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【關(guān)鍵詞】電子技術(shù)；單元電路；設(shè)計(jì)方法

電子電路的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)方法在EDA技術(shù)的發(fā)展下發(fā)生了根本性的變化。電子技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，在對(duì)電子電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先應(yīng)該將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)明確下來(lái)，依據(jù)任務(wù)選擇方案，然后單元設(shè)計(jì)方案中的各個(gè)部分，選擇參數(shù)計(jì)算和期間，最后有機(jī)連接各個(gè)部分，將一個(gè)符合設(shè)計(jì)要求的完整的系統(tǒng)電路圖畫出來(lái)。作為電子電路設(shè)計(jì)人員，對(duì)單元電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行熟練掌握，具備實(shí)際設(shè)計(jì)電路的能力尤為重要。

1.電子技術(shù)及單元電路概述

電子技術(shù)是依據(jù)電子學(xué)的原理，在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中應(yīng)用電子器件將某種特定功能的電路設(shè)計(jì)和制造出來(lái)。包括兩大分支，即信息電子技術(shù)和電路電子技術(shù)。前者又包括兩個(gè)分支，即模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)；后者是處理電子信號(hào)的技術(shù)，發(fā)生、放大、濾波、轉(zhuǎn)換信號(hào)是其主要的處理方式[1]。

電子電路由電子元件和電子器件兩部分組成。前者是指電子設(shè)備中的開(kāi)關(guān)、電阻器、變壓器等，后者是指晶體管、電子管等。按組成方式，我們可以將電子電路分為分立電路和集成電路兩種形式。單元電路是整個(gè)電子電路系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，常用的有放大電路、振蕩電路、數(shù)字電路等幾種。設(shè)計(jì)訓(xùn)練單元電路的主要目的是促進(jìn)整體電子電路設(shè)計(jì)水平的顯著提升[2]。

2.電子技術(shù)單元電路的設(shè)計(jì)步驟

2.1 明確任務(wù)

將本單元電路的任務(wù)明確化是設(shè)計(jì)單元電路前均需要明確的，設(shè)計(jì)單元電路的最基本條件是將單元電路的性能指標(biāo)詳細(xì)擬定出來(lái)。在設(shè)計(jì)單元電路的過(guò)程中，我們應(yīng)該將電壓放大的倍數(shù)、輸入輸出電阻的大小計(jì)算出來(lái)，并盡可能做到簡(jiǎn)單明了、盡可能地節(jié)約成本、使單元電路具有較小的體積和較高的性能等。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)的目的是使單元電路的功能指標(biāo)達(dá)到實(shí)際需求。專業(yè)化的電子技術(shù)知識(shí)是計(jì)算參數(shù)的必要條件，比如，只有將各電阻值及其放大倍數(shù)計(jì)算出來(lái)，才能有效設(shè)計(jì)放大器電路；只有將電阻電容及其震蕩頻率制定出來(lái)才能有效設(shè)計(jì)震蕩器[3]。在計(jì)算參數(shù)的過(guò)程中，同一電路可能得出一組以上的數(shù)據(jù)，這是我們就應(yīng)該給予數(shù)據(jù)選擇方法以充分的重視，保證所選擇的數(shù)據(jù)達(dá)到并符合完成電路設(shè)計(jì)的要求，并能夠在實(shí)踐中得到有效的應(yīng)用。

2.3 畫出電路圖

在電子技術(shù)單元電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要將完整的電路圖繪制出來(lái)，這樣做的目的是對(duì)單元電路和整機(jī)電路的連接關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的表達(dá)。同時(shí)，設(shè)計(jì)者還應(yīng)該依據(jù)單元電路之間的相互配合和前后之間的關(guān)系將電路結(jié)構(gòu)盡可能地簡(jiǎn)化。比如，在確定各單元電路之后，應(yīng)該給予單元電路之間的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)以充分的重視和考慮，從而將浪費(fèi)及工作量減少到最低限度。給予各部分輸入信號(hào)、輸出信號(hào)和控制信號(hào)之間的關(guān)系以充分的重視，對(duì)輸入、輸出進(jìn)行模擬，完全隔離輸入、輸出、電源、通道，分割直流電流、電壓信號(hào)為多路不同或相同的電流、電壓信號(hào)，從而使同時(shí)采集控制不同設(shè)備的目的得到切實(shí)的實(shí)現(xiàn)。首先，注意電路圖的可讀性。在繪圖的過(guò)程中應(yīng)該盡可能地在一張紙上畫主電路圖，在另一張紙上畫比較獨(dú)立和次要部分，標(biāo)記號(hào)圖的端口和兩端，將各圖紙之間的信號(hào)的引入和引出標(biāo)出來(lái)；其次，注意信號(hào)的流向及圖形符號(hào)。一般情況下，我們可以將起始點(diǎn)設(shè)在輸入端和信號(hào)源，然后依據(jù)信號(hào)流向從左到右、從上到下將單元電路畫出來(lái)。同時(shí)，還應(yīng)該將適當(dāng)?shù)臉?biāo)注加在圖中，保證圖形符號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)性；再次，注意連接線畫法。用直線連接各元件，并盡可能地減少交叉[4]。一般情況下，應(yīng)水平或垂直布置連接線，盡可能地不畫斜線，用原點(diǎn)表示互相連接的交叉。

3.電子技術(shù)單元電路的設(shè)計(jì)方法

3.1 對(duì)于線性集成運(yùn)放組成的穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

調(diào)整部分、取樣部分、基準(zhǔn)電壓電路等是單元電路中串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的主要組成部分。設(shè)計(jì)線性集成運(yùn)放組成的穩(wěn)壓電源的主要功能是過(guò)流和短路保護(hù)，起到對(duì)電路的保護(hù)功能的標(biāo)準(zhǔn)為負(fù)載電路達(dá)到限額。在對(duì)其的設(shè)計(jì)過(guò)程中，直流電通過(guò)整流出來(lái)后，用濾波將其波文系數(shù)降低，從而對(duì)負(fù)載進(jìn)行直接的帶動(dòng)，但是這種電路無(wú)法起到穩(wěn)壓的作用，因此，應(yīng)該依據(jù)一定的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源。

3.2 單元電路之間的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

在確定各單元電路之后，設(shè)計(jì)者還應(yīng)該給予單元電路之間的級(jí)聯(lián)問(wèn)題以充分的重視并認(rèn)真考慮。阻抗匹配、負(fù)載能力匹配等是單元電路之間電氣性能相互匹配的主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)者應(yīng)該謹(jǐn)慎認(rèn)真地思考這些問(wèn)題。如果沒(méi)有過(guò)高要求驅(qū)動(dòng)能力，則可以運(yùn)用運(yùn)放構(gòu)成的電壓跟隨器；如果對(duì)驅(qū)動(dòng)能力要求高，則可以運(yùn)用互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路或功率繼承電路；如果為數(shù)字電路，則可以運(yùn)用單管反向器或達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器等。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，單元電路之間的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)問(wèn)題就是模擬單元電路之間的相互干擾及匹配問(wèn)題[5]，在整個(gè)電路的正常運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，值得我們予以充分重視。

3.3 對(duì)于運(yùn)算放大器電路的設(shè)計(jì)

UA741、OP07等均是依據(jù)工業(yè)上的普通用途設(shè)定的運(yùn)算放大器電路，具有中等的性能和極為便宜的價(jià)格。在設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器電路的過(guò)程中，應(yīng)該將單雙電源供電、電源電流選擇出來(lái)作為基本參數(shù)，同時(shí)將失調(diào)電壓、失調(diào)電流、電阻輸入，對(duì)速率進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，將時(shí)間確定下來(lái)。在運(yùn)用運(yùn)算放大器時(shí)，如果沒(méi)有特殊要求，應(yīng)該盡可能地運(yùn)用通用性運(yùn)算放大器。指標(biāo)的先進(jìn)性不應(yīng)該成為設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇各種參數(shù)的唯一依據(jù)。當(dāng)運(yùn)算放大器作弱信號(hào)放大時(shí)，所選擇的運(yùn)算放大器應(yīng)該具有極小的失調(diào)和噪聲系數(shù)，同時(shí)保持等效直流電阻運(yùn)放同相端和反相端對(duì)地。為了將運(yùn)放的高頻自激有效消除掉，設(shè)計(jì)者應(yīng)該依據(jù)推薦參數(shù)將適當(dāng)?shù)碾娙菹窠槿胍?guī)定的消振引腳之間，同時(shí)對(duì)兩級(jí)以上放大級(jí)級(jí)聯(lián)的情況進(jìn)行有效的預(yù)防和避免，以將消振困難減小到最低限度[6]。

隨著科技的飛速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，電子電路的種類越來(lái)越多，因此需要各種不同的有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方法。在集成發(fā)生電路的快速發(fā)展的過(guò)程中，各種專用功能的新型期間不斷涌現(xiàn)出來(lái)，對(duì)電路設(shè)計(jì)工作提出了新的要求，集成塊直接組裝逐漸取代了傳統(tǒng)的分立原件電路的設(shè)計(jì)方法。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)該將注意力逐漸從設(shè)計(jì)單元電路向設(shè)計(jì)和規(guī)劃整體方案轉(zhuǎn)移，清楚明了各種集成電路的性能和指標(biāo)，在選取集成器件的過(guò)程中嚴(yán)格依據(jù)實(shí)際需求，并能合理地進(jìn)行單元連接，從而成功完成總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)在日常工作中積極積累經(jīng)驗(yàn)、深入研究其設(shè)計(jì)原理、努力改進(jìn)及設(shè)計(jì)方法，為推動(dòng)社會(huì)各方面的發(fā)展做出積極的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[4]高吉祥.基本技能訓(xùn)練與單元電路設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2011.

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關(guān)鍵詞：可靠性仿真技術(shù)；課改要求；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；電路設(shè)計(jì)

1基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)需求分析

基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)主要是以虛擬儀器設(shè)備替代現(xiàn)實(shí)電子元器件，從而為電子電路的實(shí)踐教學(xué)提供有效支撐，從而更好了踐行“理實(shí)一體化”的教學(xué)理念，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐技能的提升，促使課程回歸教學(xué)的本質(zhì)。1.1實(shí)踐性教學(xué)開(kāi)展的內(nèi)在需求。基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)，學(xué)生可以參與擬訂設(shè)計(jì)方案、仿真模擬等環(huán)節(jié)，從電路的設(shè)計(jì)方案、仿真模擬等環(huán)節(jié)，能夠?qū)⒒逎y懂的理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合，幫助學(xué)生提升實(shí)踐技能。1.2實(shí)現(xiàn)層次化和差異化教學(xué)的必然選擇。關(guān)涉電路設(shè)計(jì)的技術(shù)型教學(xué)內(nèi)容涉及的元器件較為繁雜，且不同元器件性能、參數(shù)、封裝形式、價(jià)格、功耗等存在較大區(qū)別，在教學(xué)過(guò)程中需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、測(cè)試，這增加了設(shè)備投資成本，而且因?yàn)閷W(xué)生個(gè)性化差異，學(xué)習(xí)、接受能力各不相同，加之電子元器件復(fù)雜程度的不同，應(yīng)該據(jù)此分層次設(shè)定目標(biāo)，以貼近生活、學(xué)生所喜愛(ài)的教學(xué)內(nèi)容，以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)，但這勢(shì)必增加電子元器件的投入，而仿真模擬電路的設(shè)計(jì)可以利用仿真軟件呈現(xiàn)電子電路的操作面板和功能，并通過(guò)交互式操作完成相應(yīng)測(cè)試任務(wù)，不僅滿足了教學(xué)需求，而且控制了教學(xué)成本。

2基于可靠性仿真技術(shù)的電路設(shè)計(jì)方案

2.1電路設(shè)計(jì)的整體流程?？煽啃苑抡婕夹g(shù)可以檢驗(yàn)電路存在的故障并發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對(duì)性的進(jìn)行改進(jìn)，為了遵循由簡(jiǎn)入繁的原則，以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和積極性，本文以典型電路電源模塊設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)過(guò)程中首先應(yīng)該進(jìn)行可靠性仿真實(shí)驗(yàn)，其具體的流程如圖1所示。2.2電路設(shè)計(jì)的具體步驟。2.2.1設(shè)計(jì)信息采集。為了實(shí)現(xiàn)電源電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)詳細(xì)搜集其應(yīng)用環(huán)境和使用方法等信息，具體包含所采用的元器件、原材料特性2.2.2數(shù)字樣機(jī)建模。電路設(shè)計(jì)中數(shù)字樣機(jī)建模須采用專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)、接受能力存在差異，應(yīng)該目標(biāo)層次，將設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分解，并以“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的形式，將不同設(shè)計(jì)知識(shí)分配到各個(gè)任務(wù)之中，讓學(xué)生通過(guò)分步設(shè)計(jì)完成理論知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用，由此才能確保電路設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的效果，通常存在熱設(shè)計(jì)信息和振動(dòng)設(shè)計(jì)信息兩類建模方式，具體的建模步驟為：首先根據(jù)將所獲取的電路信息進(jìn)行簡(jiǎn)化，完成CAD數(shù)字樣機(jī)模型的構(gòu)建，并依據(jù)熱設(shè)計(jì)信息建立CFD數(shù)字樣機(jī)模型，而后依據(jù)振動(dòng)設(shè)計(jì)信息建立FEA數(shù)字樣機(jī)模型。其次，為確保CFD數(shù)字樣機(jī)與物理樣機(jī)的一致性，須對(duì)其進(jìn)行修正與驗(yàn)證，利用對(duì)電源模塊工作狀態(tài)熱測(cè)量的方式，獲取其關(guān)鍵元器件點(diǎn)溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，并根據(jù)所得結(jié)果修正電源模塊CFD數(shù)字樣機(jī)的邊界條件、期間參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)CFD數(shù)字樣機(jī)的修正。再次，同理，也須采用相同的方法對(duì)FED數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行修正，且測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)該在約束條件下對(duì)電源模塊重點(diǎn)部位，關(guān)鍵元器件進(jìn)行模態(tài)分析，并依據(jù)結(jié)果完成修正。2.2.3應(yīng)力分析。溫度應(yīng)力分析選用MentorGraphics公司的FloTherMV90分析計(jì)算電源模塊CFD數(shù)字樣機(jī)模型，經(jīng)過(guò)分析可知，電源模塊設(shè)計(jì)中如元器件排布不合理，則會(huì)導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)存在熱分布過(guò)度集中的缺陷。分析中，平臺(tái)環(huán)境溫度70℃設(shè)定為第一參考溫度條件，電源模塊表層軍溫度72℃設(shè)為第二參考溫度條件，經(jīng)過(guò)分析，為電源模塊所在分級(jí)提供5V工作電源的功率器區(qū)域，是熱分布較集中的部位，需要修正電路設(shè)計(jì)方案。而對(duì)于振動(dòng)應(yīng)力分析，則選用ANSYS公司的ANSYSWorkbench12.1分析計(jì)算電源模塊FEA數(shù)字樣機(jī)模型，分析結(jié)果顯示，電源模塊中元器件數(shù)量和重量排布、安裝方式設(shè)計(jì)不合理，使得電源模塊產(chǎn)生局部共振的設(shè)計(jì)問(wèn)題，應(yīng)該據(jù)此進(jìn)行及時(shí)修正，以優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

3結(jié)束語(yǔ)

本文將可靠性仿真技術(shù)引入電路設(shè)計(jì)之中，將電路細(xì)化分類，并根據(jù)學(xué)生個(gè)體差異由簡(jiǎn)入繁、逐步引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)的分層實(shí)現(xiàn)，也將培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能真正落實(shí)到實(shí)處。

作者:宋月麗 劉立軍 單位:遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

參考文獻(xiàn)

[1]王朝新,任斌,陳潔,董緒.基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,14:44-47.

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【關(guān)鍵詞】二線制；電源；TLC5615；MAX409A；功耗

1.引言

二線制儀表，是將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)，如溫度、壓力、速度、流量等參數(shù)，轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號(hào)，傳送到遠(yuǎn)距離外的控制室，以便于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。由于電流信號(hào)對(duì)噪聲不敏感，不易受寄生熱電偶和溫漂的影響，普通雙絞線上可以傳輸幾百米距離，利用250Ω取樣電阻就可以將4-20mA電流信號(hào)變?yōu)?-5V的電壓信號(hào)，不受傳輸線的電阻影響。同時(shí)，二線制儀表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的電流通斷不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤礦、石油天然氣等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。同時(shí)二線制變送器具有布線簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

由于二線制儀表，本身由電流環(huán)路供電，所以電流環(huán)僅能提供4mA以下的電流為儀表供電，所以對(duì)儀表的功耗提出苛刻要求，不能采用常規(guī)的方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了困難，如何能設(shè)計(jì)出高性能、高精度的二線制智能儀表，是目前國(guó)內(nèi)許多廠家迫切需要解決的問(wèn)題。

本文對(duì)二線制儀表通用的電源設(shè)計(jì)和電流環(huán)電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行了詳盡的理論分析，結(jié)合多年的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，提供了簡(jiǎn)潔實(shí)用的應(yīng)用電路，采用此電路設(shè)計(jì)生產(chǎn)的二線制超聲波物位計(jì)，經(jīng)多家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，性能穩(wěn)定，產(chǎn)品輸出電流精度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.二線制變送器系統(tǒng)方框圖

如圖1所示，4-20mA電流環(huán)路輸入的24V電壓，經(jīng)過(guò)電源單元轉(zhuǎn)換為5V精密電源，為整個(gè)系統(tǒng)供電。主控單元控制超聲波的發(fā)射和回波信號(hào)處理，然后將處理的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)D/A和V/I轉(zhuǎn)換單元，輸出4-20mA電流，接收端通過(guò)負(fù)載電阻（250歐姆）取出電壓信號(hào)，同時(shí)與電流環(huán)24V電源地相連構(gòu)成回路。

圖1 二線制超聲波測(cè)量系統(tǒng)框圖

3.二線制變送器電源設(shè)計(jì)理論分析

二線制儀表的原理是利用了4-20mA信號(hào)為自身提供電能。如果儀表自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求二線制儀表自身耗電（包括傳感器在內(nèi)的全部電路）小于4mA。

（1）電壓條件：在儀表電流環(huán)路中，一般取樣電阻R=250Ω。當(dāng)電流I=4-20mA變化時(shí)，取樣電壓為U=1-5V之間變化?？紤]到可能會(huì)串接其他儀表，以及傳輸電纜的阻抗，線路阻抗R的最大值可取350Ω，因此在20mA時(shí)，儀表兩端電壓為（24V-20mA×350Ω）=17V.4mA時(shí)，儀表兩端電壓為（24V-4mA×350Ω）=22.6V，所以儀表的工作電壓不能大于17V。

（2）電流條件：儀表中總功耗電流要小于4mA。

（3）功率條件：

20mA時(shí)，電流環(huán)提供的功率最大：

P=20mA×17V=340mW。

4mA時(shí)，電流環(huán)提供的功率最?。?/p>

P=4mA×22.6V=90.4mW。

所以儀表消耗的功率理論上不能大于90.4mw。

4.變送器電源單元設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是降低電源電壓轉(zhuǎn)換的功耗，轉(zhuǎn)換效率要高，靜態(tài)電流要小。

將電流環(huán)儀表兩端的17V-22.6V電壓，降壓處理，有兩種方法。

第一種是直接采用線性穩(wěn)壓芯片，將輸入電壓穩(wěn)壓到5V，這樣會(huì)造成穩(wěn)壓芯片本身功耗太大，無(wú)法滿足其它電路的功率要求。

第二是采用開(kāi)關(guān)型DC/DC芯片，又稱為BUCK降壓開(kāi)關(guān)電源，電源效率一般高于85%以上，但開(kāi)關(guān)型電源芯片是利用儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能，輸出的5V電壓是脈動(dòng)的，電壓紋波噪聲不能滿足D/A及CPU控制芯片的要求。

綜合考慮，本電路設(shè)計(jì)采用“開(kāi)關(guān)型DC/DC芯片+LDO線性穩(wěn)壓器”方式，即利用開(kāi)關(guān)型DC/DC芯片，將電流環(huán)提供的高電壓降低，然后利用低壓差線性穩(wěn)壓器來(lái)提高儀表電源的紋波抑制比。同時(shí)選擇的芯片器件要少，減少能量損耗；

設(shè)計(jì)電路如圖2所示：

圖2 電源模塊電路圖

圖2中，L1為儲(chǔ)能電感33μH，D1續(xù)流二極管，F(xiàn)B=1.25V。開(kāi)關(guān)型降壓DC/DC芯片為MAX1776，是MAXIM公司的新型低功耗芯片，靜態(tài)電流為15uA電壓轉(zhuǎn)換效率為95%以上，輸入電壓范圍：Vin=4.5V～24V，輸出電壓可以通過(guò)電阻R1和R2進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電壓可在1.25V～Vin之間變化。

Vout=1.25×（1+R1/R2）

本設(shè)計(jì)中，MAX1776輸出電壓為7V，按電源效率95%計(jì)算，可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

低壓差線性穩(wěn)壓器，選擇為MAX603，是MAXIM公司的超低功耗器件，靜態(tài)電流15uA。MAX603輸入電壓范圍是2.7V-11.5V，將引腳SET接地時(shí)，典型的輸出電壓為5V，輸出電流200mA時(shí)，典型壓差0.5V，為保證穩(wěn)壓電路可靠工作，考慮脈動(dòng)成分，所以設(shè)定MAX1776輸出電壓為7V。

5.4-20mA電流環(huán)電路設(shè)計(jì)

4-20mA電流環(huán)輸出信號(hào)，是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿刻度。

本部分電路由D/A和V/I變換部分組成，D/A部分選用美國(guó)德州儀器公司的具有串行接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC5615，它是超低功耗（1.75mW MAX）10位數(shù)據(jù)、3線串行接口，5V單電源工作，輸出電壓范圍是基準(zhǔn)電壓的兩倍，1.2MHZ更新速率的高精度D/A轉(zhuǎn)換芯片；

V/I變換部分采用MAX409A芯片，是美國(guó)MAXIM公司的單電源、微功耗精密單運(yùn)放，是現(xiàn)今唯一能以1.2μA供電電流工作的運(yùn)算放大器。MAX409A主要參數(shù)：?jiǎn)坞娫垂╇?.5V-10V，增益帶寬積150，穩(wěn)定增益10，工作時(shí)靜態(tài)電流1.2μA。

電流環(huán)輸出模塊原理圖如圖3所示：

圖3 4-20mA電流輸出電路

工作流程如下，主控CPU芯片將超聲波測(cè)量單元，測(cè)得的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)D/A變換為0.5V～2.5V直流電壓值，分別代表量程0和滿量程，然后通過(guò)V/I變換電路實(shí)現(xiàn)4-20mA電流信號(hào)輸出。

V/I變換原理：設(shè)定TLC5615輸出電壓為V，R3與R5的節(jié)點(diǎn)電壓為V1，根據(jù)運(yùn)放虛短原理及輸入阻抗為無(wú)窮大，MAX409A的輸入端電壓為零電位，有，由于V1=-I×R5當(dāng)R2=200KΩ，R5=50Ω，，通過(guò)調(diào)整R3阻值（80KΩ），將0.5V-2.5V輸出電壓轉(zhuǎn)換成4-20mA電流輸出；

經(jīng)產(chǎn)品測(cè)試，采用此電路的超聲波物位計(jì)的測(cè)量精度達(dá)到0.2%。

6.結(jié)論

二線制儀表的設(shè)計(jì)，是工業(yè)設(shè)計(jì)的一大難題，本文通過(guò)對(duì)二線制儀表的理論分析，提供了實(shí)用的電源設(shè)計(jì)方案，以及電流環(huán)的應(yīng)用電路，通過(guò)采用超低功耗新型芯片，電路簡(jiǎn)潔，器件少，極大地降低了功耗，為整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了保證。采用此電路的二線制超聲波物位計(jì)，經(jīng)過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，性能穩(wěn)定，精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)

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[3]吳葉蘭等.基于MSP430的二線制多功能表頭[J].2011 （10）：59-60.

篇4

導(dǎo)波式雷達(dá)液位計(jì)是把一根或兩根導(dǎo)波桿從罐頂伸入、桿末端與罐底有一定距離，通過(guò)導(dǎo)波桿發(fā)射和接收信號(hào)。它也采用發(fā)射脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其回波信號(hào)的幅值大小主要取決于被測(cè)液體的介電常數(shù)，由于采用了導(dǎo)波桿結(jié)構(gòu)作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，信號(hào)損耗小、能量比較集中，從而回波信號(hào)質(zhì)量更好。它還具有方向性好，穿透性好的優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)采用脈沖時(shí)域展寬電路進(jìn)行信號(hào)處理，如圖1所示，在收發(fā)電路的硬件電路上增加脈沖時(shí)域展寬電路，主要是實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)在時(shí)間軸上把信號(hào)放大K倍。放大后的信號(hào)變換成毫秒級(jí)信號(hào)，就可以使用比較器比較出來(lái)，再用單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的捕獲。

系統(tǒng)采用分塊化的設(shè)計(jì)方法，分別把各部分具體化實(shí)現(xiàn)，最后達(dá)成一個(gè)高效的系統(tǒng)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括：電源電路、LCD顯示電路、鍵盤電路、電源監(jiān)控電路、外存儲(chǔ)器電路、單片機(jī)及電路、信號(hào)測(cè)量電路、信號(hào)變換電路、脈沖收發(fā)電路、信號(hào)調(diào)制電路、通訊模塊電路和機(jī)械部分。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)工作過(guò)程

根據(jù)不同的測(cè)量環(huán)境，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在工作之前，通過(guò)鍵盤設(shè)定一些測(cè)量需要的參數(shù)，以便能準(zhǔn)確地測(cè)量出不同使用條件的液位。

系統(tǒng)的工作過(guò)程是：首先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)460kHz的周期性信號(hào)和輸出占空比為30%且周期同為100ms的PWM信號(hào)，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。這幾個(gè)信號(hào)通過(guò)信號(hào)變換電路來(lái)產(chǎn)生模擬電壓信號(hào)，送給前端高頻部分進(jìn)行窄脈沖生成和發(fā)送，在經(jīng)過(guò)液位的發(fā)射以后，依據(jù)時(shí)域反射原理，產(chǎn)生相應(yīng)的回波，被同一發(fā)射板接收回來(lái)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)脈沖時(shí)域展寬電路和低噪聲放大處理。通過(guò)設(shè)定一定的同軸電纜長(zhǎng)度，回波信號(hào)中的頂部回波可以被去掉，只剩下實(shí)際要處理的真實(shí)液位回波信號(hào)，這個(gè)液位回波信號(hào)將被送入信號(hào)調(diào)理模塊處理。液位回波信號(hào)經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆娣糯蠛螅糯笾凉潭ǚ逯惦妷旱男盘?hào)，再送給比較器比較，比較出液位回波的時(shí)刻。操作員可以通過(guò)單片機(jī)捕獲導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的液位回波時(shí)刻。由此，計(jì)算出窄脈沖的傳播距離及液位。依此不斷循環(huán)，每秒計(jì)算10次均值液位量，得到一個(gè)穩(wěn)定的顯示效果。根據(jù)罐體的設(shè)定，可以得到罐體的高度，進(jìn)而得到罐體內(nèi)介質(zhì)的體積等。

硬件電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用工況的要求，系統(tǒng)使用+24V直流來(lái)供電，系統(tǒng)電源電路如圖3所示。系統(tǒng)電源電路使用AD421芯片，AD421是一種可以產(chǎn)生4～20mA電流輸出的DAC。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用它實(shí)現(xiàn)回路供電，還為整個(gè)系統(tǒng)和其他電路的芯片等提供工作電源和相應(yīng)的參考電源。

系統(tǒng)把AD421芯片的幾個(gè)引腳的輸出作為電源，使用它輸出+5V作為電源電壓輸出及產(chǎn)生+1.25V和+2.5V作為參考電壓。圖中AD421在J1接口處引入+24V直流電源，組成一個(gè)電流回路，電流的大小由AD421幾個(gè)控制端來(lái)控制。單片機(jī)通過(guò)三個(gè)I/O口來(lái)控制AD421的電流輸出。圖3中的Q1為一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管。圖中第8腳LOOP和T1組成了電流環(huán)回路，從中能檢測(cè)出輸出的電流值。

同時(shí)，單片機(jī)穩(wěn)定工作還需+1.8v到+3.6V的電源電壓，所以要把上述得到的+5V電源轉(zhuǎn)換到這個(gè)范圍內(nèi)（通常為+3.3V）。本文采用HT7133芯片進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。HT7133是一種功耗很低的輸出電壓為3.3V的電壓調(diào)節(jié)器，它只有3個(gè)端口，在其輸入端之前采用二極管進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。

信號(hào)變換電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)必須通過(guò)信號(hào)變換變成相應(yīng)的模擬信號(hào)，才能進(jìn)行信號(hào)調(diào)制、功率放大以及收發(fā)電路再送至機(jī)械部分的同軸導(dǎo)波桿上傳輸。根據(jù)要求，系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器電路和DAC電路依次組成信號(hào)變換電路。

計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)器部分的作用是把單片機(jī)輸出的串行數(shù)據(jù)分頻變成12位并行數(shù)據(jù)。信號(hào)變換的計(jì)數(shù)器電路如圖4所示。所選芯片是74HC4040M，它是一種12位的二進(jìn)制紋波計(jì)數(shù)器。作為時(shí)鐘的輸入端口，MR則是它的實(shí)現(xiàn)異步主復(fù)位功能的輸入端口和QO～Q11為計(jì)數(shù)器的12個(gè)并行的輸出端口。在此選用了兩個(gè)計(jì)數(shù)器，第一個(gè)計(jì)數(shù)器是把PWMO信號(hào)（460K信號(hào)）進(jìn)行8分頻，第二個(gè)計(jì)數(shù)器再對(duì)8分頻后的信號(hào)依次進(jìn)行2分頻后再分12位進(jìn)行輸出。

對(duì)于圖中的每一路輸出，如果MR是低電平，則每逢處于下降沿，相應(yīng)的輸出引腳就產(chǎn)生一個(gè)高電平信號(hào)，這樣Qo～Q11的輸出就進(jìn)行了計(jì)數(shù)：而當(dāng)MR處于高電平時(shí)，不管是什么值，所有計(jì)數(shù)輸出都為低電平。12路計(jì)數(shù)輸出的頻率是依次2分頻得來(lái)的。

圖中的74HC4040M的輸入信號(hào)PWM0和PWM1信號(hào)是單片機(jī)產(chǎn)生的周期性脈寬調(diào)制信號(hào)，分別為460k信號(hào)和周期100ms占空比30%的信號(hào)。第一個(gè)計(jì)數(shù)器首先把PWMO信號(hào)進(jìn)行8分頻產(chǎn)生一個(gè)輸出送到第2個(gè)計(jì)數(shù)器作為，再把這個(gè)分頻后的信號(hào)再進(jìn)行分頻計(jì)數(shù)，進(jìn)而得到12路并行的周期性計(jì)數(shù)信號(hào)（A0―A11），再送給12位TDAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。將PWMl作為第2個(gè)計(jì)數(shù)器的MR，可以來(lái)控制各路只有在高電平的30ms內(nèi)有輸出，得到的信號(hào)送至DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

DAC電路設(shè)計(jì)

DAC電路將計(jì)數(shù)器電路生成的12路并行計(jì)數(shù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。DAC電路如圖5所示。

DAC選用一種速度很快的12位D/A芯片AD7945。AD7945使用+5V單電源供電，其功耗可以小至5μw。AD7945的輸入是計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的12路并行信號(hào)，可以從0計(jì)數(shù)到2048。第1個(gè)引腳IOUTl產(chǎn)生的是轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的電流輸出，需再經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器以后，才變成對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)受介電常數(shù)和桿長(zhǎng)等影響，信號(hào)在導(dǎo)波桿上的衰減程度不同，因此需對(duì)信號(hào)幅值大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了使輸出信號(hào)的幅值足夠其在桿上有效傳播并接收，系統(tǒng)采用單片機(jī)控制這個(gè)幅值的大小變化。圖5中的VREF就能起此作用，單片機(jī)通過(guò)I/o端口對(duì)數(shù)字電位計(jì)的值調(diào)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT的幅值，進(jìn)而調(diào)節(jié)前端信號(hào)調(diào)制后輸出到導(dǎo)波桿的信號(hào)幅值。在被測(cè)液體介電常數(shù)小的時(shí)候，需加大VREF的值，反之則減小VREF的值。

信號(hào)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)量電路設(shè)計(jì)包括可變?cè)鲆娣糯笃麟娐?、信?hào)比較器電路和數(shù)字電位計(jì)電路等。

可變?cè)鲆娣糯笃麟娐吩O(shè)計(jì)

在進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)收發(fā)電路發(fā)射的脈沖信號(hào)的幅值是一個(gè)固定值。而從介質(zhì)液面反射的回波信號(hào)幅值不固定，其幅值大小受介電常數(shù)、導(dǎo)波桿的結(jié)構(gòu)、桿長(zhǎng)等因素影響。

針對(duì)不同的使用工況，需要把回波信號(hào)在垂直方向上放大處理，用放大器的增益來(lái)補(bǔ)償電纜產(chǎn)生衰減引起的變化，對(duì)信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于后續(xù)的信號(hào)比較電路進(jìn)行比較?？勺?cè)鲆娣糯箅娐啡鐖D6所示，設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器AD8554，它是一種四路零漂移的低噪聲放大器，失調(diào)電壓極低（僅為lμV）、零輸入失調(diào)電壓漂移以及極小偏置電流。

圖6中的INPUT信號(hào)即為收發(fā)電路板輸入到信號(hào)調(diào)理電路的液位回波信號(hào)，PWMl為單片機(jī)輸出的周期100ms占空比30%的脈寬調(diào)制信號(hào)，用于控制信號(hào)選取的時(shí)序信號(hào)。

可變?cè)鲆娣糯箅娐返墓ぷ髟硎菃纹瑱C(jī)通過(guò)操作一路數(shù)字電位計(jì)的大小來(lái)調(diào)節(jié)放大的增益，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的放大改變。該電路設(shè)計(jì)的增益范圍為0―54dB。數(shù)字電位計(jì)值的選取主要取決于導(dǎo)波桿的類型、介電常數(shù)的大小和導(dǎo)波桿的長(zhǎng)度等。

信號(hào)比較電路設(shè)計(jì)

由時(shí)域反射原理可知，從發(fā)射板得到的信號(hào)是液位回波信號(hào)，無(wú)液位時(shí)回波信號(hào)是正脈沖，有液位時(shí)則是負(fù)脈沖信號(hào)。所以對(duì)于后端信號(hào)處理需要獲取著兩種不同情況信號(hào)的時(shí)刻。

本設(shè)計(jì)采用TLC339作為比較器芯片，快速響應(yīng)時(shí)間只有為2.5μs，功耗極低。同時(shí)，在比較器電路后還使用了低功耗的74VHCOO來(lái)組成與非門電路，它的高速轉(zhuǎn)換時(shí)間僅有3.7ns。

信號(hào)比較電路比較的信號(hào)為脈沖時(shí)域展寬后的毫秒級(jí)信號(hào)，是實(shí)際信號(hào)傳播時(shí)間的K倍，這部分器件響應(yīng)速度的快慢對(duì)于信號(hào)計(jì)算影響非常大。電壓比較器電路如圖7所示。

回波信號(hào)首先經(jīng)過(guò)兩路比較器進(jìn)行比較，再經(jīng)過(guò)與非門電路，最后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。有、無(wú)液位時(shí)都能收到回波信號(hào)。為了區(qū)分有、無(wú)液位這兩種情況，需要采用兩個(gè)比鉸器。

無(wú)液位時(shí)，第一路比較器能夠比較出正脈沖，另外一路則沒(méi)有輸出信號(hào)：有液位時(shí)恰好相反，第一路比較器沒(méi)有輸出信號(hào)，另外一路則比較出正脈沖。由此，在有、無(wú)液位的時(shí)刻都能捕獲到脈沖的時(shí)刻，根據(jù)信號(hào)的時(shí)刻不僅能區(qū)分出是否有液位，還能區(qū)分出液位的真實(shí)高度。在經(jīng)過(guò)比較器比較后，可以比較得到回波的脈沖時(shí)間，然后再經(jīng)過(guò)與非門電路后就可以得到液位回波的觸發(fā)脈沖REVl和REV2信號(hào)，之后再送給單片機(jī)處理。

數(shù)字電位計(jì)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)可以通過(guò)數(shù)字電位計(jì)芯片來(lái)迅速改變電阻值，來(lái)調(diào)理電路部分的增益和比較電壓。本設(shè)計(jì)使用256bit的數(shù)字電位計(jì)芯片AD8403ARU100，它包括四個(gè)可選電阻，電阻值最大都為100k。單片機(jī)可以通過(guò)三路SPI端口來(lái)輸入和更改阻值。

AD8403ARU100電路如圖8所示，具體每個(gè)通道都應(yīng)用在各個(gè)電路中了。圖中每個(gè)通道的w端為可滑動(dòng)端，win與兩頭的B端、A端間電阻值的計(jì)算為：

MSP430F149電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的單片機(jī)電路設(shè)計(jì)主要有電源監(jiān)控電路和按鍵電路等。

電源監(jiān)控電路：電路使用了IMP706s，它能夠監(jiān)控的電壓是2.76V，起到監(jiān)控電源是否穩(wěn)定的作用，在電源電壓下降低于2.76V時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行復(fù)位。通過(guò)定時(shí)1.6秒喂看門狗來(lái)不斷循環(huán)監(jiān)測(cè)電源信號(hào)，使得當(dāng)程序不對(duì)時(shí)，通過(guò)這個(gè)芯片的看門狗也可以及時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。

單片機(jī)的按鍵電路：按鍵僅僅使用了UP、DOWN、ENTER三個(gè)按鍵，而且分別接了三個(gè)上拉電阻，分別代表上翻、下翻、確定操作。通過(guò)這些按鍵能夠調(diào)用各個(gè)具體菜單的模塊，從而完成介電常數(shù)、桿長(zhǎng)、零點(diǎn)、滿點(diǎn)等各關(guān)鍵的參數(shù)的設(shè)定、修改和液位的顯示。通過(guò)按鍵可以引起單片機(jī)的I/O口產(chǎn)生中斷，從而確認(rèn)到底是哪個(gè)按鍵按下，以便軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的菜單跳轉(zhuǎn)或者修改功能。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

篇5

關(guān)鍵詞：液壓支架；監(jiān)測(cè)；電路設(shè)計(jì)

1 液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型的建立

1.1 無(wú)線通信技術(shù)

液壓支架工作環(huán)境比較復(fù)雜，通信頻率、巷道的傾斜程度和井下的導(dǎo)體等多種因素都會(huì)影響無(wú)線通信信號(hào)。因此在設(shè)計(jì)礦井液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)必須要考慮到井下的特殊環(huán)境，考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。通過(guò)對(duì)目前市場(chǎng)上常用的無(wú)線通信技術(shù)比較，本文將ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)中。

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率的雙向無(wú)線通信技術(shù)，有自己的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以在很多鞲釁骷浣行通信，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，主要應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位，具有低功耗、近距離、短延遲、低速率、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、高安全性、工作頻段靈活的特點(diǎn)。

1.2 液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)模型

液壓支架會(huì)隨著煤礦開(kāi)采工作的推進(jìn)而移動(dòng)，但移動(dòng)的距離很短。液壓支架的排列呈直線型，針對(duì)液壓支架的這種物理排布情況，節(jié)點(diǎn)的分布也應(yīng)是帶狀的。采用星形與網(wǎng)狀的混合網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、節(jié)點(diǎn)功耗減少，每個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信采用單跳通信，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的路由節(jié)點(diǎn)采用多跳通信。在實(shí)際工作環(huán)境中，每個(gè)液壓支架上放置一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，每隔3個(gè)液壓支架放置一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。在礦井實(shí)際環(huán)境中，液壓支架的排列呈直線型，節(jié)點(diǎn)的分布是帶狀的，整體網(wǎng)絡(luò)組成簇型線狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案分為2部分，一是終端采集節(jié)點(diǎn)，二是路由節(jié)點(diǎn)。終端采集節(jié)點(diǎn)包括電源管理模塊、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路。終端節(jié)點(diǎn)采用定時(shí)喚醒模式，降低功耗，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用壽命。終端采集節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)線纜連接。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)最大可以連接3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，即相鄰的三個(gè)液壓支架需要采用同一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)5V的電池供路由節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)使用。路由節(jié)點(diǎn)將從終端節(jié)點(diǎn)獲得的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)ZigBee射頻口傳送給井下匯聚節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)也帶有顯示功能與按鍵，可以任何時(shí)候被喚醒查看3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)值。

終端采集節(jié)點(diǎn)的作用如下：將壓力傳感器轉(zhuǎn)換的微弱模擬信號(hào)進(jìn)行放大并通過(guò)線纜傳輸給路由節(jié)點(diǎn)；每個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)帶有一片數(shù)據(jù)記錄芯片，對(duì)由于傳感器及放大電路帶來(lái)的誤差進(jìn)行偏差校準(zhǔn)。

路由節(jié)點(diǎn)的作用主要如下：每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)需要有一個(gè)5V電池供電路板使用；每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)可以連接3個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，對(duì)終端采集節(jié)點(diǎn)的模擬信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)RF模塊傳送給井下匯聚節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)帶有簡(jiǎn)單的顯示模塊，便于工人就近查看支架壓力；路由節(jié)點(diǎn)需要有相應(yīng)的按鍵，以便在屏幕關(guān)閉情況下喚醒屏幕；路由節(jié)點(diǎn)電路板能對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行電源管理，便于降低整個(gè)系統(tǒng)功耗；路由節(jié)點(diǎn)單片機(jī)必須采用低功耗單片機(jī)；路由節(jié)點(diǎn)的電壓輸入需要適應(yīng)較寬的電壓范圍。

終端節(jié)點(diǎn)電路板設(shè)計(jì)能使用目前市場(chǎng)上絕大部分的壓力傳感器，且內(nèi)部帶有數(shù)字校準(zhǔn)芯片，可以對(duì)每一套終端節(jié)點(diǎn)由于分離元器件帶來(lái)的偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。

煤礦中的電磁干擾較大，為了調(diào)高測(cè)量精度，此方案設(shè)計(jì)必須把壓力傳感器與信號(hào)放大電路就近放置。且此方法可以把由傳感器與放大校準(zhǔn)電路組成的模塊變?yōu)橐粋€(gè)液壓監(jiān)測(cè)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化變送器。

2.1 放大電路部分設(shè)計(jì)

為了能更好的調(diào)配放大電路的帶寬、放大倍率，放大器沒(méi)有選擇專用的儀表放大器而選擇了四個(gè)獨(dú)立的高性能放大器TI公司的OP4376，相對(duì)于普通的儀表放大器一般偏置電流在幾十pA以上，輸入偏置電壓在幾十微伏級(jí)別，OP4376有較低的輸入偏置電流典型值0.2pA與輸入偏置電壓典型值5uV，可以對(duì)uV級(jí)的信號(hào)變動(dòng)進(jìn)行采集。且此運(yùn)放的價(jià)格TI官網(wǎng)公布為1.4$，并不貴。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)此電路設(shè)計(jì)的輸入采樣精度能達(dá)到5uV。

2.2 電源部分設(shè)計(jì)

電源芯片采用的是MCP1252，為目前市場(chǎng)上用量較大的一款電源芯片，輸入電壓范圍相對(duì)較寬，且屬于無(wú)感式開(kāi)關(guān)電源芯片，可以縮小終端節(jié)點(diǎn)的體積。效率相對(duì)也比較高。而且?guī)в须娫垂芾砜刂埔_，可以對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行有效管理進(jìn)而降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

2.3 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)

本文建議校準(zhǔn)芯片采用一線制的數(shù)字EEPROM芯片，具體型號(hào)不再指導(dǎo)。

2.4 路由節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：

2.4.1 電源模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)輸入電源由電池供電，電壓比較穩(wěn)定，考慮到電池在滿電與低電壓兩種情況下壓差較大，本文采用了寬范圍的輸入電源芯片TPS63060（輸入電壓范圍2.5-12V），此電壓范圍能使用大量的本安電源。且此電源芯片的電流高達(dá)2.25A足夠整個(gè)系統(tǒng)使用，即使是輸入的電壓降到2.5V級(jí)別。

本設(shè)計(jì)還采用了3個(gè)mos開(kāi)關(guān)管對(duì)系統(tǒng)的不同終端節(jié)點(diǎn)的電源進(jìn)行管理，在電源功率方面采用了信號(hào)控制與電源切斷雙重保護(hù)的方式來(lái)降低功耗。

2.4.2 接口電路

接口電路中有3個(gè)連接終端節(jié)點(diǎn)接插件，包括插頭輸入檢測(cè)（插頭第6引腳與第5引腳通過(guò)在插頭上短路，進(jìn)行判斷終端節(jié)點(diǎn)的接通），對(duì)輸入信號(hào)做了RC濾波與SMBD7000鉗位保護(hù)處理。

在與ZigBee模塊通信上采用了串口通信，此處不再做介紹。

整個(gè)系統(tǒng)的單片機(jī)采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC輸入引腳。可以利用此引腳直接對(duì)終端節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了現(xiàn)場(chǎng)方便查看設(shè)置了兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)（KEY1 KEY2）與6位8段數(shù)碼管，可以通過(guò)軟件編寫實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的液壓支柱壓力檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、RF通信連接等功能。

整個(gè)電路在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照礦用本安電路設(shè)計(jì)，屬于本安型電路，若再配本安型電池為系統(tǒng)供電后，本系統(tǒng)就可以變?yōu)楸景残偷V用液壓支柱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)電路經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試正常情況下整個(gè)系統(tǒng)功耗在mW級(jí)別，且經(jīng)過(guò)15個(gè)月的測(cè)試未發(fā)現(xiàn)任何不良現(xiàn)象，完全能夠使用到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

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【關(guān)鍵詞】電子電路設(shè)計(jì)；調(diào)試方法；步驟

當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)的電子行業(yè)已在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中得到了大規(guī)模的發(fā)展，同時(shí)也得到了廣泛的應(yīng)用。其中，對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，電子電路的設(shè)計(jì)是其中的一個(gè)關(guān)鍵性內(nèi)容，為了有效地滿足社會(huì)對(duì)電子行業(yè)的需求，人們對(duì)電子電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量也提出了更高的要求，而電力的調(diào)試工作作為電子電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心內(nèi)容，重視和完善電路的調(diào)試工作便顯得尤為重要，其對(duì)優(yōu)化電子電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量具有非常重要的影響。

1電子電路設(shè)計(jì)常用的調(diào)試方法

電子電路設(shè)計(jì)常用的調(diào)試方法主要有兩種，即分別為分塊調(diào)試法和整體調(diào)試法。下面主要對(duì)此兩種方法進(jìn)行了一定的分析。

1.1分塊調(diào)試法

在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)時(shí)，分塊調(diào)試法的應(yīng)用主要是將整個(gè)電子電路按照一定的規(guī)律分成不同類型的模塊，然后再對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。通常情況下，其主要是按照電路的不同功能進(jìn)行劃分的，由此則可以對(duì)不同電路部分的性能進(jìn)行單獨(dú)地調(diào)試。其中，在實(shí)際調(diào)試作業(yè)過(guò)程中，為了保障電子電路分塊的科學(xué)合理性以及調(diào)試工作的正常開(kāi)展，相關(guān)工作人員應(yīng)首先對(duì)電子電路的工作方式、工作原理進(jìn)行具體地掌握，然后在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照電路的信號(hào)流通線路進(jìn)行具體地劃分，從而便可以將電子電路劃分成多個(gè)級(jí)別。在此前提下，工作人員則可以對(duì)電子電路進(jìn)行一級(jí)一級(jí)地作業(yè)，以更加有效地完成對(duì)電子電路的調(diào)試。此外，分塊調(diào)試法還適用于邊安裝邊調(diào)試的情況下，即在整個(gè)電子電路中每安裝完一個(gè)模塊就可以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試工作。與在電子電路安裝完畢之后再進(jìn)行分塊調(diào)試的模式相比較的話，雖然該調(diào)試方式會(huì)在一定程度上增加調(diào)試工作的難度，但是該工作的效果卻是比較理想的，其不僅可以在電力電路安裝的過(guò)程中立即發(fā)現(xiàn)其間可能存在的故障模塊，且當(dāng)電子電路安裝完畢之后，與之相對(duì)應(yīng)的調(diào)試作業(yè)也便同時(shí)完成了。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，分塊調(diào)試法常被普遍應(yīng)用于較小的電路中。

1.2整體調(diào)試法

與分塊調(diào)試法不同，整體調(diào)試法主要是在整個(gè)電子電路都安裝完畢之后再對(duì)其進(jìn)行一次性地總調(diào)試，而并不對(duì)每一模塊進(jìn)行單獨(dú)地調(diào)試。一般情況下，整體調(diào)試法常被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電子電路中，但其也可以取得良好的調(diào)試效果，尤其是對(duì)于一些無(wú)法分塊調(diào)試的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，整體調(diào)試法的應(yīng)用在其中具有著極其重要的意義。

2電子電路設(shè)計(jì)常用的調(diào)試步驟

在對(duì)整個(gè)電子電路進(jìn)行調(diào)試的作業(yè)時(shí)，相關(guān)工作人員需掌握具體的調(diào)試方法和調(diào)試步驟，以保證調(diào)試工作的正常開(kāi)展。其中，在進(jìn)行電子電路調(diào)試工作之前，其需做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。①工作人員需準(zhǔn)備好相關(guān)性的技術(shù)文件，這是保證調(diào)試工作正常運(yùn)行的首要內(nèi)容，如準(zhǔn)備好電子電路的線路圖、電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)說(shuō)明書等文件，這些重要的文件都可以為調(diào)試工作提供良好的理論依據(jù)。②在進(jìn)行調(diào)試工作時(shí)，其也需要借助相應(yīng)的儀器設(shè)備，因此工作人員需準(zhǔn)備好相應(yīng)的使用儀器。一般情況下，調(diào)試工作的開(kāi)展需要的儀器工具主要有萬(wàn)用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器等，因此在進(jìn)行電路調(diào)試的時(shí)候，工作人員還需掌握儀器的性能和使用，以更加有效地完成調(diào)試工作。除此之外，在準(zhǔn)備好相應(yīng)的儀器設(shè)備后，工作人員還需檢查儀器是否完好。③調(diào)試場(chǎng)地的準(zhǔn)備也是調(diào)試工作中的一個(gè)重要內(nèi)容，工作人員需做好調(diào)試場(chǎng)地的準(zhǔn)備工作，如保證場(chǎng)地的清潔、無(wú)漏電風(fēng)險(xiǎn)等。在做好相應(yīng)的電子電路調(diào)試前的準(zhǔn)備工作之后，則需開(kāi)始進(jìn)行具體的調(diào)試步驟。一般情況下，電子電路設(shè)計(jì)常用的調(diào)試步驟主要有四步，則分別為線路檢查、通電檢查、功能檢測(cè)以及指標(biāo)檢測(cè)。下面主要對(duì)此步驟進(jìn)行了具體地分析。

2.1線路檢查

在電子電路設(shè)計(jì)調(diào)試作業(yè)中，開(kāi)展線路檢查的內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面。①線路檢查即為直觀性的檢查，在該作業(yè)過(guò)程中，其主要是檢查電子電路的線路連接是否正確，看是否存在錯(cuò)線、少線、多線的情況。此時(shí)，為了保障檢查工作的質(zhì)量，相關(guān)檢查人員可根據(jù)電路的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行一定的對(duì)比，并可在檢查的過(guò)程中在圖紙進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)記，以此不僅可以保障檢查工作的思路清晰性，且還能全面地提升線路檢查的效果，避免出現(xiàn)漏查的現(xiàn)象。②線路檢查還需對(duì)元器件的連接方式進(jìn)行相應(yīng)的檢查，此時(shí)在作業(yè)過(guò)程中則需要借助一定的儀表檢查元件的連接是否正確、元件的連接是否到位等。例如，在實(shí)際檢查作業(yè)中，工作人員可以運(yùn)用數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)試，其主要需觀察連線兩端連接的元件引腳位置是否與設(shè)計(jì)圖紙的相對(duì)應(yīng)，而通過(guò)觀察則可及時(shí)發(fā)現(xiàn)引腳與連線接觸不良的故障等。

2.2通電檢查

通電檢查主要是對(duì)接入電源的電子電路進(jìn)行通電性的檢查，以保障整個(gè)電路的安全性能。其中，在實(shí)際檢查作業(yè)中，通電檢查是不接入任何信號(hào)源的，其主要是在接入電源之后觀察整個(gè)電子電路是否存在冒煙、冒火、出現(xiàn)異味等一些異常的情況，且只有首先進(jìn)行最初的觀察與判斷才利于后續(xù)的進(jìn)一步檢查。對(duì)于正常運(yùn)行的電子電路來(lái)說(shuō)，其在通電之后并不會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱、發(fā)燙的情況，因此當(dāng)觀察到通電檢查中存在任何的異常情況時(shí)，相關(guān)人員也無(wú)需太過(guò)緊張，其首先需要做的事便是立即切斷電源，然后根據(jù)實(shí)際發(fā)生故障的位置進(jìn)行相應(yīng)的處理，如可將發(fā)生故障的元器件拔出，待排除其存在的故障之后再對(duì)其進(jìn)行電源測(cè)試。此時(shí)，在接入元器件時(shí)，其需認(rèn)真檢查元器件的引腳連接是否正確以及檢查電源電壓是否處于正常狀態(tài)下，待確定電子電路所處的狀態(tài)為正常狀態(tài)時(shí)，其可再一次接通電源實(shí)行通電檢查。

2.3功能檢測(cè)

通常情況下，功能檢測(cè)也是不需要接入信號(hào)源的。在電子電路設(shè)計(jì)調(diào)試中，功能檢測(cè)的主要內(nèi)容是檢測(cè)電路在靜態(tài)工作下的參數(shù)值，即主要是測(cè)試電路靜態(tài)的工作狀態(tài)，看其所顯示的相關(guān)數(shù)據(jù)是否合理。例如，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中檢測(cè)放大功能的元器件的工作狀態(tài)是否處于正常的放大區(qū)域內(nèi)；檢測(cè)數(shù)字電子電路中的各個(gè)電路輸入端、輸出端的電瓶電壓值是否合理，以及檢測(cè)其內(nèi)部的邏輯關(guān)系是否正常等；對(duì)于運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，工作人員在檢查電路中的正、負(fù)電源之外，還需進(jìn)一步檢查調(diào)零電路是否存在零點(diǎn)漂移的情況，以此保障整個(gè)電子電路的正常運(yùn)行。此外，為了在一定程度上實(shí)現(xiàn)全面化的電子電路功能檢測(cè)，在進(jìn)行功能檢測(cè)作業(yè)時(shí)還需在電路輸入端接入一定的幅度、頻率的信號(hào)源，與此同時(shí)可通過(guò)雙蹤示波器的運(yùn)用來(lái)進(jìn)一步觀察輸入、輸出信號(hào)的波形形狀、信號(hào)幅值、相位關(guān)系、頻率等相應(yīng)的參數(shù)值，而檢測(cè)人員即可逐級(jí)對(duì)此進(jìn)行全面地檢測(cè)。

2.4指標(biāo)檢測(cè)

在經(jīng)過(guò)前面幾個(gè)步驟的檢測(cè)作業(yè)之后，則可以基本上確定電子電路的正常運(yùn)行狀況。其中，指標(biāo)檢測(cè)是整個(gè)調(diào)試作業(yè)中的最后一個(gè)步驟，其主要是在前面三個(gè)步驟的基礎(chǔ)上對(duì)電子電路的應(yīng)用效果進(jìn)行一定的檢測(cè)。對(duì)于整個(gè)電子電路的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其首先便會(huì)具備一定的設(shè)計(jì)要求，而指標(biāo)檢測(cè)作業(yè)的開(kāi)展則是根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求對(duì)其中的相關(guān)性技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，其可以通過(guò)準(zhǔn)確地記錄測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行全面地分析與研究，以通過(guò)確定電子電路中的技術(shù)參數(shù)是否合格來(lái)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)檢測(cè)的目標(biāo)。其中，如若相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在不合格的現(xiàn)象，則相關(guān)人員需對(duì)整個(gè)電子電路設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行再一次地分析與研究，以通過(guò)不斷開(kāi)展調(diào)試作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙的合理性。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在電子電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們應(yīng)對(duì)電路的調(diào)試工作給予高度的重視，并需在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)電路的調(diào)試管理，以根據(jù)實(shí)際情況采取有效的調(diào)試方法，從而通過(guò)對(duì)電子電路進(jìn)行有效性的調(diào)試管理來(lái)優(yōu)化電子電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量，以在一定程度上實(shí)現(xiàn)電子電路的真正實(shí)效性設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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[2]王向東.淺談常用電子電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法[J].科技與企業(yè)，2012，22：304.

[3]電子電路設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試完全指導(dǎo)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，22：34.

篇7

關(guān)鍵詞：電壓比較器；運(yùn)算放大器；閾值比較

1 前言

比較器是一種帶有反相和同相兩個(gè)輸入端以及一個(gè)輸出端的器件，該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間，運(yùn)算放大器亦是如此。

比較器具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制的特點(diǎn)。運(yùn)算放大器亦是如此。

運(yùn)算放大器有如此多相似之處，但我們卻不能忽略他們的細(xì)微差別。

比較器擁有邏輯輸出端，可顯示兩個(gè)輸入端中哪個(gè)電位更高。如果其輸出端可兼容TTL或CMOS，則比較器的輸出始終為正負(fù)電源的軌之一，或者在兩軌間進(jìn)行快速變遷。比較器設(shè)計(jì)用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)邏輯電路，用于高速工作，即使過(guò)載亦是如此。

運(yùn)算放大器有一個(gè)模擬輸出端，但輸出電壓不靠近兩個(gè)供電軌，而是位于兩者之間。這種器件設(shè)計(jì)用于各種閉環(huán)應(yīng)用，來(lái)自輸出端的反饋進(jìn)入輸入端。其偏置電流通常低于比較器，而且成本更低。運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于閉環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的電阻性或電抗性負(fù)載，而且不能過(guò)載至飽和狀態(tài)。

正是這些細(xì)微差別，比較器和運(yùn)算放大器大多數(shù)時(shí)候會(huì)被區(qū)別對(duì)待，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。但若稍作改變，利用他們的相似之處，又可以解決一些實(shí)際問(wèn)題。文章就運(yùn)放OPA699同時(shí)作為運(yùn)算放大器和電壓比較器進(jìn)行接收電路設(shè)計(jì)，討論，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)象分析。

2 光電探測(cè)電路原理

如圖1所示為光電探測(cè)電路原理圖，光電探測(cè)器通過(guò)偏置電路將接收到的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)，輸入到放大電路，經(jīng)過(guò)一級(jí)放大和整形等操作，輸入到信號(hào)處理單元。

圖1 光電探測(cè)電路原理框圖

3 電路各部分設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 光電探測(cè)器及偏置電路設(shè)計(jì)

光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一般在設(shè)計(jì)中主要考慮響應(yīng)度，響應(yīng)時(shí)間，光譜響應(yīng)范圍等參數(shù)。此設(shè)計(jì)中采用普通的硅PIN光電二極管，反向偏置電壓為5v，其在反偏電壓下工作電路如圖2：

圖2 光電探測(cè)器及偏置電路

3.2 放大電路設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

3.2.1 放大電路設(shè)計(jì)

經(jīng)光電二極管接收、轉(zhuǎn)換的信號(hào)，其幅度和信號(hào)比不足以滿足信號(hào)處理的要求，為了得到足夠的放大倍數(shù)和更高的信噪比，還需要進(jìn)行信號(hào)的再放大。放大電路如圖3所示：

放大電路放大經(jīng)光電二極管光電轉(zhuǎn)換之后的電信號(hào)，考慮到運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)基本由電阻決定，受溫度影響較小，在放大電路中選取TI生產(chǎn)的電壓反饋限幅運(yùn)算放大器OPA699的組成所需的放大電路。OPA699的-3dB帶寬為1000MHz，壓擺率為1400v/？滋S，噪聲為4.1nV/，是一款高速低噪聲運(yùn)算放大器，滿足基本的脈沖信號(hào)的放大需求。

運(yùn)算放大器是一種雙電源器件，因而必須通過(guò)采用外部元件的某種偏置將運(yùn)算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，對(duì)于給定電源電壓，這種方法可實(shí)現(xiàn)最大輸入和輸出電壓擺幅。也就是說(shuō)，為了避免削波現(xiàn)象，需使輸出電壓偏置到電源電壓的一半附近。但是若通過(guò)簡(jiǎn)單的分壓器將同相引腳偏置到電源電壓的一半，極易引入低頻寄生振蕩或其他形式的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

該放大電路采用同相比例運(yùn)算電路，進(jìn)行單電源固定增益的放大，增益系數(shù)由R30/R29決定，本設(shè)計(jì)中設(shè)定放大倍數(shù)為5。

本設(shè)計(jì)中通過(guò)電容C34在分壓器的抽頭點(diǎn)設(shè)置旁路，用以處理交流信號(hào)。電阻R26為基準(zhǔn)電壓提供直流回路，同時(shí)設(shè)定電路（交流）輸入阻抗。在本電路中，采用R27和R28組成的分壓器，該網(wǎng)絡(luò)的-3dB帶寬由R27、R28和C34構(gòu)成，如設(shè)定R27/R28為2.4kHz/2.4kHz，C34電容值為0.1uF，則：

此設(shè)計(jì)對(duì)于1.33kHz以下的電源上存在的噪聲信號(hào)可以抑制掉。對(duì)于電容C34，若取值足夠大，能夠?qū)Ψ謮浩麟娐吠◣拑?nèi)所有頻率起到旁路的功能。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)置有效法則是將極點(diǎn)設(shè)為-3dB輸入帶寬的十分之一。

3.2.2 放大電路功能實(shí)現(xiàn)情況

輸入脈寬為10ns的激光脈沖信號(hào)后，放大電路輸入信號(hào)和輸出信號(hào)情況如圖4所示。

由圖4可以看到，此電路能正常實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的，完全起到了放大高速微弱信號(hào)的作用。

3.3 閾值比較電路及電路實(shí)現(xiàn)情況

3.3.1 閾值比較電路

本設(shè)計(jì)中，閾值比較電路通過(guò)電壓反饋運(yùn)算放大器OPA699作為電壓比較器實(shí)現(xiàn)，具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示：

高輸入阻抗運(yùn)算放大器OPA699作為比較器亦通過(guò)單電源實(shí)現(xiàn)，R33和R35實(shí)現(xiàn)將運(yùn)算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，R34則提供閾值電壓參考值，根據(jù)實(shí)際需要，此處設(shè)置閾值為200mV。電阻R32為基準(zhǔn)電壓提供直流回路，同時(shí)設(shè)定電路（交流）輸入阻抗。

3.3.2 閾值比較電路工作情況

窄脈沖激光信號(hào)經(jīng)放大輸出進(jìn)入比較器，經(jīng)閾值比較后輸出TTL脈沖信號(hào)，通過(guò)判別前沿獲取時(shí)間信息，放大電路輸出和閾值比較電路輸出的輸出波形如圖6所示：

由圖6可以看到，實(shí)現(xiàn)閾值比較功能的運(yùn)算放大器OPA699能夠?qū)γ}寬為10ns的快速信號(hào)進(jìn)行閾值判別，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

該電路中，單電源供電方式設(shè)計(jì)的放大電路有效解決了信號(hào)放大的問(wèn)題，方便后續(xù)電路的處理；閾值比較電路能進(jìn)一步得到足夠放大倍數(shù)的信號(hào)，有效地去除噪聲，提高信噪比，為后續(xù)進(jìn)行信號(hào)處理提供了保證，也就是說(shuō)，此類應(yīng)用中，尤其對(duì)供電方式要求單一的應(yīng)用中，將運(yùn)算放大器用作比較器是一種可行的設(shè)計(jì)選擇。

運(yùn)算放大器不但有單運(yùn)放封裝，同時(shí)提供雙運(yùn)放或四運(yùn)放型號(hào)，這類雙核和四核型號(hào)比兩個(gè)或四個(gè)獨(dú)立運(yùn)算器便宜，而且占用電路板面積更小，進(jìn)一步節(jié)省了成本。另外，比較器專門針對(duì)干凈快速的切換而設(shè)計(jì)，因此其直流參數(shù)往往趕不上許多運(yùn)算放大器。因而，在要求低輸入失調(diào)電壓和低輸入偏置電流等的應(yīng)用中，將運(yùn)算放大器用作比較器可能比較方便。

但是用作比較器的運(yùn)算放大器沒(méi)有負(fù)反饋，因此其開(kāi)環(huán)增益非常高。躍變期間，哪怕是極少量的正反饋也可能激發(fā)振蕩。反饋可能來(lái)自輸出與同相輸入之間的雜散電容，也可能來(lái)自共地阻抗中存在的輸出電流。雖然通過(guò)設(shè)計(jì)布局降低雜散電容等方法進(jìn)行補(bǔ)償，但不穩(wěn)定性的確是隱形存在的“不定時(shí)炸彈”。另外，將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，受飽和影響，其反應(yīng)速度低于期望水平，如果高速非常重要，將運(yùn)算放大器用作比較器可能達(dá)不到預(yù)期效果。

總之，文章提供了一種可行的光電探測(cè)電路的設(shè)計(jì)手段，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須了解相關(guān)知識(shí)，以確保所選運(yùn)算放大器能達(dá)到要求的性能。

參考文獻(xiàn)

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篇8

關(guān)鍵詞:FC;SoC;電源管理模塊;電路

中圖分類號(hào):TP331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)10-2449-02

隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和超深亞微米技術(shù)的高速發(fā)展,集成電路設(shè)計(jì)已步入片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)時(shí)代。SoC是專用集成電路ASIC(Application Specific Integrated Circuits)設(shè)計(jì)方法學(xué)中的新技術(shù),是指以嵌入式系統(tǒng)為核心,以IP核復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ),集軟、硬件于一體,并追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成芯片。SoC是將數(shù)字電路、模擬電路、信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器、MPU、MCU、DSP等集成在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)。以超深亞微米(VDSM)工藝和IP核復(fù)用(IP Reuse)技術(shù)為支撐的系統(tǒng)級(jí)芯片技術(shù)將是超大規(guī)模集成電路(VLSI)發(fā)展的必然趨勢(shì)和主流。

為突破傳統(tǒng)電源管理模式,將研發(fā)的智能電源管理模塊以SoC為核心,利用SoC內(nèi)部的ARM922T處理器提供處理能力,外部配置AD采樣邏輯、存儲(chǔ)器等資源;并采用光纖通道(Fiber Channel,FC)為通信接口,通過(guò)FC總線,接收系統(tǒng)其它模塊發(fā)送的控制命令,進(jìn)一步提高了電源模塊的可靠性、通用性、易擴(kuò)展性和靈活的配置能力,并促進(jìn)了FC技術(shù)的應(yīng)用,保證了系統(tǒng)功能和性能的優(yōu)化。

1 智能電源管理模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能電源管理模塊是以片上系統(tǒng)SoC為控制中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。模塊由電壓電流調(diào)理電路、開(kāi)關(guān)陣列電路、AD選通轉(zhuǎn)換電路、控制器、存儲(chǔ)器、FC接口等構(gòu)成,主要負(fù)責(zé)電源模塊的檢測(cè)和控制。當(dāng)上電BIT測(cè)試正確,則電源管理模塊以一組固定的動(dòng)作序列去控制開(kāi)關(guān)陣列PSA向外供電;若流經(jīng)PSA電流超出范圍Is≥IsMAX,控制PSA并對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換;在應(yīng)急供電下,停止對(duì)通用模塊供電,只對(duì)關(guān)鍵模塊供電;電源管理模塊通過(guò)FC接口與系統(tǒng)管理者進(jìn)行傳輸開(kāi)關(guān)動(dòng)作狀態(tài)、報(bào)警信息、數(shù)據(jù)(各支路電流),記錄電源自測(cè)試BIT結(jié)果、故障信息。

電源管理模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括如圖1所示的主要功能塊。

2 電源管理模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)位電路

復(fù)位類型包括上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、調(diào)試口復(fù)位、軟件復(fù)位和看門狗復(fù)位。

上電或手動(dòng)復(fù)位有效時(shí)產(chǎn)生200ms的低電平復(fù)位信號(hào),提供給SoC芯片作為系統(tǒng)復(fù)位觸發(fā)源之一。調(diào)試口復(fù)位由外部調(diào)試工具產(chǎn)生,用于復(fù)位ARM922T處理器的調(diào)試接口。軟件復(fù)位指系統(tǒng)根據(jù)軟件運(yùn)行要求生成的復(fù)位觸發(fā)源。而當(dāng)系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi),沒(méi)有得到響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生看門狗復(fù)位。

當(dāng)SoC芯片接收到上述復(fù)位類型中任意一種觸發(fā)復(fù)位機(jī)制,由SoC芯片輸出系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)對(duì)電源管理模塊進(jìn)行復(fù)位。

2.2 時(shí)鐘電路

電源管理模塊中需要使用時(shí)鐘的電路有:SoC芯片、FC接口。其中,SoC芯片選擇53.125MHz運(yùn)行時(shí)鐘,內(nèi)部進(jìn)行4倍頻提供ARM922T處理器使用。FC接口收、發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率為106.25MHz。

2.3 存儲(chǔ)器電路

電源管理模塊中的存儲(chǔ)器是SDRAM存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器工作電壓為3.3V,封裝為54引腳的TSOP,容量為32M*16。在設(shè)計(jì)時(shí)使用2片K4S511632E實(shí)現(xiàn)32位操作。SoC芯片內(nèi)置SDRAM存儲(chǔ)器控制器,提供SDRAM的時(shí)序控制邏輯,并且提供SDRAM訪問(wèn)時(shí)鐘,時(shí)鐘頻率為56.125MHz,同存儲(chǔ)器時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率和相位在EDA設(shè)計(jì)時(shí)保持一致。

2.4 電壓轉(zhuǎn)換電路

模塊中使用了多種電壓的電源,分別為+3.3V、+2.5V和+1.8V,統(tǒng)一由外部+5V經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn),輸出電流可達(dá)到3A。由于SoC芯片要求內(nèi)核上電時(shí)間萬(wàn)余I/O上電時(shí)間,所以在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)內(nèi)核電壓(+1.8V)轉(zhuǎn)換電路增加場(chǎng)效應(yīng)管控制,使其滿足SoC芯片供電要求。

電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.5 模擬量輸入電路

系統(tǒng)的模擬量信號(hào)是由多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行選通。多路開(kāi)關(guān)是采用2片16通道模擬開(kāi)關(guān)和1片8通道模擬開(kāi)關(guān),通過(guò)4位通道地址選取相應(yīng)通道,其中最高位為片選位。因此,最多可選通38路模擬信號(hào),滿足本模塊所需的24路模擬量信號(hào)的要求。模擬開(kāi)關(guān)用于選通被測(cè)試信號(hào),包括4路電壓檢測(cè)信號(hào)、16路電流模擬量信號(hào)和4路應(yīng)急模擬量信號(hào),通過(guò)對(duì)GPIO0-5配置進(jìn)行通道選擇。

A/D轉(zhuǎn)換器件控制端直接與EBI接口連接,CS信號(hào)接EBI_CS2,讀寫信號(hào)則與EBI讀寫信號(hào)相連。A/D轉(zhuǎn)換的操作為中斷方式或查詢方式,轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC信號(hào)作為外部中斷連接到SoC芯片,當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生中斷,由SoC芯片讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并作出相應(yīng)處理。EOC信號(hào)在設(shè)計(jì)時(shí)也連接到SoC芯片的GPIO端,可作為輸入信號(hào),當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始后查詢?cè)撔盘?hào)狀態(tài)判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。

模擬量輸入和A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.6 離散量輸出電路

離散量輸出主要用于控制開(kāi)關(guān)陣列的工作狀態(tài),當(dāng)狀態(tài)一旦置出,在沒(méi)有檢測(cè)到錯(cuò)誤或是在沒(méi)有接受到系統(tǒng)管理者更新指令時(shí),該狀態(tài)是不能變更的。

在設(shè)計(jì)時(shí),利用EBI數(shù)據(jù)作為開(kāi)關(guān)陣列的控制信號(hào)。首先,對(duì)EBI數(shù)據(jù)通過(guò)鎖存器進(jìn)行鎖存,然后進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,以此輸出滿足開(kāi)關(guān)陣列使用的+5V電平信號(hào),初始默認(rèn)開(kāi)關(guān)陣列的狀態(tài)為全開(kāi),所以采用+5V上拉方式保證離散量輸出信號(hào)為高電平。設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2.7 FC接口

SoC芯片提供FC接口,所以只需要在外部連接串并轉(zhuǎn)化器和光電收發(fā)器即可。串并轉(zhuǎn)換器具有10bitTx/Rx總線接口,提供并行回環(huán)測(cè)試模式,接收、發(fā)送時(shí)鐘可達(dá)到106.25MHz,兼容SSTL-2電平,供電電壓為3.3V。而光電收發(fā)器也采用的是一款高性能光纖模塊,具有4通道接收器/發(fā)送器,單通道帶寬1Gbps至2.7Gbps,兼容8B/10B數(shù)據(jù)格式。設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮PCB制作和FC接口端接匹配電阻的選擇。

3 結(jié)論

電源管理系統(tǒng)模塊利用FC接口,通過(guò)FC總線接受應(yīng)用系統(tǒng)中其他模塊發(fā)送的控制命令,并根據(jù)命令,控制開(kāi)關(guān)陣列的輸出,可以實(shí)現(xiàn)分別為各可替換功能模塊(LRM)的上下電。而當(dāng)智能電源模塊發(fā)生故障時(shí),電源管理模塊能夠通過(guò)FC總線將故障信息發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng)的主控模塊。在系統(tǒng)控制下,發(fā)生供電系統(tǒng)的重構(gòu)動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)電源故障隔離。

參考文獻(xiàn):

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篇9

通過(guò)光敏三極管將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的電信號(hào)，該信號(hào)送入放大器經(jīng)放大處理，同時(shí)送入兩路比較器，其中一路是上限比較器，一路是下限比較器.通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊對(duì)光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)輸出電壓達(dá)到0.4~0.45V時(shí)，放大器輸出信號(hào)小于下限比較電平，下限比較器翻轉(zhuǎn)，信號(hào)送入反相器，通過(guò)顯示模塊進(jìn)行顯示，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)，當(dāng)輸出電壓達(dá)到0.55V，放大器輸出信號(hào)小于上限比較電平，上限比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，信號(hào)送入反相器。

2照明燈電壓閉環(huán)控制

光敏三極管接收的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)處理送入壓控開(kāi)關(guān)電源的控制端，對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，使加在燈絲兩端的電壓隨光強(qiáng)的變化而改變，從而實(shí)現(xiàn)照明燈電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)設(shè)計(jì)的硬件電路，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備所需的標(biāo)準(zhǔn)背景電平，調(diào)節(jié)出口處光強(qiáng)的強(qiáng)與弱，都可以根據(jù)信號(hào)的變化，自動(dòng)將輸出燈壓調(diào)到合適范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)照明燈的閉環(huán)控制。

3設(shè)計(jì)方法

3.1電源模塊

本電源是兩個(gè)獨(dú)立電源的組合體，其中主控電源是一個(gè)可靠、大電流壓控電源，其輸出電壓隨其控制端外加的直流電壓的改變而變化。輸出電壓為交流220V+20%,50Hz。輸出電壓精度及負(fù)載能力、電路保護(hù)功能都有輸出短路保護(hù)。圖4為電源控制特性曲線，可清晰的看出電源模塊輸出電壓隨控制電壓的關(guān)系。

3.2運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器[4-5]具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，如圖5所示，其中標(biāo)有“+”號(hào)的輸入端為“同相輸入端”而不能叫做正端)，另一只標(biāo)有“一”號(hào)的輸入端為“反相輸入端”同樣也不能叫做負(fù)端，如果先后分別從這兩個(gè)輸入端輸入同樣的信號(hào)，則在輸出端會(huì)得到電壓相同但極性相反的輸出信號(hào)：輸出端輸出的信號(hào)與同相輸人端的信號(hào)同相，而與反相輸入端的信號(hào)反相。本文設(shè)計(jì)應(yīng)用LM型運(yùn)算放大器，通過(guò)電路設(shè)計(jì)來(lái)完成合理控制電壓輸出。

3.3ProtelDXP

ProtelDXP2004[6]是一個(gè)32位的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它是一套構(gòu)建在板級(jí)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)特性基礎(chǔ)上的EDA設(shè)計(jì)軟件，其主要功能包括電路原理圖設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)、改進(jìn)型拓?fù)渥詣?dòng)布線、模擬/數(shù)字混合信號(hào)仿真、布局前/后信號(hào)完整性分析、PLD2004可編程邏輯系統(tǒng)，以及完整的計(jì)算機(jī)輔助（CAM）輸出和編輯性能等。原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)是ProtelDXP2004的主要功能模塊之一，提供了強(qiáng)大的電路原理圖繪制功能：1)功能完善的多功能編輯器；2)層次化、多通道的原理圖編輯環(huán)境；3)交互式全局編輯功能；4)強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化功能。本文通過(guò)此軟件設(shè)計(jì)背景電路模塊，實(shí)現(xiàn)背景目標(biāo)的模擬，也為工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。圖6為背景目標(biāo)電路的主要設(shè)計(jì)部分，可實(shí)現(xiàn)背景照明等的電壓調(diào)控，再根據(jù)電壓控制電路調(diào)節(jié)獲得檢測(cè)儀所需要的背景電平信號(hào)，從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3.4Multisim

Multisim[7]是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。仿真的內(nèi)容：1）器件建模及仿真；2）電路的構(gòu)建及仿真；3）系統(tǒng)的組成及仿真；4）儀表儀器原理及制造仿真。

4研究結(jié)果與分析

4.1電路仿真圖

如圖7為模擬背景電路電壓輸出仿真，根據(jù)仿真圖可以得出電路反應(yīng)時(shí)間以及輸出電壓值，根據(jù)設(shè)計(jì)，得到電壓值為0.424V，基本上符合研究計(jì)劃的0.4~0.55V標(biāo)準(zhǔn)，可以為此檢測(cè)儀進(jìn)行設(shè)備的性能參數(shù)檢測(cè)提供均勻的符合標(biāo)準(zhǔn)的光源。通過(guò)主控計(jì)算機(jī)輸出的控制指令，使輸出的背景在0.4~0.45V區(qū)間，進(jìn)行設(shè)備的各性能參數(shù)測(cè)試。

4.2背景目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用ProtelDXP2004軟件進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)連接，以此進(jìn)行實(shí)裝電路構(gòu)造，并組合此檢測(cè)系統(tǒng)，驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的正確性。圖8為本文設(shè)計(jì)電路所生成的目標(biāo)背景信號(hào)源，根據(jù)主控計(jì)算機(jī)的輸出命令，調(diào)節(jié)輸出電壓，應(yīng)用設(shè)備對(duì)背景目標(biāo)進(jìn)行信號(hào)采集觀測(cè)，可觀測(cè)到圖8中的亮斑即為目標(biāo)源。為下一步進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。

5結(jié)論

篇10

【關(guān)鍵詞】硅微機(jī)械陀螺;偏置電路;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

硅微機(jī)械陀螺儀是慣性導(dǎo)航技術(shù)中經(jīng)常用到的傳感器，它具有體積小，重量輕，靈敏度高等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]。本設(shè)計(jì)中用到的陀螺是一種利用旋轉(zhuǎn)載體自身角速度驅(qū)動(dòng)的陀螺，通過(guò)垂直于載體自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度產(chǎn)生的哥氏力來(lái)敏感載體的俯仰或偏航角速度。如圖1所示，陀螺輸出信號(hào)時(shí)一個(gè)雙極性信號(hào)，而應(yīng)用中需要將雙極性信號(hào)變?yōu)閱螛O性信號(hào)，電源為單電源供電，而且保證相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到要求，為此，下文對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)了傳輸函數(shù)，制備了樣機(jī)。

圖1 零位偏置前陀螺輸出信號(hào)

1.原理分析

無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由四個(gè)陶瓷電極和一個(gè)硅擺組成四個(gè)電容，坐標(biāo)系oxyz固定于傳感器的質(zhì)量塊上，是硅擺芯片繞軸擺動(dòng)的角速度，是載體繞軸的自旋角速度，Ω是載體繞軸的偏航（俯仰）角速度。

圖2 無(wú)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)

陀螺固定在旋轉(zhuǎn)載體上，當(dāng)陀螺隨著載體以的角速度自旋的同時(shí)又以Ω角速度偏航（俯仰）時(shí)，硅擺產(chǎn)生周期性變化的變化頻率等于旋轉(zhuǎn)載體滾動(dòng)頻率的哥氏加速度，沿軸輸出角振動(dòng)，從而引起硅質(zhì)量塊與四個(gè)電極構(gòu)成的四個(gè)電容的變化。通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路與信號(hào)處理電路，可以產(chǎn)生與被測(cè)角速度成正比的雙極性電壓信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)量的目的。更改電路參數(shù)，可以將輸出調(diào)整為Vpp=2V偏。

本次設(shè)計(jì)是將輸出信號(hào)的零位上移V偏，最直接的方法就是用加法電路實(shí)現(xiàn)，用陀螺輸出與V偏=2.5V直流信號(hào)相加，即可得到零位偏置2.5V的陀螺輸出信號(hào)。2.5V的直流信號(hào)可以由應(yīng)用環(huán)境中的+12V電源通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片得到。此外，本次設(shè)計(jì)與之前信號(hào)處理電路中都用到了雙電源供電芯片，因此還另需將+12V轉(zhuǎn)換為-12V，實(shí)現(xiàn)雙電源供電。

2.電路設(shè)計(jì)

綜合上述分析，本設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，第一部分，+12V轉(zhuǎn)為-12V;第二部分，+12V轉(zhuǎn)為+2.5V，第三部分，2.5V與陀螺信號(hào)的相加電路，以下分別對(duì)這三部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 正負(fù)電源設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)體內(nèi)部單電源供電，而陀螺信號(hào)處理電路中用到OP27運(yùn)算放大器等雙電源供電的器件，所以需要進(jìn)行單電源到雙電源的轉(zhuǎn)換。選擇電壓轉(zhuǎn)換芯片既要考慮在誤差允許范圍內(nèi)滿足功能實(shí)現(xiàn)，又要盡量滿足電路簡(jiǎn)潔，便于小尺寸PCB上布線。通過(guò)比較，選擇Maxim公司ICL7662EBA芯片實(shí)現(xiàn)+12V轉(zhuǎn)換為-12V，如圖3所示，此應(yīng)用中只需在芯片周圍外接兩個(gè)極性電容便可實(shí)現(xiàn)。而正電源則用原有的+12V電源。ICL7662的輸入輸出關(guān)系如公式（1）所示。

（1）

如此實(shí)現(xiàn)正負(fù)12V的電壓給電路供電。

圖3 ICL7662實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換原理圖

Maxim公司的ICL7662EBA芯片為八腳貼片式封裝，輸入工作溫度范圍為-40℃～+85℃，輸入電壓范圍為4.5V～20V，其中要注意的是6腳，當(dāng)輸入電壓小于10V時(shí)，6腳需接地，此次應(yīng)用中輸入電壓為+12V，所以不需6腳接地。

2.2 電壓轉(zhuǎn)換電路

第二部分為12V轉(zhuǎn)2.5V的電路，選用TI公司的TL431芯片的典型應(yīng)用電路，TL431為三端可編程穩(wěn)壓二極管，三個(gè)引腳分別為陽(yáng)極，陰極和參考電壓。TL431參考電壓公差等級(jí)有A，B，和標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)三個(gè)等級(jí)，在此選用公差最小的B等級(jí)，公差為0.5%，它的工作溫度為-40℃～+125℃，工作電流范圍寬達(dá)1-100mA，動(dòng)態(tài)電阻典型值為0.22Ω，輸出雜波低，其符號(hào)可以等效為圖4所示。

圖4 TL431等效符號(hào)

用于穩(wěn)壓的典型電路如圖5所示。

圖5 TL431電路連接

圖6 TL431仿真

其中輸入輸出關(guān)系可以用（下轉(zhuǎn)第155頁(yè)）（上接第153頁(yè)）式（2）表示：

（2）

其中為內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)源，因此當(dāng)R1為0歐電阻時(shí)，輸出為式（3）所示。

（3）

TL431部分的仿真結(jié)果如圖6所示。

2.3 偏置電路設(shè)計(jì)

第三部分是2.5V直流信號(hào)和陀螺信號(hào)的加法電路，實(shí)現(xiàn)陀螺信號(hào)2.5V的零位偏置。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

第一個(gè)OP27運(yùn)放實(shí)現(xiàn)反相相加電路，傳遞函數(shù)為：

（4）

其中分別為陀螺信號(hào)和2.5V直流信號(hào)，第二個(gè)OP27運(yùn)放實(shí)現(xiàn)反相比例運(yùn)算電路，用于改變電壓極性，其傳遞函數(shù)如式（5）所示，為最后輸出，兩部分電路串聯(lián)起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)同相相加的目的。

（5）

因?yàn)橛校?/p>

（6）

所以：

（7）

Pspice仿真結(jié)果如圖8所示。

仿真結(jié)果與預(yù)期效果一致，說(shuō)明設(shè)計(jì)思路正確。模擬加法電路要用到集成運(yùn)算放大器，本設(shè)計(jì)屬于精密儀器中的應(yīng)用，且傳感器的敏感電路部分涉及到微弱信號(hào)的檢測(cè)，所以要求運(yùn)算放大器失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。此處運(yùn)算放大器選用OP27，OP27是一款低噪音精密運(yùn)算放大器，其噪聲功率譜密度為3nV/√Hz，失調(diào)電壓為10uV，且具有高共模抑制比和高開(kāi)環(huán)增益等優(yōu)點(diǎn)，是精密儀器儀表中常用的一種運(yùn)放。

圖8 加法電路Pspice電路仿真結(jié)果

圖9 轉(zhuǎn)接板PCB三維顯示

圖10 TL431輸出結(jié)果

圖11 加轉(zhuǎn)接板后陀螺輸出信號(hào)

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上分析設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了PCB板并加工制作，與原有陀螺信號(hào)處理板之間通過(guò)接插件連接，PCB三維顯示如圖9所示。于精密三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得TL431輸出為圖10所示，當(dāng)內(nèi)框旋轉(zhuǎn)頻率為15Hz，偏航角速度為180°/s。時(shí)，最后陀螺輸出信號(hào)如圖11所示，可見(jiàn)與圖1相比，陀螺輸出信號(hào)零位向上偏置約2.5V。實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4.結(jié)論

本次設(shè)計(jì)任務(wù)主要由正負(fù)雙電源設(shè)計(jì)，2.5V穩(wěn)壓信號(hào)的獲取以及加法電路三大部分組成，本文分別對(duì)這三部分的理論計(jì)算，仿真驗(yàn)證，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)三者結(jié)果基本一致。誤差主要來(lái)源于芯片的器件誤差與環(huán)境影響，在允許范圍之內(nèi)。因此本次設(shè)計(jì)理論正確，且能實(shí)際利用到工程實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

[1]張福學(xué)，王宏偉，張偉，毛旭，張楠.利用旋轉(zhuǎn)載體自身驅(qū)動(dòng)的硅微機(jī)械陀螺[J].壓電與聲光，2005，27（2）：109-115.

[2]明亮，汪銀年，王家光，張福學(xué).一種硅微機(jī)械陀螺小信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J].北京機(jī)械工業(yè)學(xué)報(bào)，2006，21（4）：20-25.