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導(dǎo)語：在偏置電路設(shè)計的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：單片機；電子密碼鎖；安全
中圖分類號：TP309.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 14-0028-01
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的安全意識也越來越高，因此，生產(chǎn)出安全性能更高的、操作更簡便的密碼鎖，是大勢所趨，也使時展的必然結(jié)果。電子密碼鎖以其高安全性、低廉的成本、較低的能耗、簡便的操作的特性，尤其受到消費者的歡迎。基于單片機防盜電子密碼鎖的核心是ATNEL公司的AT89C51單片機，其主要由鍵盤、液晶顯示屏幕、控制電路、報警電路等部分組成，通過精巧的電路設(shè)計，使其具有密碼改寫、保存、輸入錯誤超限報警等特性。
一、電子密碼鎖設(shè)計原理
電子密碼鎖的核心構(gòu)建就是一個通過密碼輸入來控制電路的芯片，進而實現(xiàn)機械的開或合。市場上，電子密碼鎖的分類有許多種，有較為簡單的電路構(gòu)成的產(chǎn)品，也有集成電路構(gòu)成的芯片類產(chǎn)品，其較高的性價比使其應(yīng)用相當(dāng)廣泛。當(dāng)下流行的手機鈴聲的編制就是運用以芯片為核心電子密碼鎖來實現(xiàn)的。
本文介紹的電子鎖的核心構(gòu)建是51系列單片機（AT89s51），配合相應(yīng)的應(yīng)硬件電路設(shè)施，具有密碼的設(shè)置、存儲、識別和顯示等功能，同時還能夠在密碼多次輸入錯誤或是非正常入侵時自動報警，大大提升了安全性能[1]。單片機的EEPROM中儲存著設(shè)置好的密碼，當(dāng)接收輸入的代碼時，將其與之比較，若密碼正確，則驅(qū)動電磁執(zhí)行器開鎖；假如密碼不正確，則提示操縱人員重新輸入密碼，最多可輸入三次；若是三次之后輸入的密碼仍為錯誤，單片機就會通過通訊線路向智能監(jiān)控器發(fā)出報警信號。智能監(jiān)控器每次都會監(jiān)控單片機的開鎖操縱和此時電磁執(zhí)行器的驅(qū)動電流值，并接受單片機發(fā)來的報警信息，將這些信息及時匯總便于智能化分析。
圖1 基于單片機的電子密碼鎖的基本電路構(gòu)造
二、三大控制電路基本構(gòu)造
（一）開鎖控制電路
電子密碼鎖電路中最重要的結(jié)構(gòu)就是開鎖控制電路，它主要是通過單片機向開鎖控制結(jié)構(gòu)發(fā)送電訊號，從而電路驅(qū)動其電磁鎖的吸合，進而實現(xiàn)鎖的開或合。其簡單原理可見圖2所示。
開鎖控制電路主要由兩部分組成：驅(qū)動電路和執(zhí)行電路。驅(qū)動電路由D1、R1、T1組成，其中T1可以選用普通的小功率三極管，D1作為開鎖的提示。執(zhí)行電路是由D2、C、T2組成的，其中D2、C能夠消除電磁鎖產(chǎn)生的反向高電壓，并且保護電路免受電磁干擾。通常選用如8050的三極管作為T11而，電磁鎖的類別要根據(jù)情況來選擇，但基本要求就是保證足夠且有余量的吸合力[2]。要單片機發(fā)出開門信號，用戶必須滿足一下兩個條件，一是輸入正確的密碼，而是在規(guī)定的時間內(nèi)（10s），鎖驅(qū)動電路，然后驅(qū)動電磁鎖，實現(xiàn)開鎖的操作。當(dāng)滿足以上兩個要求時，單片機發(fā)出開門信號驅(qū)動電路T1導(dǎo)通，進而啟動D1發(fā)出開鎖提示，最后驅(qū)動T2，T2執(zhí)行開鎖。
（二）斷電存儲電路
系統(tǒng)的掉電存儲單元采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C02電可擦除存儲芯片，其內(nèi)有存儲空間為2KB字節(jié)，通過串行總線與單片機連接通訊，額定電流為1mA，最低電壓可以達到2.5V。該芯片具備了有斷電儲存功能，并可將資料在短點的情況下儲存40年以上，是值得信賴的芯片。AT24C02支持總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議I2C，PHILIPS公司的I2C（Inter-Integrated Circuit），總線是兩線式串行總線，由于其通信速度快、接線少、控制方式簡便、體積輕巧等優(yōu)點，在微控制器與設(shè)備的連接上都有廣泛的應(yīng)用[3]。在本系統(tǒng)中，單電機還連接了時鐘電路，將其中的一個I/O口設(shè)置為輸出方式，作為串行時鐘線SCL，通過編程控制產(chǎn)生串行時鐘信號，在通過另一個I/O口作為串行數(shù)據(jù)線SDA，通過編程控制時鐘在低電平期間的讀入或輸出數(shù)據(jù)。當(dāng)密碼被重新設(shè)定時，機器將自動將新的密碼保存在芯片內(nèi)；當(dāng)機器再次通電時，系統(tǒng)會調(diào)出存儲器程序，并在緩存單元中讀入存儲器中儲存的密碼，供主程序使用。
圖2 單片機開鎖機構(gòu)電路圖
（三）LCD顯示電路
本系統(tǒng)中所用的顯示器是點陣字符型液晶顯示器，它主要由LCD控制器、點陣驅(qū)動器、字符存儲器組成，并將其集成在一塊印刷電路板上，這樣訥訥個夠便于拆裝和應(yīng)用。這種液晶顯示器不僅能夠顯示數(shù)字、字符，還能夠顯示各種圖形符號并實現(xiàn)用戶對符號的自定義。此外，屏幕支持上下左右滾動、翻頁、文字閃爍等功能，人機互動界面友好，操作便捷靈活。本系統(tǒng)采用的LMO16L液晶顯示模塊主要有兩大類的操作：讀操作和寫操作[4]。通常情況下，液晶顯示器不需要進行讀操作，因此其主要執(zhí)行的是寫操作，而寫操作又可分為寫指令和寫數(shù)據(jù)兩個步驟。通過延時的方法處理忙標(biāo)志，能夠使液晶模塊有足夠時間進行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，從而保障在寫操作程序時能夠準(zhǔn)確無誤。
電子密碼鎖具有簡單的軟硬件設(shè)計電路、低廉的開發(fā)成本、較可靠的安全性能、簡便的操作方法，同時，還支持按鍵有效提示，輸入錯誤提示，密碼修改，密碼輸入延時或超限發(fā)出警報功能，在有突況時，能夠?qū)踩[患降到最低，保障物件的安全，在市場上有較大的發(fā)展前景。尤其是家庭、企事業(yè)單位辦公室、學(xué)生宿舍及賓館等場所，適合使用這款電子密碼鎖。
參考文獻：
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[2]董繼成.一種新型安全的單片機密碼鎖[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，3：58-60.
曲全鵬
（鄭州華信學(xué)院機電工程學(xué)院, 河南鄭州，451100）
摘要：本文詳細(xì)介紹了利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)開發(fā)設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)中，如何采用AT89S51 單片機設(shè)計模塊電路。
關(guān)鍵詞：單片機; 溫度控制; 模塊電路
中圖法分類號：TP29 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：
Based on the AT89S51 single-chip temperature control system
with module circuit design
Qu Quanpeng
（Machatronics Engineering Department,Zhengzhou Huaxin College,Zhengzhou,451100,China）
Abstract ：This paper introduces in detail combined with the use of single-chip sensor technology development
and design of the temperature control system,how to use the AT89S51 microcontroller design module circuit.
Keywords ：Single chip microcontroller;Temperature control;module circuit
0 引言
在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處
理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫
度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可
以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高產(chǎn)品
的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)
中經(jīng)常會遇到的控制問題。
1 設(shè)計要求
設(shè)計一個基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，能夠?qū)t溫進行控
制。爐溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在爐溫變化時實
現(xiàn)自動控制。若測量值高于溫度設(shè)定范圍，由單片機發(fā)出控制信
號，經(jīng)過驅(qū)動電路使加熱器停止工作。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，單
片機發(fā)出一個控制信號，啟動加熱器。通過繼電器的反復(fù)開啟和
關(guān)閉，使?fàn)t溫保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。
1）溫度設(shè)定范圍為0 ～ 99℃，最小區(qū)分度為1℃，溫度控制
的誤差≤ 1℃
2）能夠用數(shù)碼管精確顯示當(dāng)前實際溫度值
3）按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、加一鍵、減一鍵
4）越限處理
2 單片機選擇
本設(shè)計選擇AT89S51 作為主控芯片。AT89S51 單片機的
40 個引腳中有2 個專用于主電源引腳，2 個外接晶振的引腳，
4 個控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及32 條輸入輸出I/O 引
腳。
1）電源引腳Vcc 和Vss
Vcc（40 腳）：接+5V 電源正端；
Vss（20 腳）：接+5V 電源正端。
2）外接晶振引腳XTAL1 和XTAL2
XTAL1（19 腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它
是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成外部時鐘時，對于
CHMOS 單片機，該引腳接地；對于CHOMS 單片機，該引腳作為外
部振蕩信號的輸入端。
XTAL2（18 腳）：接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至
片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時鐘時，對于
CHMOS 單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS
芯片，該引腳懸空不接。
3）控制信號或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、ALE/P、
PSEN 和EA/VPP 等4 種形式。
RST/VPD（9 腳）：RST 即為RESET，VPD 為備用電源，所以該
引腳為單片機的上電復(fù)位或掉電保護端。當(dāng)單片機振蕩器工作
時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復(fù)位操
作，使單片機復(fù)位到初始狀態(tài)。
當(dāng)VCC 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可
接上備用電源VPD（+5V）為內(nèi)部RAM 供電，以保證RAM 中的數(shù)據(jù)
不丟失。
ALE/ P （30 腳）：當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖
存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0 口
的地址信號。
PSEN(29 腳): 片外程序存儲器讀選通輸出端, 低電平有
效。當(dāng)從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機器周期
PESN 兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問外
部數(shù)據(jù)存儲器期間，PESN 信號將不出現(xiàn)。
EA/Vpp（31 腳）：EA 為訪問外部程序儲器控制信號，低電平
有效。當(dāng)EA 端保持高電平時，單片機訪問片內(nèi)程序存儲器4KB
（MS—52 子系列為8KB）。若超出該范圍時，自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部
程序存儲器的程序。當(dāng)EA 端保持低電平時，無論片內(nèi)有無程序
機，在EPROM 編程期間，該引腳用于接21V 的編程電源Vpp。
4）輸入/ 輸出（I/O）引腳P0 口、P1 口、P2 口及P3 口
P0 口（39 腳～ 22 腳）：這8 條引腳有兩種不同功能，分別適
用于兩種不同情況。第一種情況是89S51 不帶片外存儲器，P0
口可以作為通用I/O 口使用，P0.0-P0.7 用于傳送CPU 的輸入
/ 輸出數(shù)據(jù)。第二種情況是89S51 帶片外存儲器，P0.0-P0.7
在CPU 訪問片外存儲器時用于傳送片外存儲器的低8 位地址，
然后傳送CPU 對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。
P1 口（1 腳～ 8 腳）：這8 條引腳和P0 口的8 條引腳類似，
P1.7 為最高位，P1.0 為最低位。當(dāng)P1 口作為通用I/O 口使用時，
P1.0-P1.7 的功能和P0 口的第一功能相同，也用于傳送用戶的
輸入和輸出數(shù)據(jù)。
P2 口（21 腳～ 28 腳）：這組引腳的第一功能和上述兩組引
腳的第一功能相同，既它可以作為通用I/O 口使用。它的第二功
能和P0 口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8
位地址。
P3 口（10 腳～ 17 腳）：P3.0 ～ P3.7 統(tǒng)稱為P3 口。它為雙
功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向I/O 接口，也可以將每1 位用于
第2 功能，而且P3 口的每一條引腳均可獨立定義為第1 功能的
輸入輸出或第2 功能。P3 口的第2 功能見表1。
表1 單片機P3 口管腳第2 功能
Table 1 singlechip P3 mouth second pin function
AT89S51 單片機引腳圖如圖1 所示
3 單片機控制模塊電路設(shè)計
控制模塊是整個設(shè)計方案的核心，它控制了溫度的采集、處
理與顯示、溫度值的設(shè)定與溫度越限時控制電路的啟動。本控制
模塊由單片機AT89S51 及其外圍電路組成，電路如圖2 所示。
該電路采用按鍵加上電復(fù)位，S2 為復(fù)位按鍵，復(fù)位按鍵按
下后，復(fù)位端通過51Ω 的小電阻與電源接通, 迅速放電, 使
RST 引腳為高電平, 復(fù)位按鍵彈起后, 電源通過8.2KΩ 的電
阻對10KμF 的電容C5 重新充電,RST 引腳端出現(xiàn)復(fù)位正脈沖.
4 結(jié)束語
本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式, 利用芯片內(nèi)部的振蕩器, 然后
在引腳XTAL1 和XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器, 就構(gòu)成了穩(wěn)定的
自激振蕩器, 發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路,C6 和C7 的
值通常選擇為30pF 左右, 晶振Y1 選擇12MHz. 為了減小寄生
電容, 更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器電容應(yīng)盡可
能安裝得與單片機引腳XTAL1 和XTAL2 靠近。
參考文獻
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作者簡介
曲全鵬（1981—），男，河南周口人，實驗師，鄭州華信學(xué)院
機電工程學(xué)院，研究方向：機電一體化技術(shù)
1.1概述
紅外探測器驅(qū)動電路為紅外探測器(以下簡稱“探測器”)工作提供必須的工作電源、偏置電壓、時序電路等，同時完成對探測器模擬信號的讀取和預(yù)處理。
1.2探測器驅(qū)動電路設(shè)計
1.2.1探測器供電設(shè)計探測器所需的三個供電電源分別為VDDA、VDDO和VDDD?？臻g環(huán)境對電源的可靠性、體積、重量等參數(shù)都有著苛刻的要求，為了減小電源的輸出波動和開關(guān)帶來的噪聲，采用體積小、重量輕、抗干擾性強的LDO(MSK5101)直接給探測器供電。探測器驅(qū)動電路工作溫度范圍為－20～+50℃，此范圍內(nèi)該LDO溫漂為1.4mV，滿足探測器使用要求，同時該芯片輸出電流可達1.5A，
1.2.2探測器偏置電壓設(shè)計探測器有7個直流偏置電壓，分別為GPOL(0.5～2V)、VPD(1.7～4.2V)、3.1V外部偏置(VR、VREF、VSREF)、2.5V外部偏置(VSWSREF、AJTREF)。這些偏置電壓對噪聲非常敏感，輸入電壓的波動會給探測器輸出信號帶來較大影響。為了保證探測器輸出信號的穩(wěn)定，須保證探測器偏置電壓的穩(wěn)定，同時盡量減小噪聲。設(shè)計時，選用低噪聲、低電壓調(diào)整率的LDO產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓V1，通過高精度的分壓電阻從V1分得所需電壓V2。為了增大驅(qū)動能力，同時起到隔離作用，將電壓V2通過低噪聲、高共模抑制比的運算放大器AD843(該運放在10Hz～10MHz帶寬內(nèi)噪聲均方根為60μV，可滿足探測器對偏置電壓噪聲均方根的要求)進行緩沖，得到電壓V3供探測器使用。
1.2.3探測器輸出信號阻抗匹配設(shè)計探測器輸出模擬信號的典型負(fù)載要求為:R≥100kΩ，C≤10pF。在設(shè)計時，選取的運放(AD843)輸入阻抗可達1010Ω，輸入電容為6pF，可滿足探測器的負(fù)載要求。
1.2.4中心電平平移及差分傳輸設(shè)計探測器輸出信號動態(tài)范圍為1.7～4.2V，中心電平為2.95V，而A/D芯片對輸入信號中心電平的要求為0V。為了滿足A/D芯片對輸入信號的要求，在驅(qū)動電路上對探測器輸出信號進行中心電平平移。紅外信號屬于小信號，易受到復(fù)雜的空間干擾影響，這種影響對于單端信號影響較大。當(dāng)采用差分電路設(shè)計時，正負(fù)兩路信號會受到相同的影響，但其差值ΔU=V+－V－變化較小，可減弱這種影響，因此采用差分傳輸設(shè)計。
1.3低噪聲設(shè)計與改進
為了對設(shè)計的電路性能進行評估，使用數(shù)據(jù)采集軟件采集探測器輸出的信號并通過MATLAB對其進行分析。探測器驅(qū)動電路與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，采集35℃時黑體數(shù)據(jù)并分析，發(fā)現(xiàn)約有15個DN值波動(幅值為7.3mV)。此時系統(tǒng)數(shù)字噪聲均方根為2.7mV，NETD為65mK。為了降低噪聲，在探測器驅(qū)動電路的供電入口、信號傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數(shù)據(jù)并分析，測得此時DN值波動約7個(幅值為3.4mV)，為了降低噪聲，在探測器驅(qū)動電路的供電入口、信號傳輸?shù)年P(guān)鍵路徑等位置加上濾波措施(如大容量鉭電容等)。重新采集圖像數(shù)據(jù)并分析，測得此時DN值波動約7個(幅值為3.4mV)
1.4空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計
1.4.1降額設(shè)計降額是使元器件使用中的應(yīng)力低于其額定值，以達到延緩參數(shù)退化，提高使用可靠性的目的。探測器驅(qū)動電路工作于空間環(huán)境中，為了保證其安全性和可靠性，在設(shè)計過程中對元器件的參數(shù)進行了降額設(shè)計。
1.4.2抗單粒子鎖定設(shè)計探測器驅(qū)動電路工作于空間環(huán)境中，CMOS器件中的晶體管結(jié)構(gòu)很容易受到空間高能粒子沖擊，進而引發(fā)單粒子鎖定效應(yīng)(SEL)。發(fā)生SEL后，CMOS器件鎖定區(qū)的電流將會大幅度增加，形成SEL異常大電流，進而影響電路的正常工作。為了防止SEL的發(fā)生，在電路設(shè)計時采取以下措施:
a)運放芯片(AD8138/AD843)的供電端串聯(lián)限流電阻;
b)選用具有輸出限流功能的MSK系列LDO芯片;
c)選用抗輻照器件;通過降額設(shè)計與抗單粒子鎖定設(shè)計，保證了驅(qū)動電路工作的可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)性。
1.5性能檢測
保持相同的光學(xué)、擺鏡和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，分別使用本文設(shè)計的探測器驅(qū)動電路和某型探測器驅(qū)動電路采集黑體圖像數(shù)據(jù)并分析。在國產(chǎn)探測器均勻性、一致性與進口探測器有一定差距的情況下，通過改進探測器驅(qū)動電路，最終在性能指標(biāo)上趕超了某型探測器驅(qū)動電路。證明該方案設(shè)計實用、有效。通過與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，該探測器驅(qū)動電路工作穩(wěn)定、可靠，可滿足空間要求。
2總結(jié)
>> 制冷紅外焦平面陣列響應(yīng)特性的研究 紅外焦平面陣列非均勻校正算法的ASIC設(shè)計 320×256陣列紅外焦平面讀出電路的設(shè)計 長波576×6元紅外焦平面探測器成像系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 基于TEC的大功率制冷電路設(shè)計 夜間成像紅外LED的驅(qū)動電路設(shè)計 一種232轉(zhuǎn)紅外的電路設(shè)計 基于凸優(yōu)化的低復(fù)雜度平面陣列綜合方法 紅外線遙控器檢測儀的電路設(shè)計與制作 載人航天器儀表系統(tǒng)紅外觸摸屏硬件電路設(shè)計 基于熱釋電紅外線傳感器的電路設(shè)計 試論紅外傳感器CO2氣體檢測的電路設(shè)計 電子電路設(shè)計 電路設(shè)計與開關(guān) 模式轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 基于89c52的紅外密集度立靶測試系統(tǒng)測時電路設(shè)計 一種帶電流檢測非互補式PWM產(chǎn)生電路設(shè)計 基于最小二乘法的非均勻加權(quán)平面陣振動定位算法研究 DDQ測試電路設(shè)計'> CMOS電路IDDQ測試電路設(shè)計 函數(shù)發(fā)生器電路設(shè)計 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：
關(guān)鍵詞：非制冷紅外焦平面陣列；讀出電路；柵調(diào)制積分
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.3.007
引言
紅外焦平面陣列（IRFPA）可以獲取目標(biāo)紅外輻射信息，利用光電信息轉(zhuǎn)換、信號處理等手段，實現(xiàn)對目標(biāo)成像。傳統(tǒng)制冷型紅外探測系統(tǒng)，需要較低溫度的工作環(huán)境，然而由于制冷設(shè)備復(fù)雜，攜帶不方便，且價格比較昂貴，難以實現(xiàn)大范圍推廣。非制冷紅外焦平面陣列（UIRFPA）能夠工作在室溫條件下，降低了對工作環(huán)境的要求，被廣泛應(yīng)用在軍事及民用領(lǐng)域[1]。非制冷紅外焦平面陣列根據(jù)探測器元件的不同物理機理，可以分為：熱釋電型、熱敏電阻型、雙材料懸臂梁型[2]、熱電堆型、二極管型[3]。二極管型非制冷紅外探測器，是根據(jù)PN結(jié)二極管在恒定偏置電流下的導(dǎo)通電壓―溫度特性[4]制成的。它可采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝完成探測器制作，大大降低生產(chǎn)成本，減小設(shè)備復(fù)雜程度，有利于紅外成像技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。
讀出電路（ROIC）是非制冷紅外焦平面陣列的重要組成部分，其性能直接影響紅外探測系統(tǒng)整體表現(xiàn)。目前關(guān)于SOI二極管型UIRFPA讀出電路的研究文獻比較少。本文提出一種針對SOI二極管原理非制冷紅外探測器的讀出電路。探測器陣列規(guī)模為384×288，幀頻為40Hz，輸出信號變化范圍0～5mV。讀出電路使用CHRT 0.35μm CMOS 工藝完成設(shè)計，仿真結(jié)果顯示該設(shè)計讀出電路輸出動態(tài)范圍達到2V，數(shù)據(jù)輸出頻率5MHz。
1 SOI二極管探測器工作原理
由肖克萊方程式[5]可知，理想二極管中，電流If與正向?qū)妷篤f之間的關(guān)系如下：
2 讀出電路架構(gòu)
非制冷紅外焦平面陣列讀出電路，主要由探測器陣列、列積分放大電路、采樣保持電路、輸出緩沖器、多路選擇開關(guān)以及時序控制電路組成，讀出電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
電路采用行讀出方式，在時序電路控制下，某一行的探測器被選通，該行探測器全部工作，各列讀出電路單元同時對選通行的探測器信號進行讀取及積分放大，采保電路將已被放大的信號進行采樣保持，等待列選通開關(guān)依次選通，并通過輸出緩沖器輸出。這種電路結(jié)構(gòu)比較簡單，每列只需要一個讀出電路，有益于實現(xiàn)低功耗、低噪聲設(shè)計。讀出電路結(jié)構(gòu)圖及工作時序如圖2和圖3所示：
3 柵調(diào)制積分（GMI）電路設(shè)計
傳統(tǒng)非制冷紅外探測器的基本原理是紅外輻射引起探測器阻值改變，在恒定偏置電壓條件下，探測器的電流發(fā)生變化，對電流積分得到相應(yīng)的電壓信號。而SOI二極管紅外探測器偏置電流為恒定值，在紅外照射下，正向?qū)妷焊淖儭Ｒ虼?，傳統(tǒng)的非制冷紅外陣列讀出電路不適合用作對SOI二極管探測器信號的讀取。
對單個柵調(diào)制積分電路進行仿真，模擬探測器受紅外輻射，輸出信號范圍2.000～2.005V，幀頻為40Hz，選取積分時間為60μs，調(diào)制積分電路瞬時仿真結(jié)果如圖5所示：
仿真結(jié)果顯示，輸入信號為2.000～2.005V時，輸出信號范圍1.409～1.910V，分析得到積分電壓擬合曲線為y=-100.78*x+203.47，最大非線性點為0.32%。
由于受到積分電路增益的限制，積分電路輸出電壓動態(tài)范圍只有501mV，不滿足2V動態(tài)輸出范圍的要求，因此，設(shè)計中增加一級電荷轉(zhuǎn)移放大電路實現(xiàn)對輸出電壓信號進一步放大。
4 仿真結(jié)果與分析
電路采用CHRT 0.35μm CMOS工藝設(shè)計，版圖結(jié)構(gòu)如圖6所示。提取版圖參數(shù)，利用Hspice仿真軟件對讀出電路進行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。其中，圖7（a）是讀出電路單元輸出波形，圖7（b）是讀出電路陣列輸出波形。從圖中可以看出，輸出信號幅值3.441～1.437V，動態(tài)輸出范圍超過2V，數(shù)據(jù)輸出頻率5MHz，信號建立時間小于20ns，符合紅外成像系統(tǒng)設(shè)計要求。
5 結(jié)論
針對SOI二極管紅外探測器陣列，本文提出了一種新型讀出電路，仿真結(jié)果顯示：該讀出電路能夠?qū)崿F(xiàn)對384×288非制冷紅外焦平面探測器微弱信號的讀取，動態(tài)輸出范圍超過2V，線性度99.68%，功耗116mW。該讀出電路具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出動態(tài)范圍大，線性度高，功耗小等特點，具有較高的實用價值。
參考文獻：
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[關(guān)鍵詞]低噪聲放大器；射頻識別；噪聲系數(shù)；增益；穩(wěn)定系數(shù)
中圖分類號：TN722.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0072-02
1 引言
射頻識別（RFID）是一種利用射頻通信實現(xiàn)非接觸的自動識別技術(shù)，LNA作為RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一， 主要功能是放大從天線接收到的信號，用于后級電路處理，同時抑制噪聲干擾，提高系統(tǒng)的靈敏度，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸過程中起重要作用。為了減少射頻前端電路及天線的體積，目前針對RFID系統(tǒng)的研究主要集中于5.8GHz的高頻段。本文采用ATF-541m4晶體管，利用ADS軟件通過電路級以及版圖級聯(lián)合仿真，設(shè)計了一種可用于RFID系統(tǒng)的5.8GHz單級低噪聲放大器。
2 電路設(shè)計
設(shè)計LNA電路時，需要綜合考慮放大器的增益、噪聲系數(shù)與輸入輸出匹配等參數(shù)。本文采用ATF-541m4晶體管實現(xiàn)低噪聲放大器的設(shè)計，放大器晶體管的靜態(tài)工作點將決定所設(shè)計的放大器的工作狀態(tài)，偏置狀態(tài)不同，晶體管的阻抗特性差別會很大，需要在選定器件后根據(jù)設(shè)計指標(biāo)來獲得偏置電壓信息，設(shè)置ATF-541m4晶體管的直流工作點為。所設(shè)計的LNA電路原理如圖1所示。
其中，R1、R2、R3為直流偏置電阻，Vdc為工作電壓，C1、C2為隔直電容，L1、L2為扼流電感，C3、C4為旁路電容，C5、C6、C7為去耦電容。TL1、TL2和Tee1組成了輸入端的微帶線匹配電路，Tee2、Tee3、TL3、TL4和TL5組成了輸出端的微帶線匹配電路。電路的穩(wěn)定性是放大器能夠正常工作的前提，因此需要對晶體管進行增強穩(wěn)定性的設(shè)計。仿真結(jié)果表明在3GHz-8GHz頻帶內(nèi)，穩(wěn)定性因子k=1.004，大于1，放大器保持絕對穩(wěn)定。偏置電路是射頻電路的設(shè)計中不可缺少的一部分，其主要作用是為放大器等有源器件提供合適的靜態(tài)工作點，以保證整個電路能夠正常工作。根據(jù)晶體管的直流工作點可以計算出，R1=28Ω，R2=222Ω，R3=33Ω。輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的作用是減小信號反射。若電路不匹配，則會形成反射，降低效率。對于低噪聲放大器而言首先需要考慮的是最小噪聲，再根據(jù)最佳噪聲匹配來設(shè)計輸入端的匹配電路。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要考慮LNA的駐波比和增益，輸出端一般采用共軛匹配以獲得最小駐波比和最大增益。通過仿真優(yōu)化得出本文設(shè)計的LNA輸出阻抗ZL=73.17-j16.719Ω。
3 電路及版圖級聯(lián)合仿真結(jié)果
針對圖1所示的電路原理圖，利用計算出的各元件參數(shù)進行ADS仿真，得出LNA的增益、噪聲系數(shù)、輸入/輸出反射系數(shù)等的電路仿真結(jié)果。再根據(jù)原理圖生成版圖，在版圖設(shè)計中，需增加一定數(shù)量的接地過孔，如果缺少接地過孔，會導(dǎo)致無法得到S參數(shù)理想結(jié)果。優(yōu)化后得到的電路版圖如圖2所示。
圖3所示為利用版圖進行的聯(lián)合仿真以及原理圖級仿真結(jié)果對比。當(dāng)工作頻率為5.8GHz時，聯(lián)合仿真中增益為10.25dB，滿足大于10dB的設(shè)計指標(biāo)，與電路仿真結(jié)果相比略有減?。宦?lián)合仿真中放大器的噪聲系數(shù)與電路仿真結(jié)果良好吻合，約為0.95dB；聯(lián)合仿真的輸入反射系數(shù)S11 = -30.16dB，輸出反射系數(shù)S22 = -15.72dB，說明該放大器的輸入匹配較好，但由于輸出匹配中微帶線的長度較長等原因，輸出匹配沒有輸入匹配的效果好，但滿足設(shè)計要求。
4 總結(jié)
本文以ATF-541m4晶體管為核心，通過設(shè)計靜態(tài)工作點、增益反饋、輸入/輸出匹配等電路，仿真實現(xiàn)了一種單級低噪聲放大器，利用ADS進行了電路級、版圖級聯(lián)合仿真優(yōu)化，結(jié)果表明在5.8 GHz處，放大器增益為10.25dB，噪聲系數(shù)為0.95 dB，輸入與輸出的反射系數(shù)分別為-30.16 dB和-15.72 dB，穩(wěn)定系數(shù)大于1。
參考文獻
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關(guān)鍵詞:帶隙基準(zhǔn) 溫度補償 電源抑制比 正溫度系數(shù)電流
中圖分類號: TN7文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-3973 (2010) 03-070-02
1引言
近年來,隨著CMOS工藝技術(shù)的進步,模擬集成電路設(shè)計技術(shù)得到了飛速發(fā)展。現(xiàn)在受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注的系統(tǒng)芯片集成(system on chip)、數(shù)?；旌想娐贰⒛M集成電路等對芯片內(nèi)集成的基準(zhǔn)電壓源的要求比以往更高。在諸多電壓基準(zhǔn)源中,帶隙式基準(zhǔn)源的應(yīng)用最為廣泛。而在功放等集成電路中由于功率較大,系統(tǒng)的溫度變化也較大,因此過溫保護電路也必不可少。本文設(shè)計了帶自啟動和過溫保護電路的帶隙式基準(zhǔn)電路,并使用了負(fù)反饋的方法使輸出基準(zhǔn)電路與電源電壓基本無關(guān),從而提高了電源抑制比。
2帶隙基準(zhǔn)原理
帶隙基準(zhǔn)是一種幾乎不依賴溫度和電源的基準(zhǔn)技術(shù),一般的帶隙基準(zhǔn)在0~70℃溫度范圍內(nèi)有10ppm/℃的溫度系數(shù),圖1所示的是帶隙基準(zhǔn)源的原理示意圖。pn結(jié)二極管的電壓降為VBE,其溫度系數(shù)在室溫時大約為-2.2mV/K.而熱電壓VT(VT=kT/q)在室溫時的溫度系數(shù)為+0.085mV/K,將VT電壓乘以常數(shù)K并和VBE電壓相加可得輸出電壓為:
(1)
將式(1)對溫度微分并代入VBE和VT的溫度系數(shù)就可求得K,它可以使得VREF的溫度系數(shù)在室溫時理論上為0。由于VBE受電源電壓變化的影響很小,帶隙基準(zhǔn)源受電源的影響也很小。本文中T定為溫度參數(shù),單位為K。
圖1帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生原理
3傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)
圖2所示為傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)的核心電路圖,圖中運算放大器工作在深度負(fù)反饋情況下,使A、B兩點的電位相等。選取R2、R3兩電阻的阻值相等,可以得到兩個BJT晶體管支路上的電流相等。Q2的發(fā)射極面積為Q1的n倍,則由雙極型晶體管的電流公式:
(2)
得:
(3)
(4)
電阻R1上的電壓降為:
(5)
這樣:
(6)
適當(dāng)調(diào)整R1,R2,R3的電阻比例可以得到在室溫時溫度系數(shù)為0的輸出電壓Vref。
圖2傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)原理圖
4減小失調(diào)電壓的影響
由于輸入MOS管的非對稱性,運算放大器存在有輸入失調(diào)電壓,也就是當(dāng)運放的輸入電壓為零時,其輸出電壓不為零。當(dāng)運放的輸入電壓為Vos時,我們可以得到基準(zhǔn)電壓的輸出如(7)式所示:
(7)
等效的失調(diào)電壓Vos在運放的輸入端產(chǎn)生的影響被量化為:
(8)
得出:
(9)
由式(7)可見,如果同相比增大,即可減小失調(diào)對輸出基準(zhǔn)電壓的影響。如圖3所示為本文高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)核心電路及其啟動和保護電路,Q1、Q2面積是Q3、Q4的n倍,將Q1和Q2、Q3和Q4串聯(lián),將提高為2,減小運放失調(diào)的影響。
圖3高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)電路
核心電路產(chǎn)生一個和溫度成正比的電流(PTAT電流)為:
(10)
仿真結(jié)果為4uA。
經(jīng)過上方的電流鏡,將PTAT電流鏡像后流過電阻R4,得到一個PTAT電壓,再與VBE5相加后得到輸出電壓Vref:
(11)
取VBE為0.7V,求得Vref=1.25V,由于所使用工藝模型的差異,仿真結(jié)果為1.23V。
5過溫保護
過溫保護由鏡像管M16,M17,R7,R8,Q6,上拉電阻R9,以及反相器inv1,inv2組成。
PTAT電流經(jīng)過鏡像管M13,M16放大10倍后變成40uA從M16管漏端流出。正常情況下電阻R7,R8上的壓降較低,不至于使Q6導(dǎo)通,因此OTout輸出電位為“0”,M17柵極電位為“1”,管子導(dǎo)通,使R8短接,這樣可以降低Q6基極的電位,使其截止。
當(dāng)溫度上升到大約125℃時,R7上的壓降升高到Q6管BE結(jié)開啟電壓以上,Q6導(dǎo)通,輸出OTout為“1”,從OTout輸出的過溫信號送到偏置部分的使能管柵端,用于關(guān)斷電路。M17和R8起過溫遲滯作用,當(dāng)發(fā)生過溫保護時,M17管關(guān)斷,Q6基極點位進一步升高,溫度必須降低到82℃左右,過溫保護才被取消,電路進入正常工作狀態(tài)。
帶隙基準(zhǔn)的過溫保護遲滯效果如圖4所示。
圖4過溫保護特性
電路采用CSMC 0.35um N阱CMOS工藝模型進行Spectre仿真,得到良好的溫度掃描特性:
圖5帶隙基準(zhǔn)的溫度掃描特性
6電源抑制比
一般的帶隙基準(zhǔn)都要求較高的電源抑制比,但是如果帶隙基準(zhǔn)中的運放采用外加偏置,必然會受到電源電壓紋波的影響,特別是隨著工作頻率的提高,電容耦合使得輸出電壓受到電源電壓的影響更大。因而使得傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源電路的性能指標(biāo)的進一步提高受到很大限制。本文中的帶隙基準(zhǔn)采用負(fù)反饋自偏置電路,不僅簡化了電路,而且利用一個負(fù)反饋使輸出偏置電壓受電源電壓的影響更低。本電路考慮這個因素,采用了運放自偏置結(jié)構(gòu),將運放輸出電壓作為基準(zhǔn)核心電路的偏置,形成一個負(fù)反饋自偏置環(huán)路,使電源電壓對輸出基準(zhǔn)電壓的影響進一步降低,在4V到7V范圍內(nèi)電源抑制比為0.01V/V,如圖6所示。
圖6帶隙基準(zhǔn)的電源電壓掃描特性
7結(jié)束語
本文介紹了一種基于0.35um CMOS工藝設(shè)計的低溫漂CMOS帶隙基準(zhǔn)源,常溫下輸出電壓為1.23V;在-20℃~80℃溫度范圍內(nèi),溫漂為10PPM/℃;在4V到7V范圍內(nèi)電源抑制比為0.01V/V;達到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。整個電路結(jié)構(gòu)簡單,有一定的實用價值。
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關(guān)鍵詞：EDA；電工技術(shù)；電路設(shè)計
中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）09-0029-02
一、引言
電工技術(shù)是一門非電專業(yè)，例如機械類、汽車類等學(xué)科中某些專業(yè)的基礎(chǔ)或選修課程。但是，該門課程所包含的內(nèi)容較多，跨度較大。上冊主要有電路分析和電動機的基本原理，還包括電力電子技術(shù)；下冊主要內(nèi)容為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。本課程開設(shè)的初衷是為這些非電專業(yè)的學(xué)生提供一個窗口，使其能夠在短時間內(nèi)對電子技術(shù)的基本原理有一個整體的把握，以具備對其專業(yè)的相關(guān)電子設(shè)備有一定的了解能力。因此，這種非專業(yè)性課程的定位，加之課程內(nèi)容本身理論性較強，使學(xué)生不了解學(xué)習(xí)該課程的意義與實際的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，大多數(shù)以獲得學(xué)分為目的。但是，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子技術(shù)及其相關(guān)的學(xué)科，幾乎已經(jīng)對各門學(xué)科產(chǎn)生了極大的影響，最明顯的例子體現(xiàn)在現(xiàn)代汽車工業(yè)中。目前，汽車已經(jīng)不再單純是一個機械裝置，它是綜合了最新機械與電子技術(shù)發(fā)展水平的高科技產(chǎn)品。同時，隨著電子和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，市場上出現(xiàn)了各種各樣的電子設(shè)計自動化（EDA：Electronics design automation）軟件，改變了以往全部需要手工工作來設(shè)計電路的局面。目前，幾乎所有的電子電路設(shè)計任務(wù)都是在EDA軟件的協(xié)助下完成的，而且，是否具備熟練的EDA軟件使用能力已經(jīng)成為大多數(shù)公司招聘員工的先決條件。因此，在電工技術(shù)課程中引入EDA技術(shù)[1-5]，不僅能夠為學(xué)生提供更為豐富的教學(xué)內(nèi)容，也是幫助學(xué)生更好就業(yè)的一個重要手段。
二、EDA技術(shù)在模擬電路教學(xué)中的應(yīng)用舉例
模擬電路通常是電工技術(shù)教學(xué)中的難點，一是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生難以理解；其次，學(xué)生不了解該部分內(nèi)容在實際工作中的應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。為此，可以適當(dāng)將EDA技術(shù)穿插在這部分的教學(xué)中，從實際電路設(shè)計的過程中引出與課程關(guān)鍵知識點相關(guān)的內(nèi)容，以達到提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。以下用一個實際的例子來表明如何將EDA設(shè)計過程與電工課程中相關(guān)知識點進行結(jié)合。
例：使用ADS（Advanced design system）軟件實現(xiàn)共射極放大電路的靜態(tài)分析與直流偏置設(shè)計。
共射極基本放大電路是電工技術(shù)中模擬電路部分接觸的第一個重要的知識點，課程要求學(xué)生熟練使用計算法與圖解法來確定放大電路的靜態(tài)工作點。學(xué)生對這一部分的掌握情況直接影響到其對后續(xù)知識點的掌握，因此，本例從電路設(shè)計的實際過程出發(fā)，引出相應(yīng)的知識點。
在講解例子之前，需要給學(xué)生明確的是在實際的有源電路設(shè)計中，通常情況下，晶體管靜態(tài)工作點的選擇與設(shè)計是第一步，也是至關(guān)重要的一步。實現(xiàn)不同功能的電路，可能在電路圖上區(qū)別不大，重要的是其靜態(tài)工作點的選擇。例如，低噪聲功率放大器需要無失真地放大微弱信號，因此它的靜態(tài)工作點需要選擇在輸出曲線的中點，而高功率放大電路為了盡可能提高輸出效率，通常靜態(tài)工作點選擇到靠近截止區(qū)，而混頻器、倍頻器等電路，主要為了使用其非線性性能，因此，它們的靜態(tài)工作點通常要靠近飽和區(qū)。其次，需要強調(diào)的是電路設(shè)計是電路分析的逆過程，遵循的步驟是根據(jù)輸入輸出關(guān)系，確定靜態(tài)工作點，再得到直流偏置電路，與課程中計算直流工作點的順序正好相反，但是，它們所反映出的基本原理都是相同的。
確定靜態(tài)工作點，就是根據(jù)電路所要實現(xiàn)的功能，確定基極電流IBB和集電極電流IC，集射電壓UCE。因此，首先需要得到晶體管的輸入輸出曲線。在ADS中，輸入輸出關(guān)系是通過對晶體管做直流掃描得到的。實驗步驟是先建立一個新的工程項目（Project）和一個新的設(shè)計（Design），然后選擇晶體管直流工作點掃描模板（ADS中常用的功能都做成了模板，可以直接調(diào)用），并在其提供的元器件庫中選擇合適的元件，加入到模板中，如圖1所示。
其次，需要設(shè)定晶體管的工作范圍，就是IBB和VCE的范圍，可以通過掃描參數(shù)設(shè)置得到，如圖2所示。本例中，IBB的掃描范圍是從20uA到100uA，掃描步長為10uA。VCE的掃描范圍從0V到5V，掃描步長為0.1V。當(dāng)掃描參數(shù)確定后，點擊仿真按鈕，就會產(chǎn)生圖3的輸入輸出曲線。
圖3所示的輸入輸出關(guān)系曲線與課本上的曲線幾乎是一致的，它表明在不同的基極電流IBB作用下，集電極電流IC與集射電壓VCE的關(guān)系。通過輸入輸出曲線，可以選擇合適的靜態(tài)工作點，以實現(xiàn)電路的功能。在本例中，為與教材保持一致，將靜態(tài)工作點選擇在輸出曲線的中點，大致對應(yīng)于圖3中光標(biāo)m1的位置，軟件會自動顯示出此處的參數(shù)，即IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA。當(dāng)靜態(tài)工作點確定后，可以據(jù)此設(shè)計直流偏置電路。由于本例是設(shè)計共射極基本放大電路，因此需要計算基極和集電極電阻的大小。在ADS中，偏置電阻的大小可以自動計算，但是需要手動輸入相關(guān)的公式，如圖4所示：
根據(jù)圖4的計算公式，可以得到圖5的計算結(jié)果。從圖中可以看到，當(dāng)選擇Ibb=60uA時，對應(yīng)的基射電壓和基極電阻在一個范圍內(nèi)變動，因此只能選擇一個近似的值VBE=0.8V，Rb=60K。用同樣的方法，可以得到的集電極電阻Rc=340。當(dāng)所有的參數(shù)都計算得到后，需要對該電路進行驗證，并根據(jù)驗證結(jié)果進行調(diào)整。驗證電路及其參數(shù)如圖6所示。
根據(jù)共射極放大電路的基本計算結(jié)果，可以設(shè)計出圖6所示電路。驗證該電路的方法是對其做直流仿真，并將仿真計算的結(jié)果直接顯示在電路圖中對應(yīng)的元件和支路上。從圖中可以看出，基極的電位為809mV，電流為69.9uA，而集電極電位VCE=2.74V，Ic=6.64mA。對比前面得到的靜態(tài)工作點參數(shù)（IBB=60uA，VCE=3V，IC=6mA），可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在一個小的偏差，這是因為在電路設(shè)計中，無論是在靜態(tài)工作點還是元件參數(shù)的選擇上，都存在近似的過程，因此，任何電路的設(shè)計，都是一個近似的設(shè)計，由此得到的實際電路都需要經(jīng)過調(diào)試合格后才能夠?qū)嶋H使用。
以上的例子為學(xué)生展示了一個電路設(shè)計的基本過程以及設(shè)計方法。當(dāng)課程進一步深入后，可以對本例進行擴展，例如在分析放大電路動態(tài)特性時，可以加入不同幅度的輸入信號，觀察在不同靜態(tài)工作點，放大電路的輸入輸出波形和非線性失真，有助于學(xué)生理解設(shè)計靜態(tài)工作點的意義。
三、結(jié)語
通過在電工技術(shù)課堂上增加EDA設(shè)計的過程，可以使課程從純理論教學(xué)轉(zhuǎn)向理論與實際設(shè)計相結(jié)合的教學(xué)方式，不僅能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠培養(yǎng)他們的實際動手能力，并極大增加了教師和學(xué)生間的互動。同時，課本上的理論與公式不再需要死記硬背，它們已經(jīng)融合到設(shè)計過程中，學(xué)生通過一兩個簡單的設(shè)計就可以熟練掌握，使學(xué)生能夠輕松完成課程的學(xué)習(xí)和考試。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞：交流過零；橋式整流；光耦；三極管
中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2016）11-0214-02
交流電源在我們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)中是最常用的一種能源，因此，我們需要在不同的使用場合對它有不同的有效控制手段，才能正確、高效地使用它。目前，各種對交流電的有效控制手段層出不窮，控制電路也是各種各樣，如各種各樣的交流調(diào)壓電路就是交流電的有效控制電路之一。在交流電的控制電路中經(jīng)常需判斷交流電的過零時刻，下面介紹一種經(jīng)過調(diào)試后，證明能有效地在交流信號過零時產(chǎn)生一個脈沖信號的交流過零信號產(chǎn)生電路，供大家參考使用。
1電路組成
交流過零信號產(chǎn)生電路電路原理圖如圖1所示：
電路由以下幾部分電路組成：
1）降壓電路
降壓電路由降壓變壓器T承擔(dān)，它把220V交流電壓變換為各種場合所需的低壓交流電，供其他低壓交流電路使用。這里轉(zhuǎn)換為9V，供后面的全波橋式整流電路使用。
2）全波橋式整流電路
全波橋式整流電路由四個IN4001整流二極管組成，其作用是把交流電的負(fù)半周也轉(zhuǎn)換為正半周，使交流信號的一個周期中，有兩個正半周期信號，即把正弦交流信號波形轉(zhuǎn)換為均為正向的脈動直流電波形。
3）光耦隔離電路
光耦隔離電路由光耦EL817、輸入限流電阻R1、輸出集電極偏置電阻R2和+5V直流偏置電源組成。
EL817是臺灣億光公司生產(chǎn)的一體化光電耦合器，其作用是使輸入端與輸出端的信號完全隔離，避免輸入信號與輸出信號之間的互相干擾，，增加電路安全性，簡化電路設(shè)計。
限流電阻R1的作用是使EL817輸入端工作電流小于60mA，保證光耦輸入端的正常工作，使電光轉(zhuǎn)換正常，從而實現(xiàn)輸入輸出的光隔離作用。
偏置電阻R2和+5V直流偏置電源是光耦輸出電路光敏三極管的偏置電路，使光耦正常
進行光電轉(zhuǎn)換，從而輸出與輸入信號成正比的集電極信號。
4）三極管開關(guān)電路
三極管開關(guān)電路由電阻R2、R3、三極管9013和+5V直流偏置電源組成，其作用是在交流信號過零時刻產(chǎn)生一脈沖信號，以供后續(xù)電路判斷交流信號的過零時刻。
2電路工作原理
當(dāng)220V交流電和+5V直流電接通后，220V交流電經(jīng)變壓器T后轉(zhuǎn)換為9V的交流電，經(jīng)全波橋式整流后波形轉(zhuǎn)換為脈動直流電（波形由圖2所示），然后經(jīng)限流電阻R1限流后送到光耦EL817輸入端的內(nèi)部發(fā)光器件LED上，使其發(fā)光，把脈動直流電轉(zhuǎn)換為強弱變化的光信號，經(jīng)光耦EL817內(nèi)部的光敏接收三極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后將電信號經(jīng)光敏三極管的集電極輸出，送到三極管9013組成的開關(guān)電路的輸入端，使開關(guān)電路在交流信號過零時刻產(chǎn)生一個負(fù)脈沖信號從開關(guān)電路的輸出端（三極管的集電極）輸出（波形由圖3所示），供需判斷交流過零時刻的電路使用。
光耦EL817實現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換及傳輸，光是傳輸?shù)拿浇椋蚨斎攵伺c輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離，從而使輸入端與輸出端信號相互隔離，避免互相干擾。
當(dāng)正弦交流信號電壓接近零時，信號電壓較小，光耦EL817內(nèi)部的發(fā)光二極管截止，光耦內(nèi)部光敏三極管也截止，其集電極輸出端輸出的集電極電流為0，使三極管9013組成的開關(guān)電路的輸入端被反向分流最小，三極管9013處于飽和工作狀態(tài)，使開關(guān)電路的輸出端輸出低電平（+0.3V）。
當(dāng)正弦交流信號電壓增大到使較大值時，信號電壓較大，光耦EL817內(nèi)部的發(fā)光二極管開始發(fā)光，光耦內(nèi)部光敏三極管因接收到較強光線而開始工作，其集電極輸出端輸出的集電極電流較大，使三極管9013組成的開關(guān)電路的輸入端被反向分流增大，迫使三極管9013退出飽和工作狀態(tài)而開始進入截止工作狀態(tài)，使開關(guān)電路的輸出端輸出高電平（+5V）。
從以上分析可知，在正弦交流電過零時，電路就會產(chǎn)生一個較窄的負(fù)脈沖，供需判斷交流過零時刻的電路使用。
3元器件參數(shù)選擇和電路調(diào)試
要使電路正常產(chǎn)生一過零脈沖，則元器件的參數(shù)選擇及電路的調(diào)試極其重要，具體選擇和調(diào)試過程介紹如下：
因為我們選的降壓變壓器次級輸出電壓有效值為9V，相對較低，所以，整流二極管選擇IN4001就可以了。從百庫文庫和百庫百科中查到EL817光耦的輸入LED發(fā)光二極管的最大正向電壓為1.4 V，最大輸入電流為60mA，輸出接收光敏三極管最大集電極、發(fā)射極耐壓為35 V，最大集電極電流為50mA。所以，光耦輸入端的限流電阻R1的阻值選擇220Ω，輸出端的直流偏置電壓選擇5V，集電極偏置電阻R2（同時也作為開關(guān)電路三極管的基極偏置電阻）的阻值選擇1kΩ，開關(guān)電路的三極管選擇9013，其集電極偏置電阻R3阻值也選擇1kΩ。
元器件參數(shù)選擇后，按照圖1正確連接好電路，接通交流220V和+5V直流電源，然后，用雙蹤示波器測得全波整流電路u1和u2的波形如圖2所示，u2經(jīng)光耦和開關(guān)電路后，u2和開關(guān)電路的輸出uo的波形如圖3所示。
4結(jié)束語
文章介紹的交流過零信號產(chǎn)生電路是一個經(jīng)過驗證的、實用的電路，該電路設(shè)計簡單明了、制作方便，工作可靠性高，使用的元器件取材容易，性價比均較高，可應(yīng)用于各種需判斷正弦交流過零的場合，特別是晶閘管交流調(diào)壓的場合。
參考文獻：
[1] 鄭曉峰. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京： 中國電力出版社， 2008.
【關(guān)鍵詞】直流電子負(fù)載；恒流恒壓模式；蜂鳴器報警系統(tǒng)
0 引言
在電源、通信、蓄電池、能源等領(lǐng)域中，需要使用一些靜態(tài)負(fù)載，通常采用電阻、電容、電感等或?qū)⑺鼈兊拇⒙?lián)組合來模擬實際負(fù)載情況，其缺點是負(fù)載占用較大的空間、精度差、形勢單一且負(fù)載大小不能進行連續(xù)調(diào)節(jié)。直流電子負(fù)載的基本原理是利用功率場效應(yīng)管（MOS），絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率半導(dǎo)體電子元件吸收電能并消耗電能。依靠功率半導(dǎo)體器件作為載體，實現(xiàn)了負(fù)載參數(shù)可調(diào)的功能，具有體積小和很高的調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性，能很好地模擬實際的負(fù)載，在電源設(shè)備測試中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對傳統(tǒng)負(fù)載的弊病，提出了以STC12C5A60S2微控制器為核心，盡可能通過軟件替代硬件，使其具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、功能強、控制靈活的特點。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計
基于單片機控制的直流電子負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示：
圖1 單片機控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)由以下部分組成：核心控制電路（單片機）、電子負(fù)載電路、采樣電路、LCD顯示電路和電源電路。
該系統(tǒng)方案的整體結(jié)構(gòu)簡易明了，將恒壓電流、恒流電路有機的結(jié)合在了一起，并接入電子開關(guān)，操作時只需通過電子開關(guān)對模式進行手動切換，以STC12C5A60S2單片機為控制核心，通過程序?qū)崿F(xiàn)恒壓恒流值的調(diào)節(jié)、端口電壓的采集及顯示等核心功能。硬件電路中含有的運算放大器具有很大的電源電壓抑制化，可以大大減小輸出端的紋波電壓。
2 硬件電路設(shè)計
本智能控制系統(tǒng)由以下部分組成：核心控制電路（單片機）、功率控制電路、采樣電路、運放比較電路、LCD顯示電路和電源電路。
2.1 核心控制電路設(shè)計
采用STC12C5A60S2單片機作為核心控制單元，STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘、機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代單片機。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），包含8位A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能，精確度高。通過軟件編程可以實現(xiàn)對電壓、電流預(yù)設(shè)置、A/D采樣比較、D/A輸出、LCD顯示等多種功能，并且電路簡單，控制效果好。
2.2 功率控制電路
選用N溝道增強型MOS管作為功率管。功率MOS管具有正溫度系數(shù)，當(dāng)結(jié)溫升高時通態(tài)電阻增大，導(dǎo)通電阻小，自帶保護二極管，有自限流作用，噪聲系數(shù)小，所以功率MOS管熱穩(wěn)定性好。
2.3 恒壓電路設(shè)計
選用運放OP07，該運放器是一種低噪聲，低輸入失調(diào)電，低輸入偏置電流，開環(huán)增益高，穩(wěn)定度很高的雙極性運算放大器。在反饋電路中加入電阻，使得取樣電阻上的電流可以微調(diào)，實現(xiàn)輸出電流與理論值相同，大大提高了輸出電流的精度，又由于運放的同相輸入端的信號來自與數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的運放輸出，穩(wěn)定度很高。
恒壓電路原理圖如圖2所示：
圖2 恒壓電路原理圖
選用運放OP07，將同相輸入端與輸出端采用正反饋電路，在反饋電路中加入電阻R2，R3與R4并聯(lián)實現(xiàn)分壓。使得取樣電阻上的電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)輸出電壓與理論值相同。又由于運放的反相輸入端的信號來自于單片機的輸出，穩(wěn)定度與精度均很高。
2.4 恒流電路設(shè)計
選用運放OP07，該運放具有低噪聲特點，低輸入偏置電流，開環(huán)增益高，是穩(wěn)定度很高的雙極性運算放大器。該方案優(yōu)于以上兩個方案，故采用此方案。
恒流電路原理圖如圖3所示：
圖3 恒流電路原理圖
選用運放OP07，將反相輸入端與輸出端采用負(fù)反饋電路，運放的同相輸入端的信號來自于單片機的輸出，穩(wěn)定度與精度均很高。圖5中輸出端取樣電阻為2歐大功率電阻，受熱情況下其阻值改變不大。通過單片機設(shè)定負(fù)載參數(shù)。測試點的電流恒滿足表達式：Itest=U/R1，其中U為采樣電壓。
2.5 LCD顯示電路設(shè)計
傳統(tǒng)設(shè)計方案：選用LED數(shù)碼管顯示，LED是筆劃顯示方式，雖然直觀性好，視角大，但是該方式只能顯示特定漢字和數(shù)字，若進行多位顯示，需要多個數(shù)碼管，功耗較大，體積大。
本設(shè)計方案：選用LCD12864液晶顯示，LCD是點陣式的顯示，可以有漢字、數(shù)字、波形等多種方式顯示，靈活性大，且同一界面可以同時顯示電壓、電流、功率等多種參數(shù)，并且功耗低，體積小。
2.6 電源電路設(shè)計
變壓器通過整流、濾波、穩(wěn)壓產(chǎn)生所需電壓。圖4中電路提供的±15V，±12V電源主要用于運放電路，+5V電源用于單片機、液晶顯示、鍵盤。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及流程
此設(shè)計使用低功耗單片機STC12C5A60S2，利用該單片機通過程序可以實現(xiàn)以下三個功能：
（1）設(shè)定恒壓、恒流運行模式及參數(shù)。通過鍵盤設(shè)定以步進方式設(shè)置預(yù)設(shè)值送給單片機，單片機通過 D/A（DAC0832）將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出給硬件電路，以提供所需電壓，并在LCD液晶上顯示DA步進值。
（2）采樣輸出電壓、電流并在LCD液晶上顯示。單片機通過A/D（ADC0832）對等效負(fù)載的電壓和電流進行采樣，將采集回來的數(shù)值在單片機內(nèi)部進行處理后送液晶屏進行電壓、電流的顯示。
（3）當(dāng)電流大于3A時，單片機就會啟動過流提示，蜂鳴器發(fā)出報警信號，在恒流模式下減小DA輸出電壓以減小電路電流，實現(xiàn)過載保護。
系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
【參考文獻】
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