单片机外围电路分析基础：基本概念解析

文中包含了个人对电路分析的理解，如有错误，欢迎大家指出，共同学习。

1、电位

        这里首先讨论电位，因为单片机外围电路的分析不同于中学阶段的电路分析。中学阶段计算电路题往往题目直接给出了电压，电流等物理量，并不太注重于电位量。但是电压量本质上也是由电位量得到的，电位为更基本的物理量。

        在分析模电基础电路的时候，大家会发现，从电路中并不能直接获得电压量。这使得中学阶段所学的电路分析方法无法直接应用，也是大多数初学者感觉到困难的根源。

        但是电位量与电压量有着明显不同。首先，电位是一个相对量，相对量的意思是，如果要想得到一个点的电位，就需要有一个零电位参考点（通常情况下，我们将零电位参考点设置为电源负极，这样得到的电位可以直接等于该点与电源负极之间的电压，方便分析）。再者，对于一般的电路图来说，电位是可以直接从图中读到的量。如下两个电路图所示。

        因为我们默认将电源负极看作是零电位参考点，所以在左图的红色箭头所指的（两个LED右侧）的两根导线上的电位都是3.3V（因为两个导线相连于一点，且一起连到3.3V）。如果我们此时用电压表测量电源负极和该点之间的电压，也会得到3.3V。

        在这张图里，我们仍然把电源负极设置为零电位点（下文默认），在电路图中，因为GND链接到电源负极，所以上图中1号和2号箭头所指处都是0V电位，3号箭头则是3.3V电位。

        我们发现，虽然我们不能直接得到任何电压量，但是我们可以直接得到准确的电位量，这些确定的电位量就是后面分析电路的基础。

        电路分析，就是由一个确定性条件开始，由前面的确定性条件不断地推出后面的确定性条件，最终得到整个图的确定性的解的过程。

2、电压、电流、电阻

        这三个物理量应该都很熟悉了，一般在使用欧姆定律的时候会使用其中两个已知量求得另一个未知量，这里就不展开说了。

3、欧姆定律

        其中I为电流，U为电压，R为电阻。电路分析中很常用的公式。

4、基尔霍夫电流定律

        基尔霍夫电流定律为另一个常用公式，简单来说就是流入一个节点的电流一定等于所有流出的电流的和。如上图所示：红色箭头为电流方向，我们可以看出流入节点，、、流出节点。根据电流定律可以得到：。

        欧姆定律和基尔霍夫电流定律是最常用的两个电路定律，也非常容易理解。

5、短路

        我们中学阶段知道短路就是一段导线连接到了一个电路元件的两端，电流就不会走电路元件过，而是走“捷径”，走导线直接“跨过”电路元件。

        如上图所示，我们使用了一节导线将R1两端短路，这里，我们来分析一下短路现象的成因。

        首先定0电位点，这里就是电源负极，在图上标记为接地符号。因为短路R1的导线，R1与R2之间的导线，R1上端与电源正极相连的导线三者是连接在一起的。且从左边的导线看，电位从0V开始，顺着左边的导线一路向上，经过一个12V电源，该电源上下端电压差为12V，相当于电位经过电源就被抬升12V又连接到R1上端的导线上。所以在这三条线上任意一点的电位都是12V。这时我们可以看到R1两端的电位都是12V。也就是R1两端的电压：

        又因为R1的电阻值为1k，我们带入欧姆定律可以得到：

        这时我们就通过已知的电位得到了另外的一个确定量，即流过R1的电流I2=0A

        我们又可以看到，R2上下两端的电位也是知道的，我们就可以得到R2两端的电压为：

        同样根据欧姆定律可以得到流经R2的电流为：

        这样我们就得到了下一个确定量，即流经R2的电流I3=0.012A。

        我们再使用电流定律看一下这个电路，在R1和R2之间有一个导线交点（节点）。流出这个节点的电流为I3=0.012A，而流过R1的电流I2=0A，那么根据流出电流等于流入电流，我们可以知道，I1=0.012A。

        如果从R1上面的导线节点看，因为从这个节点流入R1的电流为0A，所以电流必须找另外一条通路走，也就是短路R1的导线，也可以得到I1=0.012A。

        到此，我们可以看出，短路之所以电流会绕过电子元件，完全是因为短路使得该电子元件两端电位一致，电压为0V，相当于导线强制将流过电子元件的电流设置为0A，电流无处可去导致只能通过短路导线流动。

6、断路

         我们一般认为没有电流流过的电路为断路，比如上文提到的被短路的电路元件通过的电流为0A，所以也可以认为这种状态下的电路元件所在的支路为断路简化电路分析。

        断路，指没有电流流过，其实这个条件结合欧姆定律来看

当两端电压一定时，当电阻无穷大时，电流为0A。所以也可以理解为这条路电阻无穷大。

断路有一些常见的性质，这里进行解释。

第一点，断路的这一条路任意一点电位相同。

如上图所示，所有箭头指向的点电位均为6V。因为电位的上升和下降一般有两种情况，

一种情况是像左边的导线一样，经过一个电压源（电源），从下往上看电位被抬高12V，从上往下看则上面的12V电位被电源拉低12V到0V。

另一种情况是，有电流流过电路元件，使得电路元件两端存在压降，则电位经过这些电路元件时，电位就会被拉低或抬高对应的电压。

在该图中，R3和R4所在支路可以看出是断路，也就是通过的电流为0A，这样的话，无论这一条支路上有多少电阻存在，因为没有电流通过，所有电阻两端的电压均为0V，也就是没有压降。R1和R2中间节点上的电位就会因为没有阻碍而扩散到整条支路上，使得该支路任意一点电位都等于节点电位。

电阻无穷大的思想也很重要，电阻无穷大意味着流过这一路的电流为0A，也就是说，这一路就算加在电路中，也不会对电路的电流流动造成影响，这个特性我们可以用作电位采样。

如上图所示，我们需要测量R1和R2之间的电位，也可以说是R2两端的电压，我们可以从R1和R2之间的节点引出一条支路，支路上串联一个超大电阻用来人为构造一个断路。因为这个电阻的存在，就使得这条支路的上的电流一定远小于通过R1和R2的电流，又因为电位会在断路上扩散，所以我们在R3后面使用一个ADC测量的电位就等于R1和R2之间的电位，这样既不会影响原来的电路正常工作，又能得到所需要的电位。所以使用大电阻可以人为构造断路获取电位，用来将电位送入其他电路模块，如电位比较等。

后续会继续更新。