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单片机用几V 究竟是什么让很多单片机的工作电压是5V?

小编 2024-11-23 设计与开发 23 0

究竟是什么让很多单片机的工作电压是5V?

5V来自于TTL电平,5呢为True,0即为False,之后用了压降更低的PN节,衍生出了3.3这个电平。

12V和24V来自于汽车电瓶,早年乘用车又12V和24V两个系统,现在一般小型车12V,商用车24V,再究其由来应该是铅酸电池。

所以3v3和5v一般出现在信号电路或者单片机等vcc供电,而12v/24v一般出现在低压动力电,例如主板、显卡、轴流风机、监控器。

硬件决定系统基础,如果锂电池早点应用的话估计还会有3.7/7.4这个系统。

为什么很多单片机的工作电压是5v? 因为大多数芯片都是5V的TTL电平,要做到电平兼容,电平匹配,避免要电平转换操作,所有很多单片机的工作电压都是5V。

早期(196x)的晶体管电路(TTL)单管的压降是0.7v,一个电路里经常有多个晶体管串联,比如4管串联,电源至少保证0.7x4=2.8v才能保证电路正常工作。

所以最早有3v、5v等标准,后来LM7805(197x)电源IC出来以后,5V成了事实标准。

TTL指的是TTL电平,0~5V之间,小于0.2V输出低电平,高于3.4V输出高电平,全称Transistor-Transistor Logic,即BJT-BJT逻辑门电路,是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路,应用较早,技术已比较成熟。

TTL主要有BJT(Bipolar Junction Transistor 即双极结型晶体管,晶体三极管)和电阻构成,具有速度快的特点。

最早的TTL门电路是74系列,后来出现了74H系列、74L系列、74LS、74AS、74ALS等系列,但是由于TTL功耗大等缺点,正逐渐被CMOS电路取代。

为什么很多都是5V,而且有大量电源芯片支持的也是5V,电压浮动为5%,而电压标准,在A/D当中使用,标准应该是5.12V。

因为512是2的N次方,这样A/D的每一个字都是一个整数,当作为无符号计算的时候,更简单,但是没见到哪个成品用这个电压的,大部分都是5V,为什么不用呢?

因为做5.12的标准电压的成本会成倍增长,5V与5.12V精度差别在百倍,小数点后0.12V,基本很难做到高精度标准电压,市场通用电压为5V,上浮一定百分比。

2008年11月发布的STC12系列单片机数据手册中,STC12C系列的单片机电压范围是3.3~5.5V;STC12L系列的单片机电压范围是2.2~3.6V。

如果选择STC12C系列的单片机,只要单片机的工作频率不是太高,使用3.7V供电是没有任何顾虑的,官方声称单片机的抗干扰能力可以达到4000V,但实际应用说法不一。

大多数单片机都是 TTL 电平,各自的高低电平定义不一样;当电源电压为5V时:51,avr单片机是5V;当电源电压为3.3V时:51,avr单片机高电平是3.3v;arm如lpc2138,电源电压只能为3.3v,io输出高电平为3.3V,但io口可承受5V电压。

现在单片机工作电压主要有两种:一种工作在3.3V,一种工作在5V。

单片机的组成以及分类和指标

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单片机的组成

单片机又称单片微控制器,它把一个计算机系统集成到一块芯片上,主要包括微处理器(CPU)、存储器(随机访问存储器RAM、只读存储器ROM)和各种输入/输出接口(包括定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、A/D转换器以及脉冲宽度调制(PWM)等,如图1-1所示。

▲图1-1 单片机组成框图

程序存储器(ROM)

ROM用来存放用户程序,分为EPROM、Mask ROM、OTP ROM和Flash ROM等。

EPROM型存储器编程(把程序代码通过一种算法写入程序存储器的操作)后,其内容可用紫外线擦除,用户可反复使用,故特别适用于开发阶段,但EPROM型单片机价格很高。

Mask ROM型单片机价格最低,适用于批量生产。由于Mask ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入,故用户更改程序代码十分不便,在产品未成熟时选用此型单片机风险较高。

OTP ROM型(一次可编程)单片机价格介于EPROM和MaskROM型单片机之间,它允许用户对其编程,但只能写入一次。

Flash ROM型单片机可采用电擦除的方法修改其内容,允许用户使用编程工具或在系统中快速修改程序代码,且可反复使用,故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash ROM型单片机既可用于开发阶段,也可用于批量生产,随着制造工艺的改进,价格不断下降,使用越来越普遍,已成为现代单片机的发展趋势。

中央处理器(CPU)

CPU是单片机的核心单元,通常由算术逻辑运算部件(ALU)和控制部件构成。CPU就像人的大脑一样,决定了单片机的运算能力和处理速度。

随机存储器(RAM)

RAM用来存放程序运行时的工作变量和数据,由于RAM的制作工艺复杂,价格比ROM高得多,所以单片机的内部RAM非常宝贵,通常仅有几十到几百字节。RAM的内容具有易失性(也称为易挥发性),掉电后数据会丢失。最近出现了EEPROM 或Flash ROM 型的数据存储器,方便用户存放不经常改变的数据及其他重要信息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器,也属于RAM空间,但它们存取数据速度很快,特殊寄存器还用于充分发挥单片机各种资源的功效,但这部分存储器占用存储空间更小。

并行输入/输出(I/O)接口

通常为独立的双向I/O接口,既可以用作输入方式,又可以用作输出方式,通过软件编程设定。现代单片机的I/O接口也有不同的功能,有的内部具有上拉或下拉电阻,有的是漏极开路输出,有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O接口是单片机的重要资源,也是衡量单片机功能的重要指标之一。

串口输入/输出口

用于单片机和串行设备或其他单片机的通信。串行通信有同步和异步之分,这可以用硬件或通用串行收发器件实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口,如 UART、SPI、I2C、MicroWire等。

定时器/针数器(T/C)

用于单片机内部精确定时或对外部事件(输入信号如脉冲等)进行计数,通常单片机内部有2个或2个以上的定时/计数器。

系统时钟

通常需要外接石英晶体或其他振荡源提供时钟信号输入,有的也使用内部RC振荡器。系统时钟相当于PC微机中的主频。

以上只是单片机的基本构成,现代的单片机又加入了许多新的功能部件,如模拟/数字转换器(A/D)、数字/模拟转换器(D/A)、温度传感器、液晶(LCD)驱动电路、电压监控、看门狗(WDT)电路、低压检测(LVD)电路等。此时的单片机才是真正单片化。内部的RAM和ROM的容量也越来越大,ROM 寻址空间甚至可达 64KB,可以说,单片机发展到了一个全新的阶段,应用领域也更为广泛,许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

单片机的分类和指标

单片机从用途上可分成专用型单片机和通用型单片机两大类。专用型单片机是为某种专门用途而设计的,如DVD控制器和数码摄像机控制器芯片等。在用量不大的情况下,设计和制造这样的专用芯片成本很高,而且设计和制造的周期也很长。我们常用的都是通用型单片机,通用型单片机把所有资源(如 ROM、I/O 等)全部提供给用户使用。当今通用型单片机的生产厂家已不下几十家,种类有几百种之多。

下面对单片机的几个重要指标进行介绍。

(1)位数:是单片机能够一次处理的数据的宽度,有 1 位机(如 PD7502)、4 位机(如MSM64155A)、8位机(如MCS-51)、16位机(如MCS-96)、32位机(如IMST414)等。

(2)存储器:包括程序存储器和数据存储器,程序存储器空间较大,字节数一般从几KB到几十KB,另外还有不同的类型,如ROM、EPROM、E2PROM、Flash ROM和OTP ROM型。数据存储器的字节数则通常为几十字节到几百字节之间。程序存储器的编程方式也是用户考虑的一个重要因素,有的是串行编程,有的是并行编程,新一代的单片机有的还具有在系统编程(ISP, In-System-Programmable)或在应用再编程(IAP,In-Application re-Programmable)功能;有的还有专用的ISP编程接口JTAG口。

(3)I/O接口:即输入/输出接口,一般有几个到几十个,用户可以根据需要进行选择。

(4)速度:指的是 CPU 的处理速度,以每秒执行多少条指令来衡量,常用单位是 MIPS(百万条指令每秒),目前最快的单片机可达到100MIPS。单片机的速度通常是和系统时钟(相当于PC的主频)相联系的,但并不是频率高的处理速度就一定快,但对于同一种型号的单片机来说,采用频率高的时钟一般比频率低的速度要快。

(5)工作电压:通常工作电压是5V,范围是±5%或±10%;也有3V/3.3V电压的产品;更低的可在1.25V工作。现代单片机又出现了宽电压范围型,在2.5V~6.5V内都可正常工作。

(6)功耗:低功耗是现代单片机所追求的一个目标,目前低功耗单片机的静态电流可以低至μA或nA级。有的单片机还具有等待、关断、睡眠等多种工作模式,以此来降低功耗。

(7)温度:单片机根据工作温度可分为民用级(商业级)、工业级和军用级3种。民用级的温度范围是 0℃~70℃,工业级是-40℃~85℃,军用级是-55℃~125℃(不同厂家的划分标准可能不同)。

(8)附加功能:有的单片机有更多的功能,用户可根据需要选择适合自己的产品。比如有的单片机内部有A/D、D/A、串口、LCD驱动等,使用这种单片机可减少外部器件,提高系统的可靠性。

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