多功能电路模块设计

多功能电路模块设计（精选10篇）

多功能电路模块设计 第1篇

关键词：IPM模块,舵机,脉宽调制,PWM

0 引 言

绝缘栅双级型晶体管IGBT是一种由双级型晶体管与MOSFET组和的器件,它既有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性,又具有双级型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点。IPM模块与IGBT模块相比,具有如下特点:内置驱动电路、过流保护、短路保护、控制电源欠压保护、过热保护及外部输出的警报。本文将日本三菱公司的IPM模块PM25RLA120和美国TI公司的电机控制芯片UC1637用于电动舵机控制。

1 设计原理

舵机控制原理框图如图1所示。

舵机是一种位置伺服的驱动器[1],其工作原理是:控制信号与舵机位置反馈信号比较[2],获得直流偏置电压[3],偏置电压进入信号调制芯片产生一个比较电平,经过PWM控制芯片UC1637后,输出一定占空比的PWM信号,用来驱动IPM电路中IGBT的通断,从而实现电动舵机位置的控制[4]。

2 舵机控制系统电路

2.1 以UC1637为核心的控制电路

UC1637是TI公司针对直流电机控制设计的芯片,该芯片用来代替通常的驱动电路,内含三角波发生器、误差放大器、脉宽调制器[5]、欠压保护、过流保护电路,提高了电机控制电路的集成度和系统的可靠性[6]。舵机控制电路接收控制计算机发送的操舵信号,与舵机反馈信号[7]比较,校正放大处理后,与一定频率幅值的三角波信号比较后的信号输入UC1637,在芯片内产生一个模拟误差电压信号,输出二路不同极性的PWM控制信号,达到控制舵机打出不同舵角的目的。UC1637控制电路如图2所示,MC2为三角波输出信号,MI2为UC1637输入控制信号,A02,B02为输出控制信号,两路控制信号经过光电隔离后控制IPM模块不同的回路的通断控制舵机工作[8]。

2.2 IPM模块驱动电路

IPM模块驱动电路是IPM模块内部电路和控制电路间的接口。良好的外部驱动电路[9]对以IPM模块构成的系统运行效率、可靠性和安全性都有重要意义[10]。器件本身含有驱动电路。所以只要提供满足驱动功率要求的PWM信号、驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。IPM模块PM25RLA120的外围驱动电路如图3所示。

M25RLA120需要4路不共地的+15 V电源,M57140是三菱公司为其IPM系列产品专门配置的电压转换模块,为IPM模块提供4路不共地的+15 V电源。UC1637输出的PWM控制信号AO2,BO2经高速光耦HCPL-0466送到IPM模块的输入端,6路输入信号的电路结构均相同,这里控制的舵机为有耍直流电机,因此图中只画出其中的4路输入信号,高速光耦起到电气隔离IPM与外部电路的作用。

3 结 语

实际运行和调试结果表明,基于IPM模块的舵机控制电路具有集成度高、响应速度快、 驱动能力强等优点,极大地提高舵机控制电路的可靠性并缩小控制系统的体积,降低产品成本,有着良好的应用前景。

参考文献

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[2]姚俊,曾凡菊.电动舵机控制系统的电流环设计[J].沈阳理工大学学报,2010(1):11-14.

[3]叶重,孔凡让,束根荣.基于AVR的蛇形机器人舵机控制[J].机械与电子,2009(12):68-70.

[4]李赛辉,雷金奎.基于DSP的数字舵机控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2009(3):484-486.

[5]王倩,李冬雪.基于FPGA的机器人多路舵机控制器[J].科学技术与工程,2009(11):3083-3085.

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[7]袁媛,王忠庆,秦彬.基于DSP无人飞行器数字舵机控制仪研究[J].电气技术,2010(2):41-43.

[8]杨百平,杨金孝,赵强.无人舵机控制系统的硬件设计与实现[J].计算机测量与控制,2010(5):1076-1078.

[9]方庆山,林春方.一种基于AT89C2051的多路舵机控制方案设计[J].微特电机,2009(7):56-58.

多功能电路模块设计 第2篇

对于消费者而言，要买一样商品，或多或少都会受到他人的影响，各种各样的信息聚合在消费者的脑中，它们共同影响了一单交易的发生，这其中很重要的一类信息就是别人的商品评价。

商品评价是很常见的电商网站的功能模块。让我们来看看商品评价都有什么样的信息结构。

商品评价大致分两类，一类是商品评分，现在一般是五颗星的打分标准，另一类是商品评论，主要由消费者的评论组成。

一、商品评分

评分通常是用五颗星来快速打分，用户的操作很直观，不需要给出具体的分数，直接点击星即可。

从打分的过程来看，可以把星级细化，分为好评、中评和差评三类，如下图中的娜拉、京东、1号店，如果进一步细化，可以类似无名良品的非常满意、满意、一般、不满意、非常不满，更可以是类似凡客这种的分项目打分，例如综合评分、外观评分、舒适度。

从打分的结果来看，可以直接用星来显示平均打分，例如下图中的麦包包、梦芭莎、京东、凡客，也可以增加分数的显示，例如下图中的无名良品某产品评分为4.7分。

二、商品评论

打分的信息给用户提供的价值还是非常有限的，如果用户想要更深入地了解产品，他们更乐意去查看用户评论，

简单的做法就是用户只能发自己的评论，评论不允许回复，例如下图中的麦包包、梦芭莎、无名良品和娜拉。

复杂一点的做法可以再增加有用没有的评价按钮，如下图中的1号店的做法，用户除了自己发布商品评论外还可以对其他用户的商品评论进行评价，这样做的好处就是增加商品评论的可信度。举个例子来说，用户A想买一样商品，但是却在产品页的商品评论中看到一个差评，此时这个差评的描述可能会对A的购买产生很大影响，如果这个时候他看到这个差评的旁边其他用户给他的无用评价数很多，那A很有可能会忽视这个差评，相反的，给它的有用评价数很多，那A就会更重视这个差评。

更复杂一点的做法可以继续增加回复的功能，如下图中的京东和凡客，用户可以回复其他用户的商品评论，一般情况下这种做法适用于购买因素比较复杂的产品。下图中的京东截图就是以某笔记本的产品页，它下面的评论以及回复就很多。

除此之外，商品评论也可以和商品评分结合起来，例如1号店和京东的做法，按照好评、中评和差评对评论进行分类，特别是在评论很多的时候，分类查看会给用户提供很大的便利，当然，这也适用于购买因素比较复杂的产品，用户购买时需要参考更多更全面的意见，比如说笔记本电脑。

从下面列举的几个网站来看，有些网站把商品评价做的很简单，如麦包包，也有些网站把商品评价做的很复杂，如京东，简单或复杂没有绝对的好差之分，主要还是要参考用户的需求。

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多功能电路模块设计 第3篇

前言

伴随着计算机技术与电力电子技术以及运动控制技术的飞速发展，电力电子器件在这样的环境中也发生着巨大的转变。根据国内外的研究背景来分析，变频技术正在朝着小型化、多功能的方向发展，而电力电子器件也从半控器件、全控器件、功率模块一直发展到现在的智能功率模块。智能功率模块具有集成度高和体积小的特点，其在有源滤波器装置中的应用能够有效保护电路以及控制电压。本文研究了IPM的电路设计，并分析了其具体应用。

一、IPM智能功率模块的概述

智能功率模块是由高速和低功率的电子芯片以及优选的门级驱动和保护电路共同构成的。由此看来，其具有开关速度快和功耗低的特点。智能功率模块中每一个晶体管的驱动电路都设计出了最佳的驱动条件。和传统的晶体管模块相比，IPM在系统性能以及可靠性方面都有了很大程度的提高[1]。

IPM应用于有源滤波器当中能为内建中的保护电路提供4种保护功能，分别是过流保护、短路保护、欠压保护以及过热保护功能。在实际的工作当中，如果IPM模块中体现出一种保护电路的动作，整个滤波器的驱动单元就会关闭门极电流，同时传输出一个故障信号，有效保护整个电路。

二、IPM智能功率模块的电路设计

智能功率模块的电路设计主要包含了三个方面内容，分别是驱动电路部分、缓冲吸收电路部分以及保护电路部分。

在实际的智能功率模块中，有一种R型的智能功率模块，在其内部一共装有7个晶体管，并在1200V/75A的条件下运行。由于智能功率模块内部装置了驱动电路，因此和普通晶体管驱动的电路设计相比而言，外部驱动的电路设计则更加简洁。之所以出现这种简便的装置，根本原因在于驱动电源以及光耦接口中电路的设计[2]。

值得注意的是，智能模块功率对驱动电路的输出电压有着十分严格的要求，这种严格的要求具体体现在：首先，驱动电压的范围为（1±10%）×15V，如果电压小于13.5V的话将会发生欠压保护的现象，电压如果高于16.5V的话将会产生损坏内部零件的情况。其次，驱动电压要相互隔离，以此避免地线的噪声相互干扰。最后一点，驱动电流输出端滤波的总体电容量不能过大，因为当所寄生的电容超过了100pF时，噪声的干扰将会有可能在错误的情况下触发到内部的驱动电路[3]。

在缓冲吸收电路的部分中，智能功率模块所产生电压的主要原因是存在着关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。关断浪涌电压是指在关断的瞬间流过晶体管的电流时产生瞬态的高压，而当续流二极管恢复到反向的阻断能力时就会产生和关断浪涌所相似的浪涌电压。因此，为了保护晶体管就必须使用到缓冲吸收电路，缓冲吸收电路可以用来控制晶体管等功率元件的关断浪涌电压以及续流二极管恢复浪涌电压，从而在减少对开关损耗的同时能够使功率元件的功率达到极限。

三、智能功率模块的具体应用

驱动电路IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模块是主电路和控制电路之间的一个接口，该接口的作用是确保驱动电路的稳定，而稳定的驱动电路对有源滤波器（APF）整个装置的运行、可靠性能以及安全性能都有着十分重要的意义。在功率的驱动电路当中，保护电路是不可或缺的一项功能，完整的系统保护不能够仅仅依靠智能功率模块当中的内部保护功能，在实际的运行当中还需要借助外围的保护电路。IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模块内部保护功能在其发生故障的时候会有效输出一个故障的信号，外围的保护就是在故障信号处理的基础上提供保护措施[4]。

在传统的有源滤波器（APF）中，所采用的是电感和电容的元件来运行，这种元件组成具有很大的弊端，比如说其具有占用的体积大、受到参数的影响比较大以及补偿性差的缺陷等，故传统的有源滤波器仅仅能够抑制住固定次数的谐波。而应用IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模块在有源滤波器（APF）中，在很大程度上会提升其运行的能力，同时产生出高速的输出冲脉。如果在实际的运用中能够使用多种结构来进行串联或并联的工作，将会得到更多的控制点，输出的波形也会更加明显[5]。

结论：目前，在我国的电力有源滤波器（APF）中，智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）的应用极为广泛。将由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的智能功率模块IPM应用在有源滤波器（APE）中，可以有效简化电路中的设计，减少相关的智能功率控制环节，从而大幅度提高电路系统的安全性及可靠性。所以，只要在电路设计时注意对智能功率模块IPM相关电路的设计，就能更好的完善电路中的智能功率控制系统。

参考文献

[1]袁涛，郑建勇，康静.IPM智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中应用[J].电力自动化设备，2011，05（19）：88-91.

[2]曾伟，程汉湘.《电力自动化设备》2007年著者索引（第27卷第1～12期）[J].电力自动化设备，2011，12（21）：113-121.

[3]刘建，吴春芳，朱约章，IGBT-IPM智能模块的电路设计及在SVG装置中的应用[J].国外电子元器件，2014，03（22）：40-44.

[4]吴国亮，邹秀斌，孙斌.IPM智能功率模块在高精度惯导测试设备中的应用[J].计算机测量与控制，2010，10（10）：2247-2249-2252.

[5]范瑞祥，罗安，李欣然.并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及应用研究[J].中国电机工程学报，2011，02（09）：106-111.

水果分选机称重模块调理电路设计 第4篇

关键词：水果分选机,称重模块,调理电路,AD7195芯片

0 引言

近年来,人们对水果品质的要求不断提高,同时为了提高水果的商业价值,扩大鲜果出口,对水果进行严格的质量分级就变得尤为重要。而人工分级生产率低且分选精度不稳定,实现水果的机械化、自动化分选作业势在必行。

目前,国内外学者在利用机器视觉技术对水果外部品质检测方面进行了大量的研究,取得了重大进展。现已能够利用机器视觉技术实时检测水果的大小、颜色、表面缺陷状况和果形等品质,且效果令人满意。在水果质量分选方面,国外研究比较成熟,能够比较准确地检测动态水果的质量,而国内在此方面研究的还较少。

多数情况下,水果按外观品质要求分选完成后,在包装上市之前还要求给出其质量值,而目前的水果分选机大多侧重于机器视觉或质量单一方面的研究。为此,拟在水果机器视觉分选机上安装一个称重模块,使得分选机能实时检测水果的外观品质和质量,并将水果质量信息与外观品质评定结果实时融合得出最终分选等级。本文基于AD7195芯片,设计出了称重模块的调理电路。它主要实现桥式应变称重传感器信号的放大、AD转换、传感器的毫伏级信号与质量之间的线性转换以及质量信号的输出和处理。

1 调理电路概述

设计的调理电路主要有放大器、AD转换器、滤波器和微控制器等组成,如图1所示。称重传感器输出的信号经放大电路放大、AD转换和滤波电路滤波后传给微处理器,然后由微处理器对信号进行处理。

由于传感器动态特性中不可避免地存在非线性的成分,因此本设计中微处理器利用特定的数学模型和数字处理技术对传感器的信号进行软件修正和补偿,然后转换为质量信号并输出,从而提高了测量结果的精度和线性度。

2 关键技术研究

本设计中,电路实现的功能虽然简单,但由于多种噪声的影响,对于一般满量程输出为20mV的传感器,要达到0.15μV/20mV的精度,还是十分困难的。激励源、参考源性能以及热偶电压、温漂、噪声等因素都影响了精度的提高。经反复对比,设计的调理电路采用比率测量方法克服激励源、参考源性能对测量精度的影响,用交流激励抑制热偶电压、温漂、噪声等因素的影响,并针对应变式称重传感器本身的特点,采用线性插值方法建立AD转换输出值与质量值之间的对应关系,且采用三次多项式最小二乘拟合对数据进行补偿,以提高测量结果的线性度和重复精度。

2.1 比率测量

A/D 的精度与基准源及电源密切相关,而在电源类芯片中,以参考源类芯片的精度和热稳定性最好。然而一个性能相当好的电源芯片,以ADI公司参考源芯片AD780为例,这是一个性能相当好的电源芯片,它的精度为2.5V±1mV(max),温漂为3×10-6/℃(max) ,也就是说它本身的精度也只有0.04% 。假设环境温度变化50℃,则温漂将达到0.015%,无法达到系统精度要求(0.15μV/20mV)。

所谓比率测量,就是A/D芯片的参考源和激励源电压由同一电源芯片所提供,图2所示为比率测量方法的原理。

比率测量中,A/D转换的基准电压Uref采用供桥电压(供给应变电桥传感器的激励电源电压)分压得到,即供桥电压UDD与基准电压Uref成比例关系。则

Uref=A'UDD (1)

其中,A′为分压比。

传感器的输出信号电压UO为

Uo=βFUb (2)

其中,β为传感器的灵敏度;F为传感器上所受重力的相对值。

A/D转换器的输入电压平均值Ui为

Ui=AUo (3)

其中,A为前置放大器的放大倍数。

AD转换器的输出值N为

${\rm N}=\frac{U{}_i}{U{}_{ref}}{\rm N}{}_1$ (4)

其中,N1为时间常数。

根据式(1)～式(4),求得

${\rm N}=\frac{A\beta {\rm N}{}_1}{A{}^{´}}F$ (5)

其中,A,β,N1,A′都是常数。

由式(5)可知,采用比率电压测量技术后,AD转换器的输出值N只是被称质量F的函数,与供桥电压UDD无关。这样就消除了由于供桥电压的不稳定而产生的计量误差,从而在很大程度上提高了测量结果的精度。

2.2 激励方式

应变电桥式称重传感器属于无源传感器,需要外加直流或交流激励。直流激励的优点是实施简单、成本低,其缺点是由失调和寄生信号感生的热偶效应产生的直流误差信号混杂在实际信号中,它们将以不可预测的方式改变。虽然交流激励方法实施起来成本高,但可大大提高称量的精度。

要达到0.15μV/20mV的精度,则系统中的失调电压之和必须至少小于0.15μV,但系统中不可避免存在某些失调误差源,再加上温漂、噪声干扰的影响,混在在实际信号中的误差电压大大超过了系统设计要求的最小分辨电压的大小。

图3所示是一般电桥激励中选用的直流激励方法。假设EOS是所有失调电压之和,则传感器的输出电压为UOUT=UA+EOS。图4为采用交流激励时正向激励和反向激励的电桥电压输出情况。正向激励时UOUT=UA+EOS,反向激励时UOUT=UA-EOS,则失调电压之和EOS在2次测量中被消去。因此,通过交流激励,可以有效抑制系统中与被测信号相串联的失调电压的干扰。

2.3 数据处理

本设计的标度转换是线性转换,转换公式可写为

Y=(Y1-Y0)×(X-N0)/(N1-N0)+Y0

其中,Y为参数测量值;Y1为参数量程终点值;Y0为参数量程起始值;X为测量值所对应的模数转换输出值;N1为量程终点所对应的模数转换值;N0为量程起点对应的模数转换值。

以上的Y0,Y1,N0,N1对于某一固定的被测量参数来说是常数,对于不同的被测参数它们有不同的值。本设计是基于单片机的测量系统,因此可以随被测对象的不同用软件的方法来进行不同的标度转换,这就使得它具有很好的可移植性和通用性。

由于传感器动态特性中不可避免地存在非线性的成分, 因此应对输出信号进行非线性补偿。实验分析表明,三阶多项式最小二乘曲线拟合能得到很好的效果,因此本系统选用此法对数据进行补偿。

3 电路的硬件实现

该电路的5V电源由ADP3303低噪声调节器产生;微控制器选用成本较低的8位单片机AT89s52;AD芯片选用ADI公司生产的AD7195芯片。

ADP3303属于ADP330x系列精密低压差anyCAP稳压器,采用新颖的架构、改良的工艺和新封装,与传统低压差线性稳压器相比性能更出色。它采用专利设计,仅需一个0.47μF输出电容便可保持稳定。这款器件使用任何电容均可稳定工作,与电容的ESR(等效串联电阻)值无关,包括适合空间受限应用的陶瓷型(MLCC)电容。ADP3303在室温条件下可以达到±0.8%的出色精度,温度、线路和负载调节的整体精度为±1.4%。200mA时,其压差仅180mV(典型值)。除了全新的架构和工艺之外,ADI公司的新式专有散热增强型封装,可以处理1W功耗。 ADP3303具有较宽的输入电压范围(3.2～12V),并提供200mA以上的负载电流。该器件具有一个错误标志,当该器件即将产生失调时,或者短路、热过载保护激活时,该错误标志会显示相关信息。

AD7195是一款适合高精密测量应用的低噪声完整模拟前端。它集成一个低噪声、24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)。片内可编程低噪声增益前端意味着可直接输入小信号,内置交流激励用于消除桥式传感器中的直流感应偏置。这款芯片可配置为两路差分输入或四路伪差分输入,片内4.92MHz时钟可以用作ADC的时钟源,也可以使用外部时钟或晶振。AD7195具有自校准、系统校准和背景校准功能,可以消除零点误差、满量程误差及温度漂移的影响。它的输出数据速率可在4.7Hz～4.8kHz范围内变化,且具有零延迟特性。

AD7195 的输入信号加至专有的基于模拟调制器、具有可编程增益的前端, 调制器的输出由片内数字滤波器处理, 并且通过片内控制寄存器可对此数字滤波器编程, 允许选择滤波器的截止频率和稳定时间;但滤波器的选择会影响以编程输出数据速率工作时的均方根噪声和无噪声分辨率。

前端数据采集电路如图5所示。质量信号转换为电压信号输出,AD7195芯片得到信号后经过放大、滤波,然后将模拟信号转换为数字信号输出到AT89s52单片机。单片机对采集到的信号进行补偿,转换为质量,然后可通过LED显示或者通过串口连接到PC机上进行存储或进一步的分析处理。

4 实验与结果

设计的调理电路中,AD7195采用5 V基准电压,增益设置为128且器件配置为双极性工作模式。称重传感器的满量程输出为20 mV,一阶滤波器陷波设置值为4.7Hz,此时AD7195的均方根噪声为6 nV,峰值噪声为40 nV。此时,理论无噪声采样数为

$n=\frac{20\text{m}\text{V}}{40\text{n}\text{V}}=500000$ (6)

如果选用的称重传感器满量程为1 000g,则理论上水果分选机称重模块可以达到的分辨力为

$\frac{1000}{500000}=0.002$g (7)

在实际操作中,称重传感器本身会引入一定的噪声。AD7195的漂移也会导致输出结果产生一定的时间和温度漂移。为验证调理电路的精度,把调理电路接上量程1 000g,满量程输出为20mV的称重传感器。分别选择0.5,1,10,100,500g的5个砝码,对每个砝码进行8次测量,测量结果如表1所示。

测量结果表明,系统的精度达到0.02,重复性为0.011。同时,对8组数据进行拟合,得到非线性误差为0.004 3%,说明系统具有较高的线性度。尽管系统的实际精度低于理论值很多,但是完全可以满足水果称重的需要。

5 结论

本文基于AD7195芯片设计出了水果分选机称重模块的调理电路。通过采用比率测量和交流激励的数据测量方法,提高了测量的精度。软件非线性数据补偿确保了输出的高线性度和测量结果的重复性。实验表明,该调理电路具有较高的称量精度、线性度和重复性,可满足大多数水果的称重分选的要求。

参考文献

[1]李光梅,魏新华,李法德,等.水果综合分选机称重模块的设计与实现[J].农业工程学报,2009,25(2):96-100.

[2]苏堡莹,金伟,曹建伟,等.高精度力传感器信号直接数字化技术研究[J].机电工程,2005,22(5):19-22.

[3]张安琪,余柏南.比率测量技术中应注意的问题[J].计量技术,2000(9):21-23.

[4]邵文威,王祖强,刘元财,等.基于AD771的高精度数字化称重传感器设计[J].电气电子教学学报,2009,31(5):64-66.

[5]Analog Device Inc.AD7195 datasheet[EB/OL].[2010-01-30].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7195.pdf.

[6]Analog Device Inc.ADP3303 datasheet[EB/OL].[1998-12-31].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP3303.pdf.

多功能电路模块设计 第5篇

关键词：合成生物学 细胞工厂 生物元件 单细胞

Abstract：The main objectives for year 2013 have been completed. In year 2013， we have several highlights accomplishments including： （1）Set up the metabolism analysis mode and metabolic network analysis methods for the Yeast and photosynthetic microbe.（2）Improve the ginseng saponin synthetic systems based on the structure and function analysis of Panax ginseng C.A.Meyer and Panax quinquefolius L genomic data.（3）Establish C13 metabolic flux analysis platform to design secondary metabolite biosynthesis.（4）Develop single-cell Raman technology to screen functional components or cells. Published 20 SCI papers， and applied for 5 patents this year.

Key Words：Synthetic biology；Cell factory； Biological components；Single cell

多功能电路模块设计 第6篇

掺饵光纤宽带光源是一种相干性低的光源, 具有输出功率高、光谱宽、温度稳定性高、使用寿命长等特点。由于这些特点, 掺饵光纤宽带光源广泛应用在光通信、光纤传感、光器件测试及光谱分析等领域。随着超高速、大容量光纤通信系统和光传感系统的发展, 对宽带光源在功率、带宽、稳定性及体积方面提出了更高的要求。泵浦激光器的驱动电路作为宽带光源的一个组成部分, 电路的稳定性将直接影响掺饵光纤宽带光源的光谱输出质量。近年来, 高稳定的模块化掺饵光纤宽带光源是一个研究热点。

笔者将针对高稳定的模块化掺饵光纤宽带光源中的泵浦激光器的驱动电路展开设计, 通过采用高集成度的自动温度控制ATC电路和自动功率控制APC电路, 对泵浦激光器进行驱动, 实现了光源光谱宽度和功率的高稳定输出。该设计电路具有体积小, 稳定性高等特点, 对研制模块化宽带光源具有一定指导和参考意义。

2 模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计

2.1 驱动电路总体设计

掺饵光纤宽带光源中, 除了激光器的泵浦需要电光转化外, 其余均为无源光路, 所以泵浦激光器的可靠驱动是整个光路设计稳定的一个不可或缺的保证。模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路设计包括:电源电路、泵浦激光器及其保护电路、APC电路、ATC电路。模块化掺饵光纤宽带光源驱动电路总体框图如图1所示。

整个驱动电路采用外置输入+5V (2A) 电源供电, 内部对输入电压进行滤波和稳压处理, 保证电源的稳定性。由于内部驱动电路单元均采用+5V电压系统, 所以内部不再需要电压变化处理。

2.2 泵浦激光器及其保护电路

掺饵光纤宽带光源中的泵浦激光器一般选用980nm或1480nm波长, 由于1480nm泵浦激光器的价格较980nm高很多, 因此项目采用980nm泵浦激光器, 型号为LC96A74P-20R。该激光器模块输出光纤集成了光纤光栅, 波长稳定性高。激光器最大输出功率可以到360m W, 尾端带有保偏光纤。在激光器模块内部集成有热敏电阻、监控光电管、致冷模块, 便于对模块进行自动功率控制和自动温度控制。在结构方面, 激光器采用14脚蝶形封装, 方便电路安装。同时整个激光器模块高度不超过8mm, 在小型化封装过程不会造成体积影响。该激光器模块管脚定义详细见表1。

考虑到泵浦激光器的易损性和使用寿命问题, 因此如何保护激光器, 延长其使用寿命是驱动电路必不可少的内容之一。在使用中应注意一定不要超出激光器的极限值, 否则会导致激光器击穿或烧坏, 从而导致激光器性能下降或永久损伤。操作还应注意静电保护, 焊接时要断电焊接, 保证良好接地。在激光器的驱动端并联滤波电容和反向偏置二极管, 可以对激光器形成很好地保护, 同时防止上电瞬间的电流冲击, 只有在驱动电源工作状态稳定后才允许激光器启动工作。在电源输入端, 增加电容避免电源不稳, 对激光器造成冲击。

2.3 泵浦激光器APC及泵浦激光器驱动电路设计

要使泵浦激光器输出光具有较强的稳定性, 首先要有功率自动控制电路和良好的电流驱动电路。APC控制原理:将驱动电流经过电阻形成电压, 将电压信号连接到驱动源的反向端形成反馈, 对输出光功率进行很好地控制。另一方面, 由于温度、湿度及器件内部老化造成的驱动波动, 也可以通过APC电路改变反馈电压, 从而稳定驱动激光器的电流, 最终稳定光源功率输出。详细设计电路如图2。

电路图中, 首先通过可调电位器调节基准驱动电压, 然后运放OPA4340驱动NPNJ122三极管从而驱动泵浦激光器。同时在NPNJ122的E极取样激光器的驱动电流, 通过电阻转化为反馈电压, 连接至运放的正端, 形成负反馈。

2.4 泵浦激光器ATC电路设计

激光器的输出波长和功率受温度影响比较大, 因此需要对激光器进行自动温度控制电路设计。ATC电路的原理:根据泵浦激光器内部热敏电阻的阻值变化来驱动制冷器, 对激光器模块进行温度控制。热敏电阻作为电阻桥的一臂, 当温度上升 (或下降) 时, 激光器内部的热敏电阻阻值变小 (或变大) , 经过桥式电路, 改变驱动制冷器的电流, 从而对激光器模块进行致冷或加热。

该电路设计中采用ADN8830集成芯片为核心调控器件, 该芯片是目前性能最好的TEC功率驱动模块之一。具有单芯片高集成、高效率输出、高性能等特点, 非常适合设定和稳定TEC的温度。同时5mm×5mm LFCSP封装形式便于产品模块化。长期温度稳定性高达±0.01℃, 并带有温度锁定指示和温度监控输出功能。详细设计电路如图3。

3.2 电路设计的一些注意事项

在进行电路设计过程中, 应尽量使用小型化芯片封装:除反馈电流及驱动部分外, 其他电容、电阻、三极管等器件均采用贴片封装;考虑到信号的完整性, 建议使用4层电路板设计;为了节省空间, 可以电路板双面摆放元器件;在激光器安装部分除了将激光器直接与外壳紧贴外还应预留足够的散热空间;电路板上留出部分固定光纤的小装置, 方便内部光路盘纤与固定。

4 实验结果分析

将本文设计的驱动电路应用在C波段模块化掺饵光纤宽带光源中, 测试输出光谱, 对该驱动电路性能进行验证。为了保证验证的准确性, 测试过程中采用Anritsu公司的光谱分析仪MS9710C、安捷伦的光功率计81618A、光迅的光衰减器OAT-HV, 分别对输出光谱和光功率进行测量。测试温度范围:0~50℃, 环境湿度:75~85%, 外部电压:DC-5V/2A.测试主要技术指标有:输出光功率、功率稳定度、波长范围、平坦度、光谱曲线等光学指标。具体测试方法为:将宽带光源输出光经过光衰减器后与光功率计连接, 可以测量输出光功率及光功率稳定性;将宽带光源输出接光衰减器后再与光谱分析仪连接, 可以测量光谱范围及平坦度及光谱曲线等光学指标。

经过测试, 在整个工作温度范围的数据结果为:光源输出功率大于13d Bm, 15分钟输出光功率稳定度0.005, 8小时输出光功率稳定度0.02。光谱曲线平坦度小于2.5d B。技术指标完全达到台式及机架式宽带光源技术指标, 同时体积仅为90mm×70mm×19mm, 满足系统集成的要求。

通过试验分析可知:采用该驱动电路的模块化C波段模块化掺饵光纤宽带光源满足光纤传感、光谱分析及光测试领域的小型化、高稳定、高可靠要求。

5 结论

该驱动电路采用了自动温度控制ATC电路和自动功率控制APC电路驱动泵浦激光器, 电路具有集成度高、体积小, 稳定性高的特点。通过测试, 由此电路驱动的模块化掺饵光纤宽带光源技术指标均达到台式宽带光源的技术指标, 非常适合模块化宽带光源, 具有很好地推广和借鉴意义。

参考文献

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[6]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础 (第三版) [M].北京:高等教育出版社, 2004.

多功能电路模块设计 第7篇

无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信自组织构成的网络, 被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一[1,2]。在分布式测试中使用无线传感器网络, 不受通信电缆的限制、组态灵活、重构性强, 可以在较恶劣的测试环境中使用。由无线传感器网络组成的分布式测试系统已应用于水中爆炸测试系统。在一些分布场测试系统中, 被测量种类繁杂, 为完成测试任务, 节点采用模块化设计, SPI接口电路简单、传输速度快, 各模块通过SPI总线通信协同完成测试任务。但在实际开发应用中, 由于系统要求, 使某些模块与多个模块链接, 且接口工作在不同的模式下, 如果完成通信需要功能模块的SPI接口主从切换, 致使通信速度与灵活性降低。CPLD具有可编程性特点, 可根据需要扩展专用SPI接口电路, 提高系统通信速度与灵活性, 方便系统扩展功能模块, 提高系统整体性能。

1 节点的模块化设计及其接口电路

无线传感器网络节点采用模块化的设计方法, 每个节点包括无线收发模块、核心主控模块和功能模块。系统通过无线收发模块接收主站发送的命令码, 核心主控模块对命令解码, 完成对各功能模块的控制 (开启采集、时统清零等) 。系统要完成多次重复性试验, 因此每次试验完毕要把实验数据 (冲击波数据、环境变量信息、时统跟定位信息等) 存储到数据存储管理模块统一管理, 同时准备下次试验。系统工作时, 数据储存管理模块SPI接口一方面工作在从模式, 接收主控模块发送的命令;另一方面工作在主模式, 转发控制其他功能模块的命令码并读取试验数据进行统一管理, 图1为在其内扩展专用工作在主模式下的SPI接口的模块间链接图。专用工作在主模式下的SPI接口电路, 具有提高模块间数据传输速度与灵活性等特点。

2 SPI接口电路设计

数据存储管理系统以单片机和可编程逻辑器件组成核心控制器。可编程逻辑器件CPLD依据其编程灵活、易修改的特点, 配合单片机在其内部扩展SPI接口电路, 不仅简化了接口和控制, 且提高了系统的整体性能及系统扩展性。

SPI接口电路设计分两部分:

(1) 硬件部分:CPLD内扩展SPI接口框图如图2。在CPLD内部编写双向IO总线、地址锁存译码电路、时钟发生器、接收和发送数据移位寄存器、传输结束标志SPIF产生器等电路完成SPI接口电路设计。READY1为与从机 (冲击波模块等) 通信时状态标志位, 用于当主机与从机通信时查询使用, READY1为1时, 可读取冲击波数据。

当单片机发送数据时, IO总线首先发送地址码, 地址锁存译码电路生成数据装载使能片选信号, 之后IO总线待发送字节锁存到数据寄存器SPDR, 同时Sck时钟发生器产生8个Sck时钟, SPDR移位寄存器在Sck的时钟沿把待发送字节从MOSI顺序移出, 同时把MISO引脚数据移入SPDR寄存器, Sck计数器计数到8个Sck时钟后, 产生SPIF传输结束标志, 单片机读取SPIF标志是否为1, 判断一字节时候传输完毕。

(2) 软件部分:单片机为主控制器, 首先查询从机状态标志位READY是否为1, 判断是否可以与从机通信。从机准备就绪时, 单片机可装载1字节发送数据, 启动CPLD内部SPI接口电路, 查询并等待SPI传输结束标志位SPIF为1, 完成一字节数据传输, 如此重复。

图3、图4为主机发送与接收1字节流程图。

3 试验结果与分析

图5为逻辑分析仪捕获CPLD扩展SPI接口电路读取冲击波模块数据时波形。

bit8:READY信号, 从机高电平时主机读取数据;bit9:Sck时钟信号, 主机查询READY为高时装载发送字节, 并产生8个Sck时钟, 启动SPI传输;bit10:MOSI, 主机输出端口;bit11:MISO, 主机输入端口, Sck上升沿读取数据, 连续两个周期读取的数据分别为0x07 (00000111) , 0Xb0 (10110000) , 两周期时间间隔为20.400us, 传输速度可达4×105bps, 满足系统要求。

4 结束语

为了满足系统测试任务, 无线传感器节点采用模块化设计, 各功能模块通过SPI接口链接。由于系统功能要求, 使一个模块与多个模块链接通信, 其接口电路SPI工作在不同的主从机模式, 使用单一SPI接口主从切换, 势必降低模块间通信速度与灵活性。依据可编程逻辑器件CPLD有其编程灵活、易扩展性, 在模块内部扩展专用SPI接口, 试验证明SPI接口电路设计, 有简化模块间连接、提高通信速度、系统扩展性强, 以及提高系统整体性能的特点。

参考文献

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[3]金仁成, 王艳辉, 王立鼎, 等.无线传感器网络节点硬件平台设计[J].传感器与微系统, 2006, 25 (12) :48-56.

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[5]林祥德.水中冲击波测试的无线数据传输技术研究[D].太原:中北大学, 2007.

多功能电路模块设计 第8篇

一、SIM300C模块

SIM300C是一款常用的GPRS通信模块。该模块具有尺寸小、功耗低、易于开发的特点。模块的工作电压为3.4~4.5V, 典型工作电压为4.2V, 要求峰值电流为2A。可工作在三频GSM/GPRS 900/1800/1900MHz或四频850/900/1800/1900MHz。满足GPRS (class 10) 标准GPRS (class B) , 满足GSM (2/2+) 标准。内部集成了完整的射频电路和GSM基带处理器, 提供两个串口、一个SIM卡接口、两个模拟音频接口等。同时, SIM300C内嵌强大的TCP/IP协议, 提供通用的AT控制命令, 使用户不需移植TCP/IP协议就能利用GPRS服务与终端建立连接、实现数据传输, 缩短用户的开发周期。

二、SIM300C外围电路

SIM300C向用户提供的信号主要有电源、开关机信号、两个模拟音频接口、两个串口、一个SIM卡接口、通用I/O接口、ADC接口、LCD接口。根据以上接口信号, 分别设计了SIM300C模块的电源电路、SIM卡接口电路、串口电路以及音频接口电路等, 下面分别介绍各部分电路。

1. 电源电路

SIM300C的电源输入引脚为VBAT, 电源电路输出的电压经过开关后连接到VBAT上。该模块的供电电压为3.4~4.5V (典型值为4.2V) , 设计中采用5V直流供电, 需进行5V到4.2V的电压转换。设计中使用MICREL公司的MIC29300系列芯片为模块提供4.2V的电压, MIC29302BT芯片的输出电流达3A, 能够满足SIM300C模块的要求。

2. SIM卡接口电路

在信业务按触发方式分为点播类和订制类。

SIM卡与SIM300C模块之间通过SIM卡座进行连接, 目前市场上有6针和8针SIM卡座, 设计中采用6针SIM卡座, 6个信号线分别为:电源 (VCC) 、地 (GND) 、复位 (RST) 、状态 (VPP) 、时钟 (CLK) 、数据 (I/O) , 其中状态线VPP不接。SIM卡的电源由SIM300C模块提供, 电压为1.8V或3V, 复位、时钟、数据线需经过22欧电阻与SIM300C的提供的信号线:SIMRST、SIMCLK、SIMDATA相连, 数据线与SIM卡电源间还需接一个10K的上拉电阻。另外, 在SIM卡接口电路设计中, 为减小静电干扰, 推荐使用静电防护器件, 设计中采用了SMF05C芯片以减小静电干扰。SIM卡接口电路如图1所示。

3. 串口电路

SIM300C模块为用户提供了两个串口, 一个是通用串口, 另一个是调试串口。因为模块提供的两个串口都是TTL电平, 需通过电平转换芯片, 将TTL电平转换成RS232电平。设计中采用SIPEX公司的SP3238ECA芯片进行电平转换。串口电路如图2所示。

4. 音频接口电路

SIM300C模块提供两个模拟音频输入通道, AIN1和AIN2, 这两个音频通道是相同的, 每个通道都有模拟麦克输入和模拟耳机输出。其中一个用于接电话听筒, 另一个用于外接麦克或外部线路输入。在PCB布局中, 为了减少天线对音频部分的干扰, 模块的音频线路推荐采用差分的方式, 注意将数字电路和模拟电路分开。由于Microphone信号较弱抗干扰能力差, 推荐并行走线, 且走线线宽为0.2mm, 线间距为一个线宽。音频接口电路如图3所示。

5. 其他电路

模块提供了BUZZER信号, 用来驱动蜂鸣器指示是否有来电, 蜂鸣器的输出音量大小可以由“AT+CRSL”指令设置。另外, 模块还提供了NETLIGHT信号, 驱动LED以显示模块运行期间的网络状态。这两个部分的电路如图4所示。此外, 在本设计中未使用的接口均已引出, 这些接口包括LCD接口:DISP_DO、DISP_CLK、DISP_EN、DISP_AO、NLCDRES;ADC接口:AUXADC1;通用I/O接口:KCOL0-4, KROL0-4。

三、PCB布局

联PCB的布局对整机性能有很大影响, 所以需要重视。可在板子右上角放置SIM300C模块, 右下部分放置音频电路元件, 左上部分为预留的设计中未使用的接口信号以及串口电路, 左下部分为电源电路及开关机、复位按键等外围电路。放置SIM300C模块部分适合大面积铺地尽量少走线, 如果要走也尽量从底层走线。在布局时还应注意音频电路和数字电路的隔离, 同时在顶层的地和底层的地间多打过孔。

四、结束语

由SIMCOM公司的GPRS模块SIM300C及其外围电路构成的GPRS Modem, 能够实现GPRS数据传输、短消息的收发和语音通信。将该GPRS modem与单片机或ARM开发板结合, 利用单片机或ARM的串口向GPRS Modem发送相应的AT指令, 就能够实现数据的远程传输。

参考文献

[1]SIMCOM公司.SIM300SPEC NEW.2005.12.

[2]SIMCOM公司.SIM300_HD_V3.03.2006.8.

[3]MICREL公司.MIC29302BT datasheet.2000.3.

[4]SIPEX公司.SP3238E datasheet.1999.

[5]SIMCOM公司.SIM300应用文档_基于SIM300的商务电话的设计_V1.01.2005.12.

多功能数字钟电路设计 第9篇

关键词：数字钟,设计,多功能

电路以时间为基准, 按照罗马计数法, 对数码显示管的显示屏进行显示, 确定时间、分钟和秒钟, 通过二十四小时、六十分、六十秒周期校正, 确定时、分、秒显示的情况, 确定有效时间范围, 提高设计校正功能的精准性。按照工作原理, 分析认识电路, 确定电路有效操控方法, 从多功能数字时钟电路中找寻更加适合的设计方案, 提高设计功能效果, 改善数字钟运行电路的基本工作原理, 加强数字钟电路的整体工作效率, 确保数字种多功能电路的有效实用价值。

一、框架原理

数字电路按照数字形式, 完成数字时钟内的时针、分针和秒针的时间很准, 通过二十四时完成一个整体翻的记录, 对相关的电路进行计量, 选用六十一翻的记录, 对分和秒进行对视, 确定整点校正的时、分、秒。通过整体报时功能完善数字电路的功能性效果, 提高数字钟的可读性。

二、设计方案

1. 震荡器。振荡器是电路数字钟的基本元器件, 通过稳定数字钟的基本频率, 确定整体精度, 保证有效震荡器的震荡准确度。555 集成设备, 通过信号标准, 确定设计的信号源。按照石英晶体为原材料, 设计震荡电路。石英可以有效的保证时间准确, 具有较为稳定的测定级别。通过加强时间脉冲信号的推进, 确保电路基本频率, 完善时分水平, 保证时分脉冲标准, 提高频率设定效果, 完成在单位频率下的电流电路取值。采用时钟逻辑电路与RC组成时钟震荡电路, 通过多谐震荡器进行时间常数的数据周期作用, 这与时间RC有关, 与门电路的基本阈值电压有关系。根据温度变化, 对频率整体进行控制, 确保频率稳定调节的适合性, 提高阀门值温度下的影响水平, 三种方法电路因具体特点有不同的使用性, 频率谐振电路的稳定性作用较差, 当遇到脉冲发生的时候, 就会出现不稳定的现象。石英电路的整体稳定性作用较好, 但是如果选用的频率高, 就需要采用分级、分频的方式完善多级电路, 将稳定的信号进行分级输出, 确定信号的稳定性作用。采用555 设备, 完善RC电路, 确保电路稳定, 提高RC通过率, 加强脉冲稳定, 确保信号电路传输的有效性。

2. 分频器。采用时分、频分的方式进行区别控制, 通过频率的区分, 确定可完成传输的信号值, 确保电路脉冲信号控制水平, 保证电路的供给。例如, 脉冲校正的电路频率一般为10HZ左右, 校正的时候需要通过计数器进行数字分频, 通过计数器确定元器件的基本功能作用。为了充分保证计数器的有效利用作用, 可以采用2、5、10 的计数标准, 对555 计数器进行频率测算。每次输出的基本频率为10Hz, 经过三次的频率确定后, 就可以输出脉冲信号。主要的脉冲信号是三频次信号。

3. 计数器。计数按照秒、分、时进行区分, 确定设计标准, 按照60 进制的分、秒标准, 24 进制的时间标准, 确定设计电路信号。按照这样方法, 确定输出的有效脉冲频率, 对相关的计量进行进位, 确定进位信号标准, 根据接受的进位标准, 保证信号的可用性, 有效性, 加强进制准确度, 方便计量。通过计数确定, 采用进位归零的方式, 完成计数的计量标准。其中74L89是以满10 向后进行计数进位的, 给十位一个进位信号, 满101向后进位。时分位在进位过程中, 需要满足基本的接受水平, 确定有效可进位信号的进位级别。当十位满24 正时的时候, 就可以对计数器进行计数清零, 确定计数的基本规律标准, 提高计数标准的准确程度。

( 1) 校正设计。校正设计师通过输出的信号, 在编码、译码过程中, 对信号传输请款进行分析, 确定可现实的数码管信息的规律性, 保证数码管现实的内容的可辨识性, 提高可读作用。采用时分脉冲信号10Hz脉冲电路信号进行校正, 确定有效的适中校正速度, 确保校正的准确性。需要注意的是, 组合电路需要采用非逻辑门电路进行, 开关闭合、打开过程中, 容易产生振动, 造成校正误差。针对这样的误差变动问题, 需要采用屏蔽的方式, 在计数器上增加电容设备, 确保电路的有效稳定作用, 逐步提高触发器电路的稳定性, 保证电路的有效性校正。

( 2) 报时电路。通过正负三极管, 对电路进行分析控制。按照正负有效时间确定, 可以报时的整点值。按照60 进制确定分、秒的进制比例, 通过蜂音, 确定电路的有效报时音。按照差一秒的时间点, 对电路设计的蜂音进行开启, 确保电路可以实现报时的功能。

三、器件的选取

基本元器件是555 振荡器, 是有电阻、电容组合完成的基本电路, 具有良好的震荡延时的作用。通过非门电路进行组合分析, 确定组合完整性作用。通过输出电路、输入电路, 确定有效触发器位置, 采用有效地逻辑门电路进行高低互补组合, 确定有效输出的额定供电电压、有效供电电流, 加强自动化负载效果。实现对器件电路的有效精准计时, 保证温度的恒定, 确保基本价格合理性, 实现综合负载的最高效率, 实现温度、计数、价格都复合基本市场的需求。开展可视的有效开放市场, 提高器件的优选优用作用。

1. 555 引脚介绍。震荡器的选取需要采用充放电设置, 确保电路的可控标准, 加强接触引脚的管理, 确保引脚接地保护, 提高引脚控制端重置效果。通过接地引脚, 确定有效共同接地标准, 保证电路与地相互连接, 通过触发引脚, 确定有效周期启动的时间, 触发信号的引上电压不可大于1VCC, 输出的周期信号电压需要超于2 伏特的高压点位, 控制需要的低点位标准, 即使调整电位的有效输出情况, 确保电流的可控制作用。在基本逻辑电路中, 改善定时器的低压回路标准, 确保输出点位水平。主要的引脚由外部的电压、闸门进行限制, 通过计时器稳定确定有效运行方式, 通过输出电路调整输入的频率。采用低电平对输出电压进行锁定, 确定有效引脚的基本启动动作标准。放电引脚主要是对输出的引脚电流进行接地放电, 通过低阻抗作用, 实现电压的有效调节。555 计数器的有效正负电压电流端, 其主要的电压供电范围为4V—16V, 其输出的有效电流为220m A。555 计时器的有效应用范围广, 一般主要用于稳定谐振电路的震荡器, 无稳定谐振电路的振荡器。

2. 计数器。计数器依照二进制、五进制和十进制的方式, 通过下延触发器确定有效的进制输出端, 通过清零端确定组合技术器位置。选用有效的控制信号, 对脉冲情况进行控制调节, 改善脉冲信号标准。通过有效地数字钟计数, 很大程度上方便了计数准确性计量效果, 方便电路辅助作用, 改善电路的有效基本计数标准。

3. 译码器引脚功能。译码器是一种集成的芯片, 采用七段数码显现管, 通过译码确定有效地驱动电路, 主要的引脚电路功能图如下。按照译码器的信号, 确定码元情况, 控制实际信号显示效果, 将有效的数字信号显示在实际的电路屏幕上。

四、计数器电路的仿真

计算机的应用, 软件和硬件的开发, 提高计算机电路系统的设计标准, 按照模拟电路平台进行应用调节, 逐步完善平台标准, 确保设计准确, 提高设计灵活多变效果。通过统一的设计标准, 确定有效设计流程, 降低设计的风险成本, 直观的实现电路的有效仿真作用。通过计数器仿真电路设计, 完成实验室无法完成的元器件模拟运行, 将相关数据显示在电路显示屏上, 记录相关数据信息, 确定有效元器件的设计电路灵活性。采用数量控制的方式, 完善虚拟仿真仪器仪表的准确性, 实现对设计电路仿真的准确试验结果表示, 加强试验仿真的准确性, 保证电路设计的合理性。

1. 555 振荡器的仿真。采用555 振荡器进行输出信号端的仿真, 通过的时间带宽为100us, 有效的输出波形占用20 个方格, 通过公示就可以得出有效的周期为2000Hz。按照波形进行记录, 确定震荡器有效输出记录, 逐步完善电压标准, 改善波形稳定, 方便分析。确定有效冲放电的三极管和电阻值, 确定波形下降水平, 实现电路输出信号变化的有效检测和分析。分频器中需要对不同频率的波形进行仿真, 通过波形的不同高低电平, 确定冲放电的有效波形。如果引脚从低电平置位看, 输出电平则为高电平, 如果引脚为驱动负载, 电平就会慢慢降低。当引脚、负载的基本电平相等的时候, 此时的电压差为零, 电平保持基本平衡。控制引脚配置, 按照标准配合确定有效电平, 即使调整低电平的有效负载作用, 完善每一个引脚配置, 确保电平置换合理性, 加强波形效果的实用管理, 实现多余负载电压中和效果。

2. 时间仿真。输出信号通过数码管将信号进行分析, 确定高低电平的有效计量标准, 记录显示的数据, 对比有效输入、输出信号, 分析可行性方案, 即使进行信号电路验证。计时过程前, 需要对电路进行计量数量清零, 仿真记录完毕后, 也需要对计时器进行归零, 确保数字时钟可以以基本计数量作为标准开始时间显示量, 保证仿真显示量的准确程度。

3. 报时校正功能。在仿真电路设计中, 需要对电路进行按钮功能设计, 通过按钮校正电路设计, 四线点触确保记录的准确程度。如果时间加承, 采用有效校正, 可以保证基数归零效果。通过按住不放, 校正的数值会以每秒10 倍的数度增加或减少, 从而提高有效核对速度。整点仿真报时技术需要在电路校正归零后进行, 通过时分秒的调节, 确定分显示在59, 秒显示在59 的时候, 进行整点报时, 此时需要等待蜂音的计数量是秒58 的时候发出, 通过整点报时, 确定发出声音时间的准确性。报时经过两秒后停止, 准确的在两秒内完成时间整点报时, 实现报时功能的仿真技术。

综上所述, 通过数字化多功能计数电路的设计研究, 从基本电路原理结构、电路设计内部元器件、电路仿真形成方式、电路设计相关注意事项等多个问题上进行分析, 确定在不同计数器设计中需要选择的不同类别方案, 通过对不同细则进行选择配置, 按照仿真电路进行模拟应用, 实现电路的准确性, 提高设计者对设计电路的充分思维启发。从设计角度提高设计电路的实用性, 加强利用仿真技术提高计数器电路设计的实际应用效果, 降低设计失误和设计误差, 提高利用计数器、振荡器、仿真电路系统完成各类电路的设计, 提高各类元器件、数码管的应用范围, 在实际生活中解决更多可预见的问题。

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多功能电路模块设计 第10篇

1) 很多用户需要在前期验证其电路的正确性,采用的办法就是自行搭建一个单片机核心板,并在此基础上外接其他接口与应用电路模块。但是需要看到的是,复杂的连线,电源接口提供有限,模块与模块之间跳线众多、导致接触不良频发。

2) 如果一旦制版,发现错误又再次改版、再错再改这样会陷入制版次数太多的问题,导致成本增加。如果肯能,在早期能够直接通过模块化较为固定的搭接电路来验证原型功能,则改版的概率将大大降低。

3) 如果有可能使用某种单片机模块化底板技术,则在初步验证、学生使用、教学使用等应用领域将是非常有效的手段。

1 研究背景

模块化技术一直以来常用于软硬件开发过程,软件上采用中间件技术[3],硬件上采用标准模块化技术[4]。模块化对设计而言产生了深远的影响,从嵌入式技术角度出发,模块化减少了设计技术中的复杂性,并且增加了设计灵活性。因此在产品设计过程中,采用模块化技术实现前期的验证是一个很好的手段。一般而言,在嵌入式系统设计[4]当中,尤其是单片机系统设计当中,很多模块是常用并且用了很多年的技术,已经非常成熟了。物联网概念提出之后,对于基于单片机的嵌入式系统设计也就是增加了通讯模块与协议软件。其中比较重要的是协议软件,通讯模块也能够实现标准化。该文在此仅讨论使用宏晶科技公司的STC12C5A60S2芯片[5]作为单片机主控制核心来完成模块化设计工作。

单片机底板设计对很多嵌入式开发用户来说是一件很简单的事情,但是对于产品开发而言,为了降低成本的前期系统搭建是必要的。这种系统的搭建可以在后期降低改版次数,并实现初步技术上的验证工作[6]。但是需要看到的是,由于工程师的个体差异性与核心板搭建过程中的随意性,问题百出。典型的情况就是采用多孔实验板搭建的单片机系统核心,由于前期布线考虑不周,以至于后期需要搭建外部模块化电路的时候,跳线多、电源分布不均匀、线路板分布电容杂散电容问题突出、没有考虑EMC等等问题,导致前期验证工作耗时耗力效果不一定理想,并且延误工程周期[7]。所以本文提出一种基于模块化技术的单片机核心板设计思路,希望对前期嵌入式技术验证工程师而言起到一定参考作用,并希望本文的设计思路对行业当中从事单片机教学的工作者有一定参考作用。

2 基于模块化技术的单片机核心板设计

基于模块化技术的单片机核心板设计方法源于模块化设计思维。首先,模块化是现代软硬件设计的基本方法。软件设计当中采用基于中间件的模块化设计技术,而硬件设计当中采用标准的硬件模块来快速搭建应用电路。第二,模块化技术有助于快速定位问题。在现代系统设计当中,实际应用电路总会在调试阶段出现某些问题,采用模块化设计之后,定位、隔离、修改、更新问题成为较为方便的手段。当找到问题之后,通常只需对模块进行替换、修改或重新设计有助于减小问题的规模。第三,模块化技术在本专业的教学当中能够使得学生逐步从简到繁,一步一步掌握接口技术应用电路设计的设计与实现。该文采用的模块化方法为预留方式,预留方式为各种模块预留一定位置,用户可以依据自身需求来进行模块的添加与卸载。总体的设计思路分为几个步骤:设计核心电路模块、设计外部模块接口、设计底板预留部分。以下就依照这几个步骤来完成模块化技术的单片机核心板设计。

2.1设计核心电路模块

本文采用的核心为STC12C5A60S2芯片,用户也可以借鉴本文的思维开发其他的核心来作为主控。核心的总体设计为几个部分:电源部分、晶振部分、复位部分、核心单片机部分等。

1) 电源部分设计

考虑到外部模块采用何种供电方式是不确定的,这里的设计仅考虑输出5V与3.3V。由于输入电源可以直接采用5V电源,则如果采取此方式则直接引出5V;如果输入电源为220V交流,则需要进行交流转5V电源模块的设计。为简化问题,该文采用输入电源为外部电源5V直流输入的方式。则应用设计的原理图如图1所示:

图1中(a)为输入电源接头,为直流5V,1A;图(b)为DIP-6的6脚输入电源开关,用于STC单片机的冷启动[8]操作。图(c)为USB连接接口,用于计算机为核心板提供电源。考虑到输出为5V与3.3V则输出电路设计如图2所示:

图2中,(a)为输出3.3V提供电路,(b)为输出5V电源组接口部分电路,(c)图为输出5V与3.3V电源接口部分电路。这样,核心板上提供了众多的输出电源以便于后续用户扩展其需要的模块电路提供充足的电源组。考虑到扩展电源模块问题,也就是有些用户希望自行扩展自己的电源模块,所以在电路设计过程中需要扩展外部电源模块,其接口设计如图3所示:

预留该接口则用户可以自行设计电源模块,并将其输出设计为5V直流,则核心板仍然可以正常工作。

2)晶振部分设计

为满足核心单片机部分的三大工作条件之一时钟电路,该文设计时钟电路(晶振部分)如图4所示:

图4中的晶振电路采用了18.432Mhz的晶体振荡器,使用18.432Mhz晶振的优势在于:如果希望单片机与PC机进行通讯,则当采用该参数的晶振计算波特率时,某些速率的误码率为0相对适合。

3)复位部分设计

为满足核心单片机部分的三大工作条件之一复位电路,该文设计复位电路如图5所示。

4)核心电路模块部分设计

核心电路模块部分设计包含:核心处理器部分、芯片滤波部分、系统电源指示灯部分、P0口上拉部分。具体设计电路如图6所示:

5) 设计底板预留部分

设计底板预留部分主要为预留各种基本接口。此部分一般应依据用户需求来设计,但是此处可以采用预留几种标准方式来完成:预留流水灯、预留USB外部模块接口、预留232模块接口、预留全部I/O接口。见图7所示:

图7中(a)显示了USB外接模块与RS232外接模块的接口,图(b)显示了LED流水灯的模块,该模块主要用户在使用I/O口进行数据传输过程中的人为状态可视化判定,图(c)显示了外部I/O接口模块。

综上所述,在原理图设计上的模块化工作基本上围绕着核心电路设计与外部模块引出两个方面。其中,电源组的接口希望尽可能地多;其他部分接口应该尽可能引出,以满足用户扩展需求。原理图部分显示的仅仅是一个概念性的设计,实际电路对于模块化的支持在机械路板布局方面应予以充分支持。因此,下一节重点介绍实际电路布局中对模块化的支持。

3 实现与验证

通过上述的原理图设计可见,在原理图层面对模块化的支持是充分预留各种接口,以备用户未来的模块扩展用;但是,仅有原理图层次的模块化支持远远不够,这是由硬件模块本身就是一个实体模块决定的。实体模块存在机械尺寸、电源支持、信号连接以及在电路板上如何稳定地固定等问题存在。因此对机械电路板设计当中应当充分考虑这些因素并尽可能规避某些影响上述因素的问题。

1) 支撑模块化硬件结构的底板布局

硬件模块以模块功能为划分基础,通常有电源与复位部分电路模块、通讯电路模块、USB电源与3.3V供电模块、核心控制底板模块、其他预留模块等部分。整个底板的PCB图如图8所示:

由图8(a)可见七个任意扩充均有机械安装孔的模块预留,允许用户采用通用连接件任意固定各种需要的自由设计模块。(a)图左侧剩余三个模块为:电源与复位模块,用于外部电源模块用户设计输入、或是直接5V直流输入,并提供一个复位、一个总电源开关、一个外部5V电源输入接头、3组5V输出、3组3.3V输出;串行通讯模块,用于外部用户自定义RS232电平转换输入,或是USB转232电平转换模块输入,并附带了安装孔,允许用户采用通用连接件任意固定这些模块;3.3V电源转换模块,允许用户直接使用USB电源作为输入,并转换系统电源5V直流为3.3V直流输出。(b)图上丝印层有版权标记。以上就是模块化设计的底板PCB结构图全貌。

2) 实际电路板与测试验证

实际制版之后的电路需要经过测试验证,实际制版并焊接元器件之后的实际电路图如图9所示:

连接RS232模块到电脑的串口后,通讯成功。该文的测试分别使用了RS232连接线连接到电脑与USB转串口(分别测试了CH340主控、PL2303主控、FT232主控等串行转USB)连接到电脑,经测试下载正常、运行测试代码(跑马灯,测试10片主板)均正常。

通过上述设计与实现过程可见,硬件的模块化设计技术在于依照功能的模块划分。且在底板设计过程中,重点需要考虑的是模块的电源支持、机械固定方式、接口连接等问题。充分考虑这些问题可以设计出具有一定范围内适用性的单片机底板,并具支持前提模块化验证工作。

4 总结与展望

本文提出了一种基于模块化的电路设计技术,主要为满足制版之前 的前期技 术验证工 作。文中 重点介绍 了采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理单元的原理图、线路板设计方法,着重强调了原理图上的模块接口预留问题并推荐了PCB的机械模块预留方法,使用该方法可以简单设计单片机的主控制底板,并能较好地支持模块化前期验证工作。由于经验与技术有限,在原理图与PCB布局方面本设计仍略显不足,在后续的研究中将加入常用的接口模块电路到各个模块部分中,使得该基础电路设计更具针对性、与扩展性。

参考文献

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