1.4 常用电路元件及电平特性

在设计单片机系统时，常常会用到一些常用的电路元器件以及将单片机连接外接电源，那么了解常用电路元件及电平特性是很必要的。

1.4.1 常用电路元件

1．电阻的基本知识

（1）电阻的作用及电路图形符号

1）电阻

电阻在电路中通常起分压、分流的作用。电阻的主要物理特征是将电能转换为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生热能。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。其文字符号为R，图形符号如图1-17所示。

2）电阻在电路中的作用

电阻的作用是在电路中阻碍电流流过，应用于限流、分流、降压、分压、负载以及与电容配合作滤波器等；数字电路中功能有上拉电阻和下拉电阻。上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，电阻同时起限流作用。下拉同理，即将不确定的信号通过一个电阻钳位在低电平。

（2）电阻的分类

按制造材料可分为炭膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻，无感电阻，薄膜电阻等；

按阻值特性可分为固定电阻、可调电阻、特种电阻（敏感电阻）等；

按安装功能可分为负载电阻，采样电阻，分流电阻，保护电阻等。

按安装方式可分为插件电阻、贴片电阻等；

下面对几种常用电阻进行简要介绍：

1）金属膜电阻

金属膜电阻是用高真空加热蒸发（或高温分解、化学沉积或烧渗等方法）技术，将合金材料（有高阻、中阻、低阻三种）蒸镀在陶瓷骨架上制成的。通过刻槽或改变金属膜厚度来控制电阻值的大小。这种电阻器的耐热性及稳定性均比碳膜电阻器好，噪声低、体积小，但价格较高，被广泛应用于稳定性和可靠性要求较高的电路中。

2）碳膜电阻

碳膜电阻是将通过真空高温热分解出的结晶碳膜沉积在柱形或管形陶瓷骨架上制成的。通过改变碳膜的厚度和使用刻槽的方法，可以变更碳膜的长度，以得到不同的电阻值。由于此类电阻价格低廉，故应用最广泛。

3）金属氧化膜电阻

金属氧化膜电阻是将锡和锡的化合物配制成溶液，经喷雾送入500℃的恒温炉，把溶液涂覆在旋转的陶瓷基体上制成的。其性能与金属膜电阻类似，但电阻值范围较窄。其典型特点是金属氧化膜与陶瓷基体结和得更牢固，耐酸碱能力强，抗盐雾侵蚀，因而适用于恶劣工作环境。

4）线绕电阻

线绕电阻是用高电阻值的合金丝（即电阻丝，采用镍铬丝，锰铜丝等材料制成）缠绕在绝缘基棒上制成的。它具有电阻值范围大（0.1~0.5MΩ）、噪声小、电阻温度系数小、耐高温及承受负荷功率大（最大可达500W）等特点，其缺点是高频特性差。

线绕电阻有固定式和可调式两种。可调式线绕电阻从电阻体上引出一个滑动端子，可对电阻值进行调整。

5）玻璃釉电阻

玻璃釉电阻属于厚膜电阻器，目前该系列产品用得较多的是钌系玻璃釉电阻，它具有温度系数小、噪声低、稳定可靠、耐潮性好及负荷稳定性好等优点。

6）合成碳膜电阻

合成碳膜电阻又称合成膜电阻，其抗潮性和电压稳定性差，噪声高，频率特性差，但便于制成高电阻值、高精度的电阻，故多用于直流仪表中。

7）可变电阻

可变电阻通常又分为微调电阻和电位器。电位器又分为单联电位器、双联电位器、多联电位器、带开关电位器等。

8）有机实心电阻

有机实心电阻具有良好的绝缘外壳，在恶劣的环境和超负荷使用的情况下无断路现象，且体积小、易焊接，适用于要求精度高的场合。

9）敏感电阻

敏感电阻包括热敏电阻、压敏电阻、光敏电阻、磁敏电阻、湿敏电阻和气敏电阻等。

10）熔断电阻

熔断电阻是一种保护性元件，通常用来对电路的工作进行保护。一旦被保护电路出现问题使电流过大，熔断电阻就会迅速熔断，对电路元件进行保护。

（3）电阻的型号和命名方法

1）电阻的型号

电阻的型号标注由四部分组成，第一部分是主称，电阻用R表示，第二部分代表电阻体的材料，第三部分代表类别或者额定功率，第四部分为序号，具体见表1-9。

示意图如图1-18所示：

2）电阻器的标识方法

电阻器的标识方法有直标法、文字符号法、数码法和色环法4种。

① 直标法。直标法是用阿拉伯数字和单位文字符号在电阻器表面直接标出标称阻值和允许偏差的方法。允许偏差用百分数表示。如图1-19所示。

② 文字符号法。文字符号法是用阿拉伯数字和文字符号有规律地组合来表示标称阻值及允许偏差的方法。标称阻值单位文字符号的位置则代表标称阻值有效数字中小数点所在的位置，单位文字符号前面的数表示阻值的整数部分，文字符号后面的数表示阻值的小数部分，文字符号表示小数点和单位。文字符号法标称阻值系列，见表1-10。

③ 数码法。数码法是用三位整数表示电阻阻值的方法。数码是从左向右，前面的两位数为有效值，第三位数零的个数（或倍率10），单位为Ω。

④ 色环法。色环法是用不同颜色的色环在电阻器表面标出电阻值和误差的方法，是目前常用的电阻值标识方法。能否识别色环电阻，是考核电子行业人员的基本项目之一。其中四环、五环标示法分别如图1-20和图1-21所示。

每种颜色对应数字：棕1、红2、橙3、黄4、绿5、蓝6、紫7、灰8、白9、黑0。

确定五环第一色环的方法如下：

① 从阻值范围判断：因为一般电阻范围是0~10MΩ，如果读出的阻值超过这个范围，就可能是第一环选错了。

② 从误差环的颜色判断环表示误差的色环颜色有银、金、紫、蓝、绿、红、棕。如果靠近电阻器瑞头的色环不是误差颜色，则可确定为第一环。四环可用如下方法读数，类似的五环只需再加一层即可。

普通电阻大多用四个色环表示其阻值和允许偏差。第一、二环表示有效数字，第三环表示倍率（乘数），第四环与前三环距离较大（约为前几环间距的1.5倍），表示允许偏差。例如红、红、红、银四环表示阻值为22×102=2200Ω，允许偏差为±10%；又如绿、蓝、金、金四环表示的阻值为56×10-1=5.6Ω，允许偏差为±5%，见表1-11。

精密电阻采用五个色环表示，前三环表示有效数字，第四环表示倍率，与前四环距离较大的第五环表示允许偏差。例如，棕、黑、绿、棕、棕五环表示电阻105×101=1050Ω=1.5kΩ，允许偏差为±1%；如棕、紫、绿、银、绿五环表示电阻175×10-2=1.75Ω，允许偏差为±0.5%，见表1-12。

2．电容的基本知识

电容器（简称为电容）是组成电子电路的主要元件。电容量是表现电容器容纳电荷本领的物理量。电容主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、充电放电、储能、隔直流等电路中。

（1）电容的结构、作用及图形符号

1）电容的结构特性和作用

电容的基本结构是用一层绝缘材料（介质）间隔的两片导体。最简单的电容是由两块平行并且彼此绝缘的金属板组成。由于两块平行并且彼此绝缘的金属板具有存储电荷的能力，因此电容是一种可存储电荷的元件。

当在电容的两个电极加上电压时，电容就能充电，能够暂时储存所充入的电能。

电容具有“通交流，隔直流”的特性。直流电的极性和电压大小是固定不变的，不能通过电容器。而交流电的极性和电压的大小是不断变化的，能使电容不断地充电和放电，形成充、放电电流。

2）电容的作用

电容的用途较广，它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波（消除干扰信号、杂波等）、信号滤波、去除信号耦合（消除或减轻两个以上电路间在某方面相互影响的方法）、旁路（与某元器件并联，其中电容一端接地）、谐振（与电感并联或串联后，振荡频率与输入信号频率相同时产生的现象）、滤波、补偿、充电、放电、储能、隔直流等电路中。

3）电容的图形符号

电容的在电路中图形的符号如图1-22所示，它形象地表达出电容是由两块平行并且彼此绝缘的金属板组成。图1-22中从左到右依次表示的是固定电容、预调电容、可调电容和极性电容。

（2）电容的分类

电容有多种分类方法。

1）按结构及电容量，电容根据结构可分为固定电容、可变电容和半可变电容，目前使用最多的是固定容量的电容。

2）按极性来分，电容可分为有极性的电解电容和无极性的普通电容。

3）根据其介质材料，电容可以分为瓷介质、云母介质、纸介质、金属化薄膜介质等电容。

（3）电容的型号和命名方法

根据规定，国产电容的型号一般由四部分组成（不适用于亚敏、可变、真空电容）。依次分别代表名称（主称）、材料、特征分类和序号，见表1-13和表1-14。

举例如图1-23所示：

图中CAY5的含义就是5号、箔式、铝电解电容。

（4）电容的常用识别方法

电容的参数标注方法有直标法、文字符号法、数码标示法和色标法。

1）直标法。该方法指标法使用数字和字母把规格、型号直接标在外壳上，主要用在体积较大的电容器上。通常用数字标注容量、耐压、误差、温度范围等内容；而字母则用来标示介质材料、封装形式等内容。这种标注方法可参考表1-13和表1-14所列。

在有些厂家采用的直标法中，常把整数单位的“0”省去，如“.01μF”表示0.01μF；有些用R表示小数点，如R10μF。

2）文字符号法。用文字符号表示电容的单位（n表示nF、p表示pF、μ表示μF或用R来表示μF等）。电容容量（用阿拉伯数字表示）的整数部分写在电容单位的前面，电容容量的小数部分写在电容单位的后面；凡为整数（一般为4位）、又无单位标注的电容器，其单位默认为pF，凡用小数、又无单位标注的电容器，其单位默认为μF。

示例如下：

10p表示容量为10pF；

10n表示容量为10nF，即0.01μF；

3p3表示容量为3.3pF；

8n2表示容量为8.2nF，即8200pF；

允许偏差一般用字母表示，见表1-15。

3）数码标示法。体积较小的电容器常用数字标志法。数码表示法一般用三位整数，第一位、第二位为有效数字，第三位数表示有效数字后面零的个数，单位为pF。

示例如下：

243表示容量为24×103pF；

479表示容量为47×10-1pF。

4）色标法。电容器的色标法和电阻器相似，单位一般为pF。对于圆片或矩形等电容，非引线端部的一环为第1色环，以后依次为第2色环，第3色环，……，色环电容也分为4环和5环形式，有些产品还有距4环或5环较远的第5环或第6环，这两环往往代表电容特性或工作电压。第1、2环是有效数字，第3环是“0”的个数，第4环是误差，各色环代表的数值与色环电阻一样。另外，若某一通道色环的宽度是标准宽度的2或3倍，则表示这是相同颜色的2或3道色环。

小型电解电容器的耐压也有用色标法进行标识的，标识的位置靠近正极引出线的根部，电容色标法中颜色对应的耐压值见表1-16。

3．电感线圈的基本知识

电感是闭合回路的一种自身属性。当线圈通过电流后，在线圈中形成感应磁场，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种线圈中的电流与磁场的相互作用关系称为电的感抗。电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大。一般来说，有磁心的线圈电感量大；磁心磁导率越大的线圈，电感量也越大。

电感线圈是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上，导线彼此互相绝缘，而绝缘管既可以是空心的，也可以包含铁心或磁心，简称电感。

电感线圈和电容器一样，也是一种储能元件，它能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。电感器用符号L表示，它的基本单位是亨利（H），由于亨利单位较大，常用毫亨（mH）为单位。

当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈本身产生感应电动势，这就是自感。当两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度。

电感线圈在电路中用字母“L”来表示。电感线圈的主要作用是对交流信号进行隔离、滤波或者与电容器和电阻器组成谐振电路。

（1）电感线圈的分类

电感线圈的分类方法很多，几种常见的电感的电路图形符号，如图1-24所示。

1）按结构分类

按外形引脚方式分类可分为绕线式电感、非绕线式电感、可调式电感、贴片式电感和插件式电感，见表1-17。

2）按工作频率分类

电感按工作频率分类见表1-18。

3）按用途分类

电感按用途分类见表1-19。

（2）电感线圈的型号命名和标识方法

1）电感线圈的型号命名

电感线圈的型号一般由四部分组成，如图1-25所示。

第一部分为主称，用字母表示，常用L表示线圈，ZL表示高频或低频阻流线圈；第二部分为特征，用字母表示，常用G表示高频；第三部分为类型，用字母表示，常用X表示小型；第四部分为区别代码，用数字或字母表示。例如，LGX型即为小型高频电感线圈。

2）电感线圈的标识法

电感线圈的标识方法有直标法、色标法、数码标注法和字符标注法。

① 直标法。直标法指的是在小型电感线圈的外壳上直接用文字标出电感线圈的电感量、允许偏差和最大直流工作电流等重要参数。其中最大工作电流常用字母标志，见表1-20。

② 色标法。色标法指的是在电感线圈的外壳上涂有不同颜色的色环，用来表明其参数，第一条色环表示电感量的第一位有效数字；第二条色环表示电感量的第二位有效数字；第三位色环表示十进倍数；第四条色环表示允许误差。如图1-26所示。

标志中的电感量单位为μH。数字与颜色的对应关系见表1-21。

③ 数码标注法。电感器的数码标注法与电容器的相同，即数码的前两位数为有效数字，第三位数为零的个数，它们的单位为μH，允许偏差为±10%。

④ 字符标注法。有的电感器采用字符标注法进行标注，即用数字和文字符号按一定的组合规律进行标注，所用单位为nH及μH。

1.4.2 电平特性

TTL电平和COMS电平的概念具体介绍如下：

1．TTL电平

用+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称为TTL（晶闸管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。TTL电路的电平就称为TTL电平（在其他数字电路中，TTL电平就是由TTL电子元器件组成的电路使用的电平。电平是一个电压范围，规定输出高电平大于2.4V，输出的低电平小于0.4V，在室温下，一般输出的高电平是3.5V，输出低电平是0.2V）。

2．COMS电平

CMOS集成电路使用场效应晶体管（MOS管），其功耗小，工作电压范围很大，速度相对于TTL电路来说较低。但随着技术的发展，其速度在不断提高。

CMOS电路的电平就称为CMOS电平。具体而言，COMS电平就是：高电平（1逻辑电平）电压接近于电源电压，低电平（0逻辑电平）电压接近于0V。

TTL电路和COMS电路相连接时，由于电平的数值不同，TTL的电平不能触发CMOS电路，COMS的电平可能会损坏TTL电路，因此不能互相兼容匹配，这就需要设置电平转换电路。