時(shí)間：2023-12-27 15:51:36
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電源電路設(shè)計(jì)原理，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
【關(guān)鍵詞】C51單片機(jī)；電紅外傳感器；防盜報(bào)警
一、設(shè)計(jì)防盜報(bào)警系統(tǒng)的主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)利用熱釋電紅外傳感器和單片機(jī)控制模塊等器件，設(shè)計(jì)了基于熱釋電紅外傳感器的防盜報(bào)警系統(tǒng)。由于它利用的是人眼無(wú)法看到的人體發(fā)出的紅外線(xiàn)作為信號(hào)源，組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)的監(jiān)控區(qū)域，所以具有極高的保密性和可靠性，只要有人非法侵入監(jiān)控區(qū)域，人體發(fā)出的紅外線(xiàn)就會(huì)被熱釋電傳感器捕抓到，然后發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，這時(shí)電路就會(huì)給單片機(jī)控制系統(tǒng)輸入信號(hào)，使整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)工作，以引起相關(guān)人員注意，同時(shí)數(shù)碼顯示器點(diǎn)亮，顯示報(bào)警地點(diǎn)。該報(bào)警系統(tǒng)由一臺(tái)接收機(jī)和若干臺(tái)信號(hào)探測(cè)器組成，根據(jù)防盜要求，發(fā)射機(jī)可設(shè)置在不同的需要的區(qū)域，接收機(jī)設(shè)置在一個(gè)固定的地方。首先，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案劃分功能模塊。第一部分是電源模塊；第二部分是紅外探測(cè)模塊（可以有多個(gè)紅外探測(cè)器，置于多個(gè)需要的地方）；第三部分是主機(jī)模塊（包括顯示器，處理器，報(bào)警器等）。其次是確定硬件電路的設(shè)計(jì)，包括芯片選擇，具體電路的設(shè)計(jì)（如紅外探測(cè)電路，電源電路，主機(jī)電路，報(bào)警電路，顯示電路等）。最后是軟件部分的設(shè)計(jì)，軟件的設(shè)計(jì)主要是以具體芯片以及理解具體的硬件電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行設(shè)計(jì)編程。
二、防盜報(bào)警系統(tǒng)的組成
防盜報(bào)警系統(tǒng)主要是由紅外線(xiàn)人體入侵檢測(cè)電路，編碼與無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路，無(wú)線(xiàn)接收與解碼電路，單片機(jī)控制電路，顯示電路，報(bào)警電路，遙控電路和電源電路。其框圖如圖1。
圖1 防盜報(bào)警系統(tǒng)框圖
其主要的原理為：紅外線(xiàn)人體入侵檢測(cè)電路的核心就是一個(gè)探測(cè)器，用來(lái)探測(cè)是否有人體非法入侵，如果沒(méi)有人體入侵的話(huà)，就不輸出信號(hào)或者輸出的信號(hào)為0。當(dāng)有人體入侵時(shí)，此探測(cè)器會(huì)根據(jù)人體的入侵速度發(fā)出1mV左右的脈沖電壓信號(hào)（脈沖頻率由入侵的人體的速度決定，在0.1Hz在10Hz之間）。之后，該電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，濾除無(wú)用的信號(hào)和放大信號(hào)，使之能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)直接采集到。單片機(jī)采集到信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)發(fā)出控制信號(hào)。當(dāng)采集到無(wú)人入侵時(shí)，使七段數(shù)碼顯示器顯示“----”，報(bào)警電路不工作。當(dāng)采集到誘人入侵信號(hào)時(shí)，使七段數(shù)碼顯示器顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如“1”、“2”，而且給報(bào)警電路發(fā)送控制信號(hào)，使報(bào)警電路工作，發(fā)出報(bào)警。電源電路為上面所訴的電路提供穩(wěn)定的+5V的電壓，而且，在電源電路中有一控制按鈕，用來(lái)控制電源的通斷，同時(shí)作為布防撤防按鈕。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)一處有報(bào)警信號(hào)時(shí)，顯示器顯示當(dāng)前報(bào)警區(qū)域，當(dāng)另外一處有報(bào)警信號(hào)時(shí)，顯示器不顯示報(bào)警區(qū)域，只有將系統(tǒng)撤防在布防后才能在此顯示另外的報(bào)警電路。
三、硬件電路設(shè)計(jì)
1．電源電路設(shè)計(jì)。電源電路設(shè)計(jì)原理:考慮采用典型的變壓器降壓，全波整流，電容濾波及集成電路穩(wěn)壓的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)及其他電路等都用5V作為工作電源，所以在經(jīng)整流和濾波電路后再用三端集成穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓，為后續(xù)電路提供穩(wěn)定可靠的5V直流電源，三端穩(wěn)壓集成電路采用LM7805。其中按鍵作為撤防/布防開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行與停止。電源通過(guò)變壓會(huì)使輸入、輸出電壓不同，從而達(dá)到升壓或降壓的目的。具體電路圖如圖2。
圖2 電源電路
2．信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)。在探測(cè)技術(shù)中，所謂的“被動(dòng)”是指探測(cè)器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠自然界的能量或者能量的變化來(lái)完成讓車(chē)目的。被動(dòng)式紅外報(bào)警器的特點(diǎn)是能夠響應(yīng)入侵者在所防范的區(qū)域能移動(dòng)時(shí)所引起的紅外輻射變化，并能使主控電路產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào)，從而完成報(bào)警功能。圖3所示為本設(shè)計(jì)采用的信號(hào)采集電路。
圖3 信號(hào)采集電路原理圖
其工作原理為：當(dāng)人體輻射的紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出的電壓信號(hào)，然后使該信號(hào)先通過(guò)由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0.16Hz。猶豫熱釋電紅外傳感器輸出的探測(cè)電壓信號(hào)十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)。同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測(cè)物體的亞?wèn)|速度決定，通常為0.1Hz~10Hz左右）。所以應(yīng)對(duì)熱釋電紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)運(yùn)用集成放大器LM324進(jìn)行兩級(jí)放大，以使其獲得足夠的增益。當(dāng)傳感器探測(cè)到人體輻射信號(hào)的紅外信號(hào)并通過(guò)放大后送給窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過(guò)信號(hào)比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號(hào)；無(wú)異常情況時(shí)這輸出低電平信號(hào)。在該比較器中R8、R9、R10、R11用作參考電壓，即參考電壓分別為3.8V和1.2V。最后，這個(gè)信號(hào)將會(huì)傳輸給單片機(jī)P1口的相應(yīng)引腳，為單片機(jī)提供源信號(hào)，使單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，使整個(gè)系統(tǒng)作出相應(yīng)的動(dòng)作，從而完成系統(tǒng)任務(wù)。
3．主控電路設(shè)計(jì)。主控電路由處理模塊，顯示模塊，報(bào)警模塊三部分組成。處理模塊即為單片機(jī)及其周邊電路，報(bào)警模塊即為蜂鳴器和紅色LED燈組成的電路，顯示模塊即為7段數(shù)碼顯示器構(gòu)成的顯示電路。其工作原理是處理模塊接受信號(hào)，判斷其是那路信號(hào)采集電路的信號(hào)，然后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，控制顯示器和報(bào)警器工作。本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路才用的是簡(jiǎn)單的將發(fā)光二極管、報(bào)警器于單片機(jī)的P1.7引腳相接。因?yàn)橐话闱闆r下，單片機(jī)P1口為高電平，求，故P1.7通過(guò)一個(gè)非門(mén)取反后才與報(bào)警電路相接，使之能滿(mǎn)足系統(tǒng)要。圖4為報(bào)警電路的原理圖。
圖4 報(bào)警電路的原理圖
本文簡(jiǎn)要介紹了防盜報(bào)警器的分類(lèi)及主要內(nèi)容，然后討論了防盜報(bào)警系統(tǒng)的組成。在前面兩個(gè)部分的基礎(chǔ)上，本文對(duì)部分硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。包括電源電路設(shè)計(jì)、信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
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[4]孫余凱，吳鳴山，項(xiàng)綺明．傳感器應(yīng)用電路300例[M]．電子工業(yè)出版社，2008
【關(guān)鍵詞】三相逆變電源;DSP IC;全數(shù)字控制;設(shè)計(jì)
在當(dāng)前，隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是逆變技術(shù)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)逆變電源的性能要求也較過(guò)去有了較大程度的提高，不僅要求輸出的波形質(zhì)量盡量好，而且對(duì)其穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的要求也日益更高。基于此，本研究成功設(shè)計(jì)了一種基于DSP IC全數(shù)字控制的三相逆變電源，現(xiàn)對(duì)其技術(shù)方案簡(jiǎn)要陳述如下，以供業(yè)內(nèi)人士參考。
1.本三相逆變電源的總體設(shè)計(jì)思路
在本設(shè)計(jì)方案中，主要包括的幾個(gè)部分為：
①括主控制電路;
②驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路;
③工作電源;
④三相逆變電路;
⑤輸出濾波電路;
⑥穩(wěn)壓電路;
⑦前級(jí)處理電路。
其具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。
圖1 三相逆變電源的總體設(shè)計(jì)思路
2.硬件設(shè)計(jì)
2.1 主控制芯片的選擇及其特性簡(jiǎn)述
本設(shè)計(jì)選用的是美國(guó)微芯科技公司生產(chǎn)的DSP IC數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）為電源的主控芯片，同時(shí)該芯片為16位閃存單片機(jī)設(shè)計(jì)，其快速中斷處理能力與對(duì)設(shè)備的切斷功能均頗為強(qiáng)大，另還兼具了數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備（DSP）的數(shù)據(jù)吞吐和運(yùn)算功能，進(jìn)而在運(yùn)算速度與數(shù)字信號(hào)處理方面有非常不錯(cuò)的表現(xiàn)，對(duì)指令的執(zhí)行速度甚至超過(guò)了30MIPS。此外，該芯片還配備了自編程閃存，可耐受的工作環(huán)境溫度可達(dá)到工業(yè)級(jí)。
2.2 電源開(kāi)關(guān)元件的選擇及其特性簡(jiǎn)述
本設(shè)計(jì)采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為電源開(kāi)關(guān)元件，IGBT不但具有效應(yīng)管（MOSFET）的高速開(kāi)關(guān)功能，而且還具有電力晶體管（GTR）的低通壓降優(yōu)點(diǎn)，是一種集多方面優(yōu)點(diǎn)于一身的復(fù)合型開(kāi)關(guān)元件。
2.3 主控制電路的設(shè)計(jì)
在主控制電路的設(shè)計(jì)中，將復(fù)位、晶振、六路PWM輸出以及報(bào)警等等多項(xiàng)功能考慮進(jìn)其中，具體詳見(jiàn)圖2所示。
圖2 主控制電路原理圖
2.4 逆變電源開(kāi)關(guān)元件（IGBT）的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
IGBT的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路在很大程度上影響著其開(kāi)關(guān)時(shí)間、功耗以及承受短路電路的能力，是關(guān)系到IGBT靜、動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵部件，故其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)尤為重要，本次詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖
2.5 逆變電源的保護(hù)電路設(shè)計(jì)
一旦出現(xiàn)輸入（出）電流與電壓不穩(wěn)定以及電源開(kāi)關(guān)元件溫度過(guò)度升高的情況，有可能對(duì)整個(gè)逆變系統(tǒng)造成破壞性的損壞，故在本設(shè)計(jì)中，分別設(shè)計(jì)了電源的輸入過(guò)流保護(hù)電路（如圖4所示）與超溫保護(hù)電路（如圖5所示），其中，以超溫保護(hù)電路為例，一旦IGBT的溫度超過(guò)了額定溫度，主控芯片立即發(fā)出故障信號(hào)并自動(dòng)將所有的IGBT切斷，同時(shí)還將通過(guò)指示燈發(fā)出警報(bào)以提示已有異常發(fā)生。
圖4 輸入過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
圖5 超溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)
2.6 逆變電路的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中，為便于逆變控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小及波形，繼而采用了閉環(huán)控制策略，具體詳見(jiàn)圖6所示。逆變電壓經(jīng)變壓器降壓整流后，再經(jīng)分壓電阻分壓采樣，形成閉環(huán)。
圖6 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)圖
3.軟件設(shè)計(jì)
綜合借助DSPIC對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理功能及其快速的計(jì)算能力，同時(shí)采用了SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)，對(duì)六路PWM值實(shí)時(shí)計(jì)算，再將計(jì)算的結(jié)果傳輸?shù)絻?nèi)部的PWM控制模塊產(chǎn)生PWM波形。其中，開(kāi)關(guān)頻率選用20kHz，其周期為50μs，通過(guò)軟件對(duì)所產(chǎn)生的PWM波形的正弦數(shù)值進(jìn)行分析并生成表格，將其提前存儲(chǔ)到控制芯片當(dāng)中。存儲(chǔ)正弦數(shù)字表為180個(gè)數(shù)值，根據(jù)波形的對(duì)稱(chēng)性和三相相位相互差120度的特性，在0到180的正弦數(shù)值表中加入一定計(jì)算就可以得到所需要角度的對(duì)應(yīng)數(shù)值。控制芯片根據(jù)回饋采樣，利用PI調(diào)節(jié)，對(duì)正弦數(shù)值表中的每個(gè)值進(jìn)行重新計(jì)算后送如PWM模塊，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。同時(shí)每1毫秒對(duì)所有輸入采樣和各種保護(hù)進(jìn)行處理，若有保護(hù)信號(hào)動(dòng)作，立即關(guān)閉PWM模塊，使驅(qū)動(dòng)波形變?yōu)闊o(wú)效，進(jìn)而達(dá)到及時(shí)保護(hù)IGBT的目的。此外，為了最大程度減少啟動(dòng)器對(duì)器件產(chǎn)生的沖擊，本設(shè)計(jì)在軟件方面還特地增設(shè)了一個(gè)軟啟動(dòng)程序，進(jìn)而確保其輸出的電壓不會(huì)徒然升至過(guò)高。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖7、圖8所示為經(jīng)過(guò)LC濾波前后的三相逆變電壓線(xiàn)電壓波形，頻率為50HZ，符合設(shè)計(jì)要求。
圖7 LC濾波前的逆變電壓波形
圖8 LC濾波后的逆變電壓波形
5.結(jié)束語(yǔ)
本研究成功設(shè)計(jì)了一種基于DSPIC的全數(shù)字控制三相逆變電源，其樣品目前已通過(guò)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，本產(chǎn)品采用DSPIC進(jìn)行控制，其可控性、可靠性以及波形質(zhì)量與帶負(fù)載能力等，均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，建議將其作為新一代逆變電源產(chǎn)品進(jìn)行批量生產(chǎn)并推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
【關(guān)鍵詞】直流電子負(fù)載；恒流恒壓模式；蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)
0 引言
在電源、通信、蓄電池、能源等領(lǐng)域中，需要使用一些靜態(tài)負(fù)載，通常采用電阻、電容、電感等或?qū)⑺鼈兊拇⒙?lián)組合來(lái)模擬實(shí)際負(fù)載情況，其缺點(diǎn)是負(fù)載占用較大的空間、精度差、形勢(shì)單一且負(fù)載大小不能進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。直流電子負(fù)載的基本原理是利用功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOS），絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率半導(dǎo)體電子元件吸收電能并消耗電能。依靠功率半導(dǎo)體器件作為載體，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載參數(shù)可調(diào)的功能，具有體積小和很高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性，能很好地模擬實(shí)際的負(fù)載，在電源設(shè)備測(cè)試中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)傳統(tǒng)負(fù)載的弊病，提出了以STC12C5A60S2微控制器為核心，盡可能通過(guò)軟件替代硬件，使其具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、控制靈活的特點(diǎn)。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
基于單片機(jī)控制的直流電子負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示：
圖1 單片機(jī)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)由以下部分組成：核心控制電路（單片機(jī)）、電子負(fù)載電路、采樣電路、LCD顯示電路和電源電路。
該系統(tǒng)方案的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易明了，將恒壓電流、恒流電路有機(jī)的結(jié)合在了一起，并接入電子開(kāi)關(guān)，操作時(shí)只需通過(guò)電子開(kāi)關(guān)對(duì)模式進(jìn)行手動(dòng)切換，以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)恒壓恒流值的調(diào)節(jié)、端口電壓的采集及顯示等核心功能。硬件電路中含有的運(yùn)算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減小輸出端的紋波電壓。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
本智能控制系統(tǒng)由以下部分組成：核心控制電路（單片機(jī)）、功率控制電路、采樣電路、運(yùn)放比較電路、LCD顯示電路和電源電路。
2.1 核心控制電路設(shè)計(jì)
采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心控制單元，STC12C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘、機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），包含8位A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，精確度高。通過(guò)軟件編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流預(yù)設(shè)置、A/D采樣比較、D/A輸出、LCD顯示等多種功能，并且電路簡(jiǎn)單，控制效果好。
2.2 功率控制電路
選用N溝道增強(qiáng)型MOS管作為功率管。功率MOS管具有正溫度系數(shù)，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)通態(tài)電阻增大，導(dǎo)通電阻小，自帶保護(hù)二極管，有自限流作用，噪聲系數(shù)小，所以功率MOS管熱穩(wěn)定性好。
2.3 恒壓電路設(shè)計(jì)
選用運(yùn)放OP07，該運(yùn)放器是一種低噪聲，低輸入失調(diào)電，低輸入偏置電流，開(kāi)環(huán)增益高，穩(wěn)定度很高的雙極性運(yùn)算放大器。在反饋電路中加入電阻，使得取樣電阻上的電流可以微調(diào)，實(shí)現(xiàn)輸出電流與理論值相同，大大提高了輸出電流的精度，又由于運(yùn)放的同相輸入端的信號(hào)來(lái)自與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)放輸出，穩(wěn)定度很高。
恒壓電路原理圖如圖2所示：
圖2 恒壓電路原理圖
選用運(yùn)放OP07，將同相輸入端與輸出端采用正反饋電路，在反饋電路中加入電阻R2，R3與R4并聯(lián)實(shí)現(xiàn)分壓。使得取樣電阻上的電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)輸出電壓與理論值相同。又由于運(yùn)放的反相輸入端的信號(hào)來(lái)自于單片機(jī)的輸出，穩(wěn)定度與精度均很高。
2.4 恒流電路設(shè)計(jì)
選用運(yùn)放OP07，該運(yùn)放具有低噪聲特點(diǎn)，低輸入偏置電流，開(kāi)環(huán)增益高，是穩(wěn)定度很高的雙極性運(yùn)算放大器。該方案優(yōu)于以上兩個(gè)方案，故采用此方案。
恒流電路原理圖如圖3所示：
圖3 恒流電路原理圖
選用運(yùn)放OP07，將反相輸入端與輸出端采用負(fù)反饋電路，運(yùn)放的同相輸入端的信號(hào)來(lái)自于單片機(jī)的輸出，穩(wěn)定度與精度均很高。圖5中輸出端取樣電阻為2歐大功率電阻，受熱情況下其阻值改變不大。通過(guò)單片機(jī)設(shè)定負(fù)載參數(shù)。測(cè)試點(diǎn)的電流恒滿(mǎn)足表達(dá)式：Itest=U/R1，其中U為采樣電壓。
2.5 LCD顯示電路設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：選用LED數(shù)碼管顯示，LED是筆劃顯示方式，雖然直觀性好，視角大，但是該方式只能顯示特定漢字和數(shù)字，若進(jìn)行多位顯示，需要多個(gè)數(shù)碼管，功耗較大，體積大。
本設(shè)計(jì)方案：選用LCD12864液晶顯示，LCD是點(diǎn)陣式的顯示，可以有漢字、數(shù)字、波形等多種方式顯示，靈活性大，且同一界面可以同時(shí)顯示電壓、電流、功率等多種參數(shù)，并且功耗低，體積小。
2.6 電源電路設(shè)計(jì)
變壓器通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓產(chǎn)生所需電壓。圖4中電路提供的±15V，±12V電源主要用于運(yùn)放電路，+5V電源用于單片機(jī)、液晶顯示、鍵盤(pán)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及流程
此設(shè)計(jì)使用低功耗單片機(jī)STC12C5A60S2，利用該單片機(jī)通過(guò)程序可以實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：
（1）設(shè)定恒壓、恒流運(yùn)行模式及參數(shù)。通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定以步進(jìn)方式設(shè)置預(yù)設(shè)值送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò) D/A（DAC0832）將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出給硬件電路，以提供所需電壓，并在LCD液晶上顯示DA步進(jìn)值。
（2）采樣輸出電壓、電流并在LCD液晶上顯示。單片機(jī)通過(guò)A/D（ADC0832）對(duì)等效負(fù)載的電壓和電流進(jìn)行采樣，將采集回來(lái)的數(shù)值在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理后送液晶屏進(jìn)行電壓、電流的顯示。
（3）當(dāng)電流大于3A時(shí)，單片機(jī)就會(huì)啟動(dòng)過(guò)流提示，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在恒流模式下減小DA輸出電壓以減小電路電流，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。
系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
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關(guān)鍵詞： ARM； 壓電陶瓷； 驅(qū)動(dòng)電源； PI控制器
中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）14?0166?05
High?resolution piezoelectric ceramic actuator power supply based on ARM
GE Chuan， LI Peng?zhi， ZHANG Ming?chao， YAN Feng
（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）
Abstract： According to the requirement of the micro piezoelectric actuator for driving power supply， a piezoelectric actuator power supply system was designed. In this paper， the digital circuit and analog circuit in the power supply system were described in detail. The accuracy and the stability of the actuator power supply were analyzed and improved. Finally， the performance of the power supply was verified in experiment. The experimental results indicate that the output voltage noise of the designed power supply is lower than 0.43 mV， the maximum nonlinear output error is less than 0.024%， and the resolution can reach 1.44 mV， which can meet the requirement of static positioning control in the high resolution micro?displacement system.
Keywords： ARM； piezoelectric ceramic； driving power supply； PI controller
0 引 言
壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）是微位移平臺(tái)的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1?3]。然而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用離不開(kāi)性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時(shí)電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級(jí)。因此壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺(tái)中的關(guān)鍵技術(shù)[3]。
1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的分類(lèi)
隨著壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展，各種專(zhuān)用于壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生。目前驅(qū)動(dòng)電源的形式主要有電荷控制式和直流放大式兩種。電荷控制式驅(qū)動(dòng)電源存在零點(diǎn)漂移，低頻特性差的特點(diǎn)限制其應(yīng)用[4]。而直流放大式驅(qū)動(dòng)電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而本文的設(shè)計(jì)原理采用直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。
圖1 直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源原理
1.2 直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)電源電路主要由微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路和線(xiàn)性放大電路組成。通過(guò)微處理器控制D/A產(chǎn)生高精度、連續(xù)可調(diào)的直流電壓（0～10 V），通過(guò)放大電路對(duì)D/A輸出的直流電壓做線(xiàn)性放大和功率放大從而控制PZT驅(qū)動(dòng)精密定位平臺(tái)。
該設(shè)計(jì)中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號(hào)及波形；采用18位電壓輸出DA芯片AD5781作為D/A轉(zhuǎn)換電路的主芯片，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流低壓信號(hào)；采用APEX公司的功率放大器PA78作為功率放大器件，輸出0～100 V的高壓信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)PZT。為實(shí)現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動(dòng)電源分辨率的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到1 mV量級(jí)。
2 基于ARM的低壓電路設(shè)計(jì)
2.1 ARM控制器簡(jiǎn)介
壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設(shè)備提供通用的輸入/輸出接口；作為控制器運(yùn)行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號(hào)或波形實(shí)現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對(duì)如上需求，本設(shè)計(jì)采用LPC2131作為主控制器[5]，LPC2131是Philips公司生產(chǎn)的基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI?S?CPU的微控制器，主頻可達(dá)到60 MHz；LPC2131內(nèi)部具有8 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器；具有兩個(gè)通用UART接口、I2C接口和一個(gè)SPI接口。由于LPC2131具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅(qū)動(dòng)電源的控制芯片。
2.2 D/A電路設(shè)計(jì)
由于壓電驅(qū)動(dòng)電源要求輸出電壓范圍為0～100 V，分辨率達(dá)到毫伏級(jí)，所以D/A的分辨率需達(dá)到亞毫伏級(jí)。本設(shè)計(jì)采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉(zhuǎn)換器，輸出電壓范圍-10～10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/噪聲頻譜密度。另外，AD5781還具有極低的溫漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，該D/A轉(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D/A電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
在硬件電路設(shè)計(jì)中，由于AD5781采用的精密架構(gòu)，要求強(qiáng)制檢測(cè)緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，確保達(dá)到規(guī)定的線(xiàn)性度。因此選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。這里選用AD8676，AD8676是一款超精密、36 V、2.8 nV/雙通道運(yùn)算放大器，具有0.6 μV/℃低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過(guò)下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低，用于設(shè)置AD5781為DAC二進(jìn)制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。
圖2 AD5781硬件設(shè)計(jì)電路圖
在ARM端的軟件設(shè)計(jì)中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和通信模式[5]。正確的SPI接口時(shí)序配置圖如圖3所示。
圖3 主模式下的SPI通信時(shí)序圖
3 高壓線(xiàn)性放大電路設(shè)計(jì)
本文壓電驅(qū)動(dòng)電源采用直流放大原理，通過(guò)高壓線(xiàn)性放大電路得到0～100 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和線(xiàn)性度， 是整個(gè)電源的關(guān)鍵。
3.1 經(jīng)典線(xiàn)性放大電路設(shè)計(jì)
放大電路采用美國(guó)APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為8 mV，溫漂-63 V/°C，轉(zhuǎn)換速率350 V/μs，輸入阻抗108 Ω，輸出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB。基于PA78的線(xiàn)性放大電路設(shè)計(jì)如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為，得到輸出電壓范圍為0～100 V。
如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0 V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0 V。但事實(shí)上，由于放大器制造工藝的原因，不可避免地造成同相和反相輸入端的不匹配，使輸出端總有一些電壓，該電壓稱(chēng)為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為溫度漂移（溫漂），溫漂的大小隨時(shí)間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C，并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機(jī)的，使PA78無(wú)法應(yīng)用于毫伏級(jí)分辨率的電壓輸出，需要對(duì)放大電路進(jìn)行改進(jìn)。
圖4 線(xiàn)性放大電路
3.2 放大電路的改進(jìn)
這里將PA78視為被控對(duì)象G（S），將失調(diào)電壓和溫漂視為擾動(dòng)N（S），這樣就把提高放大器輸出電壓精度轉(zhuǎn)化成減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的控制器設(shè)計(jì)的問(wèn)題。在控制器的設(shè)計(jì)中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種[6]。一般來(lái)說(shuō)反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡(jiǎn)單。但是在高壓放大電路中，反饋信號(hào)是由PA78的輸出級(jí)提供。反饋信號(hào)的功率較高，為元件選型和電路設(shè)計(jì)帶來(lái)不便，故線(xiàn)性放大電路中不使用反饋校正法[7]。而在串聯(lián)校正方法中，有源器件的輸入不包含高壓反饋信號(hào)，所以該設(shè)計(jì)采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI（比例?積分）控制器G1（S）進(jìn)行校正，如圖5所示。
圖5 放大電路串聯(lián)校正控制系統(tǒng)
圖5中，PI控制器將輸出信號(hào)c（t）同時(shí)成比例的反應(yīng)輸入信號(hào)e（t）及其積分，即：
（1）
對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換得：
（2）
由式（2）觀察可得，PI控制器相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，開(kāi)環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統(tǒng)的型別，由于系統(tǒng)的型別的提高可以減小系統(tǒng)的階躍擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差（對(duì)于線(xiàn)性放大電路，可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動(dòng)[8]）。同時(shí)PI控制器還增加了一個(gè)位于復(fù)平面中左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，復(fù)實(shí)零點(diǎn)的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，緩解由犧牲的動(dòng)態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響[9]。
放大電路的設(shè)計(jì)中采用有源模擬PI控制器，改進(jìn)后的線(xiàn)性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的輸入失調(diào)電壓低于50 μV（滿(mǎn)溫度行程下），電壓噪聲≤0.04 μV（P?P）@0.1～10 Hz，因此適合用于串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。
校正環(huán)節(jié)的系統(tǒng)函數(shù)為，其中、，調(diào)節(jié)R7，R8和C4的參數(shù)值，達(dá)到減小輸出誤差的目的。
3.3 相位補(bǔ)償
從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此保證控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性的方法是使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度即相角裕度。
由于實(shí)際電路中存在雜散電容，其中放大器反向輸入端的對(duì)地電容對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響[10]。如圖6所示，采用C5和C6補(bǔ)償反向端的雜散電容。從系統(tǒng)函數(shù)的角度看，即構(gòu)成超前校正[10]，增加開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)截止頻率，從事增加系統(tǒng)帶寬提高響應(yīng)速度。
PA78有兩對(duì)相位補(bǔ)償引腳，通過(guò)外部的RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)放大器內(nèi)部的零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內(nèi)部的零極點(diǎn)位于高頻段。根據(jù)控制系統(tǒng)抗噪聲能力的需求，配置RC網(wǎng)絡(luò)使高頻段的幅值特性曲線(xiàn)迅速衰減，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖6中，R4，C1與R5，C2構(gòu)成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
圖6 改進(jìn)后的線(xiàn)性放大電路
此外電路中C3的作用是防止輸出信號(hào)下降沿的振動(dòng)引起的干擾；R10起到偏置電阻的作用，將電源電流注入到放大器的輸出級(jí)，提高PA78的驅(qū)動(dòng)能力。
將PI控制器的參數(shù)分別設(shè)置為KP=10、KI=0.02；超前校正補(bǔ)償電容分別為12 pF和220 pF；RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為R=10 kΩ、C=22 pF。利用線(xiàn)性放大電路的Spice模型進(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)如圖7所示。從圖中觀察可得，放大系統(tǒng)的帶寬可達(dá)100 kHz，從而保證了系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)相角裕度γ>60°使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性（由于PZT的負(fù)載電抗特性一般呈容性，所以留有較大的相角裕度十分必要）。
圖7 改進(jìn)的放大電路的幅頻和相頻特性曲線(xiàn)
4 驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)壓電源采用長(zhǎng)峰朝陽(yáng)電源公司的4NIC?X56ACDC直流電源，輸出電壓精度≤1%，電壓調(diào)整率≤0.5%，電壓紋波≤1 mV（RMS）、10 mV（P?P）。測(cè)量設(shè)備采用KEITHLEY 2000 6 1/2 Multimeter。
首先對(duì)DAC輸出分辨率進(jìn)行測(cè)量，ARM控制器輸出持續(xù)5 s的階躍信號(hào)，同時(shí)在DAC輸出端對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果部分顯示見(jiàn)圖8。圖8中顯示AD5781的輸出電壓分辨率可達(dá)3.89e-5 V，即38.9 μV。
在模擬電路中，噪聲是不可避免的。對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)電源來(lái)說(shuō)，噪聲的等級(jí)限制了驅(qū)動(dòng)電源的輸出分辨率。圖9分別給出經(jīng)典放大電路和改進(jìn)后的放大電路的測(cè)試噪聲。從圖中可得通過(guò)使用PI控制器和相位補(bǔ)償元件將壓電驅(qū)動(dòng)電源的輸出噪聲從1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。
圖8 DAC分辨率實(shí)驗(yàn)圖
圖9 放大電路噪聲圖
圖10給出了放大電路的輸出分辨率，放大電路的分辨率決定了PZT的定位精度，如要實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度，驅(qū)動(dòng)電源的分辨率需要達(dá)到毫伏級(jí)。圖10中，輸出電壓的分辨率可達(dá)到1.44 mV。
圖10 放大電路分辨率實(shí)驗(yàn)圖
最后，給出驅(qū)動(dòng)電源電壓線(xiàn)性度曲線(xiàn)。線(xiàn)性度能夠真實(shí)的反映出輸出值相對(duì)于輸入真值的偏差程度[11]。線(xiàn)性度曲線(xiàn)如圖11所示。得到擬合直線(xiàn)Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非線(xiàn)性誤差為0.024%，能夠滿(mǎn)足精密定位需求。
5 結(jié) 論
本文設(shè)計(jì)的基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源采用直流放大原理，具有低電路噪聲、高分辨率和低輸出非線(xiàn)性度等特性，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的帶寬可達(dá)100 kHz。以上特性使本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)電源能夠應(yīng)用于納米級(jí)靜態(tài)定位的需求，由于其性?xún)r(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故具有很高的實(shí)用價(jià)值。
圖11 輸出電壓曲線(xiàn)和非線(xiàn)性度曲線(xiàn)
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“印刷電路設(shè)計(jì)”傳統(tǒng)教學(xué)一般是講授原理圖的繪制(包括原理圖庫(kù)元件的制作)、PCB圖的制作(包括元件封裝的制作)、層次電路圖，然后多加練習(xí)以應(yīng)對(duì)考試。學(xué)生在實(shí)際學(xué)習(xí)過(guò)程中很少接觸到企業(yè)的工作項(xiàng)目，很少親自去制作PCB板，因此到了相關(guān)企業(yè)工作崗位時(shí)，一般都需要一段時(shí)間的培訓(xùn)才能上手工作。這很不符合高等職業(yè)教育對(duì)學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)要求，因此需要對(duì)傳統(tǒng)的課程教學(xué)進(jìn)行改革。
二、基于工作任務(wù)的課程改革
1．改革目的
“印刷電路設(shè)計(jì)”是應(yīng)用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)的一個(gè)重要實(shí)踐課程。在課程教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)一個(gè)較為完整的工作任務(wù)，可以加深對(duì)本門(mén)課程所學(xué)理論知識(shí)的理解與應(yīng)用，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，使學(xué)生對(duì)Protel電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)、Protues、KeilC等電子設(shè)計(jì)軟件有較深的掌握。同時(shí)，通過(guò)工作任務(wù)鍛煉還可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作的能力，為將來(lái)從事電子電路設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。
2．改革內(nèi)容
(1)課程整體設(shè)計(jì)。根據(jù)企業(yè)電路設(shè)計(jì)助理工程師職業(yè)崗位技能要求，以訓(xùn)練學(xué)生的電路圖繪制、電路板設(shè)計(jì)與制作的綜合職業(yè)能力為課程目標(biāo)，選擇了企業(yè)典型工作任務(wù)項(xiàng)目“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路板設(shè)計(jì)與制作”作為課程內(nèi)容的主要載體，并對(duì)“印刷電路設(shè)計(jì)與制作”課程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。
(2)以崗位工作任務(wù)貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容?！坝∷㈦娐吩O(shè)計(jì)與制作”課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具備電路圖繪制仿真、PCB設(shè)計(jì)、電路板制作的能力，達(dá)到企業(yè)助理工程師的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)相應(yīng)的工作任務(wù)來(lái)完成。因此，必須對(duì)課程進(jìn)行深入的項(xiàng)目化開(kāi)發(fā)，同時(shí)將電路板設(shè)計(jì)工程師職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)、電子工藝相關(guān)內(nèi)容也引入到課程中，借鑒企業(yè)培訓(xùn)員工的工作流程和工作標(biāo)準(zhǔn)，使學(xué)生通過(guò)課程學(xué)習(xí)不斷熟悉今后崗位工作的標(biāo)準(zhǔn)和典型工作任務(wù)，在課程項(xiàng)目實(shí)踐中鍛煉動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)踐精神，以及牢固的專(zhuān)業(yè)技能，使學(xué)生在今后就業(yè)時(shí)能迅速適應(yīng)工作環(huán)境并進(jìn)入工作狀態(tài)，從而符合高職教育對(duì)人才培養(yǎng)的需求。
(3)考核評(píng)價(jià)方法的改革。由于本課程以企業(yè)工作任務(wù)作為學(xué)習(xí)的主線(xiàn)，因此考核應(yīng)以學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)為依據(jù)?？己说膬?nèi)容包括:學(xué)生所做開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的質(zhì)量、原理圖與PCB設(shè)計(jì)、同學(xué)之間相互的評(píng)價(jià)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力、課程總結(jié)報(bào)告等等。在工作任務(wù)的各個(gè)階段及時(shí)給予評(píng)價(jià)，注重過(guò)程考核，讓學(xué)生在各個(gè)階段都有收獲。
三、結(jié)束語(yǔ)
>> 微伏級(jí)直流電壓信號(hào)放大電路設(shè)計(jì) 信號(hào)波形合成的電路設(shè)計(jì) QPSK信號(hào)波形生成電路設(shè)計(jì) 交流變直流電路設(shè)計(jì) 硅微機(jī)械陀螺信號(hào)偏置電路設(shè)計(jì) 多路同步機(jī)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 鐵路LED信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈電路設(shè)計(jì) 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 高阻抗微弱信號(hào)測(cè)量的保護(hù)電路設(shè)計(jì) 基于OrCAD／PSpice的信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 三相電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)技術(shù)研究 基于AD620的腦電信號(hào)預(yù)處理電路設(shè)計(jì) 一種汽車(chē)行駛記錄儀IC卡信號(hào)接口電路設(shè)計(jì) 便攜式腦電信號(hào)采集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 數(shù)字電視多頻率射頻信號(hào)源系統(tǒng)射頻電路設(shè)計(jì) 基于MSP430的信號(hào)波形發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 道路交通信號(hào)機(jī)燈控驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 高速電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性研究 十字路通信號(hào)燈電路設(shè)計(jì) 常見(jiàn)問(wèn)題解答 當(dāng)前所在位置：
關(guān)鍵詞：全波整流；有效值；運(yùn)算放大器；線(xiàn)性光耦；隔離電壓
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.011
工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，傳感器輸出信號(hào)為多種形式的模擬量，其多數(shù)不能被直接使用，而需要經(jīng)過(guò)變送電路將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流模擬信號(hào)（1～5V或4～20mA），再根據(jù)系統(tǒng)需要，用數(shù)據(jù)采集卡將直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可參與計(jì)算和完成過(guò)程控制的數(shù)字量。目前市場(chǎng)上的儀器儀表多以直流輸入信號(hào)為主，而交流信號(hào)是傳感器輸出信號(hào)中較為多見(jiàn)的一種，為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)交直流信號(hào)變送模塊，將多種交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的直流信號(hào)量，以便于能夠被控制儀表、計(jì)算機(jī)或PLC等系統(tǒng)中的控制單元所識(shí)別。
該模塊共由五個(gè)主要部分組成：輸入緩沖電路，全波精密整流電路，光電隔離電路，線(xiàn)性輸出電路和隔離電源。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
輸入緩沖電路
傳感器的交流輸出多為電壓信號(hào)。為了降低信號(hào)源的負(fù)載，通常需要提高下一級(jí)的信號(hào)輸入阻抗，采用以運(yùn)放為核心的電壓跟隨器作為模塊的輸入級(jí)是有效的解決方式。由于傳感器產(chǎn)生的交流信號(hào)頻率范圍比較寬，選擇運(yùn)算放大器時(shí)得考慮選擇寬頻，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合這方面要求，它具有1012Ω輸入阻抗，小信號(hào)輸入帶寬可達(dá)到4MHz[5]。
該部分為全波精密整流電路，是整個(gè)模塊的核心部分。其輸出電壓為變送模塊輸入電壓的絕對(duì)值，因此也叫絕對(duì)值電路[1]。二極管具有單向?qū)щ娦?，是常用的整流元件，但二極管非線(xiàn)性比較大且有一個(gè)正向?qū)妷海?dāng)信號(hào)幅度小于二極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，使得整流出來(lái)的信號(hào)誤差非常大，為了提高精度，可利用運(yùn)算放大器的放大作用和深度負(fù)反饋來(lái)克服二極管非線(xiàn)性和正向?qū)▔航翟斐傻恼`差。
全波精密整流電路分為兩部分，第一部分由運(yùn)放U1A及周邊器件構(gòu)成半波精密整流電路，第二部分由U1B及周邊器件構(gòu)成反相求和電路。詳見(jiàn)圖2。
半波精密整流電路
交流轉(zhuǎn)直流變送模塊作為過(guò)程控制系統(tǒng)信號(hào)采集的前級(jí)儀器，其直流信號(hào)輸出通常是連接到二次儀表或其他數(shù)據(jù)采集模塊上。為了降低輸入交流信號(hào)對(duì)輸出直流信號(hào)以及后級(jí)儀表干擾，采取了在模塊的輸入級(jí)和輸出級(jí)之間增加線(xiàn)性光耦和隔離電源的措施。借助光耦，輸入信號(hào)在經(jīng)過(guò)了電壓電流發(fā)光電流電壓的傳遞過(guò)程同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了信號(hào)前后級(jí)無(wú)電氣聯(lián)系的光電隔離。因此線(xiàn)性光耦是模塊中實(shí)現(xiàn)光電隔離功能的重要器件，其性能將對(duì)整個(gè)變送模塊的精度產(chǎn)生重要影響。此處設(shè)計(jì)采用的線(xiàn)性光耦是SLC800，它具有線(xiàn)性度好，隔離電壓高，可靠性好，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及在此次設(shè)計(jì)中的應(yīng)用電路如圖4所示。
隔離電路工作原理
由SLC800的LED，二極管PD1及運(yùn)放U2A組成隔離電路的信號(hào)輸入部分，二極管PD2及電阻R10構(gòu)成隔離電路的輸出部分。假定該隔離電路的輸入電壓為Vi，輸出電壓為Vo，SLC800的LED、PD1、PD2產(chǎn)生的電流分別為If、I1、I2，LED發(fā)光二極管與在PD1、PD2上產(chǎn)生的電流比分別為K1、K2，同時(shí)PD1與PD2的電流比定為K3[2]。當(dāng)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) R7U2A+R8LEDPD1U2A-/ R9，此時(shí)運(yùn)放U2A正好工作于深度負(fù)反饋中，使得SLC800產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出。
從S L C 8 0 0數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，I2=K3*I1，I1=K1*If，由于If=Vi/R8，Vo=I2*R10，故：
Vo=K1*K3*（R10/R8）*Vi （3）
式（3）中K1和K3為每個(gè)芯片的特性參數(shù)[2]，因此根據(jù)輸入信號(hào)范圍可適當(dāng)選取R8和R10的阻值，以獲取合適的輸出電壓范圍。隔離電路中R8不僅用于調(diào)節(jié)電流If大小，同時(shí)還用來(lái)調(diào)節(jié)由于芯片之間K值的分散度而導(dǎo)致的SLC800實(shí)際輸出電壓與設(shè)計(jì)值之間的偏差。
線(xiàn)性輸出電路主要是實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性電流的輸出和調(diào)節(jié)整個(gè)變送模塊的輸出零點(diǎn)與量程。其構(gòu)成及具體功能如下：
可調(diào)電阻R21和U3A組成線(xiàn)性輸出電路的調(diào)零電路。2.5V直流參考電壓從穩(wěn)壓管TL431獲得，通過(guò)可變電阻器R21分壓調(diào)節(jié)整個(gè)電路最終輸出電流的零點(diǎn)。U3B用作光耦SLC800輸出的直流電壓Vo（見(jiàn)圖4）的輸入緩沖器，用來(lái)提高信號(hào)輸入阻抗，降低信號(hào)的負(fù)載。
信號(hào)隔離不僅需要信號(hào)回路的前后級(jí)隔離，同時(shí)也要把信號(hào)回路前后級(jí)的供電隔離，這樣以避免因干擾通過(guò)供電電源對(duì)后級(jí)輸出產(chǎn)生影響。本次設(shè)計(jì)采用的隔離電源是金升陽(yáng)公司生產(chǎn)的A1209D-2W，它具有體積小，隔離電壓高，溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。
關(guān)鍵詞：備用電源 過(guò)欠壓檢測(cè) Mulitisim
中圖分類(lèi)號(hào)：TL503.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（b）-0000-00
1.引言
為了防止控制模塊的直流27V供電電源輸出出現(xiàn)異常時(shí)，對(duì)控制模塊造成的數(shù)據(jù)丟失、電子設(shè)備及后級(jí)負(fù)載的損害等問(wèn)題，考慮一路備用電源是十分必要的[1]。本文中選用一款蓄電池作為備用電源，當(dāng)供電電源輸出出現(xiàn)中斷或異常時(shí)，蓄電池仍可以持續(xù)一定時(shí)間給控制模塊供電，既保證了控制模塊的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，同時(shí)減少了對(duì)電子設(shè)備及后級(jí)負(fù)載的影響。此外，備用電源要具有對(duì)蓄電池的充電功能，還要實(shí)現(xiàn)27V電源與蓄電池的切換功能，以及對(duì)蓄電池充放電的過(guò)欠壓檢測(cè)和對(duì)供電電源的異常檢測(cè)等保護(hù)功能。
2.工作原理
當(dāng)27V直流電源正常時(shí)，直接給控制模塊供電，同時(shí)給蓄電池組充電；當(dāng)27V直流電源異常時(shí)，切換電路將電路切換到蓄電池組供電。當(dāng)蓄電池組作為控制模塊供電電源時(shí)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的放電電壓，當(dāng)電壓降到設(shè)定閾值時(shí)切斷電路，以免電池?fù)p壞。
在檢測(cè)電路中，必須達(dá)到以下效果：27V直流電源給蓄電池組充電正常時(shí)，發(fā)光二極管D7燈亮，直至充滿(mǎn)D7燈滅；27V直流電源異常時(shí)，電路切換到蓄電池供電，發(fā)光二極管D6開(kāi)始閃亮，待蓄電池組放電至欠壓D6燈滅，進(jìn)行光報(bào)警，備用電路原理圖如圖1所示。
3.組成
本文設(shè)計(jì)中，備用電源主要由蓄電池組和監(jiān)測(cè)控制電路模塊兩大部分組成。其中，蓄電池組主要由兩個(gè)12V蓄電池串聯(lián)而成，監(jiān)測(cè)控制電路模塊主要由充電電路、欠壓檢測(cè)電路、過(guò)壓檢測(cè)電路以及切換電路等組成。備用電源原理框圖如圖2。
3.1蓄電池組
鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價(jià)格低廉而得到廣泛的應(yīng)用[2]。但是，若使用不當(dāng)，其壽命將大大縮短。因此為有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，在本電路中主要設(shè)計(jì)了對(duì)電池充放電時(shí)過(guò)欠壓的控制電路。
選取2塊免維護(hù)鉛酸蓄電池12V1.3AH/20HR串聯(lián)使用。蓄電池組放電時(shí)間按式（1）計(jì)算[3]。
Q ……………………………… （1）
式中：
Q――蓄電池容量（Ah）（取值1.3Ah）
K――安全系數(shù)（取值1.25）
I――負(fù)載電流（A）（取值0.4A）
T――放電小時(shí)數(shù)（h）
t――蓄電池最低環(huán)境溫度（℃）（取值15℃）
η――放電容量系數(shù)（取值0.76）
α――蓄電池放電溫度系數(shù)（取值0.008）
由式 （1）可得電池放電時(shí)間約為2h，滿(mǎn)足備用電源延時(shí)要求。
3.2監(jiān)測(cè)控制電路模塊
a）充電電路
備用電源電路原理圖如圖1所示， 27V直流電源由MOS管控制給蓄電池充電，在27V直流電源正常時(shí)，給控制模塊供電，同時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，此時(shí)發(fā)光二極管D7燈亮，直至充滿(mǎn)D7燈滅。
b）電池欠壓監(jiān)測(cè)電路
在蓄電池正常工作一段時(shí)間后電池電壓下降，當(dāng)下降到保護(hù)值（電壓
c）電池過(guò)壓監(jiān)測(cè)電路
充電過(guò)壓監(jiān)測(cè)是為了防止蓄電池過(guò)充，從而延長(zhǎng)蓄電池壽命，同時(shí)也能防止過(guò)充造成不必要的危險(xiǎn)。如圖1所示，充電過(guò)壓（電壓27.6V）終止由電壓比較器U1A控制，電阻R1、R2串聯(lián)采樣充電電壓接到比較器U1A的反相端，同向端由TL431提供2.5V的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)電池電壓高于27.6V時(shí)，比較器U1A輸出低電平，Q2截止，Q3導(dǎo)通，MOS管Q4關(guān)斷，電池停止充電。
d）切換電路
當(dāng)27V直流電源異常時(shí)，切換電路切換到蓄電池工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。由于需要通過(guò)功率器件――繼電器來(lái)切換，而功率器件的切換是需要?jiǎng)幼鲿r(shí)間的，因此在本電路設(shè)計(jì)中，如圖1所示，對(duì)控制模塊電源輸入端并聯(lián)大電容來(lái)彌補(bǔ)切換中斷時(shí)間時(shí)的電源供電，從而確?？刂颇K零中斷工作。
4.結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)控制模塊備用電源的合理設(shè)計(jì)，可完成備用蓄電池的充電、過(guò)欠壓監(jiān)測(cè)與光報(bào)警及其切換等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制模塊的不間斷供電，提高了工作效率。
參考文獻(xiàn)
[1] 殷小明.應(yīng)急電源與備用電源的設(shè)計(jì)[J]，現(xiàn)代建筑電氣，2012年04期
關(guān)鍵詞：RC諧振網(wǎng)絡(luò)，恒流變換器，YAG激光器
一．激光器電源的特點(diǎn)
隨著新型激光裝置的不斷出現(xiàn)，對(duì)激光電源提出了高效率、高重復(fù)率、低成本和高可靠性等諸多要求。為滿(mǎn)足在低頻大能量工作下的激光裝置，而研制出LC恒流充電電路。其特點(diǎn)是以恒流電源給儲(chǔ)能電容器充電，既提高了充電效率，又提高了電源的穩(wěn)定性。有效地解決了激光器電源在高頻下工作的充電效率問(wèn)題，亦克服了脈沖氙燈的連通現(xiàn)象。存在的主要問(wèn)題，是體積和重量不能明顯減小，但這種類(lèi)型的電源目前仍廣泛使用。脈沖激光電源的負(fù)載是脈沖氙燈，氙燈為具有負(fù)阻特性的氣體放電燈，他對(duì)電源的要求如下：1.高壓觸發(fā)電脈沖，為大約2萬(wàn)伏左右的高壓脈沖。2.使氙燈預(yù)燃的所需要的預(yù)燃電源標(biāo)準(zhǔn)電流，一般在80mA∼200mA。3.有激光儲(chǔ)能電容充電的電路，并伴有激光儲(chǔ)能電容向氙燈放電的放電電路。，RC諧振網(wǎng)絡(luò)。
圖1 脈沖式激光電源組成圖2 儲(chǔ)能電容器電壓變化規(guī)律
二．充電電路設(shè)計(jì)中儲(chǔ)能電容器的充電要求
固體脈沖激光器電源的設(shè)計(jì)，必須滿(mǎn)足激光器對(duì)電源提出的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)必須考慮到電源的經(jīng)濟(jì)特性、通用特性、可靠性等其他性能。脈沖激光器電源的核心部分是充電電路，所以必須根據(jù)指標(biāo)來(lái)選擇它，以使充電電路的效率很高。
在脈沖激光電源中，儲(chǔ)能電容器必須是漏電很小的無(wú)極性耐高壓電容器。，RC諧振網(wǎng)絡(luò)。在重復(fù)頻率的每一個(gè)周期里，儲(chǔ)能電容器兩端的電壓是變化的，如圖2所示。其中時(shí)間內(nèi)，要求電容器兩端的電壓保持不變（等于）,而在時(shí)間內(nèi)，電容器的能量迅速向負(fù)載釋放。
三．充電控制電路設(shè)計(jì)
激光電源要正常工作,就需要使電源各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作的控制信號(hào),這些信號(hào)是由控制電路產(chǎn)生的.控制電路部分要完成的功能如下：
1.產(chǎn)生使觸發(fā)電路導(dǎo)通的外觸發(fā)信號(hào)。外觸發(fā)電路是電容經(jīng)放電晶閘管與脈沖變壓器初級(jí)相接，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后,儲(chǔ)能器上的能量才能達(dá)到變壓器的初級(jí),才能在次級(jí)上響應(yīng)出脈沖高壓。故需要控制可控硅晶閘管導(dǎo)通從而產(chǎn)生脈沖高壓的外觸發(fā)信號(hào)。，RC諧振網(wǎng)絡(luò)。
2.在放電過(guò)程中,必須使恒流充電電路停止向儲(chǔ)能電容器充電,因此控制電路還要產(chǎn)生使橫六充電電路停止充電的封鎖信號(hào)。
3.控制電路還必須有使儲(chǔ)能電容器上的電壓穩(wěn)定的功能,當(dāng)儲(chǔ)能電容上的電壓略高于預(yù)定的要求時(shí),控制電路就產(chǎn)生一系列的高頻脈沖電壓,使雙向可控晶閘管導(dǎo)通從而使恒流源充電電路停止向儲(chǔ)能電容器充電。
四．氙燈的觸發(fā)電路
對(duì)于脈沖放電燈或氣體放電管，只有兩端所施加的電壓達(dá)到一定值時(shí)，氣體才開(kāi)始觸電。我們稱(chēng)氣體開(kāi)始電離放電的電壓為擊穿電壓，通常用UJ來(lái)表示，UJ與燈的結(jié)構(gòu)和氣壓及氣體類(lèi)型有關(guān)。例如，氙燈在氣壓為53.3kPa時(shí)，弧長(zhǎng)為70cm的時(shí)候，擊穿電壓UJ≥7kV。因此為了點(diǎn)燃?xì)怏w放電燈必須有一高壓觸發(fā)電源。該高壓電源可以是直流高壓源、脈沖高壓源或高頻高壓源。
五．激光電源總體設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算
橫流電源充電的激光電源電路的組成和工作原理都非常簡(jiǎn)單（如圖3所示）。，RC諧振網(wǎng)絡(luò)。由形恒流逆變器，雙向可控硅晶閘管、變壓器、單節(jié)L、C放電電路、取樣電路及觸發(fā)電路組成。，RC諧振網(wǎng)絡(luò)。其中形恒流變換器中，L、C的選取及變壓比N的選取應(yīng)滿(mǎn)足恒流充電的最佳匹配原則，為了方便L、C、N的選取，特列出如下程序。，RC諧振網(wǎng)絡(luò)。
形恒流變換器的參數(shù)計(jì)算程序如下，已知參數(shù)：
工作周期： 毫秒，工作電壓： 伏特，存能電路： 微法
計(jì)算結(jié)果：變比 ， 毫亨， 微法
初級(jí)電流： 毫安，次級(jí)電流： 毫安
計(jì)算；打印；退出。
圖3 橫流源充電的激光電源電路圖
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞： 示波法； 數(shù)字式血壓計(jì)； STC90C51； MPS3117?006GA
中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0128?04
Design of digital sphygmomanometer
FU Rui?ling， YUE Li?qin
（School of Information Engineering， the Huanghe S&T College， Zhengzhou 450063， China）
Abstract： For convenience of blood pressure measurement， a design of digital sphygmomanometer based on a method of measuring blood pressure about oscillography is proposed， including hardware and software. The hardware structure based on kernel controller STC90C51， pressure senor MPS3117?006GA， ADC0809 and 1602LCD module is supplemented. Through test it is proved that the digital sphygmomanometer can realize the measurement of blood pressure.
Keywords： oscillography； digital sphygmomanometer； STC90C51； MPS3117?006GA
0 引 言
隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平越來(lái)越高，對(duì)于自身的健康問(wèn)題也越來(lái)越多地引起了人們的重視，其中血壓是否正常是身體是否健康的一個(gè)重要的指標(biāo)。在現(xiàn)代疾病譜上，高血壓的危害無(wú)疑高居前幾位。治療高血壓病，首先是要測(cè)量準(zhǔn)確的血壓。對(duì)于非醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō)，如何使血壓的測(cè)量既簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確，成了主要的問(wèn)題。相比較于水銀血壓計(jì)的操作復(fù)雜，測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，數(shù)字血壓計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，越來(lái)越多地走進(jìn)了人們的家庭里[1?3]。本文基于示波法的原理，以STC90C51單片機(jī)為控制核心，輔以壓力傳感器MPS3117?006GA、ADC0809和1602LCD液晶顯示等模塊對(duì)數(shù)字式血壓計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
1 示波法原理
血壓測(cè)量原理主要是示波法和柯氏法，這兩種方法都是通過(guò)充氣袖套來(lái)阻斷上臂動(dòng)脈血流。但是示波法基于抗干擾能力強(qiáng)，血壓判斷可靠、自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)成為了無(wú)創(chuàng)血壓檢測(cè)的主流。
示波法原理如下。
由于心搏的血液動(dòng)力學(xué)作用，在氣袖壓力上將會(huì)產(chǎn)生與心搏同步的壓力波動(dòng)并與其重疊，即脈搏波。當(dāng)所加的氣袖壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于收縮壓時(shí)，脈搏波會(huì)消失。隨著氣袖壓力的逐漸減小，脈搏開(kāi)始出現(xiàn)。當(dāng)氣袖的壓力從遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于收縮壓下降到收縮壓以下時(shí)，脈搏會(huì)從小突然增大。在平均壓時(shí)會(huì)達(dá)到波峰最大值。到達(dá)最大值之后會(huì)隨著氣袖壓力的下降而逐漸衰減。用示波法測(cè)量血壓就是根據(jù)脈搏波的振幅與氣袖壓力之間的非線(xiàn)性關(guān)系來(lái)計(jì)算血壓的。與波峰對(duì)應(yīng)的是平均壓，收縮壓和舒張壓可分別通過(guò)與波峰的比例來(lái)確定[4?5]。
舒張壓的計(jì)算：
定義舒張壓系數(shù)[Kd]（一般取0.5），隨著脈搏波的振幅上升，當(dāng)振幅上升到最大振幅的[Kd]倍時(shí)（即[UiUm=Kd]），此時(shí)的脈搏振幅[Ui]所對(duì)應(yīng)的氣袖壓力就是舒張壓，即[Ui=Kd*Um。]
收縮壓的計(jì)算：
定義收縮壓系數(shù)[Ks]（一般取0.8），隨著脈搏波振幅的下降，當(dāng)振幅下降到最大振幅的[Ks]倍時(shí)[UiUm=Ks，]此時(shí)的脈搏振幅[Ui]所對(duì)應(yīng)的氣袖壓力就是收縮壓，即[Ui=Ks*Um。]
2 系統(tǒng)工作原理
數(shù)字式血壓計(jì)主要由電動(dòng)氣泵MG、氣袖、壓力傳感器MPS3117?006GA、電磁氣閥、微控制器STC90C51、ADC0809以及液晶顯示1602LCD等構(gòu)成[3]，如圖1所示。
數(shù)字式血壓計(jì)的工作過(guò)程如下：脈寬調(diào)變PWM輸出控制信號(hào)，用于控制氣泵的充氣漏氣以調(diào)整氣袖的氣壓；一路ADC采樣氣袖內(nèi)氣壓直流分量用于測(cè)得收縮壓和舒張壓；另一路ADC用于采樣氣袖內(nèi)氣壓的交流分量用于確定直流分量取收縮壓和舒張壓時(shí)的瞬態(tài)時(shí)間位置；經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，將最終的處理結(jié)果送液晶顯示屏顯示。
圖1 數(shù)字式血壓計(jì)結(jié)構(gòu)框圖
一次血壓的測(cè)量過(guò)程可以分為如下幾步：
（1） 激活PWM使氣泵給氣袖充氣并充至200 mmHg高，然后以5 mmHg/s的速度放氣。
（2） 壓力傳感器采集氣袖壓力信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行輸出。
（3） 壓力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)差分放大器處理后變?yōu)閱味诵盘?hào)；
（4） 所得到的單端信號(hào)一路給ADC0809的IN0通道以監(jiān)視直流分量；另一路送給二階帶通濾波器（0.8～6.4 Hz）以濾除直流分量和50 Hz工頻干擾以及皮膚與氣袖摩擦所產(chǎn)生的高頻噪聲，并且將此信號(hào)的幅值限制在0～5 V之間。
（5） 經(jīng)過(guò)處理的交流信號(hào)送ADC0809的IN1通道，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后送給STC90C51計(jì)算幅值，先經(jīng)過(guò)比較找出最大的振幅[Amax，]然后通過(guò)幅值上升段找出[0.5Amax]的瞬態(tài)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的直流分量的值，該值即為收縮壓，在幅值下降階段找出[0.8Amax]的瞬態(tài)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的直流分量的值，該值即為舒張壓。
（6） 將上步中計(jì)算出的收縮壓與舒張壓送液晶顯示屏1602LCD進(jìn)行顯示。
收縮壓與舒張壓的計(jì)算過(guò)程如圖2所示。
3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 傳感器電路和差分放大電路設(shè)計(jì)
對(duì)于數(shù)字式血壓計(jì)來(lái)說(shuō)，壓力傳感器決定著血壓的測(cè)量精度和靈敏度，所以壓力傳感器是數(shù)字式血壓計(jì)設(shè)計(jì)的核心部件之一。通過(guò)比較，本文選擇了由上海某公司生產(chǎn)的MPS3117電阻式傳感器。該傳感器靈敏度高，能檢測(cè)到氣袖中微小的壓力變化。該傳感器的額定電壓為75 mV，測(cè)量壓力范圍為0～300 mmHg，實(shí)驗(yàn)板所用到的靈敏度為1 mV/4 mmHg，范圍[6]為8～50 mV。
圖2 收縮壓與舒張壓計(jì)算過(guò)程示意圖
本文所用的ADC0809的電壓是5 V，與壓力傳感器MPS3117所輸出的電壓信號(hào)不匹配，壓力傳感器所輸出的電壓信號(hào)太小，故需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大。本文運(yùn)用帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器LM324設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路和濾波電路，將輸出電壓進(jìn)行放大到0～4.7 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出。然后將放大后的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸入單片機(jī)的A/D模塊。
本文所設(shè)計(jì)的放大電路為差動(dòng)輸入、單輸出的放大電路，能夠有效地抑制溫漂，并且能夠保證電壓輸出的穩(wěn)定性。所設(shè)計(jì)的壓力傳感器和差分放大電路如圖3所示。
圖3 傳感器和差分放大電路
3.2 濾波電路設(shè)計(jì)
傳感器在采集信號(hào)時(shí)，會(huì)采集到一些干擾信號(hào)如50 Hz工頻干擾和皮膚與袖帶摩擦所產(chǎn)生的高頻干擾以及直流干擾，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。本文濾波電路的設(shè)計(jì)采用了LM324中的一個(gè)運(yùn)放去構(gòu)成0.8～6.4 Hz的帶通濾波器[7]。濾波后的交流信號(hào)送入單片機(jī)ADC找出[Amax，]找出[0.5Amax]和[0.8Amax]時(shí)所對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)時(shí)間位置，然后在對(duì)應(yīng)的直流分量中找出收縮壓和舒張壓。濾波電路如圖4所示。
濾波電路采用LM324中的一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成帶通濾波器允許0.8～6.4 Hz的信號(hào)通過(guò)，濾掉信號(hào)中的直流成分和電源以及皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲和工頻干擾。濾波后的交流分量送入單片機(jī)ADC計(jì)算幅值，找出振幅增大過(guò)程中的[0.5Amax]和振幅減小過(guò)程中的[0.8Amax]的瞬態(tài)位置，兩者對(duì)應(yīng)的血壓直流分量即為收縮壓和舒張壓。濾波電路如圖4所示。
圖4 濾波電路
3.3 ADC0809轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
本文所采用的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器為ADC0809，該轉(zhuǎn)換器由8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和8通道多路轉(zhuǎn)換器兩部分組成[8]。通過(guò)前面分析可知，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字式血壓計(jì)僅僅用到了直流和交流兩個(gè)通道，本文選用IN0和IN1，所以對(duì)于ADC0809的三位地址端（ADDA、ADDB、ADDC）沒(méi)有必要都選用，ADDA一個(gè)端口即可滿(mǎn)足要求，用它的0、1來(lái)代表直流信號(hào)和交流信號(hào)，ADDB、ADDC可直接接地。其中ADC0809的工作方式有兩種：查詢(xún)方式和中斷方式。通過(guò)前面的分析也可知道，在此采用的是查詢(xún)方式。因ADC0809沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘，所以本文為該芯片提供了通常使用的頻率為500 kHz的外部時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)STC90C51的主頻接的是6 MHz，所以ALE為ADC0809提供了1 MHz的時(shí)鐘頻率；故本文在ALE的輸出端加了由74LS112所構(gòu)成的1/2分頻器得到500 kHz時(shí)鐘信號(hào)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)使用證明，ADC0809在該頻率下能夠正常的工作。具體電路如圖5所示。
3.4 液晶顯示模塊1602電路設(shè)計(jì)
[VSS]為地電源，[VDD]接5 V正電源，[V0]為對(duì)比度的調(diào)整端，當(dāng)[V0]接正電源時(shí)對(duì)比度最低；當(dāng)[V0]接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度要求適中，太低了看不清楚，太高了會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，本文在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)一個(gè)10 kΩ的電位器來(lái)調(diào)整液晶顯示屏的對(duì)比度。PS為寄存器選擇端，當(dāng)PS=1時(shí)，選擇數(shù)據(jù)寄存器；當(dāng)PS=0時(shí)，選擇指令寄存器。RW為讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)，當(dāng)RW=1時(shí)，進(jìn)行讀操作；當(dāng)RW=0時(shí)，進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)PS=PR=0時(shí)，寫(xiě)入指令或者顯示地址；當(dāng)PS=0，PR=1時(shí)，讀忙信號(hào)；當(dāng)PS=1，PR=0時(shí)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)。
E端為使能輸入端，當(dāng)E=10時(shí)，液晶顯示屏執(zhí)行命令。
液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。
圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路
圖6 1602顯示電路
3.5 其他電路設(shè)計(jì)
3.5.1 電源電路
J10接外部電源，如9 V或12 V，[C1]用以抑制高頻干擾以及抵消輸入引線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，防止電路產(chǎn)生自激振蕩，容量較小。[C2，C3]的作用是改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，為獲得最佳效果，電容應(yīng)選用頻率特性好的陶瓷電容或鉭電容為宜，另外為了進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波，一般在集成穩(wěn)壓器的輸出端并入電解電容[C4。]D1為保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端短路時(shí)為[C4]提供一個(gè)放電回路，防止調(diào)整管的發(fā)射結(jié)擊穿。如圖7所示。
圖7 電源電路
3.5.2 線(xiàn)性閥PWM控制電路
線(xiàn)性閥PWM控制電路如圖8所示。PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)變）控制泄氣速率，MCU調(diào)整泄氣速率是根據(jù)壓力值和泄氣的變化來(lái)進(jìn)行的，使泄氣速率在規(guī)定的范圍之內(nèi)。具體工作方式如下：當(dāng)充氣達(dá)到200 mmHg時(shí)，PWM開(kāi)始作用，使其開(kāi)始泄氣，第25腳會(huì)接到IC所發(fā)出的信號(hào)，然后信號(hào)經(jīng)[R14]到達(dá)Q2，會(huì)使Q2導(dǎo)通，此時(shí)繼電器吸合，使電磁閥開(kāi)始工作，D2保護(hù)Q2和K的正常工作而設(shè)計(jì)。
圖8 電磁閥電路
3.5.3 充氣PUMP控制電路
充氣PUMP控制電路如圖9所示。其中PUMP的動(dòng)作由PUMP control信號(hào)控制，[R13]為限流電阻。具體工作方式：[R13]得到IC的26腳提供的高電平（約0.6 V），經(jīng)Q1導(dǎo)通，Q1得到[VCC]所提供的5 V電壓，Q1的導(dǎo)通會(huì)使繼電器吸合，這樣+5 V的電壓就經(jīng)過(guò)了PUMP使PUMP導(dǎo)通。電路中的D2主要作用是使繼電器在斷電情況下仍能穩(wěn)定工作，起保護(hù)作用。
圖9 氣泵電路
3.5.4 按鍵電路
按鍵開(kāi)關(guān)與單片機(jī)的40腳相連，作為整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)按下POWER鍵時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)通，單片機(jī)開(kāi)始工作，然后按下測(cè)壓按鍵開(kāi)始充氣。如圖10，圖11所示。
圖10 電源按鍵
圖11 測(cè)壓按鍵
4 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要分為以下幾步[9?10]：
（1） 電源開(kāi)啟后，可通過(guò)鍵盤(pán)輸入或者是PC機(jī)修改系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)。
（2） 然后系統(tǒng)對(duì)某些參數(shù)和某些寄存器進(jìn)行初始化。
（3） 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)化結(jié)束。
（4） 轉(zhuǎn)換結(jié)果送入上位機(jī)。
（5） 用單片機(jī)對(duì)經(jīng)過(guò)1 s采樣一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，找出[Amax，][0.5Amax，][0.8Amax，]然后找出[0.5Amax]和[0.8Amax]對(duì)應(yīng)瞬態(tài)時(shí)間值的直流分量值，也就是所要求的收縮壓和舒張壓。將它們送往1602液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。
軟件流程圖如圖12所示。
圖12 軟件流程圖
5 結(jié) 語(yǔ)
易操作、成本低、維護(hù)方便、規(guī)格小的數(shù)字式血壓計(jì)給人們的生活帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的好處。本文在示波法原理的基礎(chǔ)上，利用STC90C51作為控制核心實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式血壓計(jì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)具有成本低的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)具有節(jié)約存儲(chǔ)的特點(diǎn)。
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關(guān)鍵詞： Protel 99 SE；PCB；設(shè)計(jì)；技巧
中圖分類(lèi)號(hào)：TM02文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2012）08-0028-02
0引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電氣行業(yè)現(xiàn)代化程度的不斷提高，電子產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，PCB電路板設(shè)計(jì)的科學(xué)規(guī)范性及布局、布線(xiàn)合理性就變得越來(lái)越重要。Protel 99 SE軟件是ProklTechnology公司開(kāi)發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設(shè)計(jì)軟件。該軟件功能強(qiáng)大，人機(jī)界面友好，是線(xiàn)路板設(shè)計(jì)工作人員的首選工具。雖然Protel 99 SE應(yīng)用軟件功能強(qiáng)大，但是如果不合理的運(yùn)用軟件、不掌握一些設(shè)計(jì)規(guī)則及技巧，光靠一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件設(shè)計(jì)制作出優(yōu)質(zhì)的PCB印刷線(xiàn)路板也是一件很難的事情。
1Protel 99 SE軟件簡(jiǎn)介
Protel99 SE主要由原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)、印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩大部分組成。
1.1 SCH原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)SCH設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要用于原理圖的設(shè)計(jì)。它可以為印刷電路板設(shè)計(jì)提供網(wǎng)絡(luò)表。編輯器除了具有原理圖編輯功能以外，其分層組織設(shè)計(jì)功能、設(shè)計(jì)同步器、電氣設(shè)計(jì)檢驗(yàn)功能及打印輸出功能，可以使用戶(hù)輕松地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
1.2 PCB印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)功能強(qiáng)大的印刷電路板設(shè)計(jì)編輯器，具有非常專(zhuān)業(yè)的交互式布線(xiàn)及元件布局的特點(diǎn)，用于印刷電路板的設(shè)計(jì)并最終產(chǎn)生PCB文件，直接關(guān)系到印刷電路板的生產(chǎn)。Protel 99 SE的印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以進(jìn)行多達(dá)32層信號(hào)層、16層內(nèi)部電源/接地層的布線(xiàn)設(shè)計(jì)，交互式的元件布置工具極大地減少了印刷板設(shè)計(jì)的時(shí)間。同時(shí)它具有專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)的PCB信號(hào)完整性分析工具、PCB三維視圖預(yù)覽工具。
2SCH設(shè)計(jì)技巧
在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)之前，首先要準(zhǔn)備好原理圖SCH的元件庫(kù)和PCB的元件庫(kù)。元件庫(kù)可以用Protel自帶的庫(kù)，但一般情況下很難找到合適的，最好是自己根據(jù)所選器件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸資料自己做元件庫(kù)。原則上先做PCB的元件庫(kù)，再做SCH的元件庫(kù)。根據(jù)SCH的元件庫(kù)，完成原理圖的設(shè)計(jì)。原理圖設(shè)計(jì)主要是為PCB生成網(wǎng)絡(luò)表，不涉及實(shí)際布局布線(xiàn)等問(wèn)題，但也要規(guī)范，要按照元器件的工作接線(xiàn)順序擺放元件，盡量與元件實(shí)際位置相符，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)明確，若元件過(guò)多應(yīng)采用總圖與子圖聯(lián)合的畫(huà)圖方式，做模塊間的連接，使電路簡(jiǎn)單明了，網(wǎng)絡(luò)清晰。
3PCB設(shè)計(jì)技巧
3.1 元器件布局技巧Protel 99 SE應(yīng)用軟件提供手動(dòng)布局和自動(dòng)布局兩種操作方式，通常使用手動(dòng)方式，不建議采用自動(dòng)布局。在PCB板圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，元件布局是極其重要的一步，元件布局的好壞從根本上決定了該P(yáng)CB板圖的設(shè)計(jì)質(zhì)量和下一步布線(xiàn)的難易程度。首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線(xiàn)條過(guò)長(zhǎng)，增加阻抗，增強(qiáng)噪聲，成本也增加；尺寸過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線(xiàn)條易受干擾。電路板的最佳形狀為矩形。長(zhǎng)寬比3：2或4：3為佳。同時(shí)，也要根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)置的尺寸，按結(jié)構(gòu)要素布置安裝孔、接插件等需要定位的器件，并給予這些器件鎖定狀態(tài)，再根據(jù)布局區(qū)域和元件的特殊要求設(shè)置禁止布線(xiàn)區(qū)。PCB尺寸確定后，再確定特殊元件的位置，最后根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。
布局時(shí)要遵循“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件等應(yīng)優(yōu)先布局。以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上．盡量減少和縮短各元器件之間的引線(xiàn)和連接。按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，盡可能保持方向一致。
在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。盡可能縮短高頻元器件之間的連線(xiàn)，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。某些元器件或?qū)Ь€(xiàn)之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。
同一種電源的器件盡量放在一起，以便于電源分割。高電壓、大電流信號(hào)與小電流、低電壓的信號(hào)要分開(kāi)，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)要分開(kāi)，高頻信號(hào)與低頻信號(hào)要分開(kāi)，高頻元器件的間隔要充分；完成同一功能的電路，應(yīng)盡量靠近放置，并調(diào)整各元器件以保證連線(xiàn)最為簡(jiǎn)單。同類(lèi)型插裝元器件在橫軸或縱軸方向上應(yīng)朝一個(gè)方向放置，便于生產(chǎn)和檢驗(yàn)；對(duì)于質(zhì)量大的元器件應(yīng)考慮安裝位置和安裝強(qiáng)度，除溫度檢測(cè)元件以外的溫度敏感元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件放置，必要時(shí)還應(yīng)考慮熱對(duì)流措施。每個(gè)集成電路IC最好加一個(gè)高頻去耦電容，IC去耦電容要盡量靠近IC的電源、地管腳，并使之與電源和地形成的最短回路。
3.2 布線(xiàn)技巧Protel 99 SE應(yīng)用軟件同樣提供手動(dòng)布線(xiàn)和自動(dòng)布線(xiàn)兩種方式，通常采用手動(dòng)-自動(dòng)-手動(dòng)完成整板的布線(xiàn)。布線(xiàn)是整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中最重要的工序，這將直接影響著PCB板的性能好壞。布線(xiàn)要整齊，布通不是目標(biāo)，更不能縱橫交錯(cuò)毫無(wú)原則。布線(xiàn)時(shí)除了要遵循常規(guī)的布線(xiàn)原則外主要還應(yīng)掌握以下技巧：
電源、地線(xiàn)的處理：在整個(gè)PCB板的布線(xiàn)中，電源及地線(xiàn)的處理占據(jù)著極其重要的地位，由于電源、地線(xiàn)考慮不周到而引起的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)。所以對(duì)電源、地線(xiàn)的布線(xiàn)一定要認(rèn)真對(duì)待，把電源、地線(xiàn)所產(chǎn)生的噪聲干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。布線(xiàn)時(shí)電源、地線(xiàn)盡量不要平行，如是雙面板，應(yīng)一層橫向?yàn)殡娫淳€(xiàn)，另一層縱向?yàn)榈鼐€(xiàn)，即垂直布線(xiàn)。電源和地線(xiàn)之間要加上高頻去耦電容，通常加瓷片電容104即可。盡量加寬電源、地線(xiàn)寬度，最好是地線(xiàn)比電源線(xiàn)寬，信號(hào)線(xiàn)最細(xì)，它們的關(guān)系是：地線(xiàn)＞電源線(xiàn)＞信號(hào)線(xiàn)，通常信號(hào)線(xiàn)寬為：0.2～0.3mm，最細(xì)不低于0.05～0.07mm，電源線(xiàn)為1.2～2.5mm，對(duì)數(shù)字電路的PCB可用寬的地線(xiàn)組成一個(gè)回路，即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用，或用大面積覆銅做地線(xiàn)用，在印刷板上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線(xiàn)用，或是做成多層板，電源、地線(xiàn)各占一層。由于電源層和地層的電場(chǎng)是變化的，在線(xiàn)路板的邊緣會(huì)向外輻射電磁干擾，通過(guò)將電源層內(nèi)縮、地線(xiàn)層外延，使得電場(chǎng)只在接地層的范圍內(nèi)傳導(dǎo)，盡量把電場(chǎng)限制在接地層邊沿內(nèi)，以減小電磁干擾。
PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)避免產(chǎn)生銳角和直角，盡可能采用45°的折線(xiàn)布線(xiàn)，不可使用90°折線(xiàn)，以減小高頻信號(hào)的輻射，要求較高的信號(hào)線(xiàn)還要用雙弧線(xiàn)。
3.3 其它抗干擾技巧在PCB電路板設(shè)計(jì)中，晶體振蕩器的外殼一般要接地，在晶振等對(duì)噪聲特別敏感的元器件下面不要走線(xiàn)，而且晶振引腳要緊挨著所連接元件的引腳，引線(xiàn)不要過(guò)長(zhǎng)；閑置不用的邏輯電路輸入端不要懸空，應(yīng)根據(jù)具體的邏輯關(guān)系連接相應(yīng)的上拉或下拉電阻，對(duì)應(yīng)接好電源或地；閑置不用的運(yùn)放正輸入端要接地，負(fù)輸入端接輸出端；任何信號(hào)線(xiàn)都不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小。信號(hào)線(xiàn)的過(guò)孔要盡量少，關(guān)鍵的線(xiàn)盡量短而粗，并在兩邊加上保護(hù)地來(lái)盡量減小信號(hào)的回路面積。在高速，高密度的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)孔越小越好，這樣板上可以留有更多的布線(xiàn)空間，此外，過(guò)孔越小，其自身的寄生電容也越小，更適合用于高速電路。
4結(jié)論
不難看出，Protel 99 SE環(huán)境下，PCB設(shè)計(jì)、制作過(guò)程中重點(diǎn)環(huán)節(jié)是布線(xiàn)，而布線(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于抗干擾中起絕對(duì)作用的地線(xiàn)。因此，掌握一些PCB布線(xiàn)的技巧對(duì)于做好印刷線(xiàn)路板來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，只靠軟件功能的強(qiáng)大是做不出優(yōu)質(zhì)的電路板的。本文研究了幾點(diǎn)實(shí)際運(yùn)用中的設(shè)計(jì)及布線(xiàn)技巧，希望會(huì)對(duì)于PCB的設(shè)計(jì)、制作者起到拋磚引玉的作用，進(jìn)一步推進(jìn)印刷線(xiàn)路板制作工藝又快又好的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞： 電源傳輸完整性; 優(yōu)選器件; 電源評(píng)估; 平面電容; 電源仿真
中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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世紀(jì)以來(lái)，隨著科技地不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品在功能、性能等方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。伴隨而來(lái)的是電子產(chǎn)品系統(tǒng)復(fù)雜、加工工藝難度增大、產(chǎn)品成本提升、單板故障率上升等問(wèn)題，直接影響消費(fèi)者的正常使用和公司的信譽(yù)。
目前單板電源設(shè)計(jì)的流程通常是確定好主芯片及其他用電芯片的輸入輸出電壓/電流，按照分支派生的方式標(biāo)示電源架構(gòu)，匯總出產(chǎn)品所需的總功耗，確定供電芯片的型號(hào)和性能參數(shù)就開(kāi)始設(shè)計(jì)電路中的電源。為了降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)人員通常采用電源芯片供應(yīng)商推薦的參考電路來(lái)設(shè)計(jì)電源電路，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單加工測(cè)試驗(yàn)證無(wú)問(wèn)題后即投放市場(chǎng)。這種電源設(shè)計(jì)方式看似沒(méi)有重大設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，但實(shí)際上卻存在很多隱患，無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)化設(shè)計(jì)的要求，會(huì)造成極大的設(shè)計(jì)冗余，導(dǎo)致產(chǎn)品升級(jí)換代困難，加大分析電路故障原因的難度，降低了產(chǎn)品實(shí)際效率，提高了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和售后維護(hù)成本。本文從科學(xué)設(shè)計(jì)電路的角度出發(fā)，引導(dǎo)硬件工程師在充分理解單板芯片的實(shí)際電源需求后，通過(guò)正確評(píng)估電源需求、理清優(yōu)選阻容器件、優(yōu)化平面電容和層疊電容等設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出高品質(zhì)、高集成度的優(yōu)秀電子產(chǎn)品。
1 優(yōu)選阻容器件
在單板開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，硬件工程師使用最多的器件就是電容和電阻，電阻主要有限流、分壓、調(diào)節(jié)芯片驅(qū)動(dòng)、限定電平輸入輸出、調(diào)整負(fù)載等作用;電容通常應(yīng)用于隔直、耦合、濾波、穩(wěn)壓、諧振等設(shè)計(jì)。阻容的器件原理和應(yīng)用范圍很明確，但為了縮短產(chǎn)品的交付進(jìn)度，設(shè)計(jì)人員通常在電源設(shè)計(jì)上采取粗放型理念，對(duì)阻容器件的選擇缺少必要的科學(xué)管控。為保證無(wú)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)人員大多直接應(yīng)用芯片器件手冊(cè)上推薦的環(huán)路設(shè)計(jì)，增加了芯片間冗余設(shè)計(jì)。這種不規(guī)范選取阻容器件的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致板上阻容器件的種類(lèi)數(shù)、器件總數(shù)被人為增加，提高了制造、倉(cāng)儲(chǔ)、維修等生產(chǎn)部門(mén)的運(yùn)營(yíng)難度，同時(shí)冗余設(shè)計(jì)會(huì)引起電路設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性和不確定性，引入噪聲、諧振、串?dāng)_、功耗上升等問(wèn)題。故此，需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就必須徹底理清整個(gè)單板的系統(tǒng)架構(gòu)，明確阻容器件的功能，通過(guò)電路仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)指導(dǎo)正確的硬件電路設(shè)計(jì)，否則無(wú)法正確完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[1]。
為保證電源穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)芯片環(huán)路的時(shí)候都會(huì)給留有一定的余量，設(shè)計(jì)的余量與功耗評(píng)估、器件精度、電源仿真都存在關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用的阻容器件與標(biāo)稱(chēng)的理論值存在一定偏差，阻容器件標(biāo)稱(chēng)值與實(shí)際值的偏差稱(chēng)為誤差，器件允許的偏差范圍稱(chēng)為精度。電容精度等級(jí)與允許誤差對(duì)應(yīng)關(guān)系通常為：超穩(wěn)定級(jí)（I類(lèi)）的介質(zhì)材料為NPO，精度通常為1%;穩(wěn)定級(jí)（Ⅱ類(lèi)）的介質(zhì)材料為X7R，精度通常為5%;能用級(jí)（Ⅲ類(lèi)）的介質(zhì)材料Y5V，精度較低，不建議使用。在考慮通流和功耗的前提下，目前電阻精度主要是1%及5%兩種。
在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議設(shè)計(jì)人員選擇精度高（1%）的阻容器件。使用高精度的阻容器件可以準(zhǔn)確控制硬件電路的功耗、電流、頻率、紋波、噪聲等電氣特性，有效控制單板穩(wěn)定性。為了降低單板阻容器件的種類(lèi)數(shù)，應(yīng)該參照以下規(guī)則：電阻按照E12原則（10、12 、15 、18、 22 、27 、33 、39 、47 、56、 68、 82作為基數(shù)）來(lái)選擇器件，電容按照E3原則（10、22、47作為基數(shù)）來(lái)選擇器件。這些是設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的阻容值，以上述阻容值作為基數(shù)可以滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)中90%的阻容需求。如果芯片要求特殊阻容值，可以通過(guò)串并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)所需阻容值，可以有效地控制環(huán)路的阻抗匹配、驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)、紋波控制等電氣特性。
選用高精度阻容阻容器件，建立優(yōu)選阻容器件表PPL，就可以在保證所有單板開(kāi)發(fā)質(zhì)量的前提下，最大程度約束器件選擇的種類(lèi)數(shù)，實(shí)現(xiàn)器件編碼的歸一化，提高單板阻容器件的簡(jiǎn)潔度。
2 電源評(píng)估
設(shè)計(jì)人員選用一個(gè)芯片，需要明確芯片最大的應(yīng)用能力，即芯片管腳最大工作電流和目標(biāo)工作頻率，理清芯片最大動(dòng)態(tài)電流和設(shè)計(jì)所需的負(fù)載頻率范圍，約束trace走線(xiàn)分布來(lái)指導(dǎo)power rail的設(shè)計(jì)并選取適合的電容?？刂齐娫捶€(wěn)定性最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)就是阻抗匹配和頻率響應(yīng)，設(shè)計(jì)電路的時(shí)候會(huì)仿真出一個(gè)最優(yōu)通路的理想電路模型。理想電路要求在電路頻率變化范圍中走線(xiàn)鏈路阻抗是固定的，設(shè)計(jì)出的實(shí)際電路也要滿(mǎn)足這個(gè)特性，要求設(shè)計(jì)出的阻抗頻率特性曲線(xiàn)與理想電路阻抗頻率曲線(xiàn)接近，甚至一致。
以某網(wǎng)卡芯片為例，通過(guò)查詢(xún)器件手冊(cè)得出芯片在不同工作狀態(tài)下的最大電流如下。
表1 某網(wǎng)卡芯片工作狀態(tài)功耗表
通過(guò)表1知道網(wǎng)卡工作在1 000 Mb/s傳輸速率，從Active狀態(tài)到Idle狀態(tài)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生最大的功耗變化，網(wǎng)卡實(shí)際工作中最大的電流變化是從Active狀態(tài)向Idle 狀態(tài)切換過(guò)程中發(fā)生的。網(wǎng)卡在這兩個(gè)狀態(tài)之前切換時(shí)候產(chǎn)生最大數(shù)據(jù)量變動(dòng)，過(guò)大的數(shù)據(jù)量變化會(huì)產(chǎn)生額外的工作損耗。從芯片手冊(cè)上可以得知Active狀態(tài)到Idle狀態(tài)的工作電流變化為570 mA，由此可以計(jì)算得出網(wǎng)卡在1 000 Mb/s link狀態(tài)下從Active轉(zhuǎn)向Idle時(shí)的Transient Current百分比，即動(dòng)態(tài)電流變化率[Istep]為570 mA。由表1可以看出，該網(wǎng)卡芯片在不同工作狀態(tài)下的功耗是不同的，相同電平下的工作電流不同。這是由于芯片高速信號(hào)傳輸引起傳輸線(xiàn)及傳輸介質(zhì)產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，內(nèi)部工作頻率提升導(dǎo)致芯片管腳輸出功耗上升。信號(hào)傳輸是通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)中電平高低變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不同電氣接口對(duì)于高低電平的閾值也是有嚴(yán)格要求的，為保證信號(hào)能夠在準(zhǔn)確的數(shù)值下傳輸，需要確保芯片管腳上的信號(hào)在相同或不同的工作狀態(tài)下都能有穩(wěn)定的電平輸出。這就需要我們充分理解芯片的工作原理及產(chǎn)生功耗的原理后，提供最優(yōu)的電路來(lái)保證整個(gè)環(huán)路的穩(wěn)定性[5]。
特征阻抗[Ztarget]可以通過(guò)以下公式得到：
[Ztarget=ΔVΔI=Vmax?ΔVrippleImax?ΔItransient] （1）
式中[ΔVripple]為電壓紋波要求，通常為1%～3%，[ΔItransient]為電流有效傳輸效率，根據(jù)電源不同的設(shè)計(jì)方式和信號(hào)工作頻率，可以選擇10%～90%作為電流傳輸效率。
芯片都是在不同狀態(tài)之間進(jìn)行工作的，管腳不可能一直保持工作在100%的工作狀態(tài)，這就導(dǎo)致實(shí)際輸出的電流不會(huì)一直處于峰值電流，而是最大值的一部分。對(duì)于對(duì)工作狀態(tài)沒(méi)有約束且工作頻率超過(guò)100 MHz的芯片，對(duì)電流傳輸效率Transient Current百分比可以選擇最大的90%。芯片的最大工作電流可以通過(guò)查找器件手冊(cè)得到，里面詳細(xì)介紹芯片所有的工作狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的工作電流，得出芯片在不同狀態(tài)下的最大功耗。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)系芯片實(shí)際工作中可能出現(xiàn)的狀態(tài)變遷方式，計(jì)算出最大的動(dòng)態(tài)電流變化率，即電流有效傳輸效率[ΔItransient]。
通過(guò)查看器件手冊(cè)得到芯片管腳的工作頻率作為目標(biāo)頻率[Ftarget]，超過(guò)[Ftarget]范圍的信號(hào)都不必要處理。這是因?yàn)槭艿阶杩固匦约s束，這部分超出[Ftarget]的信號(hào)是無(wú)效的，故此不會(huì)產(chǎn)生損耗。芯片的目標(biāo)頻率通常在器件手冊(cè)中沒(méi)有涉及，可以直接向供應(yīng)商詢(xún)問(wèn)。如果廠商無(wú)法給出芯片的目標(biāo)頻率可以憑借經(jīng)驗(yàn)來(lái)推測(cè)：首先明確芯片消耗電源的模塊類(lèi)型，通過(guò)模塊類(lèi)型對(duì)比給出不同模塊的典型頻率，在結(jié)合芯片實(shí)際工作情況，找出所需要的目標(biāo)頻率[Ftarget]。
通常以I/O電源80 MHz，core電源50 MHz作為標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)頻率。將[Ftarget]帶入計(jì)算表格，得出所有需要分析的對(duì)象和仿真波形，完成電源評(píng)估工作。
3 平面電容
經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)每個(gè)芯片的I/O管腳都無(wú)法按照理論模型構(gòu)建硬件電路，即直接通過(guò)芯片管腳與PCB板上銅箔pad相連接，不會(huì)產(chǎn)生任何額外的電氣特性。如圖1所示，在芯片I/O管腳與PCB相連的地方都會(huì)產(chǎn)生寄生電容，當(dāng)I/O管腳輸出高電平時(shí)，相連部分上的寄生電容開(kāi)始放電，如果管腳周?chē)鷽](méi)有補(bǔ)償電容給管腳寄生電容及時(shí)充電，該I/O管腳上電平就會(huì)出現(xiàn)跌落。
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圖1 芯片I/O管腳實(shí)際等效示意圖
芯片廠商通常會(huì)在實(shí)際封裝中添加一部分[Cpkg]用于給寄生電容充電，但是由于容值過(guò)小，充電效果并不理想。芯片外部放置的鉭電容存在走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)、層疊干擾及寄生電感的原因，更是難以給芯片I/O管腳上的寄生電容及時(shí)充電，所以我們要利用PCB來(lái)構(gòu)建出如圖2所示的等效平面電容[Cpcb]。
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圖2 理想PCB平面電容示意圖
平面電容是利用PCB疊層的電源層和地層之間構(gòu)造的電容效用而形成的。這種平面電容的容值通常比較小（pF級(jí)），可以用于濾除高速信號(hào)產(chǎn)生的高頻噪聲，同時(shí)由于離芯片管腳最近，可以最迅速有效地為芯片管腳上的寄生電容充電。在芯片周?chē)鷶[放濾波電容不能有效濾除高頻噪聲的原因就在于即使容值很小的濾波電容也只能濾除100 MHz以下的噪聲，而對(duì)于超過(guò)200 MHz的噪聲就不能有效濾除。以10 nF電容為例，按照電容阻抗特征曲線(xiàn)所示，只能有效濾除50 MHz左右的噪聲。如果再放置pF級(jí)的電容會(huì)顯得冗余，且電容本身的ESR和ESL會(huì)引入高頻諧振的問(wèn)題。
綜合考慮，建議可以利用平面電容來(lái)對(duì)管腳寄生電容完成充電和高頻濾波[2]。電容頻率阻抗曲線(xiàn)如圖3所示。
3.1 估算平面電容值
平面電容值需要依據(jù)芯片管腳和對(duì)應(yīng)傳輸線(xiàn)上的寄生電容值來(lái)完成評(píng)估。通過(guò)芯片I/O管腳的寄生電容[Cio]以及芯片的I/O管腳數(shù)量得出芯片I/O管腳生成的總寄生電容大小。一般情況下，PCB微帶層每inch單端傳輸線(xiàn)（特征匹配阻抗為50 Ω）上的寄生電容為3.5 pF。以一組32位的傳輸線(xiàn)為例，傳輸線(xiàn)走線(xiàn)長(zhǎng)度為6 inch，管腳寄生電容[Cio]為2 pF，可以推算出芯片管腳總寄生電容[Cswl]=（3.5 pF/inch×6 inch+2 pF）×32=736 pF。按照設(shè)計(jì)要求電源的紋波為2%，綜上條件就得到了所需要的平面電容[Cp]為36.8 nF。
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圖3 電容頻率阻抗曲線(xiàn)圖
當(dāng)然，這里還提供了一種簡(jiǎn)易評(píng)估平面電容的方法，即忽略管腳上的寄生電容。同樣以上述32位傳輸線(xiàn)為例，[Cswl]=3.5 pF/inch×6 inch×32=672 pF，電源紋波同樣要求為2%，得到平面電容為33.6 nF。這樣計(jì)算得到的[Cp]與理論值存在一定偏差，不是很準(zhǔn)確，但管腳上的寄生電容可以通過(guò)芯片封裝上的[Cpkg]進(jìn)行部分補(bǔ)償，可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的補(bǔ)充效果，故此不會(huì)產(chǎn)生很大的影響[3]。平面電容的布局由于需要考慮分層和跨層分布，實(shí)際上應(yīng)用的平面電容要比計(jì)算得到電容多。根據(jù)資料和實(shí)際測(cè)量，實(shí)際布局的平面電容[Ccomp]和理論的平面電容[Cp]二者的比例應(yīng)該是5～10倍之間，通常選用選取為8，即[Ccomp]=[Cp]×8。由此可以得到芯片實(shí)際需要補(bǔ)償平面電容值為[Ccomp]=36.8 nF×8=294.4 nF。
3.2 構(gòu)建平面電容
按照上面介紹的方法，通過(guò)計(jì)算得出芯片管腳需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜担乱徊骄鸵_認(rèn)如何構(gòu)建平面電容。PCB是由銅皮和綠油組成，PCB板上所有的電源和信號(hào)都需要通過(guò)銅皮完成布局和傳輸，故此確認(rèn)并合理地分布銅皮就能決定如何構(gòu)建最適宜的平面電容。
如式（1）所示，銅皮的估算方式可以按照業(yè)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材質(zhì)PCB吸收），L為走線(xiàn)長(zhǎng)（inch），W為線(xiàn)寬（inch），T為銅厚。
在設(shè)計(jì)初期就已經(jīng)確定了PCB的層疊間距、材質(zhì)、走線(xiàn)距離、線(xiàn)寬和銅皮厚度等參數(shù)，可以根據(jù)式（2）評(píng)估出實(shí)際設(shè)計(jì)需要銅皮數(shù)量，由此構(gòu)建PCB銅皮布局，即構(gòu)建平面電容。構(gòu)建PCB平面電容需要經(jīng)過(guò)電路原理仿真、PCB信號(hào)仿真和電源仿真評(píng)測(cè)后方可落實(shí)。電源層和地層必須有效區(qū)分，原則上相同電平值的模擬和數(shù)字電源也需要單獨(dú)隔離，數(shù)字地和模擬地也需要隔離開(kāi)。處理高速信號(hào)時(shí)，需要注意信號(hào)參考的電源平面或地平面布局需要盡量精簡(jiǎn)，電源層平面和地層平面盡可能的靠近并對(duì)稱(chēng)均勻布局，形成近似差分耦合電容的布局。這是由于提供給高速信號(hào)做參考層的電源平面和地平面在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候會(huì)附生一個(gè)很小的寄生阻抗（大致20 mΩ），為保證電平穩(wěn)定，通過(guò)這種緊急對(duì)稱(chēng)布局來(lái)有效抵消寄生阻抗引起的電平跌落，而且可以有效抵消一部分電源紋波和噪聲的干擾[4]。
3.3 應(yīng)用實(shí)例
以一片單板為例，首先確定單板上工作時(shí)鐘頻率在100 MHz以上的單端信號(hào)，以表格的形式列對(duì)應(yīng)的芯片器件名稱(chēng)、接口類(lèi)型、工作頻率以及器件個(gè)數(shù)，再列出接口的個(gè)數(shù)、單個(gè)接口的負(fù)載電容以及接口工作電壓，按照列出的信息，參照本文提供式（1）計(jì)算出該關(guān)鍵I/O管腳需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜?，?gòu)建平面電容。以Intel 82599網(wǎng)卡芯片為例，通過(guò)查閱廠家技術(shù)手冊(cè)列出信號(hào)對(duì)應(yīng)的電源網(wǎng)表名、電壓、紋波等信息，繪制出表2，用于指導(dǎo)下一步設(shè)計(jì)。
表2 某單板的管腳信息表
通過(guò)查看芯片手冊(cè)，得知芯片內(nèi)部時(shí)鐘主頻為100 MHz，可以倍頻至2.5 GHz，即[Ftarget]為2.5 GHz。管腳最大電流為3.5 A，應(yīng)用VCCP的管腳都為高速信號(hào)，需要使用high speed模型分析：電壓紋波要求1%，電流傳輸效率90%。
通過(guò)公式（1）所需要的平面電容值為[Cp=（3.5 pF/inch×15 inch+2 pF）×321%=174.4 nF]，即可規(guī)劃出平面補(bǔ)償電容。通過(guò)式（2）得到，[Ztarget=1.1×1%3.5×90%=3.492 mΩ]。再使用文中介紹的電源評(píng)估方式，繪制出如圖4所示的[Ftarget]與[Ztarget]曲線(xiàn)，依靠曲線(xiàn)協(xié)助評(píng)估出所需要的最優(yōu)環(huán)路。
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圖4 [Ftarget]與[Ztarget]仿真曲線(xiàn)
經(jīng)過(guò)電源評(píng)估、構(gòu)建平面電容和頻率阻抗特征曲線(xiàn)后，可以設(shè)計(jì)符合芯片管腳電氣需求的最優(yōu)電路。如圖5所示，通過(guò)泰克示波器TDS3012B量測(cè)信號(hào)噪聲發(fā)現(xiàn)，采用PDN設(shè)計(jì)理念優(yōu)化的電路可以有效抑制噪聲。
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圖5 PDN設(shè)計(jì)前后電路噪聲測(cè)試結(jié)果
4 結(jié) 語(yǔ)
本文通過(guò)原理分析和實(shí)例講解來(lái)介紹一種基于PDN原理設(shè)計(jì)硬件電路的方法。PDN可以有效指導(dǎo)硬件工程師在充分掌握芯片實(shí)際工作狀態(tài)信息后，精確地設(shè)計(jì)電路、優(yōu)化阻容選型，提升電路開(kāi)發(fā)效率，解決冗余設(shè)計(jì)造成的干擾問(wèn)題，提高單板簡(jiǎn)潔度，提升產(chǎn)品品質(zhì)。同時(shí)，通過(guò)PDN原理來(lái)指導(dǎo)硬件電路設(shè)計(jì)的方法，已被愛(ài)立信、華為等電信業(yè)公司廣泛接受、應(yīng)用和推廣。
根據(jù)本人實(shí)際開(kāi)發(fā)工作驗(yàn)證，通過(guò)PDN原理設(shè)計(jì)電路的方法非?？茖W(xué)，采用PDN原理設(shè)計(jì)24 000 pin密集度的服務(wù)器單板，可以有效降低阻容器件種類(lèi)數(shù)和總數(shù)各30%，降低原材料、加工成本和工藝制程成本12.5 RMB/pcs，提升生產(chǎn)直通率0.5%，改動(dòng)前后的效果十分明顯。
本文在以下方面有所創(chuàng)新：
（1） 提出PDN設(shè)計(jì)理念，規(guī)范電路設(shè)計(jì)流程，能有效指導(dǎo)硬件工程師充分理解芯片的技術(shù)規(guī)格，設(shè)計(jì)出最優(yōu)電路;
（2） 建立優(yōu)選器件表，規(guī)范阻容器件種類(lèi)數(shù)和總數(shù)，提升產(chǎn)品質(zhì)量和管控水平;
（3） 構(gòu)建平面電容，繪制頻率阻抗曲線(xiàn)，指導(dǎo)硬件工程師設(shè)計(jì)理想硬件電路。
參考文獻(xiàn)
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生產(chǎn)實(shí)習(xí)是培養(yǎng)本科學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高實(shí)際動(dòng)手操作能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。本專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)旨在使學(xué)生廣泛了解實(shí)際電子產(chǎn)品生產(chǎn)的全過(guò)程，熟悉電子產(chǎn)品的主要技術(shù)管理模式，并在實(shí)習(xí)的操作過(guò)程中學(xué)習(xí)、掌握電子產(chǎn)品的焊接、安裝、調(diào)試的實(shí)際操作技能。鞏固和加深理解所學(xué)的理論，開(kāi)闊眼界，提高能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)大學(xué)本科人才打下必要的基礎(chǔ)。通過(guò)學(xué)習(xí)，是理論與實(shí)際相結(jié)合，可以使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，并為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)提供必要的感性知識(shí)，同時(shí)使學(xué)生直接了解本業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)內(nèi)容，為將來(lái)走上工作崗位提供必要的實(shí)際生產(chǎn)知識(shí)。
二、實(shí)習(xí)的基本內(nèi)容：
、集中授課，進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。
、學(xué)習(xí)、掌握電子產(chǎn)品的獨(dú)立性設(shè)計(jì)與安裝、調(diào)試的能力；進(jìn)一步掌握電子測(cè)量?jī)x器的正確使用方法，電元器件的測(cè)量與篩選技術(shù)。
、初步了解電子整機(jī)產(chǎn)品的工藝過(guò)程。
、為能使學(xué)生得到充分的鍛煉，較大的提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，本次生產(chǎn)實(shí)習(xí)安排每一位學(xué)生獨(dú)立完成全部系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝工作。
、本實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生要獨(dú)立使用電焊鐵及各種電子測(cè)試設(shè)備電路安裝與調(diào)試，要學(xué)生嚴(yán)格遵守電器設(shè)備的使用安全，遵守實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)章制度。
三、基本要求：
、在教師的指導(dǎo)下練習(xí)在測(cè)試電路德核心板上焊接元件，掌握焊接要領(lǐng)。
、熟悉元器件的性能及管腳分配。
、在給定的pcb板上焊接跳線(xiàn)，ic插座，電阻，電容，led器件等。
、檢查焊接是否正確。
、插上元器件，運(yùn)行系統(tǒng)，并觀測(cè)系統(tǒng)工作是否正常。
四、總體設(shè)計(jì)電路思想和原理：
本次生產(chǎn)實(shí)習(xí)用到的開(kāi)發(fā)板和模塊共7塊，分別為：?jiǎn)纹瑱C(jī)核心板，電子鐘模塊，mp3模塊，rfid模塊，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，脈搏傳感模塊，gps模塊。
各模塊相互組合，其所能實(shí)現(xiàn)的基本功能如下：
、單片機(jī)核心板+電子鐘模塊：實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示，溫度的測(cè)量，且可通過(guò)遙控器調(diào)時(shí)、定鬧等。
、單片機(jī)核心板+無(wú)線(xiàn)傳輸模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的近距離無(wú)線(xiàn)傳輸。
、單片機(jī)核心板+mp3模塊（含sd卡）：實(shí)現(xiàn)mp3播放功能。
、單片機(jī)核心板+rfid模塊：實(shí)現(xiàn)地鐵檢票系統(tǒng)的模擬。
、單片機(jī)核心板+脈搏傳感模塊：實(shí)現(xiàn)人體脈搏傳感的測(cè)量。
、單片機(jī)核心板+gps模塊：實(shí)現(xiàn)gps衛(wèi)星定位功能。
（一）核心板電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)核心板電路主要包括stc12c5a60s2單片機(jī)，電子鐘模塊接口電路，mp3接口電路，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊接口電路，脈搏傳感模塊接口電路，gps模塊接口電路，串口擴(kuò)展電路，電源供電電路。該系統(tǒng)的單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期（it）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)。通過(guò)使用stc-isp軟件，該單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)串口在線(xiàn)編程，無(wú)需編程器，無(wú)需仿真器。
核心板電路的設(shè)計(jì)思想主要是圍繞單片機(jī)芯片的工作原理和特點(diǎn)，為其實(shí)現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)出外圍電路：包括電源電路，顯示電路部分，復(fù)位電路部分，串行口通信電路，按鍵電路等。
（二）電子鐘模塊電路設(shè)計(jì)
該模塊主要用到的芯片有：時(shí)鐘保持芯片ds1302，單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器ds18b20，紅外遙控解碼器tl1838a。
該模塊電路設(shè)計(jì)的思想是了解這三種芯片的工作電壓，ds1302的工作時(shí)鐘頻率以及三種芯片與單片機(jī)之間的硬件連接。
（三）mp3模塊電路設(shè)計(jì)
該模塊用到的主要芯片有mp3音頻解碼芯片vs1003，3.3v電壓轉(zhuǎn)換芯片lm1117-3.3,2.5v電壓轉(zhuǎn)換芯片lm1117-2.5。
該電路的設(shè)計(jì)思想主要是了解芯片的作用和特點(diǎn)，尋找各芯片之間的聯(lián)系，vs1003芯片是該模塊的主要部分。單片機(jī)設(shè)有單獨(dú)解碼mp3文件的功能，而單片機(jī)可與通過(guò)vs1003的接口電路的連接，進(jìn)行mp3的解碼，實(shí)現(xiàn)音頻的輸出。通過(guò)芯片各引腳的功能和特點(diǎn)，合理的設(shè)計(jì)出相應(yīng)的外圍電路。
（四）rfid模塊電路的設(shè)計(jì)
該模塊的電路所用到的主要芯片為13.56mhz的非接觸式通信讀卡芯片fm1702。該芯片是基于iso/4443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專(zhuān)用芯片，采用0.6微米cmos 、eeprom工藝，支持13.56mhz頻率下的type a非接觸式通信協(xié)議，
支持多種加窗算法，兼容philips的mfrc530(spi接口)讀卡機(jī)芯片。
該模塊的電路設(shè)計(jì)思想是基于fm1702各引腳的功能和特點(diǎn)，合理的設(shè)計(jì)芯片的外圍電路，其中的電容和電感所構(gòu)成的天線(xiàn)是芯片與s50卡通信的工具。
五、單元電路設(shè)計(jì)：
、單片機(jī)核心板電路分析
單片機(jī)核心板是本次實(shí)習(xí)中最重要的部分，它是實(shí)現(xiàn)各種模塊功能的基礎(chǔ)部分。單片機(jī)核心板的核心是stc12c5a60s2單片機(jī)芯片，圍繞該芯片設(shè)計(jì)出相應(yīng)電源供電電路，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，按鍵電路，串行口通信電路，復(fù)位電路，液晶屏驅(qū)動(dòng)電路以及各模塊的接口電路，由以上的電路部分就構(gòu)成一個(gè)核心板電路系統(tǒng)。
