电路原理范文

导语：如何才能写好一篇电路原理，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。

篇1

即从信号源（麦克风、输入式传感器等）和被控元件（电机、显示器件或者扬声器等）两头同时画起，最终将电路板上的全部元件绘制完毕。（5）可以利用网络、图书资源，找到相类似的电路原理图，然后根据实际电路板进行更改图纸，这种方法对绘图而言相对更简单些。应当说明，实际运用时很难依靠一种方法来“反绘”原理图，一般采用多种方法的综合才能快速正确的完成绘画工作。现以图一所示“楼道声光控开关”灯泡不亮故障为例进行说明，该电路板是以集成电路CD4081为核心构成的。首先画出电源电路，从网络上查找到该集成电路的资料：CD4081是一个包含4个与门的CMOS电路，其中第14引脚和第7引脚分别是5伏电源的正极与负极，反向思维可查找出电源的整流二极管与滤波电容，元件如图一所示，对应的铜箔如图二所示，画出的原理图如图三所示。其次以信号输入端开始反绘，即从驻极体话筒开始画起，当然也可以从光敏电阻画起，顺藤摸瓜，依次画电阻，电容，三极管、集成电路，再画晶闸管，细加整理后如图四所示。当您“反绘”电路板时，也不一定采用与作者一样的步骤，可以“两边挤”的方法，即画好电源后，可从话筒和晶闸管两边同时开始，一直将所有电路画完为止。根据“反绘”出的原理图分析工作原理可知：当5V供电为零时、麦克损坏时、Q1击穿时、CD4081烧坏时或Q2断路均会造成灯泡不亮故障。经检查为三极管Q2击穿，声音无法到达集成电路，从而导致灯泡不会发光，更换三极管后工作正常。

2局部“反绘”

在实际维修过程中，维修人员面对更多的是庞大而复杂的电路板，此时，没有相应的原理图维修工作变得更为困难“，反绘”原理图要画出全部电路板吗？不！绘制全部原理图是不可能的，也是完全没有必要的。维修者更多关心的是有故障部分的电路，此时只要根据故障现象、电器工作原理、电路板上元器件的外形大致判断故障部位，只需将“可疑”部位仔细“反绘”出原理图之后，再加以分析排除故障即可。绘制时可找到供电电路，而后采用如下方法：（1）以三极管为核心绘出原理图。（2）以集成电路为核心进行绘制。电路实物中，集成电路是非常“显眼”的元器件，很容易看到和辨别型号。这为画图提供了方便。（3）以电路板上“特殊元器件”为中心进行绘制，比如：电视机的高频头、高压包、行激励变压器、电源管、行管等；VCD的激光头接插件、各种电机、开关；冰箱的压缩机、温控器等等，这些特殊的元件为快速绘图提供了突破口。（4）以信号流向进行绘制。比如视频信号、伴音信号、控制信号。（5）根据局部电路板上的字符进行绘制。比如电视机电路板上标有RFAGC、V-SIZE、ACK、ABL、AGC；VCD电路板上所标注的APC、RF等字符。这些字符具有特定的意义，从而理解了该部分电路的功能，加快了绘图的步伐。由于三极管、集成电路的在电路中更为普遍以及其重要性，故单独列为两项，其实二者都可以作为“特殊元件”放在第三项中。现以一昆仑B3110型黑白电视机出现图像上下压缩故障的绘图为例。由电视原理知道：该故障发生在场扫描电路，从经验上可知场扫描电路一般是个集成电路，而且常固定在散热片上，这样从这个思路出发很快找到该电视机电路板上的μPC1031H2为场扫描集成电路，该部分电路板的底层如图五所示。图五

绘图时以集成电路μPC1031H2为中心，从其1脚开始，先画出与1脚相连的所有元件，由图五可以看出：1脚与7C9的负极、7C8的负极和7C7的一脚相接；2脚接12V电源（由于电路板太大摄图时被截掉），接下去画出与3脚相接的元件，依次画下去，如图六所示。为说明问题，图六只画了1、2、3、5、6、8脚外的元件。这样将局部电路画出来之后，分析该部分电路的工作原理，测量一些电阻值、电压点或支路电流，为维修工作提供依据。从而找到相应故障元件并加以排除。当然运用局部“反绘”时，也可以根据具体故障元件画得再少些，比如上例关于场扫描电路故障，根据工作原理可知，该故障与μPC1031H2的第四、六脚关系最大，这时其它引脚电路可以不画出。本文来自于《电子科技》杂志。电子科技杂志简介详见

3“反绘”原理图的知识储备

篇2

工作原理

1.磁饱和电抗器控制电流型高压稳压电路

以松下（画王）TC-33V30H彩电（图1）为例介绍该高压稳压电路。由图1可知：行输出管Q551集电极供电是由140V经R561、易磁饱和电抗器L1514次级、行输出变压器初级9、10绕组提供的。当图像画面为亮景时，显像管中的电子束流增大，阳极高压势必降低，反映在行输出变压器次级高压绕组末端的11脚的电压必降低，也就使加在运算放大器IC1501（BA15218N）3脚（同相输入端）的电压降低，经放大后其1脚的输出电压降低，也就使经R1531加至运算放大器IC1502（BA15218N）3脚（同相输入端）的电压降低，经放大后1脚输出电压下降，即加在IC1502另一放大器6脚（反相输入端）电压降低，经放大后7脚输出电压上升，即经R1514加至Q1501 b极电压上升，Q1501导通增加，使流过电抗器L1514初级线圈的电流增大，于是L1514的电感量下降，次级绕组阻抗下降，导致流过次级绕组，也就是流过行输出变压器初级绕组的电流增大，以增加激励，以使高压升高，反之亦然。这样，由于高压趋于自动稳定，图像尺寸也趋于自动稳定。图中R1512是Q1501工作点调整电阻，即L1514起控点高低的调整。另外Q1503、Q1504是用以稳定光栅尺寸的。当画面为亮景（即高压下降）时，由上述分析可知7脚输出电压是上升的，显然Q1503导通增加，c极电压下降，即Q1504b极电压下降，Q1504导通减弱，其e极电压升高，使得经R1522送至枕形校正电路输出级PNP管b极的电平升高，使输出管导通电阻增大，导致流过行偏转线圈的电流减小，使光栅水平尺寸不至于扩大（这部分电路未画出，详细原理从略），反之亦然。

2.逆程电容容量控制型高压稳压电路

图2所示夏普29N42型彩电高压稳定电路属逆程电容容量控制型高压稳压电路。它主要由运算放大器IC602（LM358P）和控制管Q612等组成。其原理是：当图像较亮时，电子束流较大行输出变压器高压绕组下端（8脚）电压降低经R694、R652后使R653右端（图中A点）电压降低运放IC602的3脚（同相输入端）电压降低同相放大后1脚输出电压降低控制管Q612b极电位下降导通减弱等效电阻增大C634、C635串联构成的行逆程电容的总容量减小行逆程脉冲幅度增大对高压起到提升作用，使光栅幅度不至于扩大。当图像亮度变暗时，控制过程与上述相反，使等效行逆程电容容量增大行逆程脉冲幅度减小对高压起到降低作用，使光栅幅度不至于缩小。在图2 中C646、R647、C668构成π型滤波电路，以滤除IC602的1脚输出的交流成份，使控制管Q612的导通程度能得到平稳控制，R648、TH601（负温度系数热敏电阻）以及R697、R696、D635等构成直流负反馈电路，以稳定运算放大器的放大倍数。

3.行偏转线圈电流控制型高压稳定电路

康佳T3888N彩电高压稳定电路属行偏转线圈电流控制型，如图3所示。它是以几何失真校正集成电路N302（TA8859）为核心的电路构成的。TA8859具有水平、垂直幅度自动调整，光栅各种失真（梯形、枕形、弓形、平行四边形）的自动校正、稳定高压等功能。下面仅对水平幅度的自动调整作一简要介绍：N302 1脚为取样电压输入端，该端输入的取样电压与IC内部的水平幅度调整电路的基准信号进行比较，比较后的误差电压与经校正的场频抛物波复合后又经总线控制得到校准后的场频抛物波，然后加至4脚内部放大器的反相输入端，同时来自水平枕校电路的交直流反馈信号也从4脚输入到内部放大器的同相输入端，经运算放大后的场频抛物波从N302 2脚输出，去自动调整光栅水平幅度大小。当图像画面变亮时，束电流变大，行输出变压器11脚电压会瞬时变低，即N302 1脚输入的取样电压变低，该电压经水平幅度调整电路比较调整后会使2脚输出的场频抛物波中的直流电平分量变高（大家知道:场频抛物波中的直流电平大小主要是控制行偏转电流的幅度，即光栅的水平幅度，抛物波形的凸凹量大小是用以调整水平枕形失真的校正量），于是控制管V03导通增加，c极电压下降V02 b极电压下降，导通减弱由于V02 e极接的是负电压V01 b极电压相对升高V01导通减弱V01c 、e极等效电阻增加，使得行偏转线圈支路对地总的等效阻抗变大流过行偏转线圈的锯齿波电流幅度减小使光栅行幅不至于扩大。另外，由于V01导通电阻的增大，相当于减小了行输出管的负荷，使行管输出电流减小，行逆程脉冲幅度得以提升，高压升高，从而基本保持高压稳定。反之，当图像画面变暗时，过程与上述正好相反，在此不再重复，读者自行分析。实际上，行输出变压器的高压绕组末端还接有ABL电路，在ABL电路的自动控制下，荧屏亮度的变化也不是十分显著，再加之光栅水平幅度的自动控制，显像管的阳极高压基本稳定不变。

故障检修

由上面的原理分析大家可以看出，高压稳定电路是一个闭合控制环路，其取样输入点通常在行输出变压器的高压绕组的末端（也是ABL电路的取样点），然后经放大控制电路，最后通过控制行输出变压器初级的激励电流或控制行逆程电容的大小或控制行偏转线圈中流过的锯齿波电流大小来使取样输入点电压恢复到正常值，从而达到高压稳定之目的。上述的控制过程所用时间很短，通常只有几十微秒，所以观看者根本看不出来高压瞬间变化而引起的光栅幅度的变化。从维修实践来看，高压稳定电路发生问题引起彩电的故障根据电路形式或损坏的情况不同，除引发光栅的缩胀外（注：高压变化引起的光栅缩胀与+B电压不稳，即开关电源内阻变大所引起的光栅缩胀现象正好相反，高压变化引起的光栅缩胀现象是：亮画面时因高压下降光栅水平幅度变大，暗画面时高压升高，画面缩小。而开关电源内阻变大引发的现象是：亮画面时光栅水平幅度变小。反之，暗画面时光栅水平幅度应变大），有的则会引起光栅行幅一直很大，有的甚至引起彩电黑屏（保护电路动作）。所以检修高压稳定电路必须从故障现象入手，将怀疑的高压稳定电路从主电路中部分或整个彻底断开，从而判断故障是否由高压稳定电路损坏所为。从维修实践得知，如果高压稳定电路的末级发生的是短路性损坏，多数是引发光栅行幅一直很大或保护电路动作（黑屏）故障，而其余部份发生故障一般只会引起光栅的缩胀故障，因此，如果彩电发生亮画面光栅扩大，暗画面时光栅缩小的故障，直接检修高压稳定电路即可，如果发生了光栅行幅一直很大或黑屏故障，那么为了确定该故障是否由高压稳定电路故障引起，可断开高压稳定电路输出级，如果故障现象消失，就说明是高压稳定电路输出级损坏所致，从而给检修工作指明了方向。然后再通过测试电路相关元件，逐步缩小范围，直至找出故障点。请看下面检修实例：

[例1]故障现象一台松下TC-33V30H彩电出现图像内容为亮画面时，光栅幅度基本正常，但图像内容为暗画面（夜景）时，光栅幅度缩小，屏幕四周有约1cm的黑边故障。

分析与检修 显然，这是高压稳定电路出现故障所致的光栅缩胀现象，该机的高压稳定电路见图1。首先断开取样输入电阻R1501，故障现象丝毫不变，表明的确是高压稳定电路未起作用。接下来将R1501复原，调整取样电阻R1551,发现光栅水平幅度的确有所变化(后来检修发现,实际上这是Q1503、Q1504送至水平枕校电路的直流电平引起行偏转线圈的电流发生变化所致)。由此说明，高压稳定电路中的放大部分正常，问题可能在输出级。经查，易磁饱和电抗器L1514绕组没有断路现象，输出管Q1501c极为12V电压(正常应为8.4V)，显然未工作，测b极有4.4V电压（正常为4.3V），但焊下Q1501检查，却正常。接下来准备测e极负反馈电阻R1517（56Ω）时，发现焊点有一圈明显裂纹，经补焊后试机，故障排除。

[例2]故障现象一台夏普29N42彩电，出现行幅严重扩大、光栅亮度明显降低的故障现象。经开盖检查，发现行输出管发热严重。

分析与检修 由现象分析，这有两种可能：一是行输出变压器短路；二是行逆程电容严重漏电或高压稳定电路输出级出现短路故障。该机的高压稳定电路见图2 。经测+B120V电压基本正常，且行输出变压器线包不是很热，故行输出变压器短路的可能性不大。经进一步检查发现下置行逆程电容C635两端电压几乎为零，怀疑它已击穿损坏，但经查却正常。再在路查C635两端正、反向电阻，发现均只有几百欧，故高压稳定电路输出管Q612损坏的可能性最大。经查Q612果然损坏。除此之外，还发现C668、IC602等元件也击穿。更换上述元件后，故障排除。

[例3]故障现象 一台康佳T3888N彩电，开机时有正常伴音，但光栅还未出现，机器就自动关机，声音也没有，只有指示灯亮。

分析与检修

由现象分析，这极有可能是机器出现过压、过流故障而引发的机器保护现象。首先断开开关电源的+B输出,用假负载试机，发现开机后+B输出正常。据此说明开关电源本身没有故障，且输出没有过压，问题极有可能是过流或第二阳极高压过压而引起彩电保护电路动作。随后断开行输出管+B（125V）供电端（即行输出变压器2脚的连线），串入一只1A量程的电流表，试机，发现电流表读数为0.8A，且还在增大，随后由于自动关机，电流表读数为零。显然这是机器过流而引起的保护。为了确定是否因高压稳定（水平枕校）电路发生故障所导致，试断开LD02后试机，机器不再保护，且出现带枕形失真的光栅。据此，说明故障的确是由高压稳定（水平枕校）电路发生故障所致。经对该电路元件作仔细检查，果然发现其输出管V01（2SB688）软击穿，更换后试机，故障不再出现。

篇3

本次设计任务是设计一个针对非接触式传感器电路部分的自动测试系统。因此，需要了解该电路的基本知识，即电路原理。

【关键词】非接触式 扭矩 传感器 电路原理

1 电路原理图分析

本次设计任务是设计一个针对非接触式传感器电路部分的自动测试系统。因此，需要了解该电路的基本知识。其中涉及到模拟电路、信号与系统等学科的知识。本文中将对电路的各个模块进行工作原理的阐述和数学模型的分析。

电路图如图1.1所示。

该电路主要有三个模块构成，分别是振荡电路模块、信号电路调试模块、减法器电路模块。在该振荡电路中，留有TP5，TP7，TP6，TP4，TP3，TP2六个测试接口。通过在正常工作状态下对这五个引脚输出信号的测量与判断可以得到电路是否正常工作。在本次设计中，为了检测震荡电路是否符合条件，需要对TP2的输出信号进行测试，采用示波器卡对振荡器的输出波形进行采集并分析，得到频率ftp2，波形电压峰-峰值Vpp，波形电压最大值Vmax，波形电压最小值Vmin，并判断它们是否符合要求。若TP2为符合条件的波形。则可判断该振荡电路模块可正常工作。

2 信号调理电路模块

信号调理模块有header2X2部分和两个由LM2903组成的减法电路模块组成。

Header2X2中为两个电感和两个电阻组成的桥，其中。1，3端口所接为可变电感，TP10的输出波形发生变化，2，4端口所接为固定电感，TP9输出波形为固定波形。由LM2903组成的电路为求电感桥电路输出波形的最小值的电路。

电路结构图如图2.1所示。

该信号调理电路共有TP9～TP21 共12个测试端口。在测试时采用AD转换卡测量两个由LM2903构成的信号调理电路的输出VTP18和VTP19的电压，并判断它们是否符合要求。同时采用示波卡测量测量TP13和TP16的波形，并提取波形的各项特征参数（如均值、峰峰值、波形因数等），并判断它们是否符合要求。

3 减法电路模块

减法电路的作用是将信号调试电路输出的两路波形信号，即通过电感桥后波形的最小电压值做相减。该模块电路主要由两个放大电路模块组成。采用的运放芯片为INA2331。

减法电路模块如图3.1所示。

该减法电路模块共有TP22～TP29共8个测试点。在实际测试中需要通过AD模块测量两个仪表放大电路的输出电压VTP28、VTP29和调零电压VTP23、VTP22，并根据之前测量得到的VTP18和VTP19判断两个仪表放大电路是否正常工作。对于VTP28 、VTP29的要求为他们的差应该在一定误差内。

参考文献

[1]包寿红，罗嗣周.非接触式扭矩传感器在EPS中的应用.[J].2010 06：25.

[2]蔡丽.传感器与检测技术应用[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[3] Msahiko Kurishige， K.et.al. A New Electric Current Control Strategy forEPS Motors[J]，SAE Paper， 2001.01，0484.

[4]Chanhun Park. Development of an Intelligent Safe Robot with Joint Torque Sensors[J].Proceedings of 2010 International Conference on Circuit and Signal Processing & 2010 Second IITA International Joint Conference on Artificial Intelligenc.2010-12-25.

篇4

关键词： 三本院校 《电路》 原理教学

《电路》课程是自动化、电气、电子信息、通信工程等相关电子专业的基础课程。《电路》课程的主要特点是理论难、实用性广，其定理的抽象性使很多学生无法将理论与实践相联系，导致大部分学生对本课程感到惧怕。尤其三本院校《电路》课程教学的课时少、任务重，学生基础相对薄弱，自主学习意识不强，因此教学效果不理想。我根据自己的感悟和体会，结合教学实践和研究，对《电路》的教学方法进行改进，以培养学生的学习兴趣，提高教学质量。

兴趣是学习的动力，孔子曰：“知之者不如好知者，好之者不如乐知者。”从心理角度来看：当学生对某门学科产生学习兴趣时，就会集中注意力，采取积极主动的意志和行为，从而提高自己的学习效率。

一、前几节课是关键

教师是学生接触新知识的第一位引路人，而前几节课是引起学生兴趣的关键，尤其是第一节课，不仅可以给学生讲述最基本、最实用、最简单的电路模型，而且可以做很多演示实验，例如：叠加定理，戴维宁・诺顿定理等。虽然演示实验会多占用一点时间，但这样的教学方式不但会立即吸引学生的注意力，激发学生们的学习兴趣，而且会对以后的章节起一定的启发作用。

二、传统教学手段激发学生兴趣

不可否认多媒体技术在课堂上的应用尤其在基础课上，已经从争议走向成熟。多媒体教学不仅增大了课堂的信息量［1］，而且教学的生动性、直观性，使学生们看到独特的“全方位、多视觉、多层次、多变化”的立体式的演示功能［2］。在《电路》教学中给学生们看一些与时俱进的电子器件与应用的图片，可以使抽象的教学成为直观可操作的“模拟实验”，如：动态演示讲解电压电流的参考方向，用动态电流流过的方向与所选取元件的电压方向对比，更容易判断二者的关联性，从而诱发学生对学习产生兴趣和学习欲望。

三、让学生体验成功的乐趣

保持课前提问的轻松氛围［3］，可巩固学习成效。虽然学生都知道课前提问是对上一节课学习重点的回顾，但能真正积极参与回答问题的学生却很少。对于简单问题可采用自愿回答的方式，而较难的问题则可采用集体回答的方式。习题课采取“教与导”并行的形式。鼓励学生大胆走上讲台，为其他同学讲解习题，或让学生提出质疑再由教师教授学生解题思路。通过这种方式，增强学生对《电路》学习的自信心，提高独立思考的能力。

四、课后习题与实际相结合

目前许多学校采用了实验箱的模式进行实验，电路中关键部分仅需学生自己简单连接，而其余部分由试验箱内部电路完成。从表面上看，这样既锻炼了学生的动手能力，又节省了实验的操作时间，而且有利于管理，降低了危险系数。可学生在连接电路时仿佛在画电路图，看不到实际的电路情况，出现问题，自然有管理仪器的老师维修。这使学生在动手时缺乏一种责任感，解决实际问题的能力也会受到影响。如果仅仅是时间问题，可定时开放实验室，允许学生随时做实验。如果不能提供这种条件，则可准备一些看得见的元件，让学生进行实际练习。

《电路》课以讲解电路原理为主，虽有部分涉及实际问题，但大部分都已抽象为电路模型。所以无论是例题还是课后习题学生见到的都是抽象的电路图，很少知道此电路图会在哪里出现，更不会了解如何使用这些电路模型。我们通过与国外的学生交流，了解到，国外课程的课后习题与实际的应用紧密联系，学生不仅学习了理论知识，而且明确了学习的目的。因此，教师在讲解时，可先以模型为例题进行原理讲解，然后将原理涉及的电路与实际的电路相联系，对习题进行练习。例如：《电路》第五章含有“运算放大器的电阻电路”有这样一道习题。原题为：如图1，电路起减法作用，求输出电压u，和输入电压u、u之间的关系。学生可从本题得到信息为：

（1）图1为减法电路；

（2）输出与输入有一定关系。

如果我们将此题改为：压力传感器的输出范围是0～2mv，图1为测量压力的实用差分运算放大电路，u、u分别接在压力传感器的输出端，求检测电路输出端u，与u、u的关系。学生得到信息为：

（1）图1为一个实用电路；（2）电路可实现差分运算；（3）电路常应用于小信号检测；（4）电路可实现压力检测；（5）压力传感器可用于压力检测；（6）压力传感器一般为小信号输出；（7）差分电路输出与输入有一定关系。

虽然是几乎相同的问题，但经过对题目进行简单的修改，学生们从习题中获取了更多的知识，有助于学生将理论应用于实际问题。原题只传递了很少信息，且十分抽象，学生很难深刻理解减法电路的实际用途，而改后的习题不但联系实际，而且拓宽了学生的视野，有助于激发学生的学习兴趣，提高学生的学习成绩，巩固学习成果。

五、结语

我通过以上教学改革的尝试，调动了学生对《电路》课程的积极性。教师在上课时应注重激发学生对本学科的兴趣，尤其对基础薄弱［4］、学习动力不足的三本学生，更要激发他们的主观能动性，不是为了应试而学习，变“要我学”为“我要学”。只有这样，才能克服种种学习困难，提高运用知识分析和解决问题的能力。

参考文献：

［1］窦建华，潘敏，郭铭铭.“电路分析基础”课程教学改革与实践［J］.合肥工业大学学报，2007，30，（12）.

［2］贾艳艳，文丽，阎婷.浅谈《模拟电路》课程教学改革［J］.新西部，2010，（11）.

［3］纪明霞，丁国臣，唐婷.如何提高《电路》课程的学习兴趣［J］.科技信息，2009，（11）.

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【关键词】共零线；电流环；通信电路

0 引言

工业控制应用中常涉及到数据或控制信号的长距离准确传输。以电流作为载体传输数据，可增大信号的噪声容限和提高信号的抗衰减能力。将信号载在电流环上，实现较远距离信号传输的电流环通信电路，经常将电流环与交流电源的零线（N线）共用一根线，组成共零线电流环通信电路。

本文对共零线电流环通信电路的通信原理和电路进行了阐述与分析，同时对各器件的选择进行了说明，最后介绍了电路在实际应用中出现的有关问题，并给出实际可行的解决方案。

1 电路与通信原理

如图1所示的共零线电流环通信电路，当通信处于室内发送、室外接收时，室外OUTDOOR-TXD置高电平，光耦IC21始终导通，若室内INDOOR-TXD发送高电平“1”，光耦IC2导通，电流环闭合，光耦IC1、IC20导通，室外OUTDOOR-RXD接收高电平“1”； 若室内INDOOR-TXD发送低电平“0”，IC2截止，电流环断开，IC1、IC20截止，室外OUTDOOR-RXD接收低电平“0”，从而实现了通信信号由室内向室外的传输。同理，可分析通信信号由室外向室内的传输过程。

图 1

2 电路分析与器件选择

2.1 电源电路

FUSE1、ZR1、C5、L1、C6是室内电源电路，C23、L2、C24是室外电源电路，根据室内外电控实际需要确定参数或是否使用。D1，R1，R2，R3，E1，C1，DZ1组成稳压电源电路。交流220V经D1半波整流，R1，R2分压、限流，R3分流，稳压二极管DZ1稳压，再经E1，C1滤波后，为电流环提供稳定的24V电压。

如室内侧有主电源继电器（如图1 RY1），则室内通信电路的火线要从继电器的输出取电；如有共模电感（如图1 L1），因其会影响电流环通信波形，则室内通信电路的零线要接共模电感的前端，但要经过强电滤波电容C5。同样，如室外侧有共模电感（如图1 L2），则室外零线也要接在其前端，并经过C23。

2.2 电流环电路

IC1，R5，C3，IC2，C2，R4，D2，D20，R20，C20，IC21，IC20，R21，C21组成电流环。

光耦IC1，IC2，IC20，IC21起隔离作用，防止电流环上的大电流、高电压串入损坏芯片。其中IC1、IC20用于信号接收，IC2、IC21用于信号发送；R4，R20电阻起限流作用，将稳定的24V转换为3mA左右的电流，R5，R21电阻分流，起到保护光耦的作用，D2，D20防止N、S反接导致其它元器件的损坏，C2，C3，C20，C21高频滤波，其中C2、C20选用安规电容；C3、C21选用耐压50V的瓷片电容或贴片电容。

快恢复二极管D3，D4，在电路中起保护光耦的作用，能有效释放连接线上的浪涌电压。由于要求反应时间短，所以应选用快恢复管。

2.3 发送接收电路

R24，R25，R26，Q20，IC21组成室外发送电路，R22，R23，C22，IC20组成室外接收电路，R8，R9，R10，Q1，IC2组成室内发送电路，R6，R7，C4，IC1组成室内接收电路。

R7，R9，R23，R24电阻限流，R10，R25，R6，R22电阻分流保护光耦，都可以选用1/4W贴片电阻。C4、C22高频滤波。

2.4 器件选择

整流二极管要选反向击穿电压较高的二极管，最好≥1KV，同时要根据工作电流选取二极管的功率。

光耦的选型要根据通信的速率考虑光耦的开通和关断延时（尤其要考虑高温时光耦的延时会加大），如波特率为600bps，即每位数据的宽度约为1666μs，则光耦的开通或关断延时最大不能超过80μs；由于外界干扰的作用，会在发送光耦的输出端感应出较高的电压，因此发送光耦要选用耐压较高的型号，如选Vce为300V的PC851，其开通和关断延时最大为12μs；另PC817的Vce为35V，开通和关断延时最大为18μs，只可作为信号接收。

R5、R10、R21、R25起分流作用，保护光耦不被大电流损坏，其阻值不能选的太小，否则分流过大，光耦输入电流过小，影响光耦的开关速度或开通不完全。

R1、R2要根据稳压管DZ1的工作电流范围来选，本电路电流环电流为3mA～6mA，稳压电压为24V，电源电压在175V～275V之间，可计算出分压电阻阻值为20K-40K，可选两个11K、3W的功率电阻串联。因电阻直接接在高压端，耐压要高于300V。

R4、R20的选型也要根据电流环电流的大小来选择。电流环电流过大，则通讯波形不好；过小，则电流环无法正常工作，导致经常出现通讯保护。本电流环电流选3mA-6mA，则总限流电阻约为4K-8K，为保证通信可靠性，选择较大的通信电流，则室内、室外各一个电阻，各分一半为2K。为防止N、S两端误接到L、N两端上，损坏电阻，故要选择功率比较大的电阻，需要选择3W以上。

高频滤波电容C2，C3，C4，C20，C21，C22选取时，一般不要大于0.001uF，过大会使通讯信号的波形有部分被滤出，导致通讯不良。C3，C4，C21，C22选耐压50V的102即可，C2，C20选耐压250V的471即可。

稳压二极管DZ1的作用是稳定电流环工作电压，提供通信电流环需要的工作电流。一般选用24V稳压二极管，为保证电流环的电流大于3mA，需要选择1W的稳压二极管。

为保证足够大的驱动电流驱动光耦，在室内外信号发射端需增加两个驱动三极管Q1、Q20进行驱动，可选择8050的管子。

3 应用中的问题及解决

电路设计完成后，需要增加低温环境下的通信可靠性测试，要求在室外-15℃下确保通信正常，用示波器测试通信波形，不应出现丢帧现象。同时，需要增加延长通信线的通信可靠性试验，要求在通信线延长到15米时，电路仍可靠、稳定工作，用示波器测试通信波形，应无丢帧的现象发生。

但是，实际的应用中，由于电网电压的波动，通信线布线杂乱并且靠近其它强电干扰设备，还有通信线长度可能超过50米，往往会出现通信不良或通信不上等故障。我们可以设计一个100米通信线的实验，并进行4KV的EFT实验，用示波器测试通信波形，会发现波形的失真和丢帧的情况。如图2所示。

问题的原因主要在内外侧的接收端，是通信环路中存在的干扰通过光耦传递到MCU。首先，电源要进行滤波处理，可以使用π型滤波。接着要增大中间环路的通信电流，增强抵抗干扰的能力，可以把R4，R20多并联一个电阻。然后，是避免干扰通过光耦，一方面把R5，R21电阻调小到1K，尽量把干扰从旁路流走；同时减少光耦IC1，IC20的传输比，控制在150左右（也不能太小），令干扰不被放大到接收端。最后，将R6，R22改小到2K，增加接收端电流，增强抵抗干扰的能力。调整后的实验波形如图3所示。如果软件上再做好滤波的程序处理。这个电路的可靠性会进一步提升。

4 结束语

本文介绍了共零线电流环通信电路的电路图及通信原理，并对其电路及器件的选择进行了简要的分析，最后对这个电路在实际应用中的有关问题进行了介绍和阐述，同时分析了具体的原因和解决的措施。这些实际的电路和措施已经经过多次严格的实验，以及过十万台产品的实际安装应用，具有很强的实际使用和操作性。

【参考文献】

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【关键词】点频音箱；电路原理；安装维修

点频音箱是接受一个或者几个固定频率的调频音箱，点频音箱具有晶振稳频的特点，能够实现点频的自动接受，抗干扰能力很强，可以实现全自动开关机，音量的调整十分灵活，喇叭音质优美，造型美观、功耗低，待机消耗电流小。一般情况下，点频音箱的频率准确度

1 点频音箱的电路原理

1.2 芯片简介

以FM-165-RD音箱为例，该种音箱使用索尼单片收音机CXA1691IBM芯片，该种芯片是最新的换代产品，具备电源电压适应面宽、元件少、功耗低、输出大、内置FM/AM切换、对温度适应性强的特点，除此之外，该种芯片还有其他的功能，FM部分具备混频器、中频放大器、振荡器、调谐LED驱动器、AFC可变电容射频放大器，AM部分包含AGC射频放大器、振荡器、混频器、中频AGC放大器、调谐LED驱动器、检波器等，芯片的音频部分包括FM静音、电子音量控制，在负载阻抗为8Ω、电源电压为6V时可以实现500mV的功率输出，其内部部件框图详见表1。

1.2 电路原理的相关信息

点频音箱的电路原理详见图2。当信号经过T1、C1、C2和C3组成的滤波器后，会进入CXA1691BM脚中，经由C8、T2等原件以及内部的选频放大器后，可以将选频回路选拼，将需要得到的信号放大。7脚外接三极管与晶振共同组成本振电路，信号会从7脚中输入，和选频的信号一起送入到CXA1691BM脚中，混频得出的调频信号会从14脚中输出，调频信号在经过CXA1691BM中的17脚输入到内部，并经过中频放大，得到放大后的信号在CXA1691BM内部进入到FM鉴别器之中，CXA1691BM的2脚会与鉴别器连接起来，与R8、CF2共同构成一种鉴频网络。信号在经过鉴频网络后会分成两路，其中一路会从23脚输出从24脚进入，并由27脚输出驱动扬声，另外一组信号会经过19脚，如果检测时其为低点位，就会开启CXA1691BM的内部功放电路，如果没有信号则会关闭CXA1691BM内部的功放电路，以便实现静燥。

2 点频音箱的安装

点频音箱的安装应该按照以下的流程进行：

2.1 选择好音箱的位置

一般情况下，音箱要避开油烟的污染和阳光的直射，同时要尽可能的降低成本，比如符合安全要求，为了便于点整音量的电位器，音箱的高度必须要大于1.5m，为了防止音箱的本振信号对电视图像产生干扰，音箱的位置要离电视机5m以上，使用的电源插座的高度也必须要高于1.5m，与此同时，线路必须要符合室内线路的安装标准。

2.2 调整好输入电平

在音箱的安装之前需要检查和调整好电视信号的电平质量，保证电视信号电平能够达到60到70dR，对于音箱输入的电平，保持在50dB左右即可。

2.3 保证用电安全

点频音箱是使用220V交流电供电，因此，电源插座的安装必须要结构过专业训练的工作人员方可进行，此外，还要尽可能的将原电源插座利用起来，如果需要重新安装插座，必须要专门的工作人员才能安装，同时，为了节省用电，在取得用户的同意之后，才能进行安装，在插座安装完成之后要仔细的进行检查，防止由于安全问题而发生触电的事故。此外，对于室内同轴电缆的布线必须要钉好线卡，保证走线的美观性。

对于音箱调频信号应该选择终端盒FM端口，该种端口可以起到防雷击的作用，也能够保证信号的质量，此外，为了节约用料，可以在室外或者室内装好分配器来分配信号，安装好端盒以便将FM信号取出。

3 点频音箱的维修问题

3.1 点频音箱的使用维护

在点频音箱安装完成之后，要做好防晒和防雨工作，不能随便移动点频音箱的位置，在雷电发生前做好将信号的插头拔出，防止音箱受到雷击的损坏，在音箱使用的过程中，音量要适宜，不要将音量调的过大。

3.2 故障的排除

3.2.1 喇叭故障的排除

如果出现喇叭的故障，需要检查是否是外部原因，电源是否出入音箱内，同时，检查邻居的音箱是否存在问题，如果邻居音箱连续几家不响，就要检查是否线路的外部存在着故障，如果外部的音箱不存在故障，就要检查是否音箱的内部存在问题，检查方法主要利用万用表来检查电源插头的两端是否存在直流电阻，如果不存在电源变压器损坏、保险丝烧断、电源线不通的情况，就需要将其更换。其他的检查方式就对应的线路进行一一检查即可。

3.2.2 “静噪”故障的排除

“静噪”不灵的故障大多是由于输入音箱电平的问题导致，其表现主要为，在有信号的情况下可以正常工作，在将调频机音箱关掉后仍有广播节目和噪声，难以自动关机，究其根本原因，是由于输入音箱的电平过高导致。为了解决这种情况，只要调整音箱输入电平即可。

3.2.3 雷击的修理

如果点频音箱遭到雷击后，会发生损坏，一般情况下，损坏的是变压器和保险丝，有时还会出现音箱响但是变压器发烫的情况，在发生这种故障时，只要更换配件即可。

参考文献：

[1]张忠秀.点频音箱的电路原理与安装维修[期刊论文]，中国有线电视，2007，11（25）

[2]海涛，胡艳丽.调频广播与有线电视在共缆传输中的几个问题[期刊论文]，内蒙古广播与电视技术. 2008（01）

[3]于往才，杨洪流.市（县）镇（乡）村户有线电视和调频广播共缆传输方式的实施[期刊论文]，有线电视技术. 2002（06）

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[关键词]交直交 电路 变频器 设计 应用

中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0106-01

1 电压源和电流源型逆变器

电压源型的逆变器直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想的情况下是一个内阻为零的恒压源，输出的交流电压是矩形波或阶梯波;电流源型直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波。

电压源型变频器的主电路简单并且控制策略便于实现，而电流源型变频器往往是电流频率分开控制，并且难以实现电流的准确跟踪，因此实际应用中多采用电压源型的逆变器。但也有公司考虑到电容的寿命问题采用电流源型的变频器。

2 电压型PWM变频器的主电路形式

通常电压型PWM变频器先将电源提供的交流电通过整流器变成直流，再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流电。本文采用不可控整流、PWM逆变器调压调频的交直交变压变频装置，该结构可以较好地解决输入功率因数低和输出谐波大的问题。PWM逆变器采用了全控式电力电子开关器件，因此输出的谐波大小取决于PWM的开关频率以及PWM控制方式。

3 不可控整流、PWM逆变器调压调频的交直交主电路设计

以下主电路各部分元件参数设计是针对实验室2.2kW交流异步电动机的，电机参数为额定功率，定子额定电压，额定电流，额定转速，接法型。

3.1 逆变器功率元件参数计算

逆变部分的开关器件选用IGBT，为了设计的简便，本次采用集驱动、保护等功能于一体的智能功率模块（IPM）。在参数选择时，需要考虑到电机过载，安全裕度等要求，从逆变部分的主电路可以看出，流过一只IGBT管子的最大电流应当等于电动机定子一相的最大电流。所以功率元件的电流额定为

（3.1）

其中，为电流的过载倍数;为流过定子一相绕组中电流的峰值，;为定子的额定电流，这里为5A;为安全裕量。

将试验用电机的相关参数代入式（3.1），过载倍数选为，得到IPM电流额定为

由于所带电机的额定电压为380V，所以直流电源由380V的三相交流电源直接整流得到，直流侧电压为

（3.2）

其中，为输入三相交流电相电压的有效值;1.2为考虑到大电容滤波后的电压升高系数。功率元件的电压额定为

1.5为安全裕量，在实际主电路搭建中选择了日本三菱公司的智能功率模块PM50RSE120 IPM，其额定电压1200V，额定电流50A，可以满足要求。

3.2 软起动电阻的计算

由于在上电的瞬间，对电容器的充电电流可以看作高频信号，此时电容的阻抗值很小，电流很大，如果不对充电电流加以限制会造成整流二极管和电容器的损坏，所以需要在直流侧配一个软起动电阻限制起动电流。由主电路的形式可以看出，当电容充电时，限流电阻和电容构成的回路是典型的一阶环节，其时间常数为，故在零初始状态下，电容上的电压响应方程式为

（3.3）

当时，，故可选取充电时间为，即认为时电容充电完毕。如果要求充电时间为，则

故上消耗的功率为

所以可以选取限流电阻为，20W。选用该电阻时充电回路的瞬时最大冲击电流为，在允许的范围之内。实际的主电路中将四个，8W的电阻接成如图3.2的形式作为软起动电阻，组合后相当于，32W的电阻。

图3.2启动电阻的连接形式从以上的推导可以看出，软起动电阻阻值越小，充电越快，但功率和冲击电流也会相应的增大。最后将选择的二极管模块和IPM模块安装在散热片上，并在主电路直流侧串接用于过流保护的断路器，最终构建起主电路。

4 IPM 驱动触发板设计制作

根据所选择的主电路形式，主要需要控制的部分为逆变电路的IGBT触发控制。本次设计中逆变电路采用两电平逆变电路，电路结构固定，故选择带能量释放管的七单元IGBT-IPM，PM50RSE120，额定电压1200V，额定电流50A，平板式结构。此IPM共16个管脚，分别用于触发控制、引入4组独立控制电源、制动信号和故障信号传递、连接直流电源、输出三相交流电等。

触发板用于完成接收从DSP核心控制板发出的PWM脉冲信号、能量释放管控制信号、将四个独立的直流15V电源引入IPM，从IPM将故障信号传回DSP板等功能。

控制板的设计：控制板接收从DSP传来的6路PWM脉冲信号，为了实现控制侧和主电路侧的隔离，采用快速光耦隔离，这里采用Agilent公司的快速光耦HCPL 4504，光耦副边距IPM的管脚距离小于2cm。由于DSP的PWM输出引脚的驱动能力不够，所以在触发板上加上了OC门芯片SN74LS07，增加驱动能力。制动电阻的控制信号和故障报警信号通过普通光耦TLP521-1进行隔离和传递。

在PCB板的制作过程中，有以下需要注意的地方，由于给上桥臂三组控制端供电的独立电源的地线之间存在380V的交流电压，即电动机的线电压，所以考虑到爬线距离（一般为100V/mm），应在元件布局和布线方面使三组地线之间的间隔尽可能远;为了实现无焊连接，可以采用三菱公司推荐的管座，型号为MDF7-25S-2.54DSA。

5 结论

本文给出了交直交主电路的元件选择方法和参数的计算，进行了IPM触发板的设计和制作，用于连接DSP控制板和主电路。在实际安装中还要注意散热片的放置，以及在直流侧安装过流保护开关。

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关键词： 电源传输完整性; 优选器件; 电源评估; 平面电容; 电源仿真

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0132?05

Design process of hardware circuit based on PDN theory

REN Bing?yu

（GRG Banking Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， China）

Abstract： Based on the power delivery network （PDN） theory， the detailed design process of hardware circuit is described. Difference from general circuit design method， PDN design process can greatly improve the hardware integration and effectively reduce the total number of components by establishment of preferred component list， power evaluation， plane capacitor construction， power supply simulation and construction of power frequency impedance simulation curves. The power supply integration test executed by professional tester proves that the hardware circuit designed by PDN can effectively limit the ripple， noise and other electric performance parameters， and resistor and capacitor on one board can be decreased by 30%. The products can fully meet hardware requirements of telecom servers.

Keyword： PDN; PPL; power supply evaluation; plane capacitor; power supply simulation

0 引 言

21世纪以来，随着科技地不断发展，电子产品在功能、性能等方面得到了长足的发展。伴随而来的是电子产品系统复杂、加工工艺难度增大、产品成本提升、单板故障率上升等问题，直接影响消费者的正常使用和公司的信誉。

目前单板电源设计的流程通常是确定好主芯片及其他用电芯片的输入输出电压/电流，按照分支派生的方式标示电源架构，汇总出产品所需的总功耗，确定供电芯片的型号和性能参数就开始设计电路中的电源。为了降低设计风险，设计人员通常采用电源芯片供应商推荐的参考电路来设计电源电路，经过简单加工测试验证无问题后即投放市场。这种电源设计方式看似没有重大设计风险，但实际上却存在很多隐患，无法满足精细化设计的要求，会造成极大的设计冗余，导致产品升级换代困难，加大分析电路故障原因的难度，降低了产品实际效率，提高了产品的开发、生产和售后维护成本。本文从科学设计电路的角度出发，引导硬件工程师在充分理解单板芯片的实际电源需求后，通过正确评估电源需求、理清优选阻容器件、优化平面电容和层叠电容等设计方法，设计出高品质、高集成度的优秀电子产品。

1 优选阻容器件

在单板开发设计过程中，硬件工程师使用最多的器件就是电容和电阻，电阻主要有限流、分压、调节芯片驱动、限定电平输入输出、调整负载等作用;电容通常应用于隔直、耦合、滤波、稳压、谐振等设计。阻容的器件原理和应用范围很明确，但为了缩短产品的交付进度，设计人员通常在电源设计上采取粗放型理念，对阻容器件的选择缺少必要的科学管控。为保证无开发风险，设计人员大多直接应用芯片器件手册上推荐的环路设计，增加了芯片间冗余设计。这种不规范选取阻容器件的现象会导致板上阻容器件的种类数、器件总数被人为增加，提高了制造、仓储、维修等生产部门的运营难度，同时冗余设计会引起电路设计的不稳定性和不确定性，引入噪声、谐振、串扰、功耗上升等问题。故此，需要设计人员在设计前就必须彻底理清整个单板的系统架构，明确阻容器件的功能，通过电路仿真和实际测试结果来指导正确的硬件电路设计，否则无法正确完成产品开发设计[1]。

为保证电源稳定性，在设计芯片环路的时候都会给留有一定的余量，设计的余量与功耗评估、器件精度、电源仿真都存在关系。实际应用的阻容器件与标称的理论值存在一定偏差，阻容器件标称值与实际值的偏差称为误差，器件允许的偏差范围称为精度。电容精度等级与允许误差对应关系通常为：超稳定级（I类）的介质材料为NPO，精度通常为1%;稳定级（Ⅱ类）的介质材料为X7R，精度通常为5%;能用级（Ⅲ类）的介质材料Y5V，精度较低，不建议使用。在考虑通流和功耗的前提下，目前电阻精度主要是1%及5%两种。

在实际设计过程中，建议设计人员选择精度高（1%）的阻容器件。使用高精度的阻容器件可以准确控制硬件电路的功耗、电流、频率、纹波、噪声等电气特性，有效控制单板稳定性。为了降低单板阻容器件的种类数，应该参照以下规则：电阻按照E12原则（10、12 、15 、18、 22 、27 、33 、39 、47 、56、 68、 82作为基数）来选择器件，电容按照E3原则（10、22、47作为基数）来选择器件。这些是设计中经常用到的阻容值，以上述阻容值作为基数可以满足电路设计中90%的阻容需求。如果芯片要求特殊阻容值，可以通过串并联的方式实现所需阻容值，可以有效地控制环路的阻抗匹配、驱动调节、纹波控制等电气特性。

选用高精度阻容阻容器件，建立优选阻容器件表PPL，就可以在保证所有单板开发质量的前提下，最大程度约束器件选择的种类数，实现器件编码的归一化，提高单板阻容器件的简洁度。

2 电源评估

设计人员选用一个芯片，需要明确芯片最大的应用能力，即芯片管脚最大工作电流和目标工作频率，理清芯片最大动态电流和设计所需的负载频率范围，约束trace走线分布来指导power rail的设计并选取适合的电容。控制电源稳定性最重要的两个环节就是阻抗匹配和频率响应，设计电路的时候会仿真出一个最优通路的理想电路模型。理想电路要求在电路频率变化范围中走线链路阻抗是固定的，设计出的实际电路也要满足这个特性，要求设计出的阻抗频率特性曲线与理想电路阻抗频率曲线接近，甚至一致。

以某网卡芯片为例，通过查询器件手册得出芯片在不同工作状态下的最大电流如下。

表1 某网卡芯片工作状态功耗表

通过表1知道网卡工作在1 000 Mb/s传输速率，从Active状态到Idle状态时候会产生最大的功耗变化，网卡实际工作中最大的电流变化是从Active状态向Idle 状态切换过程中发生的。网卡在这两个状态之前切换时候产生最大数据量变动，过大的数据量变化会产生额外的工作损耗。从芯片手册上可以得知Active状态到Idle状态的工作电流变化为570 mA，由此可以计算得出网卡在1 000 Mb/s link状态下从Active转向Idle时的Transient Current百分比，即动态电流变化率[Istep]为570 mA。由表1可以看出，该网卡芯片在不同工作状态下的功耗是不同的，相同电平下的工作电流不同。这是由于芯片高速信号传输引起传输线及传输介质产生阻尼效应，内部工作频率提升导致芯片管脚输出功耗上升。信号传输是通过数据线中电平高低变化来实现的，不同电气接口对于高低电平的阈值也是有严格要求的，为保证信号能够在准确的数值下传输，需要确保芯片管脚上的信号在相同或不同的工作状态下都能有稳定的电平输出。这就需要我们充分理解芯片的工作原理及产生功耗的原理后，提供最优的电路来保证整个环路的稳定性[5]。

特征阻抗[Ztarget]可以通过以下公式得到：

[Ztarget=ΔVΔI=Vmax?ΔVrippleImax?ΔItransient] （1）

式中[ΔVripple]为电压纹波要求，通常为1%～3%，[ΔItransient]为电流有效传输效率，根据电源不同的设计方式和信号工作频率，可以选择10%～90%作为电流传输效率。

芯片都是在不同状态之间进行工作的，管脚不可能一直保持工作在100%的工作状态，这就导致实际输出的电流不会一直处于峰值电流，而是最大值的一部分。对于对工作状态没有约束且工作频率超过100 MHz的芯片，对电流传输效率Transient Current百分比可以选择最大的90%。芯片的最大工作电流可以通过查找器件手册得到，里面详细介绍芯片所有的工作状态及对应的工作电流，得出芯片在不同状态下的最大功耗。在此基础上，联系芯片实际工作中可能出现的状态变迁方式，计算出最大的动态电流变化率，即电流有效传输效率[ΔItransient]。

通过查看器件手册得到芯片管脚的工作频率作为目标频率[Ftarget]，超过[Ftarget]范围的信号都不必要处理。这是因为受到阻抗特性约束，这部分超出[Ftarget]的信号是无效的，故此不会产生损耗。芯片的目标频率通常在器件手册中没有涉及，可以直接向供应商询问。如果厂商无法给出芯片的目标频率可以凭借经验来推测：首先明确芯片消耗电源的模块类型，通过模块类型对比给出不同模块的典型频率，在结合芯片实际工作情况，找出所需要的目标频率[Ftarget]。

通常以I/O电源80 MHz，core电源50 MHz作为标准基准频率。将[Ftarget]带入计算表格，得出所有需要分析的对象和仿真波形，完成电源评估工作。

3 平面电容

经过实际测试，发现每个芯片的I/O管脚都无法按照理论模型构建硬件电路，即直接通过芯片管脚与PCB板上铜箔pad相连接，不会产生任何额外的电气特性。如图1所示，在芯片I/O管脚与PCB相连的地方都会产生寄生电容，当I/O管脚输出高电平时，相连部分上的寄生电容开始放电，如果管脚周围没有补偿电容给管脚寄生电容及时充电，该I/O管脚上电平就会出现跌落。

<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼17t1.tif>

图1 芯片I/O管脚实际等效示意图

芯片厂商通常会在实际封装中添加一部分[Cpkg]用于给寄生电容充电，但是由于容值过小，充电效果并不理想。芯片外部放置的钽电容存在走线过长、层叠干扰及寄生电感的原因，更是难以给芯片I/O管脚上的寄生电容及时充电，所以我们要利用PCB来构建出如图2所示的等效平面电容[Cpcb]。

<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼17t2.tif>

图2 理想PCB平面电容示意图

平面电容是利用PCB叠层的电源层和地层之间构造的电容效用而形成的。这种平面电容的容值通常比较小（pF级），可以用于滤除高速信号产生的高频噪声，同时由于离芯片管脚最近，可以最迅速有效地为芯片管脚上的寄生电容充电。在芯片周围摆放滤波电容不能有效滤除高频噪声的原因就在于即使容值很小的滤波电容也只能滤除100 MHz以下的噪声，而对于超过200 MHz的噪声就不能有效滤除。以10 nF电容为例，按照电容阻抗特征曲线所示，只能有效滤除50 MHz左右的噪声。如果再放置pF级的电容会显得冗余，且电容本身的ESR和ESL会引入高频谐振的问题。

综合考虑，建议可以利用平面电容来对管脚寄生电容完成充电和高频滤波[2]。电容频率阻抗曲线如图3所示。

3.1 估算平面电容值

平面电容值需要依据芯片管脚和对应传输线上的寄生电容值来完成评估。通过芯片I/O管脚的寄生电容[Cio]以及芯片的I/O管脚数量得出芯片I/O管脚生成的总寄生电容大小。一般情况下，PCB微带层每inch单端传输线（特征匹配阻抗为50 Ω）上的寄生电容为3.5 pF。以一组32位的传输线为例，传输线走线长度为6 inch，管脚寄生电容[Cio]为2 pF，可以推算出芯片管脚总寄生电容[Cswl]=（3.5 pF/inch×6 inch+2 pF）×32=736 pF。按照设计要求电源的纹波为2%，综上条件就得到了所需要的平面电容[Cp]为36.8 nF。

<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼17t3.tif>

图3 电容频率阻抗曲线图

当然，这里还提供了一种简易评估平面电容的方法，即忽略管脚上的寄生电容。同样以上述32位传输线为例，[Cswl]=3.5 pF/inch×6 inch×32=672 pF，电源纹波同样要求为2%，得到平面电容为33.6 nF。这样计算得到的[Cp]与理论值存在一定偏差，不是很准确，但管脚上的寄生电容可以通过芯片封装上的[Cpkg]进行部分补偿，可以满足实际应用的补充效果，故此不会产生很大的影响[3]。平面电容的布局由于需要考虑分层和跨层分布，实际上应用的平面电容要比计算得到电容多。根据资料和实际测量，实际布局的平面电容[Ccomp]和理论的平面电容[Cp]二者的比例应该是5～10倍之间，通常选用选取为8，即[Ccomp]=[Cp]×8。由此可以得到芯片实际需要补偿平面电容值为[Ccomp]=36.8 nF×8=294.4 nF。

3.2 构建平面电容

按照上面介绍的方法，通过计算得出芯片管脚需要补偿的电容值，下一步就要确认如何构建平面电容。PCB是由铜皮和绿油组成，PCB板上所有的电源和信号都需要通过铜皮完成布局和传输，故此确认并合理地分布铜皮就能决定如何构建最适宜的平面电容。

如式（1）所示，铜皮的估算方式可以按照业界通用的公式：

[CPCB=E×Er×L×WT] （2）

式中：E=0.224 9×[10-12] F/inch，[Er]=3.8～4.2 （FR406材质PCB吸收），L为走线长（inch），W为线宽（inch），T为铜厚。

在设计初期就已经确定了PCB的层叠间距、材质、走线距离、线宽和铜皮厚度等参数，可以根据式（2）评估出实际设计需要铜皮数量，由此构建PCB铜皮布局，即构建平面电容。构建PCB平面电容需要经过电路原理仿真、PCB信号仿真和电源仿真评测后方可落实。电源层和地层必须有效区分，原则上相同电平值的模拟和数字电源也需要单独隔离，数字地和模拟地也需要隔离开。处理高速信号时，需要注意信号参考的电源平面或地平面布局需要尽量精简，电源层平面和地层平面尽可能的靠近并对称均匀布局，形成近似差分耦合电容的布局。这是由于提供给高速信号做参考层的电源平面和地平面在实际应用的时候会附生一个很小的寄生阻抗（大致20 mΩ），为保证电平稳定，通过这种紧急对称布局来有效抵消寄生阻抗引起的电平跌落，而且可以有效抵消一部分电源纹波和噪声的干扰[4]。

3.3 应用实例

以一片单板为例，首先确定单板上工作时钟频率在100 MHz以上的单端信号，以表格的形式列对应的芯片器件名称、接口类型、工作频率以及器件个数，再列出接口的个数、单个接口的负载电容以及接口工作电压，按照列出的信息，参照本文提供式（1）计算出该关键I/O管脚需要补偿的电容值，构建平面电容。以Intel 82599网卡芯片为例，通过查阅厂家技术手册列出信号对应的电源网表名、电压、纹波等信息，绘制出表2，用于指导下一步设计。

表2 某单板的管脚信息表

通过查看芯片手册，得知芯片内部时钟主频为100 MHz，可以倍频至2.5 GHz，即[Ftarget]为2.5 GHz。管脚最大电流为3.5 A，应用VCCP的管脚都为高速信号，需要使用high speed模型分析：电压纹波要求1%，电流传输效率90%。

通过公式（1）所需要的平面电容值为[Cp=（3.5 pF/inch×15 inch+2 pF）×321%=174.4 nF]，即可规划出平面补偿电容。通过式（2）得到，[Ztarget=1.1×1%3.5×90%=3.492 mΩ]。再使用文中介绍的电源评估方式，绘制出如图4所示的[Ftarget]与[Ztarget]曲线，依靠曲线协助评估出所需要的最优环路。

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图4 [Ftarget]与[Ztarget]仿真曲线

经过电源评估、构建平面电容和频率阻抗特征曲线后，可以设计符合芯片管脚电气需求的最优电路。如图5所示，通过泰克示波器TDS3012B量测信号噪声发现，采用PDN设计理念优化的电路可以有效抑制噪声。

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图5 PDN设计前后电路噪声测试结果

4 结 语

本文通过原理分析和实例讲解来介绍一种基于PDN原理设计硬件电路的方法。PDN可以有效指导硬件工程师在充分掌握芯片实际工作状态信息后，精确地设计电路、优化阻容选型，提升电路开发效率，解决冗余设计造成的干扰问题，提高单板简洁度，提升产品品质。同时，通过PDN原理来指导硬件电路设计的方法，已被爱立信、华为等电信业公司广泛接受、应用和推广。

根据本人实际开发工作验证，通过PDN原理设计电路的方法非常科学，采用PDN原理设计24 000 pin密集度的服务器单板，可以有效降低阻容器件种类数和总数各30%，降低原材料、加工成本和工艺制程成本12.5 RMB/pcs，提升生产直通率0.5%，改动前后的效果十分明显。

本文在以下方面有所创新：

（1） 提出PDN设计理念，规范电路设计流程，能有效指导硬件工程师充分理解芯片的技术规格，设计出最优电路;

（2） 建立优选器件表，规范阻容器件种类数和总数，提升产品质量和管控水平;

（3） 构建平面电容，绘制频率阻抗曲线，指导硬件工程师设计理想硬件电路。

参考文献

[1] 王殿超，郑学仁.电路设计中元器件的使用可靠性[J].电子产品可靠性与环境试验，2007，25（5）：8?11.

[2] 刘丽娟，杨兵初，倪兰，等.PDN电源地平面去耦电容网络设计[J].中南大学学报：自然科学版，2013（10）：4088?4094.

[3] 林文彦.阻抗规格对电路板设计、制造之影响[EB/OL]. [2010?09?02].http：///link？url=Rhyy3dKz_BPN14MggknesIEG4zyV4e8lhRxttj?6jDkPdqeVZ0vDe73umxNWWiZwZNt

De5i7DJhEGyvRbqwdj6HQqKr6TOivCZt4hPxvBQu.

[4] 顾艳丽，熊继军，焦新泉.长线传输的阻抗匹配设计[J].国外电子元器件，2008（10）：8?9.

篇9

[关键词] 电位差计 控制原理 故障

电子电位差计是一种能连续显示和记录被测参数变化情况，而且能实现自动控制和报警的自动化仪表。将它配用不同的变送器，就可以测量不同参量，因而在工业部门得到广泛的应用，在机械热处理行业中，它已成为炉温测量与控制的常用仪表。不同型号（XW系列）的电子电位差计测量部分电路的工作原理相同，而控制部分电路结构和原理可能差别较大。用户应根据实际需要，选择应用。

XWBJ-121电子电位差计的控制电路不同于XWBJ-101电子电位差计，XWBJ-101的控制部分是由机械机构带动微动开关动作，输出闭合/断开的位式信号；XWBJ-121的控制电路则是对设定与测量的差值信号进行比较放大，由继电器输出具有时间比例作用的闭合/断开信号。由于没有现成的图纸，特根据实物画出电路原理图（见图1），对电路进行原理分析，并介绍几个修理实例。本文中的电位差计为大华仪表厂产品。

1 电路原理分析

运放A3、A4及元件构成振荡电路，由A3的8脚输出三角波信号，调节WT可改变三角波的频率；运放A1及元件构成差值放大电路，对设定和测量的差值电压进行放大，A1的1脚输出放大信号，调节WP可改变差值放大电路的增益，改变A1输出信号的电平；运放A2及元件构成比较电路，对振荡电路和差值放大电路送来的信号进行大小比较，A2的7脚输出信号控制驱动电路，调节W33可预置时间比例作用的范围；T41、T42、T43及元件构成驱动电路，分别控制继电器J的通断、控制LED41和LED42指示灯的点亮和熄灭；电源变压器B、整流器BT1、BT2等元件构成电源电路，B+、B－输出±12V稳压电源，为运放集成电路LM324组成的电路供电，B*输出+12V电源，为驱动电路供电。

与测量和设定指针联动的两个滑臂触点在滑线电阻R02上取得的电压差值信号，由差值放大电路进行放大，输出信号送到A2的5脚。当5脚电压值大于6脚的正峰值电压时，7脚输出正电压，继电器J吸合，指示灯LED41亮，LED42熄；当5脚电压值介于6脚的正、负峰值电压之间时，7脚输出正负交替的方波电压信号（见图1），继电器J以时间比例方式输出通/断信号，LED41、LED42交替亮/熄；当5脚电压值小于6脚的负峰值电压时，7脚输出负电压，继电器J释放，指示灯LED41熄，LED42亮。电路只有WP、WT、W0外部可调，调节WP可改变仪表时间比例作用的范围；调节WT可改变仪表时间比例作用周期脉冲的周期；调节W0可改变仪表时间比例作用的时间比值。

2 维修实例

2.1 控制设定点误差大，且数值不稳定

原因：测量滑臂固定螺丝松动，滑臂上行与下行时，在同一测量示值点，测量滑臂触点位置出现变动，造成控制输出变动。

解决办法：调正测量滑臂触点位置，拧紧固定螺丝，调节W0 ，使测量指针与设定指针对齐时，继电器J闭合、断开的时间相近，故障排除。

2.2 测量过程中，控制输出出现不正常跳动变化

原因：测量滑臂触点磨损，与滑线电阻R02接触不良，造成控制输出不正常跳变。

解决办法：拆下测量滑臂触片，用金相砂纸轻磨滑线电阻R02，什锦锉刀修整测量滑臂触点，金相砂纸轻磨，无水乙醇清洗干净，原位装上测量滑臂触片，故障排除。

2.3 仪表示值正常，控制设定点误差随设定值增大而增大

原因：仪表示值正常，设定点误差随设定值增大而增大，故障为通过滑线电阻R02的电流偏离正常值，经查为W01阻值变化。

解决办法：更换并调节W01，使设定点误差小于允差，故障排除。

2.4 时间比例作用时，指示灯LED41、LED42可交替亮熄，继电器J不吸合

原因：时间比例作用时，指示灯LED41、LED42可交替亮熄，说明比较电路输出正常，T42、T43及其元件正常，故障应在T41及元件，经查为继电器J线圈断路。

解决办法：更换继电器J，故障排除。

2.5 时间比例作用时，指示灯LED41、LED42可交替亮熄，继电器J动作正常，但吸合出现抖动现象

原因：指示灯LED41、LED42可交替亮熄，继电器J吸合出现抖动，说明电路基本正常，故障应在供电电路，经查为滤波电容C58漏电。

解决办法：更换滤波电容C58，故障排除。

篇10

本文简述了光电容积脉搏波描记法原理及其应用，介绍了人体外周血管中光电脉搏信号检测电路设计。

【关键词】光电容积脉搏波描记法 脉搏信号

1 前言

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。

随着科学技术的发展，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点，可通过传感器对脉搏信号进行检测，这种技术具有先进性、实用性和稳定性，同时也是生物医学工程领域的发展方向。

2 光电容积脉搏波描记法原理及应用简述

光电容积脉搏波描记法（Photo Plethysmo Graphy，下文简称PPG）是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法。当一定波长的光束照射到指端皮肤表面时，光束将通过透射或反射方式传送到光电接收器，在此过程中由于受到检测端皮肤肌肉和血液的吸收衰减作用，检测器检测到的光强度将减弱，其中皮肤肌肉、组织等对光的吸收在整个血液循环中是保持恒定不变的，而皮肤内的血液容积在心脏作用下呈搏动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，光吸收量也最大检测到的光强度最小；而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度最大，故光接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化，将此光强度变化信号转换成电信号，便可获得容积脉搏血流的变化。由此可见，容积脉搏血流中包含有血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息。同时，容积脉搏血流主要存在于外周血管中的微动脉、毛细血管等微血管中，所以容积脉搏血流同样包含有丰富的微循环生理病理信息，是我们研究人体循环系统重要的信息来源。

PPG信号中包含有人体循环系统、呼吸系统等许多生理病理信息。在人体血压、血流、血氧、脑氧、肌氧、血糖、脉率、微循环、血管阻力、呼吸率、呼吸量等参数的无创检测中都有很好的应用前景。虽然由于红光、红外光与人体组织相互作用的机理十分复杂，影响它的因素也比较多。我们对容积脉搏血流本身的机理了解和研究得还很不够。加上对血流标定工作的困难，因而在临床上真正应用PPG 开发的医疗仪器还十分有限。目前应用得最为广泛和成功的是监护仪中的血氧和脉率检测。

3 光电脉搏信号检测电路设计

由于血液中氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）在红光和红外光区（600～1000nm）有独特的吸收光谱，因而使PPG 成为研究组织中血液成分尤其是血氧状态的简单而有效的方法。许多国家的研究人员对无创测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置进行了各自的研究。在他们所采用的无论是透射光法和反射光法中都以朗伯 比尔定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理论为基础，利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的光吸收系数的差异来进行，在红光区（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差异很大，而在红外光谱区（800～1000nm）其吸收差异较小。当血氧饱和度变化时，也就HbO2 相对Hb的浓度发生变化时，血氧饱和度应该和光检测器上的660nm 和940nm 两个波长的相对光强之间存在较好的线性关系。

血氧饱和度：SpO2=A+BR 其中，A、B为标定常数

由此原理设计出的无创脉搏血氧仪，是一种快速测量血氧饱和度的有效方法，成为当今国际上广泛采用的监护仪器。广泛用于手术室 监护室 急救病房 运动和睡眠等各种临床应用中。

人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求，脉搏检测电路设计框如图1所示。

3.1 信号输入、传感器选择

利用指套式光电传感器，指套式光电传感器的换能元件用硅光电池，由于心脏的跳动，引起手指尖的微血管的体积发生相应的变化，当光通过手指尖射到硅光电池时，产生光电效应，两极之间产生电压由于指尖的微血管内的血液随着心脏的跳动发生相应于脉搏的容积变化，因而使光透过指尖射到硅光电池时也发生相应的强度变化，而非血液组织（皮肤、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不变的，这样就把人体的脉搏（非电学量）转换为相应于脉博的电信号，方便检测。

3.2 差分放大

这里选用低噪声的集成仪器放大器INA114作为放大器的核心元件。最低2.3V的工作电源电压满足电源要求，INA114的失调电压不到0.1mV，因此取其电压增益100，根据INA114的增益计算公式可得RG=500Ω，INA114的内部结构图，如图2所示。

3.3 低通滤波器

利用归一化的方法设计低通滤波器。这里用四阶巴特沃斯低通滤波器，其优点是在通带内幅频特性曲线比较平坦，而且四阶也可以达到较陡的衰减的特性：其截止频率为20Hz时，到频率为40Hz时其衰减幅度为9%。它的作用是滤除频率为20Hz以上的信号分量。如图3所示。

设截至频率为20Hz，符合采样要求同时滤除工频干扰，根据归一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 结束语

相信随着PPG基础研究工作的进一步开展和人们对这项技术的更深入了解，它必将开拓出更为广泛的应用领域。PPG方法所具有的无创性，且检测方便、操作简单、性能稳定、重复性好、安全无交叉感染等许多优点，使其不仅可用于医院中的临床检测、监护、急救体能测试，还可应用于社区和家庭医疗保健，并具备联网扩展功能，可以组建家庭社区和医院的医疗网络，在这些方面将都会有很好的应用前景。

参考文献

[1]杨福生.生物医学信号处理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者简介

陈斌（1972-），男，安徽省怀宁县人。大学本科学历。现为中国电子科技集团公司第四十一研究所高级工程师、研发部部长。研究方向为自动化。