数字集成芯片范文（精选7篇）
数字集成芯片 第1篇
频率计数器是一种用数字显示的频率测量仪表,它不仅可以测量正弦信号、三角波信号、方波信号和尖脉冲信号的频率,而且还能对其他多种非电量信号的频率进行测量,例如机械振动次数,物体转动速度,明暗变化的闪光次数,单位时间里经过传送带的产品数量等,这些物理量的变化情况可以通过相应的传感器先转变成周期变化的电量信号,然后用频率计数器测量单位时间内变化次数,利用8421码编码的十进制计数器进行计数,计数的结果由译码显示电路显示出来。
1 频率计数器整体方案设计
所谓频率就是信号在单位时间内所产生的脉冲个数,其数学表达式为f=N/T,其中f为被测信号的频率;N为T时间内所累计的脉冲个数;T为计数时间。计数器单位时间内的计数结果,即为被测信号的频率。本系统就是按照频率的这一定义来实现其测量的,其系统原理框图如图1所示。
本系统由输入电路、逻辑控制电路、计数显示电路、时基产生电路4大部分构成,其工作原理为:被测频率信号经过放大、整形之后,将其变换为频率与之相等的计数脉冲信号,作为闸门的一路输入信号,而时基产生电路产生方波信号,送给逻辑控制电路,产生控制闸门开启和关闭的门控信号,作为闸门的另一路输入信号。门控信号为高电平时,闸门开启,计数脉冲信号通过闸门进入十进制计数器进行计数;门控信号为低电平时,闸门关闭,十进制计数器停止计数,计数的结果通过译码显示电路显示出来。本系统可实现10～9 999 Hz信号的频率测量,还可通过调节555定时电路的输出频率改变测量精度。
2 频率计数器硬件电路设计
2.1 输入电路设计
实际测量中的输入信号种类繁多,可能是正弦波、三角波、方波或其他形式的波形,不能够满足后级的闸门或计数电路要求,所以在测量的时候需要将被测信号经过一个整形电路,将其变化成满足计数电路要求的脉冲信号。并且在整形之前由于不清楚被测信号的强弱的情况,所以还要考虑信号的放大衰减处理。当输入信号电压幅度较大时,通过输入衰减电路将电压幅度降低。当输入信号电压幅度较小时,则调节输入放大的增益,使被测信号得以放大。如图2所示为放大整形电路。为保证测量精度,在整形电路的输入端加一前置放大器,对幅值较低的被测信号经放大后再送入整形电路整形。模块电路由单级共射放大电路、74LS00与非门和基本RS触发器所构成,其中3DG100为放大器,可对周期信号进行放大后再传入整形器中对信号进行整形。输入电路通过基于multisim仿真软件的电路仿真,可实现正弦波、三角波到脉冲信号的转换,如图3所示。
2.2 时基产生电路设计
为了获得较为稳定的时间基准信号,以便准确地控制闸门的开启与关闭时间,本设计采取用555定时器组成的多谐振荡器作为时基产生电路,要求其产生频率为1 kHz的脉冲。振荡器的频率计算公式为:
2.3 逻辑控制电路设计
逻辑控制电路是本设计最为关键和难搞的模块,主要是控制闸门的开启和关闭,同时也控制整机系统的逻辑关系,包括产生74LS90的清零信号,74LS373的锁存信号以及译码显示电路的控制信号。这里采用两个单稳态触发器74LS123组成逻辑控制电路,当
2.4 计数与显示电路设计
本模块电路如图6所示,由计数器、锁存器、译码器和LED显示4部分组成。其中74LS90是常用的二-五-十进制异步计数器。本设计要求采用8421码的十进制计数,所以,当R01R02=0,S01S02=0,计数脉冲从CP1输入,CP2接QA,实现十进制计数功能。而R01R02连接控制电路的输出,在控制信号为高电平时,闸门开启,计数器工作。74LS273是带有清除端的8D触发器,只有在清除端CLR为高电平时,才具有锁存功能,锁存控制端为11脚CLK,采用上升沿锁存。这里如果不加74LS273锁存器,那么器的输出结果一直往数码管里送。由于在计数一直在工作,所以数码管上面一直显示数字,并且数字快速闪动,无法观测数据,计数停止,数码管也停止显示。为解决这个问题,可通过锁存信号,实现计数时数码管不显示,计数停止后,数码管再显示计数器的计数结果的功能。
3 结 语
本频率计数器经过测试与应用,确保能正确传输信号及实现频率的测量。在电路改进方面可在时基电路的555定时器的管脚2与7之间加了2个反方向的二极管,并设置参数相等的电阻R1、R2,这样可得到占空比为50%的脉冲波形;还可将芯片CC4511和共阴极LED显示器换为芯片74LS48和共阳极LED显示器实现共阳极显示,以及为提高测量精度,增加由74LS90构成的分频电路。
参考文献
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数字集成芯片 第2篇
由于电网频率不是恒定50Hz, 使得目前的数字移相触发控制芯片移相精度下降。目前广泛使用方法是使用锁相环进行同步, 不需要外接晶体振荡器, 而是对工频信号进行倍频处理, 使得内部时钟锁定50Hz的频率。但这种方法的缺陷是, 为使电路规模变大, 成本提高, 同时模拟电路的加入将会降低全数字芯片特有的优良性能。本文就此详细分析了触发误差产生的原因, 提出了一种进行超前采样, 通过闭环来控制补偿频率的漂移, 来削减频漂的方法。该方法采用全数字设计, 保持了全数字移相触发芯片特有的优良特性, 并且电路结构简单, 较之现在广泛使用的锁相环同步技术有明显的优势。
(二) 数字移相集成芯片触发误差分析
1. 数字移相集成芯片工作原理
三相正弦信号 (AC1～AC3) 进过降压后输入芯片, 经过比较器后, 转换成为与输入同步的方波信号, 再经过全数字去噪电路消除输入信号两端的抖动, 生成干净的同步方波信号, 再经过频率漂移模块进行检测, 根据输入信号频率调制移相计数脉冲, 接下来进去移相电路。移相控制信号由外部电压 (Vcon) 提供, 移相控制电压经过10bit A/D转换器转换, 作为移相电路中减法计数器的初始值, 当计数器减到零时, 产生一个移相脉冲, 以此达到控制相位的目的, 该移相脉冲再次触发脉宽发生电路, 产生所需的脉宽信号, 输出的脉冲有单窄和双宽两种工作模式, 由ws1, ws2和wstxt引脚进行选择, 最后经过调制, 一共输出六路脉冲群, 每一相输入对应正负两个输出, 即对应正弦波的正负半周。输出的脉冲群相对正弦波移动相位ΔΦ, 这个相位差的大小由Vcon引脚控制, Vcon直流电平从0V连续地增加到5V, 对应的ΔΦ从180°平滑地移动到0°。数字移相集成芯片输入输出波形见图1。
2. 移相触发误差分析
电网的频率并不是50Hz恒定不变, 而是在50Hz附近波动, 如果使用未经修正过的工频同步信号直接控制移相电路, 将会造成很大的触发误差, 严重影响移相触发芯片的控制精度。
相移度数:其中, Δt为滞后时间:
移相误差:
(三) 采样补偿消除触发误差的基本原理
该全数字移相触发芯片的设计目标是能够对输入的47Hz～63Hz三相同步信号进行识别, 并且进行实时的跟踪、修复频漂误差。在这个设计指标下, 本文给出了加入频率漂移析出模块后, 新的芯片电路原理图。如图2所示。
芯片采用10bit的逐次比较型A/D转换器, 当输入的信号为50Hz, 直流电压Vcon为5V时, 在同步信号的每一个半周可以计数1000个, 对应移动相位180°, Vcon为2.5V时计数器可以计数500个, 对应移动相位90°。而当输入信号频率不是50Hz时, a) 输入信号频率为41.67Hz, 对应周期24ms, 当Vcon为5V时, 在同步信号的每一个半周可以计数1200个, =×1201.01200msms, 对应移动相位180°, 而当Vcon=2.5V时, 计数器只能计数500个, 对应移动的相位为移相误差ξ=75°-90°=-15°。b) 输入信号频率为62.5Hz, 对应周期16ms, 当Vcon为5V时, 在同步信号的每一个半周可以计数800个, =×801.0800msms, 对应移动相位180°, 而当Vcon为2.5V时, 对应移动的相位为移相误差ξ=112.5°-90°=22.5°。两种情况下, 得到的移相误差ξ均满足公式计算结果。
如图3 (a) 所示, 输入的三相信号经过过零比较器得到同步方波, 周期测量, 由未经修正的clock信号进行计数。计数器初值为0, 在同步方波正半周时, 进行减法计数, 减到0时再进行加法计数, 当计数结束时, 存储在寄存器中的数值就是频率漂移的数字量。然后对该数字量进行累加计数, 得到累加器的溢出信号CLKCTR。然后对CLKCTR与clock进行一些逻辑处理, 得到修正后的移相模块计数信号clk_p和clk_n, 如图3 (b) 所示, 根据频漂数字量的大小, 对CLOCK信号扣除或者增加几个脉冲, 达到调节移相电路计数整数的目的, 使得在同步方波半周期内的计数可以达到1000个。
(四) 具体实现电路
频率漂移模块内部原理图如图4所示。
1.脉冲减/加计数器
采用二进制的加/减法计数器测量同步方波的周期。计数器在同步方波的正半个周期内进行计数, 计数结果即为频率漂移的数量值。首先计数器的初值设为0, 进行减法计数, 如果计数器下溢, 此时溢出寄存器置为高, 开始进行加法计数, 在同步方波电平为低时, 停止计数, 此时存储在计数寄存器中的数值即为同步信号的频率漂移数字量, 即为频率负偏的情况 (Δf<0) , 为计数器工作方式一, 如图5 (a) 所示;
如果减法计数器没有减到0, 则表示同步信号脉宽小于基准脉宽, 属于频率正偏的情况 (Δf>0) , 为计数器工作方式二, 如图5 (b) 所示。在频率正偏和负偏两种情况下, 存储在计数寄存器中的终值就是需要修正的频率偏差, 定义为修正控制字 (K) , 在下一个计数寄存器终值得到之前, 修正控制字保持不变。
2. 累加器电路
累加器对脉冲减/加计数器输出的修正控制字K的二进制码进行累加运算, 累加器的溢出信号clkctr来控制脉冲的扣除或者增加比例, 通过后面的补偿电路后, 得到相应的clk_p和clk_n。针对计数器的两种工作模式, 累加器也有相对应的两种累加方式。 (a) 现有一输入同步的脉宽计数2N+K (K<2N) 个, 累加器要产生溢出信号fclkctr_n控制扣除K个计数, 使得同步脉宽计数为2N个, 得到对累加器进行设计, 累加器的初值置为零, 按照的时间间隔, 对K的二进制码进行累加运算, 产生线性增加的数字量。若累加器结果若超过2N+K, 将在CO引脚产生一溢出脉冲, 即为clkctr_n。 (b) 现有一输入同步的脉宽计数2N-K (K<2N) 个, 累加器要产生溢出信号fclkctr_p控制增加K个计数, 使得同步脉宽计数为2N, 得到对累加器进行设计, 累加器的初值置为K, 按照的时间间隔, 对K的二进制码进行累加运算, 产生线性增加的数字量。若累加器结果若超过2N-K, 将在CO引脚产生一溢出脉冲, 即为clkctr_p。
3. 补偿逻辑电路
负补偿电路由反向器和一个量输入与门构成, 将clkctr_p信号的反与时钟信号clock进行与运算, 就可以达到按比例扣除clock脉冲的目的, 从而得到修正后的移相计数时钟clk_p。如图6所示。对于正补偿电路, 如图4中, fclk=2fclock, 由clkctr_n来选择clk和clock, 当clkctr_n=1时, 选择输出clk, 反之选择输出clock, 最后的输出就是clk_n。
(五) 频率漂移模块对移相精度的影响
图7所示, 加入频率补偿模块前后, 对移相精度的影响。
误差分析:
1.输入频率47HZ, ADC输入2.5v时, 理想移相:10.64*0.5=5.32m
频漂修正后移相5.35m未修正移相5.018m
误差0.56%
2.输入频率47HZ, ADC输入1.5v时, 理想移相:10.64*1.5/5=3.192m
频漂修正后移相3.223m未修正移相3.02m
误差0.97%
3.输入频率47HZ, ADC输入4.5v时, 理想移相:10.64*4.5/5=9.576m
频漂修正后移相9.612m未修正移相9.009m误差0.37%
可以看出, 经过频率漂移模块修正后, 移相精度比未修正时提高很多, 满足设计要求。
(六) 芯片测试结果
图8所示, 为芯片版图, 图中标注的部分就是频率漂移消除模块的版图。
通过测试引脚可以选择芯片内部频率漂移模块是否工作。
在两种情况下通过测试引脚将内部计数器读数读出, 得到如下结果 (表1) :
本芯片中10bitADC输出范围:3～1022, 一共计数1020个。因此从上表可以知道, 没有进行频漂补偿时, 发生负频漂, 会使移相模块移不满;发生正频漂时, 会使移相溢出。通过频率补偿模块, 计数效果很理想, 完全满足设计要求。
(七) 结论
本文介绍了全数字移相触发芯片的工作原理, 并分析了频率漂移误差的产生原因。提出了一种简单易行的减小频率漂移触发误差的数字电路, 通过改变移相计数器的时钟, 来补偿频率波动造成的误差。从芯片测试结果可以看出, 经过频率漂移模块后, 移相模块计数效果很好, 提高了移相精度, 同时扩大了芯片的应用范围。该全数字频漂补偿模块结构简单, 并且对集成电路的工艺要求不高, 易于集成。对芯片设计的成本 (芯片面积、设计周期) 有大幅度减少。本所研制的TMD687A芯片, 即采用了这种采用超前采样计数, 通过闭环控制来进行频漂补偿的改进型全数字移相触发电路。该芯片应用范围广, 精度高, 性能领先, 市场反应很好。
摘要：提出了一种采样调节计数器的计数脉冲来适应电网频率漂移的电路, 旨在解决目前市面上存在的移相芯片由于电网频率不稳定导致移相精度下降的问题, 经过仿真和芯片实际测试, 解决了数字移相集成芯片在电网频率漂移, 产生触发误差的问题, 同时该电路扩大了芯片的应用范围 (比如欧美60Hz的电网) 。
关键词：可控硅,移相触发,频率补偿,触发误差
参考文献
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基于集成芯片的ABS驱动电路设计 第3篇
ABS作为如今汽车上必备的安全电子设备, 其功能越来越受到人们的重视。ABS系统通过电磁阀和回油泵来完成对制动器中轮缸压力的精细调节, 以防止过度制动使车轮抱死。由于ABS工作环境十分恶劣, 为保证电磁阀和电机响应的高效性和可靠性, 除了与执行机构本身的参数相关外, 对驱动电路的设计也直接决定了驱动的品质[1,2,3]。
当今汽车电子市场异常火热, 竞争十分激烈。各大集成芯片公司, 如ST, Freescale, Infineon均设计ABS的专用集成芯片, 提出了自己的ABS解决方案。该芯片就像一个黑匣子, 方便了电路的设计过程, 并且由于其高度集成性, 使电路更简明, 可靠性更高, 代表了未来电路设计的方向[4,5]。
1 ABS驱动电路的集成化方案
ABS驱动电路的集成化方案如图1所示, 选用TLE6210作直流电机和电磁阀总开关的高端驱动, 选用L9349作为8个电磁阀 (4进4出) 的低端驱动。ABS控制器通过PWM控制, 改变电磁阀线圈的电流通断和频率通断, 以实现车轮制动的轮缸增压、保压和减压操作;当电磁阀ABS减压阀打开进行减压时, 回油泵能使轮缸中的制动液返回制动主缸, 以便在下个控制周期中使用;电磁阀的高边总开关用来控制电磁阀的供电电路, 若ABS系统发生故障, 断开电源使下面挂的8个电磁阀都不动作, 恢复常规制动。
TLE6210是Infineon公司推出的专门针对ABS的系统级管理器件[6], 由于集成度高, 提高了设计的可靠性, 并大幅度降低了ECU的硬件成本。TLE6210除了能够高端驱动电磁阀和电机外, 还高度集成了5 V线性电源、看门狗监视电路、故障指示灯驱动、复位电路, 所以完全能满足ABS设计的需要。TLE6210还有过压、欠压复位功能, 并有过温和过流自保护。
L9349是ST公司设计的ABS专用电磁阀驱动芯片[7]。它具有4路独立的控制通道, 且每个通道带有独立的状态反馈端, 与控制输入端一起构成完善的内嵌式实时故障诊断功能, 能快速准确地识别负载输出端的短路、开路、过载、过温等临时故障。同时, 芯片内部集成的相应硬件自保护功能, 大大方便了元件的应用。由于同时降低了输出引脚的EMI特性, 非常适合在汽车残酷的工作环境中使用。
2 基于TLE6210的高端驱动电路
由于TLE6210功能实在强大, 这里仅介绍其作为功率驱动部分的用途。TLE6210内置有电荷泵, 电磁阀和电机驱动引脚均为集电极开路, 能提供500 mA的输出电流, 在外接功率MOSFET作为开关元件后, 完全能满足高端驱动的要求。图2给出了TLE6210应用于高端驱动电路的原理图。
电磁阀高边总开关的输出引脚为VR, 当ABS系统上电复位或看门狗给出控制信号, 输出脚即切换到ON状态, 这样符合ABS实际工作的逻辑, 也保证了当ABS系统发生故障时, 可迅速地退出对电磁阀的控制, 恢复到常规制动。芯片的MRA脚为控制信号输入端, 输出引脚MR驱动直流电机。当MCU的I/O口给MRA脚一高电平时, 外接的MOSFET导通, 直流电机实现回油功能。由于电磁阀和电机为感性负载, 还需要外接反向续流二极管。芯片的驱动部分具有过温保护, 过流保护和短路保护, 当出现上述故障情况时, 能自动关闭芯片, 故有很强的自保护特性。
基于TLE6210芯片的高度集成化方案, 不仅能大大简化电机驱动电路和电磁阀前驱电路, 还能使整个控制器所需分立芯片数大为减少, PCB板体积也更小, 降低了成本, 增强了控制器的可靠性[8]。
3 基于L9349的电磁阀驱动
经实验测得, 一般ABS压力调节器的4个常开进油电磁阀的最大起动电流约为3.6 A;4个常闭出油电磁阀最大起动电流约为2.4 A[9,10]。而L9349的工作电压4.5～32 V, 两路通道内阻0.2 Ω, 最大负载电流3 A;另两路内阻0.3 Ω, 最大负载电流5 A, 恰好能满足ABS常开和常闭电磁阀的驱动电流要求, 而且较低的导通内阻又能保证低功耗, 因此L9349非常适合进行ABS电磁阀的驱动控制。电磁阀驱动电路原理图见图3。
在图3中, 每片L9349能驱动4个电磁阀工作, 属于典型的低端驱动。通过Vs端口给芯片提供12 V供电电压;当给输入端IN1～IN4 PWM控制信号, 就能方便地控制输出端以驱动4路电磁阀工作, OUT1和OUT2端口的最大驱动能力为5 A, 应该连接ABS的常闭电磁阀;OUT3和OUT4端口最大驱动能力为3 A, 应连接ABS常开电磁阀, 不可接反;EN端口为使能端, 能通过MCU快速关闭芯片;L9349的数字地和模拟地分开, 提高了驱动模块的抗干扰能力。
D1～D4是故障诊断引脚, 必须外接上拉电阻才能使用, 电路正常工作时, 该引脚为逻辑高电平, 若有故障发生, 即会自动置为逻辑低电平。通过对各独立通道的输入控制端和状态反馈端进行逻辑组合, 可实时识别出输出端的工作状态, 并立即做出相应的措施, 包括退出ABS功能, 点亮故障显示灯, 传输故障码。
功能真值表见表1。
4 结 语
当前在ABS设计中普遍采用的电磁阀驱动电路设计均以功率MOSFET为主, 辅之以保护回路, 隔离措施等以保证其可靠性, 还要设计专门的自诊断回路以进行故障检测。虽然在具体电路的设计上分立方案有一定的灵活性, 但成本和PCB空间的耗费较高;本方案采用ABS专用集成芯片TLE6210和L9349, 集驱动和监测功能于一身, 应用于ABS系统中能降低功耗, 便于故障检测, 提高可靠性, 大大改善了整个系统的性能。
摘要：随着汽车电子市场的细分, 许多专业级的芯片被推出, 先进的高度集成芯片TLE6210和L9349就是专为汽车ABS开发的。主要介绍基于集成芯片的ABS控制器驱动电路设计。利用高低端控制及高低电源驱动方式, 以及实时故障诊断和自保护功能, 完全满足ABS执行机构电机和电磁阀的驱动要求。与以往分立方案相比, 该集成方案还降低了ECU硬件成本, 减少了PCB板的面积, 增强了系统的可靠性。
关键词：ABS,驱动电路,TLE6210,L9349
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数字集成芯片 第4篇
全球领先的蓝牙连接及无线技术提供商CSR公司(伦敦证券交易所:CSR)宣布推出第七代BlueCore芯片。BlueCore7是全球首款在单芯片上整合蓝牙v2.1+EDR、低功耗蓝牙、eGPS(增强型全球定位系统)和FM收发技术的设备。CSR的BlueCore7极大地降低了为移动电话上添加多个无线电时所增加的功耗、尺寸、成本和复杂性,并展示了该公司在嵌入式无线技术方面的专业技术。
CSR在BlueCore7上整合了低功耗蓝牙、eGPS、FM收发技术以及增强型蓝牙v2.1+EDR无线电,这种无线电的发射功率为+10dBm、接收功率为-91dBm。这些增强功能有助于BlueCore7扩展其整体应用范围和“斜挎”性能,以提供更好的音频质量(如手机在身体的一侧,而耳机在身体另一侧的耳朵上)。BlueCore7包含CSR专利的AuriStream语音CODEC,这种编解码器能够通过蓝牙连接提供固定电话的通话质量水平,并且将功耗降低30%。内置的扬声器驱动程序使用户能够将耳机直接与设备连接。
蓝牙是目前在使用的最成功的短距离无线技术,其在手机中的配售率有望于2008年达到55%-60%。通过在其蓝牙子系统中整合更多的无线技术,CSR提供了一种强大的连接中心,使设计者能够在不影响尺寸和材料成本(BOM)的情况下提高其终端产品的功能性。CSR的手机无线连接价值中心是整合各种新技术的理想平台,包括GPS和FM发射技术。BlueCore7是一种低成本的多功能解决方案,使设计者能够迅速而轻松地继承必需的功能,从而缩短产品上市时间。
CSR公司手机连接战略业务部高级副总裁Matthew Phillips表示:“BlueCore7是一种真正智能的新型架构,它在一个单芯片上整合的无线技术比市场上的任何其他产品都要多、基于我们在蓝牙技术方面的实力和在嵌入式无线技术方面的专门知识.BlueCore7能够提供一种可靠且全面的解决方案,实现行业领先的功率和性能指标^”Phillips继续说道:“我们认识到了我们客户对于蓝牙、GPS和FM功能的高度需求,以及尽量降低嵌入这些技术之后的成本、尺寸和功耗的行业需求。CSR的核心焦点一直都是嵌入式无线连接,正是由于客户的需求我们才开发出了这个连接中心,降低了在移动电话和其他便携式消费电子设备上整合多个无线电的复杂性。”
数字集成芯片 第5篇
1 湿度的定义
湿度是表示空气中所含水蒸汽或物料中所含水份多少的物理量, 它和科学研究、工农业生产及人类生活密切相关, 其测量在气象、纺织和模拟人工气候环境中都有广泛的应用。
湿度的表示方法有绝对湿度和相对湿度两种:前者即单位体积中所含水蒸汽的质量;后者是空气中绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比, 也可用空气中所含水蒸汽的实际密度与同一温度下饱和水蒸汽密度之比的百分数表示。空气湿润的程度取决于相对湿度的大小。当温度一定时, 空气中水蒸汽的饱和密度是已知的, 所以只需测出绝对湿度及相应的温度即可计算得到相对湿度, 本文只介绍相对湿度的测量。
2 湿度的测量方法
除了常见的动态法、静态法外, 湿度测量的现代方法最主要的是干湿球法和电子式传感器法。
干湿球测湿法较为传统, 它采用的是比较简单的干湿温差原理。这种方法的后期维护非常方便, 且该方法不会引起老化以及精度下降等问题, 更适用于高温以及恶劣环境。
电子式湿度计采用的是电容、电阻式湿度传感器, 它的优点是容易读数, 易于远距离传送及自动控制。缺点是标定条件难以实现, 成本较高。电子式湿度传感器测湿方法更适于干净常温环境。
3 本文湿度计的设计原理
本文设计的湿度计主要由以下部分组成:HF3223型湿度传感器、LM331的F/V电路信号处理模块、LED显示模块等。
HF3223湿度传感器采用模块式结构, 是一种集成的频率输出式湿度传感器, 其优点是失真小、线性度好、不易受外界环境干扰等。HF3223将湿度转化为频率的工作电路如图1所示。
该设计中采用LM331集成芯片的信号处理模块, 将传感器输出的频率信号转换成电压信号。LM331集成芯片是高精度的F/V转换器, 其构成的频率/电压双向转换器具有高精度、低温度系数、低功耗以及动态范围宽等特点, 目前已经广泛用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。除此外, LM331功耗低且成本低、动态范围宽, 其性价比非常高。利用LM331组成的电路见图2。
在该湿度计的设计中, 我们采用一个能够提高精度的比较器工作电路来处理从LM331F/V变换器出来的电压, 从而能够直接地从电压的变化来观测环境湿度的变化。该工作电路和LM331可以合成为一个精度足以满足要求的F/V变换器, 里面包含一个能滤波的运算放大器, 且能够起到缓冲作用。
数字显示采用LED显示, 位数可以由设计的精度来确定。我们采用的是ICL7107集成芯片驱动LED。该芯片是模数转换集成芯片, 它不需要另外加的驱动电路就可以直接驱动共阳极的LED显示器, 从而达到简化整个设计电路的目的。此外, 该显示器模块与其他显示模块的接口基本一致, 因此通用性很高。
在目前设计的湿度计测量中, 数据显示的最低值是0.1%RH, 测量的范围是12%RH~78%RH。通过调试, 目前设计模型的测量精度高过7%RH。如果需要继续提高所设计的湿度计的测量精度, 可以通过温度补偿或用双输出等方法来进一步提高。
4 结束语
本系统是精度较高的湿度测量系统, 且性价比高, 可以在粮食存储、气象预报、环境保护、医疗卫生、家用电器等领域中应用。
此外, 我们还将继续研究不同环境下各种相对以及绝对湿度计的设计, 希望能与各位同行不断交流, 共同开发新产品。
参考文献
[1]徐晓丹, 李君.温湿度计工作原理及校准方法的讨论[J].科技资讯, 2011.
[2]胡建波.低成本数码LED温湿度计[J].装备应用与研究, 2011.
[3]李靖.3种湿度传感器的应用电路[J].电子报, 2011.
数字集成芯片 第6篇
IGBT芯片发展进程
I G B T芯片始于19世纪8 0年代中期。3 0年以来, 就F O M (优点指数) 来说, 今日的IGBT芯片比第一代性能提升了20倍左右, 其中改良技术包括:精细化加工工艺、栅式IGBT的开发 (如三菱电机的CSTBT) , 以及薄晶圆的开发等等。如今, 三菱电机的IGBT芯片已经踏入第7代, 正朝第8代迈进。
随着产品的更新换代, 功耗越来越低, 尺寸越来越小。从80年代中期至今, 芯片尺寸只是原来的1/4。
根据IGBT电流容量和市场需求, 功率器件分成四大类, 包括用于家电变频器的小功率器件, 用于工业的较大功率器件, 应用在电动汽车的中功率器件, 用于电力和牵引的大功率器件。今后都将朝高电流密度、小型化封装及低损耗方向演进。
具体改良措施
三菱电机第7代IGBT模块, 功耗降低了约15%~20%, 分NX (通用) 系列和STD (标准) 系列两种封装, 取消了绝缘基板, 提高了散热性, 使产品变得更轻, 效率提升了35%。为了降低反复开关造成的噪音, 三菱电机增强了通过栅极电阻调节dv/dt的可控性。
●晶圆片更薄。芯片变薄, 使功耗得以降低, 但变薄后耐压特性会变差, 所以要适度逐层调整, 才能使之更耐用和更有效。第7代IGBT芯片涵盖的电压等级有600V、1200V和1700V。在晶圆尺寸方面, 从2000年开始的5英寸, 发展至今日的8英寸, 最薄达到50微米。晶圆还会继续朝12英寸发展, 产品变得更薄, 电阻更低。
目前之所以8英寸晶圆是主流, 除了晶圆尺寸外, 还要考虑基板问题。现在还没有供应商能提供12英寸稳定高压IGBT使用的基板;反观8英寸单晶硅的硅板基板供货稳定, 价格比12英寸低很多。
●封装。功率器件的封装技术决定其散热性能。为了保护裸晶圆不受外界干扰, 所有IGBT及IPM模块都要封装起来, 甚至把功能集成起来, 这样使用起来更方便及安全, 也缩短客户产品开发周期。在最新一代的封装技术中, 三菱电机采用了针型散热器, 结合到铜基板或铝基板上, 系统将更小型化。
●应用。需要根据一些特殊应用调整产品。例如电动汽车IGBT与一般工业用的IGBT在技术工艺性能上的主要区别在生产工序, 因为是车载产品, 需要实现超高品质车载级模块。在IGBT加工工序的开始, 每个生产工序都需要管理, 对生产过程进行精细控制, 产品出货时要有档案管理。如果有一个产品出问题, 马上可以查到数据。目前, 日系混合动力车基本上使用三菱电机的模块。
未来方向
*第8代IGBT。1200V第7代IGBT芯片100微米厚, 但通过理论计算, 要达到1200V耐压值, 芯片厚度可以减少到80微米。第8代IGBT将朝芯片晶圆超薄化, 并提升加工工艺的方向发展, 不仅提升晶圆性能, 同时达到降低损耗的效果。
*Si C/混合Si C。目前碳化硅 (Si C) 价格较高, 适合高性价比的场合。对于一般的家用或低压变频器产品, 就算是混合碳化硅的价格也没法接受。在研发混合碳化硅产品时, 目标是价格不超过同等电流等级单晶硅产品的两倍。在生产中, 由于碳化硅本身的基板上坏点比单晶硅多, 成品率低, 造成价格居高不下。估计至少5至8年碳化硅/混合碳化硅才能商品化。
数字集成芯片 第7篇
1 电荷泵锁相环基本原理
如图1所示,锁相环是一个负反馈系统,在反馈回路中压控振荡器的输出被分频器分频(1/N倍)到低频后,通过鉴相器和参考时钟比较产生相位差值信号,接着相差信号在前向通道中通过电荷泵和环路滤波器处理产生电压信号,控制压控振荡器产生频率,然后这个频率经过N分频后,又被送入PFD和输入参考时钟进行比较,最终在环路的调试下,使得内部时钟的相频与外部同步。注意,压控振荡器的输出时钟的频率是输入参考时钟频率的N倍[4,5]。
2 电荷泵锁相环电路设计
2.1 鉴频鉴相器
电路具体工作原理是:当外部时钟fref的下降沿脉冲先到来时,up信号输出低电平,此时down也是低电平,电荷泵上管开关被打开,电路开始充电;当内部反馈时钟信号clk的脉冲下降沿到来时,复位信号rest变为低电平,使得up信号变为高电平,down信号依旧为低电平,电荷泵关闭,rest恢复到初始高电平,这就完成了一个鉴相周期。
为克服鉴相死区的问题,设计时在复位单元后面加入了三级反相器串联来增加延迟时间,这样能够增加复位信号脉冲的宽度,达到减小鉴相死区的目的。虽这样做可减小相位死区,但复位脉冲宽度过大同样会引起非理想现象发生,所以设计时在保证能够减小鉴相死区的前提下,尽可能减小复位脉冲的宽度,保证PFD的线性度[6,7]。
2.2 电荷泵与环路滤波器
电荷泵采用单端输出的源极开关结构,使得输出端与开关管没有直接连接,这可减弱开关管导通或关断时引入的电荷注入和电荷分流问题[8]。此外,电流源的对称式结构设计,有利于改善电路的匹配特性,从而很好地抑制电流失配和电荷注入现象,减小系统对数字信号跳变的敏感程度,同时也降低了控制电压的抖动[9]。
此电路有4种工作状态:(1)up为低电平,down也为低电平,电荷泵上管打开,下管关闭,给电容充电;(2)up为低电平,down为高电平,电荷泵上下管均打开,电路不充电也不放电;(3)up为高电平,down为低电平时,电荷泵上下管都关断,此时电荷泵与环路滤波器处于隔离状态;(4)up为高电平,down也为高电平时,电荷泵上管关断,下管打开,电容放电。
2.3 压控振荡器
本文设计的压控振荡器包含两部分电路,第一部分是V-I电路,其中差分电路在减小电路失真的同时也有抑制噪声的功效[10];第二部分是振荡回路,此电路在充电的同时也在放电,这使得电路的整体连贯性更好,输出波形也更加稳定、规整。
电路的具体工作原理是:Vin是电荷泵输出电压,Vin不同时,流过R1上的电流就会不同,从而导致流入后面充放电回路的电流有所不一样,又因it=cv,因此就会输出不同的频率振荡信号。
2.4 可编程分频器
分频电路组成锁相环中的反馈网络,本文所设计的分频器的分频比是12,其首先经过一个D触发器实现二分频,然后用可编程计数器实现六分频。
图5所示,dff1表示一个二分频电路,后面3个D触发器与逻辑门构成六分频电路。同步时序六分频电路分析如下:
(1)三组向量方程如下:
1)驱动方程
2)输出方程
3)将驱动方程带入D触发器的特性方程Qn+1=D,可得状态方程为
(2)列出状态转换表、画出状态转换图。
1)状态转换真值表。
2)状态转换图。
从上述分析可看出,这是一个六进制计数器,其从8个状态中选出6个状态,且无论从哪个状态开始,最终均会进入六分频状态,所以这个分频器带自启动功能。
3 锁相环整体仿真结果分析
500 k Hz/tt/27°环境下的仿真结果如下图所示,Vin表示电荷泵输出电压,也就是压控振荡器控制电压;clkout表示分频器的反馈输出频率;PLLIN表示外同步频率。
图7是从750 k Hz锁定到500 k Hz的波形图。开始分频器反馈输出的频率是750 k Hz,300μs后加入500 k Hz外同步信号,经过一段时间的调节,分频器反馈输出频率也被锁定到500 k Hz。可以看到,频率刚开始调节时,Vin的跳动幅度比较大,但等到频率稳定后,Vin也稳定下来,不再发生变化。
图8是图7锁定过程仿真图的放大。从图中可以看到,当外同步频率信号加入后,环路开始进入调节状态,刚开始Vin的变化较大,因为开始时两个信号相差较大,随着调节的进行,两个信号越来越接近,Vin也变得越来越平稳。可看到整个调节的过程约用了30μs,说明锁定速度较快。
图9是相位抖动仿真图,从图中可看到相位抖动为5 ns,数值较小,满足应用要求。
4 结束语
本文设计了一款用于同步模式DC-DC变换器中的电荷泵锁相环,在传统架构的基础上,对其进行了改进,使锁定效果更好。仿真结果表明,该锁相环性能表现良好,可满足所有的应用需求。
摘要：设计了一种集成在DC-DC芯片中的电荷泵锁相环。其中鉴频鉴相器(PFD)在传统的D触发器结构的基础上增加了复位延迟电路的延迟时间,减小了鉴相“死区”;电荷泵采用充放电电流对称的源极开关结构,解决了电流失配和电荷注入作用的影响;另外,设计了一种可编程的由D触发器构成的分频器电路。基于CMOS工艺,采用Cadence仿真软件对其进行仿真,结果表明该电荷泵锁相环在锁定时间、频率范围、相位抖动等方面均达到了指定的性能需求,且工作特性较好。其性能指标是:电源电压2.4 V,频率调节范围250~750 k Hz,锁定时间<50μs,相位抖动<30 ns。
关键词：DC-DC,PLL,PFD,电荷泵,可编程分频器
参考文献
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[8]王静宇.用于高速流水线ADC的快速锁定低抖动时钟占空比电路[D].西安:西安电子科技大学,2013.
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