿	某些传感器

详细解释

CPOL=0 (SCLK 空闲为低)

Mode 0 (CPHA=0)：CS 下降沿后，数据在第一个上升沿采样（锁存）
Mode 1 (CPHA=1)：CS 下降沿后，数据在第一个下降沿采样，上升沿变化

CPOL=1 (SCLK 空闲为高)

Mode 2 (CPHA=0)：CS 下降沿后，数据在第一个下降沿采样
Mode 3 (CPHA=1)：CS 下降沿后，数据在第一个上升沿采样，下降沿变化

记忆口诀

模式0："低空闲，上升采"（最常用，默认配置）
如何确定：看器件 datasheet 的时序图，找 "SPI Mode" 说明
经验：90% 设备用 Mode 0，搞不定就试 Mode 0 和 Mode 3

四、滤波电路

9. 常见的滤波电路有哪几种

按元件分类

① RC 滤波（无源）

一阶低通：R 串联，C 并联到地
截止频率 f_c = 1/(2πRC)
优点：简单、便宜
缺点：带外衰减慢（-20dB/十倍频），有插入损耗

② LC 滤波（无源）

二阶低通：L 串联，C 并联
f_c = 1/(2π√(LC))
优点：衰减慢（-40dB/十倍频），无直流损耗
缺点：体积大，成本高，可能谐振

③ π型滤波

两个电容中间夹电感或电阻
LC-π 型：C-L-C，滤波效果更好
RC-π 型：C-R-C，成本低，但有损耗

④ 有源滤波

用运放 + RC 网络构成
类型：Sallen-Key、Multiple Feedback
优点：增益可调，阻抗隔离好，体积小
缺点：需要电源，高频性能受限

按频率特性分类

低通：滤除高频，保留低频（如电源滤波）
高通：滤除低频，保留高频（如音频高音）
带通：只让某频段通过（如收音机中频）
带阻：阻止某频段（如陷波器）

10. 怎么识别滤波器是低通、高通、带通还是带阻滤波器？

方法一：看电路结构（最实用）

低通滤波器

RC型：电阻串联，电容并联到地（高频被电容短路到地）
LC型：电感串联，电容并联到地（高频被电感阻挡）
口诀：串阻并容是低通

高通滤波器

RC型：电容串联，电阻并联到地（低频被电容阻挡）
LC型：电容串联，电感并联到地（低频被电感短路）
口诀：串容并阻是高通

带通滤波器

结构：低通 + 高通级联
或 LC 并联/串联谐振电路

带阻滤波器

结构：低通和高通并联
或 LC 串联谐振（谐振频点阻抗最小，被短路到地）

方法二：看幅频响应曲线

低通：低频段平坦，高频段下降
高通：高频段平坦，低频段下降
带通：中间凸起，两边下降
带阻：中间凹陷，两边平坦

方法三：输入信号测试法

输入不同频率正弦波，测量输出
低频信号能通过→低通特性
高频信号能通过→高通特性

五、运放与信号处理

11. 集成运放选型时，需要考虑的基本参数有哪些

① 供电电压（Supply Voltage）

单电源 5V、3.3V，还是双电源 ±15V
关键：注意运放是 "轨到轨输入/输出" 还是不是

② 带宽（GBW, Gain-Bandwidth Product）

增益带宽积，单位 MHz
公式：可用带宽 = GBW / 增益
例：GBW=1MHz，增益 100 倍，只能用在 10kHz 以下

③ 压摆率（Slew Rate, SR）

输出电压最大变化速率，单位 V/μs
公式：SR ≥ 2πfVpk（f 为信号频率，Vpk 为峰值电压）
经验：正弦波不失真条件，SR 不够会三角波变圆

④ 输入偏移电压（Input Offset Voltage, Vos）

理想运放输入为 0 时输出应为 0，实际有偏差
通用运放 Vos 约 1~5mV，精密运放 <100μV
影响：直流放大时误差大

⑤ 输入偏置电流（Input Bias Current, Ib）

流入输入端的电流，nA 或 pA 级
影响：高阻源（如传感器）时误差显著

⑥ 噪声（Noise）

电压噪声密度（nV/√Hz），电流噪声密度（pA/√Hz）
关键：精密测量选低噪声运放（如 OP07）

⑦ 共模抑制比（CMRR）

抑制共模信号能力，单位 dB，越大越好
通用 80dB，精密 100dB 以上

⑧ 电源抑制比（PSRR）

抑制电源纹波能力，单位 dB

⑨ 输出电流能力

能否直接驱动负载（如 50mA 以上）

⑩ 工作温度范围

商业级 0~70°C，工业级 -40~85°C，军品级 -55~125°C

12. 使用 I2C 总线时需要考虑哪些问题

① 上拉电阻阻值选择

太小：功耗大，总线低电平下不去
太大：上升沿慢，影响速度
标准模式：4.7kΩ~10kΩ
快速模式：1kΩ~2.2kΩ
计算公式：R_max = (VCC - VOLmax) / IOL = (3.3V - 0.4V) / 3mA ≈ 1kΩ

② 总线电容限制

标准模式 < 400pF，快速模式 < 200pF
问题：线长、器件多会增大电容，导致波形畸变
解决：降低上拉电阻，或加 I2C 缓冲器（如 PCA9517）

③ 地址冲突

7 位地址只有 112 个可用（有保留地址）
解决：用 I2C 地址转换器，或选带地址配置脚的芯片

④ 多主机的仲裁

隐藏风险：两个主机同时启动，地址相同但数据不同会仲裁失败
建议：初学者先用单主机

⑤ 时钟拉伸（Clock Stretching）

从机拉低 SCL 让主机等待
问题：有的主机不支持，会死等超时
解决：看手册，确认主机和从机都支持

⑥ 电平转换

3.3V 与 5V 混合系统
方案：用 MOSFET 电平转换电路，或专用芯片（如 TXS0102）

⑦ 总线锁定

从机故障拉低 SDA 或 SCL
解决：主机用 GPIO 模拟 I2C，异常时强制复位

⑧ 速度匹配

总线速度取最慢器件的速度
老设备可能只支持 100kbps

13. 锁相环的原理

锁相环（PLL, Phase-Locked Loop）是自动相位控制系统，能让输出信号频率锁定输入信号。

三大组成部分

鉴相器（PD, Phase Detector）
- 比较输入信号 f_in 与 VCO 输出 f_out 的相位差
- 输出误差电压 V_e ∝ Δφ
环路滤波器（LF, Loop Filter）
- 通常是低通滤波器（RC 或积分器）
- 滤除高频噪声，提取平均误差电压
压控振荡器（VCO, Voltage-Controlled Oscillator）
- 电压→频率转换，f_out = f_0 + Kvco×V_ctrl

工作原理（闭环负反馈）

复制

f_in ↓→ [鉴相器] → 误差电压 → [低通滤波] → 直流控制电压 → [VCO] → f_out↑_____________________________________________________________|

锁定过程：f_out ≠ f_in 时，鉴相器输出误差电压，经滤波后调节 VCO，直到 f_out = f_in（或 N 倍关系）
锁定后：VCO 频率跟踪输入频率，相位差恒定

应用

时钟倍频：如 8MHz 晶振 → PLL → 72MHz CPU 时钟
频率合成：无线通信本振
时钟恢复：从数据流中提取时钟
FM/PM 解调

关键参数

捕获范围：能锁定的频率范围
锁定时间：从失锁到锁定的时间
相位噪声：输出信号的抖动程度

六、电源管理

14. buck 电路中怎么选择续流二极管

Buck 电路中，续流二极管（Flyback Diode）在开关管关断时为电感电流提供回路。

选型四要素

① 反向耐压（Reverse Voltage）

铁律：V_RRM ≥ 1.5 × V_in_max
例：输入 24V，选 40V 以上二极管

② 正向电流（Forward Current）

公式：I_F ≥ 1.5 × I_out_max
二极管电流有效值约等于输出电流

③ 反向恢复时间（Trr, Reverse Recovery Time）

关键参数，必须快！
肖特基二极管：Trr < 10ns（Buck 首选）
快恢复二极管：Trr 50~500ns
普通整流管：Trr > 1μs（不能用！会炸管）
原理：Trr 长会导致开关管开通时二极管还没关断，短路！

④ 正向压降（Forward Voltage, Vf）

肖特基 Vf 约 0.3~0.5V（低，效率高）
快恢复 Vf 约 0.7~1.5V
影响：Vf 大导致二极管功耗大，效率低

⑤ 功耗和散热

P = Vf × I_out × (1-D)（D 为占空比）
大电流时要算功耗，加散热片

推荐型号

小功率：1N5819（1A 肖特基）
中功率：SS34（3A 肖特基）
大功率：MBR20100（20A 肖特基）

现代替代

用同步整流 MOS 管替代二极管，效率更高（但控制复杂）

15. DSP 和单片机的区别，应用场合

DSP（Digital Signal Processor）

架构优化：哈佛结构（程序/数据总线分离），MAC 单元（单周期乘加）
指令集：支持单指令多数据（SIMD），循环寻址
性能：浮点运算强，适合大量数学运算

单片机（MCU, Microcontroller Unit）

架构：冯诺依曼或简化哈佛结构
外设：定时器、ADC、UART、SPI 等丰富
性能：控制逻辑强，运算能力一般

对比表

表格

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特性	DSP	单片机
核心优势	数字信号处理（FFT、滤波）	系统控制、外设管理
运算能力	强（浮点、并行）	中（定点、串行）
功耗	较高	低功耗模式丰富
成本	高	低
开发难度	复杂（算法优化）	简单（寄存器配置）

典型应用

DSP

音频处理：音效、降噪、语音识别（如 TI TMS320C5509）
图像处理：视频编解码（如 DM642）
通信基站：基带信号处理
电机控制：FOC 矢量控制（如 TI C2000 系列）

单片机

消费电子：遥控器、玩具（如 STM8）
工业控制：PLC、仪表（如 STM32）
物联网：智能家居、穿戴设备（如 ESP32）
汽车电子：车身控制（如 S32K）

融合趋势

现在很多单片机带 DSP 指令（如 Cortex-M4 的 FPU）
界限模糊，选型看算力需求

16. mos 管的工作原理

MOS 管（Metal-Oxide-Semiconductor FET）是电压控制型器件。

结构

三个极：栅极(G)、漏极(D)、源极(S)
绝缘层：SiO₂ 氧化物，栅极与沟道绝缘
沟道：N 沟道或 P 沟道

N 沟道增强型工作流程

① 截止区（Vgs < Vth）

栅极电压低于阈值电压（如 2V）
导电沟道未形成，D-S 间截止
漏极电流 Id ≈ 0

② 线性区/欧姆区（Vgs > Vth, Vds < Vgs-Vth）

沟道完全打开，像可变电阻
Id = μCox(W/L)[(Vgs-Vth)Vds - Vds²/2]
用于开关应用，Rds(on) 很小

③ 饱和区/恒流区（Vgs > Vth, Vds > Vgs-Vth）

沟道夹断，电流饱和
Id ≈ (1/2)μCox(W/L)(Vgs-Vth)²
用于放大电路

关键理解

电压控制：栅极电压 Vgs 控制沟道导电能力
无栅流：SiO₂ 绝缘，栅极电流几乎为 0（nA 级）
寄生电容：Cgs、Cgd、Cds，影响开关速度

P 沟道

电压极性相反，Vgs 为负时导通
空穴导电，迁移率低，Rds(on) 比 N 沟大

17. mos 管内部的反型层是什么

反型层（Inversion Layer）是 MOS 管导电的核心！

形成过程（以 N 沟道增强型为例）

① 无栅压时

P 型衬底，多数载流子是空穴
D-S 间是两个背靠背的 PN 结，不导电

② 加正栅压（Vgs > 0）

栅极正电压排斥空穴，吸引电子
在 SiO₂ 绝缘层下方 P 型衬底表面
电子浓度 > 空穴浓度，表面反型成 N 型

③ 反型层形成

这层薄薄的 N 型层连接了漏极和源极的 N+ 区
形成导电沟道，电子可以从源极流到漏极
阈值电压 Vth：刚开始形成反型层的电压

物理意义

不是真的改变材料，是电场把电子"拉"过来聚集
电场消失，电子散去，反型层消失
类比：像在水面上用手指划出一条"水道"，手指抬起来水道就没了

对特性的影响

反型层厚度 ∝ Vgs - Vth，决定导电能力
反型层电荷量决定漏极电流大小
沟道长度调制：Vds 增大，反型层长度缩短，电流略增

18. mos 管和三极管的区别

表格

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特性	MOS 管 (FET)	三极管 (BJT)
控制方式	电压控制 (Vgs)	电流控制 (Ib)
输入阻抗	极高 (>10⁸Ω)	低 (~kΩ)
驱动功率	几乎不耗电流	需要基极电流
开关速度	快 (ns 级)	较慢 (μs 级)
导通压降	Rds(on)×Id (小)	Vce(sat) 约 0.3V
温度系数	正温度系数（易并联）	负温度系数
静电敏感性	怕静电击穿	不怕
成本	现代工艺便宜	略贵

选型建议

功率开关：MOS 管首选（效率高）
小信号放大：BJT 噪声更低
高频射频：BJT 特征频率更高
初学者：BJT 更耐折腾，MOS 管一碰就坏

19. 共模抑制比越大越好还是越小越好

越大越好！

定义 CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) = 20log(A_d/A_c) （单位 dB）

A_d：差模增益
A_c：共模增益

物理意义

放大器对差模信号（有用信号）的放大能力
相对共模信号（噪声、干扰）的抑制能力
CMRR=80dB 表示差模增益是共模增益的 10⁴ 倍

为什么越大越好？

输出 = A_d × V_d + A_c × V_c

V_d 是我们要放大的差分信号
V_c 是同时加在两个输入端的共模噪声（如 50Hz 工频干扰）
CMRR 大 → A_c 小 → 噪声被抑制得好

实际应用

仪表放大器：CMRR > 100dB（120dB 很好）
普通运放：CMRR 80~90dB
测量：用差分探头测小信号时，CMRR 决定测量精度

影响因素

频率升高，CMRR 下降
所以高频应用要选 CMRR 曲线平坦的运放

20. 解释一下建立时间，保持时间，不满足时会发生什么？

这是数字时序电路的命脉！

建立时间 (Setup Time, t_su)

定义：时钟上升沿到来前，数据必须稳定的最小时间
比喻：上课铃响前，你必须已经坐在座位上

保持时间 (Hold Time, t_h)

定义：时钟上升沿到来后，数据必须保持不变的最小时间
比喻：铃响后，你不能马上跳起来跑掉

时序图

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        ___       ___
CLK    |   |_____||   |     ||<->|<--->||   | 保持时间|建立|时间|
DATA ___       __________|  |_____||<-> 稳定窗口|必须在整个窗口内稳定

不满足时会发生什么？

建立时间不足：触发器可能采样到错误数据（亚稳态）
保持时间不足：时钟沿后数据变化太快，触发器内部锁存失败
共同结果：数据错乱、程序跑飞、系统崩溃！

实际设计

同步设计：确保组合逻辑延迟满足 t_su 和 t_h
公式：T_clk > t_cq + t_logic + t_su（t_cq 为时钟到输出延迟）
高速设计：布线长度匹配、加时钟缓冲树

亚稳态（Metastability）

建立/保持时间不满足，触发器输出在 0 和 1 中间震荡
可能持续几纳秒到几微秒，导致后级电路误判
解决方法：两级同步器（打两拍），降低亚稳态概率

21. 单片机最小系统由哪几个部分组成？

最小系统 = 能让单片机跑起来的最少电路

① 电源

VCC 和 GND，稳定供电
典型：5V 或 3.3V
必须：退耦电容（0.1μF 和 10μF）靠近电源引脚

② 时钟（晶振电路）

外部晶振：XTAL 接两个电容到地（典型 12pF）
内部 RC：可省晶振，但精度低
作用：提供心跳，没有时钟单片机就是死物

③ 复位电路

上电复位：RC 电路（10kΩ 接 VCC，10μF 接地）
手动复位：按键短接复位脚到地
作用：确保从已知状态启动

④ 程序存储器（对于无片内 ROM 的型号）

现代单片机基本都集成 Flash，可省
经典 8031 需外接 EPROM

⑤ 调试/下载接口

SWD/JTAG：下载和调试程序
BOOT 模式选择：如需从串口下载

一句话总结：电源 + 时钟 + 复位，这就是最小系统。就像人需要**心脏（电源）、脉搏（时钟）、大脑清醒（复位）**才能工作。

22. 如果阻抗不匹配，有哪些后果

阻抗匹配是高速信号和射频的生死线！

现象与后果

① 信号反射

部分信号能量反射回源端
公式：反射系数 Γ = (Z_L - Z_0)/(Z_L + Z_0)
Z_L=负载阻抗，Z_0=传输线特性阻抗（常用 50Ω）
后果：波形振铃、过冲、下冲

② 振铃（Ringing）

反射信号与原信号叠加
示波器上看到波浪边沿
严重时超过高低电平阈值，导致误触发

③ 过冲/下冲（Overshoot/Undershoot）

信号瞬间超过电源电压或低于地
危害：损坏芯片输入级（ESD 二极管持续导通）

④ 信号完整性恶化

上升沿变缓，建立/保持时间不足
眼图闭合，误码率飙升

⑤ 功率传输效率低

射频功放输出 50Ω，负载 75Ω
功率：P = V²/Z，失配时功率传不到负载，发热

⑥ 电磁干扰（EMI）

反射导致高频谐波辐射
过不了 EMC 认证

典型场景

RS485：120Ω 终端电阻匹配
CAN：两端 120Ω 电阻
射频天线：50Ω 特性阻抗，必须匹配
DDR 内存：走线阻抗 50Ω 或 60Ω，终端 ODT 匹配

解决方法

串联匹配：源端串联小电阻（22~33Ω），消除二次反射
并联匹配：终端并电阻到地或电源，吸收能量
戴维宁匹配：上下拉电阻分压，直流功耗大
AC 匹配：电阻+电容，隔直流

23. DCDC 和 LDO 的区别

表格

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特性	DCDC (开关稳压器)	LDO (低压差线性稳压器)
原理	开关斩波 + 储能元件	线性调整管降压
效率	高 (80%~95%)	低 (压差越大效率越低)
压差	可升压、降压、反相	只能降压，且 V_in - V_out 有最小值
噪声	较大 (开关噪声)	极低 (μV 级)
静态电流	较大 (mA 级)	小 (μA 级)
体积	大 (需电感)	小 (只需小电容)
成本	较高	便宜
响应速度	较慢 (μs 级)	快 (ns 级)

计算公式

LDO 效率：η = V_out / V_in × 100%（5V 转 3.3V 效率仅 66%）
DCDC 效率：η ≈ V_out / V_in（降压，理想情况）

选型指南

LDO 场景：ADC/DAC 供电（要求低噪声）、压差小（如 3.3V 转 3.0V）、小电流（<1A）
DCDC 场景：大压差（12V 转 3.3V）、大电流（>1A）、电池供电（效率至上）

混合方案

DCDC 先降到 3.6V，LDO 再稳到 3.3V
兼顾效率和噪声

24. PCB 的常用布线规则有哪些

① 线宽与电流

经验公式：1mm 线宽约过 1A 电流（温升 10°C）
保守设计：1mm 过 0.5A
大电流走线要算阻抗和压降

② 间距与电压

安全间距：50V/0.5mm
高压区域加大间距，开槽隔离

③ 3W 原则

相邻走线中心距 ≥ 3 倍线宽
减少串扰

④ 20H 原则

电源层比地层内缩 20 倍介质厚度
减小边缘辐射

⑤ 关键信号线

时钟线：最短，包地，远离其他信号
复位线：远离干扰，上拉电阻靠近芯片
差分线：等长、等距、同层、紧邻

⑥ 走线角度

避免 90° 直角：阻抗不连续，辐射大
建议：45° 斜角或圆弧走线

⑦ 地线布局

星型接地：一点接地，避免地环路
地平面：多层板用完整的地平面

⑧ 电源退耦

0.1μF 电容：每个电源引脚一个，尽可能近
大小搭配：0.1μF + 10μF 组合

⑨ 过孔最小化

高速线少打过孔，每个过孔增加 1~3nH 电感

⑩ 丝印清晰

标清元器件位号、极性、方向
方便调试和维修

25. 解释一下同步电路和异步电路

同步电路（Synchronous Circuit）

统一时钟：所有触发器由同一个时钟信号驱动
特点：状态变化只发生在时钟沿
优点：
- 时序明确，易于分析和设计
- 用静态时序分析（STA）验证
- 抗干扰能力强
缺点：时钟树功耗大，时钟偏移（Skew）需处理

异步电路（Asynchronous Circuit）

无时钟：靠信号握手、电平变化驱动
特点：状态变化由输入信号直接触发
优点：
- 功耗低（无时钟跳变）
- 速度快（无需等待时钟）
缺点：
- 设计复杂易出错（竞争冒险）
- 难以验证
- 毛刺敏感

实际应用

同步：99% 的数字 IC（CPU、FPGA），单片机系统
异步：握手协议、边沿检测、FIFO 的读写指针

混合设计

异步信号同步化：外部中断信号用两级触发器同步到系统时钟
同步电路异步化：时钟门控降低功耗

26. 电感选型时需要重点考虑哪些参数？

① 电感量 (L)

单位 μH、mH
Buck 电路：L = (V_in - V_out) × D / (ΔI_L × f_sw)
经验：ΔI_L 取输出电流的 20%~40%

② 额定电流 (Rated Current)

Isat：饱和电流，超过后电感量急剧下降
Irms：温升电流，超过后过热
铁律：工作电流 ≤ min(Isat, Irms) × 0.8

③ 直流电阻 (DCR)

影响效率和温升
DCR 越小越好，但尺寸越大

④ 自谐振频率 (SRF)

电感与寄生电容谐振的频率
工作频率必须远小于 SRF（< 0.1 × SRF）

⑤ 磁芯材料

铁氧体：高频损耗小，适合开关电源（>100kHz）
铁粉芯：饱和特性软，成本低
非晶/纳米晶：高性能，贵

⑥ 封装尺寸

功率电感：屏蔽式（EMI 小）/ 非屏蔽式
0805、0603 等小封装用于射频

⑦ 公差

功率电感 ±20% 常见
射频电感 ±5% 或 ±2%

⑧ 应用分类

功率电感：Buck/Boost，电流大（>1A）
射频电感：滤波、匹配，Q 值高
共模电感：抑制 EMI

27. 二极管的正向导通压降受哪些因素影响？

① 材料（Material）

硅管 (Si)：0.6~0.7V
锗管 (Ge)：0.2~0.3V（已淘汰）
肖特基 (Schottky)：0.2~0.4V（金属-半导体结）
碳化硅 (SiC)：2~3V（高压高温）

② 正向电流 (If)

非线性关系：电流增大，压降缓慢增加
公式：Vf = V_T × ln(If/Is) （V_T≈26mV@25°C）
10mA 时 0.6V，1A 时可能 0.8V

③ 温度 (Temperature)

负温度系数：温度升高，Vf 下降
系数：约 -2mV/°C
影响：并联二极管要均流，否则热失控

④ 掺杂浓度

重掺杂二极管 Vf 略低

⑤ 结面积

大电流二极管结面积大，Vf 略低

实际意义

低压电路：肖特基二极管减少损耗
温度补偿：利用 Vf 温漂做温度传感器
串联：多个二极管串联得整数倍压降

28. 稳压二极管的工作原理及典型应用场景是什么？

工作原理（反向击穿）

正向：普通二极管，0.7V 导通
反向：电压达到击穿电压 Vz 时，齐纳击穿或雪崩击穿
特点：击穿后电压几乎恒定，电流剧增
必须串限流电阻，否则烧毁

两种击穿机制

齐纳击穿（<6V）：强电场直接破坏共价键
雪崩击穿（>6V）：高速电子碰撞产生连锁反应

典型应用场景

① 简单稳压电源

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输入电压 ──限流电阻──┬── 负载│稳压管 (反向接地)

输出电压 = Vz
适合小电流（<100mA）、对精度要求不高的场景

② 过压保护

并联在敏感电路两端，电压超限导通，烧保险丝

③ 电平转换

3.3V 系统与 5V 系统接口，用 3.3V 稳压管钳位

④ 参考电压

给比较器提供基准电压

⑤ 浪涌吸收

保护 MOSFET 栅极

选型要点

Vz：根据所需电压选，如 5.1V、3.3V
Pz：功率，如 500mW、1W
Iz：稳定电流，通常 5~10mA

29. 三极管的三种工作状态分别是什么，如何判断？

① 截止区

条件：Vbe < 0.7V（硅管）
特点：Ib=0，Ic≈0，像断开的开关
判断：发射结反偏或零偏，集电结反偏

② 放大区（恒流区）

条件：Vbe ≈ 0.7V，Vce > Vbe
特点：Ic = β × Ib，与 Vce 基本无关
判断：发射结正偏，集电结反偏（放大条件）
口诀：发射结正偏，集电结反偏

③ 饱和区

条件：Vbe ≈ 0.7V，Vce < Vbe（如 Vce=0.3V）
特点：Ib 继续增大，Ic 不再增大（饱和）
判断：发射结正偏，集电结也正偏
口诀：两个结都正偏
作用：开关导通状态，管压降小，功耗低

判断方法（实测）

测 Vbe：0.7V 左右说明导通
测 Vce：>1V 放大区，0.3V 饱和区
测 Ib 和 Ic：Ic/Ib < β 饱和，≈β 放大

应用选择

开关：截止←→饱和
放大：工作在放大区

30. 运算放大器的 "虚短" 和 "虚断" 特性是什么意思？

虚短（Virtual Short）

定义：理想运放开环增益无穷大，负反馈时，V+ ≈ V-（电位相等）
不是真的短路，而是电压差小到可忽略（μV 级）
条件：运放工作在线性区，有负反馈

虚断（Virtual Open）

定义：理想运放输入阻抗无穷大，I+ = I- = 0（无电流流入）
不是真的断开，而是电流小到可忽略（pA 级）

分析电路神器

反相放大器：V-=0（虚短），I_R1 = I_Rf（虚断）→ A = -Rf/R1
同相放大器：V+=V-=Vin（虚短），I_分压 = I_反馈（虚断）

与现实的差距

虚短：实际增益有限（如 100dB），V+ - V- = Vout/A_ol，几微伏
虚断：实际输入偏置电流 Ib 几纳安，精密电路要考虑

失效情况

开环或正反馈：运放饱和，虚短不成立
输入超限：超出共模范围

31. 单稳态触发器和双稳态触发器的区别是什么？

表格

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特性	单稳态触发器 (Monostable)	双稳态触发器 (Bistable)
稳定状态	1 个稳定状态 (稳态)	2 个稳定状态 (0 和 1)
暂态	有 1 个暂稳态	无暂态
触发后	自动返回稳态	保持新状态直到下次触发
时间	输出脉冲宽度固定	永久保持
别名	单稳态多谐振荡器	触发器 (Flip-Flop)
应用	脉冲整形、延时、消抖	存储器、计数器、状态机

单稳态工作过程

稳态(0) ──触发──> 暂稳态(1) ──Tw──> 自动返回稳态(0)

Tw：由 RC 决定，Tw ≈ 1.1RC（如 74121）
例子：按一下按钮，LED 亮 5 秒后自动熄灭

双稳态工作过程

状态0 ──触发──> 状态1 ──触发──> 状态0 ──触发──> 状态1...

每触发一次，翻转一次
例子：RS 触发器、D 触发器、JK 触发器

电路实现

单稳态：555 定时器、74HC123、运放 + RC
双稳态：74HC74 (DFF)、74HC112 (JKFF)

32. 多谐振荡器的工作原理，它能产生什么类型的信号？

多谐振荡器（Astable Multivibrator）是无稳态电路，自己就能振荡，无需外部触发。

工作原理

两个暂稳态：Q=1 和 Q=0
自动翻转：通过 RC 充放电使状态交替
本质：正反馈 + 延迟

555 定时器实现典型电路

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        VCC│[R1]├─── DIS(7)│[R2]     ┌─── TH(6)├───┬───┤│   │   └─── TR(2)[C]  ││   └─── OUT(3)GND   │└───输出方波

电容 C 通过 R1+R2 充电，通过 R2 放电
充电时间：T1 = 0.693(R1+R2)C
放电时间：T2 = 0.693R2C
周期：T = 0.693(R1+2R2)C

输出信号类型

矩形波（方波）：占空比可调的脉冲
三角波：电容两端电压（近似）
锯齿波：不对称充放电可得

应用

时钟信号源
音频蜂鸣器
PWM 信号生成
闪光灯控制

特点

优点：电路简单，频率可调
缺点：频率稳定性差（受电源、温度影响）
改进：用晶体稳频的多谐振荡器（如反向器 + 晶振）

33. 施密特触发器的特点，它主要解决什么问题？

核心特点：滞后特性（Hysteresis）

电压传输特性

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Vout│      ______│     |      |│     |      |│_____|      |_____ VinVt-      Vt+

上限阈值 Vt+（正向阈值）：Vin 上升时，>Vt+ 输出翻低
下限阈值 Vt-（负向阈值）：Vin 下降时，<Vt- 输出翻高
回差电压 ΔV = Vt+ - Vt-（如 0.5V）

解决的问题

① 波形整形

将缓慢变化的正弦波、三角波→陡峭的方波
应用：将传感器正弦信号整形成数字信号

② 抗噪声/防抖动

输入信号在阈值附近抖动时，普通比较器会多次翻转
施密特触发器利用回差，必须超过 Vt+ 才翻，低于 Vt- 才翻回
比喻：带"死区"的开关，避免误触发

③ 多谐振荡器

配合 RC 可构成稳定振荡电路

实际芯片

74HC14：六反相施密特触发器
555 定时器：输入有施密特特性

与非门搭施密特触发器

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        VCC│[R1]│
IN ──┬───┤│   │─┴─  └── OUT─┬─│[R2]│GND

Vt+ = (1 + R1/R2) × Vth（门限）
Vt- = Vth

34. 串联型稳压电源的组成部分有哪些？

经典线性稳压电源结构：

① 调整管（Pass Transistor）

大功率三极管或 MOS 管
工作在线性区，等效为可变电阻
用于降压和稳压

② 取样电路（Sampling Circuit）

电阻分压网络（R1、R2）
取出输出电压的一部分作为反馈

③ 基准电压源（Voltage Reference）

稳压二极管或精密基准源（如 TL431）
提供稳定参考电压

④ 比较放大器（Error Amplifier）

运放或差分放大器
比较取样电压与基准电压，放大误差

⑤ 保护电路（Protection Circuit）

过流保护：检测电阻 + 三极管
过热保护：温控开关
过压保护：晶闸管泄放

工作过程

Vout ↓ → 取样电压 ↓ → 误差放大器输出 ↑ → 调整管 Vbe ↑ → 调整管导通 ↑ → Vout ↑

负反馈闭环，维持 Vout 稳定

优缺点

优点：纹波小、噪声低、响应快
缺点：效率低（压差×电流=功耗）、体积大、需散热

35. 开关型稳压电源相比线性稳压电源有什么优势？

① 高效率

关键：调整管工作在开关状态（饱和/截止）
损耗：开关管饱和压降小（<1V），截止电流为 0
效率：80%~95%，与压差无关
对比：LDO 效率 = Vout/Vin，12V 转 3.3V 仅 27%

② 体积小、重量轻

高频工作（100kHz~MHz），电感电容体积小
无需大型散热器

③ 宽输入电压范围

可处理大压差
如 AC 85~265V 输入的开关电源

④ 可实现多种变换

Buck：降压
Boost：升压
Buck-Boost：升降压
反激/正激：隔离
Charge Pump：小电流电压反相

⑤ 输出功率大

容易做到几十瓦到几千瓦
线性电源大功率时散热是噩梦

⑥ 智能控制

可实现 PWM/PFM 调压、软启动、过压过流保护
可并联均流

开关电源的代价

纹波大：几十 mV 开关噪声
EMI：高频辐射，需滤波
设计复杂：电感选型、环路补偿
响应慢：ms 级 vs LDO 的 μs 级

应用选择

电池供电：开关电源（效率优先）
模拟电路供电：LDO（噪声优先）
混合：开关电源降压 + LDO 二次稳压

36. I2C 总线中的从机地址一般有几位，如何避免地址冲突？

地址位数

标准模式：7 位地址 = 112 个可用地址（0x00 和 0x78-0x7F 保留）
扩展模式：10 位地址 = 1024 个地址

地址冲突问题

两个设备地址相同，主机无法区分
现象：总线死锁、数据错误

避免冲突方法

① 硬件选择引脚

很多芯片有地址配置脚（如 A0、A1）
接高/低电平改变地址
例：AT24C02 EEPROM，A2A1A0 可设 8 个地址

② 使用 I2C 地址转换器

如 LTC4316，透明转换地址
可让相同地址设备共存

③ 软件复用

分时复用：用模拟开关切换相同地址设备
例：两个 MPU6050，用 MOS 管切换 SDA 线

④ 总线隔离

用 I2C 缓冲器（如 PCA9517）隔离两段总线
每段有独立地址空间

⑤ 设计阶段规划

选型时查 datasheet，确认地址唯一性
用 I2C 扫描工具（如 Arduino I2C Scanner）检测地址

⑥ 使用 SMBus

SMBus 有 ARP（Address Resolution Protocol）动态分配地址
但支持设备少

37. SPI 总线中 SCK、MOSI、MISO、CS 信号分别代表什么含义？

SCLK (Serial Clock)

方向：主机 → 从机
作用：同步时钟，驱动数据收发
控制：主机完全控制频率和极性

MOSI (Master Out Slave In)

方向：主机 → 从机
别名：SDO (Serial Data Out) 在主机的视角
作用：主机发送数据到从机的通道

MISO (Master In Slave Out)

方向：从机 → 主机
别名：SDI (Serial Data In) 在主机的视角
作用：从机返回数据到主机的通道
注意：多从机时，只有被选中的从机可驱动 MISO

CS/SS (Chip Select/Slave Select)

方向：主机 → 从机
电平：低电平有效（常态上拉高）
作用：选择当前通信的从机设备
连接：每个从机独立 CS 线
功能：帧同步，低电平有效期间数据有效

通信过程示例

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时间 ──────────────────────>
CS   ━━━━━━□_________________□□━━━━━━━━
SCLK □□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
MOSI □□□D7□D6□D5□D4□D3□D2□D1□D0□□□□□□
MISO □□□Q7□Q6□Q5□Q4□Q3□Q2□Q1□Q0□□□□□□

CS 下降沿：开始传输
SCLK 上升沿（或下降沿）：数据采样
CS 上升沿：传输结束

38. UART 通信中波特率、数据位、停止位、校验位的作用是什么？

波特率 (Baud Rate)

定义：每秒传输的符号数（包含数据位、起始位等）
常见值：9600、115200、921600
作用：双方约定的时间基准
计算：每位时间 = 1/波特率（115200bps → 8.68μs/位）

数据位 (Data Bits)

定义：每帧传输的有效数据位数
取值：5、6、7、8、9 位
常用：8 位（1 字节）
LSB First：先传最低位

停止位 (Stop Bit)

定义：帧结束标志位，高电平
取值：1 位、1.5 位、2 位
作用：
- 让接收器有时间处理数据
- 确保下一帧起始位有明显下降沿
现代应用：基本都是 1 位停止位

校验位 (Parity Bit)

作用：检错，无纠错能力
类型：
- 奇校验 (Odd)：数据位中 1 的个数为奇数，校验位补 1
- 偶校验 (Even)：数据位中 1 的个数为偶数，校验位补 1
- 无校验：现代常用，靠更高层协议检错（如 CRC）
局限：只能检测单比特错误，偶数位错误检测不到

完整帧示例（115200, 8N1）

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起始位  D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7  校验  停止0    LSB-------------------------->MSB   X     1──□□□□□□□□□□□□□□□□─|<---- 8.68μs × 10 = 86.8μs/帧 --->|

39. CAN 总线的工作原理，它为什么适合工业控制场景？

CAN (Controller Area Network) 是串行差分总线，博世公司为汽车开发。

工作原理

① 物理层

差分信号：CAN_H 和 CAN_L，电压差表示逻辑
显性/隐性：
- 显性 (0)：CAN_H - CAN_L ≈ 2V（强驱动）
- 隐性 (1)：CAN_H - CAN_L ≈ 0V（弱上拉）
线与逻辑：多个节点发 0，总线就为 0（显性优先）

② 数据链路层

帧格式：帧起始 + 仲裁场 + 控制场 + 数据场 + CRC + ACK + 帧结束
多主架构：所有节点都可主动发送
非破坏性仲裁：ID 越小优先级越高
- 多个节点同时发送，逐位比较，发 1 而读到 0 的节点自动退出

③ 错误检测

CRC：15 位循环冗余校验
位填充：每 5 个相同位后插入反码
应答：接收器必须发送 ACK
错误计数：错误过多节点进入总线关闭状态

适合工业控制的原因

① 高可靠性

差分传输：抗共模干扰强（工业环境噪声大）
错误检测：多重机制保证数据完整性
故障隔离：错误节点自动退出，不影响总线

② 实时性

优先级仲裁：ID 越小越优先，保证关键消息
确定性延迟：最大传输时间可计算

③ 多主通信

无主从之分，任一节点可主动报警
适合分布式控制

④ 长距离

低速 5kbps 可达 10km
高速 1Mbps 40m

⑤ 抗干扰

双绞线：减少辐射和接收
终端匹配：120Ω 电阻吸收反射

应用

汽车电子（发动机、ABS、仪表）
工业自动化（PLC、传感器网络）
电梯控制、医疗设备

40. 差分信号传输的优势是什么，常见的差分总线有哪些？

差分信号优势

① 抗共模干扰

干扰同时耦合到两根线上（共模）
接收器取 (V+) - (V-)，干扰被抵消
共模抑制比 (CMRR)：60dB 以上

② 降低 EMI

两根线电流大小相等方向相反
磁场相互抵消，辐射小

③ 提高信噪比

信号幅度是单端的 2 倍（差值）
噪声不增加，SNR 提升 6dB

④ 支持更远传输

对地共模干扰不敏感
如 RS485 1200m，CAN 10km

⑤ 更低的电源电压

单端需对地电平，差分可对负电压
降低信号摆幅，提高速度

常见差分总线

表格

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总线	速率	距离	特点
RS485	10Mbps	1200m	多点通信，半双工
CAN	1Mbps	40m~10km	多主，高可靠
LVDS	3.125Gbps	10m	高速，低功耗
USB	480Mbps	5m	差分对 + 屏蔽
HDMI	18Gbps	15m	多对差分线
以太网	1Gbps	100m	变压器隔离

单端 vs 差分

单端：UART、SPI、I2C（简单、低成本、短距离）
差分：RS485、CAN（可靠、远距离、高抗扰）

41. 单片机中定时器 / 计数器的主要功能有哪些？

定时功能（Timer Mode）

产生精确延时：替代软件延时，不占用 CPU
定时中断：定时采集数据、刷新显示
PWM 生成：自动重装产生 PWM
输出比较：时间到翻转 IO 口

计数功能（Counter Mode）

外部脉冲计数：测量转速、流量
事件统计：按键按下次数
编码器接口：正交编码器计数

高级功能

输入捕获：测量脉冲宽度、频率、周期
脉冲累加：累加外部脉冲数
看门狗：防止程序跑飞
实时时钟：配合外部晶振做 RTC

工作模式

自动重装载：循环定时（如 1ms 中断）
单次模式：只触发一次
递增/递减：单向或双向计数

42. 单片机的中断系统有什么作用，中断优先级如何设置？

中断的作用

异步响应：及时处理紧急事件（如按键、传感器）
提高效率：CPU 不必轮询等待
实时性：高优先级任务优先执行
任务调度：RTOS 基于中断实现上下文切换

中断优先级设置

① 硬件优先级

Cortex-M：优先级寄存器 8 位，实际用高 n 位（如 3 位 = 8 级）
规则：数字越小，优先级越高
分组：抢占优先级 + 子优先级
- 抢占优先级：可打断其他中断
- 子优先级：同抢占级内排队

② NVIC 配置（STM32 示例）

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NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 5);  // 优先级 5 (0 最高, 15 最低)
NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);       // 使能中断

③ 优先级设计原则

最高：复位、NMI、看门狗（系统级）
高：实时性强的（电机控制、ADC 采样）
中：通信（UART、SPI、I2C）
低：人机交互（按键、显示）
最低：系统滴答（SysTick）

④ 中断嵌套

高抢占优先级可打断低优先级
同优先级不可嵌套

注意事项

ISR 要短：快速处理，尽快返回
临界区保护：关中断保护共享资源
优先级反转：低优先级阻塞高优先级，用优先级继承解决

43. 单片机中 AD 转换器的分辨率是什么意思，如何计算？

分辨率（Resolution）

定义：ADC 能分辨的最小模拟电压变化
单位：位（bit），如 12 位 ADC
物理意义：2^n 个数字等级

计算公式

分辨率电压 = V_ref / (2^n)

V_ref：参考电压（如 3.3V）
n：ADC 位数

实例

12 位 ADC，V_ref=3.3V：
- 分辨率 = 3.3V / 4096 ≈ 0.806mV
- 能分辨 0.806mV 的电压变化
8 位 ADC，V_ref=5V：
- 分辨率 = 5V / 256 ≈ 19.5mV

LSB（Least Significant Bit）

1 LSB = V_ref / (2^n)
量化误差 = ±0.5 LSB

分辨率是精度吗？

不是！ 分辨率是"刻度"，精度是"准确度"
12 位 ADC 可能因为噪声、INL、DNL 实际只有 10 位精度

如何选择

温度传感器：10 位够用（0.5°C 分辨率）
音频采集：至少 12 位（16 位 CD 音质）
精密测量：16 位或 24 位 Σ-Δ ADC

44. 单片机中 DA 转换器的主要参数有哪些？

① 分辨率（Resolution）

同 ADC，位数决定（8/10/12 位）
1 LSB = V_ref / (2^n)

② 建立时间（Settling Time）

从输入数字量到输出稳定模拟量的时间
高速 DAC：<1μs
低速 DAC：>10μs

③ 单调性（Monotonicity）

数字增加，模拟输出必须增加（不下降）
保证波形不失真

④ 积分非线性（INL, Integral Nonlinearity）

实际输出与理想直线的最大偏差
< ±1 LSB 为好

⑤ 微分非线性（DNL, Differential Nonlinearity）

相邻码值间的电压差与 1 LSB 的偏差
< ±1 LSB 保证无失码

⑥ 输出范围

单极性：0~V_ref（如 0~3.3V）
双极性：±V_ref（如 ±5V）

⑦ 输出类型

电压输出：直接输出电压，带载能力弱
电流输出：需外接运放转电压，带载能力强

⑧ 参考电压

内部：精度一般，温漂大
外部：用基准源（如 TL431），精度高

⑨ 功耗

静态电流（mA 级）
关断电流（μA 级）

⑩ 接口

并行：8/12 位数据总线，速度快
串行：SPI/I2C，省 IO

45. 嵌入式系统中常用的存储设备有哪些，各自的特点是什么？

易失性存储（掉电丢失）

① SRAM (Static RAM)

原理：触发器存储，6 个晶体管存 1 位
优点：速度快（ns 级），接口简单，无需刷新
缺点：成本高，密度低，功耗大
应用：CPU Cache，单片机内部 RAM

② DRAM (Dynamic RAM)

原理：电容存储，需定期刷新
优点：成本低，密度高（容量大）
缺点：速度慢，需刷新控制器
应用：PC 内存条，手机运行内存

非易失性存储（掉电保留）

③ Flash

NOR Flash：随机读取快，可片内执行（XIP），容量小（MB 级）
NAND Flash：容量大（GB 级），成本低，需纠错，不能随机读
应用：NOR 存代码，NAND 存数据（SSD、U盘）

④ EEPROM

按字节擦写：寿命 10 万 ~ 100 万次
接口：I2C/SPI
容量：KB 级（如 24C02 存 256 字节）
应用：存配置参数

⑤ FRAM (Ferroelectric RAM)

铁电存储：非易失，读写速度快（ns 级），寿命几乎无限
缺点：成本高
应用：电表、需要频繁写入的场合

⑥ SD 卡/eMMC

协议：SDIO/SPI 接口
容量：GB 级
应用：数据存储，文件系统

⑦ 外部 SRAM/PSRAM

接口：FSMC（并口）、SPI
作用：扩展内存，跑大程序

46. Flash 存储器和 EEPROM 的区别是什么？

表格

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特性	Flash	EEPROM
擦写粒度	扇区/块 (如 4KB)	字节
擦写寿命	1 万 ~ 10 万次	10 万 ~ 100 万次
速度	擦除慢 (ms 级)	擦写快 (ms 级)
容量	MB ~ GB	KB
接口	并口/SPI	I2C/SPI
成本	低	高
典型应用	程序代码、大数据	参数配置

深入理解

Flash 擦除是将块内所有位写 1，再写 0
EEPROM 可单独擦除某字节

混合使用策略

Flash：存程序 + 大数据（日志）
EEPROM：存用户设置（校准值、IP 地址）
磨损均衡：Flash 定期换块写，延长寿命

47. SRAM 和 DRAM 的区别，各自的应用场景是什么？

表格

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特性	SRAM	DRAM
存储原理	触发器（6T/4T）	电容（1T1C）
刷新	不需要	必须定时刷新（ms）
速度	快 (ns 级)	慢 (10~50ns)
密度	低	高（成本低）
功耗	较大（静态功耗）	小（动态功耗）
接口	简单（地址+数据）	复杂（行列地址、RAS/CAS）
成本	高（容量小）	低（容量大）

应用场景

SRAM

单片机内部 RAM：几 KB 到几 MB
CPU Cache：L1、L2 Cache（速度至上）
FPGA 内部 Block RAM
网络设备：路由表（需快速查找）

DRAM

主内存：PC 的 DDR4/DDR5，手机 LPDDR
显存：GPU 的 GDDR
大容量缓冲：视频处理

为什么单片机用 SRAM？

集成简单，无需刷新控制器
速度快，适合实时系统
容量小，够用即可

选型原则

容量 < 1MB：SRAM（成本和接口简单）
容量 > 1MB：DRAM（成本敏感）
速度关键：SRAM（Cache）
容量关键：DRAM（内存）

48. 嵌入式系统中实时操作系统（RTOS）的作用是什么？

RTOS 的核心作用：保证任务在规定时间完成

① 任务管理

多任务：创建、删除、暂停、恢复任务
优先级：抢占式调度，高优先级优先
状态：就绪、运行、阻塞、挂起

② 时间管理

精确延时：vTaskDelay(ms)
定时器：软件定时器
节拍：系统心跳，如 1ms 中断

③ 任务间通信

信号量：资源互斥访问
互斥锁：防止优先级反转
消息队列：任务间数据传递
事件标志：一位或多位的通知

④ 资源管理

内存管理：动态分配（需小心碎片）
CPU 分配：时间片轮转或抢占式

⑤ 提高系统可靠性

看门狗管理：喂狗任务优先级最高
异常处理：任务堆栈溢出检测

⑥ 模块化设计

功能拆分为独立任务
代码结构清晰，易于维护

⑦ 实时性保证

硬实时：必须在截止期限完成（如电机控制）
软实时：允许偶尔超时（如按键响应）

何时用 RTOS？

任务复杂（>3 个并行任务）
有实时性要求
需要网络协议栈（LwIP）
团队规模大，需模块化

何时不用？

资源极度受限（RAM < 2KB）
任务简单，循环即可
成本控制严格

49. 裸机编程和 RTOS 编程的区别是什么？

表格

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特性	裸机编程（前后台）	RTOS 编程
架构	超级循环 + 中断	多任务 + 调度器
任务调度	手动（状态机）	自动（优先级/时间片）
实时性	差（长任务阻塞）	好（抢占式）
资源管理	全局变量，手动保护	信号量、互斥锁
开发难度	简单（直接）	复杂（需理解调度）
调试	容易（单步）	困难（竞争、死锁）
资源占用	少（RAM < 1KB）	多（RAM > 2KB）
代码风格	顺序执行	事件驱动

裸机架构

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int main(void) {while(1) {  // 后台task1();task2();}
}void ISR(void) {  // 前台中断// 快速处理
}

RTOS 架构

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void task1(void *p) {while(1) {do_something();vTaskDelay(10);  // 让出 CPU}
}void task2(void *p) {while(1) {xQueueReceive(queue, &data, portMAX_DELAY);}
}int main(void) {xTaskCreate(task1, ...);xTaskCreate(task2, ...);vTaskStartScheduler();
}

状态机是裸机的灵魂

大任务拆分为小状态，避免阻塞
例：按键扫描拆为"按下""等待释放""长按"

RTOS 开发要点

ISR 要短：只发信号或写队列
任务划分：按功能和时间要求
避免死锁：锁的顺序，不要在中断中锁

50. 嵌入式系统中任务调度的基本原理是什么？

调度器的核心：决定哪个任务运行

① 基于优先级的抢占式调度

原理：始终运行就绪任务中优先级最高的任务
抢占：高优先级任务就绪，立即抢占低优先级任务
优点：硬实时保证
缺点：低优先级可能饿死

② 时间片轮转调度

原理：同优先级任务轮流运行固定时间片
时间片用完：强制切换下一个同优先级任务
优点：公平性
缺点：增加上下文开销

③ 合作式调度

原理：任务主动让出CPU（调用延时函数）
优点：上下文切换点确定，无竞争
缺点：一个任务死锁，整个系统崩溃

调度实现机制

就绪列表（Ready List）

链表数组，每个优先级一个链表
任务就绪时插入对应链表

上下文切换（Context Switch）

保存现场：将当前任务寄存器（R0~R15, SP, PC）压栈
切换堆栈：SP 指向新任务堆栈
恢复现场：从新任务堆栈弹出寄存器
执行：PC 指向新任务

触发调度时机

中断返回：上下文切换
任务延时：vTaskDelay()
信号量等待：xSemaphoreTake() 阻塞时
任务创建/删除：新任务优先级更高

调度开销

上下文切换时间：几 μs（Cortex-M3 约 1μs）
频繁切换浪费 CPU

调度策略选择

硬实时：抢占式 + 高优先级
软实时：抢占式 + 时间片
简单系统：合作式

51. 三极管放大电路中共射、共集、共基三种组态的区别是什么？

核心区别：哪个极作为公共端

表格

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组态	输入	输出	电压增益	电流增益	输入阻抗	输出阻抗	相位	应用
共射 (CE)	基极	集电极	高	β	中	高	反相	通用放大
共集 (CC)	基极	发射极	≈1	β+1	高	低	同相	缓冲/隔离
共基 (CB)	发射极	集电极	高	≈1	低	高	同相	高频放大

共射（Common Emitter）

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        VCC│[Rc]├──► 输出│
IN ──[Rb]─┴─┬─► 基极│ 发射极[Re]│GND

特点：输入输出阻抗适中，增益高，反相
应用：音频放大、中频放大

共集（Common Collector）

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        VCC│└─┬──► 发射极（输出）
IN ──[Rb]──┤/基极\│GND

别名：射极跟随器
特点：输入阻抗高，输出阻抗低，同相
应用：阻抗变换（前级与后级隔离），驱动负载

共基（Common Base）

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        VCC│
IN ──[Re]─┴─┬──► 集电极（输出）│└─► 基极（交流接地）

特点：输入阻抗低，频率特性好
应用：高频放大（VHF、UHF）、恒流源

52. 场效应管（MOS 管）的三种工作区域是什么，如何判断？

以 N 沟道增强型为例

① 截止区（Cutoff Region）

条件：Vgs < Vth
沟道：未形成
电流：Id ≈ 0
作用：开关断开

② 线性区/欧姆区（Linear/Triode Region）

条件：Vgs > Vth 且 Vds < Vgs - Vth
沟道：连续，未夹断
电流：Id = μCox(W/L)[(Vgs-Vth)Vds - Vds²/2]
特点：Vds 增大，Id 线性增大（像可变电阻）
作用：开关导通（Rds(on) 很小）

③ 饱和区/恒流区（Saturation Region）

条件：Vgs > Vth 且 Vds > Vgs - Vth
沟道：夹断（Pinch-off）
电流：Id ≈ (1/2)μCox(W/L)(Vgs-Vth)² × (1+λVds)
特点：Vds 增大，Id 基本不变（恒流）
作用：信号放大（类比三极管放大区）

判断流程

先判 Vgs：<Vth → 截止
再判 Vds：< (Vgs-Vth) → 线性区，> → 饱和区

类比三极管

截止区 ↔ 截止
线性区 ↔ 饱和
饱和区 ↔ 放大区

功率 MOS 管

开关应用：截止 ↔ 线性区（Rds(on) 最小）
绝不允许进入饱和区（功耗大）

53. 功率 MOS 管和信号 MOS 管的区别是什么？

表格

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特性	功率 MOS (Power MOSFET)	信号 MOS (Signal MOSFET)
电流	大 (几 A ~ 几百 A)	小 (<100mA)
电压	高 (几十 V ~ 上千 V)	低 (<30V)
Rds(on)	极低 (mΩ 级)	较高 (Ω 级)
开关速度	较慢 (ns ~ μs)	极快 (ps ~ ns)
封装	TO-220、DPAK、贴片大封装	SOT-23、SOT-89、小封装
成本	较高	极低
应用	电源开关、电机驱动	模拟开关、信号放大

功率 MOS 管选型关注

Rds(on)：决定导通损耗，越小越好
Qg (栅极电荷)：影响开关速度，越小越好
Vds(max)：耐压，必须 > 电源电压
热阻 (Rθja)：散热能力

信号 MOS 管选型关注

Vgs(th)：阈值电压，匹配驱动电平
Ciss：输入电容，影响高频响应
Ron：模拟开关的导通电阻
开关时间：高速开关应用

内部结构差异

功率 MOS：垂直导电结构（VDMOS），面积大，寄生电容大
信号 MOS：平面结构，寄生电容小

驱动要求

功率 MOS：需大电流驱动（几 A 栅极电流），用专用驱动芯片
信号 MOS：GPIO 直接驱动（<10mA）

54. 晶闸管（SCR）的工作原理，它主要用于什么场景？

SCR (Silicon Controlled Rectifier) 是可控硅，半控型器件。

结构

四层半导体：PNPN
三个极：阳极(A)、阴极(K)、门极(G)

工作原理

① 正向阻断状态

A-K 正偏，G 无信号
J2 结反偏，不导通

② 触发导通

条件：A-K 正偏 + G-K 正脉冲（>Vgt, >Igt）
过程：正反馈雪崩，SCR 导通
关键：门极失去控制！导通后门极信号无效

③ 导通维持

条件：阳极电流 Ia > 维持电流 Ih
关断方法：
- 降低 Ia < Ih（减小阳极电压或增大负载电阻）
- 阳极反偏（交流过零自动关断）

④ 反向阻断

A-K 反偏，不导通

主要应用场景

① 可控整流

交流调压：调光灯、电机调速
通过控制导通角调节输出电压

② 开关应用

高压大电流开关：直流电机控制
注意：只能控制开通，不能控制关断

③ 过压保护

并联在电源两端，过压触发导通→烧保险

④ 电机软启动

缓慢增加导通角，降低启动电流

优缺点

优点：耐压高（几千 V）、电流大（几百 A）、成本低
缺点：半控型、开关频率低（工频）、关断需辅助电路

现代替代

IGBT：全控型，可关断，用于变频器
MOS 管：低压高速开关

55. 双向晶闸管（TRIAC）和单向晶闸管的区别是什么？

TRIAC 可双向导通，SCR 只能单向

表格

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特性	SCR (单向)	TRIAC (双向)
导通方向	单向 (A→K)	双向 (A1↔A2)
触发极	门极 G	门极 G
触发方式	正脉冲	正负脉冲均可
结构	四层 PNPN	五层 NPNPN（两个 SCR 反并联）
应用场景	直流/交流半波	交流全波
关断	过零或反偏	过零自动关断
象限	第 I 象限	I、II、III 象限均可触发

TRIAC 工作原理

MT1 和 MT2 为主端子
I+ 象限：MT2+, G+ (相对于 MT1)
III- 象限：MT2-, G-（可简化驱动）

应用对比

SCR

直流电机调速（整流）
充电器（半波/全波整流）
需要二极管桥配合交流

TRIAC

调光器：相位控制切交流波形
交流电机调速：风扇调速
固态继电器：交流开关

触发方式

TRIAC：常用过零触发，减少 EMI
SCR：必须有续流回路

选型注意

TRIAC 额定电流指有效值，SCR 指平均值
感性负载需加 RC 吸收和续流

56. 光电耦合器的工作原理，它能实现什么功能？

工作原理：电 → 光 → 电

结构

LED（发光二极管）：输入侧
光敏三极管/光敏二极管：输出侧
隔离介质：透明环氧树脂

工作过程

输入端加电流，LED 发光
光照射到光敏管，产生光电流
输出端导通或放大

核心功能

① 电气隔离

输入输出无直接电气连接
隔离电压：2500Vrms ~ 5000Vrms
应用：强弱电隔离，保护 MCU

② 信号传输

传输数字信号（开关量）
线性光耦：可传模拟信号（如 HCNR201）

③ 电平转换

5V 系统与 3.3V 系统隔离通信
高压侧信号转低压侧

④ 噪声抑制

切断地环路干扰
防止共模噪声窜入

关键参数

CTR（电流传输比）：I_out / I_in × 100%（如 100%）
响应时间：开关速度（如 10μs）
隔离电压：V_iso

应用

开关电源反馈：隔离副边电压信号到原边 PWM 控制器
通信隔离：RS485、CAN 总线隔离
数字隔离：电机驱动信号隔离
过零检测：交流信号隔离

现代替代

数字隔离器：基于电容或电感隔离，速度更快（150Mbps），更稳定

57. 光耦的隔离电压和传输比是指什么参数？

① 隔离电压（Isolation Voltage）

定义：输入与输出间能承受的最大电压
单位：Vrms（交流有效值）或 VDC（直流）
测试：1 分钟耐压测试
常见值：2500Vrms、3750Vrms、5000Vrms
意义：越高越安全，可隔离更强干扰

② CTR (Current Transfer Ratio, 电流传输比)

定义：输出电流 / 输入电流 × 100%
公式：CTR = I_c / I_f × 100%
离散性：同一型号 CTR 范围宽（如 50%~600%）
温度特性：温度升高，CTR 下降（约 -0.3%/°C）
老化：LED 发光效率下降，CTR 逐年降低

选择光耦时

CTR 太低：驱动不足，需增大输入电流
CTR 太高：饱和深度大，关断延迟长
计算：I_f = (I_c / CTR_min) × 1.5（留裕量）

线性光耦的特殊参数

线性度：输出与输入的线性关系
增益误差：K3 = I_c1 / I_c2

58. 继电器的工作原理，它和光耦在隔离应用中有什么区别？

继电器工作原理

电磁式：线圈通电 → 产生磁场 → 衔铁吸合 → 触点闭合
类型：
- 常开 (NO)：线圈不通电断开，通电闭合
- 常闭 (NC)：线圈不通电闭合，通电断开

光耦 vs 继电器

表格

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特性	光耦	继电器
隔离介质	光	磁
隔离电压	高 (5000V)	高 (2500V)
开关速度	快 (μs)	慢 (ms)
负载类型	小信号（mA）	大电流/高压 (A/kV)
寿命	长（无机械磨损）	短（10^5~10^7 次）
驱动电流	小（mA）	大（几十 mA）
导通电阻	高（几十 Ω）	低（mΩ）
体积	小	大
成本	低	中
触点	无	有（可带高压大电流）

选择原则

控制信号隔离：光耦（PWM、数字信号）
功率开关：继电器（交流负载、大电流）
高频开关：光耦/MOS 管（继电器跟不上）
安全隔离：继电器（物理断开）

混合使用

MCU → 光耦 → 三极管 → 继电器
光耦隔离小信号，三极管驱动继电器线圈

固态继电器 (SSR)

用光耦 + 晶闸管/MOS 管实现
无机械触点，寿命长
适合频繁开关场景

59. PCB 设计中敷铜的作用是什么？敷铜时需要注意什么？

敷铜作用

① 降低地阻抗

铜皮提供低阻抗回路
减小地弹噪声

② 散热

功率器件通过敷铜散热
热阻：铜皮越厚（1oz vs 2oz），散热越好

③ 屏蔽

隔离数字地和模拟地
防止电磁干扰

④ 工艺要求

防止 PCB 翘曲（平衡铜分布）

⑤ 增加载流能力

电源铜皮走大电流

敷铜注意事项

① 安全间距

敷铜与焊盘、过孔、走线保持足够间距
防止短路（特别是高压）

② 避免孤立铜皮

死铜：未连接任何网络的铜皮
危害：天线效应，吸收噪声，腐蚀
处理：删除或接地

③ 热焊盘（Thermal Relief）

焊盘与铜皮连接用十字花
作用：防止焊接时散热过快（冷焊）
大功率：直接用全连接

④ 网格敷铜 vs 实心敷铜

网格：减少铜皮重量，柔性板用
实心：电流大，屏蔽好

⑤ 多层板敷铜

地平面：完整敷铜，不打过孔
电源平面：分割不同电源

⑥ 混合信号板

模拟地：单独敷铜
数字地：通过 0Ω 电阻或磁珠单点连接

⑦ 敷铜与走线

大电流优先走铜皮
高频信号线周围敷地铜，包地

⑧ 绘制顺序

先布局 → 再敷铜 → 后布线 → 再修铜

⑨ DRC 检查

检查敷铜短路、间距

60. PCB 中的过孔有哪几种类型，各自的用途是什么？

过孔类型

① 通孔 (Through Hole Via)

贯穿所有层，从顶层到底层
用途：连接不同层，插件元件引脚
优点：工艺简单，成本低
缺点：占用所有层空间

② 盲孔 (Blind Via)

从表层到内层，不穿透整个板
用途：连接表层与相邻内层
优点：节省空间，提高密度
缺点：工艺复杂，成本高

③ 埋孔 (Buried Via)

只在内层之间，表层不可见
用途：连接两个内层
优点：节省表层空间
缺点：成本最高，设计复杂

④ 微孔 (Microvia)

孔径 < 0.15mm（通常 0.1mm）
用途：HDI 板，手机等高密度板
工艺：激光钻孔，只连接相邻层
优点：极小间距，提高布线密度

过孔参数

⑤ 过孔尺寸

孔径：0.2mm、0.3mm、0.4mm（工艺极限 0.15mm）
焊盘直径：孔径 + 0.2mm（如 0.3mm 孔用 0.5mm 焊盘）
阻焊开窗：比焊盘大 0.05mm

⑥ 过孔电感

公式：L ≈ 0.2h[ln(4h/d)+1] （h 板厚, d 孔径）
影响：高速信号过孔引入阻抗不连续
解决：背钻（去除 Stub）

用途分类

⑦ 信号过孔

传输信号，孔径小
高速线尽量减少过孔

⑧ 电源过孔

电源和地连接，孔径大（降低电阻）
多打几个并联

⑨ 散热过孔

连接焊盘到地平面
帮助散热

⑩ 定位孔

PCB 固定用，非金属化

设计建议

高速线：一个过孔增加 1~3nH 电感，尽量少用
BGA 扇出：用微孔或盲孔
电源：过孔电流能力按 0.5A/孔估算

61. PCB 设计中为什么要避免锐角走线，一般建议的走线角度是多少？

避免锐角的原因

① 工艺问题

蚀刻：锐角处蚀刻液不易流通，导致线宽不均
电镀：锐角处铜厚不均匀
结果：阻抗不连续，信号反射

② 信号完整性

阻抗突变：90° 直角线宽增加 1.414 倍，阻抗降低
电容效应：直角尖端积聚电荷，等效寄生电容
辐射：尖端是良好的天线，EMI 辐射强

③ 机械强度

锐角在 PCB 受应力时易断裂
运输、焊接过程中损坏

④ 制造公差

锐角在制造偏差下易变成短路

推荐走线角度

① 45° 斜角（最常用）

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  ──────\\──────

布线美观，阻抗连续
几乎所有 PCB 软件支持

② 圆弧形走线

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  ──────))──────

阻抗变化最平滑
高频高速板推荐

③ 任意角（低优先）

部分软件支持，保持角度 >90°

实际经验

普通信号：45° 完全够用
高速信号（>100MHz）：圆弧形或 45°
射频信号（>1GHz）：必须圆弧

直角线的例外

低速信号（<10MHz）影响不大
电源线、地线直角可接受
但养成好习惯：一律避免

62. PCB 中的接地方式有哪些，不同接地方式的适用场景是什么？

接地方式

① 单点接地（Star Grounding）

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       数字电路│[R/0Ω]│
电源地───┼───模拟电路│[R/0Ω]│功率电路

原理：所有地线汇聚到一点
优点：无地环路，消除干扰
缺点：地线长，阻抗大
适用：低频（<1MHz）、混合信号板

② 多点接地（Multipoint Grounding）

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数字电路 ─┬─ 地平面│
模拟电路 ─┤│
功率电路 ─┘

原理：各电路就近接地平面
优点：地阻抗低，高频性能好
缺点：可能形成地环路
适用：高频（>10MHz）、数字电路

③ 混合接地

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      数字地 ──── 地平面 ──── 模拟地│[磁珠/0Ω]│功率地

组合单点和多点
不同地之间单点连接

适用场景

数字电路

多点接地：完整的地平面
地平面分割：不同电源域（3.3V 与 1.8V）

模拟电路

单点接地：防止数字噪声串扰
星型连接：运放、ADC、DAC 分别接地

混合信号板

分区：数字区、模拟区、功率区
连接：单点连接（0Ω 电阻或磁珠）
磁珠：隔高频通低频

功率电路

星型接地：防止大电流干扰小信号
地线粗短

射频电路

多点接地：地平面完整
过孔密集：屏蔽腔

设计要点

地平面优先：多层板必有一层完整地平
避免地环路：信号线与地线回路面积小
模拟/地的连接：在 ADC 芯片下方单点连接

63. 模拟地和数字地为什么要分开，如何实现两者的连接？

分开的原因

① 噪声干扰

数字地：开关噪声大（几十 mV 毛刺）
模拟地：需要干净（μV 级）
共地阻抗：数字电流在共地阻抗上产生压降，叠加到模拟信号上

② 回流路径

数字信号回流路径会干扰模拟信号
保持分离，避免串扰

③ 地弹（Ground Bounce）

数字 IO 快速开关导致地平面电压波动
影响 ADC 基准

连接方法

① 0Ω 电阻（最常见）

数字地 ──── 0Ω ──── 模拟地

优点：直流连接，交流隔离
位置：在 ADC/DAC 芯片下方单点连接

② 磁珠（Ferrite Bead）

数字地 ──── 磁珠 ──── 模拟地

高频高阻抗，低频低阻抗
隔离数字噪声
型号：BLM18PG121SN1D（120Ω@100MHz）

③ 电感

数字地 ──── 10μH ──── 模拟地

隔离高频噪声
可能谐振，少用

④ 直接单点连接

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      数字电路│└─────────┐│[单点]│┌─────────┘│模拟电路

在 PCB 某一点直接用铜皮连接
适合简单系统

⑤ 桥接芯片

用 ADC、DAC 芯片本身作为桥
芯片内部 AGND 和 DGND 已连接
外部 AGND 和 DGND 在芯片下方接

Layout 原则

星型连接：所有地汇聚到连接点
连接点位置：在 ADC 芯片正下方
走线：宽短，低阻抗

64. PCB 设计中电源层和地层的布局原则是什么？

布局原则

① 相邻电源层与地层耦合

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信号层
──────
地层
──────
电源层
──────
信号层

优点：层间电容大（100pF/in²），去耦好
距离：介质越薄（4mil），电容越大
作用：抑制电源噪声，提供高频回路

② 电源层分割

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┌─────────────┐
│   3.3V 区域  │
├─────────────┤
│   1.8V 区域  │
├─────────────┤
│   5V 区域    │
└─────────────┘

不同电压电源层分割
禁止：信号线跨分割（阻抗不连续）
跨分割处理：加缝补电容（Stitching Cap）

③ 地平面完整性

原则：地层尽量完整，不要分割
例外：数字/模拟地，在连接点单点连接

④ 电源入口

电容：电源入口大电容（100μF）→ 中等（10μF）→ 小电容（0.1μF）
摆放：按大小顺序靠近电源入口

⑤ 电源树

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12V 输入│├─→ DCDC → 5V → LDO → 3.3V → 数字电路│└─→ LDO → 3.3V_A → 模拟电路

先开关后线性，兼顾效率和噪声

⑥ 电源过孔

规则：电源换层多打过孔（降低阻抗）
数量：0.5mm 孔径，每 A 电流至少 2 个过孔

⑦ 电源铜皮

宽度：按电流算，留 2 倍裕量
连接：焊盘用十字花连接（散热）

⑧ 20H 原则

电源层比地层内缩 20 倍介质厚度
减少边缘辐射

⑨ 电源完整性分析

目标阻抗：|Z| < ΔV/ΔI（如 5%×3.3V/0.5A = 0.33Ω）
去耦电容：不同容值组合，覆盖宽频段

⑩ 禁止事项

电源层和地层不要重合但不相连
不要在电源层走信号线

65. 高速 PCB 设计中信号完整性问题主要有哪些，如何解决？

主要问题

① 反射（Reflection）

原因：阻抗不连续（过孔、线宽变化、连接器）
后果：振铃、过冲、下冲
解决：
- 阻抗匹配（串联端接）
- 终端电阻（并联匹配）
- 减少过孔

② 串扰（Crosstalk）

原因：相邻信号线耦合（电容/电感）
后果：信号畸变，误码
解决：
- 3W 原则（间距 > 3 倍线宽）
- 地线隔离
- 差分对线间距保持恒定

③ 地弹（Ground Bounce）

原因：地回路电感大，di/dt 大
后果：地电位波动，逻辑错误
解决：
- 地平面完整
- 就近打过孔
- 降低驱动电流

④ 电源完整性（PI）

原因：电源阻抗高，去耦不足
后果：电源噪声大，时钟抖动
解决：
- 电源平面相邻地平面
- 多级去耦电容（100nF + 10μF + 100μF）
- 目标阻抗设计

⑤ 时序问题

建立/保持时间不足
时钟偏移（Clock Skew）
解决：
- 等长布线（蛇形线）
- 时钟树综合

⑥ EMI/EMC

辐射：高速线成天线
耦合：串扰、感应
解决：
- 包地处理
- 滤波
- 屏蔽

设计解决策略

① 阻抗控制

走线宽度、介质厚度计算
50Ω 单端，100Ω 差分

② 端接

串联：源端 33Ω，匹配传输线
并联：终端 50Ω 到地，吸收能量

③ 叠层设计

4 层板：信号-地-电源-信号
6 层板：信号-地-信号-电源-地-信号

④ 仿真

信号完整性仿真：HyperLynx、ADS
眼图分析：评估通道质量

⑤ 布线规则

高速线不打过孔
差分对对称
避免直角

66. 电磁兼容性（EMC）设计的基本原理，如何减少电路的电磁辐射？

EMC 三要素

干扰源 ──> 耦合路径 ──> 敏感设备

抑制源：减少干扰产生
切断路径：屏蔽、滤波、隔离
保护设备：提高抗扰度

减少电磁辐射措施

① 减小环路面积

原理：环形天线，面积越大辐射越强
做法：信号线与回流路径（地线）紧邻
公式：辐射 ∝ 环路面积 × 电流 × 频率

② 降低 di/dt 和 dv/dt

缓启电路：开关管加 RC 吸收
驱动电阻：栅极电阻减缓开关速度
代价：增加开关损耗

③ 滤波

输入电源：共模扼流圈 + X/Y 电容
输出信号：RC 滤波、LC 滤波
时钟：磁珠 + 电容

④ 屏蔽

金属外壳：法拉第笼
屏蔽罩：射频模块
屏蔽线缆：同轴电缆、屏蔽双绞线

⑤ 接地

完整地平：提供低阻抗回路
单点接地：低频，防止地环路
多点接地：高频，降低地阻抗

⑥ PCB 布局

分区：数字、模拟、功率分开
晶振靠近芯片，包地
时钟线 最短

⑦ 端接匹配

减少反射，降低谐波辐射

⑧ 展频时钟 (SSC)

故意让时钟频率抖动 ±1%
将窄带能量分散到宽带，降低峰值

⑨ 器件选型

低速芯片：够用即可，不用最快的
低边沿速率：选择慢速逻辑门

⑩ 电缆处理

屏蔽层 360° 接地：电缆入口处
滤波连接器：π 型滤波

测试标准

辐射发射：RE，EN55032
传导发射：CE，EN55032
静电放电：ESD，IEC61000-4-2

67. 电磁干扰（EMI）的来源有哪些，抑制 EMI 的常用方法是什么？

EMI 来源

① 开关电源

开关管：高频开关产生尖峰（几十 MHz ~ 几百 MHz）
二极管：反向恢复电流
变压器：漏感振荡

② 时钟电路

晶振：高频方波，谐波丰富
PLL：倍频后辐射更强

③ 高速数字信号

边沿速率快（<1ns），频谱宽
总线、数据线

④ 电机

换向火花：宽频干扰
驱动 PWM：高频噪声

⑤ 继电器

触点断开时的电弧

⑥ 天线

设计不良的 PCB 走线成为天线
电缆辐射

⑦ 静电放电 (ESD)

人体、空气放电

抑制方法

A. 抑制源

缓启动：开关管加 RC，减慢边沿
吸收电路：RCD 钳位，二极管反向恢复吸收
展频：时钟频率抖动

B. 滤波

电源滤波：共模扼流圈 + X/Y 电容
信号滤波：磁珠 + 电容
π 型滤波：LC 网络

C. 屏蔽

金属外壳：接地
屏蔽罩：射频模块
屏蔽电缆：编织层接地

D. PCB 设计

完整地平：抑制辐射
3W 原则：减少串扰
包地：时钟线两侧走地线
禁止跨分割：信号线不换层

E. 接地

单点接地：低频
多点接地：高频
混合接地：磁珠连接

F. 隔离

光耦：强弱电隔离
变压器：电源隔离
数字隔离器：高速信号隔离

G. 电缆

双绞线：抵消磁场
屏蔽层接地：360° 搭接

H. 吸波材料

铁氧体磁环（Cable Core）
吸波棉（腔体内）

68. 电路中静电放电（ESD）的危害是什么，如何防护？

ESD 危害

① 硬损伤

PN 结击穿：反向击穿电压超过耐压
栅极击穿：MOS 管栅氧层击穿（几 V 就坏）
金属熔化：大电流烧断金属线
后果：器件永久性损坏

② 软损伤

参数漂移：阈值电压变化
性能下降：增益降低
后果：产品可靠性下降，早期失效

③ 闩锁效应 (Latch-up)

CMOS 寄生可控硅触发
电源到地短路，大电流
后果：器件烧毁

④ 数据错误

RAM 数据翻转
程序跑飞

⑤ 系统复位

ESD 干扰导致 MCU 复位

防护方法

① PCB 级

TVS 二极管：并联在敏感引脚
- 响应快（ps 级），钳位电压
- 如 ESD5Z5.0
压敏电阻：吸收大能量
电容滤波：10nF 电容到地
屏蔽罩：保护射频模块

② 接口级

ESD 保护器件：USB、HDMI 专用保护芯片
共模扼流圈：抑制瞬态
TVS 阵列：多路保护

③ 产品设计

外壳接地：金属外壳接大地
绝缘材料：外壳用绝缘塑料
空气间隙：增加爬电距离

④ 芯片内部

ESD 保护结构：输入端二极管到电源和地
设计标准：HBM 2kV、CDM 500V

⑤ 操作规范

防静电手环：生产时佩戴
防静电垫：工作台接地
离子风机：中和静电
湿度控制：40%~60%

⑥ 接地

单点接地：ESD 电流不流经电路
大地连接：外壳接大地

测试标准

IEC61000-4-2：接触放电 ±4kV，空气放电 ±8kV
接触放电：模拟直接接触
空气放电：模拟隔空放电

69. 浪涌电压的产生原因，电路中如何进行浪涌防护？

浪涌产生原因

① 雷击

感应雷：雷击附近，在线路感应高压（kV 级）
直击雷：直接击中线路

② 开关操作

电感性负载：继电器、电机断电时，L(di/dt) 产生高压尖峰

③ 电网波动

负载突变：大功率设备启停
故障：短路、接地

④ ESD

静电放电（nS 级，高电压）

浪涌防护器件

① 压敏电阻 (MOV)

原理：电压超过阈值，电阻急剧下降
响应：μs 级
特点：吸收能量大，但会老化
接法：并联在电源输入 L-N 之间
例子：14D471K（470V）

② TVS 二极管

原理：雪崩击穿，钳位电压
响应：ps 级
特点：精确钳位，但能量小
接法：并联在敏感器件两端

③ 气体放电管 (GDT)

原理：气体击穿放电
响应：慢（μs）
特点：承受电流极大（kA），但导通电压高
接法：L-G、N-G 保护

④ 保险丝

作用：过流保护，浪涌后断开
类型：快熔、慢熔

⑤ PTC (自恢复保险丝)

原理：过流发热，电阻剧增
特点：可恢复，但响应慢

防护电路

分级防护

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L ──┬─[MOV]─┬─────┬─ 电路│       │     │
N ──┴─[MOV]─┤    [TVS]│
G ──────────┴─────┴─ GND

第一级：GDT/MOV，泄放大能量
第二级：TVS，精确钳位

共模 + 差模

差模保护：L-N 之间 MOV
共模保护：L-G、N-G 之间 MOV

参数选择

钳位电压：V_clamp < 器件耐压 × 0.8
通流容量：8/20μs 波形，如 10kA

测试标准

IEC61000-4-5：1.2/50μs 电压波，8/20μs 电流波
等级：1kV、2kV、4kV

70. 保险丝和自恢复保险丝的区别，各自的选型依据是什么？

表格

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特性	保险丝 (Fuse)	PTC (PolySwitch)
原理	过流熔断（不可逆）	过流高阻（可恢复）
响应	快（ms）	慢（秒级）
分断能力	高（kA）	低
电阻	低（mΩ）	较高（Ω）
寿命	一次性	长（可恢复）
成本	低	较高
状态指示	熔断需更换	自动恢复，无指示

选型依据

保险丝

额定电流 (I_rated)：
- I_rated > 工作电流 × 1.5
- 考虑浪涌电流
额定电压 (V_rated)：
- V_rated > 电路最大电压
分断能力 (I_interrupt)：
- 大于最大故障电流
响应特性：
- 快熔：保护半导体器件
- 慢熔：承受启动浪涌（电机）
封装：插件、贴片
安规认证：UL、CCC

PTC 自恢复保险丝

保持电流 (I_hold)：
- PTC 不动作的最大电流
- I_hold > 工作电流
跳闸电流 (I_trip)：
- PTC 动作的最小电流
- 通常 2 × I_hold
最大电压 (V_max)：
- 动作时承受的最大电压
响应时间：
- 与电流大小有关，越大越快
电阻：
- 初始电阻低（<1Ω）
- 动作后电阻高（>1kΩ）

应用场景

保险丝

电源输入：一次保护
贵重设备：故障必须停机检修
安规要求：强制安装

PTC

USB 口：过流保护
电池保护：防止短路
频繁场合：可能误触发
自恢复需求：无人值守设备

混合使用

输入 ── 保险丝 ── PTC ── 电路

保险丝：大能量故障保护
PTC：小过流保护，自恢复

71. 压敏电阻的工作原理，它在电路中主要起什么作用？

工作原理

电压敏感电阻 (Varistor/Voltage Dependent Resistor)

材料：氧化锌 (ZnO) 陶瓷，晶界形成 PN 结
特性：非线性 V-I 曲线

复制

电压↑│    /│   /  击穿区│  /│ / │/_____ 漏电流区└────────→ 电流

漏电流区：电压 < 压敏电压，电阻极大（MΩ），漏电流 μA 级
击穿区：电压 > 压敏电压，电阻急剧下降（几 Ω），电流剧增
响应：ns ~ μs 级

主要作用

① 过压保护（核心）

并联在电源或信号线两端
电压超限导通，短路泄放能量
保护后级电路

② 浪涌吸收

雷击、开关浪涌
吸收能量：焦耳级（如 14D471K 可吸收 50J）

③ 电压钳位

将电压钳位在安全范围
不是精确钳位，电压随电流变化

④ 静电防护

与 TVS 配合使用

参数选择

① 压敏电压 (V1mA)

1mA 电流时的电压
选择：V1mA > 1.5 × 工作电压
例：220V AC → V1mA = 470V（峰值 311V × 1.5）

② 通流容量

8/20μs 脉冲（如 5kA、10kA）
根据浪涌等级选

③ 能量吸收能力

单次最大能量（J）

④ 寄生电容

几百 pF ~ 几 nF
影响高速信号

典型应用

AC 输入保护

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L ──┬─[MOV]─┬─ 后级│       │
N ──┴─[MOV]─┘│
G ──┴─[放电管]

DC 电源保护

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输入 ──┬─[MOV]─┬─ 电路│       │GND    [TVS]

信号线保护

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信号 ──┬─ 电路│[MOV]│GND

老化特性

压敏电压漂移：多次浪涌后，V1mA 下降
漏电流增加：可能发热烧毁
建议：定期更换（户外设备）

72. 气体放电管的特点，它适合用于哪种类型的过压防护？

气体放电管 (GDT, Gas Discharge Tube)

结构

密封玻璃/陶瓷管内充惰性气体（氖、氩）
两个或三个电极

工作原理

① 未击穿（高阻态）

电压 < 击穿电压，气体不电离
电阻 > 1GΩ，漏电流 < 1pA

② 辉光放电（负阻区）

电压达到 V_brk（如 230V）
气体电离，电阻急剧下降
维持电压 V_s：约 20~50V

③ 弧光放电（导通区）

电流增大，进入弧光
压降极低（<10V）
可承受 kA 级电流

特点

优点

通流能力极强：10kA ~ 100kA（8/20μs）
寄生电容极小：<1pF（适合高频）
绝缘电阻极高：漏电流忽略
成本低

缺点

响应慢：μs 级（比 TVS、MOV 慢）
续流问题：导通后需过零才能关断
寿命有限：每次放电消耗电极材料
动作电压分散性大：±20%

适用场景

① 第一级防护（入口）

泄放巨大浪涌（如雷击）
与 MOV、TVS 配合使用

② 通信线保护

RS485、CAN：平衡线保护
寄生电容小，不影响信号

③ 电源线保护

AC 输入：L-G、N-G 保护
DC 电源慎用（续流问题）

④ 天线保护

射频信号线防雷

电路接法

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L ── GDT ── G│
N ── GDT ── G

并联在信号线与地之间

与 TVS 对比

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GDT：慢、通流大、电容小 → 第一级
TVS：快、通流小、精确钳位 → 第二级

续流问题解决方案

DC 电路串联 PTC 或电阻，限制电流
或选用三极 GDT（可强制关断）

73. 集成稳压器的主要参数有哪些，如 7805 系列稳压器的输出电流是多少？

集成稳压器主要参数

① 输出电压 (Vout)

固定输出（如 7805 为 5V）
可调输出（如 LM317 1.25V~37V）

② 输出电流 (Iout)

7805：最大 1A（需散热）
78L05：0.1A（小封装）
78M05：0.5A

③ 输入电压范围 (Vin)

7805：7V ~ 35V（至少比输出高 2V）
极限：40V

④ 压差 (Dropout Voltage)

输入与输出最小电压差
7805：2V（不是 LDO）

⑤ 静态电流 (Iq)

无负载时消耗的电流
7805：约 8mA

⑥ 负载调整率 (Load Regulation)

负载变化时输出电压稳定度
单位 % 或 mV

⑦ 线性调整率 (Line Regulation)

输入电压变化时输出电压稳定度

⑧ 温度系数

输出电压随温度变化

⑨ 纹波抑制比 (PSRR)

抑制输入纹波能力，单位 dB

⑩ 保护功能

过热保护：芯片过热自动关断
过流保护：输出短路限流

7805 详细参数

输出电压：5V ± 4%（典型）
输出电流：1A（最大，需足够散热）
功率：15W（Vin=15V, Iout=1A, Pd=10W）
热阻：结到环境 50°C/W（TO-220）
最高结温：150°C
存储温度：-65°C ~ 150°C

散热计算

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T_j = T_a + Pd × Rθja
若 T_a=25°C, Pd=10W, Rθja=50°C/W
T_j = 25 + 10×50 = 525°C > 150°C → 必须加散热片

散热片热阻：加到 5°C/W 以下

74. 可调集成稳压器（如 LM317）的输出电压如何计算？

LM317 电路

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        Vin│ADJ  ◄─── R1│      │Vout   R2│GND

公式

Vout = Vref × (1 + R2/R1) + Iadj × R2

Vref：基准电压，典型 1.25V
Iadj：调整端电流，约 50μA
忽略 Iadj：Vout ≈ 1.25 × (1 + R2/R1)

设计步骤

选 R1：
- 通常 120Ω ~ 240Ω
- 保证最小负载电流：I_min = Vref / R1 > 3.5mA
- 若 R1=240Ω：I_min = 1.25/240 = 5.2mA
算 R2：
- R2 = R1 × (Vout/1.25 - 1)
- 例：Vout=5V, R1=240Ω
  - R2 = 240 × (5/1.25 - 1) = 240 × 3 = 720Ω
  - 取 E96 系列 715Ω 或 732Ω
考虑 Iadj：
- 精密应用时，Iadj×R2 误差不可忽略
- R2 补偿：R2 改为 R2' || R2'' 精确调整

完整公式

Vout = 1.25 × (1 + R2/R1) + 80μA × R2

可调范围

输入输出最小压差：3V（非 LDO）
最大输出：37V（Vin 最高 40V）
最小输出：1.25V

保护二极管

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        Vin│[D1]│LM317│[D2]│Vout│C1│GND

D1：输入短路时，C1 通过 ADJ 放电，保护芯片
D2：输出短路时，C2 通过 ADJ 放电，保护芯片

功率计算

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Pd = (Vin - Vout) × Iout
需散热片：Pd > 1W

75. 开关电源中 PWM 控制器的工作原理是什么？

PWM 控制器核心：调节占空比，稳定输出

组成部分

① 误差放大器 (Error Amplifier)

比较 反馈电压 (FB) 与 基准电压 (Vref)
输出误差信号 V_e

② 振荡器 (Oscillator)

产生 固定频率的锯齿波（如 100kHz）
频率由 RT/CT 决定

③ PWM 比较器

比较误差信号 V_e 与锯齿波
V_e > 锯齿波：输出高（占空比大）
V_e < 锯齿波：输出低（占空比小）

④ 驱动器 (Driver)

驱动功率 MOS 管
提供足够栅极电荷

⑤ 保护电路

过流保护 (OCP)：检测电流，超限时限制占空比
过压保护 (OVP)：FB 超基准，关断输出
欠压锁定 (UVLO)：输入电压过低不启动
过热保护 (OTP)

工作波形

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锯齿波/\      /\      /\      //  \    /  \    /  \    //    \  /    \  /    \  /
/      \/      \/      \/
误差电压 V_e ──────────────────|<----->|  占空比PWM 输出

调节过程

Vout ↓ → FB ↓ → V_e ↑ → 占空比 ↑ → Vout ↑

控制模式

① 电压模式

单反馈环，采样输出电压
优点：简单
缺点：响应慢，需补偿

② 电流模式

双环：电压外环 + 电流内环
采样电感电流
优点：响应快，限流精确
缺点：斜坡补偿防止振荡

芯片例子

UC3842：经典电流模式 PWM 控制器
TL494：电压模式，双路输出
SG3525：推挽/半桥

同步整流

用 MOS 管替代二极管
需检测电流过零，控制 MOS 同步开关

76. Buck 电路、Boost 电路、Buck-Boost 电路的区别，各自的输出电压与输入电压的关系是什么？

Buck（降压）

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Vin ── 开关管 ──┬── 电感 ── Vout│   │GND  电容

关系：Vout = Vin × D
条件：Vout < Vin
D：占空比（0~1）
应用：12V 转 5V、5V 转 3.3V

Boost（升压）

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Vin ── 电感 ── 开关管 ─┬── 二极管 ── Vout│GND  电容

关系：Vout = Vin / (1 - D)
条件：Vout > Vin
应用：5V 转 12V，电池升压

Buck-Boost（升降压）

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Vin ── 开关管 ──┬── 电感 ──┬── 二极管 ── Vout│          │GND        电容

关系：Vout = -Vin × D / (1 - D)
特点：输出负压，|Vout| 可大于或小于 Vin
应用：电池供电，电压范围宽

非隔离式总结

表格

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拓扑	输入输出关系	极性	应用
Buck	Vout = Vin×D	同相	降压
Boost	Vout = Vin/(1-D)	同相	升压
Buck-Boost	Vout = -Vin×D/(1-D)	反相	升降压

SEPIC 和 Cuk

SEPIC：Vout = Vin×D/(1-D)，同相，输入输出隔离（无直通）
Cuk：Vout = -Vin×D/(1-D)，反相，低纹波

选型原则

Buck：效率最高，最常用
Boost：电感在输入侧，适合电池
Buck-Boost：电压可上可下，但效率略低

77. 反激式开关电源和正激式开关电源的区别是什么？

表格

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特性	反激 (Flyback)	正激 (Forward)
变压器	储能（电感）	不储能（理想变压器）
开关管关断	二次侧导通（续流）	二次侧截止
二极管	续流二极管	续流 + 磁复位
功率	<150W （小功率）	>150W（中大功率）
效率	较低（80~85%）	较高（85~90%）
纹波	较大	较小
成本	低（元件少）	较高（多复位绕组）
应用场景	适配器、小功率充电器	服务器电源、工业电源

反激式

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开关管 ON：  变压器储能（二次侧二极管反偏）
开关管 OFF： 能量释放到二次侧（二极管导通）

变压器：既是变压器又是电感
优点：结构简单，成本低
缺点：变压器利用率低

正激式

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开关管 ON：  能量直接传到二次侧
开关管 OFF： 二次侧续流，变压器磁复位

必须：磁复位绕组或 RCD 钳位
优点：效率，功率大
缺点：电路复杂

波形

反激

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一次电流：  /\/  \        （三角波）
二次电流：     /\/  \

正激

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一次电流：  /‾‾‾‾\    （梯形波）
二次电流：  /‾‾‾‾\    （与一次同步）

复位方式

正激绕组：复位绕组与一次反向
RCD 钳位：电阻电容二极管
有源钳位：用 MOS 管

78. 开关电源中的变压器和普通工频变压器的区别是什么？

表格

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特性	开关电源变压器	工频变压器
工作频率	高 (20kHz ~ 1MHz)	低 (50/60Hz)
体积重量	小 (频率高→电感小)	大
磁芯材料	铁氧体 (高频低损)	硅钢片
效率	高 (95% 以上)	80~95%
温升	低	较高
漏感	要求极低	可接受
绝缘	要求严格 (安全)	要求严格
成本	中	低

磁芯材料

开关变压器

铁氧体：Mn-Zn（功率），Ni-Zn（高频）
损耗：20kHz 以上损耗小
形状：EE、EI、PQ、RM

工频变压器

硅钢片：0.35mm、0.5mm 厚
损耗：涡流损耗大，频率越高越大
形状：EI 型、C 型

设计差异

开关变压器

趋肤效应：高频电流在导线表面
多股线：Litz 线（多股绝缘线并绕）
漏感：影响开关管电压应力，需最小化
分布电容：影响 EMI

工频变压器

线径粗：大电流
绝缘：层间绝缘纸
效率：铁损 + 铜损

参数对比

表格

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参数	开关变压器	工频变压器
功率密度	100W/in³	10W/in³
工作磁通密度	0.2T	1.5T
温升	40°C	60°C

应用

开关变压器：适配器、LED 驱动、DCDC
工频变压器：线性电源、隔离变压器、音响

79. 功率因数校正（PFC）的作用是什么，有源 PFC 和无源 PFC 的区别是什么？

功率因数 (PF)

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PF = P / S = cosφ × (失真因数)
P：有功功率（W）
S：视在功率（VA）

纯阻性：PF = 1
感性/容性：PF < 1（相位差）
非线性：PF < 1（谐波失真）

PFC 作用

① 提高功率因数

使输入电流跟随输入电压波形
PF > 0.95（法规要求）

② 减小谐波

降低 THD（总谐波失真）< 5%
符合 IEC61000-3-2

③ 提高电能利用率

减少无功功率
降低电网损耗

④ 稳定母线电压

减小输出纹波

无源 PFC

电路

输入 ── 电感 ── 整流桥 ── 电容

原理：串联大电感补偿相位
优点：简单、可靠、成本低
缺点：
- PF 只能到 0.7~0.8
- 体积大、重
- 不能适应宽输入电压

应用：老式镇流器、低成本电源

有源 PFC

电路（Boost PFC 最常见）

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整流桥 ── Boost 电感 ── 开关管 ── 输出电容│└─ PFC 控制器（采样 Vin, Iin, Vout）

原理：有源开关让输入电流正弦化
控制：平均电流模式、峰值电流模式

优点

PF > 0.99
THD < 5%
体积小，重量轻
适应宽输入电压（85~265V）

缺点

成本高（控制芯片 + 开关管 + 电感）
电路复杂
EMI 问题（开关频率高）

应用

开关电源：>75W 必须（欧盟）
LED 驱动
服务器电源

关键器件

PFC 控制器：L6562、UC3854
电感：Boost 电感，计算复杂
MOS 管：高压高速

80. 直流电机的工作原理，如何实现直流电机的正反转控制？

工作原理

结构

定子：永磁体或励磁绕组
转子：电枢绕组
换向器：机械换向
电刷：连接电源

过程

电流通过电刷 → 换向器 → 电枢绕组
绕组在磁场中受力（左手定则）
转矩：T = K_T × Φ × I_a
换向器改变电流方向，维持转矩方向

反电动势

转子旋转产生反向电动势：E = K_E × Φ × n
转速 n↑ → E↑ → I_a↓ → 平衡

正反转控制方法

① H 桥电路（最常用）

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      VCC│[M1] [M3]\ /│电机│/ \[M2] [M4]│GND

正转：M1 和 M4 导通，M2 和 M3 关断
反转：M2 和 M3 导通，M1 和 M4 关断
刹车：M1 和 M2 关断（或 M3 和 M4 导通）
停止：全部关断

② 继电器切换

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电源+ ──[常开]───┐├── 电机 ── 电源-
电源+ ──[常闭]───┘

优点：简单
缺点：寿命短，有噪声

③ 专用驱动芯片

L298N：双 H 桥，2A
TB6612：MOS 管 H 桥，效率高
A4950：单 H 桥，3.5A

PWM 调速

占空比控制平均电压
频率：>20kHz，避开音频

保护

续流二极管：每个 MOS 管并二极管
过流保护：采样电阻 + 比较器
堵转保护：电流检测

调速 + 正反转代码

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void motor_ctrl(int speed, int dir) {if(dir == FORWARD) {PWM_A = speed;  // M1 PWMPWM_B = 0;      // M4 常闭} else {PWM_A = 0;PWM_B = speed;  // M2 PWM}
}

81. 步进电机的工作原理，它的步距角是什么意思？

工作原理

结构

定子：多对磁极（齿），励磁绕组
转子：永磁体或软磁材料
绕组：2 相、3 相、5 相

励磁方式

① 单相励磁

每步只一相通电
功耗低，转矩小

② 双相励磁

每步两相通电
转矩大

③ 单双相励磁（半步）

单相 → 双相 → 单相...
步距角减半，振动更小

步距角 (Step Angle)

定义：每接收一个脉冲，转子转过的角度

公式

步距角 = 360° / (运行拍数 × 转子齿数)

常见：1.8°（200 步/转）、0.9°（400 步/转）

细分驱动

将每步细分为多个微步
原理：两相电流阶梯变化
效果：步距角更小（如 0.1125°），运行更平滑

驱动方式

① 单极性

绕组中心抽头
简单，但转矩小

② 双极性

H 桥驱动，电流可反向
转矩大，效率高

专用芯片

A4988：微步驱动，最高 16 细分
DRV8825：32 细分
TMC2208：静音驱动

控制

DIR：方向
STEP：脉冲（每个脉冲走一步）
EN：使能

应用

3D 打印机
CNC 机床
打印机喷头

82. 伺服电机和步进电机的区别，各自的应用场景是什么？

表格

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特性	步进电机	伺服电机
控制方式	开环（无反馈）	闭环（有编码器）
精度	步距角（无累积）	编码器分辨率（高）
转矩	低速大，高速下降	恒转矩
速度	一般 <2000rpm	高 (3000~5000rpm)
响应	慢	快
成本	低	高
振动噪声	较大	平稳
过载能力	差	强 (3 倍)
控制复杂度	简单	复杂（PID）

步进电机

原理：开环控制，脉冲数=转角
优点：无需编码器，成本低，保持转矩断电自锁
缺点：高速失步、振动、效率低
应用：3D 打印、CNC（低成本）、打印机

伺服电机

原理：直流电机 + 编码器 + 驱动器闭环
控制：PID 调节，目标位置 - 实际位置 = 误差
优点：高精度、高速度、高响应
缺点：成本高，需编码器和驱动器
应用：机器人、CNC（高精度）、自动化设备

如何选择

精度要求低、成本低：步进
高精度、高动态：伺服
负载惯性大：伺服（不易丢步）

闭环步进

步进电机 + 编码器
结合两者优点

83. 无刷直流电机（BLDC）相比有刷直流电机有什么优势？

表格

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特性	有刷直流电机 (Brushed)	无刷直流电机 (BLDC)
换向	机械换向（电刷）	电子换向（控制器）
寿命	短（电刷磨损）	长（无磨损）
转速	低（换向火花限制）	高（>10000rpm）
效率	较低（摩擦损耗）	高（>85%）
维护	需更换电刷	免维护
EMI	火花干扰大	小
成本	低	高（需驱动器）
体积	大	小
控制	简单（通电即转）	复杂（需换向逻辑）

BLDC 优势详解

① 长寿命

无电刷磨损：寿命可达数万小时
适合无法维护的场合（如无人机）

② 高效率

无摩擦损耗：电刷接触电阻损耗
优化控制：FOC 算法效率最优
节能：电池设备续航长

③ 高转速

无机械换向限制：转速可达 10 万转
应用：高速风扇、电钻

④ 低 EMI

无换向火花：电磁干扰小
可屏蔽：驱动器可远离电机

⑤ 体积小、功率密度高

永磁转子，转矩密度高
适合空间受限场合

⑥ 控制灵活

正反转：软件切换相序
调速：PWM 无级调速
反馈：可接编码器做闭环

缺点

成本高：需驱动器（6 个 MOS 管）
控制复杂：需检测转子位置（霍尔或反电动势无感）

驱动方式

有感：霍尔传感器检测位置
无感：反电动势检测转子位置
FOC：磁场定向控制，效率最优

应用

无人机：高效率、高功率密度
电动车：长寿命、免维护
家电：空调、冰箱压缩机
电动工具：高转速、大功率

84. 电机驱动电路中为什么要使用 H 桥结构？

H 桥：实现双向电流控制

结构

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      VCC│[M1] [M3]\ /│电机│/ \[M2] [M4]│GND

4 个开关管：M1~M4（MOS 管或三极管）

电流方向控制

① 正转

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M1=ON, M4=ON
M2=OFF, M3=OFF
电流：VCC → M1 → 电机 → M4 → GND

② 反转

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M2=ON, M3=ON
M1=OFF, M4=OFF
电流：VCC → M3 → 电机 → M2 → GND

电流反向，电机反向旋转

③ 刹车（能耗制动）

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M1=OFF, M2=OFF
M3=ON, M4=ON
电机两端短路，动能转化为热能

④ 滑行（自由停止）

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全部 OFF
电机惯性转动

为什么必须用 H 桥？

① 双向电流

单个开关只能单向导通
H 桥提供两个电流通路

② 独立控制

正反转、停止、刹车四种状态
PWM 调速 + 方向控制

③ 效率

MOS 管开关损耗小
比继电器方案寿命长

④ 集成方案

L298N：双 H 桥，2A
TB6612：MOS 管 H 桥，3A
DRV8870：有刷直流驱动

保护电路

续流二极管：每个 MOS 管反并二极管
死区时间：防止上下管直通
过流保护：采样电阻 + 比较器

应用

直流电机正反转
步进电机双极性驱动
舵机控制

85. 电机控制中的 PWM 调速原理是什么？

PWM 调速：调压调速

原理

占空比控制平均电压
周期固定，改变导通时间

波形

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占空比 100%： ____‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
占空比 50%：  ____‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
占空比 20%：  ____‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾
占空比 0%：   ____________________________________________

平均电压：V_avg = Vcc × D
D：占空比（0~100%）

电机等效

电感：滤波作用，电流不能突变
机械惯性：转速不能突变
结果：PWM 频率足够高时，电机响应的是平均电压

频率选择

频率太低：电机振动，啸叫（音频范围）
频率太高：开关损耗大
推荐：20kHz ~ 40kHz（超过人耳范围）

调速过程

占空比 ↑ → 平均电压 ↑ → 电流 ↑ → 转矩 ↑ → 转速 ↑
占空比 ↓ → 平均电压 ↓ → 转速 ↓

优点

效率高：开关管饱和导通，损耗小
精确：数字控制，精度高
无级调速：任意占空比

实现方式

硬件 PWM

单片机定时器 PWM 输出
自动重装，不占用 CPU

软件 PWM

GPIO 模拟 PWM
占用 CPU 资源

H 桥 PWM

单向：一个 MOS 管 PWM，另一个常开
双向：对角线 MOS PWM，另一组反向

代码例

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void motor_set_speed(uint8_t duty) {TIM_SetCompare1(TIM2, duty);  // duty: 0~100
}

保护

软启动：占空比从 0 缓慢增加到目标值
过流：电流限制，占空比不超过阈值

86. 传感器按输出信号类型可分为哪几类，各自的特点是什么？

分类

① 模拟输出传感器

输出：连续电压或电流（0~5V，4~20mA）
优点：信息量大，连续变化
缺点：易受干扰，需 ADC 转换
例子：温度传感器（LM35）、压力传感器（MPXV7002）

② 数字输出传感器

输出：离散数字信号（高低电平、脉冲、总线）
优点：抗干扰强，直接接 MCU
缺点：分辨率受位数限制
子类：
- 开关型：光电开关、霍尔开关（输出 0/1）
- 脉冲型：编码器、超声波（输出脉冲宽度/频率）
- 总线型：I2C、SPI、UART（输出数字码）

③ 频率/周期输出传感器

输出：频率或占空比变化的方波
优点：抗干扰，无需 ADC
缺点：需定时器捕获
例子：DS18B20（1-Wire 协议）

④ 电阻型传感器

输出：电阻变化
需转换：电桥或分压电路转电压
例子：热敏电阻、光敏电阻、应变片

⑤ 电容型传感器

输出：电容变化
需转换：振荡电路或专用芯片
例子：触摸按键、湿度传感器

如何选择

精度要求高：模拟 + 高分辨率 ADC
抗干扰：数字总线
简单：开关型
远距离：4~20mA 模拟

87. 热敏电阻的类型有哪些，它们的电阻值随温度变化的规律是什么？

类型

① NTC（Negative Temperature Coefficient）

负温度系数：温度 ↑ → 电阻 ↓
材料：金属氧化物（Mn、Ni、Co）
公式：R_T = R_25 × exp[B×(1/T - 1/298.15)]
- B 值：材料常数（如 3950K）
- R_25：25°C 时的电阻（如 10kΩ）
应用：温度测量、抑制浪涌（串联）

② PTC（Positive Temperature Coefficient）

正温度系数：温度 ↑ → 电阻 ↑
材料：陶瓷（BaTiO3）
特性：开关型 或 线性型
- 开关型：达居里温度后电阻剧增 3~5 个数量级
应用：过流保护、加热器、温度开关

③ CTR（Critical Temperature Resistor）

临界温度：达阈值后电阻急剧下降
应用较少

变化规律

NTC 曲线

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电阻 (Ω) │   NTC│    └───────▶│      \│        \│          \└──────────────→ 温度 (°C)25°C

指数下降：每升高 10°C，电阻约减半
B 值：越大，温度特性越陡

PTC 曲线（开关型）

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电阻 (Ω)↑│      /│     /  突变│    /│___/_______│└────────→ 温度 (°C)居里温度

居里温度：电阻突变点（如 80°C）
应用：电机过热保护

选型

NTC：测温（选 B 值 3950），浪涌抑制（选大电流型）
PTC：过流保护（选跳闸电流），加热（选恒温型）

注意

NTC 非线性，需线性化或查表
PTC 开关型不可用于精确测温

88. 光敏电阻的工作原理，它适合用于哪些场景？

工作原理

光导效应（Photoconductive Effect）

材料：硫化镉 (CdS)、硒化镉 (CdSe)
过程：
1. 无光照：电子束缚在价带，电阻高（暗阻）
2. 有光照：光子能量 > 禁带宽度，电子跃迁到导带
3. 载流子增多 → 电阻下降

特性

暗阻：>1MΩ（无光照）
亮阻：几 kΩ ~ 几十 kΩ（强光）
光谱响应：可见光（CdS）、红外（PbS）

响应曲线

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电阻 (Ω)↑│    暗阻│   ──────────────│                /│              /│            /│          /│        /│______/____________ 光照强度亮阻

适合场景

① 光强检测

环境光传感器：自动调光
缺点：响应慢（ms 级）、非线性

② 光控开关

路灯：天黑开灯
相机测光：老式胶卷相机
简单可靠，无需复杂电路

③ 火焰探测

火光使电阻下降

④ 光耦中的光接收

不适合场景

高速光通信：响应太慢
精确测量：非线性、温度漂移
数字系统：需 ADC 转换

替代方案

光敏二极管：响应快（μs），线性
光敏三极管：有放大
光 IC：集成放大，数字输出

89. 霍尔传感器的工作原理，它能测量哪些物理量？

霍尔效应（Hall Effect）

原理

洛伦兹力：带电粒子在磁场中受力
过程：
1. 电流 I 通过霍尔元件
2. 磁场 B 垂直于电流方向
3. 电荷偏转 → 产生霍尔电压 V_H
公式：V_H = K_H × I × B × sinθ
- K_H：霍尔系数

霍尔传感器类型

① 开关型

输出：数字 0/1
阈值：B_OP（工作点），B_RP（释放点）
应用：无接触开关、限位

② 线性型

输出：模拟电压 ∝ B
灵敏度：mV/Gauss
应用：电流检测、位置

③ 锁存型

输出：锁存状态
需交替磁场：N 极开，S 极关
应用：无刷电机换向

可测量物理量

① 磁场

直接测量磁感应强度 B
地磁场：指南针

② 电流（间接）

开环：霍尔元件测通电导线周围磁场
闭环：磁平衡式，精度高
应用：电机驱动电流检测

③ 位置/速度

无接触：磁铁靠近/远离
线性：线性霍尔 + 磁铁 → 位移
旋转：霍尔开关 + 多极磁环 → 转速

④ 无刷电机换向

位置检测：霍尔传感器检测转子磁极
时机：告知控制器何时切换相序

⑤ 转速

齿轮：齿牙改变磁场
频率：f = 转速 × 齿数

关键参数

工作电压：3.3V、5V
灵敏度：mV/G
带宽：kHz
温度漂移：ppm/°C

应用

汽车：凸轮轴/曲轴位置传感器
电机：BLDC 换向
工业：电流传感器
消费电子：手机翻盖检测

90. 红外传感器的类型有哪些，红外发射管和接收管的区别是什么？

红外传感器类型

① 红外对管

发射管：IRED（Infrared Emitting Diode）
接收管：PD（Photodiode）、PT（Phototransistor）

② 反射式

发射管 ──▶ 物体 ──▶ 接收管

检测物体有无

③ 对射式

发射管 ───────▶ 接收管

检测物体遮挡

④ 编码式

红外遥控：38kHz 调制

⑤ 热释电

PIR：检测人体红外辐射（热辐射）

发射管 vs 接收管

表格

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特性	发射管 (IRED)	接收管 (PT/PD)
功能	发光	感光
材料	GaAs、AlGaAs	Si
波长	850nm、940nm	峰值响应 850nm
电路	正向导通（二极管）	反向偏置（光电流）
电流	20~100mA	μA 级（光电流）
封装	透明透镜	黑色滤光（可见光）

发射管工作

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        VCC│[R]│IRED│GND

正向电流：If = (Vcc - Vf)/R
Vf：约 1.2V

接收管工作

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VCC ──[上拉]─┬── 输出│接收管│GND

无光照：截止，输出高
有光照：导通，输出低

红外遥控

调制：38kHz 载波（抗干扰）
编码：NEC、RC5
距离：与发射功率相关

应用

避障小车：对射式
计数器：对射式
遥控：编码式
感应灯：PIR

91. 超声波传感器的测距原理是什么，测量误差受哪些因素影响？

测距原理

① 发射

压电陶瓷换能器：电 → 机械振动
频率：40kHz（常用）
脉冲：8~16 个周期

② 传播

声波在空气中传播：速度 v ≈ 340m/s
公式：v = 331.3 + 0.6T （T：气温 °C）

③ 接收

碰到物体反射
回波：机械振动 → 电信号
增益：随时间增大（近处衰减大，远处衰减小）

④ 计算

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距离 d = (v × t) / 2
t：发射到接收的时间
÷2：往返

时序图

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发射脉冲  ──┬───┐│   │└───┘
接收回波        ──────┬──────│
时间 ──▶          t ──▶

误差因素

① 温度

声速随温度变化：0.6m/s/°C
补偿：测量温度，修正公式

② 湿度

影响小（<1%），通常忽略

③ 气压

影响小，忽略

④ 目标材质和角度

软材料：吸音，回波弱
角度：大于 30° 反射弱
建议：垂直照射

⑤ 盲区（Dead Zone）

原因：发射余震干扰接收
距离：约 5~50cm（与传感器相关）
解决：软件屏蔽，或换盲区小的型号

⑥ 多径反射

声波多次反射，产生假回波
解决：取第一个回波

⑦ 电源噪声

影响接收灵敏度
解决：独立供电，去耦电容

⑧ 测量分辨率

时钟频率：测时精度
1μs ≈ 0.17mm，但声波周期限制

性能指标

量程：2cm~4m（典型）
精度：±1cm（带温度补偿）
分辨率：0.3cm
角度：15°（半功率）

芯片

HC-SR04：普及型
US-015：小盲区
MaxBotix：工业级

代码流程

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Trig = 1; delay_us(10); Trig = 0;
while(Echo == 0); start_timer();
while(Echo == 1); stop_timer();
distance = timer_val * 0.017; // cm

92. 压力传感器的主要参数有哪些，如量程、精度、灵敏度？

主要参数

① 量程 (Range)

定义：可测量的压力范围
单位：kPa、MPa、bar、psi
例：0~100kPa（差压）
过载能力：不损坏的最大压力（150% FS）

② 精度 (Accuracy)

定义：测量值与真值的偏差
表示：±%FS（满量程）
例：±0.5%FS
影响因素：非线性、迟滞、重复性

③ 灵敏度 (Sensitivity)

定义：单位压力变化引起的输出变化
单位：mV/kPa、V/bar
公式：S = ΔVout / ΔP
例：2mV/kPa

④ 零点输出 (Zero Offset)

定义：零压力时的输出
漂移：温度、时间引起

⑤ 满量程输出 (Full Scale Output)

定义：满量程压力时的输出
典型：100mV（未放大）

⑥ 温度漂移 (Temperature Drift)

零点温漂：%FS/°C
灵敏度温漂：%FS/°C
补偿：硬件补偿或软件校准

⑦ 响应时间

定义：压力阶跃到输出稳定的时间
单位：ms

⑧ 非线性 (Non-linearity)

定义：输出曲线与理想直线的偏差
典型：±0.2%FS

⑨ 迟滞 (Hysteresis)

定义：加压与卸压时输出的差异
原因：材料弹性滞后

⑩ 重复性 (Repeatability)

定义：多次测量同一压力的偏差

⑪ 供电电压

典型：5V、3.3V、10V

⑫ 输出类型

mV 级：需放大（桥式）
V 级：已放大（内部运放）
4~20mA：工业标准，抗干扰
数字：I2C、SPI

选型

精度：0.5% 以上
温漂：<0.05%FS/°C
量程：留 1.5 倍裕量

93. 加速度传感器的工作原理，它在嵌入式系统中有什么应用？

工作原理

① 压电式（Piezoelectric）

压电材料：受压产生电荷
结构：质量块 + 压电片
加速度：质量块惯性力 → 压电片变形 → 电荷输出
特点：高频响应好，但不能测静态加速度

② 电容式（MEMS）

结构：可动极板 + 固定极板
加速度：质量块位移 → 电容变化
检测：电容电桥
特点：可测静态，体积小，成本低
主流：手机、消费电子产品

③ 压阻式

压阻效应：应力改变电阻率
结构：硅梁 + 压敏电阻电桥
应用：汽车碰撞传感器

MEMS 加速度计细节

微结构

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弹簧 ── 质量块 ── 弹簧│              │
固定极板       可动极板

x 轴加速度：质量块左右移动
y 轴加速度：质量块上下移动
z 轴加速度：质量块垂直移动

应用

① 姿态检测

倾角：通过重力分量计算角度
公式：θ = arcsin(a_x / g)
应用：屏幕旋转、平衡车

② 运动检测

计步：检测步伐振动
算法：峰值检测、FFT
应用：手环、手机计步

③ 振动监测

频率分析：FFT 检测机械故障
应用：设备健康监测

④ 跌落检测

自由落体：三轴加速度同时接近 0
触发：保护硬盘、关闭阀门

⑤ 手势识别

挥动手势：加速度模式匹配
应用：智能遥控

⑥ 惯性导航

积分速度：∫a dt → v
积分位置：∫v dt → s
漂移：误差累积，需陀螺仪融合

参数

量程：±2g、±4g、±8g、±16g
灵敏度：mg/LSB
带宽：ODR（输出数据速率）
接口：I2C、SPI

芯片

MPU6050：加速度 + 陀螺仪
ADXL345：三轴加速度

94. 陀螺仪的作用是什么，它和加速度传感器的区别是什么？

陀螺仪作用

测量角速度 (Angular Velocity)

对象：旋转运动
单位：°/s、rad/s

核心应用

① 姿态稳定

无人机：检测机身旋转，PID 控制电机
云台：机械增稳

② 导航

航向：积分角速度得角度
漂移：误差累积，需磁力计修正

③ 防抖

相机：检测手抖，镜头补偿

与加速度计的区别

表格

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特性	加速度计	陀螺仪
测量量	线加速度 (g)	角速度 (°/s)
静态	可测 (重力)	不可测（不旋转输出 0）
运动	测线性运动	测旋转运动
漂移	小	大（积分累积）
噪声	低	较高
互补	低频好	高频好

物理区别

加速度计

质量块：检测惯性力
输出：a = F/m

陀螺仪

科里奥利效应：振动质量块旋转时产生偏移
MEMS：两个振动模态耦合
输出：Ω = Δf / (2 × 振动频率)

数据融合

互补滤波

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角度 = α × (角度 + 陀螺仪×dt) + (1-α) × 加速度计倾角
α≈0.98（陀螺仪权重高）

卡尔曼滤波

状态估计最优
考虑噪声协方差

MPU6050

三轴加速度：±2g/±4g/±8g/±16g
三轴陀螺仪：±250°/s ~ ±2000°/s
DMP：内部数字运动处理器，直接输出姿态

应用场景

无人机：加速度计 + 陀螺仪 + 磁力计 + GPS
VR：头部追踪
平衡车：倾斜角度控制

95. GPS 模块的工作原理，它如何实现定位？

工作原理

① 卫星

24 颗卫星（6 轨道，每轨道 4 颗）
高度：约 20200km
信号：L1（1575.42MHz）、L2 频段

② 信号结构

载波：正弦波
测距码：C/A 码（民用）、P 码（军用）
导航电文：卫星轨道、时间参数

③ 测距

伪距测量：接收机测信号传播时间 Δt
伪距：ρ = c × Δt（含钟差）
C/A 码：码率 1.023Mbps，码长 1023

④ 定位算法

三球交汇：已知三颗卫星位置，测距离，交汇得接收机位置

方程：

复制

(x - x_i)² + (y - y_i)² + (z - z_i)² = (ρ_i - c·Δt)²
i = 1,2,3,4

4 颗卫星：解 x, y, z, Δt（接收机钟差）

⑤ DOP（精度因子）

PDOP：位置精度因子，越小越好
卫星分布：分布越广，PDOP 越小

实现步骤

① 捕获

C/A 码：搜索卫星，码相位对齐
灵敏度：-165dBm

② 跟踪

锁相环：跟踪载波频率和相位
延迟锁定环：跟踪 C/A 码

③ 解码

导航电文：获取星历、钟差改正
周期：每 30 秒重复

④ 定位解算

最小二乘法或卡尔曼滤波
时间：首次定位（TTFF）冷启动 < 35s

误差来源

卫星钟差：相对论效应修正
电离层：延迟，双频消除
对流层：延迟，模型修正
多径：反射信号干扰
接收机噪声：热噪声

差分 GPS（DGPS）

基准站：已知精确位置
差分修正：发伪距修正值
精度：米级 → 厘米级

芯片

Ublox NEO-6M：普及型
Ublox ZED-F9P：RTK，厘米级

应用

导航：车载、手持
测绘：高精度定位
授时：基站时钟同步
无人机：航点飞行

96. 蓝牙模块的通信距离受哪些因素影响，蓝牙 4.0（BLE）相比传统蓝牙有什么优势？

通信距离影响因素

① 发射功率 (Tx Power)

Class 1：100mW (20dBm)，100m
Class 2：2.5mW (4dBm)，10m（手机常用）
Class 3：1mW (0dBm)，1m
公式：距离 ∝ √(功率)

② 天线

增益：高增益天线增加方向性距离
匹配：阻抗匹配差，功率反射，距离短
类型：PCB 天线、陶瓷天线、外置天线

③ 接收灵敏度

典型 -90dBm，越好接收距离越远

④ 环境

障碍物：墙壁衰减 10~30dB
干扰：Wi-Fi（同 2.4GHz）、微波炉
多径：反射导致信号抵消

⑤ 工作频率

2.4GHz 衰减快，穿透差

⑥ 天线高度

越高，直视路径越好

BLE 优势

表格

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特性	经典蓝牙 (BT2.1/3.0)	蓝牙 4.0 BLE
功耗	高（几十 mA）	极低（μA 级）
连接时间	100ms	3ms
传输速率	3Mbps	1Mbps（理论）
距离	10m	100m（增强）
广播模式	无	非连接广播
数据包	大	小（20 字节）
角色	主从	中心/外围
应用	音频、文件	物联网、穿戴设备

低功耗实现

① 快速连接

3ms 连接建立，快速传输，快速休眠

② 小数据包

短数据包，空中时间短

③ 低占空比

大部分时间休眠，按需唤醒

④ 深度睡眠

电流 < 1μA

⑤ 广播模式

无需连接，单向广播数据
Beacon：iBeacon、Eddystone

应用

经典蓝牙：耳机、音箱、手机传文件
BLE：手环、智能锁、信标、健康设备

芯片

CC2540：经典 BLE SoC
nRF52832：高性能 BLE
ESP32：Wi-Fi + BLE

距离扩展

BLE Long Range：编码 PHY，125kbps，距离 1000m
Mesh：多跳组网

97. Wi-Fi 模块的工作频段有哪些，如何实现单片机与 Wi-Fi 模块的通信？

工作频段

① 2.4GHz 频段

频率：2.4 ~ 2.4835 GHz
信道：14 个（中国 1~13）
带宽：20/40 MHz
优点：穿透好，兼容性强
缺点：干扰多（蓝牙、微波炉）

② 5GHz 频段

频率：5.15 ~ 5.85 GHz
信道：36~165（各国不同）
带宽：20/40/80/160 MHz
优点：信道多，干扰少，速率高
缺点：穿透差，距离短

③ 6GHz 频段（Wi-Fi 6E）

频率：5.925 ~ 7.125 GHz
特点：更多信道，更低延迟

单片机通信方式

① UART 透传（最常见）

单片机 ── UART ── Wi-Fi 模块 ── 路由器 ── 服务器

AT 指令：配置 Wi-Fi 参数

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AT+CWJAP="SSID","PASSWORD"  // 连接路由器
AT+CIPSTART="TCP",IP,PORT    // 连接服务器
AT+CIPSEND=LEN               // 准备发送

透传：发送数据直接到网络

② SPI 接口

高速：ESP8266/ESP32 支持 SPI
适合：大数据量传输

③ SDIO

高速：SD 卡接口，用于 Linux 系统

④ I2C

较少用

实现步骤

① 硬件连接

UART：TX、RX、GND，波特率 115200
流控：RTS/CTS（可选）

② 模块配置

工作模式：
- STA：Station（客户端，连路由器）
- AP：Access Point（热点）
- STA+AP：同时支持

③ 网络协议

TCP：可靠，长连接
UDP：快速，无连接
MQTT：物联网轻量级协议

④ 代码示例

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// 发送 AT 指令
void send_at(char *cmd) {uart_send(cmd);uart_send("\r\n");delay_ms(100);if(strstr(uart_rx_buf, "OK")) {// 成功}
}// 连接 Wi-Fi
void wifi_connect(void) {send_at("AT+CWMODE=1");     // STA 模式send_at("AT+CWJAP=\"SSID\",\"PWD\"");
}

模块选型

ESP8266：经典，低成本
ESP32：性能强，带 BLE
HLK-RM04：串口转 Wi-Fi

98. ZigBee 模块的特点是什么，它适合用于哪些物联网场景？

ZigBee 特点

① 低功耗

休眠电流：<1μA
工作电流：10~30mA
电池寿命：数月至数年

② 低速率

速率：250kbps（2.4GHz）
适合：小数据量（传感器）

③ 近距离

距离：10~100m（视距）
Mesh 网络：多跳扩展

④ 大规模网络

节点数：理论 65535 个
实际：数百个

⑤ Mesh 拓扑

自组网：节点自动加入网络
自修复：节点失效自动路由
多跳：数据通过中间节点转发

⑥ 安全性

AES-128 加密
认证：防止非法接入

⑦ 开放标准

IEEE 802.15.4：物理层、MAC 层
ZigBee 联盟：网络层、应用层

协议栈

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应用层（ZigBee Alliance）
网络层（ZigBee）
安全层
MAC 层（802.15.4）
物理层（802.15.4）

适合场景

① 智能家居

传感器网络：温湿度、门窗、红外
控制：灯光、窗帘、插座
网关：ZigBee 转 Wi-Fi

② 工业自动化

传感器：温度、压力、振动
优势：可靠、自组网

③ 智能农业

大范围：Mesh 覆盖农场
低功耗：电池供电，太阳能

④ 能源管理

智能电表：自动抄表
负载控制：峰谷调节

⑤ 健康医疗

穿戴设备：心率、血氧
低辐射：适合人体

不适合场景

大数据：速率低
远距离：需多跳
实时视频：带宽不足

芯片

CC2530：经典 ZigBee SoC
CC2652P：多协议（ZigBee、Thread、BLE）

对比 Wi-Fi/BLE

表格

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	ZigBee	Wi-Fi	BLE
功耗	极低	高	低
速率	250kbps	高	1Mbps
距离	100m	100m	50m
网络	Mesh	STA/AP	Mesh
节点	多	少	中

99. LoRa 模块的优势是什么，它的通信距离一般能达到多少？

LoRa (Long Range)

技术：扩频调制（Chirp Spread Spectrum）
公司：Semtech

优势

① 远距离

城镇：2~5km
郊区：10~15km
视距：20~50km（天线好）
记录：702km（卫星通信）

② 低功耗

接收电流：10mA
发射电流：
- 20dBm (100mW)：120mA
- 14dBm (25mW)：80mA
休眠：<1μA

③ 抗干扰

扩频：处理增益高
跳频：抗窄带干扰
前向纠错 (FEC)：纠错能力

④ 大容量

ADR（自适应速率）：根据信号质量自动调速率
节点数：数万

⑤ 穿透力强

Sub-GHz 频段：433MHz、868MHz、915MHz
绕射能力：比 2.4GHz 强

⑥ 开放频段

免执照：ISM 频段
LoRaWAN：标准协议

参数

⑦ 扩频因子 (SF)

SF7~SF12：速率 vs 覆盖的权衡
SF7：快速，距离短
SF12：慢速，距离远

⑧ 带宽 (BW)

125kHz、250kHz、500kHz
窄带：距离远

⑨ 发射功率

最大：20dBm (100mW)

通信距离

城市：2~5km（建筑遮挡）
农村：10~20km
山区：视距 50km

应用

① 智能抄表

水表、电表、气表
优势：穿透建筑

② 农业

土壤湿度：大面积农场
气象站：远距离

③ 物流

资产追踪：集装箱、车辆

④ 智慧城市

停车：地磁传感器
垃圾桶：满溢监测

⑤ 工业物联网

设备监测：工厂、油田

LoRaWAN

网络架构：终端 → 网关 → 网络服务器 → 应用服务器
Class A：终端先发送，后接收（低功耗）
Class B：定时接收
Class C：持续接收（高功耗）

芯片

SX1276/78：LoRa 芯片
Ra-02：433MHz 模块
LGT-92：LoRaWAN 终端

对比 NB-IoT

LoRa：免执照，自建网，距离远
NB-IoT：运营商网络，QoS 高，成本高

100. NB-IoT 模块的工作原理，它和 LoRa 在物联网应用中有什么区别？

NB-IoT (Narrow Band IoT)

技术：蜂窝物联网，3GPP 标准（Release 13）
运营商：中国移动、电信、联通

工作原理

① 频谱

带内：利用 LTE 频段
保护带：LTE 保护带上
独立：独立频段

② 带宽

180kHz：单载波（1 PRB）
优势：穿透强，覆盖广

③ 覆盖增强

重复传输：增加重复次数，提升 20dB
深度覆盖：地下室、水表井

④ 低功耗

PSM（省电模式）：休眠 <5μA
eDRX：扩展不连续接收
电池寿命：10 年（AA 电池）

⑤ 协议栈

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应用层 (CoAP/UDP/IP)
传输层 (UDP)
网络层 (IP)
数据链路层 (RLC/MAC)
物理层 (NB-IoT)

⑥ 连接方式

移动网络：需 SIM 卡
TDD/FDD：时分双工/频分双工
小区容量：5 万个终端/小区

NB-IoT 与 LoRa 对比

表格

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特性	NB-IoT	LoRa
网络	运营商（需 SIM）	自建/私有
频段	授权频段	ISM 免执照
覆盖	深度覆盖（+20dB）	强
功耗	极低（PSM）	极低
成本	高（模组+资费）	低
QoS	高（运营商保障）	低
漫游	支持（全球）	无
数据速率	250kbps	0.3~50kbps
延迟	低	高
容量	高	中

NB-IoT 优势

可靠性：运营商网络，99.9% 可用
安全性：SIM 卡认证，AES 加密
移动性：支持小区切换
QoS：服务质量保证

NB-IoT 劣势

成本高：模组 20~30 元 + 流量费
依赖运营商：覆盖盲区无法使用
功耗：略高 LoRa（协议复杂）

LoRa 优势

自主可控：自建网络
成本低：模组 10 元，无资费
距离远：SF12 时覆盖更强
灵活：可调整参数

应用场景

NB-IoT

智能水表/燃气表：抄表成功率高
资产追踪：移动场景（物流）
共享设备：单车、充电宝
智慧城市：路灯、井盖

LoRa

农业：农场自建网
工业园区：私有部署
固定监测：不移动场景

选择建议

移动/可靠性高：NB-IoT
固定/成本敏感：LoRa

101. 逻辑门电路的基本类型有哪些，如与门、或门、非门等的逻辑功能是什么？

基本逻辑门

① 与门 (AND)

符号：& 或 ∧
逻辑：Y = A·B
口诀：全 1 出 1

真值表：

复制

A B | Y
----|---
0 0 | 0
0 1 | 0
1 0 | 0
1 1 | 1

应用：使能控制、地址译码

② 或门 (OR)

符号：≥1 或 ∨
逻辑：Y = A + B
口诀：有 1 出 1

真值表：

复制

A B | Y
----|---
0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 1

③ 非门 (NOT)

符号：○ + △ 或 !
逻辑：Y = Ā
口诀：取反
真值表：
复制
```
A | Y
--|---
0 | 1
1 | 0
```

复合门

④ 与非门 (NAND)

逻辑：Y = AB（先与后非）
口诀：全 1 出 0
通用门：可组成任何逻辑

⑤ 或非门 (NOR)

逻辑：Y = A + B
口诀：有 1 出 0

⑥ 异或门 (XOR)

逻辑：Y = A⊕B = A·B + Ā·B
口诀：不同出 1
应用：奇偶校验、加法器

⑦ 同或门 (XNOR)

逻辑：Y = A⊙B = A·B + Ā·B
口诀：相同出 1

CMOS 实现

与非门

复制

VDD│
PMOS1 PMOS2 串联│     │└─┬───┘│         Y
NMOS1 NMOS2 并联│     │GND

A=1, B=1 → NMOS 都导通 → Y=0
其他 → 至少一个 PMOS 导通 → Y=1

芯片

74HC00：四与非门
74HC04：六非门
CD4001：四或非门

102. TTL 逻辑电路和 CMOS 逻辑电路的区别是什么，各自的电压范围是多少？

表格

复制

特性	TTL (Transistor-Transistor Logic)	CMOS (Complementary MOS)
器件	双极型晶体管	MOS 管
功耗	高（静态 mA）	极低（静态 μA）
速度	快（ns）	较慢（早期），现在快
抗干扰	较弱	强
输入阻抗	低	极高
驱动能力	强（mA）	弱（μA）
电源电压	5V (±5%)	3~18V（宽范围）
逻辑电平	固定	与电源相关
成本	低	低（现代工艺）
应用	老式设备	现代主流

电压电平对比

TTL (5V)

复制

输入高电平 Vih：>2.0V
输入低电平 Vil：<0.8V
输出高电平 Voh：>2.4V
输出低电平 Vol：<0.4V
噪声容限：0.4V

CMOS (5V)

复制

Vih：>3.5V (0.7×Vcc)
Vil：<1.5V (0.3×Vcc)
Voh：>4.5V
Vol：<0.5V
噪声容限：1V（更大）

CMOS (3.3V)

复制

Vih：>2.31V (0.7×3.3)
Vil：<0.99V (0.3×3.3)
Voh：>2.9V
Vol：<0.4V

混合使用

① 3.3V → 5V

直接：CMOS 输出高 > 3.5V，可驱动 TTL
不安全：5V 可能损坏 3.3V 输入

② 5V → 3.3V

电平转换器：TXB0108、74LVC245
电阻分压：慢速信号
二极管钳位：5V → 3.3V + 二极管到 3.3V

关键区别

CMOS 优点

低功耗：静态几乎不耗电（漏电流）
宽电压：3V 系统可用
高噪声容限：抗干扰强

TTL 优点

速度快：74S 系列 <5ns
驱动强：可驱动继电器

现代选择

74HCxx：高速 CMOS，兼容 TTL 电平
74LVCxx：低压 CMOS，3.3V/5V tolerant
已淘汰：74LS、74ALS（TTL）

103. 逻辑门电路的扇入系数和扇出系数是什么意思？

扇入系数 (Fan-in)

定义：一个门电路能正常工作的最大输入端数目

意义

输入端越多，输入电容越大，速度越慢
TTL：标准扇入为 2~8
CMOS：扇入可很高（但影响速度）

计算

直流：输入漏电流总和
交流：输入电容总和

设计原则

扇入 > 实际输入数
多余输入端处理：
- 与门：接 VCC（高）
- 或门：接 GND（低）
- 不要悬空：CMOS 悬空易损坏

扇出系数 (Fan-out)

定义：一个门电路能驱动同类门的最大数目

TTL 扇出

I_OH：输出高电平电流（如 -400μA）
I_IH：输入高电平电流（如 40μA）
I_OL：输出低电平电流（如 8mA）
I_IL：输入低电平电流（如 -1.6mA）
计算：
- 高电平扇出：I_OH / I_IH = 400/40 = 10
- 低电平扇出：I_OL / |I_IL| = 8000/1600 = 5
- 取小：5

CMOS 扇出

直流：输入电流几乎为 0，扇出极大（>1000）
交流：由电容决定
计算：t_pd ∝ C_load（负载电容）
实际：通常 <50，保证速度

提高扇出方法

缓冲器：74HC245 驱动器
达林顿管：ULN2003

设计规则

TTL：扇出 < 10
CMOS：扇出 < 50（考虑速度）
总线：加驱动器

104. 组合逻辑电路和时序逻辑电路的区别是什么？

表格

复制

特性	组合逻辑电路	时序逻辑电路
输出	仅取决于当前输入	取决于输入 + 历史状态
记忆	无	有（触发器）
反馈	无	有
典型	编码器、译码器、加法器	寄存器、计数器、状态机
竞争冒险	有	有时序违规
分析	真值表、卡诺图	状态表、状态图

组合逻辑电路

表达式

Y = f(X)

例子：2-4 译码器

复制

A1 A0 | Y3 Y2 Y1 Y0
------|------------
0  0  | 0  0  0  1
0  1  | 0  0  1  0
1  0  | 0  1  0  0
1  1  | 1  0  0  0

特点

即时：输入变化，输出立即变化（忽略门延迟）
无状态：不记得过去

时序逻辑电路

表达式

复制

Y = f(X, Q)
Q* = g(X, Q)  // 下一状态

例子：D 触发器

复制

CP D | Q
-----|---
↑  0 | 0
↑  1 | 1

特点

时钟驱动：状态在时钟沿更新
存储：触发器记忆

实际电路

组合

译码器：74HC138
多路选择器：74HC151
加法器：74HC283

时序

寄存器：74HC374
计数器：74HC161
移位寄存器：74HC595

混合

状态机：组合逻辑 + 时序逻辑
CPU：复杂时序系统

设计方法

组合：卡诺图化简
时序：状态机设计（Moore/Mealy）

105. 编码器和译码器的区别，各自的典型应用是什么？

编码器 (Encoder)

功能：多输入 → 少输出（二进制编码）

原理

2^n 个输入 → n 个输出
优先级：多个输入同时有效，按优先级编码

典型

8-3 编码器：8 个输入 → 3 位二进制
74HC148：8-3 优先编码器

应用

键盘编码
64 个按键 → 6 位地址
中断优先级
8 个中断源 → 3 位中断号
位置编码
绝对值编码器：角度 → 二进制

真值表（4-2 编码器）

复制

I3 I2 I1 I0 | Y1 Y0
------------|------
0  0  0  1  | 0  0
0  0  1  0  | 0  1
0  1  0  0  | 1  0
1  0  0  0  | 1  1

译码器 (Decoder)

功能：少输入 → 多输出（一一对应）

原理

n 个输入 → 2^n 个输出
每个输入组合，只有一个输出有效

典型

3-8 译码器：3 位输入 → 8 个输出
74HC138：3-8 译码器

应用

地址译码
A15~A13 → 片选信号 CS0~CS7
显示驱动
BCD 码 → 7 段数码管（74HC4511）
指令译码
操作码 → 控制信号

真值表（2-4 译码器）

复制

A1 A0 | Y3 Y2 Y1 Y0
------|------------
0  0  | 0  0  0  1
0  1  | 0  0  1  0
1  0  | 0  1  0  0
1  1  | 1  0  0  0

对比

复制

编码器：64 个按键 → 6 位地址 → 节省 IO
译码器：3 位地址 → 8 个片选 → 扩展外设

级联

编码器级联：16-4 编码器（两片 8-3）
译码器级联：4-16 译码器（两片 3-8）

106. 数据选择器（MUX）的工作原理，它能实现什么功能？

数据选择器 (Multiplexer)

别名：多路开关

功能：多输入 → 单输出（选择一路）

原理

2^n 个输入：D0~D_{2^n-1}
n 个选择端：S0~S_{n-1}
1 个输出：Y
使能端：EN（低有效）

逻辑

Y = D0·S2'·S1'·S0' + D1·S2'·S1'·S0 + ... + D7·S2·S1·S0

典型

74HC151：8-1 数据选择器
74HC153：双 4-1 数据选择器

应用

① 多路复用

8 路信号 → 1 路 ADC（节省 ADC 通道）

复制

for(i=0; i<8; i++) {select_channel(i);  // S2S1S0 = iadc_val[i] = read_adc();
}

② 逻辑函数实现

原理：将数据输入端接 0/1，选择端作逻辑变量

例：实现函数 Y = AB + A'C

复制

D0=0, D1=1, D2=0, D3=1  // 根据真值表设置
S1=A, S0=B

③ 总线切换

CPU 数据线 → 两个外设切换

④ 波形生成

地址：选择 ROM 数据
输出：任意波形

真值表（4-1 MUX）

复制

S1 S0 | Y
------|-----
0  0  | D0
0  1  | D1
1  0  | D2
1  1  | D3

扩展

16-1：两片 8-1 + 1 个 2-1

与译码器关系

译码器：输入地址 → 输出多路（独热）
选择器：输入多路 → 输出一路（选择）

107. 数据分配器（DEMUX）和数据选择器的区别是什么？

数据分配器 (Demultiplexer)

别名：解码器（功能相似）

功能：单输入 → 多输出（分到一路）

原理

1 个输入：D
n 个选择端：S0~S_{n-1}
2^n 个输出：Y0~Y_{2^n-1}
条件：只有一个输出等于 D，其余为高阻或 0

典型

74HC138：3-8 译码器可作分配器
74HC139：双 2-4 分配器

应用

① 地址分配

CPU 数据线 → 8 个外设（分时）

② 显示驱动

1 路数据 → 8 个数码管（扫描）

③ 信号路由

测试信号 → 多个测试点切换

真值表（1-4 DEMUX）

复制

S1 S0 | Y0 Y1 Y2 Y3
------|------------
0  0  | D  0  0  0
0  1  | 0  D  0  0
1  0  | 0  0  D  0
1  1  | 0  0  0  D

MUX vs DEMUX

表格

复制

特性	MUX (选择器)	DEMUX (分配器)
输入	多路 (D0~D7)	单路 (D)
输出	单路 (Y)	多路 (Y0~Y7)
方向	汇聚	分发
逻辑	Y = Σ Di·mi	Yi = D·mi
芯片	74HC151	74HC138

类比

复制

MUX：多路开关 → 单路输出（选择一路）
DEMUX：单路输入 → 多路开关（分到一路）

实际应用

复制

ADC ← MUX ← 8 路传感器↓
CPU → DEMUX → 8 个执行器

双向传输

MUX/DEMUX 可复用：DIR 控制方向
例：74HC245 总线收发器

108. 移位寄存器的工作原理，它有哪些应用，如串并转换？

工作原理

结构

n 个 D 触发器：级联
连接：Q_i → D_{i+1}

工作模式

① 串行输入串行输出 (SISO)

复制

        ┌───┐    ┌───┐        ┌───┐
Din ──►│ D │ Q─►│ D │ Q─► ... │ D │ Q─► Dout└───┘    └───┘        └───┘CP       CP           CP

n 个时钟后，数据从 Din 到 Dout

② 串行输入并行输出 (SIPO)

复制

        ┌───┐    ┌───┐        ┌───┐
Din ──►│ D │ Q0─►│ D │ Q1─► ...│ D │ Qn-1└───┘    └───┘        └───┘CP       CP           CP

n 个时钟后，Q0~Qn-1 并行输出

③ 并行输入串行输出 (PISO)

并行加载 → 串行移位输出

④ 并行输入并行输出 (PIPO)

并行加载 → 并行输出（寄存器）

应用

① 串并转换

UART 接收：串行数据 → 8 位移位寄存器 → 并行数据 → CPU

② 并串转换

UART 发送：并行数据 → 移位寄存器 → 串行输出

③ LED 驱动

74HC595：串行数据 → 8 位并行 → LED 点阵

级联：多片 595 驱动更多 LED

④ 延迟线

信号延迟 n 个时钟周期

⑤ 乘法/除法

复制

算术左移：×2
算术右移：÷2

⑥ CRC 校验

串行数据移位，生成多项式

典型芯片

74HC164：8 位 SISO
74HC165：8 位 PISO
74HC595：8 位 SIPO（带锁存）
74HC194：4 位双向移位寄存器

代码例

复制

// 74HC595 驱动
void shift_out(uint8_t data) {for(int i=0; i<8; i++) {SER = data & 0x80;  // 高位先出SCK = 1; SCK = 0;   // 移位data <<= 1;}RCK = 1; RCK = 0;       // 锁存
}

109. 计数器的类型有哪些，如同步计数器和异步计数器的区别是什么？

计数器类型

① 同步计数器 (Synchronous)

特点：所有触发器同一时钟
优点：速度快，无毛刺
缺点：电路复杂
芯片：74HC161（4 位二进制）

② 异步计数器 (Asynchronous) / 纹波计数器

特点：前级 Q 输出作为后级 CP
优点：电路简单
缺点：速度慢，有纹波延迟
芯片：74HC93（4 位二进制）

同步 vs 异步

表格

复制

特性	同步计数器	异步计数器
时钟	统一	级联
速度	快（同步）	慢（逐级延迟）
毛刺	无	有（纹波）
设计	复杂	简单
功耗	高	低

③ 二进制计数器

0→1→2→...→15→0
芯片：74HC161

④ BCD 计数器

0→1→...→9→0
芯片：74HC160

⑤ 加/减计数器

可逆：UP/DOWN 控制
芯片：74HC191

⑥ 环形计数器

结构：移位寄存器反馈
应用：步进电机驱动

⑦ 约翰逊计数器

结构：移位寄存器反相反馈

模数 (Modulus)

模-16：4 位二进制
模-10：BCD
任意模：反馈清零

应用

① 频率分频

16MHz → 74HC161 ÷16 → 1MHz

② 定时

时钟 → 计数器 → 计满中断 → 定时

③ 地址产生

DMA 控制器：自动递增地址

④ 步进电机

脉冲计数 → 步数控制

设计要点

同步：高速系统用
异步：低频，成本敏感
清零：同步清零 vs 异步清零

110. 寄存器和计数器的区别是什么？

表格

复制

特性	寄存器 (Register)	计数器 (Counter)
功能	存储数据（并行或串行）	计数（递增/递减）
操作	加载、保持、移位	加一、清零
输出	数据本身	计数值
用途	暂存、缓存、串并转换	定时、分频、地址
触发	时钟边沿加载	时钟边沿计数

寄存器

类型

基本寄存器：D 触发器阵列
- 74HC374：8 位并行寄存器
移位寄存器：可移位
- 74HC595：串入并出

功能

并行加载：一次性加载 8 位
保持：存储直到下次加载
三态输出：OE 控制

应用

CPU 寄存器：ACC、R0~R7
IO 口：输出锁存
数据缓冲

计数器

功能

计数：CP 到来，值 +1 或 -1
清零：同步/异步
预置：并行加载初始值

应用

定时器：计时
分频器：频率除法
地址计数器：DMA

关系

计数器可视为特殊寄存器：带加法功能
寄存器 + 加法器 = 计数器

芯片对比

74HC374（寄存器）

复制

CP上升沿：D → Q
功能：存储

74HC161（计数器）

复制

CP上升沿：Q ← Q+1
功能：计数

转换

寄存器当计数器用：软件控制加一
计数器当寄存器用：预置数据

单片机内部

R0~R7：寄存器
PC：程序计数器（特殊寄存器）
SP：堆栈指针

111. 嵌入式系统中常用的调试方法有哪些，如 JTAG 调试、串口调试？

调试方法

① 串口调试（Print Debugging）

方法：printf() 打印变量
优点：简单，无需额外硬件
缺点：影响实时性，信息量少
技巧：
- 环形缓冲，中断发送
- 分级打印（ERROR、WARN、INFO）
- 颜色标记

② LED 调试

方法：GPIO 翻转指示状态
应用：裸机程序、中断
缺点：信息量极小

③ JTAG 调试（硬件）

接口：TMS、TCK、TDI、TDO、TRST
功能：
- 断点：硬件断点
- 单步：汇编/C 代码级
- 变量查看：实时监测
- 内存查看：修改内存
- 寄存器：查看/修改
工具：J-Link、ST-Link、ULINK
IDE：Keil、IAR、Eclipse

④ SWD 调试（串行线调试）

接口：SWDIO、SWCLK（两线）
优点：省 IO，速度快
取代 JTAG：ARM Cortex-M 主流

⑤ 逻辑分析仪

工具：Saleae、Kingst
应用：捕获总线时序（I2C、SPI、UART）
优点：多通道，长时间

⑥ 示波器

应用：信号完整性、电源纹波
高级：协议解码

⑦ 仿真器

软件仿真：Keil Simulator
优点：无需硬件
缺点：外设行为不真实

⑧ Trace 跟踪

ETM：指令流跟踪
分析：性能瓶颈、代码覆盖率

⑨ 断言 (Assert)

复制

assert(x > 0);  // x<=0 时停止

⑩ 看门狗

调试：喂狗位置异常检测

调试技巧

版本控制：Git 回溯
二分法：注释一半代码定位 Bug
代码审查：他人视角

112. JTAG 接口的工作原理，它能实现哪些调试功能？

JTAG (Joint Test Action Group)

IEEE 1149.1 标准

接口信号

TCK：测试时钟
TMS：测试模式选择
TDI：测试数据输入
TDO：测试数据输出
TRST：测试复位（可选）
GND：地

核心原理

TAP 控制器（Test Access Port）

状态机：16 个状态，TMS 控制转移
指令寄存器 (IR)：选择要访问的数据寄存器
数据寄存器 (DR)：边界扫描链、IDCODE、BYPASS

边界扫描链 (Boundary Scan Chain)

复制

芯片引脚 ── 边界扫描单元 ── 内部逻辑（可控制/观察）

测试：不焊接即可测试 PCB 连通性

调试功能

① 断点

硬件断点：有限个（2~6）
设置：向指令寄存器写断点指令

② 单步执行

停止 CPU：进入调试状态
执行一条：发单步指令
暂停：等待下次指令

③ 寄存器访问

读：通过 DR 移位读出
写：移位写入

④ 内存访问

地址：通过寄存器设置
数据：通过 DR 读写

⑤ Flash 下载

算法：通过 JTAG 写入 Flash

⑥ 实时跟踪

ETM (Embedded Trace Macrocell)：指令流
ITM (Instrumentation Trace Macrocell)：printf 重定向

工作流程

上电：TAP 进入 Test-Logic-Reset
选择：TMS 序列进入 Shift-IR
指令：通过 TDI 写入指令
数据：进入 Shift-DR，读写数据
退出：Update-DR/IR

SWD（Serial Wire Debug）

简化版：两线（SWDIO、SWCLK）
取代 JTAG：Cortex-M 主流
优点：省 IO，速度快

工具

J-Link：SEGGER，支持多核
ST-Link：ST 芯片，便宜
CMSIS-DAP：开源

113. 串口调试中需要注意哪些参数设置，如何判断串口通信是否正常？

参数设置

① 波特率 (Baud Rate)

匹配：双方必须一致
常见：9600、115200、921600
误差：UART 容忍 ±2.5%
选择：速度够用前提下尽量低（抗干扰）

② 数据位

值：8（最常用）、7（ASCII）
匹配：双方一致

③ 停止位

值：1（常用）、2
作用：帧间隔
慢速通信：可用 2 位，增加容错

④ 校验位

无：最常用（高速）
偶校验：1 的个数为偶
奇校验：1 的个数为奇

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