時間：2022-09-14 07:47:32
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電路設計論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
圖2所示為驅動電路設計的方案框圖，電路包含光纖發送電路、驅動轉接電路、驅動器三部分。實際應用中，IGBT與DSP控制板的安裝位置相距較遠，為了增強抗干擾能力，實現遠距離傳輸，由DSP控制板發出的PWM波(電信號)經光纖發送電路轉換為光信號再經光纖傳至驅動轉接電路。驅動轉接電路將光信號轉換為與IGBT驅動器電平匹配的電信號，送給IGBT的驅動器。驅動轉接電路要靠近IGBT驅動器安裝，兩者通過屏蔽排線連接可以增加抗干擾性。驅動器上反饋的IGBT故障信號沿與上述PWM波傳輸相反的路徑送給DSP控制板，DSP對其處理然后發出相應保護指令。驅動器保護電路負責檢測和保護功率器件，防止意外產生，可立即關斷器件。
2驅動電路設計
2．1光纖發送電路由DSP發出的PWM信號先通過RC濾波和施 密特觸發器整形后送給后面的光纖發送電路，轉換為光信號，如圖3所示。RC低通電路的參數如圖3所示，截止頻率fp=1/2πR1C1=6．8MHz，可濾除PWM波的高頻干擾，二極管D1、D2將電平鉗位在0V或5V，反相施密特觸發器74HC14輸出傳遞延遲為幾十ns。二輸入與非門SN75452的目的是為增強驅動能力。光纖發送、接受器分別采用AVAGO的HFBR1521和2521，這對組合能實現5MBd的傳輸速率下最大20m的傳輸距離。
2．2驅動轉接電路驅動轉接電路接收光纖傳遞過來的PWM波信號，將光信號轉換為電信號，然后分成兩路送給并聯的兩個IGBT的驅動器。圖4為驅動轉接電路的部分原理圖。為了防止IGBT直通［7］，要求IGBT上、下管驅動信號不能同時為高電平。驅動轉接電路將輸入的兩路信號PWM-A，PWM-B(對應IGBT上、下管驅動信號，低電平有效)其中一路信號做“非”處理然后與另一路信號做“與非”處理，這樣，當驅動轉接電路輸入的兩路PWM信號同時為低電平時，驅動轉接電路輸出PWM信號為低電平(高電平有效)，IG-BT上、下管均關斷而不會直通。IGBT發生故障時，如過流、短路和驅動器電源欠壓等，驅動器會反饋故障信號給驅動轉接電路(圖4中的SO1、SO2)。在驅動轉接電路中將PWM信號與IGBT故障反饋信號SO(低電平有效)做“與”處理，這樣當驅動器檢測到IGBT故障時，驅動轉接電路會封鎖PWM信號輸出(輸出低電平)，及時關斷IGBT。同時故障信號經驅動轉接電路、光纖發送電路反饋給DSP，DSP對其處理后發出相應保護指令。
2．3驅動器電路
2．3．1輸入信號處理2SP0320T2A0是基于CONCEPT公司的SCALE－2芯片組的驅動器。該驅動器采用脈沖變壓器隔離，通過磁隔離把信號傳到高壓側。根據脈沖變壓器一次側二次側，芯片分為原方和副方。原方芯片有兩個重要的特點:①芯片帶寬很高，可以響應極高頻的信號;②芯片的兩個脈沖信號INA、INB輸入跳變電平比較低，雖具有施密特特性，可是若噪聲超過這個數值，驅動器也能響應。在SCALE－2輸入芯片中，一般不使用窄脈沖抑制電路。但是若驅動器前端脈沖信號進行長線傳輸時，鑒于上述噪聲干擾，窄脈沖抑制電路非常必要，然后再經施密特觸發器CD40106，可將信號跳沿變得陡峭。門電路要就近接入INA、INB腳，如圖5所示。為提高抗干擾能力可以在接收端放置一數值較小的下拉電阻，為提高輸入信號的信噪比則可在輸入側配置電阻分壓網絡提高輸入側的跳變門檻，例如本來輸入電壓門檻分別為2．6V和1．3V經電阻R1=3．3kΩ和R2=1kΩ提高到了11．18V和5．59V。
2．3．2報錯信號的處理報錯信號SO管腳直接連到ASIC中，其內部為漏極開路電路，對噪聲比較敏感，且連線越長，對噪聲越敏感。對SO信號的處理有以下的方法:(1)SO信號必須有明確電位，最好就近上拉;(2)SO信號經過長線傳輸時，可以配合門電路，提高電壓信號抗干擾能力，且接收端配合阻抗合適的下拉電阻;(3)SO接10Ω小電阻，再用肖特基二極管做上下箝位保護，控制器端用電阻上拉。如圖6所示對應上述的第2種，虛線表長線傳輸。
2．3．3IGBT短路保護當IGBT發生短路時，短路電流會在短時間內圖6報錯信號處理達到額定電流的5倍～6倍［8］，此時必須關斷IG-BT。否則會造成IGBT不可恢復的損壞，因此為保護功率器件，需要設計保護電路。短路檢測一般用電阻或者二極管，檢測功率器件C、E的飽和壓降，圖7則為二極管檢測電路，當IGBT發生短路時，集電極電位上升，二極管截止，VISO通過R向C充電至參考電位，相應的比較器輸出翻轉，從而檢測到短路狀態。式中:VGLX為驅動器的關斷電壓，2SP0320T－2A0關斷電壓為－10V，C的值推薦在100pF～1nF，R的值推薦在24kΩ～62kΩ。驅動器短路保護原理如圖8所示(由電阻Rvce檢測短路)。其中VISO、VE、COM是由芯片內部將副邊輸出25V電源處理出來的端口。VISO、VE之間15V，是穩壓的，COM、VE之間－10V，是不穩的。當IGBT導通時，B點電位從－10V開始上升(內部mosfet將B點電位箝在－10V)，IGBT集電極電位開始下降至Vcesat(2V左右)，最終B點電位也達到Vcesat;當IGBT短路后，IGBT會退出飽和區，此時A點電位(集電極)會迅速上升到直流母線電壓，A點通過電阻向B點充電，由二極管鉗位，B點電壓在15V左右。經過一段時間后(極短的時間)，B點電位上升到參考電壓C點，比較器翻轉，IGBT被關斷。參考電壓通過電阻R2來設置，VREF=150μA•R2。由于密勒電容的存在，當IGBT短路時，門極電位會被抬升，相應短路電流會增大。門極鉗位電路可以將門極電位鉗住，以確保短路電流不會超過規定的范圍，一般有倆種方法:①G和E之間接一個雙向的TVS。②門極直接接一個肖特基二極管將門極鉗位在15V。IGBT發生短路時，此時關斷管子di/dt會很大，電路中的雜散電感會感應出很高的尖峰電壓或較大的dv/dt，關斷過壓值可通過Vtr=Lsdi/dt計算，Ls表雜散電感，這些都可能損壞IGBT。有源鉗位電路［9］則可以鉗住IGBT的集電極電位，當集電極－發射極電壓超過閾值時，部分打開IGBT，從而令集射電壓得到抑制。有源鉗位電路一般在發生故障時才會動作，正常時不動作，因為在器件正常關斷時產生電壓尖峰不太高，但過載和發生短路時，此時關斷管子會產生非常高的電壓尖峰。最基本的有源鉗位電路，只需要TVS管和普通快恢復二極管即可構成，但存在TVS管功耗大和鉗位效果不好等缺點，基于SCALE－2設計的AdvancedActiveClamping電路改進了這些缺陷，鉗位的準度及電路的有效性大大提高，可參考文獻［10］。
3實驗波形與分析
將設計出IGBT驅動電路應用在前面所述500kW光伏逆變器上。我們用示波器分別測量一路PWM信號光纖發送板的輸出波形和光纖轉接板的輸入波形，如圖9(a)所示，測量光纖轉接板輸出波形和IGBT驅動器輸出波形，如圖9(b)所示。同一橋臂上下管的驅動信號如圖9(c)所示。可以看出，該驅動電路信號傳輸延遲小，跳沿陡峭，信號無失真，說明其抗干擾能力強。上下管的脈沖之間明顯有一死區時間，可防止橋臂直通。采用了該驅動電路的500kW光伏逆變器運行狀況良好。我們測量了其約80%負載時并網電流波形，如圖9(d)所示，電流波形為光滑正弦波，總諧波畸變率THD＜2%。
4結論
集成電路設計實踐引入研究型實踐教學模式，可以使相關領域的學生真正實現學有所用，不僅學習了集成電路設計的軟件知識，同時可以將課堂的理論知識通過工藝模型、電路設計、仿真方法來復現，從而更深入的理解理論知識，而且可以通過一些電路實例來解釋生活中的一些現象，激發學習的興趣。集成電路設計是實踐性很強的一個方向，要求將工藝、器件、電路、版圖四個方面的理論課程融會貫通，而傳統的實踐教學旨在加強學生對軟件的認識，忽略對理論內容的加深與貫通。通過研究型實踐教學模式的開展，可以在保證教學大綱不變的前提下，通過選擇適用性較強的實踐內容，使學生一方面能夠將各門理論課的知識加深及貫通，另一方面可以使學生接觸到用人單位感興趣的課題內容，有利于學生加強實踐的動力和持續進步。通過研究型實踐，對學校而言，可以培養更優秀學生；對學生而言，可以掌握前沿知識、促進就業。研究型實踐成果的實現為學生的晉升、發展提供支持。學生的實踐研究成果如能公開發表或獲獎，能解決實際工作中的問題，這無形中為學生在工作崗位上的晉升、發展增加籌碼。這在最大程度上激發學生的實踐興趣，是其他任何實踐模式都不可比擬的。同時，研究型實踐教學鼓勵學生多看文獻、多寫總結報告，這也為學生撰寫本科畢業論文打下良好的基礎。
2研究型實踐教學模式的具體實施
2.1課程結構優化
指導學生接觸各類資料，能夠提出問題，進而解決問題以掌握知識、應用知識，完成對知識的一個探求過程；對實驗內容進行適當調整和完善，使課程體系更全面更科學，更能貼近行業發展，更能體現學生的主動性。
2.2采用課堂討論進行專題研討的教學方法
在研究型實踐教學模式中，師生互動有助于學生對基本概念、基本理論、基本方法的理解和掌握。根據課程需要，結合國內外的研究現狀和發展趨勢，采用與行業內吻合的實驗軟件，挑選合適的電路原型做仿真設計，并共同探討電路的優化方案。
2.3專業資料查詢能力培養
為學生提供研究資料或指導學生進行資料查詢、整理，鼓勵學生從圖書館、書店、網絡等各種途徑查閱文獻資料，以充實自己的研究基礎。提醒學生要對已收集的資料進行批判性的研究，去偽存真，指導學生從這些資料中總結、分析、解釋與實踐研究課題相關的理論、知識經驗以及前人的研究成果。
2.4指導學生撰寫專題論文（報告）
在研究型實踐教學過程中，指導學生通過論文、調查報告、工作研究、分析報告、可行性論證報告等形式記錄實踐研究成果。在撰寫論文時，要求學生要了解實踐課題研究報告的一般撰寫格式；要先擬訂論文的寫作提綱，組織好論文的結構，做到綱舉目張；會用簡練、嚴謹、準確的語言表達自己的思想，不追求文章的長短。指導學生開展專題電路討論，由學生根據自己感興趣的課題來查找文獻資料，進行研究，完成電路設計和仿真，最后完成專題論文的撰寫。
2.5鼓勵學生參與課題研究
為調動學生參與科研創新活動的積極性，激發學生的創新思維，提高學生實踐創新能力，鼓勵學生參加老師的課題，鍛煉學生的動手能力，培養“研究型”的思維模式。
3研究型實踐教學模式對教師和學生的要求
3.1研究型實踐教學模式對教師的要求
研究型實踐教學模式的實施對任課教師提出了新的要求：一是要熟練地掌握課程的基礎知識和內在結構，還要掌握與課程相關的專業基礎知識和實踐的基本技能；二是要掌握學科最新信息，不斷更新知識，了解課程所涉及學科的最新動態和取得的最新研究成果；三是要熟練運用科學研究的方法和手段。這些都對教師提出了更高的要求。
3.2研究型實踐教學模式對學生的要求
1系統組成原理
對于正常人來說，心臟的興奮主要是通過這樣幾個步驟完成的，首先是竇心房產生興奮，然后經過一定的時間和相關的圖形，將興奮傳遞給心室和心房，這樣就可以導致心臟興奮，所以，按照上述過程，心臟跳動的完整周期應該是包含一定的規律的，不僅僅是在次序以及時間上有規律，而且在電傳播的途徑與方向上都是有規律的。對于人體而言，生物電的變化終究會使得身體的各個部分隨著心跳的變化而發生很有節律的電變化，畢竟整個電變化的過程要隨著心臟的跳動并通過體液反映到我們的身體上，也就是說從我們身體表面來看，只要距離不是太近，不管具體的數值有多小，任意兩個存在一定距離的點之間一定是會有電位差存在，那么身體表面上不同的點其電位也是客觀存在的，但是畢竟由于心臟是處于不斷跳動的過程中，那么電位的分布就不可能是一成不變的，這種電位的分布要隨著心臟跳動導致的電活動而不斷的變化，所以電位差也不能是一個常數，必然是一種隨著心臟跳動而變化的周期性變化曲線。在醫學治療的過程中，我們經常會見到將幾個電極放到人身體的相應位置，通過對心臟跳動時產生的電變化進行記錄，這樣產生的圖形就是我們非常熟悉的常規心電圖（用ECG表示）。醫生可以通過觀察心電圖從而獲得患者的心臟的部分機能，對心臟有一定病變的患者來說，其心電圖一定和正常人會有所不同，從這個角度來看，心電圖對心臟疾病的初期診斷就有非常重要的作用，也是目前為止初步診斷心臟病的非常重要的手段，尤其是患者患有心律失常和心肌梗塞等常見心臟疾病，都可以通過心電圖進行初步診斷。一個完整的心電圖包含如下幾個主要的特征波形：P波，P-R間期，QRS波群，S-T段，T波，Q-T間期，U波，每個波形代表了不同的意義。經過對原始的電信號進行一定的調理以后，可以設計出圖2所示的原理圖，從圖中可知，采集到的胎兒的心電圖畢竟信號非常的微弱，而且還容易收到母體的干擾，所以必須要先經過一次放大的操作，然后為了進一步減少各種噪聲因素的影響，將此信號通過高通濾波器去除掉所有的低頻分量和直流分量，再經過進一步的放大，此時再次放大的作用就是為了滿足進行模數轉換的時候對信號幅度的要求，將此信號通過低通濾波器濾除掉高頻的分量，由于儀器設備使用的交流電頻率一般都是50HZ，為了消除這個頻率的干擾，特別的設計了兩個50HZ的雙T可調陷波器，為了進一步的提高數據采集的精度，又設計了右腿驅動電路，這樣就可以保證利用相關的激勵降低相關的交流干擾，比如說人體本身的內阻、皮膚的電阻等各種各樣可能產生的干擾，對醫護人員的要求也降低了許多，至少在操作上要簡單了很多。
2胎兒心電信號調理電路設計
為了進一步的提高胎兒心電圖儀系統數據采集的精度，又設計了右腿驅動電路，這樣就可以保證利用相關的激勵降低相關的交流干擾，比如說人體本身的內阻、皮膚的電阻等各種各樣可能產生的干擾，對醫護人員的要求也降低了許多，至少在操作上要簡單了很多。
3右腿驅動電路
總體來看人體畢竟是導體，那就意味著人和電源線以及任何大地之間分別存在著兩個電容CP和CB，必然會導致50HZ的工頻干擾會耦合到人體當中，而且放大電路部分和大地之間當然也會存在電容CS，所以說人體內流過的偏置電流就會使得人和大地之間存在這電勢Vp，心電檢測時兩個用來提取信號的電極和皮膚之間也存在著兩個未必完全相等的電阻，用Re1和Re2表示，這兩個電阻一般來看阻值可能有幾十千歐姆，特殊情況下可以達到幾百千歐姆，這樣就會將上文所述的Vp變成了兩個部分Vcm和Vim，前者表示的是人體與放大器之間的共模電壓，或者表示的是放大器和大地產生的差模電壓。前置放大電路U1,U2的兩個輸出端(TLC2652的6腳)，通過阻值相等的兩個電阻R56和R57取出共模電壓，送入如圖3所示的右腿驅動電路,該電路由U20及C78和R59組成。檢出的共模信號經過U20將其倒相，放大并反饋到人體上。這是個負反饋，促使共模電壓降低。人體的位移電流不流到地，而是流到運放的輸出端。采用右腿驅動電路后，可將50Hz的共模干擾電壓降低到1％以下。就心電放大器來說，這樣就減小了共模電壓的拾取，并且有效地使病人接地。同時可有效的減少屏蔽層和信號線間分布電容的影響。為達到A/D轉換器所需信號幅度，經由前置放大器放大后的信號，由后級放大電路進一步放大及濾波。
本文基于胎兒心電信號的特點，詳細介紹了胎兒心電信號調理電路各部分的設計。包括由TLC2652AI構成的前置放大器、右腿驅動電路、后級放大及高通濾波等電路的設計。該心電信號調理電路的設計，實現了高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲的要求。為整個胎兒心電圖儀的研制成功，提供了一個良好的前提。
作者:郭銳強單位:長春工業大學
關鍵詞：單按鍵；自鎖；設計；控制
常規電動機的啟動、停止需要2個按鈕，在多點控制中，按鈕引線較多。利用一個按鈕多點遠程控制電動機的啟停，則可簡化控制線路。電動機多地控制一般用于應急停機，即出現異常情況后，如果到現場停機會造成大的事故或損失，那么采用電動機多地控制則可避免事故或損失的發生。例如：某公司的膠帶運輸機長500m，若不多設幾個控制點，易出現事故。離廠區較遠的泵也會用到多地控制。在控制線路中，所有停止按鈕串接，所有啟動按鈕并接，如果按正常設計即設置2個按鈕控制電機啟停，則需要2倍的導線及按鈕，而采用單按鈕控制則可節省一半材料。
1單按鍵自鎖控制電路設計理念
單按鈕控制電動機啟停，主要用于多點控制電動機啟停或遠距離控制電動機急停。設計理念為：設計一個單按鈕控制電動機啟停電路，解決遠距離控制電機急停或多點控制問題。具體任務是：借助接觸器或接觸器與中間繼電器結合，用一個按鈕控制電動機起停；按下按鈕，電動機起轉，再次按下按鈕，電動機停轉；要求有短路保護、熱保護。先設計按下按鈕電機起轉，同時為再次按下按鈕電機停轉做準備，由中間繼電器或接觸器控制另一路停止電路。整個控制步驟見圖1。中間繼電器實質上是一種電壓繼電器，特點是觸點數目較多，電流容量可以增大，起到中間放大（觸點數目和電流容量）的作用。用于轉換控制信號的中間電器與接觸器類似，通過線圈的通電與斷電控制各觸頭的接通與斷開，實現電氣控制線路控制。中間繼電器觸頭數量較多，各觸頭額定電流相同。當其他繼電器觸頭數量或容量不夠時，可借助中間繼電器擴充觸頭數目或增大觸頭容量，起中間轉換作用。將多個中間繼電器相組合，還能構成各種邏輯運算電器或計數電器。中間繼電器各部件的圖形文字符號見圖2。
2單按鈕控制電動機啟停電路原理
單按鈕控制電動機的啟動和停止，與2個按鈕控制相比，特別是在多點控制和遠距離控制時，可以大大節省引接導線。設計時，先滿足按下按鈕電動機啟動，再次按下按鈕時電機即停，這樣第一次按下按鈕時，可為第二次按下按鈕時電動機停轉做準備。設計有別于2個按鈕控制電動機啟停的控制電路，具體控制電路如圖3所示。工作原理為：接通電源，即合上空氣開關QF，按下啟動按鈕，SB常開閉合，常閉斷開；控制電路FR常閉、SB常開閉合、KM2常閉、KM1線圈這條通道暢通，即KM1線圈得電，KM1主觸頭閉合，電機得電，開始工作，KM1輔助常開觸點閉合，實現自鎖；KM2，KM3常開控制KM2、KM3線圈均不得電；松開按鈕，SB回位，常開觸點、常閉觸點均恢復常態，KM3常閉、KM1自鎖及SB常閉、KM2常閉使得KM2線圈得電，KM2常開閉合，實現KM2線圈自鎖，同時為KM3線圈得電做好準備；工作期間，KM1線圈、KM2線圈一直得電，電機正常工作。當工作結束或需要臨時停機時，再次按下啟動按鈕，這時SB常開閉合，常閉斷開，KM3線圈通過SB常開、KM2常開閉合得電，KM3常開閉合，常閉斷開，使得KM1線圈斷電，電機停轉，而KM2線圈一直得電，直到松開按鈕，整個線路全部失電，完成單按鍵控制電機的起停。由上述分析不難看出，此設計表面上完成單按鈕控制電機啟停，但實質上沒有實現預先的設想。因為實際控制中用按鈕聯動，接線時用雙線連接才能實現，不能達到通過單按鍵控制實現減少材料的目的。
3單按鈕控控制電動機啟停電路
為真正實現一對電纜完成多地控制電機啟停，需進一步研究完善。改進后的電路原理如圖4所示。工作原理為：合上總電源開關QF，按下按鈕SB，繼電器K1線圈得電，兩個常開觸頭吸合，一個完成自鎖并保證K1線圈始終得電，另一個保證控制電動機得電的接觸器KM線圈得電，其主觸頭閉合，電動機M起動運轉。KM的兩個輔助常開觸頭閉合，一個完成自鎖，松開按鈕電動機持續運轉；一個為繼電器K2線圈得電做準備。KM的輔助觸頭常閉觸點斷開，為電動機停轉做準備。在繼電器K1線圈得電的同時，K1常閉觸頭斷開。在KM線圈得電時，繼電器K2線圈不能得電，這樣可以保證電動機一直運轉，直到需要電動機停轉。當需要電動機停轉時，再按下按鈕SB，繼電器K2線圈得電，K2常開觸頭閉合，完成自鎖，兩個常閉觸頭斷開，控制電動機的接觸器線圈失電，其主觸頭斷開，電動機停轉。
4結論
電機自動控制是電氣自動化技術的基礎。根據工作環境及條件調整電機控制方式，設計不同的控制電路，是電氣控制技術人員必備能力之一。在職業教育教學中，通過任務驅動教學法充分發揮師生的創造力，設計既能適應多地控制又能節約材料的單按鍵控制電路。電路的實際接線大大簡化，節省材料成本，使電路更加經濟合理、安全可靠，具有很高的實用價值。與單片機和PLC相比，它還具有簡單實用、成本低廉、穩定性好的優勢。
作者:尚東升 單位:遼寧工程職業學院
參考文獻
［1］高揚．基于三菱FX3U系列PLC的幾種單按鍵啟停控制程序設計方法［J］．科技創新與應用，2012（22）：24．
為提高系統輸出信號的精度，采用低速、高精度的DAC。此類DAC多采用SPI或IIC總線與主控制器通信，占用控制器的IO口較少。時下流行的STM32系列或MSP430系列微控器的硬件資源都滿足要求。為便于野外現場使用，系統采用鋰電池供電，這就要求主控制器具有較低的功耗以延長電池續航時間，以極低功耗著稱的430單片機成為首選。由主控制器、時鐘電路、復位電路構成了主控制器的最小系統。系統硬件總體框圖如圖1所示。按鍵和氣象量顯示模塊主要實現人機交互功能，用來調節輸出信號的大小，設置氣象量和電信號之間的轉換關系等。根據氣象傳感器輸出信號的范圍，可設定若干檔位的輸出信號，以覆蓋傳感器的范圍即可。按鍵接在430單片機的中斷口上。顯示模塊的控制和數據總線由單片機的IO口來提供。DAC模塊是產生電壓信號的核心。主控制器將數字量送給DAC后得到模擬電壓信號，為使產生的信號和傳感器范圍一致，DAC的輸出信號需進行調理。數字系統和電源都會對模擬部分產生干擾，引起誤差。采用DC－DC電源隔離、DAC總線隔離提高DAC輸出信號的精度。輸出電信號和氣象量之間存在轉換關系，轉換函數存儲于EEPROM芯片中。為進一步提高精度，系統也需要定期檢定。采用零滿刻度校準的方法，用高精度的數字萬用電表測量輸出信號的實際值，將實際值和理想值的差值保存于EEPROM中，系統根據差值去修正輸出信號，差值和轉換函數都通過串口由上位機寫入存儲電路中。軟件補償切實提高了系統的穩定性和精度。
2模塊電路設計
2．1主控制器端口分配及人機交互模塊
主控制器選擇TI公司的MSP430F169，利用其豐富的中斷作為按鍵輸入，內部自帶的UART模塊實現串口通信，采用IO口模擬SPI總線與DAC通信，低功耗的128×64LCD用于顯示輸出信號大小及對應的氣象量。主控制器的最小系統及端口分配如圖2所示。主控制器的P1．0～P1．3接按鍵，采用中斷方式。4個按鍵的功能包括：調節電信號和氣象量之間的轉換關系鍵SET、增大和減小輸出信號鍵UP和DOWN、確認保存參數鍵ENTER；P3．0～P3．3端口的RS、RW等為LCD的控制總線；P5．0～P5．7為LCD的數據總線；P3．6～P3．7為單片機部自帶的UART模塊的收發端口，用于串口通信；P4．0～P4．2作為DAC的SPI總線；P4．3～P4．6用于存儲器的總線。TDO／TDI～TCK為單片機的下載口。P6．0端口MeaV為單片機內部自帶的ADC模擬輸入通道，用來監測系統電源。晶振X2和電容C1、C2構成時鐘電路，電阻R8和電容C3構成上電復位電路。
2．2模擬信號產生DAC模塊
為產生程控的高精度電壓信號，采用高精度的數模轉換芯片，輔以總線隔離、電源隔離等措施提高精度。工藝上采用四層印制板電路。產生的信號為微伏級，選用16位的低功耗、單通道電壓輸出型DAC芯片AD5660，滿量程輸出電壓范圍可達2．5V。軟件編程模擬SPI總線與主控制器通信。AD5660內部硬件結構如圖3所示，主要由數字量輸入寄存器、電阻串型DAC、基準源、輸出緩沖放大電路組成。由圖3可知，AD5660內部含有一個增益為2的放大器。設D為載入DAC寄存器的二進制編碼的十進制等效值，則輸出電壓VOUT的大小為16位的AD5660－1內置1．25V的基準電壓，輸入數字量D的范圍為0～65535。根據式（1），輸出電壓VOUT的范圍為：0～2．5V。采用總線隔離和電源隔離措施，以提高輸出電壓的精度。iCoupler技術的四通道數字隔離器ADUM1401具有優于光耦合器的出色性能［4］，系統利用ADUM1401作為DAC模塊的SPI總線數據轉換器，使AD5660的總線與主控制器完全隔離。同時，采用DC－DC芯片MEB01Z－05S05D為信號產生部分提供獨立電源。MEB01Z－05S05D的輸出功率可達到1W，且其具有極低的紋波，Vp－p≤10mV。其電路如圖4所示。
2．3信號調理電路
濕度傳感器輸出信號為0～1V，氣壓傳感器設置于模擬模式時，輸出電壓為0～5V，而總輻射傳感器的輸出信號十分微弱，小于30mV。DAC輸出信號需要經過調理電路，產生與傳感器輸出范圍和分辨率一致的信號。這里以產生0～30mV的微弱電壓信號為例，設計其信號調理電路如圖5所示。
2．4參數存儲及串口構成軟件補償電路
除采用總線隔離、電源隔離、低溫度系數電阻、低失調電壓運放等提高系統輸出信號的精度外。設計參數存儲和串口通信電路，利用軟件來對信號輸出進行校準，進一步提高輸出信號的精度。軟件補償的思路是采用零滿刻度校準法，用高精度的61／2位數字萬用電表測量系統在零點和滿量程時的實際輸出，并記錄與理想值的偏差。上位機通過串口將偏差值寫入到存儲器中。系統每次進行D／A轉換之間先讀取存儲器中的偏差值，并調整單片機送給DAC的數字量，使輸出信號接近理想值。偏差值存儲于EEPROM中，如圖6所示。同時，氣象量和電信號之間的轉換函數關系也存儲于EEPROM中。MSP430F169內部自帶了UART模塊，只需在輔以常用的MAX232構成電平轉換電路即可與上位機通信。
3系統軟件電路設計
系統任務主要包括時鐘初始化、LCD的初始化、信息顯示、系統電源電量顯示、軟件校準、按鍵切換輸出檔位等。根據各功能模塊，確定系統的軟件設計流程和中斷服務程序功能。主程序主要完成初始化工作；電量檢測需定期進行，故在定時中斷服務程序中完成；檔位切換和信息顯示等在外部中斷服務程序中實現；校準參數和轉換函數通過串口的中斷服務程序由上位機寫入EEPROM中。系統主程序流程如圖7所示。輸出信號大小的調整由按鍵中斷服務程序實現，圖8為UP鍵按下時的服務程序流程。
4系統測試
為提高系統精度，PCB采用4層印制板。中間2層為GND和隔離后的電源。利用高精度的61／2位數字萬用電表對系統進行零滿刻度校準。校準步驟如下：（1）設定輸出值為0mV，利用萬用電表測量此時的實際輸出電壓值V1；（2）將V1通過串口調試助手寫入下位機，單片機根據V1計算零點偏差，并保存于EEPROM中；（3）設定輸出值為30mV，利用萬用電表測量此時的實際輸出電壓值為V2；（4）將V2通過串口調試助手寫入下位機，單片機根據V1，V2，計算線性校準函數的斜率和截距，并保存于EEPROM中。系統校準后，再通過按鍵切換輸出檔位，并用萬用電表測量實際輸出值，測試結果如表1所示。結果表明，系統經過軟件校準后，輸出微弱電壓信號的誤差小于10μV。但通過高速的數據采集卡測量，系統瞬時值存在80μV的抖動。分析其原因是由于萬用電表測量時進行了滑動平均處理，測量值為短暫時間的平均值，抖動被抵消。經過反復測試和分析得知，雖然采用4層PCB在硬件上減小了干擾，但空氣中的電磁場仍然在PCB板上形成了干擾。整個PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的電磁環境下測試。
5結束語
隨著大規模集成電路技術和計算機技術的不斷發展，在涉及通信、國防、航天、醫學、工業自動化、計算機應用、儀器儀表等領域的電子系統設計工作中EDA技術的含量正以驚人的速度上升；電子類的高新技術項目的開發也逾益依賴于EDA技術的應用。即使是普通的電子產品的開發EDA技術常常使一些原來的技術瓶頸得以輕松突破從而使產品的開發周期大為收縮、性能價格比大幅提高。不言而喻EDA技術將迅速成為電子設計領域中的極其重要的組成部分。
100Hz頻率計數器的主要功能是在一定時間內對頻率的計算。在數字系統中，計數器可以統計輸入脈沖的個數，實現計時、計數、分頻、定時、產生節拍脈沖和序列脈沖。而本篇論文主要介紹了頻率計數器的實現:系統以MAX+PULSLLII為開發環境，通過VHDL語言作為硬件描述語言實現對電路結構的描述。在VHDL語言中采用了一系列的語句,例如:if語句、case語句、loop語句等。這些語句對程序中的輸入輸出端口進行了解釋,并給出實現代碼和仿真波形。相關的一些關鍵詞：100Hz；分頻；計數；MAX+PULSLLII；VHDL；編譯；仿真等。
前言
VHDL是超高速集成電路硬件描述語言（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）的縮寫在美國國防部的支持下于1985年正式推出是目前標準化程度最高的硬件描述語言。IEEE（TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers）于1987年將VHDL采納為IEEE1076標準。它經過十幾年的發展、應用和完善以其強大的系統描述能力、規范的程序設計結構、靈活的語言表達風格和多層次的仿真測試手段在電子設計領域受到了普遍的認同和廣泛的接受成為現代EDA領域的首選硬件描述語言。目前流行的EDA工具軟件全部支持VHDL它在EDA領域的學術交流、電子設計的存檔、專用集成電路（ASIC）設計等方面擔任著不可缺少的角色。
數字頻率計是數字電路中的一個典型應用，實際的硬件設計用到的器件較多，連線比較復雜，而且會產生比較大的延時，造成測量誤差、可靠性差。隨著復雜可編程邏輯器件（CPLD）的廣泛應用，以EDA工具作為開發手段，運用VHDL語言。將使整個系統大大簡化。提高整體的性能和可靠性。
本文用VHDL在CPLD器件上實現一種2b數字頻率計測頻系統，能夠用十進制數碼顯示被測信號的頻率，不僅能夠測量正弦波、方波和三角波等信號的頻率，而且還能對其他多種物理量進行測量。具有體積小、可靠性高、功耗低的特點。
目錄
摘要………………………………………………………………………1
前言……………………………………………………………………2
目錄……………………………………………………………………3
第一章設計目的………………………………………………………5
1.1設計要求……………………………………………………5
1.2設計意義……………………………………………………5
第二章設計方案………………………………………………………6
第三章產生子模塊……………………………………………………7
3.1分頻模塊……………………………………………………7
3.2分頻模塊源代碼………………………………………………8
3.3仿真及波形圖…………………………………………………9
第四章計數模塊………………………………………………………9
4.1．計數模塊分析…………………………………………………9
4.2．計數模塊源代碼………………………………………………10
4.3計數模塊的仿真及波形圖……………………………………12
第五章顯示模塊……………………………………………………12
5.1七段數碼管的描述……………………………………………13
5.2八進制計數器count8的描述…………………………………14
5.3七段顯示譯碼電路的描述……………………………………15
5.4計數位選擇電路的描述………………………………………16
5.5總體功能描述……………………………………………18
5.6顯示模塊的仿真及波形圖………………………………19
第六章頂層文件…………………………………………………20
6.1頂層文件設計源程序…………………………………………20
6.2頂層文件的仿真及波形圖………………………………………21
結語…………………………………………………………22
參考文獻……………………………………………………23
致謝…………………………………………………………24
附件…………………………………………………………25
第一章設計目的
1.1設計要求
a.獲得穩定100Hz頻率
b.用數碼管的顯示
c.用VHDL寫出設計整個程序
1.2設計意義
a.進一步學習VHDL硬件描述語言的編程方法和步驟。
b.運用VHDL硬件描述語言實現對電子元器件的功能控制
c.熟悉并掌握元件例化語句的使用方法
d.熟悉數字式頻率的基本工作原理。
一、建設數字化教學資源
建設集成電路設計相關課程的視頻教學資源，包括集成電路設計基礎理論課程講授視頻、典型案例設計講解視頻、集成電路制造工藝視頻等；構建集教師、博士研究生、碩士研究生和本科生于一體的設計數據共享平臺。集成電路設計是一項知識密集的復雜工作，隨著該行業技術的不斷進步，傳統教學模式在內容上沒法完全展示集成電路的設計過程和設計方法，尤其不能展示基于EDA軟件進行的設計仿真分析，這勢必會嚴重影響教學效果。另外，由于課時量有限，學生在課堂上只能形成對集成電路的初步了解，若在其業余時間能夠通過視頻教程系統地學習集成電路設計的相關知識，在進行設計時能夠借鑒共享平臺中的相關方案，將能很好地激發學生學習的積極性，顯著提高教學效果。
二、優化課程教學方式方法
以多媒體教學為主，輔以必要的板書，力求給學生創造生動的課堂氛圍；以充分調動學生學習積極性和提升學生設計能力的目標為導向[3]，重點探索啟發式、探究式、討論式、參與式、翻轉課堂等教學模式，激勵學生自主學習；在教學講義的各章節中添加最新知識，期末開展前沿專題討論，幫助學生掌握學科前沿動態。傳統教學模式以板書為主，不能滿足集成電路設計課程信息量大的需求，借助多媒體手段可將大量前沿資訊和設計實例等信息展現給學生。由于集成電路設計理論基礎課程較為枯燥乏味，傳統的“老師講、學生聽”的教學模式容易激起學生的厭學情緒，課堂教學中應注意結合生產和生活實際進行講解，多列舉一些生動的實例，充分調動學生的積極性。另外，關于集成電路設計的書籍雖然很多，但是在深度和廣度方面都較適合作為本科生教材的卻很少，即便有也是出版時間較為久遠，跟不上集成電路行業的快速發展節奏，選擇一些較新的設計作為案例講解、鼓勵學生瀏覽一些行業資訊網站和論壇、開展前沿專題講座等可彌補教材和行業情況的脫節。
三、改革課程考核方式
改革課程考核、評價模式，一方面通過習題考核學生對基礎知識和基本理論的掌握情況；另一方面，通過項目實踐考核學生的基本技能，加大對學生的學習過程考核，突出對學生分析問題和解決問題能力、動手能力的考察；再者，在項目實踐中鼓勵學生勇于打破常規，充分發揮自己的主觀能動性，培養學生的創新意識。傳統“一張試卷”的考核方式太過死板、內容局限，不能充分體現學生的學習水平。集成電路設計牽涉到物理、數學、計算機、工程技術等多個學科的知識，要求學生既要有扎實的基礎知識和理論基礎，又要有很好的靈活性。因此，集成電路設計課程的考核應該是理論考試和項目實踐考核相結合，另外，考核是評價學生學習情況的一種手段，也應該是幫助學生總結和完善課程學習內容的一個途徑，課程考核不僅要看學生的學習成果，也要看學生應用所學知識的發散思維和創新能力。
四、加強實踐教學
在理論課程講解到集成電路的最小單元電路時就要求學生首先進行模擬仿真實驗，然后隨著課程的推進進行設計性實驗，倡導自選性、協作性實驗。理論課程講授完后，在暑期學期集中進行綜合性、更深層次的設計性實驗。集成電路設計是一門實踐性很強的課程，必須通過大量的項目實踐夯實學生的基礎知識水平、鍛煉學生分析和解決問題的能力。另外，“設計”要求具備自主創新意識和團隊協作能力，應在實踐教學中鼓勵學生打破常規、靈活運用基礎知識、充分發揮自身特點并和團隊成員形成優勢互補，鍛煉和提升創新能力和團隊協作能力。
五、總結
“集成電路設計”課程既牽涉到物理、數學、計算機等基礎學科，又需要用到美學、工程技術等知識，集成電路的應用更是涉及到人類社會的方方面面，這一課程的教學勢必需要借助現代信息技術來向學生傳遞大量的信息。由于課程的綜合性較強，要求設計者具有扎實的物理和數學基礎，對初學者來說往往會因為難以入手而產生厭學情緒。采用啟發式、探究式、討論式、參與式、翻轉課堂等教學模式可充分調動學生學習積極性；結合集成電路設計流程、EDA工具使用、設計實例和設計性實驗等進行教學，能夠幫助學生快速入門，并在設計過程中充分鍛煉學生的創新意識和團隊協作能力；另外，在教學過程中應向學生輸送大量的學科前沿信息，以便學生掌握行業動態，并在其中找到自己感興趣的點，進行更深層次的研究。總之，集成電路設計是一項系統性的復雜工程，“集成電路設計”課程的教學需要打破傳統，做到理論聯系實踐、基礎和前沿并舉、鼓勵創新和協作，充分調動學生的學習積極性，實現高效率高質量的教學效果。
作者：馬奎楊發順單位：貴州大學電子科學系
關鍵詞：猝發式紅外測試扭矩轉速發射電路
利用紅外通信進行旋轉軸動態參數測試，主要是為了滿足坦克、裝甲車輛狹小空間中運動部件動態參數測試的強烈需求。由于紅外通信在空間和成本的優勢，從上述理論研究和實車試驗中證明其較高的應用價值。
猝發式紅外近距離測試系統是在紅外近距離測試系統的基礎上，針對更加狹小的空間如發動機輸出軸，提出的一種點對點式的紅外數據傳輸的扭矩測試系統。
1坦克發動機扭矩信號采樣頻率分析
坦克發動機屬多缸發動機，是采用各缸順序點火、輪流作功的方式工作。實測得到發動機輸出軸上產生的力矩（扭矩）是一個隨轉速變化的周期信號，該信號的幅值極不規范。工程中所述扭矩為平均扭矩，定義在一個循環內（720°曲軸轉角）扭矩的平均值。高速、高功率密度柴油機有6缸、8缸和12缸之分，其最高轉速均不超過3000r/min，從這一目標出發選用扭矩信號頻率最高的12缸發動機計算扭矩信號周期T。
當nmax=3000r/min時，
T=（10/nmax）3.33（ms）
按采樣定理工程實用采樣頻率是信號固有頻率的5～10倍的原則，以及實際運行效果的試驗，取系統采樣周期為500μs即采樣頻率為2kHz。
圖2發射部分結構框圖
2猝發式紅外近距離測試系統模型的建立
按圖1建立猝發式紅外通訊的實物模型，發射器安裝在旋轉軸上，接收器安裝在旋轉軸上，接收器可安裝在軸向和徑向兩個方向的適當位置，其計算分析相似，由于徑向安裝比較方便，故安裝在徑向。
圖1中β——接收器的接收半角；
R——旋轉軸的半徑；
α——發射器的發射半角；
L——接收器與發射器的最小距離；
θ——發射器和接收器分別與圓心連線的夾角；
A——紅外接收管；B、C——紅外發射管。
弧長BC（設為S）與通訊時間成正比，故弧長S的大小決定了通訊時間的長短，稱弧長S為發射窗口。由模型知θ決定了發射窗口的大小（當R一定時），只有當α小于或等于發射器的最大發射半角時，發射器發出的紅外光才能被接收器直接接收。目前使用發射器的最小發射半角為15°。當α=15°時，由三角形OAB可知：
(sinβ)/R=sin(π-15°)/(R+L)（1）
sinβ=R/(R+L)sin15°(2)
θ+β=15°（3）
故θ=15°-β
T=2Rθ/(Rω)=(2θ)/ω(4)
由于θ與有效通訊弧長AB成正比，而弧長AB又與通訊時間成正比，故增大θ可增長通訊時間。由上式可知，增大θ有兩種方法：減小R，或增大L。
設軸的角速度為ω（rad/s），一轉中采樣的數據個數N，每個數據占有M位，紅外通訊傳輸的波特率為V（bit/s），發送N個數據需要時間為tall(s)，發射器通過發射窗口的時間（即有效通訊時間）為T（s），則一轉中發射數據所需總時間為：
tall=(MN)/V（5）
如設轉速為3000r/min，2θ=30°，由（4）式得：
T=1.67ms
設N=200，即采樣頻率
f=200sps/r×(3000r/min)/60=10ksps
若M=16,V=2Mb/s，
得：
tall=(200×16)/2M=1.6ms
由于tall<T，該模型可物理實現。
3發射部分電路設計
上面通過對發動機輸出功率信號進行分析，確定了采樣頻率，進而估算出存儲器的最小存儲容量，并建立了數據傳輸模型。采用猝發方傳輸數據，需要存儲軸旋轉一轉所采集的所有數據，然后在發射窗口將數據發送給接收器，實現數據的瞬發。其特點是不需要安裝一個圓周的接收器，如果所測軸半徑較大或被測環境較緊湊，則近場遙測是不易實現的。而猝發遙測只需一個或幾個接收器就能達到目的。
發射部分的結構框圖如圖2，這部分發現扭矩信號的采集、數字信號的編碼，并將采集數據放在FIFO存儲器中。當紅外發射管接收到取數碼命令后，如果采集電路斷電，入于低功耗狀態，則通知電源管理器打開電源VCC，讓采集電路開始工作；如果采集電路已經開始工作，則會的開取數時鐘，讓FIFO移出數據，送給紅外發光管發送給接收器。
3.1數據的存儲
由于采用猝發方式進行數據的傳輸，需要設計一個存儲器將一轉中所采集的數據先存放起來，當發射器經過發射窗口時，將數據實時地傳輸給接收器。存儲器是發射部分的關鍵元件之一，它的選取直接關系到A/D變換器的選取以及控制電路的設計。對存儲器的要求是先采集的數據先發送，后采集的數據后發送，否則接收部分將無法正確恢復原始信號，達不到測試的目的。因此需選擇一個先進先出FIFO的16位存儲器。又由于發射器是單通道，只能將數據以串行方式發送，所以要求存儲器的輸出是串行的，這樣能減少并轉串的中間環節。如果具有串進串出的FIFO，那樣發射部分的體積會更小且控制邏輯更簡單，這是筆者希望的。但實際上只查到并進串出FIFO和具有可編程的串并進-串并出四種功能的FIFO，由于后一種芯片體積大、功耗也大，所以選擇了并進串出的FIFO。
綜上所述，選用了IDT72105，容量為256×16位，高速、低功耗，具有獨立收、發時鐘控制的同步/異步FIFO存儲器。它不但提供了存儲空間作為數據的緩沖，而且還在EPP并行總線和A/D轉換器之間充當一彈性的存儲器，因而無需考慮相互間的同步與協調。FIFO的優點在于讀寫時序要求簡單，內部帶有讀寫的環形指針，在對芯片操作時不需額外的地址信息。當它接收到由紅外發射管發出的取數指令SOCP后，通過SO端將同步幀信號輸入到紅外發射管的TXD端，發射出去。
圖5監測碼編碼器和幀結構
3.2數據采集電路
由于選擇了并進串出的FIFO，最好選擇并行輸出的A/D變換器，要求單電源供給，故選擇了AD公司的AD7472，分辨率為12位，低功耗，電源供電范圍為2.7～5.25V。AD7472轉換器可以工作于三種模式：（1）高速采樣模式（HighSampling）；（2）睡眠模式（SleepMode）；（3）猝發模式（Burstmode）。由于系統的采樣頻率不高（4kHz），所以利用AD7472的猝發模式，它與第二種模式相同，只是輸入時鐘（CLKIN）不連續，僅在轉換期間才提供時鐘信號，這樣能夠減少功耗。
在此模式下，當CONVST上升沿到來時，轉換器進入蘇醒期需1μs的時間（tWAKEUP），在這個期間如果CONVST的下降沿已到來，A/D并不立即進入轉換期，直到1μs之后；如果1μs之后下降沿才到來，則轉換器在下降沿到來的時刻開始轉換，整個轉換需14個時鐘周期。值得注意的是：當BUSY信號為高后，時鐘信號應在兩個時鐘周期內出現，且在轉換期間不能改變數據總線的狀態。實際設計采樣頻率與讀數控制電路的時序如圖3。CONVST信號頻率即采樣頻率為4kHz，周期250μs，正向脈寬2μs，即A/D蘇醒之后，再過1μs才開始數據轉換，RD信號正是利用這1μs對A/D進行讀數操作。
3.3同步幀電路設計
由于系統將一轉中采集的數據記錄在FIFO存儲器中，并且數據傳輸方式為無線串行通訊，所以需要將數據以幀的形式開，以便于接收部分的解碼。作者設計了16位的同步碼，最高位為低，用于分區幀與幀的數據；最低位也設為低，用于分開同步幀與數據，并為解碼提供移位脈沖產生時間。一幀數據除同步碼以外，由8個16位采樣數據組成，總共112個比特。產生步碼的電路如圖4。
圖6取數據控制電路
3.4監測碼編碼器和幀結構
FIFO存儲器字長為16位，A/D轉換器為12位，還剩余4比特。為了增強數據的可信度和數據的糾錯能力，設計了4個監測碼，分布在數據的兩側，如圖5。4個監測碼鎖存在元件74L5243里，每一個寫信號到來時，都需寫入4位監測碼。由于這4個監測碼分布在12位數據的兩側，在接收端接收到數據后，首先檢測這4個監測碼；如果監測碼無誤，則接收到的數據可信；如果有誤，則有可能前移一位或后移一位。若通過這樣的修正后，這4位監測碼與實際相符，則可修正數據。若不相符，則該數據不可言。
3.5取數控制電路
在高速數字電路設計技術的研究中,最為主要的研究點在于:
(1)高速數字電路信號的完整性;
(2)高速數字電路電源的設計兩個方面。在本節中,筆者將進行系統的闡述,強化對高速數字電路設計的認識與研究。具體而言,主要在于以下幾點內容:
1.1高速數字電路信號的完整性設計
在高速數字電路信號的完整性設計中,最主要的研究要點在于兩個方面:一是不同電路信號網傳輸信號的干擾情況;二是不同信號在電路信號網中的相互干擾情況。也就是說,在電路信號的完整性中,信號干擾是最為關鍵的因素,無論是對于干擾問題,還是對于反射問題,都是高速數字電路信號完整性設計的研究要點。在理想狀態之下,不同阻抗是相等的,存在相互匹配性。所以,在電路設計的過程中,要特別注意阻抗的控制,阻抗過小(過大)都會對線路中的電流及電壓造成影響,進而形成信號干擾問題。當然,在高速數字電路的設計中,是很難以讓臨界阻抗與電路新城相互匹配的狀態,這就強調,高速數字電路信號系統,應最可能的處于較為合適的狀態,以最大程度上提高高速數字電路的信號質量。
1.2高速數字電路電源的設計
高速數字電路電源設計,是設計技術研究的重點內容之一。對于高速數字電路而言,需要大量的低電壓元器件的應用,以更好地確保設計的需求。但是,低壓元器件的應用,帶來了一個問題,即電源穩定性受到一定的影響,造成電源設計問題的出現。因此,在實際的設計過程中,需要對高速數字電路電源設計作充分的考慮。在電源設計中“,電源完整性”是主要的關鍵因素,是指電源波形的質量。這一因素的影響主要表現為:
(1)瞬間電流產生過大,即在高速開關狀態下,線路器件極易產生過大的瞬間電流;
(2)信號回路阻抗變大,即在電路之中,過多的電感以至于回路阻抗變大,進而產生一定影響。因此,在高速數字電路電源的設計中,最為理想的狀態的設計就是在高速數字電路電源系統中,并不存在所謂的“阻抗”。這樣一來,不僅不存在阻抗所帶來的損耗,而且確保了系統中各電位的恒定,當然,在實際之中,理想狀態的設計是不存在,電源系統所形成的干擾噪聲,對高速數字電路系統的運行造成較大影響。于是乎,電路設計應對電源的電阻及電感做充分的設計考慮,提高高速數字電路設計的有效性。
2結語
摘要集成電路產業的發展，促使人才需求量增加。本文通過對我國市場調查，得出應用型集成電路設計人才是該行業目前大量需求的人才，并從幾個方面進行分析。
關鍵詞應用型人才IC設計需求分析
隨著我國IC產業的迅速發展，相應人才的需求量也日益增加。根據上海半導體和IC研討會公布的數據，08年中國IC產業對設計工程師的需求將達到25萬人，但目前國內人才數量短缺這個數字不止幾十倍。例如我們熟知的威盛雖然號稱IC設計人才大戶，但相對于其在內地業務發展的需要還是捉襟見肘，其關聯企業每年至少需要吸納數百名IC設計人才，而目前培養規模無法滿足。而在人才的需求中，應用型IC設計人才更加受到歡迎。
一、IC設計人才短缺
2008年，全國集成電路（IC）人才需求將達到25萬人，按照目前IC人才的培養速度，今后10年，IC人才仍然還有20多萬人的缺口。這是08年4月21日在沈陽師范大學軟件學院舉行的國家信息技術緊缺人才培養工程——CSIP-AMD集成電路專項培訓開班儀式上了解到的。同樣有數據表明，近日，從清華大學、電子科技大學、北京航空航天大學了解到，目前全國高校設有微電子專業總共只有10余個，每年從IC卡設計和微電子專業畢業的碩士生也只有二三百人。在國內大約僅有不足4000名設計師，而2008年，IC產業對IC設計工程師的需求量達到25萬－30萬人。有專家預測，到2008年底僅北京市IC及微電子產業就將超過2000億元人民幣，而到了2010年我國可能需要30萬名IC卡設計師[1]。未來我國IC卡設計人才需求巨大。目前中國每年從IC設計和微電子專業畢業的高學歷的碩士生只有數百人。中國現有400多所高校設置了計算機系，新近又特批了51所商業化運做的軟件學院。但這些軟件學院和計算機系培養的是程序員。中國目前只有十來所大學能夠培養IC設計專業的學生。因此IC設計專業人才處于極其供不應求的狀態。可以這樣說，這是因為我國很大程度上是沒有足夠的IC設計人才。
專家指出，我國IC設計人員不足的一個重要的原因是IC設計是新興學科，國內在此之前很少有大專院校開設IC設計專業，現在從事IC設計專業的人才，大部分是微電子、半導體或計算機、自動控制等相鄰領域的理工專業畢業生，但是和實際的IC工作比起來，還是有差距，學校并不了解企業需要的是什么樣的人才。所以，許多IC設計企業只能經常從應屆畢業生中直接招聘人才再進行培訓。此外，IC設計的實驗環境要求，恐怕所有的高校都沒有能力搭建。據了解，建一個供30人使用的IC實驗室，光是購買硬件設備就需要15萬美元。
最新研究指出：到2010年中國半導體市場將占世界總需求量的6％，位居全球第四。未來幾年內中國芯片生產有望每年以42％的速度遞增，這大大高于全球10％的平均增長速度。僅就IC卡一項來看，我國IC卡設計前景廣闊。身份證IC卡的正式應用，將是十億計的數量，百億計的銷售額，此外讀卡機及其系統將有成倍的產值。半導體理事長俞忠鈺說，2002年全國的IC設計單位已達到了240家，根據北京市發展微電子產業的建設規劃，到2010年，北京市要逐步建成20條左右大規模高水平的芯片生產線，200家高水平的IC卡專業設計公司。據預測，北京市IC產業將超過2000億元。巨大的商機也同時帶來了市場對IC卡設計人才的巨大需求。
二、應用型IC設計技術人才需求日切
IC產業飛速發展，現在的焦點已經移到了IT產業的核心技術IC設計上。據北京半導體協會負責人董秀琴表示，IC卡設計工程師在軟件行業是現在公認的高收入階層。目前我國IC卡人才缺口巨大，在我國的高等教育里，這一塊發展十分緩慢。按照中國現在的市場行情，一個剛畢業、沒有任何工作經驗的IC設計工程師的年薪最少也要在8萬元左右。為什么會出現這樣的情況呢？董秀琴講，這是因為一方面是現有IC設計人才的嚴重缺乏；另一方面是國內外市場對IC卡設計人才尤其是合格的IC設計師的大量需求。
由此我們可以看出，對于應用型的設計人員來講，是備受集成電路行業歡迎的。例如常見的EDA公司、IC設計服務公司、IC設計公司和IDM或Fundry4種類型的公司需要那些IC設計人才呢？他們需要的是熟悉IC設計的技術支持工程師,涵蓋IC設計的所有方面,通常包括:系統設計、算法設計、數字IC前端邏輯設計與驗證、FPGA設計、版圖設計、數字IC后端物理設計、數字后端驗證、庫開發，甚至還有EDA軟件的開發與測試,嵌入式軟件開發等，其中對IC物理設計工程師的需求量會多一些[2]。
目前，需求量最大、人才缺口最大的主要有模擬設計工程師、數字設計工程師和版圖設計工程師三類。另外，設計環節還需要工藝接口工程師、應用工程師、驗證工程師等。IC版圖設計師的主要職責是通過EDA設計工具，進行集成電路后端的版圖設計和驗證，最終產生送交供集成電路制造用的GDSII數據。版圖設計師通常需要與數字設計工程師和模擬設計工程師隨時溝通和合作才能完成工作。一個優秀的版圖設計師，即要有電路的設計和理解能力，也要具備過硬的工藝知識。模擬設計工程師作為設計環節的關鍵人物，模擬設計工程師的工作是完成芯片的電路設計。由于各個設計企業所采用的設計平臺有所不同，不同材料、產品對電路設計的要求也千差萬別，模擬設計工程師最核心的技能是必須具備企業所需的電路設計知識和經驗，并有豐富的模擬電路理論知識。同時還需指導版圖設計工程師實現模擬電路的版圖設計。
由此我們可以看出，在IC人才的需求中，應用型IC設計人才的需求更大，而且他們也是推動集成電路產業迅速發展的生力軍。
三、以社會需求為導向，培養應用型IC設計人才
國家對IC卡設計人才培養也很重視。據北京半導體協會卓洪俊部長說，到2010年，全國IC產量要達到500億塊，銷售額達到2000億元左右，將近占世界市場份額的5％，滿足國內市場50％的需求。同時，國務院頒布《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》的18號文件，支持和鼓勵軟件和IC產業加速發展，加快IC設計人才培養。
IC人才需求問題的解決首先還是從高校開始，2001年，清華大學微電子研究所開設了“集成電路設計與制造技術專業”第二學士學位班，2001年的IC專業二學位班已經有64名學員在讀。清華大學還分別與宏力半導體、有研硅、首鋼合作培養IC人才。2002年，成都電子科大也開始招收“微電子技術專業”的二學位學員，同時擴招微電子專業的本科生。為了更好地實施學校加速IC人才培養的戰略，電子科大還成立了微電子與固體電子學院，并建立了面積為1500平米的IC設計中心。同濟大學開始實施IC人才培養規劃，提出了“研究生、本科生、高職生”的多層次培養體系。
作為人才培養的搖籃，高校在這一方面應進一步加快改革，制定可行的、新的人才培養計劃，以社會需求為導向，加強教學、實驗和實訓投入，多渠道、多方式地進行應用型IC設計人才的培養。
參考文獻
一、靜止無功發生器的工作原理與基本結構
靜止無功發生器硬件電路主要包括:整流電路、逆變電路、智能功率模塊IPM的驅動電路、過零檢測電路，電流調理電路，鎖相環電路。逆變電路采用了IPM，該芯片內含驅動電路，報警電路等獨特結構，一方面提高了系統的可靠性;另一方面也避免了保護電路的另外設計，簡化了硬件裝置的設計。主電路主要由整流部分和逆變部分組成。整流部分通過三相不可控整流橋將三相交流電壓轉換為三相直流電壓，在經過電容濾波后得到穩定的直流電壓。逆變部分采用SPWM控制技術來控制IPM內部IGBT的開斷從而獲得所需的補償電流。將整流輸出的直流電逆變轉化為交流電回饋到電網。IPM內含保護電路，當發生故障時，IPM的自保能力使得IGBT的損壞率較低，提高了系統的可靠性。
二、SVG各硬件電路組成
(一)整流電路。整流電路采用三相不可控整流橋，輸出的三相直流電通過電容穩壓、濾波獲得穩定的直流電壓。根據以往的經驗，直流側電容取用4個2200μF/450V的電解電容，兩并兩串接進電路。電路組成如圖2所示。為了避免大電流燒壞整流裝置，電容需要通過一個充電電阻對不可控整流橋的輸出端進行充電，直到充滿在直接接到不可控整流橋的輸出端。另外，為避免故障發生，在不使用整流電路時要對濾波電容進行放電。根據計算的電壓、電流，選用二極管整流模塊6RI30G－160G－120即(30A，1200V)。
(二)IPM及其驅動電路。通過計算智能功率模塊(IPM)參數，選用型號為PM25CLA120的IPM(25A，1200V)，內部有IGBT，內含驅動電路。通過資料得知IPM驅動電路的控制電源電壓范圍為13．5V～16．5V，本文選用4路隔離的l5V直流電源。利用DSP發出PWM信號經光耦器件隔離后作為驅動信號對IPM進行控制。
(三)電流調理電路。該電路可將18A的電網電流相量轉換成0～3Vpp的電壓信號并實現過零點檢測功能。該電路與電壓調理電路的組成基本一致，不同之處在于互感器TVA1421－01用作電流互感器，采樣電阻取59Ω。若一次側電流為18A，二次側輸出(－0．5～+0．5)V的正弦波;經放大電路，輸出電壓(－1．5～+1．5)V的正弦波;最后經過加法電路輸出(0V～3．00V)的電壓信號。同時大于50Hz的正弦信號被濾除。過零比較電路在正弦波的過零時刻輸出下降沿跳變。
(四)鎖相環電路。本文采用了由TI公司生產的CD7H4C4046型鎖相環芯片對電網頻率進行跟蹤，避免了利用固定頻率采樣時產生的誤差。本系統中，鎖相環的輸出信號有兩大作用:一是作為ADC模塊的轉換觸發信號;二是作為事件管理器A(EVA)的時鐘輸入信號。通過鎖相環電路使其產生跟隨電網頻率變化的SP-WM波，從而精確控制后級逆變器。
三、結語
本文論述了靜止無功發生器的基本原理，實現了SVG的硬件電路設計，主要包括:逆變電路、整流電路的設計及儲能電容的選擇、電流調理電路、鎖相環電路、IPM及其驅動電路，并通過實驗驗證，各級電路的輸出符合實驗要求。
作者:崔瑋瑋韋鈺陳宇晨王凱劉昱彤單位:上海工程技術大學
關鍵詞：數控直流電源；穩壓電源；電壓源；電流源
中圖分類號：TM461文獻標識碼：A文章編號：10053824（2013）04006707
0引言
數控直流穩壓電源應用非常廣泛，是學習電子信息工程、通信工程、機電一體化、電氣自動化等電類專業學生必然涉及到的一個電工電子課程設計項目。全國大學生電子設計競賽曾于第一屆A題、第二屆A題和第七屆F題（電流源），全國首屆高職院校技能競賽樣題以及省級院校競賽都有涉及，用來檢驗學生的電子設計能力，可見其普遍性。
雖然較多論文都涉及，但電路設計的多樣性以及制作經驗篇幅鮮少，不足以使讀者完成作品并舉一反三。筆者參閱數十篇關于數控直流電源系統的設計，發現許多很難讀懂的問題。例如，給出參數設計輸出達20 V電壓，但運放直接驅動達林頓管明顯無法輸出達22 V以上。又如，通篇無關緊要的內容，唯獨缺少比較放大環節設計及關鍵電路的完整連接，也就是說DAC輸出到調整管之間內容匱乏，這也是本文解決問題的初衷。
直流穩壓電源按照功率管工作狀態，分為線性穩壓電源、開關穩壓電源2種。鑒于電類專業課程設計的需要，本文重點解析線性穩壓電源之關鍵設計，如與OP放大器設計聯系密切的部分，希望對讀者制作該項目或寫論文有所幫助。
1設計要求的性能指標與測試方法
1）輸出電流IL（即額定負載電流），它的最大值決定調整管（三端穩壓器）的最大允許功耗PCM和最大允許電流ICM，要求：IL （Vimax-Vomin）
2）根據輸出電壓范圍和最大輸出電流的指標，U/I可計算出等效負載阻值。例如，輸出電壓要求達30 V，最大輸出電流1 A，因此模擬負載應滿足從幾Ω到30 Ω之間，調整管耗散功率應滿足30 W以上，考慮加散熱片。
1.2質量指標
紋波電壓：是指疊加在輸出電壓Uo上的交流分量。在額定輸出電壓和負載電流下，用示波器觀測其峰一峰值，Uo（p-p）一般為毫伏量級，也可以用交流電壓表測量其有效值。紋波系數是紋波電壓與輸出電壓的百分比。設計中主要涉及濾波電路RLC充放電時間常數的計算。一般在全波式橋式整流情況下，根據下式選擇濾波電容C的容量：RL?C=（3-5）T/2，式中T為輸入交流信號周期，因而T=1/f=1/50=20 ms；RL為整流濾波電路的等效負載電阻。
穩壓系數Su和電壓調整率Ku均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響[2]，因此只需測試其中之一即可。電源輸出電阻ro和電流調整率Ki均說明負載電流變化對輸出電壓的影響[2]，因此也只需測試其中之一即可，具體操作參照指標的定義來實施。
2.2DAC接口電路的設計
2.3調整管控制電路、電壓采樣與電流采樣電路的
2.4ADC接口電路的設計、同時具備電壓源與電流源功能的設計
2.6具備電壓預置記憶存儲部分的設計
2.7保護電路的設計
2.8.2濾波電路的設計
3結語
曾經查閱數十篇類似穩壓電源電路圖，深感模擬電路設計的重要性。本文將電壓源與電流源的設計方案同時羅列，便于讀者理解設計要領。重點解析DAC輸出后的電路設計，圖中電壓、電流數據全部基于proteus交互式仿真完成。電路設計的連貫性、采樣電路取值、運放電路與驅動電路設計等，是同類論文較少論述的環節，可以有效解決目前存在的諸多問題，有助于讀者提高電路解析能力。僅此拋磚引玉，希望本文的設計能對讀者在實際工作中有所幫助，不當之處請多指教。
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