电源电路设计方法范文

导语：如何才能写好一篇电源电路设计方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】电子技术；单元电路；设计方法

电子电路的设计方法和实现方法在EDA技术的发展下发生了根本性的变化。电子技术具有很强的实践性，在对电子电路系统进行设计的过程中，首先应该将系统的设计任务明确下来，依据任务选择方案，然后单元设计方案中的各个部分，选择参数计算和期间，最后有机连接各个部分，将一个符合设计要求的完整的系统电路图画出来。作为电子电路设计人员，对单元电路的设计方法进行熟练掌握，具备实际设计电路的能力尤为重要。

1.电子技术及单元电路概述

电子技术是依据电子学的原理，在解决实际问题的过程中应用电子器件将某种特定功能的电路设计和制造出来。包括两大分支，即信息电子技术和电路电子技术。前者又包括两个分支，即模拟电子技术和数字电子技术；后者是处理电子信号的技术，发生、放大、滤波、转换信号是其主要的处理方式[1]。

电子电路由电子元件和电子器件两部分组成。前者是指电子设备中的开关、电阻器、变压器等，后者是指晶体管、电子管等。按组成方式，我们可以将电子电路分为分立电路和集成电路两种形式。单元电路是整个电子电路系统中一个重要组成部分，常用的有放大电路、振荡电路、数字电路等几种。设计训练单元电路的主要目的是促进整体电子电路设计水平的显著提升[2]。

2.电子技术单元电路的设计步骤

2.1 明确任务

将本单元电路的任务明确化是设计单元电路前均需要明确的，设计单元电路的最基本条件是将单元电路的性能指标详细拟定出来。在设计单元电路的过程中，我们应该将电压放大的倍数、输入输出电阻的大小计算出来，并尽可能做到简单明了、尽可能地节约成本、使单元电路具有较小的体积和较高的性能等。

2.2 计算参数

计算参数的目的是使单元电路的功能指标达到实际需求。专业化的电子技术知识是计算参数的必要条件，比如，只有将各电阻值及其放大倍数计算出来，才能有效设计放大器电路；只有将电阻电容及其震荡频率制定出来才能有效设计震荡器[3]。在计算参数的过程中，同一电路可能得出一组以上的数据，这是我们就应该给予数据选择方法以充分的重视，保证所选择的数据达到并符合完成电路设计的要求，并能够在实践中得到有效的应用。

2.3 画出电路图

在电子技术单元电路的设计过程中，我们需要将完整的电路图绘制出来，这样做的目的是对单元电路和整机电路的连接关系进行详细的表达。同时，设计者还应该依据单元电路之间的相互配合和前后之间的关系将电路结构尽可能地简化。比如，在确定各单元电路之后，应该给予单元电路之间的级联设计以充分的重视和考虑，从而将浪费及工作量减少到最低限度。给予各部分输入信号、输出信号和控制信号之间的关系以充分的重视，对输入、输出进行模拟，完全隔离输入、输出、电源、通道，分割直流电流、电压信号为多路不同或相同的电流、电压信号，从而使同时采集控制不同设备的目的得到切实的实现。首先，注意电路图的可读性。在绘图的过程中应该尽可能地在一张纸上画主电路图，在另一张纸上画比较独立和次要部分，标记号图的端口和两端，将各图纸之间的信号的引入和引出标出来；其次，注意信号的流向及图形符号。一般情况下，我们可以将起始点设在输入端和信号源，然后依据信号流向从左到右、从上到下将单元电路画出来。同时，还应该将适当的标注加在图中，保证图形符号的标准性；再次，注意连接线画法。用直线连接各元件，并尽可能地减少交叉[4]。一般情况下，应水平或垂直布置连接线，尽可能地不画斜线，用原点表示互相连接的交叉。

3.电子技术单元电路的设计方法

3.1 对于线性集成运放组成的稳压电源的设计

调整部分、取样部分、基准电压电路等是单元电路中串联反馈式稳压电路的主要组成部分。设计线性集成运放组成的稳压电源的主要功能是过流和短路保护，起到对电路的保护功能的标准为负载电路达到限额。在对其的设计过程中，直流电通过整流出来后，用滤波将其波文系数降低，从而对负载进行直接的带动，但是这种电路无法起到稳压的作用，因此，应该依据一定的技术指标设计稳压电源。

3.2 单元电路之间的级联设计

在确定各单元电路之后，设计者还应该给予单元电路之间的级联问题以充分的重视并认真考虑。阻抗匹配、负载能力匹配等是单元电路之间电气性能相互匹配的主要问题，设计者应该谨慎认真地思考这些问题。如果没有过高要求驱动能力，则可以运用运放构成的电压跟随器；如果对驱动能力要求高，则可以运用互补对称输出电路或功率继承电路；如果为数字电路，则可以运用单管反向器或达林顿驱动器等。从本质上来说，单元电路之间的级联设计问题就是模拟单元电路之间的相互干扰及匹配问题[5]，在整个电路的正常运行中起着至关重要的作用，值得我们予以充分重视。

3.3 对于运算放大器电路的设计

UA741、OP07等均是依据工业上的普通用途设定的运算放大器电路，具有中等的性能和极为便宜的价格。在设计运算放大器电路的过程中，应该将单双电源供电、电源电流选择出来作为基本参数，同时将失调电压、失调电流、电阻输入，对速率进行有效的转换，将时间确定下来。在运用运算放大器时，如果没有特殊要求，应该尽可能地运用通用性运算放大器。指标的先进性不应该成为设计过程中选择各种参数的唯一依据。当运算放大器作弱信号放大时，所选择的运算放大器应该具有极小的失调和噪声系数，同时保持等效直流电阻运放同相端和反相端对地。为了将运放的高频自激有效消除掉，设计者应该依据推荐参数将适当的电容消振介入规定的消振引脚之间，同时对两级以上放大级级联的情况进行有效的预防和避免，以将消振困难减小到最低限度[6]。

随着科技的飞速发展和社会的不断进步，电子电路的种类越来越多，因此需要各种不同的有针对性的设计方法。在集成发生电路的快速发展的过程中，各种专用功能的新型期间不断涌现出来，对电路设计工作提出了新的要求，集成块直接组装逐渐取代了传统的分立原件电路的设计方法。因此，设计者应该将注意力逐渐从设计单元电路向设计和规划整体方案转移，清楚明了各种集成电路的性能和指标，在选取集成器件的过程中严格依据实际需求，并能合理地进行单元连接，从而成功完成总体系统的设计，同时在日常工作中积极积累经验、深入研究其设计原理、努力改进及设计方法，为推动社会各方面的发展做出积极的贡献。

参考文献

[1]许开君，李忠波.模拟电子技术[M].机械工业出版社， 2009.

[2]邓木生.电子技能训练[M].机械工业出版社，2012.

[3]丘立尚，张琳.电工与电子技术基础[M].华南工学院出版社，2012.

[4]高吉祥.基本技能训练与单元电路设计[M].电子工业出版社，2011.

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关键词：可靠性仿真技术；课改要求；任务驱动；电路设计

1基于可靠性仿真技术的电路设计需求分析

基于可靠性仿真技术的电路设计主要是以虚拟仪器设备替代现实电子元器件，从而为电子电路的实践教学提供有效支撑，从而更好了践行“理实一体化”的教学理念，促进学生实践技能的提升，促使课程回归教学的本质。1.1实践性教学开展的内在需求。基于可靠性仿真技术的电路设计，学生可以参与拟订设计方案、仿真模拟等环节，从电路的设计方案、仿真模拟等环节，能够将晦涩难懂的理论知识与实践知识相结合，帮助学生提升实践技能。1.2实现层次化和差异化教学的必然选择。关涉电路设计的技术型教学内容涉及的元器件较为繁杂，且不同元器件性能、参数、封装形式、价格、功耗等存在较大区别，在教学过程中需要反复的实验、测试，这增加了设备投资成本，而且因为学生个性化差异，学习、接受能力各不相同，加之电子元器件复杂程度的不同，应该据此分层次设定目标，以贴近生活、学生所喜爱的教学内容，以“任务驱动”的形式引导学生进入知识和技能的学习，但这势必增加电子元器件的投入，而仿真模拟电路的设计可以利用仿真软件呈现电子电路的操作面板和功能，并通过交互式操作完成相应测试任务，不仅满足了教学需求，而且控制了教学成本。

2基于可靠性仿真技术的电路设计方案

2.1电路设计的整体流程。可靠性仿真技术可以检验电路存在的故障并发现设计的薄弱环节，从而有针对性的进行改进，为了遵循由简入繁的原则，以有效调动学生学习热情和积极性，本文以典型电路电源模块设计为例，设计过程中首先应该进行可靠性仿真实验，其具体的流程如图1所示。2.2电路设计的具体步骤。2.2.1设计信息采集。为了实现电源电路的优化设计，应详细搜集其应用环境和使用方法等信息，具体包含所采用的元器件、原材料特性2.2.2数字样机建模。电路设计中数字样机建模须采用专业软件实现，但因为学生学习、接受能力存在差异，应该目标层次，将设计过程进行分解，并以“任务驱动”的形式，将不同设计知识分配到各个任务之中，让学生通过分步设计完成理论知识的实践应用，由此才能确保电路设计学习的效果，通常存在热设计信息和振动设计信息两类建模方式，具体的建模步骤为：首先根据将所获取的电路信息进行简化，完成CAD数字样机模型的构建，并依据热设计信息建立CFD数字样机模型，而后依据振动设计信息建立FEA数字样机模型。其次，为确保CFD数字样机与物理样机的一致性，须对其进行修正与验证，利用对电源模块工作状态热测量的方式，获取其关键元器件点温度测试数据，并根据所得结果修正电源模块CFD数字样机的边界条件、期间参数，由此实现对CFD数字样机的修正。再次，同理，也须采用相同的方法对FED数字样机进行修正，且测试过程中，应该在约束条件下对电源模块重点部位，关键元器件进行模态分析，并依据结果完成修正。2.2.3应力分析。温度应力分析选用MentorGraphics公司的FloTherMV90分析计算电源模块CFD数字样机模型，经过分析可知，电源模块设计中如元器件排布不合理，则会导致电路设计存在热分布过度集中的缺陷。分析中，平台环境温度70℃设定为第一参考温度条件，电源模块表层军温度72℃设为第二参考温度条件，经过分析，为电源模块所在分级提供5V工作电源的功率器区域，是热分布较集中的部位，需要修正电路设计方案。而对于振动应力分析，则选用ANSYS公司的ANSYSWorkbench12.1分析计算电源模块FEA数字样机模型，分析结果显示，电源模块中元器件数量和重量排布、安装方式设计不合理，使得电源模块产生局部共振的设计问题，应该据此进行及时修正，以优化电路设计。

3结束语

本文将可靠性仿真技术引入电路设计之中，将电路细化分类，并根据学生个体差异由简入繁、逐步引导，实现了教学目标的分层实现，也将培养学生的实践技能真正落实到实处。

作者:宋月丽 刘立军 单位:辽宁机电职业技术学院

参考文献

[1]王朝新,任斌,陈洁,董绪.基于虚拟实验平台的模拟电子技术课程设计开发与仿真[J].电子设计工程,2012,14:44-47.

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【关键词】二线制；电源；TLC5615；MAX409A；功耗

1.引言

二线制仪表，是将工业现场的检测信号，如温度、压力、速度、流量等参数，转换为4-20mA的电流信号，传送到远距离外的控制室，以便于对生产过程进行控制。由于电流信号对噪声不敏感，不易受寄生热电偶和温漂的影响，普通双绞线上可以传输几百米距离，利用250Ω取样电阻就可以将4-20mA电流信号变为1-5V的电压信号，不受传输线的电阻影响。同时，二线制仪表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的电流通断不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤矿、石油天然气等领域的应用越来越广泛。同时二线制变送器具有布线简单的特点。

由于二线制仪表，本身由电流环路供电，所以电流环仅能提供4mA以下的电流为仪表供电，所以对仪表的功耗提出苛刻要求，不能采用常规的方法进行电路设计，为设计人员带来了困难，如何能设计出高性能、高精度的二线制智能仪表，是目前国内许多厂家迫切需要解决的问题。

本文对二线制仪表通用的电源设计和电流环电路设计，进行了详尽的理论分析，结合多年的工业现场的实际应用，提供了简洁实用的应用电路，采用此电路设计生产的二线制超声波物位计，经多家工业现场实际验证，性能稳定，产品输出电流精度满足设计要求。

2.二线制变送器系统方框图

如图1所示，4-20mA电流环路输入的24V电压，经过电源单元转换为5V精密电源，为整个系统供电。主控单元控制超声波的发射和回波信号处理，然后将处理的测量数据，通过D/A和V/I转换单元，输出4-20mA电流，接收端通过负载电阻（250欧姆）取出电压信号，同时与电流环24V电源地相连构成回路。

图1 二线制超声波测量系统框图

3.二线制变送器电源设计理论分析

二线制仪表的原理是利用了4-20mA信号为自身提供电能。如果仪表自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求二线制仪表自身耗电（包括传感器在内的全部电路）小于4mA。

（1）电压条件：在仪表电流环路中，一般取样电阻R=250Ω。当电流I=4-20mA变化时，取样电压为U=1-5V之间变化。考虑到可能会串接其他仪表，以及传输电缆的阻抗，线路阻抗R的最大值可取350Ω，因此在20mA时，仪表两端电压为（24V-20mA×350Ω）=17V.4mA时，仪表两端电压为（24V-4mA×350Ω）=22.6V，所以仪表的工作电压不能大于17V。

（2）电流条件：仪表中总功耗电流要小于4mA。

（3）功率条件：

20mA时，电流环提供的功率最大：

P=20mA×17V=340mW。

4mA时，电流环提供的功率最小：

P=4mA×22.6V=90.4mW。

所以仪表消耗的功率理论上不能大于90.4mw。

4.变送器电源单元设计

电路设计的关键是降低电源电压转换的功耗，转换效率要高，静态电流要小。

将电流环仪表两端的17V-22.6V电压，降压处理，有两种方法。

第一种是直接采用线性稳压芯片，将输入电压稳压到5V，这样会造成稳压芯片本身功耗太大，无法满足其它电路的功率要求。

第二是采用开关型DC/DC芯片，又称为BUCK降压开关电源，电源效率一般高于85%以上，但开关型电源芯片是利用储能电感储能，输出的5V电压是脉动的，电压纹波噪声不能满足D/A及CPU控制芯片的要求。

综合考虑，本电路设计采用“开关型DC/DC芯片+LDO线性稳压器”方式，即利用开关型DC/DC芯片，将电流环提供的高电压降低，然后利用低压差线性稳压器来提高仪表电源的纹波抑制比。同时选择的芯片器件要少，减少能量损耗；

设计电路如图2所示：

图2 电源模块电路图

图2中，L1为储能电感33μH，D1续流二极管，FB=1.25V。开关型降压DC/DC芯片为MAX1776，是MAXIM公司的新型低功耗芯片，静态电流为15uA电压转换效率为95%以上，输入电压范围：Vin=4.5V～24V，输出电压可以通过电阻R1和R2进行调节，输出电压可在1.25V～Vin之间变化。

Vout=1.25×（1+R1/R2）

本设计中，MAX1776输出电压为7V，按电源效率95%计算，可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

低压差线性稳压器，选择为MAX603，是MAXIM公司的超低功耗器件，静态电流15uA。MAX603输入电压范围是2.7V-11.5V，将引脚SET接地时，典型的输出电压为5V，输出电流200mA时，典型压差0.5V，为保证稳压电路可靠工作，考虑脉动成分，所以设定MAX1776输出电压为7V。

5.4-20mA电流环电路设计

4-20mA电流环输出信号，是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度。

本部分电路由D/A和V/I变换部分组成，D/A部分选用美国德州仪器公司的具有串行接口的模数转换芯片TLC5615，它是超低功耗（1.75mW MAX）10位数据、3线串行接口，5V单电源工作，输出电压范围是基准电压的两倍，1.2MHZ更新速率的高精度D/A转换芯片；

V/I变换部分采用MAX409A芯片，是美国MAXIM公司的单电源、微功耗精密单运放，是现今唯一能以1.2μA供电电流工作的运算放大器。MAX409A主要参数：单电源供电2.5V-10V，增益带宽积150，稳定增益10，工作时静态电流1.2μA。

电流环输出模块原理图如图3所示：

图3 4-20mA电流输出电路

工作流程如下，主控CPU芯片将超声波测量单元，测得的二进制数据，通过D/A变换为0.5V～2.5V直流电压值，分别代表量程0和满量程，然后通过V/I变换电路实现4-20mA电流信号输出。

V/I变换原理：设定TLC5615输出电压为V，R3与R5的节点电压为V1，根据运放虚短原理及输入阻抗为无穷大，MAX409A的输入端电压为零电位，有，由于V1=-I×R5当R2=200KΩ，R5=50Ω，，通过调整R3阻值（80KΩ），将0.5V-2.5V输出电压转换成4-20mA电流输出；

经产品测试，采用此电路的超声波物位计的测量精度达到0.2%。

6.结论

二线制仪表的设计，是工业设计的一大难题，本文通过对二线制仪表的理论分析，提供了实用的电源设计方案，以及电流环的应用电路，通过采用超低功耗新型芯片，电路简洁，器件少，极大地降低了功耗，为整个系统的稳定工作和优化设计，提供了保证。采用此电路的二线制超声波物位计，经过工业现场实际应用，性能稳定，精度达到国际先进水平。

参考文献

[1]赵海鸣，英勇，王纪婵.一种高精度超声测距系统的研制[J].矿业研究与开发，2006（3）：62-65.

[2]王利军，田亮.二线制4-20mA仪表的电源设计[J].电力科学与工程，2010，26（5）：47-50.

[3]吴叶兰等.基于MSP430的二线制多功能表头[J].2011 （10）：59-60.

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导波式雷达液位计是把一根或两根导波杆从罐顶伸入、杆末端与罐底有一定距离，通过导波杆发射和接收信号。它也采用发射脉冲信号来进行测量，其回波信号的幅值大小主要取决于被测液体的介电常数，由于采用了导波杆结构作为传输的介质，信号损耗小、能量比较集中，从而回波信号质量更好。它还具有方向性好，穿透性好的优点。

系统总体设计

根据系统要求，本设计采用脉冲时域展宽电路进行信号处理，如图1所示，在收发电路的硬件电路上增加脉冲时域展宽电路，主要是实现回波信号在时间轴上把信号放大K倍。放大后的信号变换成毫秒级信号，就可以使用比较器比较出来，再用单片机进行信号的捕获。

系统采用分块化的设计方法，分别把各部分具体化实现，最后达成一个高效的系统。导波雷达液位计结构组成如图2所示，包括：电源电路、LCD显示电路、键盘电路、电源监控电路、外存储器电路、单片机及电路、信号测量电路、信号变换电路、脉冲收发电路、信号调制电路、通讯模块电路和机械部分。

导波雷达液位计工作过程

根据不同的测量环境，导波雷达液位计在工作之前，通过键盘设定一些测量需要的参数，以便能准确地测量出不同使用条件的液位。

系统的工作过程是：首先由单片机产生一个460kHz的周期性信号和输出占空比为30%且周期同为100ms的PWM信号，同时定时器开始计数。这几个信号通过信号变换电路来产生模拟电压信号，送给前端高频部分进行窄脉冲生成和发送，在经过液位的发射以后，依据时域反射原理，产生相应的回波，被同一发射板接收回来。回波信号经过脉冲时域展宽电路和低噪声放大处理。通过设定一定的同轴电缆长度，回波信号中的顶部回波可以被去掉，只剩下实际要处理的真实液位回波信号，这个液位回波信号将被送入信号调理模块处理。液位回波信号经过可变增益放大后，放大至固定峰值电压的信号，再送给比较器比较，比较出液位回波的时刻。操作员可以通过单片机捕获导波雷达液位计测量的液位回波时刻。由此，计算出窄脉冲的传播距离及液位。依此不断循环，每秒计算10次均值液位量，得到一个稳定的显示效果。根据罐体的设定，可以得到罐体的高度，进而得到罐体内介质的体积等。

硬件电路设计

电源电路设计

根据导波雷达液位计使用工况的要求，系统使用+24V直流来供电，系统电源电路如图3所示。系统电源电路使用AD421芯片，AD421是一种可以产生4～20mA电流输出的DAC。导波雷达液位计使用它实现回路供电，还为整个系统和其他电路的芯片等提供工作电源和相应的参考电源。

系统把AD421芯片的几个引脚的输出作为电源，使用它输出+5V作为电源电压输出及产生+1.25V和+2.5V作为参考电压。图中AD421在J1接口处引入+24V直流电源，组成一个电流回路，电流的大小由AD421几个控制端来控制。单片机通过三个I/O口来控制AD421的电流输出。图3中的Q1为一个场效应管。图中第8脚LOOP和T1组成了电流环回路，从中能检测出输出的电流值。

同时，单片机稳定工作还需+1.8v到+3.6V的电源电压，所以要把上述得到的+5V电源转换到这个范围内（通常为+3.3V）。本文采用HT7133芯片进行电源转换。HT7133是一种功耗很低的输出电压为3.3V的电压调节器，它只有3个端口，在其输入端之前采用二极管进行过流保护。

信号变换电路设计

导波雷达液位计的单片机发出的控制信号必须通过信号变换变成相应的模拟信号，才能进行信号调制、功率放大以及收发电路再送至机械部分的同轴导波杆上传输。根据要求，系统由计数器电路和DAC电路依次组成信号变换电路。

计数器电路设计

计数器部分的作用是把单片机输出的串行数据分频变成12位并行数据。信号变换的计数器电路如图4所示。所选芯片是74HC4040M，它是一种12位的二进制纹波计数器。作为时钟的输入端口，MR则是它的实现异步主复位功能的输入端口和QO～Q11为计数器的12个并行的输出端口。在此选用了两个计数器，第一个计数器是把PWMO信号（460K信号）进行8分频，第二个计数器再对8分频后的信号依次进行2分频后再分12位进行输出。

对于图中的每一路输出，如果MR是低电平，则每逢处于下降沿，相应的输出引脚就产生一个高电平信号，这样Qo～Q11的输出就进行了计数：而当MR处于高电平时，不管是什么值，所有计数输出都为低电平。12路计数输出的频率是依次2分频得来的。

图中的74HC4040M的输入信号PWM0和PWM1信号是单片机产生的周期性脉宽调制信号，分别为460k信号和周期100ms占空比30%的信号。第一个计数器首先把PWMO信号进行8分频产生一个输出送到第2个计数器作为，再把这个分频后的信号再进行分频计数，进而得到12路并行的周期性计数信号（A0―A11），再送给12位TDAC转换为模拟信号。将PWMl作为第2个计数器的MR，可以来控制各路只有在高电平的30ms内有输出，得到的信号送至DAC进行转换。

DAC电路设计

DAC电路将计数器电路生成的12路并行计数信号进行转换，并产生对应的模拟电压信号。DAC电路如图5所示。

DAC选用一种速度很快的12位D/A芯片AD7945。AD7945使用+5V单电源供电，其功耗可以小至5μw。AD7945的输入是计数器产生的12路并行信号，可以从0计数到2048。第1个引脚IOUTl产生的是转换后对应的电流输出，需再经过一个运算放大器以后，才变成对应的模拟电压信号。

导波雷达液位计受介电常数和杆长等影响，信号在导波杆上的衰减程度不同，因此需对信号幅值大小进行调节。为了使输出信号的幅值足够其在杆上有效传播并接收，系统采用单片机控制这个幅值的大小变化。图5中的VREF就能起此作用，单片机通过I/o端口对数字电位计的值调节，就能实现调节输出电压VOUT的幅值，进而调节前端信号调制后输出到导波杆的信号幅值。在被测液体介电常数小的时候，需加大VREF的值，反之则减小VREF的值。

信号测量电路设计

信号测量电路设计包括可变增益放大器电路、信号比较器电路和数字电位计电路等。

可变增益放大器电路设计

在进行液位测量时，导波雷达液位计收发电路发射的脉冲信号的幅值是一个固定值。而从介质液面反射的回波信号幅值不固定，其幅值大小受介电常数、导波杆的结构、杆长等因素影响。

针对不同的使用工况，需要把回波信号在垂直方向上放大处理，用放大器的增益来补偿电缆产生衰减引起的变化，对信号的幅值进行调节，便于后续的信号比较电路进行比较。可变增益放大电路如图6所示，设计采用运算放大器AD8554，它是一种四路零漂移的低噪声放大器，失调电压极低（仅为lμV）、零输入失调电压漂移以及极小偏置电流。

图6中的INPUT信号即为收发电路板输入到信号调理电路的液位回波信号，PWMl为单片机输出的周期100ms占空比30%的脉宽调制信号，用于控制信号选取的时序信号。

可变增益放大电路的工作原理是单片机通过操作一路数字电位计的大小来调节放大的增益，实现输入信号的放大改变。该电路设计的增益范围为0―54dB。数字电位计值的选取主要取决于导波杆的类型、介电常数的大小和导波杆的长度等。

信号比较电路设计

由时域反射原理可知，从发射板得到的信号是液位回波信号，无液位时回波信号是正脉冲，有液位时则是负脉冲信号。所以对于后端信号处理需要获取着两种不同情况信号的时刻。

本设计采用TLC339作为比较器芯片，快速响应时间只有为2.5μs，功耗极低。同时，在比较器电路后还使用了低功耗的74VHCOO来组成与非门电路，它的高速转换时间仅有3.7ns。

信号比较电路比较的信号为脉冲时域展宽后的毫秒级信号，是实际信号传播时间的K倍，这部分器件响应速度的快慢对于信号计算影响非常大。电压比较器电路如图7所示。

回波信号首先经过两路比较器进行比较，再经过与非门电路，最后送入单片机进行处理。有、无液位时都能收到回波信号。为了区分有、无液位这两种情况，需要采用两个比铰器。

无液位时，第一路比较器能够比较出正脉冲，另外一路则没有输出信号：有液位时恰好相反，第一路比较器没有输出信号，另外一路则比较出正脉冲。由此，在有、无液位的时刻都能捕获到脉冲的时刻，根据信号的时刻不仅能区分出是否有液位，还能区分出液位的真实高度。在经过比较器比较后，可以比较得到回波的脉冲时间，然后再经过与非门电路后就可以得到液位回波的触发脉冲REVl和REV2信号，之后再送给单片机处理。

数字电位计电路设计

单片机可以通过数字电位计芯片来迅速改变电阻值，来调理电路部分的增益和比较电压。本设计使用256bit的数字电位计芯片AD8403ARU100，它包括四个可选电阻，电阻值最大都为100k。单片机可以通过三路SPI端口来输入和更改阻值。

AD8403ARU100电路如图8所示，具体每个通道都应用在各个电路中了。图中每个通道的w端为可滑动端，win与两头的B端、A端间电阻值的计算为：

MSP430F149电路设计

导波雷达液位计的单片机电路设计主要有电源监控电路和按键电路等。

电源监控电路：电路使用了IMP706s，它能够监控的电压是2.76V，起到监控电源是否稳定的作用，在电源电压下降低于2.76V时能够及时进行复位。通过定时1.6秒喂看门狗来不断循环监测电源信号，使得当程序不对时，通过这个芯片的看门狗也可以及时进行复位操作。

单片机的按键电路：按键仅仅使用了UP、DOWN、ENTER三个按键，而且分别接了三个上拉电阻，分别代表上翻、下翻、确定操作。通过这些按键能够调用各个具体菜单的模块，从而完成介电常数、杆长、零点、满点等各关键的参数的设定、修改和液位的显示。通过按键可以引起单片机的I/O口产生中断，从而确认到底是哪个按键按下，以便软件来实现对应的菜单跳转或者修改功能。

系统软件设计

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关键词：液压支架；监测；电路设计

1 液压支架监测系统模型的建立

1.1 无线通信技术

液压支架工作环境比较复杂，通信频率、巷道的倾斜程度和井下的导体等多种因素都会影响无线通信信号。因此在设计矿井液压支架压力监测系统时必须要考虑到井下的特殊环境，考虑数据传输的可靠性。通过对目前市场上常用的无线通信技术比较，本文将ZigBee短距离无线通信技术应用于矿井环境监测中。

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率的双向无线通信技术，有自己的标准协议，可以在很多鞲衅骷浣行通信，具有很强的自适应性，主要应用于自动控制领域，同时可以实现系统定位，具有低功耗、近距离、短延迟、低速率、低成本、网络容量大、高安全性、工作频段灵活的特点。

1.2 液压支架监测系统组网模型

液压支架会随着煤矿开采工作的推进而移动，但移动的距离很短。液压支架的排列呈直线型，针对液压支架的这种物理排布情况，节点的分布也应是带状的。采用星形与网状的混合网，网络中的路由节点与协调器组成网状结构，结构简洁、节点功耗减少，每个星形网络内的通信采用单跳通信，网状结构中的路由节点采用多跳通信。在实际工作环境中，每个液压支架上放置一个采集节点，每隔3个液压支架放置一个路由节点。在矿井实际环境中，液压支架的排列呈直线型，节点的分布是带状的，整体网络组成簇型线状网络拓扑结构。

2 电路详细设计方案

监测系统的硬件设计方案分为2部分，一是终端采集节点，二是路由节点。终端采集节点包括电源管理模块、传感器、信号调理电路。终端节点采用定时唤醒模式，降低功耗，提高监测系统的使用寿命。终端采集节点与路由节点通过线缆连接。每个路由节点最大可以连接3个传感器节点，即相邻的三个液压支架需要采用同一个路由节点。每个路由节点配备一个5V的电池供路由节点与传感器节点使用。路由节点将从终端节点获得的模拟信号经过ADC芯片转换为数字信号，并通过ZigBee射频口传送给井下汇聚节点。路由节点也带有显示功能与按键，可以任何时候被唤醒查看3个终端节点的压力数值。

终端采集节点的作用如下：将压力传感器转换的微弱模拟信号进行放大并通过线缆传输给路由节点；每个终端采集节点带有一片数据记录芯片，对由于传感器及放大电路带来的误差进行偏差校准。

路由节点的作用主要如下：每个路由节点需要有一个5V电池供电路板使用；每个路由节点可以连接3个终端采集节点，对终端采集节点的模拟信号进行处理并通过RF模块传送给井下汇聚节点；路由节点带有简单的显示模块，便于工人就近查看支架压力；路由节点需要有相应的按键，以便在屏幕关闭情况下唤醒屏幕；路由节点电路板能对每个功能模块进行电源管理，便于降低整个系统功耗；路由节点单片机必须采用低功耗单片机；路由节点的电压输入需要适应较宽的电压范围。

终端节点电路板设计能使用目前市场上绝大部分的压力传感器，且内部带有数字校准芯片，可以对每一套终端节点由于分离元器件带来的偏差进行校准。

煤矿中的电磁干扰较大，为了调高测量精度，此方案设计必须把压力传感器与信号放大电路就近放置。且此方法可以把由传感器与放大校准电路组成的模块变为一个液压监测的一个标准化变送器。

2.1 放大电路部分设计

为了能更好的调配放大电路的带宽、放大倍率，放大器没有选择专用的仪表放大器而选择了四个独立的高性能放大器TI公司的OP4376，相对于普通的仪表放大器一般偏置电流在几十pA以上，输入偏置电压在几十微伏级别，OP4376有较低的输入偏置电流典型值0.2pA与输入偏置电压典型值5uV，可以对uV级的信号变动进行采集。且此运放的价格TI官网公布为1.4$，并不贵。经过实测此电路设计的输入采样精度能达到5uV。

2.2 电源部分设计

电源芯片采用的是MCP1252，为目前市场上用量较大的一款电源芯片，输入电压范围相对较宽，且属于无感式开关电源芯片，可以缩小终端节点的体积。效率相对也比较高。而且带有电源管理控制引脚，可以对终端节点的功耗进行有效管理进而降低整个系统的功耗。

2.3 校准电路设计

本文建议校准芯片采用一线制的数字EEPROM芯片，具体型号不再指导。

2.4 路由节点电路设计：

2.4.1 电源模块设计

整个系统输入电源由电池供电，电压比较稳定，考虑到电池在满电与低电压两种情况下压差较大，本文采用了宽范围的输入电源芯片TPS63060（输入电压范围2.5-12V），此电压范围能使用大量的本安电源。且此电源芯片的电流高达2.25A足够整个系统使用，即使是输入的电压降到2.5V级别。

本设计还采用了3个mos开关管对系统的不同终端节点的电源进行管理，在电源功率方面采用了信号控制与电源切断双重保护的方式来降低功耗。

2.4.2 接口电路

接口电路中有3个连接终端节点接插件，包括插头输入检测（插头第6引脚与第5引脚通过在插头上短路，进行判断终端节点的接通），对输入信号做了RC滤波与SMBD7000钳位保护处理。

在与ZigBee模块通信上采用了串口通信，此处不再做介绍。

整个系统的单片机采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC输入引脚。可以利用此引脚直接对终端节点传来的信号进行模数转换。为了现场方便查看设置了两个按键开关（KEY1 KEY2）与6位8段数码管，可以通过软件编写实现现场的液压支柱压力检测、电池电压检测、RF通信连接等功能。

整个电路在设计中严格按照矿用本安电路设计，属于本安型电路，若再配本安型电池为系统供电后，本系统就可以变为本安型矿用液压支柱监测系统。此系统电路经过实际测试正常情况下整个系统功耗在mW级别，且经过15个月的测试未发现任何不良现象，完全能够使用到实际现场。

参考文献

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【关键词】电子电路设计；调试方法；步骤

当前，随着社会经济的不断发展和科学技术的不断进步，我国的电子行业已在市场经济领域中得到了大规模的发展，同时也得到了广泛的应用。其中，对于电子设备来说，电子电路的设计是其中的一个关键性内容，为了有效地满足社会对电子行业的需求，人们对电子电路的设计质量也提出了更高的要求，而电力的调试工作作为电子电路设计中的一个核心内容，重视和完善电路的调试工作便显得尤为重要，其对优化电子电路的设计质量具有非常重要的影响。

1电子电路设计常用的调试方法

电子电路设计常用的调试方法主要有两种，即分别为分块调试法和整体调试法。下面主要对此两种方法进行了一定的分析。

1.1分块调试法

在进行电子电路设计时，分块调试法的应用主要是将整个电子电路按照一定的规律分成不同类型的模块，然后再对每个模块进行调试。通常情况下，其主要是按照电路的不同功能进行划分的，由此则可以对不同电路部分的性能进行单独地调试。其中，在实际调试作业过程中，为了保障电子电路分块的科学合理性以及调试工作的正常开展，相关工作人员应首先对电子电路的工作方式、工作原理进行具体地掌握，然后在实际的调试过程中应严格按照电路的信号流通线路进行具体地划分，从而便可以将电子电路划分成多个级别。在此前提下，工作人员则可以对电子电路进行一级一级地作业，以更加有效地完成对电子电路的调试。此外，分块调试法还适用于边安装边调试的情况下，即在整个电子电路中每安装完一个模块就可以对其进行相应的调试工作。与在电子电路安装完毕之后再进行分块调试的模式相比较的话，虽然该调试方式会在一定程度上增加调试工作的难度，但是该工作的效果却是比较理想的，其不仅可以在电力电路安装的过程中立即发现其间可能存在的故障模块，且当电子电路安装完毕之后，与之相对应的调试作业也便同时完成了。在实际作业过程中，分块调试法常被普遍应用于较小的电路中。

1.2整体调试法

与分块调试法不同，整体调试法主要是在整个电子电路都安装完毕之后再对其进行一次性地总调试，而并不对每一模块进行单独地调试。一般情况下，整体调试法常被应用于结构简单的电子电路中，但其也可以取得良好的调试效果，尤其是对于一些无法分块调试的产品来说，整体调试法的应用在其中具有着极其重要的意义。

2电子电路设计常用的调试步骤

在对整个电子电路进行调试的作业时，相关工作人员需掌握具体的调试方法和调试步骤，以保证调试工作的正常开展。其中，在进行电子电路调试工作之前，其需做好相应的准备工作。①工作人员需准备好相关性的技术文件，这是保证调试工作正常运行的首要内容，如准备好电子电路的线路图、电力系统的设计原理、设计说明书等文件，这些重要的文件都可以为调试工作提供良好的理论依据。②在进行调试工作时，其也需要借助相应的仪器设备，因此工作人员需准备好相应的使用仪器。一般情况下，调试工作的开展需要的仪器工具主要有万用表、示波器、信号发生器等，因此在进行电路调试的时候，工作人员还需掌握仪器的性能和使用，以更加有效地完成调试工作。除此之外，在准备好相应的仪器设备后，工作人员还需检查仪器是否完好。③调试场地的准备也是调试工作中的一个重要内容，工作人员需做好调试场地的准备工作，如保证场地的清洁、无漏电风险等。在做好相应的电子电路调试前的准备工作之后，则需开始进行具体的调试步骤。一般情况下，电子电路设计常用的调试步骤主要有四步，则分别为线路检查、通电检查、功能检测以及指标检测。下面主要对此步骤进行了具体地分析。

2.1线路检查

在电子电路设计调试作业中，开展线路检查的内容主要包括两个方面。①线路检查即为直观性的检查，在该作业过程中，其主要是检查电子电路的线路连接是否正确，看是否存在错线、少线、多线的情况。此时，为了保障检查工作的质量，相关检查人员可根据电路的设计图纸进行一定的对比，并可在检查的过程中在图纸进行相应的标记，以此不仅可以保障检查工作的思路清晰性，且还能全面地提升线路检查的效果，避免出现漏查的现象。②线路检查还需对元器件的连接方式进行相应的检查，此时在作业过程中则需要借助一定的仪表检查元件的连接是否正确、元件的连接是否到位等。例如，在实际检查作业中，工作人员可以运用数字万用表进行测试，其主要需观察连线两端连接的元件引脚位置是否与设计图纸的相对应，而通过观察则可及时发现引脚与连线接触不良的故障等。

2.2通电检查

通电检查主要是对接入电源的电子电路进行通电性的检查，以保障整个电路的安全性能。其中，在实际检查作业中，通电检查是不接入任何信号源的，其主要是在接入电源之后观察整个电子电路是否存在冒烟、冒火、出现异味等一些异常的情况，且只有首先进行最初的观察与判断才利于后续的进一步检查。对于正常运行的电子电路来说，其在通电之后并不会出现发热、发烫的情况，因此当观察到通电检查中存在任何的异常情况时，相关人员也无需太过紧张，其首先需要做的事便是立即切断电源，然后根据实际发生故障的位置进行相应的处理，如可将发生故障的元器件拔出，待排除其存在的故障之后再对其进行电源测试。此时，在接入元器件时，其需认真检查元器件的引脚连接是否正确以及检查电源电压是否处于正常状态下，待确定电子电路所处的状态为正常状态时，其可再一次接通电源实行通电检查。

2.3功能检测

通常情况下，功能检测也是不需要接入信号源的。在电子电路设计调试中，功能检测的主要内容是检测电路在静态工作下的参数值，即主要是测试电路静态的工作状态，看其所显示的相关数据是否合理。例如，在实际作业过程中检测放大功能的元器件的工作状态是否处于正常的放大区域内；检测数字电子电路中的各个电路输入端、输出端的电瓶电压值是否合理，以及检测其内部的逻辑关系是否正常等；对于运算放大器来说，工作人员在检查电路中的正、负电源之外，还需进一步检查调零电路是否存在零点漂移的情况，以此保障整个电子电路的正常运行。此外，为了在一定程度上实现全面化的电子电路功能检测，在进行功能检测作业时还需在电路输入端接入一定的幅度、频率的信号源，与此同时可通过双踪示波器的运用来进一步观察输入、输出信号的波形形状、信号幅值、相位关系、频率等相应的参数值，而检测人员即可逐级对此进行全面地检测。

2.4指标检测

在经过前面几个步骤的检测作业之后，则可以基本上确定电子电路的正常运行状况。其中，指标检测是整个调试作业中的最后一个步骤，其主要是在前面三个步骤的基础上对电子电路的应用效果进行一定的检测。对于整个电子电路的设计来说，其首先便会具备一定的设计要求，而指标检测作业的开展则是根据设计的实际需求对其中的相关性技术指标进行测试。在实际作业过程中，其可以通过准确地记录测试数据来进行全面地分析与研究，以通过确定电子电路中的技术参数是否合格来实现指标检测的目标。其中，如若相关参数标准存在不合格的现象，则相关人员需对整个电子电路设计图纸进行再一次地分析与研究，以通过不断开展调试作业来实现设计图纸的合理性。

3结束语

综上所述，在电子电路的设计过程中，人们应对电路的调试工作给予高度的重视，并需在实际作业过程中加强对电路的调试管理，以根据实际情况采取有效的调试方法，从而通过对电子电路进行有效性的调试管理来优化电子电路的设计质量，以在一定程度上实现电子电路的真正实效性设计。

参考文献

[1]张泓.电子电路设计常用调试方法与步骤[J].电子技术与软件工程，2016，24：124.

[2]王向东.浅谈常用电子电路的设计和调试方法[J].科技与企业，2012，22：304.

[3]电子电路设计、安装与调试完全指导[J].现代电子技术，2013，22：34.

篇7

关键词：电压比较器；运算放大器；阈值比较

1 前言

比较器是一种带有反相和同相两个输入端以及一个输出端的器件，该输出端的输出电压范围一般在供电的轨到轨之间，运算放大器亦是如此。

比较器具有低偏置电压、高增益和高共模抑制的特点。运算放大器亦是如此。

运算放大器有如此多相似之处，但我们却不能忽略他们的细微差别。

比较器拥有逻辑输出端，可显示两个输入端中哪个电位更高。如果其输出端可兼容TTL或CMOS，则比较器的输出始终为正负电源的轨之一，或者在两轨间进行快速变迁。比较器设计用于开环系统，用于驱动逻辑电路，用于高速工作，即使过载亦是如此。

运算放大器有一个模拟输出端，但输出电压不靠近两个供电轨，而是位于两者之间。这种器件设计用于各种闭环应用，来自输出端的反馈进入输入端。其偏置电流通常低于比较器，而且成本更低。运算放大器设计用于闭环系统，用于驱动简单的电阻性或电抗性负载，而且不能过载至饱和状态。

正是这些细微差别，比较器和运算放大器大多数时候会被区别对待，分别实现不同的功能。但若稍作改变，利用他们的相似之处，又可以解决一些实际问题。文章就运放OPA699同时作为运算放大器和电压比较器进行接收电路设计，讨论，并通过试验结果进行现象分析。

2 光电探测电路原理

如图1所示为光电探测电路原理图，光电探测器通过偏置电路将接收到的光脉冲信号转换为电压脉冲信号，输入到放大电路，经过一级放大和整形等操作，输入到信号处理单元。

图1 光电探测电路原理框图

3 电路各部分设计及功能实现

3.1 光电探测器及偏置电路设计

光电探测器将光信号转换为电信号，一般在设计中主要考虑响应度，响应时间，光谱响应范围等参数。此设计中采用普通的硅PIN光电二极管，反向偏置电压为5v，其在反偏电压下工作电路如图2：

图2 光电探测器及偏置电路

3.2 放大电路设计及功能实现

3.2.1 放大电路设计

经光电二极管接收、转换的信号，其幅度和信号比不足以满足信号处理的要求，为了得到足够的放大倍数和更高的信噪比，还需要进行信号的再放大。放大电路如图3所示：

放大电路放大经光电二极管光电转换之后的电信号，考虑到运算放大器的放大倍数基本由电阻决定，受温度影响较小，在放大电路中选取TI生产的电压反馈限幅运算放大器OPA699的组成所需的放大电路。OPA699的-3dB带宽为1000MHz，压摆率为1400v/？滋S，噪声为4.1nV/，是一款高速低噪声运算放大器，满足基本的脉冲信号的放大需求。

运算放大器是一种双电源器件，因而必须通过采用外部元件的某种偏置将运算放大器的输出电压偏置到供电电压的位置，对于给定电源电压，这种方法可实现最大输入和输出电压摆幅。也就是说，为了避免削波现象，需使输出电压偏置到电源电压的一半附近。但是若通过简单的分压器将同相引脚偏置到电源电压的一半，极易引入低频寄生振荡或其他形式的不稳定现象。

该放大电路采用同相比例运算电路，进行单电源固定增益的放大，增益系数由R30/R29决定，本设计中设定放大倍数为5。

本设计中通过电容C34在分压器的抽头点设置旁路，用以处理交流信号。电阻R26为基准电压提供直流回路，同时设定电路（交流）输入阻抗。在本电路中，采用R27和R28组成的分压器，该网络的-3dB带宽由R27、R28和C34构成，如设定R27/R28为2.4kHz/2.4kHz，C34电容值为0.1uF，则：

此设计对于1.33kHz以下的电源上存在的噪声信号可以抑制掉。对于电容C34，若取值足够大，能够对分压器电路通带带宽内所有频率起到旁路的功能。该网络设置有效法则是将极点设为-3dB输入带宽的十分之一。

3.2.2 放大电路功能实现情况

输入脉宽为10ns的激光脉冲信号后，放大电路输入信号和输出信号情况如图4所示。

由图4可以看到，此电路能正常实现信号放大的，完全起到了放大高速微弱信号的作用。

3.3 阈值比较电路及电路实现情况

3.3.1 阈值比较电路

本设计中，阈值比较电路通过电压反馈运算放大器OPA699作为电压比较器实现，具体电路设计如图5所示：

高输入阻抗运算放大器OPA699作为比较器亦通过单电源实现，R33和R35实现将运算放大器的输出电压偏置到供电电压的位置，R34则提供阈值电压参考值，根据实际需要，此处设置阈值为200mV。电阻R32为基准电压提供直流回路，同时设定电路（交流）输入阻抗。

3.3.2 阈值比较电路工作情况

窄脉冲激光信号经放大输出进入比较器，经阈值比较后输出TTL脉冲信号，通过判别前沿获取时间信息，放大电路输出和阈值比较电路输出的输出波形如图6所示：

由图6可以看到，实现阈值比较功能的运算放大器OPA699能够对脉宽为10ns的快速信号进行阈值判别，完全能够满足实际应用需要。

4 结束语

该电路中，单电源供电方式设计的放大电路有效解决了信号放大的问题，方便后续电路的处理；阈值比较电路能进一步得到足够放大倍数的信号，有效地去除噪声，提高信噪比，为后续进行信号处理提供了保证，也就是说，此类应用中，尤其对供电方式要求单一的应用中，将运算放大器用作比较器是一种可行的设计选择。

运算放大器不但有单运放封装，同时提供双运放或四运放型号，这类双核和四核型号比两个或四个独立运算器便宜，而且占用电路板面积更小，进一步节省了成本。另外，比较器专门针对干净快速的切换而设计，因此其直流参数往往赶不上许多运算放大器。因而，在要求低输入失调电压和低输入偏置电流等的应用中，将运算放大器用作比较器可能比较方便。

但是用作比较器的运算放大器没有负反馈，因此其开环增益非常高。跃变期间，哪怕是极少量的正反馈也可能激发振荡。反馈可能来自输出与同相输入之间的杂散电容，也可能来自共地阻抗中存在的输出电流。虽然通过设计布局降低杂散电容等方法进行补偿，但不稳定性的确是隐形存在的“不定时炸弹”。另外，将运算放大器用作比较器时，受饱和影响，其反应速度低于期望水平，如果高速非常重要，将运算放大器用作比较器可能达不到预期效果。

总之，文章提供了一种可行的光电探测电路的设计手段，在实际应用时，必须了解相关知识，以确保所选运算放大器能达到要求的性能。

参考文献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].第三版.高等教育出版社，2003.

[2]TEXAS INSTRUMENTS，Inc OPA699 Datasheet[Z].2012

[3]何希才（译）.运算放大器应用电路设计[M].科学出版社，2004

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关键词:FC;SoC;电源管理模块;电路

中图分类号:TP331文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2449-02

随着集成电路设计技术和超深亚微米技术的高速发展,集成电路设计已步入片上系统SoC(System on Chip)时代。SoC是专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuits)设计方法学中的新技术,是指以嵌入式系统为核心,以IP核复用技术为基础,集软、硬件于一体,并追求产品系统最大包容的集成芯片。SoC是将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一个系统。以超深亚微米(VDSM)工艺和IP核复用(IP Reuse)技术为支撑的系统级芯片技术将是超大规模集成电路(VLSI)发展的必然趋势和主流。

为突破传统电源管理模式,将研发的智能电源管理模块以SoC为核心,利用SoC内部的ARM922T处理器提供处理能力,外部配置AD采样逻辑、存储器等资源;并采用光纤通道(Fiber Channel,FC)为通信接口,通过FC总线,接收系统其它模块发送的控制命令,进一步提高了电源模块的可靠性、通用性、易扩展性和灵活的配置能力,并促进了FC技术的应用,保证了系统功能和性能的优化。

1 智能电源管理模块的系统结构

智能电源管理模块是以片上系统SoC为控制中心,实现对数据的采集。模块由电压电流调理电路、开关阵列电路、AD选通转换电路、控制器、存储器、FC接口等构成,主要负责电源模块的检测和控制。当上电BIT测试正确,则电源管理模块以一组固定的动作序列去控制开关阵列PSA向外供电;若流经PSA电流超出范围Is≥IsMAX,控制PSA并对其进行状态转换;在应急供电下,停止对通用模块供电,只对关键模块供电;电源管理模块通过FC接口与系统管理者进行传输开关动作状态、报警信息、数据(各支路电流),记录电源自测试BIT结果、故障信息。

电源管理模块系统结构包括如图1所示的主要功能块。

2 电源管理模块电路设计

2.1 复位电路

复位类型包括上电复位、手动复位、调试口复位、软件复位和看门狗复位。

上电或手动复位有效时产生200ms的低电平复位信号,提供给SoC芯片作为系统复位触发源之一。调试口复位由外部调试工具产生,用于复位ARM922T处理器的调试接口。软件复位指系统根据软件运行要求生成的复位触发源。而当系统在规定时间内,没有得到响应时产生看门狗复位。

当SoC芯片接收到上述复位类型中任意一种触发复位机制,由SoC芯片输出系统复位信号对电源管理模块进行复位。

2.2 时钟电路

电源管理模块中需要使用时钟的电路有:SoC芯片、FC接口。其中,SoC芯片选择53.125MHz运行时钟,内部进行4倍频提供ARM922T处理器使用。FC接口收、发数据时钟频率为106.25MHz。

2.3 存储器电路

电源管理模块中的存储器是SDRAM存储器。该存储器工作电压为3.3V,封装为54引脚的TSOP,容量为32M*16。在设计时使用2片K4S511632E实现32位操作。SoC芯片内置SDRAM存储器控制器,提供SDRAM的时序控制逻辑,并且提供SDRAM访问时钟,时钟频率为56.125MHz,同存储器时钟的时钟频率和相位在EDA设计时保持一致。

2.4 电压转换电路

模块中使用了多种电压的电源,分别为+3.3V、+2.5V和+1.8V,统一由外部+5V经电压转换电路实现,输出电流可达到3A。由于SoC芯片要求内核上电时间万余I/O上电时间,所以在设计时对内核电压(+1.8V)转换电路增加场效应管控制,使其满足SoC芯片供电要求。

电压转换电路设计图如图2所示。

2.5 模拟量输入电路

系统的模拟量信号是由多路模拟开关进行选通。多路开关是采用2片16通道模拟开关和1片8通道模拟开关,通过4位通道地址选取相应通道,其中最高位为片选位。因此,最多可选通38路模拟信号,满足本模块所需的24路模拟量信号的要求。模拟开关用于选通被测试信号,包括4路电压检测信号、16路电流模拟量信号和4路应急模拟量信号,通过对GPIO0-5配置进行通道选择。

A/D转换器件控制端直接与EBI接口连接,CS信号接EBI_CS2,读写信号则与EBI读写信号相连。A/D转换的操作为中断方式或查询方式,转换结束标志EOC信号作为外部中断连接到SoC芯片,当转换结束后产生中断,由SoC芯片读取转换结果并作出相应处理。EOC信号在设计时也连接到SoC芯片的GPIO端,可作为输入信号,当转换开始后查询该信号状态判断是否转换结束。

模拟量输入和A/D转换电路如图3所示。

2.6 离散量输出电路

离散量输出主要用于控制开关阵列的工作状态,当状态一旦置出,在没有检测到错误或是在没有接受到系统管理者更新指令时,该状态是不能变更的。

在设计时,利用EBI数据作为开关阵列的控制信号。首先,对EBI数据通过锁存器进行锁存,然后进行电平转换,以此输出满足开关阵列使用的+5V电平信号,初始默认开关阵列的状态为全开,所以采用+5V上拉方式保证离散量输出信号为高电平。设计图如图4所示。

2.7 FC接口

SoC芯片提供FC接口,所以只需要在外部连接串并转化器和光电收发器即可。串并转换器具有10bitTx/Rx总线接口,提供并行回环测试模式,接收、发送时钟可达到106.25MHz,兼容SSTL-2电平,供电电压为3.3V。而光电收发器也采用的是一款高性能光纤模块,具有4通道接收器/发送器,单通道带宽1Gbps至2.7Gbps,兼容8B/10B数据格式。设计过程中重点考虑PCB制作和FC接口端接匹配电阻的选择。

3 结论

电源管理系统模块利用FC接口,通过FC总线接受应用系统中其他模块发送的控制命令,并根据命令,控制开关阵列的输出,可以实现分别为各可替换功能模块(LRM)的上下电。而当智能电源模块发生故障时,电源管理模块能够通过FC总线将故障信息发送给应用系统的主控模块。在系统控制下,发生供电系统的重构动作,从而实现电源故障隔离。

参考文献:

[1] Furber S[英].田泽,于敦山,盛世敏,译.ARM SoC体系结构[M].北京航空航天大学出版社,2002.

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通过光敏三极管将光的强弱转换成光强的电信号，该信号送入放大器经放大处理，同时送入两路比较器，其中一路是上限比较器，一路是下限比较器.通过光电转换模块对光强的转换，当输出电压达到0.4~0.45V时，放大器输出信号小于下限比较电平，下限比较器翻转，信号送入反相器，通过显示模块进行显示，随着光强的增强，当输出电压达到0.55V，放大器输出信号小于上限比较电平，上限比较器输出发生翻转，信号送入反相器。

2照明灯电压闭环控制

光敏三极管接收的光强信号经处理送入压控开关电源的控制端，对输出电压进行控制，使加在灯丝两端的电压随光强的变化而改变，从而实现照明灯电压的自动调节。通过设计的硬件电路，可以实现设备所需的标准背景电平，调节出口处光强的强与弱，都可以根据信号的变化，自动将输出灯压调到合适范围内，实现照明灯的闭环控制。

3设计方法

3.1电源模块

本电源是两个独立电源的组合体，其中主控电源是一个可靠、大电流压控电源，其输出电压随其控制端外加的直流电压的改变而变化。输出电压为交流220V+20%,50Hz。输出电压精度及负载能力、电路保护功能都有输出短路保护。图4为电源控制特性曲线，可清晰的看出电源模块输出电压随控制电压的关系。

3.2运算放大器

运算放大器[4-5]具有两个输入端和一个输出端，如图5所示，其中标有“+”号的输入端为“同相输入端”而不能叫做正端)，另一只标有“一”号的输入端为“反相输入端”同样也不能叫做负端，如果先后分别从这两个输入端输入同样的信号，则在输出端会得到电压相同但极性相反的输出信号：输出端输出的信号与同相输人端的信号同相，而与反相输入端的信号反相。本文设计应用LM型运算放大器，通过电路设计来完成合理控制电压输出。

3.3ProtelDXP

ProtelDXP2004[6]是一个32位的电子设计系统，它是一套构建在板级设计与实现特性基础上的EDA设计软件，其主要功能包括电路原理图设计、印刷电路板设计、改进型拓扑自动布线、模拟/数字混合信号仿真、布局前/后信号完整性分析、PLD2004可编程逻辑系统，以及完整的计算机辅助（CAM）输出和编辑性能等。原理图设计系统是ProtelDXP2004的主要功能模块之一，提供了强大的电路原理图绘制功能：1)功能完善的多功能编辑器；2)层次化、多通道的原理图编辑环境；3)交互式全局编辑功能；4)强大的电路设计自动化功能。本文通过此软件设计背景电路模块，实现背景目标的模拟，也为工程实践打下基础。图6为背景目标电路的主要设计部分，可实现背景照明等的电压调控，再根据电压控制电路调节获得检测仪所需要的背景电平信号，从而达到标准。

3.4Multisim

Multisim[7]是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。仿真的内容：1）器件建模及仿真；2）电路的构建及仿真；3）系统的组成及仿真；4）仪表仪器原理及制造仿真。

4研究结果与分析

4.1电路仿真图

如图7为模拟背景电路电压输出仿真，根据仿真图可以得出电路反应时间以及输出电压值，根据设计，得到电压值为0.424V，基本上符合研究计划的0.4~0.55V标准，可以为此检测仪进行设备的性能参数检测提供均匀的符合标准的光源。通过主控计算机输出的控制指令，使输出的背景在0.4~0.45V区间，进行设备的各性能参数测试。

4.2背景目标实现

应用ProtelDXP2004软件进行PCB板设计连接，以此进行实装电路构造，并组合此检测系统，验证此设计的正确性。图8为本文设计电路所生成的目标背景信号源，根据主控计算机的输出命令，调节输出电压，应用设备对背景目标进行信号采集观测，可观测到图8中的亮斑即为目标源。为下一步进行目标跟踪、数据处理打下基础。

5结论

篇10

【关键词】硅微机械陀螺;偏置电路;Pspice;PCB

Abstract：To meet the need of engineering design and technical requirements of silicon microgyroscope，a new design has been made to offset the zero position from bipolar signal to unipolar signal.The +12V single power supply has been made to ±12V double power supply.According to the transfer function，circuit has been designed and Pspice simulation has been made.The simulation result shows that the design is correct.PCB has been produced and meets the demands after measurement.

Key words：silicon microgyroscope;bias circuit;Pspice;PCB

引言

硅微机械陀螺仪是惯性导航技术中经常用到的传感器，它具有体积小，重量轻，灵敏度高等众多优点[1]。本设计中用到的陀螺是一种利用旋转载体自身角速度驱动的陀螺，通过垂直于载体自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度产生的哥氏力来敏感载体的俯仰或偏航角速度。如图1所示，陀螺输出信号时一个双极性信号，而应用中需要将双极性信号变为单极性信号，电源为单电源供电，而且保证相关技术指标达到要求，为此，下文对陀螺信号进行了理论分析，设计了传输函数，制备了样机。

图1 零位偏置前陀螺输出信号

1.原理分析

无驱动结构微机械陀螺结构如图2所示，它由四个陶瓷电极和一个硅摆组成四个电容，坐标系oxyz固定于传感器的质量块上，是硅摆芯片绕轴摆动的角速度，是载体绕轴的自旋角速度，Ω是载体绕轴的偏航（俯仰）角速度。

图2 无驱动结构硅微机械陀螺结构

陀螺固定在旋转载体上，当陀螺随着载体以的角速度自旋的同时又以Ω角速度偏航（俯仰）时，硅摆产生周期性变化的变化频率等于旋转载体滚动频率的哥氏加速度，沿轴输出角振动，从而引起硅质量块与四个电极构成的四个电容的变化。通过信号检测电路与信号处理电路，可以产生与被测角速度成正比的双极性电压信号，从而达到测量的目的。更改电路参数，可以将输出调整为Vpp=2V偏。

本次设计是将输出信号的零位上移V偏，最直接的方法就是用加法电路实现，用陀螺输出与V偏=2.5V直流信号相加，即可得到零位偏置2.5V的陀螺输出信号。2.5V的直流信号可以由应用环境中的+12V电源通过电压转换芯片得到。此外，本次设计与之前信号处理电路中都用到了双电源供电芯片，因此还另需将+12V转换为-12V，实现双电源供电。

2.电路设计

综合上述分析，本设计主要分为三个部分，第一部分，+12V转为-12V;第二部分，+12V转为+2.5V，第三部分，2.5V与陀螺信号的相加电路，以下分别对这三部分电路进行设计分析。

2.1 正负电源设计

由于转体内部单电源供电，而陀螺信号处理电路中用到OP27运算放大器等双电源供电的器件，所以需要进行单电源到双电源的转换。选择电压转换芯片既要考虑在误差允许范围内满足功能实现，又要尽量满足电路简洁，便于小尺寸PCB上布线。通过比较，选择Maxim公司ICL7662EBA芯片实现+12V转换为-12V，如图3所示，此应用中只需在芯片周围外接两个极性电容便可实现。而正电源则用原有的+12V电源。ICL7662的输入输出关系如公式（1）所示。

（1）

如此实现正负12V的电压给电路供电。

图3 ICL7662实现电压转换原理图

Maxim公司的ICL7662EBA芯片为八脚贴片式封装，输入工作温度范围为-40℃～+85℃，输入电压范围为4.5V～20V，其中要注意的是6脚，当输入电压小于10V时，6脚需接地，此次应用中输入电压为+12V，所以不需6脚接地。

2.2 电压转换电路

第二部分为12V转2.5V的电路，选用TI公司的TL431芯片的典型应用电路，TL431为三端可编程稳压二极管，三个引脚分别为阳极，阴极和参考电压。TL431参考电压公差等级有A，B，和标准等级三个等级，在此选用公差最小的B等级，公差为0.5%，它的工作温度为-40℃～+125℃，工作电流范围宽达1-100mA，动态电阻典型值为0.22Ω，输出杂波低，其符号可以等效为图4所示。

图4 TL431等效符号

用于稳压的典型电路如图5所示。

图5 TL431电路连接

图6 TL431仿真

其中输入输出关系可以用（下转第155页）（上接第153页）式（2）表示：

（2）

其中为内部2.5V基准源，因此当R1为0欧电阻时，输出为式（3）所示。

（3）

TL431部分的仿真结果如图6所示。

2.3 偏置电路设计

第三部分是2.5V直流信号和陀螺信号的加法电路，实现陀螺信号2.5V的零位偏置。电路设计如图7所示。

第一个OP27运放实现反相相加电路，传递函数为：

（4）

其中分别为陀螺信号和2.5V直流信号，第二个OP27运放实现反相比例运算电路，用于改变电压极性，其传递函数如式（5）所示，为最后输出，两部分电路串联起来，最终实现同相相加的目的。

（5）

因为有：

（6）

所以：

（7）

Pspice仿真结果如图8所示。

仿真结果与预期效果一致，说明设计思路正确。模拟加法电路要用到集成运算放大器，本设计属于精密仪器中的应用，且传感器的敏感电路部分涉及到微弱信号的检测，所以要求运算放大器失调电压要小且不随温度的变化而变化。此处运算放大器选用OP27，OP27是一款低噪音精密运算放大器，其噪声功率谱密度为3nV/√Hz，失调电压为10uV，且具有高共模抑制比和高开环增益等优点，是精密仪器仪表中常用的一种运放。

图8 加法电路Pspice电路仿真结果

图9 转接板PCB三维显示

图10 TL431输出结果

图11 加转接板后陀螺输出信号

3.实验验证

基于以上分析设计，设计了PCB板并加工制作，与原有陀螺信号处理板之间通过接插件连接，PCB三维显示如图9所示。于精密三轴转台上进行实验验证。经试验测得TL431输出为图10所示，当内框旋转频率为15Hz，偏航角速度为180°/s。时，最后陀螺输出信号如图11所示，可见与图1相比，陀螺输出信号零位向上偏置约2.5V。实验测量数据结果如表1所示。

表1 实验验证结果

4.结论

本次设计任务主要由正负双电源设计，2.5V稳压信号的获取以及加法电路三大部分组成，本文分别对这三部分的理论计算，仿真验证，与实验结果进行了讨论，发现三者结果基本一致。误差主要来源于芯片的器件误差与环境影响，在允许范围之内。因此本次设计理论正确，且能实际利用到工程实践。

参考文献

[1]张福学，王宏伟，张伟，毛旭，张楠.利用旋转载体自身驱动的硅微机械陀螺[J].压电与声光，2005，27（2）：109-115.

[2]明亮，汪银年，王家光，张福学.一种硅微机械陀螺小信号检测电路的设计[J].北京机械工业学报，2006，21（4）：20-25.