電子創客案例手冊 Arduino和Raspberry Pi電子製作實戰

電子創客案例手冊
Arduino 和 Raspberry Pi 電子製作實戰
[ 美 ] Simon Monk 著
王誠成 孫 晶 孫海文 譯
北　京
嵌入式系統經典叢書
Simon Monk
Electronics Cookbook: Practical Electronic Recipes with Arduino and Raspberry Pi
EISBN: 978-1-491-95340-2
Copyright © 2017 by O ' Reilly Media, Inc.
Simplified Chinese edition, jointly published by O ' Reilly Media, Inc. and Tsinghua University Press,
2018. Authorized translation of the English edition, 2017 O ' Reilly Media Inc., the owner of all rights
to publish and sell the same.
All rights reserved, including the rights of reproduction in whole or in part in any form.
本書之英文原版由 O ' Reilly Media Inc. 於 2017 年出版。
本中文簡體翻譯版由 O ' Reilly Media Inc. 授權清華大學出版社於 2018 年出版發行。
版權所有， 未經書面許可， 本書的任何部分和全部不得以任何形式複製。
北京市版權局著作權合同登記號 圖字： 01-2017-6588
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圖書在版編目 (CIP) 資料
電子創客案例手冊 Arduino 和 Raspberry Pi 電子製作實戰 / ( 美 ) 西蒙 • 蒙克 (Simon Monk)
著； 王誠成， 孫晶， 孫海文 譯 . —北京： 清華大學出版社， 2018
( 嵌入式系統經典叢書 )
書名原文： Electronics Cookbook: Practical Electronic Recipes with Arduino and Raspberry Pi
ISBN 978-7-302-49424-9
Ⅰ . ①電… Ⅱ . ①西… ②王… ③孫… ④孫… Ⅲ . ①電子器件—製作—手冊 Ⅳ . ① TN-62
中國版本圖書館 CIP 資料核字 (2018) 第 015138 號
責任編輯： 王 軍 韓宏志
封面設計： Karen Montgomery 張 健
版式設計： 思創景點
責任校對： 曹 陽
責任印製： 李紅英
出版發行： 清華大學出版社
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印 裝 者： 清華大學印刷廠
經 銷： 全國新華書店
開 本： 178mm×233mm 印 張： 24.5 字 數： 465千字
版 次： 2018年4月第1版 印 次： 2018年4月第1次印刷
印 數： 1 ～ 3000
定 價： 79.80元
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產品編號： 074687-01
譯者序
近年來， 隨著微電子技術的飛速發展， 各類小型化硬體系統開發平臺如雨後春筍般湧現；
Arduino 與 Raspberry Pi 無疑是其中的佼佼者， 目前廣泛應用於電子產品的開發設計、
實驗教學等領域， 吸引了眾多電子愛好者在此基礎上進行 DIY 設計與開發。
要使用 Arduino 或 Raspberry Pi 等硬體平臺開發電子產品， 設計者必須掌握電子工程專
業的基礎知識。 本書列舉一系列實用案例， 介紹眾多經典電子專業書籍中沒有涉及的電
子技術。 主要內容包括基本的電路理論知識、 數位電路與類比電路設計中最常見的電子
元器件的相關介紹、元器件與 Arduino 或 Raspberry Pi 等硬體平臺相結合的實際應用案例，
以及如何構建專案和如何使用測試裝置等。 透過這些實用的案例， 你將深刻理解相關知
識， 並能運用這些知識解決實際問題。
本 書 作 者 Simon Monk 具 有 極 其 豐 富 的 電 子 設 計 實 踐 經 驗， 著 有 Raspberry Pi
Cookbook、 Programming Arduino 和 Hacking Electronics 等著名書籍， 對於電子產品的
設計與開發具有獨到的見解。
本書內容全面、 案例豐富， 面向使用 Arduino 或 Raspberry Pi 等硬體平臺進行電子設計
的初學者； 是大專院校計算機、 電子工程、 微電子與半導體專業師生， 以及硬體系統工
程師和數位電路 / 類比電路設計者的理想參考用書。
本書在翻譯與出版過程中， 得到了清華大學出版社編輯們的鼎力支援與幫助。 他們的工
作細緻入微， 沒有他們的正確引導， 本書不可能成功付梓， 在此表示衷心感謝！ 本書全
部章節由王誠成、 孫晶、 孫海文翻譯， 參與本書翻譯的還有王鑫、 陳青華、 董慶超、 龐威，
在此一併表示感謝。
譯者是原著作者與譯文讀者之間的橋樑和紐帶。 在翻譯過程中， 譯者本著“誠惶誠恐”
的態度， 力求達到“信、 達、 雅” 的境界， 但鑑於譯者水平有限， 錯誤和失誤在所難免，
如有任何意見和建議， 請讀者朋友不吝指正。
最後， 希望讀者透過閱讀本書能早日設計出優秀的電子產品， 領略理論與實踐相結合
之美！
前 言
本書中有關電子學的內容借鑑了備受推崇的 O'Reilly Cookbook 的製作實踐， 並分為許
多案例。 這些案例可以提高讀者閱讀本書的自由程度， 遵循這些案例可以學習相關的理
論基礎知識並解決實際問題。
電子學十分複雜， 科目廣泛， 不可能在一本書中涵蓋所有內容， 但我儘可能在本書中收
錄了我與其他電子產品製作者、 愛好者和開發者交談時最常出現的案例。
本書讀者物件
如果你身處電子行業或者想要進入電子行業， 那麼本書可以幫助你從愛好中獲得更多知
識。 本書有很多設計和測試案例， 無論你的專業知識水準如何， 都可以按照案例進行實
踐和設計。
撰寫本書的原因
這本書已經構思一段時間了。 最初的理念源於 Tim O'Reilly 本人。 這個想法就是為了填
補 Arduino Cookbook、 Raspberry Pi Cookbook 和重量級電子教科書之間的書籍在市場上
的空白。
換句話說， 本書旨在涵蓋經典電子書籍沒有涉及的更多電子技術綜合實踐和通常被忽視
的微控制器外圍電路使用實踐。 主要內容包括構造各種型別的電源， 使用合適的電晶體
進行開關控制， 使用模擬和數位電路， 構造專案和模型， 以及使用測試裝置等。
當今的電子技術
像 Arduino 和 Raspberry Pi 這樣的開發板吸引了新生代的電子產品製作者、 業餘愛好者
和開發者進入電子世界。 當前， 元器件和工具的成本都很低， 而且接觸的人比以往任何
時候都多。 Hackspaces 和 Fab labs 就有使用工具實現個人專案的電子工作站。
詳細的設計方案等資訊的免費獲取， 意味著你可以根據自己的需要從別人的案例中學習
甚至進行修改。
許多人剛開始將電子產品設計作為一種業餘愛好， 去接受電子工程的正規教育， 或者直
接從事產品設計， 成為一名開發者和創業者。 畢竟， 如果你有一臺電腦、 一些工具和元
器件， 就可以構建一個工程樣機， 然後找到一個製造商， 所有這些都是在眾籌的幫助下
進行的。 進入電子行業的門檻處於歷史最低水平。
本書內容安排
作為一本創客案例書籍， 你可以查閱並使用其中的任何案例， 而不是按順序閱讀這本書。
如果你參考的案例依賴於其他案例中的一些知識或技能， 那麼其中會有一個連結指向該
先決條件的案例。
這些案例是按章節安排的， 第 1 ～ 6 章提供了相對基礎的案例， 主要是關於不同種類元
器件的理論知識 ( 案例的基本材料 )。 這些章節是：
• 第 1 章：“原理” 。 該章的案例提供了一些理論上你無法避開的概念， 如歐姆定律
和能量守恆定律。
• 第 2 章：“電阻” 。 解釋了最常見的電子元器件， 並提供了它們的一些用途案例。
• 第 3 章：“電容與電感” 。 在該章你將找到解釋這些元器件如何工作的案例， 如何
識別它們， 以及如何使用它們。
• 第 4 章：“二極體” 。 在該章中你會找到解釋二極體的案例， 適用於不同型別的
二極體， 包括齊納二極體、 光電二極體和發光二極體。
• 第 5 章：“電晶體和積體電路” 。 該章主要包含了使用電晶體的基本案例， 以及在
不同的環境下使用不同型別的電晶體的指南。 引入了積體電路， 但是你會發現個別
的積體電路案例分散在書的其他章節中。
• 第 6 章：“開關與繼電器” 。 介紹常見但經常被忽略的器件。
下一部分中的章節介紹如何將第一部分中介紹的元件應用於各種各樣的案例中， 這些案
例涵蓋了你可能想要設計的電子產品。
• 第 7 章：“電源” 。 無論你的專案產品是什麼， 都需要進行供電。 可在該章中找到傳
統電源設計和開關模式電源 (Switched Mode Power Supplies， SMPS) 以及更獨特的
高壓電源的案例。
• 第 8 章：“電池”。 該章包含了選擇電池的案例， 以及用於充電電池 ( 包括 LiPo 電池 )
和自動電池備份的實用電路。
• 第 9 章：“太陽能” 。 該章提供了使用太陽能板為專案供電的案例， 包括為 Arduino
和 Raspberry Pi 提供太陽能。
• 第 10 章：“Arduino 和 Raspberry Pi” 。 目前， 大多數電子產品製作者的專案都使用
諸如 Arduino 或 Raspberry Pi 的開發板。 案例中引入了這種開發板及其控制外部電
路的相關內容。
• 第 11 章：“開關” 。 章名“開關” 是動詞， 不是名詞， 該章提供了一些訣竅， 告訴
你如何使用電晶體、 機電式繼電器和固態繼電器透過 Arduino 或 Raspberry Pi 來開
啟和關斷被控物件。
• 第 12 章：“感測器” 。 該章提供了使用許多不同型別感測器的案例， 包括如何使用
Arduino 和 Raspberry Pi 來控制它們。
• 第 13 章：“電機” 。 該章提供了使用 Arduino 和 Raspberry Pi 驅動不同型別的電機
的案例 ( 直流、 步進和伺服 )， 並介紹瞭如何控制電機速度和方向。
• 第 14 章：“LED 和顯示器” 。 除了透過 Arduino 或 Raspberry Pi 控制標準 LED 的案
例之外， 該章還提供了使用各種型別的發光二極體和各種顯示器的使用案例， 包括
OLED 圖形顯示器、 可定址的 LED 條 (NeoPixels) 和 LCD 顯示器。
• 第 15 章：“數字積體電路” 。 該章包含一些數字積體電路的案例， 儘管受微控制器
出現的影響， 但仍在電路設計中廣泛使用。
• 第 16 章：“類比電路” 。 在該章中， 你將找到各種有用的類比電路設計案例， 從簡
單的濾波器到一系列振盪器和定時器設計。
• 第 17 章：“運算放大器” 。 屬於類比電路器件， 該章提供了直接放大、 濾波設計、
緩衝和比較器等各種案例。
• 第 18 章：“音訊” 。 該章提供了透過麥克風播放從 Arduino 或 Raspberry Pi 中發出
並透過功率放大器 (模擬和數字) 放大的聲音訊號的案例。
• 第 19 章：“無線電” 。 該章提供一些關於 FM 發射器和接收器的有趣案例， 比如怎
樣完成從一個 Arduino 到另一個 Arduino 的資料傳送。
本書的最後一部分包含構建和使用工具的方法。
• 第 20 章：“構建”。 該章提供了構建“無焊” 原型和將其變為更持久焊接形式的案例。
該章還提供了下直插和貼片元件焊接的案例。
• 第 21 章：“工具” 。 包括臺式電源、 萬用表、 示波器以及虛擬儀器的使用， 都在這
一章案例中進行描述。
附錄列出了書中使用的所有部件及有幫助的供應商， 並提供了包括 Arduino 和 Raspberry
Pi 在內的器件引腳說明。
網路資源
對於電子發燒友來說， 有許多很好的資源可用。
如果你正在尋找專案創意， 那麼像 Hackaday 和 Instructables 這樣的網站是很好的靈感
來源。
當你想要尋求專案幫助時， 你經常期望得到很多經驗豐富的、 有知識的人的建議， 而這
些人會在下面的論壇上發表意見。 記住在提問之前先搜尋一下論壇， 以防這個問題之前
已經存在 (通常是這樣) 並能清晰地解釋你的疑問， 否則“專家” 會對你不耐煩。
•
•
• http://www.eevblog.com/forum
•
本書中的約定
本書使用以下排版約定。
斜體
表示新的術語、 網站連結、 電子郵件地址、 檔名和副檔名。
等寬字型
用於程式清單。
該圖示表示提示或建議
該圖示表示警告或注意
使用程式碼示例
可透過 下載本書的輔助材料 (程式碼示
例、 練習等 )。 另外， 也可掃描封底二維碼來下載。
本書旨在幫助你完成工作。 一般來說， 本書案例中的程式碼可以在你的程式和文件中直接
使用。 除非複製大量程式碼， 否則你不需要與我們聯絡。 例如， 編寫一個從本書中使用了
幾段程式碼的程式不需要得到許可。 出售或分銷 O'Reilly 圖書案例的 CD-ROM 是需要許
可的。 透過引用本書和引用示例程式碼來回答某個問題並不需要得到許可， 但從本書中將
大量示例程式碼複製到你的產品的文件中需要得到許可。
版權所有說明， 通常包括標題、 作者、 出版商和 ISBN。 例如，“Electronics Cookbook by
Simon Monk (O'Reilly).Copyright 2017, 978-1-491-95340-2.”
如果你覺得你使用的程式碼示例超出了合理使用或許可的許可權， 請傳送郵件與我們聯絡：
permissions@oreilly.com。
致謝
感謝 Duncan Amos、 David Whale 和 Mike Bassett， 感謝他們對這本書的技術評論， 以及
他們提供的許多有用的建議， 使這本書的質量更上一層樓。
我還想感謝 Afroman 許可本書使用了他很棒的 FM 發射器設計； 以及 Digi-Key 電子公司
的朋友們完成了部分程式碼方面的幫助。
與 O'Reilly 的專業人員一起工作是一件很愉快的事情， 尤其是 Jeff Bleiel、 Heather
Scherer 和 Brian Jepson。

目 錄
第 1 章 原理 ……………………………………………………………………… 1
1.0 引言 …………………………………………………………………………… 1
1.1 電流的物理意義 ……………………………………………………………… 1
1.2 電壓的物理意義 ……………………………………………………………… 2
1.3 電壓、 電流、 電阻的計算 …………………………………………………… 3
1.4 電路中節點電流的計算 ……………………………………………………… 5
1.5 電路中支路電壓的計算 ……………………………………………………… 6
1.6 功率的物理意義 ……………………………………………………………… 7
1.7 交流電 ………………………………………………………………………… 7
第 2 章 電阻 ……………………………………………………………………… 11
2.0 引言 …………………………………………………………………………… 11
2.1 閱讀電阻封裝 ………………………………………………………………… 11
2.2 查詢電阻標稱值 ……………………………………………………………… 13
2.3 選擇可變電阻 ………………………………………………………………… 14
2.4 串聯電阻 ……………………………………………………………………… 15
2.5 並聯電阻 ……………………………………………………………………… 16
2.6 分壓至可測範圍 ……………………………………………………………… 18
2.7 電阻的合理選擇 ……………………………………………………………… 19
2.8 光敏電阻的測量 ……………………………………………………………… 20
2.9 熱敏電阻的測量 ……………………………………………………………… 21
2.10 選擇合理的導線 …………………………………………………………… 22
第 3 章 電容與電感 ……………………………………………………………… 27
3.0 引言 …………………………………………………………………………… 27
3.1 儲能器件 ……………………………………………………………………… 27
3.2 識別電容型別 ………………………………………………………………… 31
3.3 閱讀電容封裝 ………………………………………………………………… 32
3.4 並聯電容 ……………………………………………………………………… 33
3.5 串聯電容 ……………………………………………………………………… 34
3.6 大能量的儲存 ………………………………………………………………… 34
3.7 計算電容中的儲能 …………………………………………………………… 35
3.8 電流大小的緩衝和方向的改變 ……………………………………………… 36
3.9 變換交流電電壓 ……………………………………………………………… 37
第 4 章 二極體 …………………………………………………………… 41
4.0 引言 …………………………………………………………………………… 41
4.1 電流的單向導通性 …………………………………………………………… 41
4.2 識別二極體型別 ……………………………………………………………… 43
4.3 齊納二極體 …………………………………………………………………… 44
4.4 發光二極體 …………………………………………………………………… 46
4.5 檢測光 ………………………………………………………………………… 47
第 5 章 電晶體和積體電路 ……………………………………………… 49
5.0 引言 …………………………………………………………………………… 49
5.1 放大電流 ……………………………………………………………………… 50
5.2 用小電流控制開關電流 ……………………………………………………… 53
5.3 有效開關高電流負載 ………………………………………………………… 54
5.4 超高壓開關 …………………………………………………………………… 56
5.5 選擇正確的電晶體 …………………………………………………………… 57
5.6 交流電流開關 ………………………………………………………………… 59
5.7 使用電晶體測量光強 ………………………………………………………… 60
5.8 光電耦合隔離器 ……………………………………………………………… 61
5.9 認識積體電路 ………………………………………………………………… 63
第 6 章 開關與繼電器 …………………………………………………… 65
6.0 引言 …………………………………………………………………………… 65
6.1 機電開關 ……………………………………………………………………… 65
6.2 識別開關的型別 ……………………………………………………………… 66
6.3 磁力開關 ……………………………………………………………………… 69
6.4 重識繼電器 …………………………………………………………………… 69
第 7 章 電源 ……………………………………………………………… 71
7.0 引言 …………………………………………………………………………… 71
7.1 交流轉交流 …………………………………………………………………… 71
7.2 將交流轉換為直流 ( 簡易 ) ………………………………………………… 73
7.3 紋波較小的交流轉直流 ……………………………………………………… 74
7.4 交流轉穩壓直流 ……………………………………………………………… 76
7.5 交流轉可變直流 ……………………………………………………………… 78
7.6 電池的穩壓輸出 ……………………………………………………………… 79
7.7 製作恆流電源 ………………………………………………………………… 80
7.8 高效調節直流電壓 …………………………………………………………… 81
7.9 直流低壓轉直流高壓 ………………………………………………………… 82
7.10 DC/AC 轉換 ………………………………………………………………… 83
7.11 110V 或 220V 交流供電 …………………………………………………… 85
7.12 倍增電壓 …………………………………………………………………… 87
7.13 450V 高壓供電 ……………………………………………………………… 88
7.14 更高電壓 (>1kV) 供電 ……………………………………………………… 90
7.15 超高壓供電 ( 固態特斯拉線圈 ) …………………………………………… 91
7.16 熔斷保險絲 ………………………………………………………………… 93
7.17 極性保護 …………………………………………………………………… 94
第 8 章 電池 ……………………………………………………………… 97
8.0 引言 …………………………………………………………………………… 97
8.1 估算電池壽命 ………………………………………………………………… 97
8.2 選擇不可充電電池 …………………………………………………………… 99
8.3 選擇可充電電池 ……………………………………………………………… 100
8.4 涓流充電 ……………………………………………………………………… 101
8.5 自動備用電池 ………………………………………………………………… 103
8.6 鋰聚合物電池充電 …………………………………………………………… 104
8.7 用“焦耳小偷” 獲得所有電量 ……………………………………………… 105
第 9 章 太陽能 …………………………………………………………… 109
9.0 引言 …………………………………………………………………………… 109
9.1 太陽能供電 …………………………………………………………………… 109
9.2 太陽能電池板的選擇 ………………………………………………………… 111
9.3 測量太陽能電池板的實際輸出功率 ………………………………………… 113
9.4 太陽能驅動 Arduino ………………………………………………………… 115
9.5 太陽能驅動 Raspberry Pi …………………………………………………… 117
第 10 章 Arduino 和 Raspberry Pi ……………………………………… 119
10.0 引言 ………………………………………………………………………… 119
10.1 Arduino 簡介 ………………………………………………………………… 119
10.2 下載與使用本書的 Arduino 例程 ………………………………………… 122
10.3 Raspberry Pi 簡介 …………………………………………………………… 123
10.4 下載與使用 Python 例程 …………………………………………………… 125
10.5 Raspberry Pi 啟動時執行程式 ……………………………………………… 126
10.6 探索 Arduino 和 Raspberry Pi 的替代品…………………………………… 126
10.7 埠設定 …………………………………………………………………… 128
10.8 Arduino 數字輸出控制操作 ………………………………………………… 131
10.9 Raspberry Pi 數字輸出控制操作 …………………………………………… 132
10.10 Arduino 數字輸入控制操作 ……………………………………………… 133
10.11 Raspberry Pi 數字輸入控制操作 ………………………………………… 136
10.12 Arduino 的模擬輸入讀取操作 …………………………………………… 137
10.13 Arduino 的模擬輸出生成操作 …………………………………………… 138
10.14 Raspberry Pi 的模擬輸出生成操作 ……………………………………… 141
10.15 Raspberry Pi 的 I2C 匯流排設定 …………………………………………… 143
10.16 Raspberry Pi 的 SPI 匯流排設定 …………………………………………… 145
10.17 電壓轉換 …………………………………………………………………… 146
第 11 章 開關 ……………………………………………………………… 149
11.0 引言 ………………………………………………………………………… 149
11.1 Pi 或 Arduino 的功率驅動電路 …………………………………………… 149
11.2 高階功率驅動電路 ………………………………………………………… 151
11.3 大功率驅動電路 …………………………………………………………… 153
11.4 高階驅動的大功率驅動電路 ……………………………………………… 155
11.5 BJT 和 MOSFET 的選擇 …………………………………………………… 156
11.6 使用 Arduino 驅動負載 …………………………………………………… 157
11.7 Raspberry Pi 驅動負載 ……………………………………………………… 160
11.8 可翻轉驅動電路 …………………………………………………………… 162
11.9 GPIO 控制繼電器 …………………………………………………………… 163
11.10 GPIO 控制固態繼電器 …………………………………………………… 165
11.11 集電極開路輸出的連線 …………………………………………………… 166
第 12 章 感測器 …………………………………………………………… 169
12.0 引言 ………………………………………………………………………… 169
12.1 將開關連線到 Arduino 或 Raspberry Pi …………………………………… 169
12.2 檢測旋轉位置 ……………………………………………………………… 174
12.3 檢測來自電阻式感測器的模擬輸入 ……………………………………… 178
12.4 將模擬輸入載入到 Raspberry Pi …………………………………………… 180
12.5 不用 ADC 將電阻式感測器連線到 Raspberry Pi ………………………… 181
12.6 測量光強度 ………………………………………………………………… 182
12.7 用 Arduino 或 Raspberry Pi 測量溫度……………………………………… 183
12.8 使用不帶 ADC 的 Raspberry Pi 測量溫度 ………………………………… 185
12.9 使用電位器測量旋轉位置 ………………………………………………… 186
12.10 用模擬晶片測量溫度 ……………………………………………………… 188
12.11 用數字晶片測量溫度 ……………………………………………………… 190
12.12 測量溼度 …………………………………………………………………… 193
12.13 測量距離 …………………………………………………………………… 195
第 13 章 電機 ……………………………………………………………… 199
13.0 引言 ………………………………………………………………………… 199
13.1 直流電機的驅動 …………………………………………………………… 199
13.2 測量直流電機的轉速 ……………………………………………………… 200
13.3 控制直流電機的方向 ……………………………………………………… 202
13.4 將電機設定到精確位置 …………………………………………………… 206
13.5 使電機按精確的步數轉動 ………………………………………………… 210
13.6 選擇更簡易步進電機 ……………………………………………………… 215
第 14 章 LED 和顯示器 …………………………………………………… 219
14.0 引言 ………………………………………………………………………… 219
14.1 驅動普通 LED ……………………………………………………………… 219
14.2 驅動大功率 LED …………………………………………………………… 221
14.3 驅動多個 LED ……………………………………………………………… 224
14.4 同時開關多個 LED ………………………………………………………… 225
14.5 7 段數碼管顯示……………………………………………………………… 225
14.6 控制多個 LED ……………………………………………………………… 228
14.7 改變 RGB LED 的顏色……………………………………………………… 232
14.8 連線到可定址 LED 條 ……………………………………………………… 236
14.9 使用 I2C 7 段 LED 顯示 …………………………………………………… 239
14.10 在 OLED 螢幕上顯示圖形或文字 ……………………………………… 241
14.11 使用字母、 數字 LCD 顯示文字 ………………………………………… 243
第 15 章 數字積體電路 …………………………………………………… 247
15.0 引言 ………………………………………………………………………… 247
15.1 保護積體電路免受電氣噪聲的影響 ……………………………………… 247
15.2 組合邏輯器件認知 ………………………………………………………… 248
15.3 GPIO 的擴充套件 ………………………………………………………………… 249
15.4 構建邏輯閘電路 …………………………………………………………… 253
15.5 數字分頻器 ………………………………………………………………… 254
15.6 連線十進位制計數器 ………………………………………………………… 255
第 16 章 類比電路 ………………………………………………………… 259
16.0 引言 ………………………………………………………………………… 259
16.1 濾除高頻 ( 簡易 ) …………………………………………………………… 259
16.2 構建一個振盪器 …………………………………………………………… 262
16.3 連續的閃爍 LED …………………………………………………………… 263
16.4 避免從輸入到輸出的降壓 ………………………………………………… 264
16.5 構建低成本振盪器 ………………………………………………………… 266
16.6 構建可變佔空比振盪器 …………………………………………………… 267
16.7 製作單次定時器 …………………………………………………………… 269
16.8 控制電機轉速 ……………………………………………………………… 270
16.9 對模擬訊號進行 PWM ……………………………………………………… 272
16.10 製作壓控振盪器 …………………………………………………………… 274
16.11 理解分貝測量 ……………………………………………………………… 275
第 17 章 運算放大器 ……………………………………………………… 279
17.0 引言 ………………………………………………………………………… 279
17.1 選擇運算放大器 …………………………………………………………… 280
17.2 運算放大器的供電 ( 分支供電 ) …………………………………………… 282
17.3 運算放大器的供電 ( 單電源 ) ……………………………………………… 283
17.4 製作反相放大器 …………………………………………………………… 283
17.5 製作同相放大器 …………………………………………………………… 285
17.6 訊號緩衝 …………………………………………………………………… 286
17.7 降低高頻振幅 ……………………………………………………………… 288
17.8 濾除低頻 …………………………………………………………………… 291
17.9 濾除高、 低頻 ……………………………………………………………… 292
17.10 比較兩個電壓 ……………………………………………………………… 294
第 18 章 音訊 ……………………………………………………………… 297
18.0 引言 ………………………………………………………………………… 297
18.1 在 Arduino 上播放聲音 …………………………………………………… 298
18.2 用 Raspberry Pi 播放聲音…………………………………………………… 300
18.3 駐極體麥克風的使用 ……………………………………………………… 301
18.4 製作一個 1W 的功率放大器 ……………………………………………… 304
18.5 製作一個 10W 的功率放大器 ……………………………………………… 306
第 19 章 無線電 …………………………………………………………… 309
19.0 引言 ………………………………………………………………………… 309
19.1 製作 FM 收音機發射機 …………………………………………………… 313
19.2 使用 Raspberry Pi 設計一個軟體 FM 發射機……………………………… 314
19.3 製作一個基於 Arduino 控制的 FM 收音機………………………………… 315
19.4 透過無線電傳送數字資料 ………………………………………………… 317
第 20 章 構建 ……………………………………………………………… 321
20.0 引言 ………………………………………………………………………… 321
20.1 建立臨時電路 ……………………………………………………………… 321
20.2 建立永久性電路 …………………………………………………………… 326
20.3 自制電路板 ………………………………………………………………… 329
20.4 探究通孔焊接 ……………………………………………………………… 331
20.5 探究表貼焊接 ……………………………………………………………… 332
20.6 元器件脫焊 ………………………………………………………………… 336
20.7 不破壞元器件的焊接 ……………………………………………………… 337
第 21 章 工具 ……………………………………………………………… 339
21.0 引言 ………………………………………………………………………… 339
21.1 使用實驗室電源 …………………………………………………………… 339
21.2 測量直流電壓 ……………………………………………………………… 340
21.3 測量交流電壓 ……………………………………………………………… 342
21.4 測量電流 …………………………………………………………………… 342
21.5 測量導通性 ………………………………………………………………… 343
21.6 測量電阻、 電容、 電感 …………………………………………………… 344
21.7 放電電容 …………………………………………………………………… 345
21.8 測量高電壓 ………………………………………………………………… 346
21.9 使用示波器 ………………………………………………………………… 349
21.10 使用函式生成器 …………………………………………………………… 350
21.11 模擬 ………………………………………………………………………… 352
21.12 安全用電 …………………………………………………………………… 354
附錄 A 零部件與供應商…………………………………………………… 357
附錄 B Arduino 引腳 ……………………………………………………… 367
附錄 C Raspberry Pi 引腳 ……………………………………………… 369
附錄 D 單位與單位字首…………………………………………………… 371
後記…………………………………………………………………………… 373
第 1 章
原理
1.0 引言
儘管這本書從根本上講是關於實踐而不是理論的， 但仍然不可能避免會涉及電子學理論
方面的內容。
特別是， 如果你理解電壓、 電流和電阻之間的關係， 很多其他內容會更容易理解。
同樣， 功率、 電壓和電流之間的關係也會多次出現。
1.1 電流的物理意義
問題
理解電子學中電流的物理意義。
解決方案
顧名思義， 電流在電子學中的意義與河流中的水流非常接近。 你可以想象電流的強度是
在水管裡每秒流過某一橫截面的水量。 水量可以用每秒多少加侖來表示。
在電子器件中， 電流是每秒內透過一個橫截面 ( 如圖 1-1 所示) 的電荷量。 電流的單位是
安培或 A。

圖 1-1： 電流流過導線示意圖
討論
對於很多電路來說， 1 安培是相當大的電流， 所以更多看到的是以 mA 為單位 (mA——
毫安， 千分之一安培 )。
參閱
對於像 mA 這樣的單位和有字首的單位列表， 請參閱附錄 D。
1.2 電壓的物理意義
問題
理解電子學中電壓的物理意義。
解決方案
在案例 1.1 中， 我們理解了電流是電荷流動的速率。 但是如果沒有對電流施加影響， 電
流也不會流動。 比如在水管裡， 水流動可能是因為水管的一端比另一端高。
要理解電壓， 可以把它想象成一個管道的高度。 這個高度是相對的， 所以， 水透過管道的
速度並不取決於管道高於水平面的高度， 而取決於管道的一端比另一端高多少( 如圖 1-2
所示 )。

圖 1-2： 電壓與高度的類比示意圖
電壓可能指的是導線兩端的電壓 (從一端到另一端 )， 其他情況下， 它可能指從電池的一
端到另一端的電壓。 它們的共同點是， 電壓的意義在於它必須指向兩個點； 更高一端的
電壓是正電壓， 標記為 +。
正是因為電壓差才使得電流在導線中流動。 如果導線的一端和另一端的電壓沒有差別，
電流就不會流動。
電壓的單位是伏特。 一個 AA 電池在它的兩端上大約有 1.5V 的電壓。 Arduino 的工作電
壓是 5V， 而 Raspberry Pi 的工作電壓是 3.3 V， 儘管它要求提供 5V 的電壓， 但它的工
作電壓只需要 3.3 V。
討論
有時， 電壓用來表示電子電路中的一個點的參考， 而不是兩個點之間的差。 這種情況下，
電壓就意味著電路和地面上某一點的電壓之間的差值。 地面 ( 通常縮寫為 GND) 是一種
當地的參考電壓， 用來測量電路中的其他所有電壓。 這就是我們所說的 0V。
參閱
要了解更多關於電壓的資訊， 請參閱案例 1.5。
1.3 電壓、 電流、 電阻的計算
問題
理解電壓是如何控制電流流動的。
解決方案
使用歐姆定律。
歐姆定律指出， 透過導線或電子元器件的電流 (I) 是導線或元器件兩端的電壓 (U) 除以元
器件的電阻 (R)， 換句話說：
V
I =
UR
如果想要計算電壓， 那麼這個公式可以變換為：
U = I × R
如果知道流過電阻的電流和電阻兩端的電壓， 就可以計算電阻：
V
R =
U I
討論
電阻是一種物質阻礙電流的能力。 導線需要較低的電阻， 因為通常不希望透過導線的電
流有不必要的損耗。 導線越粗， 對給定長度的導線的電阻就越小。 所以， 可能會發現用
幾英尺的細導線將電池與燈泡 (或者 LED) 連線起來可能會產生 0.1～1 歐姆的電阻， 而
電水壺的同樣長度的粗的交流插座電線可能只有幾毫歐姆 (mΩ) 的電阻。
電路中通常使用電阻來限制部分電路的電流。
圖 1-3 給出了一個電阻(R 曲折線)， 以及流過它的電流 (I) 和它兩端的電壓 (U)。

圖 1-3： 電壓、 電流和電阻
假設將一個 1.5V 的電池連線到一個 100Ω 的電阻， 如圖 1-4 所示。 希臘字母 Ω 被用作電
阻單位的簡寫 “( 歐姆” )。

圖 1-4： 電池和電阻
根據歐姆定律， 電流是電阻兩端電壓除以電阻的值 (可以假定導線的電阻為零)。
所以， I=1.5/100=0.015A 或者 15mA。
參閱
要了解電路中流過電阻和導線的電流會發生什麼變化， 請參閱案例 1.4。
要了解電壓和功率之間的關係， 請參閱案例 1.6。
1.4 電路中節點電流的計算
問題
計算透過電路中的任何一節點的電流。
解決方案
使用基爾霍夫定律。
基爾霍夫定律指出， 電路中的任何一個節點上， 進入的電流的總和等於離開的電流的總和。
討論
例如， 在圖 1-5 中， 兩個電阻並聯， 為其提供電池電壓( 請注意圖 1-5 左邊是電池的示意
圖符號)。
X
I/2 I/2
I
I
Y

圖 1-5： 並聯電阻
在 X 點， 電流從電池流向 X 點， 但是 X 點有兩個分支， 如果電阻是相等的， 那麼每個
分支就會有總電流 I 的一半透過它。
在 Y 點， 這兩條路徑重新結合， 所以這兩個流入 Y 的電流 I/2， 將組合成一個流出 Y 的
電流 I。
參閱
有關基爾霍夫電壓定律的相關知識， 請參閱案例 1.5。
要進一步討論電阻並聯， 請參閱案例 2.5。
1.5 電路中支路電壓的計算
問題
理解電路中的電壓是如何疊加的。
解決方案
使用基爾霍夫電壓定律。
討論
該定律指出， 電路中各個節點之間的所有電壓加起來為 。
圖 1-6 表示與電池連線的兩個串聯電阻。 假設這兩個電阻是相等的。
V
V/2
V/2
U
U/2
U/2

圖 1-6： 電阻串聯示意圖
若不考慮電壓極性， 就無法應用基爾霍夫的電壓定律。 在左邊， 電池提供 1V 的電壓，
由於兩邊電壓是相等的， 所以右邊兩個電阻分別得到與電池電壓方向相反(極性也相反)
的 U/2 電壓。
另一種理解這個電路的方法是 U 必須透過兩個電壓 U/2 來平衡。 換句話說， U=U/2+U/2
或 U-(U/2+U/2)=0。
參閱
這種電阻配對排列方式也用來降低電壓 ( 請參閱案例 2.6)。
對於基爾霍夫定律， 請參閱案例 1.4。
1.6 功率的物理意義
問題
理解功率的概念。
解決方案
在電子學中， 功率是將電能轉換成其他形式的能量(通常是熱量) 的速率。 它是以焦耳 /
秒為單位來計算的， 也被稱為瓦特 (W)。
當把一個電阻接通， 如 1.3 節中的圖 1-4 所示， 電阻會產生熱量， 如果熱量相當大， 電
阻就會發熱。 可使用公式計算出轉化為熱量的功率值：
P = I × U
換句話說， 功率(單位為 W) 是電阻的電壓 (單位為 V) 乘以透過的電流 (單位為 A)。 在
圖 1-4 的例子中， 電阻的電壓是 1.5V， 透過它的電流是 15mA， 產生的熱功率是 1.5V×
15mA=22.5mW。
討論
如果已知電阻的電壓和電阻的阻值， 就可以把歐姆定律和 P=IU 結合起來使用：
V 2
P =
U R
2
電壓 U=1.5V， 電阻為 100Ω 時的功率是 1.5V×1.5V/100Ω=22.5mW。
參閱
有關歐姆定律的相關內容， 請參閱案例 1.3。
1.7 交流電
問題
如何理解電的兩種形式： 直流電 (DC) 和交流電 (AC) 並弄清楚兩者的區別。
解決方案
到目前為止的所有案例中， 都是假定了一個直流電壓， 通常情況下都期望電池能提供一
個恆定的電壓。
AC 是由壁裝電源插座供應的， 雖然它可以降低到較低的電壓 (詳見案例 3.9)， 但通常是
高 (危險) 電壓。 在美國， 這個電壓是 110V， 在世界其他地方是 220V 或 240V。
討論
交流電的實質是電流方向隨時間發生週期性變化的電流。 圖 1-7 顯示了美國市電的交流
電壓是如何變化的。
ႂԌ (V)
200
150
100
50

-50
-100
-150
-200
8 16 25 33
ௐᫍ NT

圖 1-7： 交流電變化示意圖
首先注意電壓跟隨正弦波的形狀變化， 慢慢地增加， 直到它超過 150V， 然後經過 0V 下降
到約 -150V， 再回到 0V， 完成一個完整的週期大約需要 16.6 毫秒 (ms)。
AC 的週期( period ， 一個完整週期的時間) 和 AC 的頻率 ( frequency ， 每秒的週期數 ) 之
間的關係是：
1
frequency =
period
頻率單位是赫茲( 縮寫為 Hz)， 所以可以看到圖 1-7 中顯示的 AC 的週期為 16.6 毫秒，
也就是 0.0166 秒。 所以可以計算出頻率。
frequency = = ≈ 60Hz
period
1 1
0.0166
為什麼從插座輸出的交流電壓描述為 110V， 而實際上正負峰值的電壓差超過 300V ？ 答
案是， 110V 是等效的直流電壓， 可以提供相同的功率。 這被稱為 RMS(均方根) 電壓，
是峰值電壓除以 2 的平方根 (大約是 1.41)。 所以， 在前面的例子中， 155V 的峰值電壓，
除以 1.41， 結果大概是 110V RMS。
參閱
關於使用 AC 的更多資訊， 可參閱第 7 章中的相關內容。

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