導(dǎo)語：如何才能寫好一篇常用電源電路設(shè)計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關(guān)鍵詞】集成運放；AC放大器；DC放大器

1前言

集成運算放大器(簡稱集成運放)具有功能強(qiáng)、易用諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于音頻電壓放大、儀表信號放大、信號濾波等場合，其已成為電子電路尤其是模擬電路的標(biāo)準(zhǔn)器件，也是模擬電子技術(shù)課程教學(xué)的主要內(nèi)容之一。為了使入門者更容易理解集成運放的工作原理和更容易解釋集成運放電路，在教學(xué)中常使用集成運放的理想運放模型，如視輸入阻抗無窮大、輸出阻抗為零、開環(huán)電壓增益無窮大和零輸入失調(diào)電壓。在DC放大器設(shè)計中，集成運放的零輸入失調(diào)電壓參數(shù)對電路設(shè)計影響很大，同一電路設(shè)計，因選擇不同的集成運放，所得結(jié)果差異巨大，甚至電路完全不能工作。傳統(tǒng)運放電路，通常隱藏公用電源腳，且默認(rèn)為正負(fù)對稱雙電源供電，而當(dāng)前，隨著電子產(chǎn)品小型化趨勢到來，很多場合并不能提供正負(fù)對稱雙電源，而只能提供單電源，由于很多初學(xué)者對集成運放電源的供電認(rèn)識模糊，在設(shè)計單電源供電的AC放大器時，不對電路進(jìn)行相關(guān)改造，而是直接用單電源代替雙電源，導(dǎo)致電路工作不正常。

2AC放大器設(shè)計錯誤分析

圖1為典型的AC放大器，電路采用LM358集成運放，采用正負(fù)對稱的雙電源供電，交流信號的電壓放大倍數(shù)AV=1+R2/R3=23，輸入阻抗Ri=R1=1K。C1為耦合電容，隔掉信號源中的直流成份，C2對直流開路，使直流電壓產(chǎn)生100%負(fù)反饋，從而穩(wěn)定直流工作點，C2對交流信號相當(dāng)于短路，從而不影響交流信號的電壓放大倍數(shù)。無信號輸入時，正相輸入端、反相輸入和輸出端的直流電壓都約為0V，有信號時，輸出端電壓在0V基礎(chǔ)上變化。不少塊合，如電池供電時，無法提供正負(fù)對稱的雙電源，不少初學(xué)者由于對集成運放的供電和集成運放電路的直流工作點認(rèn)識模糊，在設(shè)計AC放大器時，直接用單電源代替雙電源，設(shè)計電路如圖2所示。圖2電路，無信號輸入時，正相輸入端、反相輸入和輸出端的直流電壓都約為0V，而當(dāng)有交流信號輸入時，輸入信號為正極性時，輸出端可以輸出放大后的正極性電壓，而輸入信號為負(fù)極性時，輸出端不可能輸出負(fù)極性電壓，導(dǎo)致產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。單電源供電條件下，正確的電路設(shè)計如圖3所示。圖3電路增加了電阻R4、R5和電容C3、C4，電阻R4和R5阻值相等，提供7．5V直流電壓給集成運放的正相輸入端，從而使集成運放的正相輸入端、反相輸入端和輸出端的直流電壓都提升至7．5V。當(dāng)輸入交流信號時，輸出端電壓就可以在7．5V基礎(chǔ)上進(jìn)行上下擺動，從而完成交流信號的不失真放大。電容C3為濾波電容，電容C4為輸出耦合電容，起到隔直通交作用。

3DC放大器設(shè)計錯誤分析

DC放大器大量應(yīng)用于傳感器信號放大和自動控制場合，圖4為一典型的60dB電壓增益的DC放大器，電路包括兩級電壓放大，每級電壓放大倍數(shù)為34倍。仿真測試時，若選擇理想集成運放模型，零輸入時(輸入端短路)，輸出端電壓為0V，1mV輸入時，輸出1V，電路實現(xiàn)設(shè)計要求;若選擇常用LM358集成運放，仿真測試發(fā)現(xiàn)，零輸入時，輸出端電壓3．22V，發(fā)生了嚴(yán)重偏離，電路完全不可用。其實，真實的集成運放所組成的DC放大器，零輸入時，輸出端不可能零輸出，輸出電壓為:VO=Vios×Avd其中，Vios為集成運放的輸入失調(diào)電壓參數(shù)，Avd為放大器閉環(huán)電壓放大倍數(shù)。不同的集成運放，其輸入失調(diào)電壓參數(shù)相差甚遠(yuǎn)，理想運放，視輸入失調(diào)電壓為零，因此，采用理想運放的DC放大器，零輸入時，可實現(xiàn)零輸出。而常用的LM358運放，其輸入失調(diào)電壓達(dá)mV級別，因此，60dB電壓增益的DC放大器，其輸出誤差可達(dá)數(shù)V之大。解決辦法是選擇低輸入失調(diào)電壓的集成運放，如OP07，其輸入失調(diào)電壓低至幾nV，用在本電路，輸出端誤差能控制在毫伏級別。

4結(jié)語

若對集成運放的電源供電條件和集成運放的相關(guān)參數(shù)了解不夠，電路設(shè)計容易出錯或電路指標(biāo)不理想。設(shè)計單電源供電的AC放大器時，應(yīng)將直流工作平移至電源電壓的一半，設(shè)計DC放大器時，應(yīng)采用低輸入失調(diào)電壓的集成運放。

參考文獻(xiàn):

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［2］曹吉花，郭煥銀，唐永剛．電子設(shè)計工程師認(rèn)證與電子技術(shù)教學(xué)改革［J］．高校實驗室工作研究，2011(1):35～36．

篇2

引言

在現(xiàn)代電子測量、儀器儀表、通信等領(lǐng)域,經(jīng)常涉及對寬帶信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲。實際數(shù)字采樣系統(tǒng)中存在數(shù)字轉(zhuǎn)換器引起的量化噪聲、采樣保持器帶來的非線性失真、帶寬限制和孔徑抖動誤差、數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各部分間傳送過程中可能引入的噪聲干擾以及由電路布局和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原因耦合的噪聲干擾等多種因素會造成采樣系統(tǒng)性能下降，這種因素在高速采樣系統(tǒng)中影響尤其突出。因此,高速寬帶采樣系統(tǒng)設(shè)計顯得尤其重要。

影響高速采樣系統(tǒng)性能的主要因素

1 前端電路的構(gòu)成

合理的前端電路構(gòu)成，是系統(tǒng)實現(xiàn)中最為關(guān)鍵的一步。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計中，最重要的技術(shù)指標(biāo)是系統(tǒng)的通過速率。這一指標(biāo)與預(yù)采樣濾波器的建立和恢復(fù)時間，模擬多路開關(guān)的轉(zhuǎn)換時間，驅(qū)動放大器的響應(yīng)時間，采樣保持電路的捕捉時間，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間等都有關(guān)系，即系統(tǒng)各部件的性能參數(shù)限制了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。實際上高速數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)總會受到器件性能的制約，而且對于不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，起決定性作用的部件又各不相同，所以選擇合適的結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)設(shè)計中顯得尤為重要。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常用的結(jié)構(gòu)有單通道采集結(jié)構(gòu)和多通道并行采集結(jié)構(gòu)兩種。

在前端電路設(shè)計時應(yīng)注意如下幾點：

(1)前置放大器在輸入信號的帶寬范圍內(nèi)應(yīng)該有足夠大的增益和足夠短的穩(wěn)定時間。一般是選擇具有大的驅(qū)動能力和快的穩(wěn)定時間的運放。

(2)降低輸出瞬態(tài)的影響。一個重要方法是保證工作頻帶內(nèi)放大器能保持一個較低的輸出阻抗。

(3)放大器帶寬要保證其穩(wěn)定時間跟得上ADC的速度。在接近單位增益的交叉點的頻率時，放大器閉環(huán)增益會降低，導(dǎo)致輸出阻抗增大。因此，在設(shè)計前置驅(qū)動放大器時，決不能忽視帶寬的因素，所以在選擇放大器時要有足夠大的帶寬儲備量。

(4)除了前置放大器的噪聲、增益和帶寬的要求外，放大器還具有足夠大的動態(tài)范圍。

ADC的動態(tài)范圍決定了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要噪聲和信噪比指標(biāo)。在理想情況下n位ADC系統(tǒng)，當(dāng)輸入信號幅度達(dá)到滿量程時，系統(tǒng)最大信噪比為：SNR=6.02n+1.76(dB)。實際系統(tǒng)中由于存在各種噪聲因素，一般但噪聲水平比理論分析值要大，獲得的動態(tài)范圍要小，所以在選擇ADC時要有一定的動態(tài)范圍儲備量。

2 電源和接地

在高速采樣電路設(shè)計時，一般設(shè)計原則是應(yīng)把模擬電源與數(shù)字電源應(yīng)分開。在不能單獨供電的場合，模擬電源最好使用二次降壓穩(wěn)壓電源。降壓設(shè)計中主要權(quán)衡是使用線性穩(wěn)壓器還是使用開關(guān)穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器體積小，所需的濾波電容較小，這有利于減小浪涌電流。對于線性穩(wěn)壓器來說，效率低是其主要缺點。對于ADC電路和前端輸入電路來說，耗電不大，變換效率不是主要問題，一般首選線性穩(wěn)壓器的。對于開關(guān)穩(wěn)壓電源在這種降壓設(shè)計中盡量避免使用，以減小其帶來的高頻干擾。

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，電源連線上感應(yīng)的高頻干擾信號是不可忽視的電路干擾源。除了采用短而寬的電源線減小感抗外，還需在靠近器件輸出端加接退藕電容和旁路電容。退藕電容為器件提供局域化的直流旁路電容，能消除高頻輻射噪聲和抑制高頻干擾。

在濾波電路設(shè)計中，關(guān)鍵是確定接入電容、電感等元件構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。對于大多數(shù)的采樣器，具有較小的瞬態(tài)需用電流，可以采用容量較小的去藕電容。一般用容量為0.1～0.01μF的小容量電容接連在器件的電源與地之間。不能直接就近接電源層或地層，否則去藕效果不好，應(yīng)盡量靠近器件的電源引腳，對用于去藕和旁路的電容器，其自諧振頻率是決定電容設(shè)計的重要參數(shù)。常用如下計算公式計算諧振頻率 ，L為電容器的等效電感。

3 系統(tǒng)接地

在高速系統(tǒng)中，接地技術(shù)是非常重要的。如果接地不良，使地線回路存在公共阻抗，只要電路的一個回路中出現(xiàn)干擾信號，就會通過地線阻抗對其他回路造成干擾。在設(shè)計時應(yīng)盡可能降低地線上的電流，可以有效地降低地線電感的影響。常用方法是將電路分為若干個回路，每個回路使用自己的地線，各回路的地線再在一點共地，可以使各個回路相互隔離，減少互相影響。

4 采樣時鐘

對于高速采樣器，采樣時鐘的相位噪聲對量化噪聲影響極大，應(yīng)選用高精度、低相位噪聲外接時鐘源，從而減小由于時鐘偏斜引起的噪聲，以提高高速系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度。

高速采樣電路設(shè)計主要原則

鑒于上述因素，在高速電路板布線時應(yīng)采用如下原則:

1 模擬地與數(shù)字地分開。

為了避免數(shù)字電路噪聲對模擬電路的干擾，模擬地應(yīng)與數(shù)字地分開，如果能做在不同的層上最好，否則可以用分割帶把二者分開。地線的分割會引起分割帶之間的傳輸線特性阻抗不連續(xù)，所以分割帶不宜過寬，大多數(shù)情況下2～3mm為宜，同時應(yīng)盡量減少跨越這一間隙的信號線數(shù)。還可以在模擬地與數(shù)字地接磁珠濾波，磁珠的高頻阻抗很大，而直流電阻為零，應(yīng)根據(jù)板上主要噪聲的頻率確定磁珠的選型。模擬地和數(shù)字地在電路板上不共地，可以利用總線插槽實現(xiàn)遠(yuǎn)端單點共地。

2 ADC模擬電路前端采用單獨模擬電源供電，可以采用DC/DC進(jìn)行隔離。

3 電容與電阻元件盡量采用表貼器件，以減小引線電感，提高電源濾波能力。

4 印制版使用盡量寬的地線或大面積地，印制版的周邊構(gòu)成完整的地線回路。

5 小信號地線與大信號地線分開;器件的接地管腳直接接地，減小了串聯(lián)感抗。

6 對多通道并行數(shù)據(jù)采集，各通道間延遲不一致帶來的非均勻采樣采用各種方法補(bǔ)償，使合成誤差最?。?/p>

a) 硬件電路設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，用對稱的布局和布線方式保證兩路ADC通道的一致性；

b) 系統(tǒng)時鐘宜采用差分提供兩路之間時鐘偏斜差異最小。

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關(guān)鍵詞：單片機(jī) 遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng) 485總線 232總線

中圖分類號：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0021-02

1 系統(tǒng)功能描述

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)主要由主站端數(shù)據(jù)采集計算機(jī)、客戶端基于單片機(jī)的抄表模塊、具有串行數(shù)據(jù)通信接口的電能計量儀表三部分組成。客戶端的自動抄表模塊與數(shù)據(jù)采集計算機(jī)通過RS-485串行通信接口相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的工作原理是：用戶終端的智能電表通過RS-232協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送給抄表終端模塊，抄表終端在收到命令后把存儲的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上級數(shù)據(jù)采集計算機(jī)，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)交換。本次畢業(yè)設(shè)計主要是研究客戶端基于單片機(jī)的電能表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)終端的實現(xiàn)方案和硬件設(shè)計。

綜合考慮各種因素之后，將該終端單片機(jī)抄表模塊所需實現(xiàn)的主要功能定義如下。

第一，正常情況下采用市電（220 V交流電）供電的方式，即采用交流電源即能維持終端模塊的正常工作；系統(tǒng)具有備用電池供電功能以保證在斷電情況下的供電。

第二，具有數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，能保存用戶用電電量等信息。

第三，抄表終端與智能電表、遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集計算機(jī)分別通過RS-232和RS-485協(xié)議進(jìn)行通信。

第四，終端模塊具有實時時鐘功能，便于實時測量用戶用電電量。

2 系統(tǒng)分析

應(yīng)用于遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)的電能表有脈沖電能表和智能電能表兩類。

脈沖電能表：能夠輸出與轉(zhuǎn)盤數(shù)成正比的脈沖串[1]。

智能電能表：可以通過串行口以編碼方式進(jìn)行通信，按照智能表的輸出接口通信方式劃分，智能電能表可分為串行通行接口型和低壓配電線載波接口型兩大類[1]。

電能表的兩種輸出接口比較：輸出脈沖方式技術(shù)簡單但在傳輸過程中容易發(fā)生丟失脈沖或產(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象，而且不能重新發(fā)送；而具有串行接口輸出方式的智能電表則可以通過相關(guān)協(xié)議將采集的多項數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程傳輸[1]。因而本文中采用的電能表為具有串行通信接口的智能電表。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)供電方式設(shè)計

由于本模塊的使用現(xiàn)場環(huán)境相對特殊，故對于電源的設(shè)計必須充分考慮到系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。長期以來單片機(jī)系統(tǒng)中使用的集成電路器件絕大多數(shù)在5 V或3 V的典型電壓下工作。為了避免采用多電源供電方案帶來的供電模塊設(shè)計過于復(fù)雜等問題，在設(shè)計本單片機(jī)系統(tǒng)時所采用的集成器件的典型工作電壓均為5 V。

在本系統(tǒng)中，220 V的單相交流電作為電源輸入，輸出為穩(wěn)定的+5 V電壓。供電模塊用來實現(xiàn)220～5 V的電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)計方案如下：首先220 V的交流電通過防雷抗干擾電路，接著利用220/18 V變壓器降壓，再經(jīng)過橋式整流電路得到18 V左右直流電壓，再接著通過一系列的隔離濾波進(jìn)入直流轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器件LM2575最終得到系統(tǒng)正常工作所需要的5 V電壓。另外，考慮到現(xiàn)場存在停電的可能性，還應(yīng)該設(shè)計系統(tǒng)的備用電源。備用電源可以采用比較常見的鎳氫電池，當(dāng)系統(tǒng)正常供電時，電池處于充電狀態(tài)，對于充電的管理可以選用比較常用的電源充電管理芯片MAX713來管理備用電池的充電過程。當(dāng)現(xiàn)場停電時，自動轉(zhuǎn)為備用電池給抄表終端系統(tǒng)供電[7]。

3.1.1 正常條件下供電電路

系統(tǒng)在正常運行時采用單相交流電源供電方式，提供給單片機(jī)穩(wěn)定的+5 V電源?？梢圆捎玫湫偷膯蜗鄻蚴秸麟娐返玫?8 V直流電壓，后通過直流轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器件LM2575轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)正常工作所需的+5 V電壓。

3.1.2 備用電池充電電路

系統(tǒng)在由外部電源正常供電的同時對備用鎳氫電池進(jìn)行充電。備用電池充電電路的功能主要由電源充電管理芯片MAX713來完成。MAX713系列是Maxim公司生產(chǎn)的快速充電管理芯片，適合1～16節(jié)鎳氫電池或鎳鎘電池的充電。它可以通過簡單的管腳電壓配置進(jìn)行編程來實現(xiàn)對充電電池數(shù)量和最大充電時間的控制。當(dāng)系統(tǒng)失去外部市電供電電壓以后自動切換為由備用電池供電。

3.2 系統(tǒng)基本電路設(shè)計

由抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖可知，抄表終端要使用兩個串口分別對上層和下層通信，一個串口用作RS-232，用來和電表進(jìn)行通信；一個串口用作RS-485，用來和數(shù)據(jù)采集計算機(jī)通信。由于一般的51單片機(jī)只有一個串口驅(qū)動器，因此主控制器可以直接選用華邦公司的具有兩個串口驅(qū)動器的W77E58單片機(jī)或者采用一般單串口單片機(jī)外加串口擴(kuò)展芯片例如16C550來擴(kuò)展出第二個串口[5]。

下面對這兩種方案做簡單的對比。

方案1：采用具有兩個串口驅(qū)動器的增強(qiáng)型單片機(jī)W77E58。

由于串口驅(qū)動器在單片機(jī)內(nèi)部，所以不用外部再增加硬件設(shè)備就可以實現(xiàn)雙串口功能，同時這種方案的穩(wěn)定性好也比較可靠，而且相對于采用單串口單片機(jī)外加串口擴(kuò)展芯片16C550成本要低一些。

方案2：采用具有一個串口驅(qū)動器的單片機(jī)外加串口擴(kuò)展芯片16C550。

這種方案是對單片機(jī)擴(kuò)展了一組外部寄存器，硬件投入比方案1多，系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有方案1好。

3.2.1 控制核心W77E58單片機(jī)

根據(jù)上文所述對單片機(jī)功能的要求以及方案的對比，本設(shè)計采用華邦公司的雙串口單片機(jī)W77E58。W77E58單片機(jī)內(nèi)含2個增強(qiáng)型串口和32 kB大容量Flash存儲器，指令集與51系列單片機(jī)完全兼容，非常適合在智能化監(jiān)控系統(tǒng)中使用[6]。

時鐘振蕩電路是CPU所需要的各種定時控制信號的必備單元，它為單片機(jī)提供時鐘脈沖序列。復(fù)位電路由22uF的電容和1 k的電阻及IN4148二極管組成。在滿足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下，該復(fù)位電路的優(yōu)點在于降低復(fù)位引腳的對地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力；二極管可以實現(xiàn)快速釋放電容電量的功能，滿足短時間復(fù)位的要求。

3.2.2 W77E58單片機(jī)核心電路

單片機(jī)的核心電路包括單片機(jī)W77E58、單片機(jī)系統(tǒng)中常用的地址鎖存器芯片74LS373和存儲器SRAM6264。

由于單片機(jī)的I/O引腳有限，實際應(yīng)用中常采用地址鎖存器進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)總線的擴(kuò)展。本設(shè)計中地址鎖存器74LS373用來擴(kuò)展單片機(jī)的系統(tǒng)總線，以連接單片機(jī)和存儲容量為8kB的片外隨機(jī)存儲器SRAM6264。SRAM6264采用+5 V的單電源，所有的輸入端和輸出端都與TTL電路兼容。WE為寫信號，CS為片選信號，OE為輸出允許信號，D0～D7為8位數(shù)據(jù)線，A0～A12為13根地址線[3，7，8]。

3.3 掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的實現(xiàn)

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，通常要保證一些重要的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后不丟失，當(dāng)系統(tǒng)再次上電后能夠正確地讀取這些數(shù)據(jù)。本設(shè)計中就需要實現(xiàn)一些通信數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)功能。實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的方法有很多，常用的有系統(tǒng)擴(kuò)展易失性存儲器（RAM）外加電池的方法和系統(tǒng)擴(kuò)展非易失性存儲器（ROM）的方法。其中系統(tǒng)擴(kuò)展非易失性存儲器的方法中常使用EEPROM和FLASH作為存儲介質(zhì)。EEPROM也稱為可擦除可編程ROM（Electrically Erasable PROM），隨著技術(shù)的發(fā)展，EEPROM的擦寫速度將不斷加快，容量將不斷提高，將可作為非易失性的RAM使用。由于所設(shè)計的系統(tǒng)中需要實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能的數(shù)據(jù)不多，所以選用支持IIC總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的串行EEPROM AT24C04作為系統(tǒng)的掉電數(shù)據(jù)保護(hù)介質(zhì)，它擁有512×8bit的存儲容量，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點。它的IIC接口簡單、操作方便，特別適合存儲單片機(jī)控制系統(tǒng)中一些重要參數(shù)[7，11]。

3.3.1 IIC總線簡介

IIC（Inter-Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開發(fā)的由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其設(shè)備。

IIC總線最主要的有點是簡單性和有效性。由于接口直接接在組件之上，因此IIC總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。但要注意IIC總線的接口一般為開漏或開集電極輸出，所以在實際電路連接時需要加上拉電阻[5]。

3.3.2 掉電數(shù)據(jù)保護(hù)電路設(shè)計

由于所選用的W77E58單片機(jī)沒有IIC總線接口，所以我們要用單片機(jī)的I/O口模擬IIC總線的時序來實現(xiàn)芯片的讀寫功能。用單片機(jī)的普通I/O口模擬IIC總線的硬件連接非常簡單，只需要使用W77E58單片機(jī)的P1.0口連接SCL，P1.1口連接SDA即可。

3.4 基于RS-232、RS-485串行通信接口電路設(shè)計

在實際應(yīng)用中，單片機(jī)很多時候不是作為一個獨立的控制單元而存在，它還要與其他單元進(jìn)行通信。串行接口是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的通信接口。在實際應(yīng)用中，單片機(jī)系統(tǒng)使用的是TTL電平，單片機(jī)中的串口輸出的信號也是如此，但是串行通信中一般使用的是RS-232通信協(xié)議，二者的電平并不相同，需要外接接口進(jìn)行電平匹配。實現(xiàn)這種電平變換可以使用分立元件，也可以采用集成電路芯片，目前較為廣泛的是使用集成電路轉(zhuǎn)換芯片[7，8]。

由于抄表終端與數(shù)據(jù)采集計算機(jī)的距離較遠(yuǎn)，采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，帶負(fù)載能力差、通信范圍小，傳送距離不超過15 m，難以滿足遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸和控制。長距離通信通常采用RS-485方式。在單片機(jī)系統(tǒng)中加入RS-485方式的串行通信，就可以完成抄表終端與遠(yuǎn)程上位數(shù)據(jù)采集計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。RS-485總線采用差分信號傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。采用雙絞線在100 kbit/s的速率時可以傳送的距離為1.2 km，若速率降到9600 bit/s則傳送距離可達(dá)15 km。RS-485可以實現(xiàn)多個負(fù)載的功能。用一對線便可連接多達(dá)32個不同設(shè)備[13]。

RS-232既是電氣標(biāo)準(zhǔn)也是物理標(biāo)準(zhǔn)，而RS-485只是電氣標(biāo)準(zhǔn)，沒有規(guī)定現(xiàn)實其電氣特性所必需的物理環(huán)境，故可采用RS-232的物理標(biāo)準(zhǔn)。這就為在單片機(jī)系統(tǒng)中實現(xiàn)RS-485通信提供了方便。應(yīng)用時仍使用單片機(jī)的串口，但是信號傳遞過程中使用RS-485協(xié)議，以達(dá)到較長的傳輸距離。本系統(tǒng)中需要使用兩個串行通信接口，一個用來和數(shù)據(jù)采集計算機(jī)通信，一個用來和電表通信，分別采用RS-485和RS-232標(biāo)準(zhǔn)。

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關(guān)鍵詞:紅外遙控; 功能復(fù)用; 軟件解碼; 開關(guān)控制

中圖分類號:TP29文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0163-03

Principle and Design of Intelligent Infrared Teleswitch

XIANG Yan1, YU Bing-xiong2, La Li-yi3

(1. Guandong Institute of Science and Technology, Zhuhai 519090, China;

2. School of Phiysics & Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China;

3. Raoping Gongtian Vocational School, Chaozhou 515700, China)

Abstract: The principle and design of an intelligent infrared teleswitch are introduced. The teleswitch is designed on the basis of AVR signal chip computer, can identify and remember the infrared signal coding emitted by the common remote controller, and can compare the received infrared signal with the data stored in the E2PROM by the single chip microcomputer to achieve the control of the on-off of the teleswitch and the multiplexing function of the controller. The system using the capacitance step-down DC power has the quality of simple structure, small size, light weight, and is safe and reliable for the household appliances.

Keywords: infrared teleswitch; function multiplex; software decoding; switch control

0 引 言

紅外遙控是當(dāng)前使用最為廣泛的通信和控制手段之一,由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高及成本低等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品、工業(yè)控制和智能儀器系統(tǒng)中[1]。然而市場上的絕大部分遙控器都是針對各自特定的遙控對象設(shè)計的,不能直接應(yīng)用于通用的智能儀器研發(fā)及其更一般的控制場合[1-3]。通常情況下,一般家庭所使用的電視機(jī)、空調(diào)、VCD/DVD等家用電器都使用了紅外遙控器,而這些紅外遙控器都是針對各自產(chǎn)品所設(shè)計的,從而導(dǎo)致了一般家庭中擁有數(shù)個遙控器,那么,能否將這些遙控器的功能進(jìn)行復(fù)用,進(jìn)而減少遙控器的數(shù)量,使遙控器的功能更加強(qiáng)大,就顯得十分必要了。

電源開關(guān)廣泛應(yīng)用于家庭、工廠、倉庫、以及辦公室等場所。傳統(tǒng)的機(jī)械式電源開關(guān)存在接觸電阻大、易磨損、可靠性低以及壽命短等缺點[4],特別是當(dāng)家用電器的遙控器繁多的情況下,如果能借助這些遙控器設(shè)計開關(guān)用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式電源開關(guān),不僅節(jié)約了成本,而且操作方便。使用電視機(jī)等家用電器的遙控器實現(xiàn)開關(guān)操作,安裝和代換都很方便,可以用它代換家居中非常普及的墻壁開關(guān),從而提高遙控器在家電領(lǐng)域的實用價值。

1 工作原理

智能紅外遙控開關(guān)主要由紅外接收、放大整形、微控制器、開關(guān)控制以及降壓電源等模塊組成,其原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

智能紅外遙控開關(guān)的功能是將常見家用電器的遙控器,如電視機(jī)、VCD/DVD等,由用戶任意指定一個按鍵作為這個紅外遙控開關(guān)的控制鍵。使用時,用戶按下智能紅外遙控開關(guān)的“學(xué)習(xí)”按鍵,然后再對準(zhǔn)遙控開關(guān)的紅外接收頭按下遙控器上指定的這個開關(guān)控制按鍵,遙控器發(fā)出的紅外編碼信號經(jīng)過紅外接收頭接收后,再經(jīng)過放大整形,輸入到微控制器,微控制器通過內(nèi)置的E2PROM記住遙控器這個指定按鍵的編碼。那么,用戶下次使用時,當(dāng)按下遙控器這個指定按鍵后,其發(fā)出的紅外編碼信號同樣經(jīng)過紅外接收頭,放大整形后輸入到微控制器,由微控制器發(fā)出控制信號控制開關(guān)控制模塊里面繼電器的導(dǎo)通與斷開,進(jìn)而控制輸出電壓的通斷。

為了保證對各種用電器實現(xiàn)遙控開關(guān)控制,那么控制信號就一定要穩(wěn)定、安全。為此,在傳輸過程中要使各模塊間的通信信號足夠強(qiáng),這就要求電路的電源能夠獨立給電路各部分供電。因此,紅外遙控開關(guān)還必須擁有降壓電源模塊。

2 電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計包括電源電路的設(shè)計和解碼電路的設(shè)計兩部分。電源電路是為解碼電路提供電源而設(shè)計的,除了要求電壓穩(wěn)定外,還要求其體積小,成本低。解碼電路要求能對紅外編碼進(jìn)行可靠地接收,同時要能夠穩(wěn)定地控制繼電器的開關(guān)。

2.1 電源設(shè)計

考慮到解碼電路的功耗很小,所以電源的設(shè)計采用電容降壓式電源。它比變壓器電源和開關(guān)電源的設(shè)計要簡單得多,而且體積小、成本低,適合作為遙控開關(guān)的電源。電源設(shè)計的原理圖如圖2所示。MC2為降壓電容器,D1為半波整流二極管,D2在市電的負(fù)半周時給MC2提供放電回路,ZD1是5.1 V穩(wěn)壓二極管,R1為關(guān)斷電源后MC2的電荷泄放電阻。

圖2 電源電路

電容降壓式電源是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。當(dāng)交流電壓為220 V,頻率為50 Hz的工作條件下,電容器MC2在電路中的容抗XC(單位:Ω)為:

XC=12πfC=12×3.14×50×1×10-6=3 18471

流過電容器MC2的充電電流IC(單位:mA)為:

IC=UXC=2203 18471=69.08

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【關(guān)鍵詞】穩(wěn)壓電源；斬波電路；單片機(jī)；PWM；IGBT

直流穩(wěn)壓電源是一種常見的電子設(shè)備，被廣泛的應(yīng)用與各個領(lǐng)域。目前市面上使用的直流電源大部分是線性電源，而線性直流穩(wěn)壓電源由分立器件組成，存在體積大、效率低、可靠性差、操作不便、故障率高等缺點。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種電子設(shè)備對電源性能的要求越來越高。穩(wěn)壓電源日益朝著小型化、高效率、模塊化、智能化方向發(fā)展。

本文介紹了一種以單片機(jī)系統(tǒng)為核心的新型可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，他主要由斬波電路和AT89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。它具有體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的20～30%）、效率高（一般為60～70%，而線性電源只有30～40%）、自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化等優(yōu)點。而且價格低廉，操作簡單。具有較高的應(yīng)用價值。

1.系統(tǒng)的總體設(shè)計

該系統(tǒng)由兩部分組成，即主電路和控制電路。如圖1 所示，主電路由整流濾波電路、IGBT斬波電路、濾波電路組成；控制電路由控制電源、AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)、IGBT驅(qū)動電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、8279鍵盤顯示電路、檢測保護(hù)電路組成。

主電路中整流濾波電路采用常用的三相橋不可控整流器，將電網(wǎng)的三相交流電壓轉(zhuǎn)換成直流，再經(jīng)電容濾波得到平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路是由大功率器件IGBT實現(xiàn)的降壓斬波電路。

控制電路以AT89S52單片機(jī)為邏輯控制器，用于控制邏輯的實現(xiàn)。鍵盤和顯示電路作為人機(jī)交互，用于顯示和設(shè)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)。ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將系統(tǒng)實時電壓反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行處理。檢測保護(hù)電路的作用是保護(hù)ADC0809檢測電路，由于系統(tǒng)輸出電壓較高，不能直接接入ADC0809檢測電路，需要通過檢測保護(hù)電路將系統(tǒng)輸出電壓轉(zhuǎn)換到ADC0809能夠檢測的范圍才能接入電壓檢測電路。

2.控制電路設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)的核心—AT89S52

AT89S52作為該系統(tǒng)的核心，其主要作用為產(chǎn)生并輸出PWM波，他根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定電壓，調(diào)整PWM波的占空比，PWM波作為IGBT驅(qū)動電路的輸入信號，從而調(diào)整輸出電壓，通過ADC轉(zhuǎn)換電路獲得實際輸出電壓，并與系統(tǒng)反饋的電壓值進(jìn)行比較，對占空比進(jìn)行微調(diào)，是系統(tǒng)達(dá)到所需的輸出電壓。另外，它還用于鍵盤數(shù)據(jù)的讀取和顯示數(shù)據(jù)的刷新。

2.2 人機(jī)交互——鍵盤顯示電路設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了鍵盤和數(shù)碼管顯示功能，用于設(shè)定和顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)。鍵盤和數(shù)碼管采用儀表中常用的驅(qū)動芯片8279進(jìn)行控制。8270芯片為一種可編程鍵盤與顯示接口芯片，該芯片編程簡單，能夠自動掃描，并且與單片機(jī)接口方便，已經(jīng)成為設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)選器件之一。以8279為控制芯片的鍵盤和數(shù)碼管顯示電路如圖2 所示，鑒于本系統(tǒng)所需顯示和設(shè)定的數(shù)值較少，故采用4個8段數(shù)碼管來顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)。鍵盤為4X4掃描式鍵盤，16個按鍵中，10個按鍵為0～9的數(shù)字按鍵，另外6個按鍵為功能選擇和設(shè)定按鍵。

8279以A0來區(qū)分信息特征，當(dāng)A0=0時，單片機(jī)讀出為數(shù)據(jù)；當(dāng)A0=1時，單片機(jī)讀出數(shù)據(jù)位芯片狀態(tài)字，寫入數(shù)據(jù)為控制命令。8279內(nèi)部有兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，即一個16字節(jié)的顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和一個8字節(jié)的鍵盤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，顯示數(shù)據(jù)時，只需要將需要顯示的數(shù)據(jù)寫入顯示緩沖區(qū)即可。當(dāng)有按鈕閉合時，8279會自動去抖，并掃描鍵值，最后將鍵值存入鍵盤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，單片機(jī)只需要從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)即可得到鍵值，編程簡單。

2.3 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

ADC0809是較為常用的一款逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它是帶有微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，具有8位A/D轉(zhuǎn)換器和8路多路開關(guān)，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的組成包括：

一個8路模擬開關(guān)；

一個地址鎖存與譯碼器；

一個A/D轉(zhuǎn)換器；

一個三態(tài)輸出鎖存器。

多路開關(guān)可分時選通8個模擬通道，芯片允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，OE為低電平時，說明A/D轉(zhuǎn)換器正在進(jìn)行模擬量的轉(zhuǎn)換，只有當(dāng)OE端為高電平時，鎖存器讀取轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。

2.4 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

日本富士公司推出的厚膜驅(qū)動集成電路EXB841是專門的IGBT驅(qū)動芯片，適合驅(qū)動1200V/300A 以下的IGBT模塊。EXB841為高速型驅(qū)動模塊，具有隔離強(qiáng)度高、反應(yīng)速度快、能夠過流保護(hù)等優(yōu)點，市場占有率較高。該驅(qū)動電路如圖3所示，EXB841的15引腳外加PWM控制信號，當(dāng)觸發(fā)脈沖信號施加于14和15引腳時，在GE兩端產(chǎn)生約16V的IGBT開通電壓；當(dāng)觸發(fā)控制脈沖撤銷時，在GE兩端產(chǎn)生-5.1V的IGBT關(guān)斷電壓。

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計方法，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、模擬電壓讀取模塊、顯示模塊、按鍵處理模塊、PWM脈寬調(diào)制模塊和看門狗模塊等。

看門狗模塊分為初始化子程序和喂狗子程序兩部分，初始化子程序用于啟用看門狗功能和初始化看門狗定時器，本系統(tǒng)設(shè)看門狗定時器時間為2S，若2S時間內(nèi)，沒有執(zhí)行喂狗程序，則看門狗電路發(fā)出復(fù)位信號，系統(tǒng)程序自動復(fù)位。

開機(jī)后，首先調(diào)用初始化子程序，初始化系統(tǒng)，此時系統(tǒng)按照默認(rèn)參數(shù)，計算PWM占空比，并由定時器0和定時器1生成1KHZ的PWM波，由P2.3輸出。由定時器2產(chǎn)生一個10MS的定時器中斷，中斷程序中讀取實際電壓，然后與設(shè)定電壓比較，根據(jù)誤差調(diào)整PWM波的占空比，使實際值逐漸趨近設(shè)定值。然后刷新輸出，由數(shù)碼管顯示系統(tǒng)實時電壓。

當(dāng)有按鍵按下時，系統(tǒng)進(jìn)入外部中斷子程序，此時在外部中斷子程序中調(diào)用按鍵處理子程序，來實現(xiàn)系統(tǒng)電壓值的設(shè)定。

PWM波的調(diào)制程序是系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵所在，它的功能好壞直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它由定時器0和定時器1通過中斷生成。定時器0和定時器1都工作在定時方式1，定時時間到出發(fā)相應(yīng)中斷。由定時器1控制PWM波周期，定時器0控制PWM波的占空比。當(dāng)定時器1產(chǎn)生中斷時，置位PWM輸出口P2.3，同時啟動定時器0。當(dāng)定時器0中斷發(fā)生時，中斷程序復(fù)位P2.3，同時關(guān)閉定時器0。這樣只需要調(diào)整定時器0的定時時間即可調(diào)整PWM波形的占空比。

定時器2產(chǎn)生一個10MS的中斷，該中斷程序用于調(diào)整PWM波的占空比，其流程圖如圖5所示，首先讀取實際電壓，然后與設(shè)定電壓作比較，根據(jù)誤差改變定時器0的定時時間，調(diào)整公式如下：

其中：為本次中斷定時器0的初始設(shè)定值；

為上次中斷時0的初始設(shè)定值；

為比例系數(shù)；

為設(shè)定電壓與反饋電壓的差值。

經(jīng)過實際調(diào)試，當(dāng)k取1.5時，系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的穩(wěn)壓效果。

4.結(jié)束語

通過系統(tǒng)調(diào)試，程序沒有出現(xiàn)錯誤，得到的輸出電壓穩(wěn)定可靠，采用鍵盤和數(shù)碼管顯示作為人機(jī)交互，操作簡單方便，智能化相對來說比較高。用戶反映良好。

基于單片機(jī)控制的直流穩(wěn)壓電源采用了先進(jìn)的單片機(jī)控制技術(shù)、完善的保護(hù)電路及專用高性能基準(zhǔn)穩(wěn)壓源元件，具有穩(wěn)壓精度高、紋波干擾小、安全可靠等特性，故可廣泛應(yīng)用于國防、科技、生產(chǎn)等領(lǐng)域。

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【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路抗干擾常用措施

一、數(shù)字電路抗干擾設(shè)計常用措施分析

（1）抑制干擾源。抑制干擾源就是盡可能減小干擾源的du/dt，di/dt，這是抗干擾設(shè)計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，主要通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的di/dt，則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。抑制干擾源的常用措施為；第一，繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。只加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內(nèi)可動作更多的次數(shù)；第二，在繼電器接點兩端并接火花抑制電路，減小電火花影響；第三，給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短；第四，電路板上每個IC要并接一個0.01uF～0.1uF高頻電容，以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會影響濾波效果；第五，布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射；第六，可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。

（2）切斷干擾傳播路徑。干擾的傳播路徑基本分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。切斷干擾傳播路徑的常用措施為：第一，充分考慮電源對單片機(jī)的影響。許多單片機(jī)對電源噪聲很敏感，要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路。當(dāng)要求不高時，也可用100歐姆電阻代替磁珠；第二，若單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件，則在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離；第三，注意晶振的布線。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定；第四，電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離；第五，用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，一般廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時已考慮此要求；第六，單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣；第七，在單片機(jī)I/O口、電源線及電路板連接線等關(guān)鍵處應(yīng)使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器及屏蔽罩，能顯著提高電路的抗干擾性能。

（3）提高敏感器件的抗干擾性能。其常用措施為：第一，布線時，盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲；第二，布線時，電源線和地線要盡量粗。除了減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲；第三，對于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源；第四，對單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如IMP809，IMP706等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能；第五，在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路；第六，器件盡量直接焊在電路板上，少用IC插座。

二、數(shù)字電路抗干擾設(shè)計經(jīng)驗

（1）軟件方面。第一，將不用的代碼空間全清成“0”，等效于NOP，或在跳轉(zhuǎn)指令前加幾個NOP，目的是可在程序跑飛時歸位；第二，在無硬件“看門狗”時，可采用軟件模擬“看門狗”，以監(jiān)測程序的運行；第三，涉及處理外部器件參數(shù)調(diào)整或設(shè)置時，為防止外部器件因受干擾而出錯，可定時將參數(shù)重新發(fā)送一遍，使外部器件盡快恢復(fù)正確；第四，通訊中的抗干擾可加數(shù)據(jù)校驗位，采用3取2或5取3策略；第五在有通訊線時，將Data線、CLK線、INH線常態(tài)置以高位，其抗干擾效果要比置低位好。

（2）軟件方面。第一，地線、電源線的布線要盡可能的寬，且成網(wǎng)格狀；第二，線路要去偶；第三，數(shù)字地、模擬地要分開；第四，每個數(shù)字元件在地與電源之間都要加104電容；第五，為防I/O口的串?dāng)_，可將I/O口隔離，可用二極管隔離、門電路隔離、光偶隔離及電磁隔離等方法。

參考文獻(xiàn)

篇7

論文摘要：CO是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人處在CO氣體之中是十分危險的，甚至威脅到生命安全。在我國北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因為該氣體易在不能充分燃燒的條件下產(chǎn)生。設(shè)計出能檢測到CO氣體并能報警的電路是十分必要的，在滿足基本要求的基礎(chǔ)上，電路的設(shè)計還要考慮到傳感器部分要具有良好的溫度、濕度穩(wěn)定性。

根據(jù)生產(chǎn)生活需要設(shè)計CO探測報警電路，選用對CO有極高靈敏度的氣敏傳感器UL281作為報警電路探頭，結(jié)合UL281結(jié)構(gòu)及其功能，設(shè)計與之功能特點相匹配的電路，這些電路由單穩(wěn)延時電路、穩(wěn)定電源供電電路、探測電路（熱清洗電路）、電壓輸出電路、報警電路和元件損壞電路。

將電源接通經(jīng)過熱清洗后將傳感器放置在清潔空氣中，由于敏感元件的電阻很大，IC2 放大倍數(shù)近似于1。因此用電壓表測量H、L點之間的電壓很小，電路不報警，可調(diào)節(jié)電位器RP2 ，可改變IC3的負(fù)輸入電壓，電路最終完成之后，調(diào)節(jié)滑動變阻器RP2 ，使IC3的負(fù)輸入電壓為2.9V。將傳感器放大裝有300ppm氣樣的密封塑料袋內(nèi)，調(diào)節(jié)RP1，使IC2的輸出為3.00V。此時電壓比較器IC3正輸入大于負(fù)輸入，其輸出正飽和而使VT3導(dǎo)通報警。

第一章 概 述

第一節(jié) 傳感器的概述及組成

一、引 言

CO是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人處在CO氣體之中是十分危險的，甚至威脅到生命安全。我國的CO報警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高，其系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。而在居民住宅區(qū)、機(jī)房、辦公室等小型單位場所，需要設(shè)置一種單一、廉價實用的CO探測報警裝置，基于此種現(xiàn)象，應(yīng)用所學(xué)的電路知識設(shè)計出一種簡單易于實現(xiàn)，低成本的CO報警電路，不僅對于所學(xué)知識是一次綜合復(fù)習(xí)的機(jī)會，而且更是練習(xí)如何應(yīng)用所學(xué)的書本知識解決實際生產(chǎn)生活問題的能力，這是相當(dāng)必要的。

二、 傳感器概述

人們通常將能把被測量物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出的裝置稱為傳感器。傳感器也叫做變換器、換能器或探測器。傳感器輸出的信號有不同的形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量，那么無論是信號或是信息處理，或者是最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制，都將成為一句空話?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測和控制系統(tǒng)。

三、 傳感器組成框圖

傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助元件組成，有時也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。

敏感元件

傳感元件

信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路

輔助電源

傳感器組成方框圖

第二節(jié) 氣敏傳感器概述

一、 氣敏傳感器的檢測對象及檢測原理

此次設(shè)計的電路是一氧化碳探測報警器，由于一氧化碳是有毒氣體，因此檢測到一氧化碳并實現(xiàn)報警功能的電路設(shè)計就需要選用氣敏傳感器。

氣敏傳感器是一種把氣體（多數(shù)為空氣）中的有毒成分檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘柕钠骷?，如果以人們的感覺器官在作比喻，那么氣敏傳感器相當(dāng)于人的鼻子（嗅覺）。但是人的嗅覺在靈敏其感知對象也是多樣的。在我們周圍，實際上存在的各種各樣的氣體，它們中的大部分將會成為氣敏傳感器的檢測對象。氣敏傳感器的典型用途見于附表1.2.1和1.2.2。

首先被實際應(yīng)用的氣敏傳感器是用于防止可燃性氣體（LPG等）爆炸瓦斯泄露報警器。其后，隨著環(huán)境監(jiān)測等，又不斷地提出研制新型氣敏傳感器的任務(wù)。

氣敏傳感器是化學(xué)傳感器的一個重要組成部分。這里涉及到用于化學(xué)傳感器的化學(xué)物質(zhì)的檢測原理。為了將化學(xué)物質(zhì)檢測出來分類，也就是同物理傳感器一樣，可分為能量變換式和能量控制式。前者是以被測物質(zhì)所具有的化學(xué)能（化學(xué)電勢）作為信號源，傳感器相當(dāng)于將化學(xué)能變換成電能的變換器（換能器）。

所謂半導(dǎo)體氣體傳感器，是對利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測氣體成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。

半導(dǎo)體氣敏傳感器大體上分為電阻式和非電阻式兩種，電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器利用氧化錫、氧化鋅等金屬材料來制作敏感元件；利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。氣敏元件，有多孔質(zhì)燒結(jié)體、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等幾種非電阻式半導(dǎo)體傳感器。根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)，利用半導(dǎo)體的功函數(shù)，對氣體進(jìn)行直接的檢測。目前，正在積極開發(fā)的有金屬/半導(dǎo)體結(jié)型二極管和金屬柵的MOS場效應(yīng)晶體管的敏感元件，主要利用它們與氣體接觸后整流特性以及晶體管作用的變化，制成對表面單位有直接測定的傳感器。

二、 “電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器”概述

半導(dǎo)體元件的電阻，由于與氣體接觸而發(fā)生變化，將利用這種現(xiàn)象的傳感器，稱之為電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器。這類氣敏傳感器元件的構(gòu)造簡單，也不需要專門的放大電路來放大信號。由于這些特點，所以它很早被研究，而且已制成商品。元件的種類有：在絕緣基片上用蒸鍍或是濺射法制成的薄膜元件（厚度約小于1000?）；把氧化物半導(dǎo)體粉末調(diào)制成的漿料印刷到基性的燒結(jié)型元件。傳感器元件通常在加熱條件下才能動作，因此必須有加熱裝置。把氣體敏感膜加熱器與溫度測量探頭集成在一塊硅片上，從而制成集成開關(guān)電路動作，蜂鳴器和燈泡開始接通。半導(dǎo)體元件，大多在通電初期，阻值暫時變高而產(chǎn)生高輸出。這是由于在沒有通電時，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨著溫度的上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，呈現(xiàn)出一種過渡的現(xiàn)象。為防止這種誤報警，通常在通電初期增設(shè)防止誤報警電路。為防止突發(fā)性噪聲，機(jī)內(nèi)應(yīng)裝入延遲電路。

B1——開關(guān)電路

B2——防止通電初期誤報警電路

B3——信號發(fā)生電路

B4——電源指示燈

B5——蜂鳴器電路

半導(dǎo)體的氣敏特性如圖，元件的電阻R與空氣中所含有的被測氣體濃度C之間的關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗一般用對數(shù)表示的如下公式是成立的：㏒R= m㏒C+n

m、n是由傳感器元件，測量氣體的種類，測量溫度等因素決定的常數(shù)。m表示相對氣體濃度變化的敏感程度，m越大，敏感程度越大，但對通常的可燃性氣體的檢測，一般取為1/2~1/3，設(shè)Ra為普通氣體（空氣）濃度為零時的電阻，則氣體靈敏度（即響應(yīng)率）可由Ra/R來表示，它是氣濃度C的函數(shù)為便于氣體檢測，用C為定值時的相對靈敏度作比較。從圖知道，相對靈敏度隨氣體而不同，雖然還隨著傳感器的種類、添加劑、測量溫度的不同而有很大差異，但是一般越容易燃燒的氣體，其含碳量越大，它的相對靈敏度也就高。這是因為在元件上的氣體的燃燒，在本質(zhì)上與氣體的響應(yīng)特性有關(guān)。

第二章 一氧化碳探測報警傳感電路設(shè)計

第一節(jié) CO探測報警電路設(shè)計的要求

CO是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人處在CO氣體之中是十分危險的，甚至威脅到生命安全。在我國北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因為該氣體易在不能充分燃燒的條件下產(chǎn)生。設(shè)計出能檢測到CO氣體并能報警的電路是十分必要的，在滿足基本要求的基礎(chǔ)上，電路的設(shè)計還要考慮到傳感器部分要具有良好的溫度、濕度穩(wěn)定性。

第二節(jié) 電路設(shè)計所需的主要元器件的選用

一、UL281的選用

基于實際的需要，針對一氧化碳要選用對于一氧化碳?xì)怏w具有較高的靈敏度的氣敏元件，通過查閱資料選出UL281作為探頭。

一氧化碳檢測保護(hù)儀，其特征在于采樣傳感器為UL281半導(dǎo)體探頭，作為采樣傳感器，并配置探頭預(yù)熱工作轉(zhuǎn)換電路，解決了傳感器在不同條件下其特征變化大的問題，并保證了探頭工作在最佳狀態(tài)。其探測極（2、3）端接9伏直流電源，（5、6）端輸出接放大電路，其燈絲極（1、4）端之間接有探頭預(yù)熱工作轉(zhuǎn)換電路。

表UL281參數(shù)

項目

測量范圍

靈敏度

加熱電壓

加熱電流

測量電壓

工作溫度

相對濕度

響應(yīng)時間

單位

10-6

R0/RX

V

mA

V

°C

%RH

S

型號UL281

0~300

大于5

5±0.5

160~180

15±1.5

-10~50

不大于95

60

注：R0為在空氣中的阻值，RX為在2*10-4酒精濃度時的阻值

它的靈敏度曲線如圖所示，其響應(yīng)曲線如圖所示。

二、555單穩(wěn)延時電路的選用

由于在工藝上氣體敏感膜加熱器與溫度測量探頭集成在同一塊硅片上，從而制成集成化元件。當(dāng)元件檢測到氣體時，電阻降低。半導(dǎo)體元件，大多數(shù)在通電初期，阻值暫時變高而產(chǎn)生高輸出。這是由于在沒有通電時，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨溫度上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，產(chǎn)生一種過渡現(xiàn)象。這樣對于電路會產(chǎn)生誤報警，為了防止誤報警現(xiàn)象的產(chǎn)生，在電路內(nèi)部需要裝入延遲電路。因此在此次CO探測報警電路的設(shè)計中，采用555時基集成電路組成單穩(wěn)態(tài)延時電路。

在實際應(yīng)用中，555除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個單穩(wěn)、多個雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。本設(shè)計中所需要的是單穩(wěn)電路，其電路及參數(shù)如下：

單穩(wěn)類電路

單穩(wěn)工作方式，它可分為3種。見圖示。

第1種（圖1）是人工啟動單穩(wěn)，又因為定時電阻定時電容位置不同而分為2個不同的單元，并分別以1.1.1 和1.1.2為代號。他們的輸入端的形式，也就是電路的結(jié)構(gòu)特點是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。

第2種（圖2）是脈沖啟動型單穩(wěn)，也可以分為2個不同的單元。他們的輸入特點都是“RT-7.6-CT”，都是從2端輸入。1.2.1電路的2端不帶任何元件，具有最簡單的形式；1.2.2電路則帶有一個RC微分電路。

第3種（圖3）是壓控振蕩器。單穩(wěn)型壓控振蕩器電路有很多，都比較復(fù)雜。為簡單起見，我們只把它分為2個不同單元。不帶任何輔助器件的電路為1.3.1；使用晶體管、運放放大器等輔助器件的電路為1.3.2。圖中列出了2個常用電路。

根據(jù)電路的需要，采用1.2.1所示的脈沖啟動單穩(wěn)，其具有最簡單的形式又能實現(xiàn)延時功能。

三、 電路中三極管的選用2SC2001和2SC945結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本電路設(shè)計采用了三極管2SC2001其結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下 ：

Description

Transistor. General purpose applications high total power disipation

Pol

NPN

Ic(max)

0.7A

Pc(max)

0.6W

Vceo(max)

25V

hfe(min.-max.)

90~400

Pins/Package

3P/TO-92

Application

LF A

2SC945結(jié)構(gòu)及參數(shù)

NPN三極管 （與2SA733互補(bǔ)）

作為低噪聲前置放大，應(yīng)用于:彩電、收錄機(jī)、遙控玩具等電子產(chǎn)品。

1、發(fā)射極 E

2、集電極 C

3、 基

極 B

極限值（TA=25℃）

集電極、基極擊穿電壓

VCBO

60

集電極、發(fā)射極擊穿電壓

VCEO

40

發(fā)射極、基極擊穿電壓

VEBO

6

集電極電流

IC

200

集電極功率

PC

625

結(jié)溫

TJ

150

貯存溫

TSTG

-55-150

四、LM324的選用

電路設(shè)計中所采用的運算放大器IC1~IC4 在制作時用一塊集成運算放大器LM324即可實現(xiàn)其功能。其內(nèi)部具有四個相同的運放，其結(jié)構(gòu)及主要功能參數(shù)如下：

LM324MX 結(jié)構(gòu)圖及主要參數(shù)

Description

Low Power Quad Operational Amplifiers

Pins/Package

14P/DIP

第三節(jié) 電路整體設(shè)計框圖及整體電路圖

一、電路設(shè)計框圖：

穩(wěn)定電源供電電路

探測電路（熱清洗電路）

電壓輸出電路（報警電路）

二、整體設(shè)計電路圖：

轉(zhuǎn)貼于

第四節(jié) 電路分析

一、 單穩(wěn)延時電路的設(shè)計

設(shè)計單穩(wěn)延時電路的原因是因為當(dāng)元件檢測到氣體時，電阻降低。半導(dǎo)體元件，大多數(shù)在通電初期，阻值暫時變高而產(chǎn)生高輸出。這是由于在沒有通電時，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨溫度上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，產(chǎn)生一種過渡現(xiàn)象。這樣對于電路會產(chǎn)生誤報警，為了防止誤報警現(xiàn)象的產(chǎn)生，在電路內(nèi)部需要裝入延遲電路。

采用555時基集成電路，它組成單穩(wěn)態(tài)延時電路，接通電源后大約經(jīng)過165s，555的輸出端3腳輸出高電平，使VT2 、VT5 導(dǎo)通。LED3 與R24 組成電源顯示電路，當(dāng)電路工作時，發(fā)光二極管LED3 發(fā)出綠光，顯示電路電源供電正常。

二、穩(wěn)壓電路

設(shè)計穩(wěn)壓電路的原因是因為UL281工作時需要對其加熱絲進(jìn)行加熱，其加熱電源要求穩(wěn)定，故采用穩(wěn)壓電路對其供電。

穩(wěn)壓電路由IC1， VT1 和R1-R4組成。IC1同相輸入端上的電壓為U+ =15/（47+15）=2.9V，IC1為一同相放大器，輸出電壓約為6V左右。因此，晶體管VT1導(dǎo)通，加在傳感器加熱絲與地之間的電壓約為11V。，如果空氣是清新的，通過氣敏元件的電流仍很?。ㄆ潆娮韬艽螅?。

三、加熱電路

由于UL281工作時需對其加熱絲進(jìn)行加熱，所以設(shè)計由VT2組成初始加熱清洗電路，VT2 導(dǎo)通后，將R6、R7短路，A點流經(jīng)傳感器加熱絲的電流增大，對其附表面進(jìn)行加熱清洗，VT5組成初始清洗指示電路，VT5導(dǎo)通后，LED2（黃）發(fā)光。

如圖3

四、電壓放大電路、報警電路

IC2組成電壓放大器，其正輸入端輸入基準(zhǔn)電壓6V，當(dāng)空氣清潔時，氣敏元件的電阻很大，IC2的放大倍數(shù)接近1，當(dāng)一氧化碳濃度增加時，氣敏元件阻值下降，IC2的放大倍數(shù)增加，輸出電壓亦增加，調(diào)整電位器RP1（10K）可改變放大倍數(shù)。

IC3 為電壓比較器，它和晶體管VT3組成報警電路，調(diào)節(jié)RP2可調(diào)節(jié)報警濃度設(shè)定值，當(dāng)CO濃度超過設(shè)定值時，IC3 輸出高電平，VT3 導(dǎo)通，蜂鳴器報警。

（如圖4，電壓放大電路）

（如圖5，報警電路）

五、元件損壞指示電路

傳感器氣敏元件損壞時，會對探測電路的測量結(jié)果造成嚴(yán)重的影響，因此有必要設(shè)置一種指示氣敏元件是否正常工作的指示電路，如下圖所示。IC4、VT4、組成氣敏元件損壞指示電路，IC4接成比較器，其輸入端的電位約為4.3V。氣體元件正常工作時，R6、R7的壓降大于4.3V，IC4輸出為負(fù)，VT4截止，LED1（紅）不亮，當(dāng)傳感器加熱絲被燒斷時，R6、R7懸空，其壓降為0，IC4輸出為高電平，VT4導(dǎo)通，LED1亮，紅燈顯示元件已損壞。

（如圖6）

六、電路調(diào)試

（1）將電源接通經(jīng)過熱清洗后將傳感器放置在清潔空氣中，由于敏感元件的電阻很大，IC2 放大倍數(shù)近似于1。因此用電壓表測量H點、L點之間的電壓應(yīng)很小，否則電路或傳感器接線有故障。

（2） 調(diào)節(jié)電位器RP2，使IC3的負(fù)輸入端的電壓為2.90V

（3） 將傳感器放大裝有300ppm氣樣的密封塑料袋內(nèi)，調(diào)節(jié)RP1，使IC2的輸出為3.00V。此時電壓比較器IC3正輸入大于負(fù)輸入，其輸出正飽和而使VT3導(dǎo)通報警。

第三章 電路設(shè)計總結(jié)

一、優(yōu)點總結(jié)

通過實際生活的需要而設(shè)計的CO檢測報警電路，此電路設(shè)計體現(xiàn)了該電路具有的優(yōu)點，總結(jié)如下：

第一、首先針對需要被檢測的有毒氣體CO，選用什么樣的氣敏元件至關(guān)重要。要選擇對一氧化碳有極高的靈敏度，這樣才能使檢測更準(zhǔn)確，對一氧化碳有無以及濃度大小作出靈敏判斷，并且要求濕度、溫度穩(wěn)定性好，以適應(yīng)生產(chǎn)生活環(huán)境中濕度和溫度的變化。通過查閱資料找到針對一氧化碳CO靈敏度極高的是氣敏元件UL281。這樣關(guān)鍵器件的選用問題解決了。

第二、選出的UL281對CO具有極高的靈敏度，但它不是孤立存在的，還要設(shè)計出與其相匹配的電路及探測報警電路。根據(jù)UL281的結(jié)構(gòu)及其特點設(shè)計電路，既保證了UL281要求電源供電穩(wěn)定，又保證了UL281的加熱絲加熱的要求。此電路還可通過滑動變阻器RP1 調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。出于對報警安全嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目紤]，還設(shè)計了氣敏元件損壞指示電路，為了防止因元件損壞無法檢測而造成無法報警，因此設(shè)計了氣敏元件損壞指示電路。

二、 有待改進(jìn)的地方總結(jié)

即使該電路的設(shè)計具有解決問題的主要優(yōu)點和特點，但任何一項電路設(shè)計都不可能是完美的、沒有缺憾的，因此我根據(jù)實際生活需求概括出此電路在實際應(yīng)用中有待改進(jìn)的地方如下：該電路設(shè)計只是根據(jù)實際的問題需要設(shè)計的探測報警電路原理圖，如果把理論應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中還要考慮產(chǎn)品如何才能更方便的使用。我想到的就是電源供電的問題。該設(shè)計用的是直流12V電源，不方便日常生活使用，在產(chǎn)品制作工藝上，電源部分設(shè)計成交流電源（生活用電），通過橋式整流等電路轉(zhuǎn)換成直流電，作為電源供電，我想這樣會更有益于日常生活推廣使用。

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篇8

PPTC器件技術(shù)已廣泛應(yīng)用于便攜式電器、手機(jī)、計算機(jī)和遠(yuǎn)程通信設(shè)備的過流和過熱電路保護(hù)設(shè)計中。汽車電子技術(shù)委員會推出的有關(guān)無源部件的新標(biāo)準(zhǔn)，推動了PPTC電路保護(hù)技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，主要針對電子電路和機(jī)動附件，如電動車窗、電動座椅、天窗控制和遠(yuǎn)程信息處理裝置，旨在降低成本及提高可靠性和功能性。

電機(jī)驅(qū)動和控制裝置要經(jīng)受某些嚴(yán)酷的工作環(huán)境，而且要求能夠連續(xù)和可靠地運行。現(xiàn)場的故障是無法避免的，選擇正確的電路保護(hù)策略將有助于確保產(chǎn)品的可靠性，并將制造商和客戶的維修成本控制在最低。采用泰科電子公司Raychem電路保護(hù)部提供的PolySwitchPPTC可復(fù)位電路保護(hù)器件，開發(fā)出更為穩(wěn)固和可靠的產(chǎn)品，在電機(jī)的驅(qū)動和控制系統(tǒng)中能對某些常見的故障提供保護(hù)。

PPTC器件的小巧外形有助于節(jié)省寶貴的電路板空間，由于其具備自復(fù)式功能，因此可以允許布置在用戶無法接觸到的位置，這與傳統(tǒng)保險絲需要布置在用戶能夠方便更換的位置相比具有明顯的差異。由于PPTC器件是固態(tài)器件，因此還能夠耐受機(jī)械沖擊和振動，可為各種不同的應(yīng)用場合提供可靠的電路保護(hù)。

電源保護(hù)

PolySwitch

圖2：PPTC器件對輸入/輸出接口的保護(hù)。

PPTC器件一直以來應(yīng)用于電源直流輸出端的過載和短路保護(hù)。在開發(fā)出LVR系列產(chǎn)品后，目前PolySwitch器件已經(jīng)可以應(yīng)用在電源輸入端的交流主電路中，將交流線路變壓器和其它線路側(cè)設(shè)備置于它的保護(hù)范圍內(nèi)。這些產(chǎn)品能夠在中性線不小心處于斷開狀態(tài)或交流線電壓用于24VAC輸入端時，能夠為電源提供保護(hù)。

LVR器件適用于電源系統(tǒng)，在120VAC和240VAC電壓下，其最大輸入電流可高達(dá)400毫安。而電流更大的電源系統(tǒng)可以將PolySwitch器件安置在次級端的輸出電路，用于保護(hù)由于過電流狀態(tài)所引發(fā)的電源故障(如圖1所示)。

輸入/輸出接口的保護(hù)

許多驅(qū)動器和控制裝置均配備了通訊和數(shù)據(jù)接口，用于各個系統(tǒng)元件之間的信息傳輸。而這些接口的接線有時會與交流或直流電源電纜并排敷設(shè)。這些線束可能由于正常的磨損、意外事故、安裝接線錯誤或在中央配電箱上進(jìn)行的誤操作，而出現(xiàn)短路現(xiàn)象。如果電源電纜與通訊電線出現(xiàn)短路現(xiàn)象，PolySwitch器件能夠保護(hù)任何與這條短路線路相連接的系統(tǒng)，以免造成通訊接口的損壞。在某些情況下，這種現(xiàn)象有可能影響到很多系統(tǒng)。而PolySwitch器件在保護(hù)接口處所起的作用，可以明顯地降低設(shè)備常見故障的停運時間和修理成本(如圖2所示)。

過熱保護(hù)

由于PolySwitch器件能夠?qū)碜酝獠康臒崃亢蛢?nèi)部電流產(chǎn)生的熱量所引發(fā)的溫度上升作出響應(yīng)，并可與高壓設(shè)備建立起熱量方面的聯(lián)系，為高壓設(shè)備提供過熱保護(hù)。建立這種熱量聯(lián)系可以通過將這些器件布置成與高壓設(shè)備發(fā)生接觸或靠近高壓設(shè)備的方式來實現(xiàn)。

此接觸的方式使該器件能夠很容易地與設(shè)備形成物理接觸，從而提高了保護(hù)的效果。在這類設(shè)備中，變壓器是一個很好的例子，PolySwitch器件可以捆綁在外部線圈上或外殼上(如圖3所示)，從而建立起熱量聯(lián)系，還可以在設(shè)計時結(jié)合到電路中，使其具備在變壓器過熱時向控制器發(fā)送警告，系統(tǒng)馬上停止運行。

近距離方式適用于電源半導(dǎo)體部件的保護(hù)，而且在小型的表面貼裝PolySwitch器件與電源器件同處于一個銅底板時效果最好。這是一種成本低廉的熱量聯(lián)系方式，使PolySwitch器件能夠在溫度超過其動作點時進(jìn)行動作，同時通知電源器件處于過熱狀態(tài)下時應(yīng)該停止運行。

在這種應(yīng)用中，會存在一定程度的熱延遲現(xiàn)象，所以這一保護(hù)方案無法保護(hù)大電流部件以及部件在毫秒級的時間內(nèi)就發(fā)生故障的電源器件。但是，對于絕大多數(shù)的過負(fù)載狀態(tài)，這種配置均可以對電源器件提供保護(hù)。

運動機(jī)械均有可能出現(xiàn)堵塞或斷裂故障，并可導(dǎo)致電機(jī)失速。在電機(jī)失速時繼續(xù)供給電源會導(dǎo)致電機(jī)的損壞和/或驅(qū)動裝置的損毀。將PolySwitch器件與電機(jī)驅(qū)動器串聯(lián)起來(如圖4所示)，可以保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動電子電路，防止在失速或負(fù)載過大的狀態(tài)下系統(tǒng)發(fā)生故障。在故障清除后(而且電源斷開后)，系統(tǒng)可以重新開始正常的運行，無需進(jìn)行維護(hù)或更換部件。多年以來，PolySwitch器件一直是汽車工業(yè)中最為常用的保護(hù)車座、車窗和其它電機(jī)的方案。

在這些應(yīng)用中，使用PolySwitch器件要求考慮串聯(lián)電阻的阻值和器件的最大保持電流額定值。室溫下的最大工作電流為：16V以下為15A，30V以下為9A。

在這些應(yīng)用中，當(dāng)這些系統(tǒng)由于過電流或過熱狀態(tài)而導(dǎo)致外部故障時，PolySwitch器件能夠允許電機(jī)驅(qū)動和控制器系統(tǒng)繼續(xù)運行。其優(yōu)點在于提供了一種功能強(qiáng)大和可靠的產(chǎn)品，在其它部件出現(xiàn)故障時可以保護(hù)系統(tǒng)。

汽車IEEE1394網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在汽車工業(yè)中，家庭生活方式與汽車日益緊密的聯(lián)系方興未艾。采用由美國汽車多媒體接口協(xié)會(AMI-C)制訂的標(biāo)準(zhǔn)化全球接口，就能方便地與各種消費電子設(shè)備相連，并為這些設(shè)備的快速安裝提供便利。在消費電子業(yè)界稱為IEEE1394串行總線的網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計時以多媒體內(nèi)容的傳輸為目標(biāo)。這一針對汽車工業(yè)的附加標(biāo)準(zhǔn)被稱為IDB-1394，由“1394聯(lián)合汽車工作組”制訂。

IDB-1394設(shè)計用于高速多媒體應(yīng)用，即在車內(nèi)快速傳輸大量的信息。這項開放式的標(biāo)準(zhǔn)允許便攜式的電子設(shè)備與車載網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行連接和互動操作，為兩者建立了溝通渠道。

電源接口需要提供過電流保護(hù)，而現(xiàn)有的汽車體系所使用的電源標(biāo)準(zhǔn)是在多年以前頒布的。由于用戶便利端口(CCP)用于傳輸信號和供電，所以必須對它進(jìn)行保護(hù)，以防止由于各種故障，例如接觸不良的電纜或接頭插入到商品時，發(fā)生短路或造成下行設(shè)備的損壞。這種情況有可能經(jīng)常發(fā)生，所以中央控制面板的短路保護(hù)必須有效而可靠。

應(yīng)用綜述

如圖5所示，車載網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)可分為內(nèi)嵌式網(wǎng)絡(luò)和用戶便利端口(CCP)。目前的技術(shù)規(guī)格將內(nèi)嵌式塑料光纖(POF)車載網(wǎng)絡(luò)定義為與現(xiàn)有的MOST(媒體定向系統(tǒng)傳輸)技術(shù)相似的規(guī)格。但是，前者的架構(gòu)更加穩(wěn)固、能夠提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且更易于實現(xiàn)。這個網(wǎng)絡(luò)能夠連接各種電子設(shè)備，例如DVD播放機(jī)、視頻顯示屏、導(dǎo)航系統(tǒng)、收音機(jī)接收設(shè)備、通訊設(shè)備，如無線電話或應(yīng)急自動遠(yuǎn)程通信及信息處理技術(shù)術(shù)語，以及其它的多媒體應(yīng)用。

這套視頻-音頻網(wǎng)絡(luò)包括一個CCP，可供乘客將自己的CD機(jī)、游戲機(jī)和其它應(yīng)用1394總線的設(shè)備和外設(shè)連接到網(wǎng)絡(luò)中，所配電纜通用于家中和車上。

電路保護(hù)要求

在熱插拔汽車環(huán)境中，由于客戶經(jīng)常要在電源接口上連接和斷開各種外設(shè)，所以明顯存在發(fā)生短路損壞的潛在危險。電源接口要求具備過電流保護(hù)的功能，而應(yīng)用于目前汽車系統(tǒng)中的現(xiàn)有電源標(biāo)準(zhǔn)是多年以前制訂的。因為用戶便利接口用于傳輸信號和供電，所以必須對它進(jìn)行保護(hù)，以防止由于各種故障，例如接觸不良的電纜或接頭插入接口時，發(fā)生短路或造成下行設(shè)備的損壞。這種情況有可能經(jīng)常發(fā)生，所以中央控制面板的短路保護(hù)必須有效而可靠，而且最好是能夠復(fù)位的。

圖5：車載視頻-音頻網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

電流限制可以通過使用電阻、保險絲、開關(guān)或PPTC器件來實現(xiàn)。目前很少采用電阻保護(hù)方案，因為它會在正常電流狀態(tài)下產(chǎn)生過大的電壓降。有可能采用一次性保險絲方案，但是這種保護(hù)易于損壞，而且必須在發(fā)生故障后予以更換。雙金屬開關(guān)的局限性在于它存在反復(fù)接通，并有可能導(dǎo)致觸點熔連故障。在很多汽車應(yīng)用中，最好的保護(hù)方案為PPTC器件，這種器件在正常工作狀態(tài)下呈現(xiàn)低阻抗，而在發(fā)生故障時呈現(xiàn)高阻抗。

PolySwitchPPTC器件廣泛用于IEEE1394應(yīng)用，經(jīng)常為計算機(jī)、外設(shè)和便攜式電子設(shè)備提供可復(fù)位式電路保護(hù)。在汽車多媒體應(yīng)用中，這種器件常用于為連接到汽車網(wǎng)絡(luò)的GPS定位設(shè)備、CD換片機(jī)、音響和其它電子外設(shè)的輸入輸出接口提供電路保護(hù)(如圖6)。

PPTC器件與傳統(tǒng)的熔斷器相似之處在于：能夠在故障產(chǎn)生和持續(xù)狀態(tài)下限制危險的大電流；而不同之處在于：在故障消除后和/或電路電源斷開后，PPTC器件能夠自行復(fù)位。另一項優(yōu)點是這種器件較為小巧，能夠直接安裝在電路板上，并且可安裝在電子模塊、接線盒和配電中心部件內(nèi)。

采用通用電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的車載產(chǎn)品能夠有助于客戶利用新面市的產(chǎn)品來升級汽車。而通用的總線也有助于汽車制造商在技術(shù)進(jìn)步、不斷超前汽車設(shè)計循環(huán)周期的情況中，解決由此引發(fā)的技術(shù)過時的問題。在熱插拔汽車環(huán)境中，由于客戶經(jīng)常要在電源接口上連接和斷開各種外設(shè)，所以明顯存在發(fā)生短路損壞的潛在危險。而PPTC器件為這一問題提供了有效的過電流保護(hù)方案。這種可復(fù)位的電路保護(hù)器件也有助于制造商生產(chǎn)出安全可靠的產(chǎn)品，以滿足管理機(jī)構(gòu)的要求，并且降低產(chǎn)品保修和修理成本。

圖6：PolySwitchPPTC器件可幫

助電路設(shè)計師滿足電路設(shè)計的

安全需求，并為連接到車載網(wǎng)絡(luò)

中的電源接口、遠(yuǎn)程信息處理設(shè)備和

便攜式設(shè)備提供電路保護(hù)。

篇9

Abstract： In recent years， with the use of a large number of power electronic components and other nonlinear devices， the harmonic pollution has affected the serious deterioration， which has affects the electrical equipment. The harmonic problem has become the three major pollutions in the power system with electromagnetic interference and power factor reduction. As a three-phase electric energy meter measurement， ADE7878 is widely used in the power grid signal analysis because of its high precision and flexible method. However， due to the defects of the sampling interval， there are obvious deficiencies in harmonic analysis. Aimed at this problem， this paper proposes a rapid analysis method for power system harmonic based on the weighted interception and spline interpolation. It can ensure the accuracy and improve the efficiency. The final experiment proves that the harmonic analysis results are correct.

關(guān)鍵詞： ADE7878；加權(quán)截?。?樣條插值；FFT；諧波快速分析

Key words： ADE7878；weighted interception；spline interpolation；FFT；rapid analysis of harmonic

中圖分類號：TM933.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0154-05

0 引言

近年來，隨著大量電力電子元件及其它非線性設(shè)備的使用[1]，使得電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重惡化，已經(jīng)影響到用電設(shè)備，諧波問題已經(jīng)與電磁干擾、功率因數(shù)降低并列為電力系統(tǒng)中的三大公害。及時準(zhǔn)確地掌握電網(wǎng)中的諧波分量參數(shù)[2]，才能為諧波治理提供良好的依據(jù)，維護(hù)電網(wǎng)的安全運行。

ADE7878作為三相電能測量IC，因其精度高、使用靈活而在電網(wǎng)信號分析中得到廣泛應(yīng)用[3]，但其在諧波分析中存在明顯不足。ADE7878的采樣間隔為125us，每個周波采樣160個點，不是2的整數(shù)冪，因而無法進(jìn)行常規(guī)基-2FFT運算，這也限制了其在電能質(zhì)量分析中的應(yīng)用。

在進(jìn)行FFT變換時，通常要求采樣點數(shù)N是2的整數(shù)冪，不滿足這個條件時可以直接進(jìn)行DFT運算，但是計算效率較低；也可以通過簡單增添有限長的零取樣序列來使N為2的整數(shù)冪，但對于ADE7878的應(yīng)用，N=160，28=256，27=228，需補(bǔ)零96個點，頻譜會發(fā)生很大變化，從計算的效率上看也不經(jīng)濟(jì)。本文提出一種針對ADE7878采樣特點的快速精確計算電力系統(tǒng)諧波參數(shù)的方法和裝置。

為克服ADE7878在諧波分析方面存在的上述不足，本文提供一種電力系統(tǒng)諧波快速分析方法及運行裝置。本算法中采用漢寧窗對電壓、電流采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)截取，對截取的信號進(jìn)行組合數(shù)FFT，先進(jìn)行常規(guī)基-2FFT變換，再進(jìn)行5點DFT變換，在保證計算精度的前提下，提高了效率。在此基礎(chǔ)上通過插值修正，得到最終的準(zhǔn)確的諧波分析結(jié)果。

1 基于ADE7878智能電表硬件設(shè)計

ADE7878是Analog Device公司（ADI）設(shè)計生產(chǎn)的一款高精度多功能三相電能計量專用芯片，內(nèi)置多個二階型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分器、基準(zhǔn)電壓源電路和所必需的信號處理電路，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)基本電參量的測量以及對電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測的功能[4]。

ADE7878可以工作在三線制或四線制系統(tǒng)中[5]，而且對電路的接法也不受限制，可以對電網(wǎng)運行的電參量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集并發(fā)送到上層控制芯片，方便控制芯片對電參量數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。ADE7878的電壓和電流通道[6]為24bit 型ADC，電壓和電流有效值在動態(tài)范圍為1000：1的動態(tài)下小于0.1%，電能在動態(tài)1000：1下小于0.1%，在動態(tài)3000：1下小于0.2%。ADE7878與上層控制芯片之間具有多種靈活的通信方式，如SPI、I2C和HSDC。ADE7878提供四種工作模式[7]，其中有一種正常模式和三種低功耗模式，這樣可以保證系統(tǒng)在斷電情況下能及時作出相應(yīng)的處理，提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

1.1 基于ADE7878智能電表硬件整體設(shè)計

由于ADE7878具有工作環(huán)境多樣、測量精度高、通信接口靈活等優(yōu)點，使得ADE7878在電力儀器儀表中的應(yīng)用十分廣泛。

智能電表的硬件電路設(shè)計包含以下幾個部分：DSP最小系統(tǒng)設(shè)計、信號采樣電路設(shè)計、實時時鐘電路設(shè)計、數(shù)據(jù)存儲電路設(shè)計、RS485通信電路設(shè)計、控制電路設(shè)計以及智能電表供電電源設(shè)計。ADE7878智能電表硬件整體設(shè)計如圖1所示。

本文智能電表采用ADE7878電能計量芯片進(jìn)行相關(guān)電參量數(shù)據(jù)的采集。ADE7878采用3.3V供電，外加16.384MHz石英晶體振蕩器，待測電流信號采用差分形式輸入，待測電壓信號采用單端輸入方式，電壓、電流信號輸入范圍為-0.5V～0.5V。ADE7878的I/O最大耐壓為±2V，因此需要添加相應(yīng)的保護(hù)電路。ADE7878的電路設(shè)計如圖2所示。

圖2中，IAP/IAN、IBP/IBN、ICP/ICN、INP/INN分別對應(yīng)A、B、C三相電流和零線電流經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的差分電壓輸入信號。VAP、VBP、VCP、VN對應(yīng)的是A、B、C三相電壓輸入信號和零線電壓輸入信號，這些信號輸入口的最大電壓變化范圍是-0.5V～0.5V。REF為ADE7878基準(zhǔn)電壓的參考引腳，通過此引腳可以訪問片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓的標(biāo)稱值為1.2V，也可以在此引腳上連接1.2V±8%的外部基準(zhǔn)電壓源。這兩種情況下，都需要外加一個4.7uF鉭電容和一個0.1uF的陶瓷電容并聯(lián)來對此引腳進(jìn)行去耦。芯片復(fù)位后，使能片內(nèi)1.2V基準(zhǔn)電壓源。

1.2 電壓信號采樣電路設(shè)計

電壓信號采樣電路的設(shè)計是信號采集電路的關(guān)鍵部分之一[8]。根據(jù)智能電表的需求分析，配電網(wǎng)一側(cè)的設(shè)計參考電壓范圍為3×65V～465V。在第二章中，已經(jīng)對電壓信號采樣的方案設(shè)計做出了說明，本文中電壓信號采集選擇高精度電壓互感器完成。使用電壓互感器進(jìn)行電壓信號采樣電路設(shè)計，會產(chǎn)生一定的相位延遲，并且不同的設(shè)計方法產(chǎn)生的測量相位延遲也不同，但均可以在后續(xù)軟件設(shè)計中進(jìn)行修正。

本文選擇的是電壓互感器是山東力創(chuàng)公司設(shè)計生產(chǎn)的一款高精度電流型電壓互感器LCTV31CE-2mA/2mA。這種電壓互感器的一次側(cè)和二次側(cè)的電流比為1：1，環(huán)路額定電流值為2mA，互感器體積小，電路設(shè)計較為簡單。

由于ADE7878的電壓測量輸入范圍是-0.5V～0.5V，電流型電壓互感器的二次側(cè)額定回路電流為2mA，因此，選擇249Ω（1%）精密電阻作為電壓互感器二次側(cè)取樣電阻比較合適。由于電壓互感器二次側(cè)和一次側(cè)的回路電流為1：1，因此選擇249kΩ（1%）精密電阻作為電壓互感器一次側(cè)的限流電阻較為合適[9]。這樣設(shè)計可以使得一次側(cè)輸入電壓上限達(dá)到500V，完全可以滿足配電網(wǎng)65V～465V的設(shè)計參考電壓需求。

通過電壓互感器、限流電阻、取樣電阻，已經(jīng)將配電網(wǎng)的交流大電壓信號轉(zhuǎn)換成了可測量交流小電壓信號，但待測信號送入ADE7878芯片之前還要經(jīng)過濾波電路和信號調(diào)理電路，使得輸入信號便于測量。電壓信號采樣電路設(shè)計如圖3所示。

由于電壓互感器的使用，會使得測量的信號與實際信號之間存在較大的相位誤差，圖3中所示的電壓采樣電路，電壓信號的相位延遲在30°左右?？梢詫@個電壓信號采集電路進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的電壓采樣電路如圖4所示。

按照改進(jìn)后的電壓采樣電路進(jìn)行電壓測量，可將信號的相位延遲控制在5°左右。

1.3 電流信號采樣電路設(shè)計

對于交流電流信號的測量，最后送入ADE7878的電流信號為差分電壓信號的形式，因此需要將交流電流信號變換為差分電壓信號的形式。根據(jù)智能電表的需求分析，配電網(wǎng)一側(cè)的設(shè)計參考額定電流為5A～20A，并且有一定的過流過載要求。

為了給設(shè)計留有余量，取樣電阻選擇15Ω（1%）的高精度金屬膜電阻。詳細(xì)電路設(shè)計如圖5所示。

圖5中，電流互感器的二次總負(fù)載為30Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LCTA21CE-40A/20mA所要求的二次側(cè)額定負(fù)載最大為100Ω，因此這樣的電路設(shè)計可以獲得較好的線性。

根據(jù)ADE7878元器件自身的特性，在ADE7878的信號輸入端，還應(yīng)該添加1kΩ和33nF的電容并聯(lián)，進(jìn)一步對輸入信號進(jìn)行濾波去耦。

由于ADE7878的模擬信號輸入端有最大承受電壓

±2V的限制，因此在信號輸入端應(yīng)該添加電壓鉗位電路，以免影響測量精度，甚至燒壞元器件。本項目中所選的電壓鉗位元件是BAV99?！?V電壓產(chǎn)生電路如圖6所示。采用的是電阻分壓方式從±5V電源之間產(chǎn)生±2V電源。

2 基于加權(quán)截取及樣條插值的智能電表諧波快速分析算法

2.1 加權(quán)截取

2.1.1 電壓電流信號采樣

利用微處理器設(shè)置定時器中斷，每500us讀取一次ADE7878寄存器VAWV、VBWV、VCWV、IAWV、IBWV以及ICWV，連續(xù)采樣四個周期，獲得電力系統(tǒng)三相電壓、電流信號瞬時值序列vA（n）、vB（n）、vC（n）、iA（n）、iB（n）及iC（n），采樣點數(shù)N=60，離散采樣序號n∈[0，N-1]。

2.1.2 漢寧窗加窗截斷

3 實驗及分析

本文所設(shè)計的智能電表電能質(zhì)量監(jiān)測功能包括監(jiān)測各相斷相、失流、過負(fù)荷、全失壓、電壓電流逆相序次數(shù)、各相電壓電流的2～19次諧波分析等。相對于其它電能質(zhì)量指標(biāo)來說，諧波含量是電能質(zhì)量中較為重要的一個指標(biāo)。本文在測試中重點對智能電表對電網(wǎng)諧波分析的功能進(jìn)行了詳細(xì)的測試。

本文中智能電表具備2～19次諧波分析功能。為了方便實驗比對，選擇美國福祿克公司設(shè)計生產(chǎn)的F434型三相諧波分析儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器用于實驗數(shù)據(jù)對比。Fluke F434型三相諧波分析儀如圖8所示。在本文的實驗設(shè)計中，由于ADE7878的采樣間隔為125us，每個周波采樣160個點，不是2的整數(shù)冪，因而無法進(jìn)行常規(guī)基-2FFT運算，故普通FFT采用的是以零補(bǔ)齊的方式，而本文提出的算法由于不受2的整數(shù)冪限制，沒有零補(bǔ)齊。由表1及圖9的實驗結(jié)果可知，本文所提出的諧波分析算法經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)諧波測試分析儀Fluke F434驗證，誤差控制在0.2510%-1.9646%之間，且本文算法2～19次諧波分析測試結(jié)果均優(yōu)于普通FFT結(jié)果，且在2次諧波處誤差獲得最大2.1%的降幅。

4 結(jié)論

本文方法解決了ADE7878電能計量芯片在諧波分析時無法進(jìn)行常規(guī)FFT的問題。將160個采樣數(shù)據(jù)份分成5組，分別進(jìn)行32點的基-2FFT，充分利用基-2FFT算法的高效性，既保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，又提高了諧波分析的效率；采用漢寧窗截取采樣序列，減少頻譜泄漏；采用插值修正算法克服了非同步采樣引起的柵欄效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

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[9]李（木岡）宇.數(shù)字中頻模塊的硬件設(shè)計與調(diào)試[D].西安電子科技大學(xué)，2007.

篇10

關(guān)鍵詞 電子技術(shù)綜合設(shè)計；實踐能力；創(chuàng)新思維

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）02-0113-02

Reform and Practice of Integrated Design of Electronic Techno-logy//ZHOU Tao， ZHANG Ruimin， LIU Qiao， LI Shuanming， ZHONG Furu

Abstract This article introduces the curriculum reform and practice from the aspects of teaching goal， teaching content， teaching imple-mentation， teaching method， examination method and teaching effect. The reform of the integrated design course of electronic tech-nology will be beneficial to the improvement of students’ practical ability， and to cultivate the students’ innovative thinking.

Key words integrated design of electronic technology； practical ability； innovative thinking

1 引言

隨著石河子大學(xué)人才培養(yǎng)模式的不斷改革，以及社會對高等教育培養(yǎng)具備實踐能力、創(chuàng)新思維人才目標(biāo)要求的提出，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)作為工科專業(yè)人才培養(yǎng)體系中的重要組成部分[1]，成為當(dāng)下大學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。電子技術(shù)綜合設(shè)計是一門實踐性非常強(qiáng)的實訓(xùn)類課程，是電子技術(shù)人才培養(yǎng)成長的必由之路。由學(xué)生自行設(shè)計、自行制作和自行調(diào)試電子電路，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握綜合模擬、數(shù)字、高頻電路知識，解決電子信息方面常見實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生電子電路設(shè)計與EDA（Electronic Design Automation）調(diào)試工具的使用方法，以及開展項目管理的基本方法。

2 現(xiàn)狀

以往的教學(xué)安排中主要側(cè)重電子電路的設(shè)計和仿真，留給學(xué)生自己用于思考和設(shè)計的時間有限，設(shè)計基本停留在紙上和計算機(jī)上。因此，教學(xué)效果很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。雖然W生在參加接下來的相關(guān)課程的課程設(shè)計、大學(xué)生訓(xùn)練計劃、全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽、畢業(yè)設(shè)計時理論分析能力得到提高，但實際設(shè)計和調(diào)試時卻出現(xiàn)大量問題很難得到快速解決的現(xiàn)象。所以，這種教學(xué)模式不再適應(yīng)目前新的人才培養(yǎng)方案對于電子信息工程專業(yè)提出的要求以及創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

3 課程改革探索與實踐

電子技術(shù)綜合設(shè)計課程的改革與探索主要從課程教學(xué)目標(biāo)、課程教學(xué)內(nèi)容、課程教學(xué)實施、教學(xué)方法、考核方法和教學(xué)效果等幾個方面進(jìn)行。

課程目標(biāo) 電子技術(shù)綜合設(shè)計將學(xué)生已學(xué)過的電路基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路以及高頻電路等課程的知識綜合運用在該課程中[2]，從而培養(yǎng)學(xué)生具備電子元器件的識別和選擇，電子電路仿真和電路設(shè)計軟件的使用，電子電路的分析和設(shè)計以及實際應(yīng)用電路項目的開發(fā)、管理等綜合能力，使學(xué)生切實經(jīng)歷從原來課本上的電路到EDA軟件的仿真電路再到實際看得到、摸得著的電路的實現(xiàn)過程。該課程是對現(xiàn)有課程體系的完善和補(bǔ)充[3]，幫助學(xué)生拓展視野，提升學(xué)生參加課外科技活動、校級SRP（Student Research Project）活動、國家大學(xué)生創(chuàng)新計劃以及全國電子設(shè)計競賽等專業(yè)競賽的興趣和畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量與水平。

教學(xué)內(nèi)容 課程的主要內(nèi)容按照基本知識驗證、專業(yè)知識綜合、創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)的原則進(jìn)行安排，主要包括：常用電子元器件基礎(chǔ)知識；常用電子測量儀表的使用；電路仿真軟件的使用；印刷電路板的設(shè)計與實現(xiàn)；電子電路系統(tǒng)設(shè)計方案提出、論證、設(shè)計、元件焊接、系統(tǒng)調(diào)試；撰寫總結(jié)報告、答辯等。

1）常用電子元器件基礎(chǔ)知識：主要講解電阻、電容、電感、電位器、變壓器等常用元件的區(qū)分，還包括一些電子常用術(shù)語，比如單面板、雙面板、焊盤、焊接面、虛焊、橋接等。

2）常用電子測量儀表的使用：包括萬用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源的基本使用方法。

3）電路仿真軟件的使用：主要講解電路仿真軟件Multisim的使用。

4）印刷電路板的設(shè)計與實現(xiàn)：Altium Designer軟件中電路原理圖的繪制和PCB圖的繪制方法。

5）電子電路系統(tǒng)設(shè)計方案提出、論證、設(shè)計、元件焊接、系統(tǒng)調(diào)試：對全班學(xué)生進(jìn)行分組，四個人一組，每組一個設(shè)計題目，每組經(jīng)過方案的提出、討論、修改、教師審核、論證后設(shè)計出電路仿真圖，仿真沒有問題后設(shè)計PCB圖，然后制成單面板進(jìn)行元件焊接、調(diào)試。

6）撰寫總結(jié)報告、答辯：系統(tǒng)設(shè)計完成后，每組撰寫總結(jié)報告，提出系統(tǒng)的優(yōu)點和設(shè)計不足，以及設(shè)計過程中自己的心得體會，最后制作幻燈片進(jìn)行課程匯報答辯。

教學(xué)實施 在完成各個教學(xué)內(nèi)容時，課程采用項目驅(qū)動的方式使學(xué)生在掌握理論知識的同時，實踐能力也得到不同程度的提高。整個教學(xué)過程分為4個項目進(jìn)行，通過項目的完成，學(xué)生逐步完成課程的學(xué)習(xí)，綜合能力也在不知不覺中得到鍛煉。

1）基本元件及電路測試項目。教學(xué)內(nèi)容的前兩部分講解完成后，要求每個學(xué)生進(jìn)行基本元件參數(shù)的測試、電路虛焊、雙面板線路測試等。通過該項目，學(xué)生掌握電子元件與電路測試的基本方法和常用測量儀器的使用方法。

2）電子電路設(shè)計和仿真項目。在該項目中，教師首先講解電路仿真軟件Multisim的使用方法，然后以實例設(shè)計一個兩級晶體管放大電路。在此過程中，教師從元件參數(shù)的選取、放大倍數(shù)的計算、系統(tǒng)測試和修改等方面給學(xué)生進(jìn)行講解。講解完成后，學(xué)生參考實例設(shè)計一個放大倍數(shù)不同的晶體管放大電路作為練習(xí)。練習(xí)完成后，全體學(xué)生設(shè)計一個波形發(fā)生電路用來產(chǎn)生方波、三角波信號。學(xué)生設(shè)計過程中可相互交流，碰到問題可詢問教師，最終完成項目預(yù)期目標(biāo)。該項目完成后，學(xué)生可以掌握電路仿真軟件的使用方法和電路設(shè)計的基本原則。

3）電子電路制板與焊接調(diào)試項目。前兩階段的項目完成后，教師講解電路制板軟件Altium Designer的使用方法和手工腐蝕法制作單面電路的流程，講解和制作過程以上一個項目中的兩級晶體管放大電路為例，講解的過程中學(xué)生如果有問題可隨時提出，教師進(jìn)行解答。最終要求學(xué)生自己實現(xiàn)一個兩級晶體管放大電路的印刷電路板的繪制，以及電路的腐蝕、焊接、通電調(diào)試。通過該項目，學(xué)生掌握了電子電路從書本的理論知識到實物實現(xiàn)的過程。

4）C合設(shè)計與總結(jié)項目。學(xué)生按學(xué)號進(jìn)行隨機(jī)選題，題目內(nèi)容涵蓋模擬電路（如連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源）、數(shù)字電路（如循環(huán)彩燈控制器）、高頻電路（如小信號阻容耦合放大電路設(shè)計）。題目選定后，題目相同的學(xué)生分成一組，組建項目小組。項目組成員提出設(shè)計方案，經(jīng)過理論論證，設(shè)計完成仿真電路和PCB電路，然后采用手工腐蝕法實現(xiàn)電路系統(tǒng)的板面布線，最后進(jìn)行元件焊接和調(diào)試。系統(tǒng)完成后，整個課程基本接近尾聲，每組學(xué)生要對自己的設(shè)計方案進(jìn)行匯報答辯。通過該項目，學(xué)生掌握了復(fù)雜電路的設(shè)計與實現(xiàn)，以及團(tuán)隊合作完成項目設(shè)計、管理、總結(jié)的過程。

教學(xué)方法 課程的教學(xué)方法，打破傳統(tǒng)理論課程完全靠教師講授以及實驗課程以學(xué)生動手為主的模式，采用教師講授、項目訓(xùn)練、學(xué)生參與設(shè)計和討論、分析講解和答辯的形式。學(xué)生有機(jī)會表達(dá)自己的觀點和設(shè)計思路，充分調(diào)動積極參與的興趣。

考核方法 課程的總評成績由5個部分組成：考勤10%+課程表現(xiàn)10%+項目完成情況30%+課程答辯情況20%+課程報告30%。新的考核標(biāo)準(zhǔn)打破原來課程總評成績主要由平時成績、設(shè)計成績兩部分組成的模式，主要以學(xué)生在教學(xué)實踐活動中的參與度和完成度作為考量，注重學(xué)生實踐能力和綜合能力的培養(yǎng)。

教學(xué)效果 經(jīng)過兩周的項目驅(qū)動訓(xùn)練和實踐環(huán)節(jié)的總結(jié)，學(xué)生對于測量儀器的使用更加熟練，對常用電子元器件的選用和封裝了解得更為清楚，對電子電路的設(shè)計和實現(xiàn)更加有信心，分析問題、解決問題的能力得到了很大的提高。

4 結(jié)論

課程改革和實踐在石河子大學(xué)電子信息工程2012級、2013級和2014級為期兩周的電子技術(shù)綜合設(shè)計課程中進(jìn)行，學(xué)生對于課程內(nèi)容安排和各個環(huán)節(jié)的設(shè)計比較歡迎，加大了學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。課程實施的整個過程側(cè)重基礎(chǔ)能力培養(yǎng)，將項目管理理念貫穿整個課程的始終，加大創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計和課外科技活動中凸顯了較強(qiáng)的實踐和創(chuàng)新能力?！?/p>

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