多功能电路论文

多功能电路论文（精选9篇）

多功能电路论文 篇1

现今日益复杂的电路设计, 对系统的集成度有很高的要求, 一块高集成度电路板上往往有几种不同频率的同步时钟输出需求。如果还采用分离时钟源设计的话, 就显得比较麻烦, 且系统可靠性差。因此, 采用高集成度的CPLD设计一个多功能的时钟模块来替代传统分离时钟设计就显得很有意义。

1 CPLD简介

CPLD (Complex Programmable Logic Device) 是一种根据用户需要可自行构造逻辑功能的数字集成电路。它具有编程灵活、集成度高、开发周期短、适用范围广、设计成本低、保密性强等特点, 广泛应用于电子产品的设计和生产中。

CPLD元件主要由许多个逻辑单元组成, 逻辑单元间的相互关系则由可编程的连线架构, 将整个逻辑电路组合而成。由于CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的, 这一特点使其成为时钟模块设计的理想元件。

CPLD的基本设计方法是借助集成开发软件平台 (比如Quartus II) , 用原理图、硬件描述语言等方法输入源代码, 通过软件编译, 生成相应的目标文件, 通过下载电缆将代码传送到目标芯片中, 实现设计的数字系统。

2 有限状态机介绍

有限状态机 (Finite State Machine) 在数字电路设计中应用广泛。它是指输出取决于过去输入部分和当前输入部分的时序逻辑电路。

一般来说, 除了输入和输出部分外, 有限状态机还含一组具有“记忆”功能的寄存器, 这些寄存器的功能是记忆有限状态机的内部状态, 它们常被称为状态寄存器。在有限状态机中, 状态寄存器的的下一个状态不仅与输入信号有关, 而且还与该寄存器的当前状态有关。

根据有限状态机是否使用输入信号, 分为Moore型有限状态机和Mealy型有限状态机两种类型。

Mealy型状态机的输出是当前状态和所有输入信号的函数, 它的输出是在输入变化后立即发生的, 不依赖时钟的同步。

Moore型状态机的输出则仅为当前状态的函数, 这类状态机在输入发生变化时还必须等待时钟的到来, 时钟使状态发生变化时才导致输出的变化, 所以比Mealy型要多等待一个时钟周期。

3 多功能时钟模块的设计

3.1 时钟模块逻辑结构

这里设计的多功能时钟模块, 是一个由有源高频晶振提供时钟源, 由芯片外部提供控制信号的输出多路固定和可调的不同时钟频率信号的时钟模块。

时钟模块由数据接口逻辑与分频电路逻辑组成。其中, 数据接口逻辑主要由接口状态机与数据buffer组成, 分频电路逻辑主要由固定时钟电路与可调时钟电路组成。这里的输入时钟源为100MHz, 固定时钟电路稳定的输出多路固定时钟, 它们的占空比都为50%, 只要没有接收到复位信号, 这几路时钟一直输出;而可调时钟输出clk_t1与clk_t2两路可调时钟, 它们的频率与占空比可根据外部输入的控制信号进行调节。

数据接口通过握手信号线hclk与sclk及数据线接收外部控制信号的指令与参数, 接口状态机能解析指令及装配数据, 数据buffe用来存储外部控制信号传输过来的设置参数。当接口状态机完成某个电路设置参数接收状态之后, 给出相应电路的使能信号, 可调时钟电路然后从数据buffer中调用相应的设置参数, 根据设置参数, 对原时钟进行分频, 得到所需要的输出时钟。

3.2 分频电路的设计

分频电路逻辑的主要作用是对CPLD的100MHz输入时钟计数分频, 输出多路固定频率时钟, 依据数据接口接收的外部输入控制信号传送过来的分频参数与占空比设置参数, 输出clk_t1与clk_t2两路可调时钟信号。这里系统要求的时钟分辨率最小为10ns, 而占空比没有严格的限制, 高电平的保持时间在一定范围即可, 为简化设计, 分频电路采用对100M时钟的整数分频算法。

输出时钟的分频算法的流程图如图5所示, 其中, CLK为输入时钟, rst为复位信号, COUNTER为计数器, CLK_OUT为分频后的输出时钟。

3.3 数据接口的设计

由于要输出clk_t1与clk_t2两路频率与占空比可调的时钟, 需要设计硽一个瘀数据接口, 接收外部控制信号传来的分频参数和占空比参数。这里设定两路输出时钟的周期变化范围从10ns到5秒, 在此区间内要实现可输出任意周期、辨率最小为10ns的时钟, 因此要传的分频参数最大为500000000, 二进制表示至少需要29位, 占空比参数的位数也一样, 因此需要从上位机接收4组29位的数据, 另外, clk_t1和clk_t2两路输出时钟的使能控制也来自外部控制信号。

这里采用了两条握手信号线与8条并行数据线的传输机制, 并定义了传输协议。外部信号作好传输准备之后, 将hclk置高;当CPLD采集到hclk的高电平之后, 将sclk置高, 告知外部信号已经作好接收准备;外部信号采集到sclk的低电平后, 将数据发送出, 然后置低hclk;当CPLD采集到hclk的低电平后, 开始接收数据, 然后将sclk置低, 告知外部信号接收完成;当外部信号采集到sclk的低电平, 将hclk置高, 准备下一轮传送。如此周而复始的进行握手来完成数据的传输。

由于传送的每组数据的位数多达29位, 而数据总线的宽度只有8位, 要对每组数据分拆成4次传送, 数据共有4组;而控制clk_t1和clk_t2工作使能指令有4种状态。这样对于数据接口来说, 共需要应对18种接收状态, 接收完成后还需要组合数据以及解析指令来控制相应时钟的工作状态。为避免指令与数据之间以及每组数据间接收的混淆, 易于实现数据接口的逻辑、在数据接口中使用了有限状态机来控制各种接收状态。

在本设计中, 采用独热码对状态进行编码。

(1) 状态定义

在Verilog HDL代码里, 对数据接口状态机的各种工作状态进行了定义:

其中data1_1表示接收clk_t1时钟分频参数的0-7位, 依此类推, 到data1_4表示接收clk_t1时钟分频参数的24-31位;其它位的接收状态依次类推;data2_1表示接收clk_t1时钟占空比参数的0-7位;data3_1表示接收clk_t1时钟分频参数的0-7位;data4_1表示接收clk_t1时钟占空比参数的0-7位。

(2) 状态转换条件定义

本状态机为Melay型, 状态的转换由当前输入及上一个状态决定。数据接口的状态转换图如图6所示。

当数据接口接收到复位信号时, 状态机的初始状态为ready, 它的下一个状态由data输入的数据决定:

当接收到的输入数据为1时, 下一个状态为data1_1状态, 开始从数据线data上接收clk_t2分频参数的低8位数据, 然后状态依次翻转成data1_2、data1_3、data1_4, 分别接收完其它三组clk_t2的分频参数, 然后状态跳转到data2_1, 开始接收clk_t2的占空比参数, 随着状态依次翻转成data2_2、data2_3、data2_4, 完成clk_t2的占空比参数的接收。完成clk_t2分频参数与占空比参数的接收后, 给出clk_t2分频电路的使能信号, 并将状态跳转为ready。

当接收到的输入数据为2时, 关闭clk_t2分频电路使能信号, 下一个状态保持为ready。

依此类推, 当接收到的输入数据为3和4时, 基本重复1和2的过程。

3.4时钟模块仿真结果

时钟模块的设计全部采用Verilog HDL代码输入, 在QuartusⅡ软件中对其进行了时序仿真, 结果见图7所示, 激励时钟为100M。在仿真中, 用激励信号模拟了上位机的hclk与data信号, 对clk_t1信号进行仿真测试, 设置让其输出对100M时钟进行8分频, 占空比为1/2的时钟。由仿真结果看, 时钟模块能够实现设计功能。

3.5 芯片选型

在QuartusⅡ软件中对时钟模块进行综合编译, 该模块大概占用360个LE单元;大约需要30个外部I/O管脚来实现必要的功能和完成数据传输。这里选用Altera的MaxⅡ系列的EMP570T100C3, 该CPLD拥有570个LE单元, 用户I/O管脚为76个, 完全能满足设计需求, 且为以后的功能升级预留了空间。

4 结束语

该时钟模块设计已经应用于一些医疗和电信产品设计中, 使用效果良好。该设计在时钟输出信号类型、可调时钟频率范围等方面还有很大的变化空间, 在此设计基础上的扩展和改进设计, 一定可以适应更多不同类型电子产品的需要。

参考文献

[1]王诚.Altera FPGA/CPLD设计.高级篇[M].北京:人民邮电出版社, 2005.

[2]李景华, 杜玉远.可编程逻辑器件与EDA技术[M].沈阳:东北大学出版社, 2001.

多功能电路论文 篇2

应用软件介绍.........................................2 实习意义.............................................3 实习内容.............................................3

电路图的绘制技巧...........................................................................................................3

习题：...............................................................................................................................3 电路特性分析...................................................................................................................5 偏点电压分析(Bias Point Detail).....................................................................................5 直流扫描分析（DC SWEEP）.....................................................................................5 交流扫描分析（AC SWEEP）.......................................................................................6 瞬态分析（Transient Analysis）.....................................................................................7 噪声分析（Noise Analysis）...........................................................................................8 温度分析（Temperature Analysis）..............................................................................10 电路分析例题.................................................................................................................13 电路习题.........................................................................................................................15 常用的半导体元件.........................................................................................................18 整流二极管.....................................................................................................................18 稳压二极管.....................................................................................................................19 双极型二极管.................................................................................................................20 BIT基本共极放大电路静态工作点的设置.................................................................21 课后习题.........................................................................................................................22 实习体会............................................24

应用软件介绍

OrCAD/PSpice软件（前身SPICE）主要功能及特点：

1.不仅可以对模拟电路进行直流、交流、瞬态等基本电路特性分析，而且可进行噪声分析、温度分析、优化设计等复杂的电路特性分析。

2.不仅可以对模拟电路进行计算机辅助分析，而且可对数字电路、数/模混合电路进行计算机模拟。

3.科研再WINDOWS环境下，以人机交互方式运行。绘制好电路图以后，即可直接进行电路模拟，无需用户编制繁杂的输入文件。再模拟过程中，可以随时分析观察模拟结果，从电路图上修改设计。

4.OrCAD软件集成了电路原理图绘制、印制电路板设计、数字/模拟电路仿真、可编程逻辑器建设计等等功能，它的元器件库也是所有EDA软件中最丰富的，再世界上它一只是EDA软件的首选。

OrCAD软件系统中主要包括：OrCAD/Capture CIS(电路图设计)；OrCAD/PSpice A/D（数/模混合模拟）；OrCAD/Layout Plus(PCB设计)等，其中每一部分可以根据需要单独使用，也可以共同组成完整的EDA系统。

OrCAD软件系统的几个主要软件的功能和特点：

OrCAD/Capture：它是OrCAD软件包中的共用软件，也是其他两个软件的基础。OrCAD/Capture操作界面友好、直接形象、使用方便；操作功能强大、灵活，项目管理科学有效，适应性很强，支持国际上多种标准。

OrCAD/PSpice A/D：这是一个通用电路模拟软件，除了对数字电路和数/模混合电路模拟外，还具有优化设计功能。

OrCAD/Layout Plus：这是一个印制电路板PCB设计软件，可以直接将生成的电路图通过手工或自动布局布线方式转为PCB设计。它的元器件封装库非常丰富，是一款名副其实的高档、专业PCB设计的EDA软件。

实习意义

1学会安装OrCAD软件，了解并熟悉使用OrCAD PSpice软件系统。2.学会在Capture中创建电路并运行出指定分析类型及仿真类型。3.掌握运行仿真结果的方法，并学会分析数据及图形。4.了解电路一些基本原件的使用方法。

5此次实习的目的不仅让大家如何使用Capture的绘图页编辑程序同时也增强大家的动手能力和实践能力。

实习内容

电路图的绘制技巧

控制元件属性显示，绘制总线，折线，椭圆等，并且可放置说明文字及文件插图。常用的元件库有：source.olb pwrmos.olb analog.olb diode.olb opmap.olb 7400.olb discrete.olb bipolar.olb breakout.olb。

习题： P42-4 R11kR21kU1A127414C110.01uU2A274141U3A27414C20.01u

4-4TTL IC的脉冲产生电路

P42-5

1D3vo4SW1F11T152-+SW SPSTFUSE48TRANSFORMERBRIDGE变压变压器电路

P42-6

整流3

电路特性分析

偏点电压分析(Bias Point Detail)主要应用于欧姆定律的验证。当电压源为某一值时，电路内各节点的电压值与各分支的电流值。其主要功能时验证某一个电路在直流电压源或电流源的作用下，是否正常工作。

例题5.1.2

R112.00V1.333A38.000V8.000uAR258.000VV112Vdc1.333A1.333AR360V8.000uARL1MEG0

直流扫描分析（DC SWEEP）

所谓直流扫描分析就是当电路中某一参数（称为自变量）在一定范围内变化时，对自变量的每一个取值计算电路的直流偏置特性（称为输出变量）。

交流扫描分析（AC SWEEP）

是针对电路性能因信号频率改变所作的频域分析。作用是计算电路的交流小信号频率响应特性。它能够计算出电路的幅频各相频相应。

Vi0VR1100V00V1Vac0VdcV1C0.005u0V00

-10-20-3010KHz30KHzDB(V(V0)/V(Vi))100KHz300KHz Frequency1.0MHz3.0MHz10MHz

增加一条Y轴

1 02 0d-10-50d-20-30 >>-100d10KHz1 30KHzDB(V(V0)/V(Vi))2 100KHzP(V(V0)/V(Vi))300KHz Frequency1.0MHz3.0MHz10MHz

为波形图加上说明文字 02 0dGain(dB)-10-50d Phase(Degree)-20-30 >>-100d10KHz1 30KHzDB(V(V0)/V(Vi))2 100KHzP(V(V0)/V(Vi))300KHz Frequency1.0MHz3.0MHz10MHz

瞬态分析（Transient Analysis）

电路的瞬态分析就是求电路的时域响应。它可作大信号非线性电路分析，可在给定激励信号情况下求电路输入算的实践响应、延迟特性；也可在没用任何激励信号的情况下，仅由电路中贮能元件（如L和C）存储的电磁场能量作用下求振荡波形、振荡周期（注意：对于数字电路只有瞬态分析，而无直流和交流分析）。

做瞬态分析时，常用的由5种独立源：脉冲波VPULSE、IPULSE，正弦电VSIN、ISIN，指数源VEXP或IEXP，分段线性VPWL或IPWL，周期行者现原VPWL_ENH或IPWL_ENH。

R1100V1 = 0VV2 = 5VTD = 0TR = 0.4uTF = 0.5uPW = 10msPER = 20msV2C110u050mA

0A-50mAI(C1)10V5V0VV(C1:2)10V5VSEL>>0V0sV(R1:2)20msV(V2:+)40ms60ms80ms100ms Time120ms140ms160ms180ms200ms

噪声分析（Noise Analysis）

电阻和半导体都会自然而然地产生噪声，这对电路工作会产生相当程度的影响。而Pspise提供的噪声分析（Noise Analysis）就是将噪声对输出信号所造成的影响给以数值化，以供设计师评估电路性能之用。

元件自然产生的噪声一般成为白噪声（White Noise）或是热噪声（Thermal Noise）。它所涵盖的频率范围由0Hz延伸至频率无限大。由于它是随即地产生，无法知道其却是的大小及发生的时间，而且无法避免，所以只能用统计的方式估算它。这种噪声能量会因为温度的升高而变大，也就是说，电路在高温状态下较易受到白噪声的影响。

10.00VRc1kV0Rb100k3.000VDC = 3VAC = 1VVSRC5.898V681.1mVQ10VVdc10v0Q2N22220V00V01 16uV2 600nV

12uV400nV8uV200nV4uV0V >>0V10Hz1 100HzV(INOISE)2 1.0KHzV(ONOISE)10KHz100KHz Frequency1.0MHz10MHz100MHz1.0GHz

***Hz100HzDB(V(V0)/V(INOISE))1.0KHz10KHz100KHz Frequency1.0MHz10MHz100MHz1.0GHz

加上温度效应的噪声分析

13227c50c13075c1281275.042MHzDB(V(V0)/V(ONOISE))10.00MHz Frequency16.94MHz

习题P83-6噪声分析

Rb3.000V23.01uA100kDC = 3AC = 1VSRC699.3mVQ13.759mA6.241V23.01uA0V23.01uAQ2N3904-3.782mA0V0V3.759mA10.00VRc10VV01k3.759mAV200

01 8.0uV2 600nV6.0uV400nV4.0uV200nV2.0uV0V >>0V10Hz1 100HzV(INOISE)2 1.0KHzV(ONOISE)10KHz100KHz Frequency1.0MHz10MHz100MHz1.0GHz

温度分析（Temperature Analysis）

电子元件的值受温度影响而改变，所以设计电路时必须考虑电路是否可以在 10 规格限定内的所有温度状态下均能正常工作。也就是说，在电路仿真中必须加入温度的考虑才算是完整的设计流程。

对于电子元件值受温度影响的情况，一般是以温度系数来描述。温度系数并非是一个固定不变的常数值，必要时用一个函数来表示它。如果电子元件的值受温度上升而变大，我们称它具有正温度系数效应；如果电子元件的值受温度上升而变小，我们称它具有温度系数效应。

※例题6：对下列电路图中的元件进行温度仿真，输出波形。

电路图（注意：此时的电阻和电容元件必须选择Rbreak和Cbreak编号的元件，因为编号为R和C的电阻和电容元件无法设置温度系数，元件值不会随温度改变而改变）：

Rbreak：R＝1 tc1＝0.01 tc2＝0.02 Cbreak：C＝1 tc1＝0.02 tc2＝0.05

R1V1 = 0VV2 = 5VTD = 1usTR = 1usTF = 1usPW = 1usPER = 4usRbreak10VpluseC11nCbreak06.0V

4.0V2.0V0V0sV(Vpluse:+)Time1.0us2.0us3.0us4.0us5.0us6.0us

5.0V30.402.5V350V0sV(V0)Time1.0us2.0us3.0us4.0us5.0us6.0us

例P84-7 温度分析（改变温度系数）

6.0V4.0V2.0V0V0sV(V0)Time1.0us2.0us3.0us4.0us5.0us6.0us6.0V4.0V2.0V0V0sV(V0)Time1.0us2.0us3.0us4.0us5.0us6.0us

电路分析例题 P78-1

R11kR210k2.000V20.00V200.0VVi2E1+-+-E0V0

P79-2400V200V0VV(R2:2)40V20VSEL>>0V1.0VV(R1:2)2.0V V_Vi3.0V

R10V10A21k0V10AL1120AVPWL0V0

10V5V0V0s0.5usV(VPWL:+)1.0us1.5us2.0us2.5us Time3.0us3.5us4.0us4.5us5.0us 10mA2 10V5mA5V0A >>0V0s1 0.5msI(L1)2 1.0msV(L1:1)1.5ms2.0ms2.5ms Time3.0ms3.5ms4.0ms4.5ms5.0ms

P80-3

R51212.00V1.332A6V212V1.332A1C10.250V1124.009VU21.332A-1.332A3.996V11.332AR63220

1 1.5A2 12V10V1.0A8V0.5A6V0A >>4V0s1 I(C1)1s2 2sV(C1:1)3s4s5s Time6s7s8s9s10s

电路习题 P82-1M1IRF91400A-6.944uA5.000VM20AIRF914099.99mA0Vdc100.0mAV11.914V3.174VM4M30AIRF1501.914V5.000VV20AVi50.15100.0mA1100.0mA0V6.944uAIRF15099.99mA0A5.000V0

3.173708V3.173706V3.173704V3.173702V3.173700V0VV(M4:d)V_Vi0.5V1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V3.5V4.0V4.5V5.0V

P82-2

R120k11.80nA254.8uV101.116mAD2D169.84nAD1N40021018.79uV-10.00VU1R210k0VVi1.879nA0Vdc0V1.879nAuA7412-1.117mA1-OS179.77nA6OUT-81.64nA35+OS279.73nA1.116mA7V+V-4V2D1N400211.80nA91.26mVV30V01.117mA10.00V0V00 16 5V0V-5V-10V0VV(U1:OUT)V_Vi0.5V1.0V1.5V2.0V2.5V3.0V3.5V4.0V4.5V5.0V

P83-5

Rf0A2k12V0AV10V0VRiVOFF = 0VAMPL = 1vFREQ = 10kHzVi0AVsin0V0A1k0VU1-OUT0V0V+OPAMP12.00VV012V-12.00V0AV2000 1.0V2 2.0V0.5V1.0V0V0V-0.5V-1.0V-1.0V >>-2.0V0s1 V(VI)20us2 40usV(V0)60us80us100us Time120us140us160us180us200us

常用的半导体元件 整流二极管

R11kV10VdcD1D1N41480

10mA0A-10mA-20mA-120VI(D1)-100V-80V-60V V(D1:1)-40V-20V-0V20V

二极管V-I特性模拟

20mA15mA10mA5mA0A432mV450mVI(D1)500mV550mV600mV V(D1:1)650mV700mV750mV800mV

正向特性曲线（导通区）0A-5mA-10mA-100.3VI(D1)-100.2V-100.1V V(D1:1)-100.0V-99.9V-99.8V

反向特性曲线（雪崩区）

稳压二极管

R11kV10VdcD1D1N75008.0mA

4.0mA0A-4.0mA-5.0VI(D1)-4.0V-3.0V-2.0VV(D1:1)V(Q1:e)100mV200mV300mV400mV500mV600mV700mV

晶体管的输入V-I特性曲线

30uA20uA10uA0A0VIB(Q1)V(Q1:b)-V(Q1:e)100mV200mV300mV400mV500mV600mV700mV

Vcc变量对输入V-I特性的影响

BIT基本共极放大电路静态工作点的设置

20.00VR21kVCCR10VV1VQ163.11nVOUTPUT20.00VV20Vdc2.5kQ2N41230VVOFF = 0VVAMPL = 1VFREQ = 5000V0

20V10V0V-10V0sV(V1:+)5msV(Q1:c)10ms15ms20ms Time20.00V25ms30ms35ms40ms

R21kVCCR11.000VV1VQ1728.8mVOUTPUT9.262VV20Vdc2.5kQ2N41230VVOFF = 1VVAMPL = 1VFREQ = 5000V0

20V10V0V0sV(V1:+)5msV(Q1:c)10ms15ms20ms Time25ms30ms35ms40ms

课后习题 P94-6-1

D15.000VD1N45314.323VV15VdcR12.2k0V0

D120.00V6.999nAD1N414810.00VP94-6-2 V210Vdc6.999nA6.999nAR11kD2V010.00V0AD1N4148V16.999nA10Vdc10.00VV310Vdc6.999nA0V0

P94-6-3

VCE20VdcQ1Q2N2222VBE1Vdc015mA

10mA5mA0A0VIB(Q1)V_VBE0.1V0.2V0.3V0.4V0.5V0.6V0.7V0.8V0.9V1.0V

输入特性曲线

1.0A0.5A0A-0.5A0VIC(Q1)V_VCE0.1V0.2V0.3V0.4V0.5V0.6V0.7V0.8V0.9V1.0V

输出特性曲线 实习体会

通过一周的电路CAD实习，让我懂得了电路及模电的一些基本元件的摆放和使用方法，在杜艳丽老师的讲解和看书过程中能熟练的掌握了OrCAD/PSPICE仿真软件的使用方法。

侦查错误－－统一进行错误处理

设计过程中每个阶段的错误和警告都能在一般的信息视窗显示出来，寻错时，只需把光标移到相关信息的地方，没有必要通过不同的Point tools来寻找错误根源。有电路基本分析：直流、交流和瞬态分析(DC,AC and Transient)和参数分析。可以描绘电路特性，比如上升时间或带宽参数的变化，电源或温度等。1万多种器件的库包含精确的模拟模型，比如:传输线延时、反射、损耗、相互转换等（Transmission Lines Delay,Reflection, Lossy, Cross Talk等)。高度集成的模拟仿真和原理图输入工具有些软件仿真器不能完全仿真你设计的电路，有一些接近于预测电路特性，但只是接近不是准确，有一些是不准确的或不可靠的。然而，PSpice A/D PSpice具有超过8500 off－the－shelf模拟器件的模拟模型，且还包含原理图输入，它的多种功能有:行为建模，蒙特卡洛，最坏情况/灵敏度分析，相互转换的图形仿真编辑和波形分析，统计结果的直方图显示，一组波形的分析演示等等。高度集成化的功能使你能在原理图中观看仿真结果，并且两者相互切换。

多功能电路论文 篇3

关键词：电磁防护；EAST；微弱信号；电路系统

磁约束核聚变是将聚变材料在一种特殊的磁容器中进行加热，根据强磁场对带电粒子的物理约束特性，进行聚变反应，最终形成一个聚变反应堆。东方超环（EAST）的核聚变实验装置的成功建立使中国的磁约束聚变技术站到了世界前列，这种EAST实验用探测器进行探测，在微弱的信号转换过程中极易引入噪声，因此，要采取适合的电路系统电磁防护措施，减弱噪声的引入，从而提高信噪比。由于X射线诊断系统对电路系统要求更高的带宽、更低的噪声，因此，在微弱信号的电磁兼容设计中，通过最佳电磁防护措施，可以提高电路系统的稳定性。

1 电路系统中的电磁干扰简述

由于EAST装置的电磁环境比较复杂，电磁干扰源的传播也比较多元化，电源、信号线等导线还有屏蔽体和接地导体都是干扰传播源，称之为传导干扰，另外还可以通过空间的电磁传播以及线缆等进行干扰传播，称之为辐射干扰。针对这些电磁干扰，运用EMC设计，其设计对象是针对低频的微小信号，可以使外界对微弱信号处理电路的干扰减小，抑制外界对电路系统的噪声干扰，增强其稳定性和安全性能。

2 电磁防护措施在信息处理电路系统中的有效应用

在复杂的EAST装置的电磁环境中，主要针对上述的两种电磁干扰进行针对性的电磁防护措施：运用屏蔽措施可以有效针对处理辐射性电磁干扰，运用接地和滤波的措施，可以有效针对传导干扰。下面，主要介绍这几种电磁防护措施的具体应用：

2.1 针对辐射性电磁干扰的屏蔽措施

屏蔽的概念，即是指在复杂的EAST装置的电磁环境中，采用特定的材料，对传输过程中的电磁干扰进行有效拦截，从而使电磁干扰的能量逐渐减弱，起到减小噪声的作用。

2.1.1 电屏蔽措施。这种措施的采用前提是必须进行良好的接地条件，在这一条件之下，选择由特定材料制成的屏蔽体，通过减弱一两组电路间的电场感应，起到屏蔽电磁干扰的作用。

2.1.2 磁屏蔽措施。因磁场耦合的作用，在电磁干扰源与电路设备中会产生电磁干扰，磁屏蔽措施就是采用分流的磁场效应，将内外磁场阻隔于屏蔽体内，仅提供低磁阻的通路来进行分流。

2.1.3 电磁屏蔽措施。这种措施是将特殊金属作为屏蔽体，特殊金属与电磁波之间必然会产生物理反应，因其特定的特性，对电磁波会产生反射和吸收的物理效应，将外界的干扰屏蔽，就可以有效地屏蔽来自电场和磁场的干扰分量。

在復杂的EAST装置的X射线诊断和XUV诊断的微弱信号处理系统中，其屏蔽方式如图所示：

通常采用哑铃模型的分立屏蔽方式，对哑铃的两端：包括探测器、信号转接机柜和双铰传输线进行分别屏蔽，再用信号和电源线进行合理而安全的连接，这样就实现了电路系统的整体屏蔽效果。

2.2 针对传导性电磁干扰的接地措施

2.2.1 电缆屏蔽层接地措施。复杂的EAST装置的X射线诊断和XUV诊断的微弱信号处理系统中，可以有效地将屏蔽与接地联合运用，采用特定材料的金属屏蔽层，并且用双绞线电缆进行微弱处理信号的传输，这种措施可以使工频噪声降到允许范围值内，大约在10mV左右。

2.2.2 电路系统接地措施。在进行电路系统接地的设计中，要考虑多个不同的电路，减小各不同电路之间的电流，断绝电路系统中各单元电路之间的耦合，采用串行单点接地和并行单点接地两种方式，缩减微弱信号处理回路，并消除地电位差，这两种方式都可以对传导性的电磁干扰产生影响，各有优缺点，因而也在实验测试中可以与在实际应用中互为补充。

2.3 针对传导性电磁干扰的滤波措施

2.3.1 微弱信号处理电路的滤波。在EAST装置中，由于电磁环境复杂，一般采用有源2阶的滤波器，它可以使电压产生增益放大功能，并且在稳定的带宽之内能实现低通滤波功能。

2.3.2 微弱信号处理电路的电源滤波。微弱处理信号的电路设计中，由标准的机箱提供直流电源，但是在电流输出过程中呈现一定的纹波，这对微弱信号处理电路的影响不利，因此，要采用电源滤波措施，经实验得知，机箱电源自身产生的噪声值为2mV，而使用了电源EMI滤波器的装置，其输出的噪声值为1mV，由此可以看出，在标准机箱的DC电源下，采用电源EMI滤波器可以明显地降低电源噪声，抑制了传导性电磁的干扰。

3 结束语

综上所述，在EAST复杂的电磁环境中，仔细分析电磁干扰的不同干扰因素，区分辐射干扰和传导性干扰的具体情况，可以针对性地采用不同的屏蔽、接地和滤波等电磁防护措施，可以有效地产生电压增益放大功能，并实现稳定的带宽功能。这些电磁防护措施在微弱处理信号的电路系统中，可以成功地应用于EAST的X射线和XUV系统当中，经过实践测试，获得合理的信号输出噪声比值，同时根据电路系统的实际需要，获得更多的物理相关信息，用稳定且较高的带宽处理电路，阻隔电磁干扰，获得较高的信噪比。

参考文献：

[1]曲兆明，雷忆三，王庆国，闫丽丽，秦思良.高效电磁屏蔽复合材料设计及其屏蔽效能测试[J].高电压技术，2012（09）.

[2]肖冬萍，袁军，何为，简鑫，周小艳.高空核爆电磁脉冲对便携式监护仪的辐射效应[J].高电压技术，2011（07）.

[3]李建刚.我国超导托卡马克的现状及发展[J].中国科学院院刊，2007（05）.

多功能电路论文 篇4

单片机的应用领域无所不至, 比如在智能仪表中引入单片机, 提高测试的自动化程度和精度;在生活中, 各种家用电器普遍采用单片机代替传统的控制电路, 例如, 洗衣机、电冰箱、空调等都使用了单片机, 提高了其自动化程度, 增强了功能。单片机还广泛应用于办公自动化领域、商业营销领域、汽车及通信系统、计算机外部设备等各领域中。

单片机应用的日益广泛, 它的检测与维护工作也显得更加重要, 多功能电路测试仪正是针对这一问题而开发的。它可以用于测试电路的地址线、数据线和I/O口线短路现象、开路情况, 也可检测元器件的极性, 判断质量优劣。

一、用单片机技术实现多功能电路测试仪

用单片机技术实现多功能电路测试仪是由单片机 (89C52) 、复位电路、时钟电路、开关控制电路、D/A转换电路、音响发生电路、逻辑测试电路组成。它可输出三角波、锯齿波、方波、占空比可调的脉冲, 也可进行逻辑状态测试。电路组成基本框图如图示。

通过开关可控制波形的输出, 将输出的数字量转成模拟量, 经运算放大器放大后输出相应的波形, 每一种波形单独输出, 互不影响。测试时, 低电平使音响发生器发出声音, 逻辑测试电路对电路的逻辑状态进行测试。

使用单片机技术实现多功能电路测试仪具有以下优点:

1.简化结构。单片机内部采用模块化设计, 增加或更换一个模块就能得到相应的指令系统, 简化了数字集成电路的结构。

2.软件和硬件相结合提高响应速度。硬件可将数据并行处理, 同时给CPU空出更多的时间处理其他数据, 提高了CPU响应速度, 从而提高工作的效率。

3.降低成本。应用数字集成电路的成本相对较高, 用单片机技术简化电路结构就可有效地降低其成本。

4.使用功能更强。应用单片机技术可以增强电路的使用功能, 更加有效地利用设备, 节约现有资源。

二、多功能电路测试仪的硬件组装

根据电路设计的原理电路图列出元件清单, 采购元器件。将采购好的元器件用测量仪器测量其性能优劣, 避免在调试中出现不必要的麻烦。按照硬件电路图所示的原理图在面包板上连接。其安装步骤如下:

1.将电路按功能分为几部分, 再按每一部分的电路原理图进行元器件连接。

2.先将电路核心部件单片机 (89C52) 插入面包板上, 再按原图将复位电路、时钟电路及开关电路连接好。

3.连接外部RAM扩展电路及数/模转换器, 运算放大器及外围电路。

4.连接驱动器、音响发生电路、逻辑状态检测电路。

以上各部分均连接完毕, 最后, 将各部分电路级联起来, 电路连接完毕。

三、多功能电路测试仪的整机调试

1.硬件调试。在脱机的状态下对硬件进行调试, 用万用表电阻档X100Ω测量各部分电路的连接是否良好, 确保电路没有短路现象。同时对照原理图仔细检查电路是否有连接错误。

2.软件调试。当硬件系统组装完毕后, 就可利用开发装置AEDK51进行在线仿真调试, 即用开发装置代替系统的CPU、ROM和RAM, 将编译好的目标程序导入开发装置中, 利用开发装置的调试工具进行调试, 先将各程序模块在线仿真调试, 这有利于发现各个模块是否存在问题。执行单步操作时, 首先判断是否有按键闭合, 运行程序应该一直扫描键盘, 直到有按键闭合才跳到相应的子程序段, 否则程序设计存在问题, 应进行程序修改。

当各模块调试好后, 再进行整机联调, 即把整个程序送入开发机中进行在线仿真调试, 当整体调试运行正常后, 即可将程序固化到EPROM中, 并将其安装在机器上, 脱离开发机运行检测。再将系统运行调试, 直至完全达到技术指标要求。

四、结论

1.多功能电路测试仪实现了测试数字电路逻辑状态, 可以用于测试电路的地址线、数据线和I/O口线短路现象与开路情况, 又可作为多用途的信号源使用。

2.多功能电路测试仪达到技术要求, 但存在欠缺。作为信号源波形输出频率是设定的, 可以用增加开关控制的方法得到不同频率的波形, 也能增加其他波形的输出。开关在选择时, 容易将开关的状态弄混, 可以通过增加按键显示电路实现。

3.要有一个清晰的总体思路, 合理布局, 软件的程序设计中也需结合硬件的整体设计思路, 要有一个总体的流程框图。

4.软件和硬件的总装和调试是最难也是最重要的环节。设计本身也是对我们自身品质的考验。

参考文献

[1]张毅刚, 彭喜元, 姜守达.单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2003.

[2]张毅坤, 陈善久, 裘雪红.单片微型计算机原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

提高汽车电源集成电路监控功能 篇5

东京-- (美国商业资讯) --东芝公司 (Toshiba Corporation, TOKYO:6502) 今天宣布推出可增强普通汽车应用监控功能的多输出系统电源集成电路“TB9042FTG”。样品将从2013年11月1日开始提供, 批量生产计划从2014年5月开始。

《道路车辆功能安全》国际标准ISO 26262的重要性日益提高, 要求对电源集成电路的功能进行监控。这款新集成电路整合了多种能够检测集成电路和外部微控制器任何故障的监控功能。它还整合了可以将监控状态数据传输至外部微控制器的传输功能, 这可以进一步提高安全性。

汽车应用需要越来越高的电流。该集成电路的内置高电力效率直流-直流变换器可降低功耗, 并且其串联稳压器可实现低噪声电源。

新产品的主要功能

1、更强大的监控功能

该产品整合了对每次输出进行异常检测的功能, 并且可以传输来自SPI终端或者专注于异常信号的特殊终端的检测数据。

通过对比集成电路的数据和来自微控制器的信号, 集成式诊断功能可以监控集成电路的故障, 这有助于实现汽车功能安全。

2、内置双通道直流-直流变换器 (单路输出)

一个直流-直流变换器可以使车辆用蓄电池的电源降低至6V;另一个变换器可以将微控制器核的电源降低至1.2V或1.5V (可选) 。

3、针对外部电源的内置3通道串联稳压器 (3路输出)

两个串联稳压器可以转换直流-直流变换器的6V供应, 并独立提供恒定的5V供应:400m A电流容量用于微控制器, 100m A电流容量用于传感器或其他接口。

多功能电路论文 篇6

竞走是田径比赛中具有特殊规则的比赛项目,也是我国在世界大赛中具有很强竞争力的项目之一[1]。竞走是改变正常走路动作的一种快速走[2],主要目的是通过改变身体正常走路动作来使走路的速度达到最大化,其比赛的特点在于对技术的严格限制和特定的裁判规则[3]。竞走运动自产生和发展以来,伴随着运动技术的发展、运动成绩的提高,以及世界各国的教练员、运动员和科研人员付出的艰苦努力和精心钻研,竞走运动在规则的严谨、判罚的公正、技术的合理、识别的精细方面,一步步地向着更加科学、更加精尖的方向蓬勃的发展起来[4]。竞走是在普通走的基础上发展起来的,是运动员与地面保持接触,连续向前迈进的过程,没有(人眼)可见的腾空[5]。前腿从触地瞬间至垂直部位应该伸直(即膝关节不能弯曲),两者的动作结构相同,都是由单脚支撑和双脚支撑交替反复进行[6]。但竞走有它的特点,骨盆前后转动大,腰部有一定的扭动,两臂积极摆动,脚触地时腿充分伸直,步幅大,频率高,前进速度快。竞走单脚迈进分解过程如图1所示。

竞走有两个核心规则:竞走运动员使用与众不同的步法,看起来很特别,但这种步法是规则规定的。首先, 一个竞走运动员必须始终保持至少有一只脚与地面接触。其次,从前进脚落地的一刻起直到腿部达到垂直的姿势,腿部必须保持直线,膝盖不能弯曲[7]。有9名裁判分布在比赛线路上监督任何运动员的犯规动作。当裁判看到竞走运动员有犯规嫌疑时就警告他1次。警告一般是通过在道路两边向犯规者出示白色标志来表示的,此后裁判员会通知主裁判。

在平时训练、正式比赛中队员如果有犯规嫌疑就会被警告,没有什么可靠的依据,运动员如果满足竞走定义,有犯规嫌疑,就被裁判警告并罚下场,这样有时就会对有些运动员不公平。本设计主要针对双脚离地犯规进行检测,如果运动员双脚同时离地犯规红外线检测仪就能检测到,同时计数器计数1次,蜂鸣器也发出声音提示运动员犯规。

1设计思想

1.1双脚离地违规检测

本设计的基本思想是若运动员在比赛中双脚同时腾空,安装在竞走鞋掌上的红外线发射电路同时发出脉冲信号,信号就会被红外接收电路接收,计数电路计数1次,蜂鸣器也发出一声提示音。从而提醒队员犯规一次。双脚腾空检测设计思路图如图2所示。

1.2步频检测

运动员每走1步,都会发出1个红外脉冲,被计数电路接收,计数1次。让队员们在训练过程中,知道自己的最佳步长、步频,从而提高训练效率。步频检测设计思路图如图3所示。

2电路设计

2.1红外发射电路

红外线[8]属于不可见光,与一般的可见光线不一样, 其电磁波长在950 nm范围内,广泛应用于遥控和传输设备上。其优点主要有:

(1)有较高的传播速度,不会产生,空间反射以及全折射等作用而出现的干扰;

(2)传播中不会产生畸变噪音;

(3)在高峰值功率情况下所需要的功率较小;

(4)采用一定的调制方法可以有高的抗干扰性;

(5)在仅有的一个载波频率的情况下,可以有高的稳定性。

电路中红外发光二极管,采用的是砷化钾红外发光二极管LD274[9],其属于光角发光二极管,光角是指其管芯制作 的发射锥 体(抛物面)的角度较 大 ,角度小于160°。其截止电压为4 V,导通电流为30 m A,t=10 μs内允许的冲击电流为2.5 A,损耗210 μW,损耗极小。 空气热阻 中为Rt=350 K/W。 阻挡层温 度为100 ℃ 。

考虑到竞走专用鞋的实际情况——轻便,这里用的红外发射电路,具有体积小,重量小,损耗少的优点。

由于在竞走过程中,两脚不能同时离地,主要辨别的是脚掌,所以发射电路的开关按钮装在鞋掌部分,发射电路的其他部分安装在鞋面上,当把开关DR按下, 作为能源的电容器C1将通过由发光二极管VD发射放电,形成由555[10]组成的时基电路和晶体管VT控制,其峰值电流可达1 A ,持续时间可有0.1 s。这个电路时间延迟只有0.5 ms,也就是说该电路有足够的时间判断出队员是否违规。图4是红外线发射电路。

2.2接收发声模块

采用的红外接收器具有很高的接收灵敏度,其接收红外线 波长近900 nm,超过人体 的热释红 外线的波 长。红外接收元件采用一种现在常用的一体化红外接收头(JST)来接收红外发射模块所发射的红外信号,一体化红外接收头(JST)在电视遥控器中应用最广泛,内置有前置放大、限幅放大、检波、稳压等电路,红外电路发射的信号,经过(JST)处理后,输出脉冲信号,再经R2, VD1的控制,通过555时基电路的调制,最后由555时基电路的3脚输出放大的脉冲信号经运算放大器VT2放大后,在CP输出并在蜂鸣器上发出声音。红外线接收和蜂鸣器电路如图5所示。

2.3计数显示模块

电路采用显示组件CL002(内部无计数器)和同步加计数器CC4518[11,12]组成,CC4518接成3位串行BCD码计数器 ,在脉冲信 号CP作用下进 行十进制 计数 。 CL002的I-IV显示对应的3位计数值。计数脉冲由555振荡器电路产生,经VT2放大,送入计数显示电路,记录并显示出来。十进制计数显示电路如图6所示。

3元器件的选择与安装

元器件的选择,关键是红外线发射、接收二极管的选择,红外线发射二极管有窄角红外线发射二极管和光角红外线发射二极管之分,窄角红外线发射二极管是指在制作工艺,管芯制作时,其反射锥体(抛物面)的角度较小,但其方向性较强,作用距离远,约遥控距离是15 m, 角度小于30°。光角发射二极管相对的发射锥体的角度就较大,由于竞走是一个运动过程,笔者采用的是一个光角发射二极管。砷化钾红外发光二极管LD274,发射范围大,发射强度大,作用范围8 m。红外线接收二极管采用的是一体化红外接收头(JST),这种接收头简单、 常见、功能强大,内置前置放大、限幅放大、检波、稳压等电路。

红外电路的安装:小型按钮开关DR安装在竞走鞋的鞋掌中,红外线发射二极管安装在鞋头,红外接收模块的一体化接收头(JST)安装在鞋跟部位。计数显示电路安装在鞋的侧面。

4结语

多功能电路论文 篇7

1 电路的测试技术

按照电路工作的信号类别可以分为数字电路和模拟电路。由于模拟电路的测试需要对信号幅值进行分析, 处理的精确度要求极高。数字电路的信号是通过高低电平来实现的, 需要专门的数字信号和逻辑分析仪和发生器进行辅助分析, 处理过程比较简单, 但是数字电路的功能比较复杂, 对信号的后续处理要求比较高。由于两种电路的工作模式的差异使得电路的测试方法也不同。传统的测试方法在测试之前需要了解电路的电气特征和功能特征, 事先设计测试序列, 以便在短时间内能够发现电路的异常情况。这种测试方法需要充分掌握电路的逻辑功能和电气功能, 应用的效果不是很好。

针对这一情况, 本文提出了基于逻辑功能重建的故障测试和修复技术, 将不同功能的电路在逻辑表现形式上保持一致, 实现了电路故障的检测和修复。

2 电路故障的确定和修复方案

基于逻辑功能重构的故障电路的修复方案的原理是在被测电路中加设激励信号, 在电路的输出端采集响应信号。对响应信号进行分析, 判断是否和被测电路一致, 如果不一致, 可以判断被测电路对激励信号存在异常反应, 也就是说电路存在故障。对于这种测试方法我们只需要通过被测电路在激励信号和响应上是否和正常工作的预期一致, 发现电路故障, 只需要对响应关系和异常激励进行修复, 实现和正常电路的响应保持一致。修复后的电路不一定和原电路保持一致, 使测试激励——响应关系和原电路一定保持一致, 这就是功能重构的修复原理。

重构原理在电路的设计使用中比较普遍, 对于电路故障使用功能重构的修复技术, 能够快速实现对故障电路的定位和修复, 减少故障修复的时间和程序, 但是经过修复的电路可能会与原电路不一致, 但是功能相同。

故障电路的测试系统主要组成部分有测试控制元件、模拟和数字激励信号产生元件、测试通道控制元件、电源转换元件、模拟和数字信号采集元件, 故障分析模板、结果输出模板和重构分析模板。系统中的电路的测试和信号的采集是在独立的模板中完成的。该系统的重心是故障分析模板、测试控制元件和功能重构模板。测试控制模板主要是完成被测电路的测试控制作用, 需要有先进的测试控制算法, 保证电路能够进行完整的测试;故障分析模板主要是对电路的激励—响应信号进行对比, 判断是否存在故障;当电路出现故障, 在功能重构模板中对异常的信号按照数字电路和模拟电路的功能进行功能重构, 得到和预期的信号一致, 实现了电路故障的修复过程。

3 故障电路的测试和功能重构

在数字电路的故障测试工作中, 需要在测试过程中施加测试向量完成故障分析, 测试过程需要解决的问题是测试向量集的建立和测试向量的匹配。如果电路的逻辑功能已知和设计指标是规范的, 那么就可以得到测试向量集, 如果电路的设计不规范, 需要按照电路的逻辑功能进行测试向量集的收集工作。测试向量的收集工作必须对引脚信号的标号保持一致。

在测试匹配的过程中, 由于电路不存在内部隐藏状态, 向量应该和输出的二进制的字串作为对比的数值, 采集到的响应信号和测试向量不一致, 可以视为该状态值为不可见的引脚信号, 在后续过程中对测试值和引脚信号采取处理措施, 实现电路的向量匹配。在系统的功能重构模块, 通过对激励——响应的逻辑进行逆向的逻辑组合, 形成故障向量的等价逻辑, 实现功能的重构。

4 结语

随着电子技术和发展, 电路的集成度逐渐增大, 各种元器件很容易出现故障, 一旦电路出现故障, 检测和修复的难度比较高。如果对故障电路进行整体替换, 会增加电路的维护成本。功能重构技术根据电路的逻辑功能的分析和还原处理, 对电路的功能进行重构, 实现了故障的修复。

摘要：电路故障存在定位和修复比较难的问题, 基于功能重构的故障修复技术解决了这一问题。该方法是将测试过程中的响应值和实际电路的响应值进行比较, 实现故障的精确定位。确定故障之后采用功能重构的原理对故障电路进行修复, 从整体上降低了电路的修复难度。

关键词：电路故障,重构技术,修复,测试

参考文献

[1]王刚等.一种动态功能重构SRAM的设计与实现[J].电子与封装, 2009 (10)

[2]祝文姬等.容差模拟电路软故障诊断的神经网络方法[J].电工技术学报, 2009 (11)

多功能电路论文 篇8

随着现代医学的发展,一门新兴的边缘学科———睡眠医学作为现代医学的一个重要组成部分正逐步建立、发展起来,并受到了广泛关注。其中,由上呼吸道阻塞引起的“阻塞性睡眠呼吸暂停综合症”是一种潜在的致死性疾病。其特点是:睡眠时,上呼吸道阻塞导致进行性缺氧、酸中毒、呼吸困难,造成白天嗜睡、头晕、头痛、记忆力减退、乏力、反应迟缓等症状。呼吸道停止气流达10 s以上即可被诊断为“呼吸暂停综合症”[1]。因此,如何有效地检测呼吸气流的存在与否成为诊断“呼吸暂停综合症”的关键。

人们提出了多种检测呼吸信号的方法。

(1)压力法[2]。通过压力传感器检测人的口、鼻腔处的压力变化来检测呼吸信号。该方法需要高灵敏度的压力传感器,且容易受到人体振动的影响,故一般不予采用。

(2)阻抗法。该方法通过在人体特定皮肤处安置阻抗电极测量呼吸信号,容易引起人体的不适,也不常用[1]。

(3)用流量传感器获取呼吸信号。该方法包括压电式流量计、光脉冲计数等不同种类,如瑞典的Engstrom medical AB公司的系列呼吸机,国产的KTH-5全能呼吸机等均属此类[2]。

(4)热释电式睡眠呼吸暂停监测方法[3,4]。选用热释电传感器来监测呼吸信号,将热释电传感器固定在口鼻附近,呼吸气流辐射的能量到达热释电传感器后,传感器将受到的热辐射信号转换为电信号从而得到呼吸信号。

吴萍等学者提出了一种利用硅二极管PN结温度特性进行呼吸信号检测的电路[5],具有结构简单、成本低廉等优点,但同时也存在不适应环境温度变化、误检率较高等缺点。本文首先对该电路方案进行分析,针对该电路的缺点提出了一种改进的呼吸信号检测电路。

2 电路工作原理

吴萍等学者提出的检测电路(见图1)主要由比较器和阻容元件等组成。它将硅二极管D1作为呼吸信号检测元件,电位器W1用以调整获取电路工作所需的基准电位。

人体的正常温度是37℃,二极管能接收到的人体呼吸的温度一般在33℃。环境温度为25℃时,人体呼吸的温度相对环境温度的最大变化量是8℃。二极管的温度系数一般为-2 mV/℃,因此D1上电压最大变化量是16 mV。将电位器调整到基准电压为592 mV(此值应根据实际情况调整),加到比较器的同相端,二极管检测到的呼吸模拟信号加到比较器的反相端。电路工作时,将二极管放置在靠近人体鼻孔的位置。患者呼吸时,二极管检测到气流温度发生变化,其两端的电压也发生变化,即产生呼吸模拟信号。模拟信号与调整好的基准值的交点即信号的跳变点,经比较器电路输出数字信号,该信号就是检测到的呼吸信号。波形变化见图2。

该电路的工作实质是通过二极管检测呼吸气体的温度变化,二极管结电压随呼吸气流变化,比较器输出高低变化的脉冲,从而得到呼吸信号。假设环境温度在25℃时,人体的正常温度是37℃,人体呼出气体的温度为33℃,该变化量与比较器的正端基准电位进行比较,温度相对环境温度的最大变化量是8℃。假设二极管结电压在环境温度25℃时为600 mV。当呼出热的气流时,气流温度为33℃,二极管的结电压降低到600 mV-2 mV/℃×8℃=584 mV,比较器的负端电压小于正端电压,输出高电平;当患者吸气时,气流温度为环境温度,即25℃,二极管的结电压为600 mV,比较器负端电压高于正端电压,输出低电平,这样就检测到了1次呼吸信号。

但通过仔细分析可以发现:该电路将基准电压通过电位器调整到一个固定的电位,极易受到电源电压波动和环境温度的影响,可能检测不到呼吸信号。例如:当环境温度达到33℃时,即使没有呼出气流,二极管的结电压也会达到600-16=584(m V),比较器输出端将一直输出高电平,有可能造成检测不到呼吸信号,使该电路的适用环境受到限制。

3 具有温度和电压波动补偿功能的呼吸信号监测电路

针对以上呼吸信号检测电路的不足,我们提出一种具有温度、电压双重补偿功能的呼吸信号检测电路,其电路原理如图3所示。

与原电路相比,该电路的基准电位不再依靠调整电位器设定在固定电平上,而是将D1结电压作为基准电位,外加与D1特性相同的D2作为呼吸气流温度检测元件。电路的工作原理分析如下:电阻R1(4.3 kΩ)、二极管D1组成基准电压产生电路;二极管D2为呼吸信号监测传感器,电阻R2(4.3kΩ)、电阻R3(2Ω)为D2提供工作电流。在5V的工作电压下,流过D1的电流约为:

因为电阻R3只有2Ω,所以流过D2的电流也近似为1 m A。这样,2个二极管的工作电流一致。若选择同一批次的二极管,则两者的结电压也基本一致,即Vt1=Vt2。此时,电阻R3上的压降约为2 mV。因此,比较器LM393的正端电位为Vt1+2 mV,高于负端2 mV。当没有监测呼吸气流时,确保输出为高电平。当监测到呼吸气流时,只要呼出气流温度大于环境温度2℃,呼吸信号监测传感器D2上的结电压将会下降2 m V/℃×2℃=4 m V。这样,比较器的正端电位为Vt1+2 mV-4 mV,小于负端电位,输出低电平,即监测到1次呼吸信号。

与原电路相比,该电路具有如下优点。

3.1 温度补偿功能

当环境温度降低时,例如降低到10℃,此时2个二极管两端的结电压都升高至600 mV+(25-10)×2 m V/℃,但比较器两端的电压因为2个二极管两端的结电压同时升高,且升高相同值,所以比较器输出电压将不受任何影响,仍能检测到呼吸信号。

3.2 电压补偿功能

当电源电压产生波动时,2个二极管D1、D2的结电压同时产生相同方向的波动。因此,加在比较器同相和反相端子的电压同时升高或降低,但不会产生明显的变化。

比如,正常工作电压为5 V,当电压值突然升高到6 V时,流过2个二极管的电流约为1.23 m A,2二极管的结电压按同样规律变化,而电阻值为2Ω的电阻两端电压为2.5mV,即比较器正端电压比负端电压高2.5 mV,比较器仍将输出高电平,但不会对呼吸信号的检测产生大的影响。

3.3 电路设计结构简单,无须手动调整工作点

我们分别对两套电路在空调房间进行测试。

第1步,调整室温至25℃左右。仔细调整原电路工作点,使其能正常工作,本文电路无需调试。分别将两套电路的测温二极管放在被测人鼻孔下方3～4 cm处。被测人均匀呼吸,通过万用表测量两电路的输出电平变化,两电路均可以正确检测到呼吸信号。

第2步,控制室温升高至30℃左右,再次测量两电路输出电平。可以发现,原电路误检率明显增大,而改进电路仍然可以正确检测呼吸信号。把室温降低时同样会出现这种现象,说明改进电路更适应环境温度变化。但是,当环境温度继续升高至35℃(接近人体温度)以上时,由于设计原理的原因,改进电路的误检率也逐步升高。

4 结论

由于非温度补偿功能的呼吸信号监测电路容易受环境因素以及电源波动的影响,我们提出并设计了一种具有温度和电压波动双补偿功能的呼吸信号检测电路。该电路不仅具有温度补偿的功能,而且不受电源波动的影响,且电路设计结构简单,无须手动调整工作点。根据实验结果,环境温度接近人体温度时,该电路的可靠性也会下降,有待进一步改进。

参考文献

[1]戚建新,郭群恩,董苑.阻抗法检测呼吸信号的电路设计[J].医疗卫生装备,1998,19(3):4-6.

[2]朱兴喜,彭红,戚仕涛.呼吸信号的获取方法[J].医疗设备信息,2003,18(3):38-40.

[3]盛煜,马华红,陈建华,等.基于集成射频平台的睡眠呼吸暂停无线监测[J].北京生物医学工程,2005,24(2):116-119.

[4]吴海锋,许锋,陈建华,等.热释电式睡眠呼吸暂停监测[J].红外技术,2004,26(1):31-33.

多功能电路论文 篇9

射频宽带接收机广泛应用于频率监测与跟踪、频率资源使用情况的普查和电子战的无线电侦察与对抗等领域,而虚假响应则是衡量射频宽带接收机性能的一项重要指标。射频宽带接收机的虚假响应定义为输入端口没有激励信号时,输出端口有响应输出[1],这是一种广义的定义虚假响应。但要全面反映接收机的虚假响应,对虚假响应定义还应补充另一种狭义情况,即输入端口有激励信号时,输出端口的输出响应除自身激励信号应有的输出响应外,还出现其他多余的输出响应,这种其他多余的输出响应也应称为虚假响应,这种狭义虚假响应的特点是激励信号电平需要达到一定的强度时才出现,且随激励信号的消失而消失。无论是广义的虚假响应还是狭义的虚假响应,都会干扰射频接收机对信号的正常接收,造成接收系统的虚警和漏判。

参考文献[1,2,3]从狭义的虚假响应角度,对接收频带内的多信号组合分量产生的虚假响应及其测试情况进行探讨,参考文献[4]对接收机广义和狭义的虚假响应进行了部分的归纳总结。但文献[1,2,3][1,2,3]与接收机的架构及功能电路结合不足;文献[4]则侧重于结论性的总结,与接收机的具体设计和工程实现的论述不足;而在电磁兼容方面,文献[5,6][5,6]从电磁兼容方面进行部分归纳总结,但没有结合电路进行分析。因此,从接收机的架构和电路方案设计等角度还没有文献进行论述。本文从射频宽带接收机的架构入手,以功能电路为基本单元,把射频宽带接收机的虚假响应表现形式及其类别与接收机的功能电路单元对应起来,采用定性和实验数据相结合的分析方法,对接收机产生虚假响应的根源进行剖析,从设计和工程实现方面给出了解决措施。

1 通用架构和虚假响应类型

从功能上看,宽带射频接收机种类繁多,参考文献[7,8]对接收机种类进行了归纳分类。但从频率变换关系上看,就只分为直通放大模式和超外差变频放大模式(以二次变频为例)2类。直通放大模式射频接收机架构如图1所示,超外差变频模式射频接收机架构如图2所示。

针对图1和图2两种模式的射频接收机的架构,对应于各功能电路单元产生的虚假响应的表现形式和类型如表1所示。

2 虚假响应分析与解决措施

2.1 频率设计性虚假响应分析解决措施

频率设计性虚假是指接收机的整机频率流程设计和本振频率合成设计等设计环节引入的虚假响应。虽然这类虚假响应是基本上通过电路的非线性体现出来,但其根本原因还是由于设计产生的,因此,这类虚假响应归结为频率设计性虚假。频率设计性虚假主要体现在以下4个方面。

2.1.1 本振与非工作频点的组合虚假响应

对于这类组合分量,一次频率变换(多次变频可分解为多个一次频率变换)情况下考虑消除5阶(含5阶)以下的组合分量就可以满足使用要求。在电路实现时由于滤波器的带外抑制效应和平衡混频器对偶次组合的抑制效应等因数,分析的重点就转化为带内的3阶组合分量。

高低本振2种方案对应的中频频率和可能的带内3阶组合分量如表2所示。

表2中,fl为本振信号频率;fr为本振信号频率;frmin为接收频率下限;frmax为接收频率上限;fr'为干扰频率;fi为中频信号频率。

参考表2可能出现的带内3阶组合分量,根据滤波器能实现的矩形系数,计算出对中频频率选取范围的约束条件和接收频段的亚倍频程分段滤波要求。

通过理论计算和工程验证,减小或避免此类干扰应采取措施如下:

(1)采取高本振、高中频的方案是避免3阶干扰的优选方案;

(2)对接收频段采取亚倍频程分段滤波;

(3)中频频率的选择应满足表2组合分量计算结果的约束条件。

2.1.2 本振频率间的组合分量的虚假响应

对于采取二次及以上的频率变换的射频接收机来说,本振频率间的组合分量可能落在接收频率或中频频率带宽范围内,其干扰计算公式为:

而本振信号的电平相对接收机的最小接收电平(灵敏度)来说,电平差甚至超过100 d B以上,其组合分量的电平的工程实测数据可达-90 d Bm,对于高灵敏度(比如优于-120 d Bm)接收机来说,虚假响应电平属于中强电平。

针对该类虚假产生的机理,减小或避免此类虚假的措施如下:

(1)优化频率设计,减少落在接收机接收频率范围内的组合分量的数量;

(2)对落在接收频段范围内的极少数的组合分量,其组合阶数应控制在5阶以上;

(3)禁止组合干扰分量落在接收机的中频频率范围内。

2.1.3 本振频率合成过程中的虚假响应

本振电路在频率合成时采用的时钟整形电路、分频电路和倍频电路等非线性电路,会产生离散的频率分量。由于这类电路的工作电平较强,产生的虚假响应信号电平也较强,若落在接收机的接收频段范围或中频频率带宽范围内,也使射频接收机产生较强的虚假响应。其传播路径是供电线、射频连接电缆和地回路,通过传导和辐射方式进入接收电路。

要减小这类虚假响应,应满足的设计原则和采取的措施如下:

(1)优化频率合成电路的实现方式,少用外置的固定分频电路;

(2)禁止虚假分量的频率落在中频频率范围内;

(3)对不同功能电路的供电、数字地和模拟地进行滤波隔离。

2.1.4 镜频分量和中频分量的虚假响应

镜频分量在设计时着重考虑与外部环境相关的一镜频分量(对于采取二次及以上的频率变换宽带接收机,二镜频及以上的分量通过频率流程设计和中频滤器的设计解决)。因此,本文讨论镜频分量特指一镜频分量。

镜频分量、接收频率分量与本振分量满足下列关系:

对于高本振方案,

式中,fm为镜频频率。

对于低本振方案,

由式(1)和式(2)可知,镜频对接收机产生虚假的实质是镜频分量与本振分量在接收电路中混频器的作用下,产生的频率分量与中频频率相同。

无论是采取高本振还是低本振频率设计方案,镜频分量与接收频率分量满足下列关系:

由于对镜像频率的抑制主要是依赖于预选滤波器和镜频抑制滤波器,因此由式(3)和滤波器的矩形系数指标可知,要达到对镜频分量有效抑制的要求,就必须尽量提高中频频率数值。

中频分量的虚假响应是指外界的频率分量或接收机自身频率合成时产生的频率分量落在接收机的中频频率范围内,通过传导和辐射方式进入接收机的中频电路,导致接收机产生虚假输出。中频分量产生的虚假响应最严重的后果是导致接收机失效,因此,必须从设计源头上避免中频干扰。

避免中频干扰应注意以下几点:

(1)一中频频率的选择尽量远离接收频率范围;

(2)中频频率的选择应避开大功率的民用设备发射频率(比如移动通信频率等);

(3)禁止本振频率间的组合分量和本振电路的非线性频率分量等落在中频频率范围内。

2.2 非线性失真虚假响应分析与解决措施

接收机的非线性失真是指输入信号电平大于接收机的线性工作的最大电平值时,接收机工作在非线性状态下产生的谐波分量和组合分量,这些分量如果落在接收机的各次中频的通带内,就会产生虚假输出。

参考文献[9,10]对提高接收机的线性进行了一些分析,但最简洁的方式就是用泰勒级数展开的非线性的伏安特性,如(4)式所示[11]:

式中,an(n=0,1,2…&)为展开系数。

输入信号电压可表示为:

式中,若m=1,则u=A1cosω1t,表示单音信号输入,这时的非线性就只存在谐波分量。若m≥2,则u=A1cosω1t+A2cosω2t+…+Aicosωit,这时的非线性不仅存在谐波分量,而且还存在2阶、3阶及以上的组合分量。

工程设计和实验验证表明,落在接收机带内的谐波分量、2阶组合分量和3阶组合分量产生的虚假响应最为严重的。

非线性虚假响应是由接收机的线性动态决定,只能通过设计解决和调试优化。采取的措施如下:

(1)针对谐波分量和2阶组合分量,采取亚倍频分段滤波和提高接收电路器件的线性度来减小虚假响应。

(2)对3阶组合分量,采取提高接收电路器件的线性度和优化接收链路增益分配的方法来减小虚假响应。

2.3 电磁兼容性虚假响应分析解决措施

依据参考文献[12,13],解决电磁兼容性虚假的关键是要找准干扰源、干扰传输路径和敏感电路这3要素。工程上采取电路拓扑结构分析和实验相结合的方法解决该问题。针对图1和图2的宽带射频接收机的架构,结合电源电路、数字电路和时钟电路等产生的频率分量、杂散分量和噪声对接收机产生的虚假响应的实验数据,采取屏蔽、滤波[14]和接地[15]等技术手段,从而达到减小电磁兼容性虚假响应的目的。

2.3.1 开关电源的噪声和杂散分量的虚假响应

由于开关电源的频率分量、噪声分量和杂散分量对某频段的宽带超外差变频模式射频接收机产生虚假响应的实测数据如图3所示。从这3个频谱图的虚假分量的数量、电平强弱和噪声基底的变化趋势可知,电源产生的虚假响应不仅影响接收机在存在干扰频点的信号的正常接收,而且由于频段内噪声基底的升高而影响接收灵敏度。

通过对接收机电路的拓扑结构分析发现,开关电源的噪声是以接收机内部的供电线路为路径,通过传导方式对噪声敏感的本振电路形成干扰。噪声通过调制的方式调制到本振频谱上,以混频的方式进入接收电路,导致接收机产生虚假响应。

为了解决电源的品质因数对接收机产生的虚假响应,在设计和工程实现时应采取的措施如下:

(1)选用低纹波的电源变换器,对电源变换器的输出采取差模、共模或二者相结合的滤波措施,通常要求滤波后的电源纹波<50 m V。

(2)对电源纹波比较敏感的电路(比如环路滤波器、VCO等电路)应在靠近电路的供电端口再次采取滤波措施。

(3)信号线(尤其是射频信号链路的传输线)应远离电源线和采取隔离措施。

(4)数字电路和模拟电路的地回路、共用电源的供电回路应采取对直流直通和对交流高阻的滤波隔离措施。

2.3.2 时钟频率及其杂散的虚假响应

接收机的数字电路和模拟电路的时钟情况分为2种:一种情况是数字电路和模拟电路共用时钟(本文简称“同源”);另一种情况是数字电路和模拟电路的时钟各自独立(本文简称“异源”)。在“异源”情况下,对数字电路的时钟采取措施前后的某频段宽带接收机的输出频谱如图4所示。从图4可知,时钟电路对接收机的虚假响应主要体现在接收机的输出频谱杂散上,对噪声基底的影响较小。

为了减小和避免时钟频率及其杂散对接收机产生的虚假响应,针对“异源”和“同源”的差异,在设计和工程实现时应采取以下措施:

(1)在“异源”情况下,所有数字电路使用同一基准时钟;

(2)在“异源”情况下,数字电路和模拟电路基准时钟不能同频;

(3)在“异源”情况下,在满足控制逻辑信号波形条件下尽量减小时钟频率的谐波分量;

(4)在“同源”情况下,模拟电路和数字电路的时钟接口要采取放大隔离和滤波隔离措施;

(5)无论是“同源”还是“异源”情况,应压缩倍频和分频的时钟频率的种类;

(6)无论是“同源”还是“异源”情况,时钟电路的布线采用地回路隔离。

3 结束语