位电子概

第0章數位電子概論0-1摘要0-1學單晶片需要的電子學基礎0-2電壓、電流、電阻的關係。0-3電子電路模擬成水管管路。關鍵字電壓(V)電流(I)電阻(R)功率(P)1VoltageCurrentResistentPowerRate高準位低準位正緣觸發↑負緣觸發↓HighLevelLowLevelPositiveTriggerNegativeTrigger高阻抗R≒∞Ω2HighImpedanceH準位輸出電壓L準位輸出電壓H準位輸入電壓L準位輸入電壓VOHVOLVIHVILH準位輸出電流L準位輸出電流H準位輸入電流L準位輸入電流IOHIOLIIHIIL扇出入傳輸延遲時間tdhl、tdlh3Fanout&in真值表時序圖33TruthTableTimingChart位元位元組字組4BitByteWord發光二極體信號產生器5LEDFunctionGenerator第0章：數位電子概論0-2視窗版51系列組譯器/控制器→入門篇0-1學單晶片需要的電子學基礎ÆÆÆÆÆÆ修過電子學的讀者本章可以略過電子學按照正規的學習過程大約需兩年時間，必修的科目有數位電子、類比電子、邏輯設計及微處理機等學分，接著才修單晶片8051。但是，讀者若是非電子電機科系，似乎不太可能修這麼多電子學分，作者在序中也說明過，8051單晶片已將較複雜的電路植入晶片內部，所以，為了引領讀者進入8051的世界去淺嘗他的威力，將精簡正規學習過程以及配合第0、1章篇幅，採用水管管路來模擬電子電路的方式快速理解數位電子的重要名詞，打通電子學的任督二脈。◎縮小電子學學習範疇為數位電子學，並要以實驗為學習重心，再配合第0章的模擬說明將可以加速入門。◎類比電子則只要學會開關型放大器（第0章將以電晶體作說明）。◎邏輯設計是以硬體(Hardware)設計為範疇，若以設計的功能而言，8051軟體(Software)程式設計是可以大部份代替的。例如，計數器、序向邏輯控制、計時器等邏輯設計。◎微處理機課程，可否先不談硬體電路設計，把學習重點只放在作動原理呢？其實單晶片8051就是具備這些特色，因為微處理機基本構成元件CPU、資料、程式記憶體、SFR、I/O埠腳及相互之間的匯流排等電路，都已經成功的植入8051晶片內部。對新手而言，可李源彰先生設計的視窗版的51系列組譯器(AJON51-ASM)及搭配電子書及具有SPI燒錄的51板子就可以很完整的學會韌體設計的精髓。當然，對程式設計而言，瞭解基本元件越多就更得心應手，所以第１章將會專章說明。0-2電壓、電流、電阻的關係0-1.2歐姆定律(I=V/R)在一條導線的兩端施予電壓則流過的電流與兩端之間的總電阻成反比稱為歐姆定律如圖0-1。公式如(0-1):I=V/R…….…………………………………(0-1)R=ρL/A……………………………………...(0-2)其中：I：流經導線的電流(A)：電流一安培就是導線上某一斷面在一秒鐘內流過一庫侖電量（一個自由電子帶電量為1.6×10-19庫侖）。R：阻止電流流動的程度(Ω)。第0章數位電子概論0-3V：推動電流（自由電子）流動的電壓差(Volt:V)，V=V1-V2。圖０-2：阻流孔LDP2P1QRV2IV1圖0-1:歐姆定律0-2.2阻流孔（Choke）阻流孔的水壓、水流量率（水流率）、水流阻力（水阻）的關係如圖0-2、公式(0-2)來描述：Q=(πD4P)/(128μL)……………………………(0-3)其中：Q：流量率(m3/sec)D：管徑P：水壓差(P1-P2)L：限流孔長度將(0-2)式子簡化為:Q=P/Rpipe…………………………………..(0-4)Rpipe=(128μL)/(πD4)………………….….(0-5)從兩個式子(0-1)、(0-3)及(0-2)、(0-4)中，發現此兩個式子中的參數是可以互相模擬的，由於電子流動是眼睛無法看到的，動作原理及相互之間的關係就較為抽象而不易理解（如電晶體放大器），因此本章將電子電路基本名詞用水管管路的相關名詞來模擬說明如下0-3電子電路模擬成水管管路模擬領域專業名詞○電子電路/◎水管管路○電子電路◎水管管路1.電阻（R）/水阻（Rpipe）○R=ρL/A（Ω）○電阻（R）大小與截面積成反比和長度成反比◎Rpipe=(128μL)/(πD4)◎水流阻力（水阻）與管徑（D）成反比和管長成正比，往後電阻小就用管徑大的水管模擬，反之亦然。QP1LDP20-4視窗版51系列組譯器/控制器→入門篇2.電壓(V)/水壓（P）3.信號H、L↑↓/水塔水位變化○電壓V0=0Volt模擬成◎水塔0樓高時拇指所感受的水壓（P0），亦可稱信號L。○電壓V1=5Volt模擬成◎水塔5樓高與0樓高時拇指所感受的水壓差（P1-P0）。亦可稱信號H。○↑正緣信號事由0V上升到5V的瞬間信號。◎水塔水位由0F上升到5F的瞬間信號。↓負緣信號（5V瞬間降至0V）4.電流(I)/水流率(Q)○I=V/RÆ◎Q=P/Rpipe○電壓差若固定為5V，電流(C/sec)大小將與負載電阻成反比。◎水壓差若固定，則水流率（每秒流過某斷面的水量m3:m3/sec）大小與水阻成反比。◎水阻與管徑成反比，也就是說管徑越小則水阻越大，反之亦然。5.一號電池/1.5樓水位○1號電池電量比3號電池電量大。○兩個電池電壓都是1.5伏特（V）。○給予同樣的負載（如收音機）1號電池可以用得久些。◎上圖比下圖的水容量大。◎拇指所承受的水壓都是一樣（1.5樓水位）。◎同樣管徑放水的話，上圖可以放得久。IRV1=5VV2=0V0VV1=5VQRpipe↓負緣↑正緣LHV1=5V0=0V0V(0樓水壓)P15伏特電壓5樓高水壓≒P0管徑D1.5V1號電池第0章數位電子概論0-56.電池串聯/水塔水位上升◎水塔水位加倍上升模擬成○電池串聯兩個電池時電壓加倍。7.電池並聯/水塔蓄水量加倍◎水塔蓄水量加倍模擬成○電池並聯時電量加倍。8.電子負載大小/水車大小以小負載為例，電源5V是正常供電情形下，功率為5瓦特（W）即表示經過燈絲電流為：I=P/V=5/5=1A燈絲電阻為：R=V/I=5/1=5Ω以上為正常使用情形。負載破壞的兩種情形：○電壓正常供應情形下，由於燈絲設計不佳(如燈絲太細)，若逾時大負載：10W燈小負載：5W燈大管徑(R=2.5Ω)的水流率（I=2A）推動大水車（10W）小管徑(R=5Ω)的水流率（I=1A）推動大水車（5W）3V3V1.5V1.5VP1=5P0=0R2.5Ω/P10W5V3號電池0-6視窗版51系列組譯器/控制器→入門篇使用將造成過熱而破壞。◎水車正常運作下，由於設計葉片時，厚度太薄，使得在合理的水流速下，葉片遭致沖毀。○電源供應的電壓太大：使得電流過大而燈絲瞬間燒毀◎水車水壓供給過大，把葉片衝斷。9.二極體/止回閥○二極體順向電壓有0.7V就導通。○二極體逆向電壓無法導通（若為稽納二極體又另當別論）。◎止回閥順向導通、逆向不通。順向電壓可以導通逆向電壓無法導通順向水壓可以導通逆向水壓無法導通10.交流電/水塔水位改變○正半週時：電壓往正方向增加，電流亦遞增，過了波峰又遞減，且電流固定由負載的左邊往右邊流動。○負半週時：電壓往負方向增加，電流亦遞增，過了波谷又遞減，且電流固定由負載的右邊往左邊流動。◎正半週時：水塔想像由虛線往上抬高，過了波峰後又回復虛線位置，如此，水流動固定由水車（逆時鐘旋轉）負載的左邊往右邊流動。◎負半週時：水塔想像由虛線往下降，過了波谷後又回復虛線位置，如此，水流動固定由水車（順正半週負半週正半週負半週R5Ω/P5WV1=5VˇˇR5Ω/P5WV15V××第0章數位電子概論0-7時鐘旋轉）負載的右邊往左邊流動。11.橋氏整流器/黃氏整流器（好玩一下）○此電路目的是將交流正弦波整流為全波。○正半週時：電流由負載的左邊往右邊流動。○負半週時：電流仍由負載的左邊往右邊流動。◎正半週時：水流動由水車負載的左邊往右邊流動。◎負半週時：水流動仍由水車負載的左邊往右邊流動。(正、負半週水流動造成水車仍是以逆時鐘方向流動就叫整流)。正半週負半週正半週負半週12電晶體/水龍頭○因為，基級電流（Ib）太小，所以推不動需要大電流（功率較大）的馬達（M）。◎因為，流量率（m3/sec）太小，所以推不動需要大流量的大型水車葉片。○電晶體對於電流具有放大能力，其放大率為β（β=Ic/Ib）◎小流量率推動小水車，小水車推動有放大作用的螺紋，使得螺絲LL放大率β=Ic/IbMIbIc5VMIb5VIbIc5V0-8視窗版51系列組譯器/控制器→入門篇移位來控制閥口大小，此閥口即可控制大水流量。13飛輪效應/單向閥緩衝○晶體/◎閥門全開：○晶體全開則電流Icmax=Vcc/RL,二極體對電路而言並無作用。◎閥門全開下，水車在固定水壓(P)下受到最大的流量率的水流推力（F=P*A）作正常運轉。○晶體/◎閥門瞬間全關○若晶體瞬間關閉。此時電流由最大瞬間轉變為0安培，將產生很大的反電動勢V=L*di/dt。○晶體瞬間全關(含飛輪二極體)/◎閥門瞬間全關(含單向閥)◎若小管子水壓瞬間為零，則小水車受彈簧力回彈影響，使得閥口關閉。造成大管子流量率(Ic)從最大瞬間變為零，此時可想像得到的是，水及水車持續恆動的慣性所帶來的衝量。○增加二極體後，其能量將隨虛線所指方向釋放，達到保護晶體的目的。◎加裝單向閥後，則此能量將循虛線釋放，可避免閥門破壞。晶體全開晶體瞬間全關晶體瞬間全關（含飛輪二極體）閥門全開閥門瞬間全關閥門瞬間全關（含單向閥）IbI5VIcLU5VV=L*di/dt反電動勢衝破晶體L0VIb=05VIb=0IbIcIcVcc=5VLVb=5VRb=1KΩIb第0章數位電子概論0-914.示波器（輸入阻抗Rin=∞）/測壓器（拇指處無漏水現象）○最理想狀態是示波器的輸入阻抗無窮大Rin≒∞及系統A的輸出阻抗為零Rout≒0。Vo/Vin=Rin/(Rin+Rout)≒∞/(∞+0)≒1如此，所量得的電壓Vin即為電路系統A的輸出電壓Vout。若將示波器當作電路系統A的負載來看，其造成負載的效應也是最小的。◎令水塔高度上下移動，則水壓就隨時間而改變。◎拇指壓住水管出口，若只要感受水壓（P）而不滴水（流量率Q=0）的話，則把人當成一個系統來看，輸入水阻就是無窮大(Rpipe=P/Q=∞)。這種情形就等同於示波器輸入阻抗無窮大（Rin=V/I≒V/0≒∞）一樣。假如，拇指與管子出口間有細縫（水阻與管徑大小成反比）而造成有漏水現象的話，則所測得的水壓就比真正水塔的水壓小。這種儀器受負載效應影響其準確度就值得懷疑了。示波器可以測得系統A的輸出電壓Vin（條件是若Vin=Vout)拇指可以測得水塔變化的水壓（條件是不滴水），並同步用筆繪出水壓變化情形IRin≒∞ΩRout≒0Ω電路系統AVin示波器Vout好的儀器就是只要拇指感受水壓（電壓）變化而不會滴水（電流I=0）。記錄水壓變化記錄電壓變化同時學會兩種系統的負載效應是否有趣呢？0-10視窗版51系列組譯器/控制器→入門篇15VIH、VIL、VOH、VOL(7404)○H、L準位輸入電壓（VIH、VIL）7404積體電路的輸入腳確定收到H信號的電壓準位，一般被認定的H準位約在供應電源(Vcc)~3V之間。L信號亦如圖示。○H、L準位輸出電壓（VOH、VOL）:◎同理，輸入水壓若為H(VIH）經此反向閘(7404)後，將送出L準位水壓(VOL)。16扇出（fan-out）○扇出數(n):一個邏輯閘的輸出腳輸出為H時，可以驅動n個邏輯閘的輸入腳而每個腳仍能接收到H信號。IOH=n*IIL=IIL1+IIL2+IIL3+..+IIln◎一個管路的輸出管徑較輸入管徑大許多（IOHIIH），若輸出水壓為H時，可以分送到各管路輸入口有n個（扇出數），而且，必須保證各個管路輸入口仍然保持水壓為H（VIH）。7404HLVIH=VcVIL=0~0.5HLVOH=VcVOL=0~0.5VIHVILVOHVOLIIH1IOIIH1IIH2IIH3IIHnIIH3II