单片机外围电路设计之二：电容
單片機(jī)外圍電路設(shè)計之二：電容
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電容，作為電子電路的又一基本元器件，大家也是熟悉不過的了。下面我們談?wù)勲娙莸囊恍┗緫?yīng)用及注意事項。但是，由于電容的應(yīng)用非常廣泛，未必能面面俱到，如果有網(wǎng)友覺得沒有談到的地方，希望公共完善。
1概念
電容（Capacitance）亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下的電荷儲藏量，記為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導(dǎo)體上，造成電荷的累積儲存，儲存的電荷量則稱為電容。電容是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，廣泛應(yīng)用于隔直、耦合、旁路、濾波、調(diào)諧回路、能量轉(zhuǎn)換、控制電路等方面。
電容（或稱電容量）是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。
電容從物理學(xué)上講，它是一種靜態(tài)電荷存儲介質(zhì)，可能電荷會永久存在，這是它的特征，它的用途較廣，它是電子、電力領(lǐng)域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。
在電路學(xué)里，給定電勢差，電容器儲存電荷的能力，稱為電容（capacitance），標(biāo)記為C。采用國際單位制，電容的單位是法拉（farad），標(biāo)記為F。
電容的符號是C。
C=εS/d=εS/4πkd（真空）=Q/U
在國際單位制里，電容的單位是法拉，簡稱法，
符號是F，由于法拉這個單位太大，所以常用的電容單位有毫法（mF）、微法（μF）、納法（nF）和皮法（pF）等，換算關(guān)系是：
1法拉（F）= 1000毫法（mF）=1000000微法（μF）
1微法（μF）= 1000納法（nF）= 1000000皮法（pF）。
電容與電池容量的關(guān)系：
1伏安時=1瓦時=3600焦耳
w=0.5cuu
一個電容器，如果帶1庫的電量時兩級間的電勢差是1伏，這個電容器的電容就是1法，即：C=Q/U 但電容的大小不是由Q（帶電量）或U（電壓）決定的，即：C=εS/4πkd 。其中，ε是一個常數(shù)，S為電容極板的正對面積，d為電容極板的距離，k則是靜電力常量。常見的平行板電容器，電容為C=εS/d（ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為極板面積，d為極板間的距離）。
定義式：C=Q/U
電容器的電勢能計算公式：E=CU^2/2=QU/2=Q^2/2C
多電容器并聯(lián)計算公式：C=C1+C2+C3+…+Cn
多電容器串聯(lián)計算公式：1/C=1/C1+1/C2+…+1/Cn
三電容器串聯(lián)：C=（C1*C2*C3）/（C1*C2+C2*C3+C1*C3）
電容是指容納電場的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認(rèn)為：孤立導(dǎo)體與無窮遠(yuǎn)處構(gòu)成電容，導(dǎo)體接地等效于接到無窮遠(yuǎn)處，并與大地連接成整體。
2電容的應(yīng)用
根據(jù)電容在電路中的不同位置，電容表現(xiàn)著不同的狀態(tài)，常見的分類如下：
??1 ?按照結(jié)構(gòu)分三大類：固定電容器、可變電容器和微調(diào)電容器；
??2 ?按電解質(zhì)分類有：有機(jī)介質(zhì)電容器、無機(jī)介質(zhì)電容器、電解電容器和空氣介質(zhì)電容器等；
??3?按用途分有：高頻旁路、低頻旁路、濾波、調(diào)諧、高頻耦合、低頻耦合、小型電容器；
??4?頻旁路：陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、滌綸電容器、玻璃釉電容器；
??5?低頻旁路：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器；
??6 ?濾波：鋁電解電容器、紙介電容器、復(fù)合紙介電容器、液體鉭電容器；
??7?調(diào)諧：陶瓷電容器、云母電容器、玻璃膜電容器、聚苯乙烯電容器；
??8 ?高頻耦合：陶瓷電容器、云母電容器、聚苯乙烯電容器；
??9?低耦合：紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、滌綸電容器、固體鉭電容器；
??10?小型電容：金屬化紙介電容器、陶瓷電容器、鋁電解電容器、聚苯乙烯電 容器、固體鉭電容器、玻璃釉電容器、金屬化滌綸電容器、聚丙烯電容器、云母電容器。
電容作用
*電容器的基本作用就是充電與放電，但由這種基本充放電作用所延伸出來的許多電路現(xiàn)象，使得電容器有著種種不同的用途，例如：在電動馬達(dá)中，用它來產(chǎn)生相移；在照相閃光燈中，用它來產(chǎn)生高能量的瞬間放電等等。而在電子電路中，電容器不同性質(zhì)的用途尤多，這許多不同的用途，雖然也有截然不同之處，但因其作用均來自充電與放電。下面是一些電容的作用列表：
耦合電容：用在耦合電路中的電容稱為耦合電容，在阻容耦合放大器和其他電容耦合電路中大量使用這種電容電路，起隔直流通交流作用。
濾波電容：用在濾波電路中的電容器稱為濾波電容，在電源濾波和各種濾波器電路中使用這種電容電路，濾波電容將一定頻段內(nèi)的信號從總信號中去除。
退耦電容：用在退耦電路中的電容器稱為退耦電容，在多級放大器的直流電壓供給電路中使用這種電容電路，退耦電容消除每級放大器之間的有害低頻交連。
高頻消振電容：用在高頻消振電路中的電容稱為高頻消振電容，在音頻負(fù)反饋放大器中，為了消振可能出現(xiàn)的高頻自激，采用這種電容電路，以消除放大器可能出現(xiàn)的高頻嘯叫。
諧振電容：用在LC諧振電路中的電容器稱為諧振電容，LC并聯(lián)和串聯(lián)諧振電路中都需這種電容電路。
旁路電容：用在旁路電路中的電容器稱為旁路電容，電路中如果需要從信號中去掉某一頻段的信號，可以使用旁路電容電路，根據(jù)所去掉信號頻率不同，有全頻域（所有交流信號）旁路電容電路和高頻旁路電容電路。
中和電容：用在中和電路中的電容器稱為中和電容。在收音機(jī)高頻和中頻放大器，電視機(jī)高頻放大器中，采用這種中和電容電路，以消除自激。
定時電容：用在定時電路中的電容器稱為定時電容。在需要通過電容充電、放電進(jìn)行時間控制的電路中使用定時電容電路，電容起控制時間常數(shù)大小的作用。
積分電容：用在積分電路中的電容器稱為積分電容。在電勢場掃描的同步分離電路中，采用這種積分電容電路，可以從場復(fù)合同步信號中取出場同步信號。
微分電容：用在微分電路中的電容器稱為微分電容。在觸發(fā)器電路中為了得到尖頂觸發(fā)信號，采用這種微分電容電路，以從各類（主要是矩形脈沖）信號中得到尖頂脈沖觸發(fā)信號。
補償電容：用在補償電路中的電容器稱為補償電容，在卡座的低音補償電路中，使用這種低頻補償電容電路，以提升放音信號中的低頻信號，此外，還有高頻補償電容電路。
自舉電容：用在自舉電路中的電容器稱為自舉電容，常用的OTL功率放大器輸出級電路采用這種自舉電容電路，以通過正反饋的方式少量提升信號的正半周幅度。
分頻電容：在分頻電路中的電容器稱為分頻電容，在音箱的揚聲器分頻電路中，使用分頻電容電路，以使高頻揚聲器工作在高頻段，中頻揚聲器工作在中頻段，低頻揚聲器工作在低頻段。
負(fù)載電容：是指與石英晶體諧振器一起決定負(fù)載諧振頻率的有效外界電容。負(fù)載電容常用的標(biāo)準(zhǔn)值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。負(fù)載電容可以根據(jù)具體情況作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，通過調(diào)整一般可以將諧振器的工作頻率調(diào)到標(biāo)稱值。
調(diào)諧電容：連接在諧振電路的振蕩線圈兩端，起到選擇振蕩頻率的作用。
襯墊電容：與諧振電路主電容串聯(lián)的輔助性電容，調(diào)整它可使振蕩信號頻率范圍變小，并能顯著地提高低頻端的振蕩頻率。
中和電容：并接在三極管放大器的基極與發(fā)射極之間，構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，以抑制三極管極間電容造成的自激振蕩。
穩(wěn)頻電容：在振蕩電路中，起穩(wěn)定振蕩頻率的作用。
定時電容：在RC時間常數(shù)電路中與電阻R串聯(lián)，共同決定充放電時間長短的電容。
加速電容：接在振蕩器反饋電路中，使正反饋過程加速，提高振蕩信號的幅度。
縮短電容：在UHF高頻頭電路中，為了縮短振蕩電感器長度而串聯(lián)的電容。
克拉波電容：在電容三點式振蕩電路中，與電感振蕩線圈串聯(lián)的電容，起到消除晶體管結(jié)電容對頻率穩(wěn)定性影響的作用。
錫拉電容：在電容三點式振蕩電路中，與電感振蕩線圈兩端并聯(lián)的電容，起到消除晶體管結(jié)電容的影響，使振蕩器在高頻端容易起振。
穩(wěn)幅電容：在鑒頻器中，用于穩(wěn)定輸出信號的幅度。
預(yù)加重電容：為了避免音頻調(diào)制信號在處理過程中造成對分頻量衰減和丟失，而設(shè)置的RC高頻分量提升網(wǎng)絡(luò)電容。
去加重電容：為了恢復(fù)原伴音信號，要求對音頻信號中經(jīng)預(yù)加重所提升的高頻分量和噪聲一起衰減掉，設(shè)置RC在網(wǎng)絡(luò)中的電容。
移相電容：用于改變交流信號相位的電容。
反饋電容：跨接于放大器的輸入與輸出端之間，使輸出信號回輸?shù)捷斎攵说碾娙荨?/p>
降壓限流電容：串聯(lián)在交流回路中，利用電容對交流電的容抗特性，對交流電進(jìn)行限流，從而構(gòu)成分壓電路。
逆程電容：用于行掃描輸出電路，并接在行輸出管的集電極與發(fā)射極之間，以產(chǎn)生高壓行掃描鋸齒波逆程脈沖，其耐壓一般在1500伏以上。
S校正電容：串接在偏轉(zhuǎn)線圈回路中，用于校正顯像管邊緣的延伸線性失真。
自舉升壓電容：利用電容器的充、放電儲能特性提升電路某點的電位，使該點電位達(dá)到供電端電壓值的2倍。
消亮點電容：設(shè)置在視放電路中，用于關(guān)機(jī)時消除顯像管上殘余亮點的電容。
軟啟動電容：一般接在開關(guān)電源的開關(guān)管基極上，防止在開啟電源時，過大的浪涌電流或過高的峰值電壓加到開關(guān)管基極上，導(dǎo)致開關(guān)管損壞。
啟動電容：串接在單相電動機(jī)的副繞組上，為電動機(jī)提供啟動移相交流電壓，在電動機(jī)正常運轉(zhuǎn)后與副繞組斷開。
運轉(zhuǎn)電容：與單相電動機(jī)的副繞組串聯(lián)，為電動機(jī)副繞組提供移相交流電流。在電動機(jī)正常運行時，與副繞組保持串接。
3去耦電容
電容的應(yīng)用很廣泛，其中最為常見的就是去耦電容。該一般應(yīng)用在電源的旁邊，作為是為了降低電源對地的交流阻抗（也稱為旁路電容）。在沒有這個電容時，電路的交流特性變得很奇特，嚴(yán)重時電路產(chǎn)生振蕩。為此，單片機(jī)及其他外圍器件的每一個電源輸入腳都應(yīng)該加上一個旁路電容。
電容的阻抗為1/(2π*f*C)，頻率越高，阻抗應(yīng)該越小。在結(jié)構(gòu)上，小容量的電容器在高的頻率處，而大容量的電容器則在較低的頻率處，電容的阻抗變得最低。因此，在電源上并聯(lián)一個小容量電容和一個大容量電容是很有必要的，這樣在很寬的頻率范圍降低電源對地的阻抗。
小容量的電容器是在高頻情況下降低阻抗的，所以如果不配置在電路附近，則電容器的引線增長，由于引線本身的阻抗，電源的阻抗不能降低。使用在使用小電容時，一定將盡量靠近器件的電源輸入腳，否則就算添加了這個電容也沒有任何意義。大容量電容器由于其低頻特性，在布局時可以適當(dāng)離器件遠(yuǎn)些也沒有問題。在低頻電路上即使沒有小電容C1，電路也能正常工作。但是在高頻電路中，比起大電容C2來說，C1起著更為重要的作用。
通常小容量的電容器是0.01~0.1uF的陶瓷電容器（薄膜電容器為NG），大容量的電容器是1~100uF的鋁電解電容。在實際應(yīng)用中，小容量電容器常取104電容，大容量電容器常取10uF電容。
從習(xí)慣上來說，旁路電容也有大小兩個電容，形成兩條通路，也保證電路的可靠性。
電源是使電路進(jìn)行工作的基礎(chǔ)，因此，旁路電容可以認(rèn)為是電路工作的“保險金”。在電路圖中，一定要添加旁路電容，所以，從一個人的對旁路電容的應(yīng)用，特別是布局就可以看出，其是否是高手了。
4耦合電容
耦合電容，又稱電場耦合或靜電耦合，是由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。耦合電容器是使得強電和弱電兩個系統(tǒng)通過電容器耦合并隔離，提供高頻信號通路，阻止工頻電流進(jìn)入弱電系統(tǒng)，保證人身安全。帶有電壓抽取裝置的耦合電容器除以上作用外，還可抽取工頻電壓供保護(hù)及重合閘使用，起到電壓互感器的作用。
電容耦合的作用是將交流信號從前一級傳到下一級。耦合的方法還有直接耦合和變壓器耦合的方法。直接耦合效率最高，信號又不失真，但是，前后兩級工作點的調(diào)整比較復(fù)雜，相互牽連。為了使后一級的工作點不受前一級的影響，就需要在直流方面把前一級和后一級分開，同時，又能使交流信號從前一級順利的傳遞到后一級，同時能完成這一任務(wù)的方法就是采用電容傳輸或者變壓器傳輸來實現(xiàn)。他們都能傳遞交流信號和隔斷直流，使前后級的工作點互不牽連。但不同的是，用電容傳輸時，信號的相位要延遲一些，用變壓器傳輸時，信號的高頻成分要損失一些。一般情況下，小信號傳輸時，常用電容作為耦合元件，大信號或者強信號傳輸時，常用變壓器作為耦合元件。
耦合電容利用了電容最為主要的一個特性：隔直傳交。通過這一特性，可以很好的把直流電路與交流電路進(jìn)行耦合，以保障其相互協(xié)調(diào)工作。對于單片機(jī)外圍電路來說，使用比較多的耦合電容是，單片機(jī)需要與交流信號進(jìn)行通信的地方，例如：ADC和DAC。
在AD于DA電路上，我們需要把數(shù)字信號和模擬信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，為保障數(shù)字喜歡與模擬喜歡的互不干涉，我們往往需要在單片機(jī)的輸入端或輸出端串聯(lián)一個電容，對電路進(jìn)行耦合。
由于耦合電容和負(fù)載R1直接形成了高通濾波器，會因為輸出端接不同輸出電路的輸入阻抗，電容應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的變化。為此，預(yù)先考慮接什么樣的負(fù)載是至關(guān)重要的。
5起振電容
用于振蕩回路中，與電感或電阻配合，決定振蕩頻率（時間）的電容稱之為振蕩電容。
查了數(shù)據(jù)手冊得知實際頻率和標(biāo)稱頻率之間的關(guān)系：
Fx = F0(1+C1/(C0+CL))^(1/2);
而 CL = Cg*Cd/(Cg+Cd)+Cs;其中Cs為雜散電容，Cg和Cd為我們外部加的兩個電容，通常大家取值相等，它們對串聯(lián)起來加上雜散電容即為晶振的負(fù)載電容CL.
具體公式不用細(xì)想，我們可以從中得知負(fù)載電容的減小可以使實際頻率Fx變大，
我們可以改變的只有Cg和Cd，通過初步的計算發(fā)現(xiàn)CL改變1pF,Fx可以改變幾百Hz。
原有電路使用的是33pF的兩個電容，則并聯(lián)起來是16.5pF，我們的貼片電容只有27pF,33pF，39pF,所以我們選用了27pF和39pF并聯(lián)，則電容為15.95pF。電容焊好后，測量比原來大了200多赫茲，落在了設(shè)計范圍內(nèi)。
結(jié)論：晶振電路上的兩個電容可以不相等，通過微調(diào)電容的值可以微調(diào)晶振的振蕩頻率，不過如果你測了幾片晶振，頻率有大有小，而且偏移較大，那么這個晶振就是不合格的。
對于這電容來說，大家應(yīng)該再熟悉不過了，基本上，沒有一個帶有微處理器的電路都至少有一個帶有起振電容的電路。雖然，大多是情況下，我們都是按照經(jīng)驗選擇這兩個電容。實際上，這樣不科學(xué)，有的時候晶振并不會工作。所以，選擇合適是起振電容還是很有必要的。實際上，不同的晶振，起需要的起振電容是不同的，在購買晶振時應(yīng)該選擇合適的晶振，一般來說在晶振的數(shù)據(jù)手冊上也提供了選擇起振電容的依據(jù)。
不管怎么說，一般來說，我們還是可以根據(jù)經(jīng)驗是有電容：
在單片機(jī)的主時鐘輸入電路中，一般可以選擇22pF左右的起振電容，而在RTC時鐘中選擇6pF的起振電容，是沒有問題的。當(dāng)然，如果對時鐘的要求比較嚴(yán)格時，還是建議參考晶振數(shù)據(jù)手冊，選擇電容。
6復(fù)位電容
如圖所示是電容復(fù)位電路。Al是CPU集成電路,①腳是集成電路Al的復(fù)位引腳,復(fù)位引腳一般用RESET表示,①腳內(nèi)電路和外電路中的元件構(gòu)成復(fù)位電路,Cl是復(fù)位電容,Sl是手動復(fù)位開關(guān)。這一復(fù)位電路的工作原理:I集成電路Al的①腳內(nèi)電路有一個斯密特觸發(fā)器和一個提拉電阻R1,它一端接在直流電壓+5V上,另一端通過Al的①腳與外電路中的電容C1相連。
電路的電源開關(guān)接通后,+5V直流電壓通過電阻R1對電容C1充電,這樣在電源接通瞬間電容Cl兩端沒有電壓(因為電容兩端的電壓不能突變),隨著對電容Cl的充電,集成電路Al的①腳上的電壓開始升高,這樣可在Al的①腳上產(chǎn)生一個時間足夠長的復(fù)位脈沖,時間常數(shù)一般為0.2s.
隨著+5V直流電壓的充電,Al的①腳上的電壓達(dá)到了一定值,集成電路Al內(nèi)部所有電路均可建立起初始狀態(tài),復(fù)位工作完成,CPU進(jìn)入初始的正常工作狀態(tài)。這一復(fù)位電路的目的:使集成電路Al的復(fù)位引腳①腳上直流電壓的建立滯后于集成電路Al的+5V直流工作電壓規(guī)定的時間,如圖5-69所示的電壓波形可以說明這一問題。
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本文純屬學(xué)習(xí)記錄，摘自張飛實戰(zhàn)電子，大家可以去張飛實戰(zhàn)電子學(xué)習(xí)提高，一起加油！！！！
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的单片机外围电路设计之二：电容的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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