模擬電路設(shè)計(jì)原理精選(九篇)

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第1篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

關(guān)鍵詞：電路設(shè)計(jì)；proteus；應(yīng)用

中圖分類號：TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0248-01

二十一世紀(jì)的今天，社會科技進(jìn)步較快，proteus仿真軟件在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來越廣泛。該仿真軟件是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，可以對模擬電路，數(shù)字電路和電路進(jìn)行仿真操作，軟件自身具備先進(jìn)的虛擬器，包括示波器，邏輯分析儀，信號發(fā)生器等，為了更全面的了解和更深刻的分析proteus在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，就要在軟件開啟的仿真條件下，對整體電路和包含的各個零部件進(jìn)行逐一研究，為之后的電路設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)思路。

1 Proteus仿真軟件簡述

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及器件。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。該軟件包含ISIS和ARES兩個軟件部分，這兩個部分在大環(huán)境下扮演著兩個不同的重要角色，都有著舉足輕重的作用。在日常工作中，ARES部分是用來當(dāng)PCB設(shè)計(jì)工作的助手，進(jìn)行有效輔佐，而ISIS則是主要負(fù)責(zé)在仿真開啟的環(huán)境下對電路原理和模擬電路的設(shè)計(jì)工作。

2 Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)的過程分析

在電子電路實(shí)訓(xùn)過程中，proteus仿真軟件在進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)時，要在軟件編輯界面，按照需要模擬的實(shí)際電路思路，設(shè)計(jì)出一套最符合實(shí)際情況的電子電路圖，再通過許多相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，盡可能在最短的時間內(nèi)完成對電路的初步設(shè)計(jì)和對數(shù)據(jù)的測量與計(jì)算整理，最后完成整體的模擬電路設(shè)計(jì)，然后利用軟件的電路生成功能，輸出最后的電路設(shè)計(jì)圖。為了確保電路設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，仿真電路設(shè)計(jì)過程可以這樣：先確定核實(shí)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，然后運(yùn)行proteus軟件，繪制初步的電路原理圖，然后根據(jù)原理確定需要的元件種類和數(shù)量，啟動仿真系統(tǒng)，用虛擬儀器檢測然后讀出數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，如不符合要求，對元件或者電路作適當(dāng)修改然后再次檢測，當(dāng)符合要求時，要對電路進(jìn)行完善，確定無誤后敲定最終設(shè)計(jì)方案，然后系統(tǒng)自動生成電路圖。

3 Proteus仿真軟件的仿真電路設(shè)計(jì)與調(diào)試

在進(jìn)行電路工作前，相關(guān)人員要檢查虛擬測量儀器與被測量點(diǎn)的兩個終端是否處于正常連接狀態(tài)，還要確定信號源良好的接地情況，其中還要注意示波器與地線的連接狀況。測量結(jié)束后要確保測量結(jié)果是GND的相反波形，有利于后續(xù)對電路的研究。實(shí)驗(yàn)過程中，要時刻注意電壓表，電流表的指針位置，而在仿真電路時，要注意串聯(lián)電路中電流指針的指數(shù)，如有任何問題，要及時地在相應(yīng)的執(zhí)行操作界面，通過網(wǎng)絡(luò)，對電壓作出適當(dāng)調(diào)整，然后繼續(xù)進(jìn)行仿真電路的研究試驗(yàn)，推動proteus仿真軟件在電子電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中的發(fā)展。

4 Proteus仿真軟件的實(shí)用電路分析

在今后的與電路設(shè)計(jì)有關(guān)的工作當(dāng)中，我們不光要充分發(fā)揮并發(fā)展proteus仿真軟件，還要通過合理的方法來判斷研究proteus仿真軟件在未來電路研究中的發(fā)展趨勢，然后進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。而proteus軟件還需要通過傳感器電路，正弦電路等實(shí)用電路中不斷的進(jìn)行試驗(yàn)和探索，最后才能把此項(xiàng)技術(shù)落實(shí)到實(shí)際電子科技產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中去。所以，我們再使用該軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和分析時，要把重點(diǎn)放到傳感器電路和正弦電路等電路的實(shí)用性上，結(jié)合實(shí)際情況探究，才能更好地讓軟件適用于各種實(shí)用電路的應(yīng)用。還能開發(fā)出仿真系統(tǒng)的其他用法和功能，促使電子行業(yè)發(fā)展，為以后的研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段proteus仿真軟件的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而其使用功能也十分便利和強(qiáng)大，在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)時，為了能夠更深刻研究電路的工作情況，更準(zhǔn)確地對電路中存在的不足之處進(jìn)行調(diào)整，我們要進(jìn)一步對軟件進(jìn)行挖掘研究，明確操作規(guī)范，開發(fā)出更實(shí)用的功能以便使用。還能改善傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)工作，并z測出其中的缺陷，為降低電路實(shí)驗(yàn)成本，更有效地完成實(shí)驗(yàn)和縮短實(shí)驗(yàn)時間等方面，都有積極的推進(jìn)意義。

參考文祥

第2篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

關(guān)鍵詞：電路設(shè)計(jì)；逐次漸近；ADC；比較教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）22-0127-03

Abstract：Students have some difficulties in learning electronic technology and other hardware principle and design method while teaching computer science. And also the ability of program design could help students understand circuit theory and design ideas. Therefore， a kind of comparative teaching of computer hardware circuit design by software was presented. It guided students to understand the ADC circuit principle and design ideas through program algorithm and basic knowledge of digital circuits in teaching of successive approximation ADC circuit theory. It has been shown that the method could help students more effectively understand circuit knowledge.

Key words： circuit design； successive approximation； ADC； comparative teaching

1 引言

計(jì)算機(jī)專業(yè)的硬件知識課程通常包括電路原理、模擬電子與數(shù)字電子技術(shù)等課程。從實(shí)際教學(xué)過程看，由于實(shí)驗(yàn)條件、物理知識等多方面的因素，學(xué)生普遍反映電子技術(shù)的學(xué)習(xí)較為困難。甚至嚴(yán)重情況下，會影響學(xué)生對硬件電路設(shè)計(jì)的興趣，這不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)[1-2]。另一方面，軟件設(shè)計(jì)由于對動手操作條件要求不高，編程鍛煉的機(jī)會多，不少同學(xué)掌握程度較好，從而培養(yǎng)了興趣。

學(xué)習(xí)通常都是利用已有知識去理解新知識的過程，如果新知識和已有知識在很大程度上具有相似性，或者通過合理的比較，建立新知識與已有知識之間某種緊密的聯(lián)系，學(xué)生在理解上就相對容易。自信心也可能會從已掌握知識遷移到新知識上。比較是根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，把有某些聯(lián)系的兩種或兩種以上的事物加以對照，確定事物同異關(guān)系的思維過程和方法[3]。本文所談?wù)摰谋容^教學(xué)方法就是在此概念框架下定義的，在相關(guān)教學(xué)中已經(jīng)被成功采用[4-5]。

因此，本文以數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的重點(diǎn)知識“逐次漸近型ADC”為例，在對原理概念做簡要介紹后，引導(dǎo)學(xué)生用算法、程序語言的形式將設(shè)計(jì)的思想表達(dá)出來，再利用基本組合和時序電路將軟件形式表達(dá)的設(shè)計(jì)思想“翻譯”成初步的硬件電路。通過對軟件和硬件初始化、運(yùn)行方式等的比較，對初步的ADC電路進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終形成經(jīng)典的逐次漸近型ADC電路設(shè)計(jì)。

2 逐次漸近型ADC簡介

ADC是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件，以方便計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行信號處理，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部物理世界交互的重要部件，也是數(shù)字電子技術(shù)課程中的重要知識內(nèi)容。根據(jù)構(gòu)造原理的不同，ADC的種類很多，例如并聯(lián)比較型ADC、反饋比較型ADC、雙積分型ADC、V-F變換型ADC，以及∑-ΔADC等。其中逐次漸近型ADC是一種反饋比較型ADC，它具有轉(zhuǎn)換速度較快、體型小、構(gòu)造成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此是目前ADC產(chǎn)品中用得較多的一種。圖1和圖2分別是逐次漸近型ADC的原理框圖和電路原理圖[6]。

逐次漸近型ADC的基本設(shè)計(jì)思想是：它是對計(jì)數(shù)型ADC在轉(zhuǎn)換速度上的改進(jìn)，對于外界模擬輸入信號，逐漸計(jì)數(shù)累加，通過DAC產(chǎn)生輸出一個與模擬信號相等的電壓信號，此時輸入給DAC的數(shù)值就是ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得注意的是，計(jì)數(shù)累加不是每次加1個單位，而是采用類似“二分查找”的原理，由高位到低位逐漸取1比較，如果DAC的輸出大于外界模擬信號，相應(yīng)的位置0，否則保留置1，直至到最低位比較結(jié)束。

傳統(tǒng)的電路教學(xué)方法，會對照著原理圖給學(xué)生講解思想和電路的組成。學(xué)生領(lǐng)會上比較困難，特別是即使搞清楚原理，對電路的設(shè)計(jì)過程、來龍去脈也是不清楚的，從而產(chǎn)生對電路設(shè)計(jì)的神秘感和恐懼感，不利于進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

3 利用軟件設(shè)計(jì)的比較教學(xué)

3.1 程序和電路的運(yùn)算方式比較

通常的程序設(shè)計(jì)，是一種串行的思維方式，設(shè)計(jì)者仿照CPU指令的執(zhí)行方式。學(xué)生寫出程序設(shè)計(jì)的算法，再轉(zhuǎn)換成具體的程序設(shè)計(jì)語言，供計(jì)算機(jī)編譯執(zhí)行。從實(shí)踐教學(xué)過程看，在這一點(diǎn)上，在入門時，較電路設(shè)計(jì)更容易為學(xué)生所接受。以下內(nèi)容介紹逐次漸近型ADC電路設(shè)計(jì)的軟件比較教學(xué)過程。通過這一過程，讓學(xué)生自己很自然地“設(shè)計(jì)”出逐次漸近型ADC。

3.2 逐次漸近型ADC的軟件算法表達(dá)

用算法和程序表達(dá)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理過程，將有助于加深理解，也更便于未來的工程實(shí)現(xiàn)。逐次漸近型ADC可理解為一個將浮點(diǎn)型（表示模擬信號）轉(zhuǎn)換成一定位數(shù)的整形數(shù)（表示數(shù)字信號）的函數(shù)模塊?？梢杂脗未a來表達(dá)這一過程，為了便于計(jì)算機(jī)程序語言實(shí)現(xiàn)，我們?nèi)∞D(zhuǎn)換結(jié)果為8位無符號整形。

算法1 BitADC8

輸入：浮點(diǎn)數(shù)input

輸出：8位無符號整形數(shù)iAdcResult

處理：

BEGIN

1，iAdcResult初始化為0，當(dāng)前比較位BitNum初始化為最高位，即BitNum賦值為7（表示取最大值的一半，從中間開始比較）；

2，轉(zhuǎn)換目標(biāo)值iAdcResult的當(dāng)前位BitNum置為1與輸入浮點(diǎn)數(shù)比較；

3，如果iAdcResult大于input，置iAdcResult的當(dāng)前比較位為0；

4，當(dāng)前位BitNum減一，如果BitNum>=0，去第2步，否則輸出iAdcResult；

END

學(xué)生對上述算法的理解是不太困難的，也可以較方便地用C語言來實(shí)現(xiàn)，如下面的函數(shù)BitADC8所述。需要說明的是，在C語言中有標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)換，這里是為了說明原理，故不采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)或者強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)[7]。

int BitADC8（float input）

{if （input < 0 ） return -1；

if （input > 255） return 255；

unsigned char iAdcResult=0；

int BitNum=7；

while （BitNum >= 0）

{iAdcResult = iAdcResult | （1

if （iAdcResult > input）

iAdcResult = iAdcResult & ～（1

BitNum--；}

return iAdcResult；}

3.3 電路設(shè)計(jì)

學(xué)生寫出BitADC8以后，基本對轉(zhuǎn)換的原理有了較為深刻的理解，下面討論如果從BitADC8函數(shù)中引導(dǎo)逐次漸近型ADC的電路設(shè)計(jì)。

逐句逐句地用數(shù)字電路中基本的組合和時序電路模塊來理解BitADC8，最后形成逐次漸近型ADC電路與函數(shù)BitADC8的語句對比聯(lián)系，如下圖3所示。圖中一共標(biāo)注了5處對比模塊，可以清晰地看到，軟件算法能夠幫助我們理清電路設(shè)計(jì)的思路，從而有助于我們進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，硬件電路和軟件模塊在表達(dá)和執(zhí)行上還是有區(qū)別的，本質(zhì)可能一一對應(yīng)。局部細(xì)節(jié)的調(diào)整需要設(shè)計(jì)者自己去琢磨、理會。例如，或門G4和G5初始化時清零作用，還有軟件串行執(zhí)行和硬件電路并行執(zhí)行的區(qū)別等。但這不影響兩者的比較理解，設(shè)計(jì)的聯(lián)系性還是比較緊密，具有重要意義。

4 結(jié)論

文章以逐次漸近型ADC電路原理教學(xué)為例，介紹了硬件電路設(shè)計(jì)的軟件比較教學(xué)方法的應(yīng)用。從實(shí)際教學(xué)效果來看，能夠起到幫助學(xué)生掌握電路設(shè)計(jì)思路的作用，也有助于將來在EDA等課程中學(xué)習(xí)VHDL等硬件描述語言，更重要的是通過學(xué)習(xí)遷移幫助提高學(xué)生電路設(shè)計(jì)的信心，

參考文獻(xiàn)：

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第3篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

作為應(yīng)用型本科院校，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中如何提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)際操作能力、分析和解決問題的能力亟待解決。目前國內(nèi)大多高校工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，更新?lián)Q代不及時，學(xué)生只是在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行簡單的驗(yàn)證性操作，對學(xué)生的各方面能力并沒有很好的進(jìn)行鍛煉，很多原理性的東西在實(shí)驗(yàn)操作臺上沒有很好的體現(xiàn)［1］。鑒于此，可以對課程中的個別實(shí)驗(yàn)引入自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采用該種手段不僅有利于提高學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，還可以引入最新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，提高實(shí)驗(yàn)裝置的利用效率、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本［2］?！赌M電路》是電類專業(yè)最基礎(chǔ)的專業(yè)課程，通過該課程的學(xué)習(xí)不僅要求學(xué)生掌握較強(qiáng)的理論知識，還要求學(xué)生具有一定的實(shí)踐創(chuàng)新能力，結(jié)合多年來對本課程的授課經(jīng)驗(yàn)，以該課程為例來說明如何在教學(xué)過程中通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備來提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

1自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備在教學(xué)中的必要性

近年來學(xué)校對實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入越來越多，其中購買了很多先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器裝置，但有些設(shè)備只能進(jìn)行簡單的驗(yàn)證性操作，對于高校工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的針對性較差。同傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较啾容^，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有多個優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用很有必要性［3－5］。

第一，適用性強(qiáng)。教師可根據(jù)單門課程或者多門課程設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，針對不同的專業(yè)適當(dāng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)的難易程度。

第二，成本低。學(xué)生根據(jù)教師給出的實(shí)驗(yàn)要求，自行選擇元器件進(jìn)行電路的焊接，同市場上現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)電路板相比較能夠節(jié)約大量成本。

第三，可操作性強(qiáng)。老師可在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中加入自己的科研內(nèi)容，既能夠鍛煉學(xué)生也能夠提高教師的科研水平。

第四，提高學(xué)生專業(yè)能力和動手能力。在實(shí)驗(yàn)執(zhí)行過程中能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鞏固學(xué)生的專業(yè)知識，并把課堂學(xué)到的知識應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，能培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和動手操作能力。

商洛學(xué)院本科教育進(jìn)入轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，學(xué)校以培養(yǎng)應(yīng)用型本科生為目標(biāo)，所以實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在課程教學(xué)中的作用變得尤為重要。對于電類專業(yè)的課程，現(xiàn)有的教學(xué)儀器設(shè)備不能滿足教學(xué)要求，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以降低教學(xué)難度、提高課堂效率、拓展學(xué)生思維，創(chuàng)造性地制作各種合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，因此具有提升課堂教學(xué)效果的突出作用。

2自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)施

以模擬電路課程實(shí)驗(yàn)中“模擬運(yùn)算放大電路”實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明，該實(shí)驗(yàn)屬于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以往實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生從電路設(shè)計(jì)和電路驗(yàn)證兩方面進(jìn)行，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能使每個學(xué)生都能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備將從電路設(shè)計(jì)、仿真、焊接、調(diào)試、驗(yàn)證等幾方面進(jìn)行實(shí)施，以此來提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力、分析能力和動手能力。

2．1電路設(shè)計(jì)與仿真

此階段主要考察學(xué)生對理論知識的綜合應(yīng)用能力，通過對電路的設(shè)計(jì)、元器件的選擇拓展學(xué)生知識面。根據(jù)“模擬電路實(shí)驗(yàn)”教學(xué)大綱給出電路設(shè)計(jì)的要求，要求學(xué)生熟悉放大電路的原理，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)以及電路中元件參數(shù)的確定，并提交最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。以反相比例運(yùn)算電路為例，要求設(shè)計(jì)電路的放大倍數(shù)為（－10）倍。學(xué)生首先要鞏固反向比例運(yùn)算電路的原理進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，再進(jìn)行電路的仿真。根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求放大倍數(shù)為（－10）倍，又因?yàn)榭紤]集成運(yùn)放兩輸入回路參數(shù)對稱，即RN＝RP，綜合考慮，電路中電阻R3＝100kΩ，R1＝10kΩ，R2＝9．1kΩ。其次為了保護(hù)集成運(yùn)放，在電源端分別接兩個二極管以防止電源反接損壞集成運(yùn)放。通過電路的設(shè)計(jì)與仿真，對輸入波形和輸出波形進(jìn)行對比。輸入信號ui設(shè)置為1kHz，峰值為100mV的正弦波，由仿真結(jié)果可看出，此時輸入信號與輸出信號反相，電壓放大倍數(shù)為10，且未出現(xiàn)失真，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求可以進(jìn)行下一步的電路焊接與測試。

2．2電路焊接與測試

上節(jié)以反相比例運(yùn)算電路為例進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明，在實(shí)驗(yàn)過程中為了增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求學(xué)生對同相比例運(yùn)算電路、加法運(yùn)算電路、減法運(yùn)算電路、微積分電路等都進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。設(shè)計(jì)完成后列出實(shí)驗(yàn)器件清單進(jìn)行電路的焊接，在焊接的過程中一方面可以提高學(xué)生的動手能力，另一方面也有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。在該電路板上學(xué)生可以通過選擇相應(yīng)的器件來實(shí)現(xiàn)各類運(yùn)算電路的測試。同樣對反相比例運(yùn)算電路進(jìn)行測試，輸入信號ui設(shè)置為1kHz，有效值為100mV的正弦波，為電路接入正負(fù)電源，根據(jù)電路設(shè)計(jì)圖連接各個電阻，接入信號函數(shù)發(fā)生器和示波器，觀察輸入輸出波形，通過示波器測試可看出，輸出電壓幅值為987mV，輸入電壓幅值為97.2mV，所得有效值放大倍數(shù)約為10倍左右，且輸入與輸出波形方向相反，即達(dá)到反相放大的目的。

2．3實(shí)驗(yàn)考核

實(shí)驗(yàn)考核是檢驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果最有效的手段，對于自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核要區(qū)別于一般驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，首先要求學(xué)生提交設(shè)計(jì)說明、仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)心得，并對學(xué)生的作品進(jìn)行現(xiàn)場的測試，其次在整個實(shí)驗(yàn)成績中加大該類實(shí)驗(yàn)所占的比例，這樣既能夠減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)、調(diào)動學(xué)生的積極性，又可以保證實(shí)驗(yàn)課程的完整性，也杜絕了學(xué)生抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)象。

本文僅對反相比例運(yùn)算電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)說明，對于“模擬運(yùn)算放大電路”實(shí)驗(yàn)中的同相比例電路、加法電路、積分電路等均可以采取以上的教學(xué)方法，既能夠使學(xué)生對理論知識有一個清楚的認(rèn)識，也鍛煉了學(xué)生設(shè)計(jì)電路、焊接電路、調(diào)試電路的能力，對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)有很大的好處。

3實(shí)驗(yàn)改革的效果

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)改革的效果，首先在一個班級進(jìn)行了試驗(yàn)，主要通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告、電路設(shè)計(jì)與仿真、測試效果、期末考核等方式進(jìn)行改革效果分析，主要取得以下幾方面的成果。

（1）大部分學(xué)生能夠按照要求完成最終電路的測試，個別學(xué)生在電路焊接環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

（2）提高了學(xué)生對電路的綜合設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力，通過自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在電路設(shè)計(jì)和焊接方面明顯優(yōu)于其他學(xué)生。

（3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告相比以前更加規(guī)范，設(shè)計(jì)過程、仿真結(jié)果、測試結(jié)果更加的詳細(xì)，抄襲現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。

（4）通過期末考核，學(xué)生對模擬運(yùn)算電路這部分的理論知識掌握的比較扎實(shí)，對知識能夠靈活應(yīng)用。

（5）實(shí)驗(yàn)教師的各方面能力也得到了鍛煉，在實(shí)踐中增長才干，提高自己的理論水平的技術(shù)水平。

第4篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

關(guān)鍵詞：調(diào)制電路 在系統(tǒng)可編程 模擬電路

中圖分類號：TM938 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)01-0049-02

Abstract:A design method for modulation circuit based on the in-system-programmable analog circuit is introduced and implemented on the chip of ispPAC20, which brings the advantages of high integration and reliability. The function of ISP reduces the developing time and cost.

Keywords:Modulation Circuit, In System Programmability, Analog Circuit

1、引言

調(diào)制是指用調(diào)制信號去控制載波信號的參數(shù)，使載波信號的某一個或幾個參數(shù)按照調(diào)制信號的規(guī)律發(fā)生變化，在通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)調(diào)制電路多由分立模擬元器件構(gòu)成，占用面積較大且定型后不易產(chǎn)品升級。本文介紹一種基于在系統(tǒng)可編程模擬器件ispPAC20的平衡調(diào)制電路設(shè)計(jì)方法，將各單元電路于單芯片實(shí)現(xiàn)，提高了集成度和可靠性；同時可對目標(biāo)芯片在系統(tǒng)編程以升級電路結(jié)構(gòu)，縮短了研制周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

ispPAC20（in-system Programmable Analog Circuit）是美國Lattice半導(dǎo)體公司推出的可編程產(chǎn)品，該芯片具有在系統(tǒng)可編程技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，電路設(shè)計(jì)人員可通過開發(fā)軟件PAC Designer在計(jì)算機(jī)上快速地進(jìn)行模擬電路設(shè)計(jì)與修改，對電路的特性可進(jìn)行仿真分析，然后用編程電纜將設(shè)計(jì)方案下載到芯片當(dāng)中[2]。也可對已經(jīng)裝配在印刷線路板上的ispPAC20芯片進(jìn)行校驗(yàn)、修改或者重新設(shè)計(jì)。

2、ispPAC20器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ispPAC20由兩個PACblock塊、兩個比較器、一個8位D/A轉(zhuǎn)換器、配置存儲器、參考電壓、自校正單元、模擬布線池和ISP接口等單元組成，器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

比較器CP1和CP2的輸入端為可編程的差分形式，其工作原理與普通比較器相同。比較器CP1的輸出可編程為直接輸出或以PC為時鐘的寄存器輸出兩種模式，且CP1和CP2的輸出端CP1OUT和CP2OUT可通過窗口控制在WINDOW端輸出信號，窗口控制可編程為異或操作（XOR）模式或觸發(fā)器操作（Flip-Flop）模式。

PACblock1由兩個儀用放大器IA1和IA2、一個輸出放大器OA1、反饋電阻和電容構(gòu)成差分輸入和輸出的基本單元電路。其中，IA1的輸入端連接一個端口選擇器，并通過外部引腳MSEL來控制；當(dāng)MSEL分別為0和1時，端口a和b分別連接至IA1的輸入端。IA1和IA2的整數(shù)增益調(diào)范圍在-10～+10之間，電路輸入阻抗為109，共模抑制比為69dB。輸出放大器OA1中的反饋電阻RF可以編程為連通或斷開狀態(tài)，電容C有128種值供編程選擇。芯片中各基本單元通過模擬布線池實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，以組成復(fù)雜模擬電路。

PACblock2與PACblock1的結(jié)構(gòu)基本相同，但I(xiàn)A4的負(fù)整數(shù)增益區(qū)間為[-10，-1]，設(shè)有極性控制端PC并可被編程為四種模式：固定模式、PC外接模式、觸發(fā)器模式和CP1OUT連接模式。

(1)固定模式：IA4增益范圍為[-10，-1]；(2)PC外接模式：通過芯片外部引腳PC來控制增益范圍，PC=1對應(yīng)[-10，-1]，PC=0對應(yīng)[1，10]；(3)觸發(fā)器模式：需同時編程比較器窗口輸出控制端為觸發(fā)器模式，極性控制端通過內(nèi)部反饋通道連接至WINDOW端口，以控制IA4增益范圍；(4)CP1OUT連接模式：極性控制端通過內(nèi)部反饋通道連接至CP1OUT端口，以控制IA4增益范圍。

D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為差分形式，可編程于比較器或儀用放大器連接，也可以直接輸出；輸入可選并行方式、JTAG或SPI方式。用戶可通過查詢芯片說明的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行編程[3]。

另外，配置存儲器用于存放編程數(shù)據(jù)，參考電壓和自校正模塊完成電壓分配和校正功能。

3、調(diào)制電路的ispPAC20實(shí)現(xiàn)

基于ispPAC20的調(diào)制電路內(nèi)部編程連接如圖1所示。PACblock2與比較器電路構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生方波信號，作為載波uc，經(jīng)器件外部連接至MSEL端；PACblock1構(gòu)成調(diào)制電路，實(shí)現(xiàn)輸入調(diào)制信號對載波幅度的控制，調(diào)制信號ui連接于IN1和IN2端，已調(diào)信號在OUT1端輸出。

3.1 振蕩電路設(shè)計(jì)

振蕩電路的內(nèi)部編程為：IA4的輸入、增益和PC端分別編程至參考電壓3V、-1和觸發(fā)器模式，反饋電阻和電容分別編程為開路和61.59pF，構(gòu)成積分電路；比較器CP1和CP2連接為窗口比較器，閾值控制編程至參考電壓1.5V，WINDOW輸出端和CP1的輸出分別編程為觸發(fā)器模式和直接輸出模式；以此方式編程后，WINDOW輸出端將自動地通過內(nèi)部通道連接至IA4的極性控制端。

電路工作時，周期性方波信號在WINDOW端輸出，作為載波信號uc，頻率為30kHz。其工作原理為：當(dāng)極性控制端PC=0時，IA4的增益為正值，積分器進(jìn)行正向積分，OA2的輸出電壓Vout2開始線性上升，當(dāng)Vout2的值超過窗口比較器的上限閾值電壓1.5V時，CP1輸出高電平，CP2輸出低電平，使輸出端觸發(fā)器置位操作，WINDOW端輸出1；通過內(nèi)部通道反饋，使得PC=1，從而IA4的增益變?yōu)樨?fù)值，使積分器開始反向積分，OA2的輸出電壓開始下降，當(dāng)Vout2的值小于下限閾值電壓-1.5V時，使觸發(fā)器復(fù)位操作，WINDOW端輸出0，積分器再次開始正向積分。如此反復(fù)，在WINDOW端輸出方波信號。當(dāng)IA4的差分輸入電壓在（0V，+3V]的范圍內(nèi)時，uc的頻率在[1kHz，30kHz]范圍內(nèi)與輸入保持良好的線性關(guān)系。通過減小積分電容或增加放大器增益可縮短積分時間，提高振蕩頻率；經(jīng)測試，最高可達(dá)300kHz。

3.2 調(diào)制電路設(shè)計(jì)

調(diào)制電路的內(nèi)部編程為：IA1的a、b端口分別編程至IN1、IN2，增益為1。輸入調(diào)制信號ui按圖1方式連至IN1和IN2端，WINDOW端經(jīng)外部連線接至端口選擇MSEL端。當(dāng)uc為低電平時，IA1的a端口選通，OA1輸出Vout1=-ui；當(dāng)uc為高電平時，b端口被選通，OA1輸出Vout1=ui。于是，ui的極性按載波頻率持續(xù)轉(zhuǎn)換，在Vout1輸出端得到幅度受ui控制的平衡調(diào)制信號，電路的工作波形如圖3所示。一般地，若編程IA1的增益為k，則可得到下式所示的輸出信號。

該設(shè)計(jì)方法中，載波產(chǎn)生電路與和調(diào)制電路在同一芯片上完成，具有高集成度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，可通過設(shè)計(jì)工具對電路做靈活修改。若將已調(diào)信號Vout1接低通濾波器，則可得到模擬雙邊帶調(diào)制信號。

4、結(jié)語

本文介紹了一種基于在系統(tǒng)可編程模擬器件的調(diào)制電路設(shè)計(jì)方法，在ispPAC20芯片上實(shí)現(xiàn)，將整個電路集成于單塊芯片中，提高了電路的集成度和可靠性。借助于開發(fā)工具PAC Designer可隨時對芯片進(jìn)行重新編程以升級電路結(jié)構(gòu)，提高了電路設(shè)計(jì)的效率，降低了設(shè)計(jì)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]曾興雯,劉乃安,陳健.高頻電路原理與分析[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2006: 170-175.

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[3]Lattice Semiconductor Co. ispPAC handbook[CD].Version 1.1,1999.

作者簡介

第5篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī) 電路設(shè)計(jì) 輔助 方法

之前在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時候，主要就是靠人工將一些電子元件通過導(dǎo)線然后連接起來，對于一些比較簡單的電路，這樣的方法還是可行的，但是現(xiàn)在的電路設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，在進(jìn)行人工連接電路的時候就顯得無從下手。所以人們才開始采用印制電路板的方式來進(jìn)行電路的連接，傳統(tǒng)的手工方式制作的話，工作量是比較的大，而且制作的周期也比較的長，往往很小的電路板也需要很長的時間才能夠經(jīng)過很多人制作出來，而且在后期如果要進(jìn)行修改的話也比較的麻煩。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，就能夠很好的去解決這些問題。在通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助電路設(shè)計(jì)的時候，往往之前需要很多人才能完成的工作，現(xiàn)在也只需要一個人就可以完成，而且在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時候，時間的周期也縮短了很多。

一、計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)的一些優(yōu)點(diǎn)

在采用計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)的時候，主要就是利用了計(jì)算機(jī)模擬代替了之前的通過搭接來對電路進(jìn)行試驗(yàn)的方法，這樣的話在電路的設(shè)計(jì)階段，就可以減少很多去驗(yàn)證電路的工作量，使得在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，進(jìn)程會比之間快了很多。現(xiàn)在很多的專業(yè)軟件上面都有很多的參數(shù)數(shù)據(jù)庫和圖形數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計(jì)當(dāng)中需要用到的電子元件基本上這些數(shù)據(jù)庫當(dāng)中都能夠提供，如果有些電子元件在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中沒有的話，那么也可以在設(shè)計(jì)之間先設(shè)計(jì)好這樣一個電子元件的模型放入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，在設(shè)計(jì)當(dāng)中如果需要的話那么也就可以很方便的直接拿出來用。同時在進(jìn)行印刷電路板設(shè)計(jì)的時候，也可以采用相應(yīng)的印刷電路板設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，而這些專業(yè)的軟件是可以進(jìn)行自動布線布局以及后期處理的作用。而在進(jìn)行圖紙的繪制時，也可以采用相應(yīng)的軟件來進(jìn)行制版。這樣的話對于電路設(shè)計(jì)的周期就可以縮短很多，而且成本的費(fèi)用也可以節(jié)約不少。

二、計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)的具體方法

（一）設(shè)計(jì)電路圖。在設(shè)計(jì)一個電路，要想使得它能夠去完成一定的作用和功能，就應(yīng)該先要設(shè)計(jì)好一個比較完整是電路原理圖。在使用計(jì)算機(jī)復(fù)制電路設(shè)計(jì)的時候，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)電路的原理圖是非常方便的，而且在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中對于一些不合理需要修改的地方進(jìn)行修改的時候也非常的方便，同時在設(shè)計(jì)好了電路的原理圖之后，在通過相關(guān)的專業(yè)軟件進(jìn)行自動的布線布局，對于最后制作成線路板的版圖也非常的方便。首先就是要在計(jì)算機(jī)當(dāng)中打開進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件，在打開了專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件之后就應(yīng)該要新建一個文件，然后還要加載一些原理圖設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫。如果在這些電子元件庫當(dāng)中沒有設(shè)計(jì)所需要的電子元件，那么就需要使用電子元件的生產(chǎn)軟件，制作出相應(yīng)的電子元件，然后就可以按照之前的電路設(shè)計(jì)的構(gòu)思，調(diào)用數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的電子元件來進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的當(dāng)中，對于那些有電氣性能連接的電子元件，就應(yīng)該要用線把這些電子元件的管腳連上，而對于設(shè)計(jì)當(dāng)中的總線電路，則可以才有一個總線來進(jìn)行連接，這樣的話就減少在設(shè)計(jì)當(dāng)中連接的線條比較多的麻煩。但是如果需要在總線的兩端分出很多的線條，那么就需要對這些線條進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)注。而有些的線路上如果是有節(jié)點(diǎn)的話，那么就必須要把這些節(jié)點(diǎn)連接起來，不然的話計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就會認(rèn)為這些線路是沒有連接在一起的。

在原理圖的設(shè)計(jì)完成了之后，就應(yīng)該要建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表。在原理圖和印制線路版圖的之間，是需要靠網(wǎng)絡(luò)表來進(jìn)行連接的，要想將原理圖最終變成相應(yīng)的線路板版圖就需要通過網(wǎng)絡(luò)表來完成。首先要打開印制線路版圖的相關(guān)軟件，然后加載成功相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。在禁止布線層當(dāng)中畫好相應(yīng)的印制線路版圖的基本外形，然后就對自動布線的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使得印制線路版圖能夠很好的達(dá)到設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。在通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表，通過自動布局的命令來擺好那些相應(yīng)的組件，還應(yīng)該要通過自動布線的命令來進(jìn)行布線，這個過程是需要一定的時間才能夠完成的。在完成了上述過程之后，在通過人工來對電路圖當(dāng)中一些不合理的地方進(jìn)行調(diào)整，是電路圖的設(shè)計(jì)能夠合理。在全部完成電路設(shè)計(jì)之后，就可以生產(chǎn)電路板。

（二）設(shè)計(jì)電路板的版圖?，F(xiàn)在很多電路板廠在生產(chǎn)電路板的時候，基本上都是根據(jù)用戶自己設(shè)計(jì)的印制線路版圖來進(jìn)行生產(chǎn)的。如果是那些已經(jīng)成型了的電路板，還想要多生產(chǎn)一塊或者是很多塊的話，就可以直接利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行輔助的設(shè)計(jì)，在生成了印制線路版圖之后在進(jìn)行電路板的生產(chǎn)。針對一些線路比較簡單的電路，可以采用刻度尺度量的方法來將印制線路版圖輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，首先要在線路當(dāng)中的某一角設(shè)置一個原點(diǎn)，然后其他的點(diǎn)則是可以用這點(diǎn)來進(jìn)行參照，然后來用刻度尺進(jìn)行度量。針對一些線路比較復(fù)雜，電子元件比較多的電路，如果還是采用刻度尺來進(jìn)行度量輸入的話，那么就需要很多的時間，而且精確度也不是很高。這種情況下，就可以采用掃描儀將印制線路版圖輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。通過這種方法，就可以省去很多的麻煩，而且還可以減少一些差錯，所以采用掃描儀將印制線路版圖輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，在提高電路質(zhì)量的同時還可以提高工作的效率。

三、結(jié)束語

在社會的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時候，計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)的方法也在不斷的發(fā)展和更新，所以電路的設(shè)計(jì)者也應(yīng)該要不斷的學(xué)習(xí)新的技術(shù)和知識，使自己可以得到相應(yīng)的提高，才能夠更好的滿足科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉勇盛.計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)教學(xué)方法研究與實(shí)踐[J].職業(yè)教育研究，2010，03：90-91.

[2]侯云濤.APFC電路的計(jì)算輔助設(shè)計(jì)與仿真研究[D].西北大學(xué)，2003.

[3]張尚韜.計(jì)算機(jī)輔助電路分析程序設(shè)計(jì)（CAA）[J].福建信息技術(shù)教育，2008，01：25-28.

第6篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

【關(guān)鍵詞】 同步檢波低通濾波器MC1496 Multisim仿真

經(jīng)過低通濾波器之后，高頻部分被濾除，得到s=0.5m（t），恢復(fù)出原信號波形。所以在設(shè)計(jì)同步檢波電路過程中，過程為輸入輸入信號提取載波頻率乘法器電路低通濾波器輸出。由于在實(shí)際情況中，已調(diào)信號和載波信號常存在相位差，隨著相位差的改變，會影響輸出信號的振幅，但是不會引起失真，但是由于相位差存在隨機(jī)性，輸出信號會產(chǎn)生起伏式衰減，影響解調(diào)質(zhì)量。所以在解調(diào)過程中我們要求本地信號與輸入信號盡可能同頻同相。

二、模擬乘法器MC1496

MC1496為模擬乘法器，其是依據(jù)雙差分對電路的原理設(shè)計(jì)的，它由兩個基本差分對電路組成，兩個差分對電路的輸出端交叉耦合。輸入電壓u1交叉的加到兩個差分對管的輸入，輸入電壓u2加到Q5和Q6組成的差分對管輸入端，三個差分都是差模輸入。當(dāng)端口2和端口3之間接入相對較大的反饋電阻后，差分對管輸出電流近似與輸入電壓u2成正比，當(dāng)輸入電壓u1較小時，差動電流近似為Ku1u2，加入負(fù)反饋，雙差分對電路工作在線性時變狀態(tài)或開關(guān)狀態(tài)，從而適合作為頻譜搬移電路。

三、同步檢波電路設(shè)計(jì)與Multisim仿真

四、結(jié)果分析

設(shè)置輸入信號：ym=[200cos2π（2k*t）+150cos2π（1.5k*t）]（mv）載波信號為yc=50*cos2π（500k*t）（mv），運(yùn)行仿真，四蹤示波器仿真結(jié)果如圖2：

從示波器中可知，通過同步檢波，DSB可被恢復(fù)，但兩者波形有細(xì)微差別，這主要是因?yàn)闉V波器通帶邊緣不可能是理想矩形。該電路延時T2-T1為1.833ms，系統(tǒng)延遲主要由低通濾波器模塊產(chǎn)生。

五、結(jié)束語

在電子設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)的選擇、仿真搭建、調(diào)試必不可少，Multisim廣泛應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)階段。調(diào)幅系統(tǒng)至今在廣播電視領(lǐng)域仍具有較為廣泛的應(yīng)用，在調(diào)幅通信系統(tǒng)中，同步檢波技術(shù)較包絡(luò)檢波具有更強(qiáng)的普遍適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王虹.通信系統(tǒng)原理[M].國防工業(yè)出版社，2014.

[2]樊昌信.通信原理[M].國防工業(yè)出版社，2006.

第7篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

導(dǎo)波式雷達(dá)液位計(jì)是把一根或兩根導(dǎo)波桿從罐頂伸入、桿末端與罐底有一定距離，通過導(dǎo)波桿發(fā)射和接收信號。它也采用發(fā)射脈沖信號來進(jìn)行測量，其回波信號的幅值大小主要取決于被測液體的介電常數(shù)，由于采用了導(dǎo)波桿結(jié)構(gòu)作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，信號損耗小、能量比較集中，從而回波信號質(zhì)量更好。它還具有方向性好，穿透性好的優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)采用脈沖時域展寬電路進(jìn)行信號處理，如圖1所示，在收發(fā)電路的硬件電路上增加脈沖時域展寬電路，主要是實(shí)現(xiàn)回波信號在時間軸上把信號放大K倍。放大后的信號變換成毫秒級信號，就可以使用比較器比較出來，再用單片機(jī)進(jìn)行信號的捕獲。

系統(tǒng)采用分塊化的設(shè)計(jì)方法，分別把各部分具體化實(shí)現(xiàn)，最后達(dá)成一個高效的系統(tǒng)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，包括：電源電路、LCD顯示電路、鍵盤電路、電源監(jiān)控電路、外存儲器電路、單片機(jī)及電路、信號測量電路、信號變換電路、脈沖收發(fā)電路、信號調(diào)制電路、通訊模塊電路和機(jī)械部分。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)工作過程

根據(jù)不同的測量環(huán)境，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在工作之前，通過鍵盤設(shè)定一些測量需要的參數(shù)，以便能準(zhǔn)確地測量出不同使用條件的液位。

系統(tǒng)的工作過程是：首先由單片機(jī)產(chǎn)生一個460kHz的周期性信號和輸出占空比為30%且周期同為100ms的PWM信號，同時定時器開始計(jì)數(shù)。這幾個信號通過信號變換電路來產(chǎn)生模擬電壓信號，送給前端高頻部分進(jìn)行窄脈沖生成和發(fā)送，在經(jīng)過液位的發(fā)射以后，依據(jù)時域反射原理，產(chǎn)生相應(yīng)的回波，被同一發(fā)射板接收回來。回波信號經(jīng)過脈沖時域展寬電路和低噪聲放大處理。通過設(shè)定一定的同軸電纜長度，回波信號中的頂部回波可以被去掉，只剩下實(shí)際要處理的真實(shí)液位回波信號，這個液位回波信號將被送入信號調(diào)理模塊處理。液位回波信號經(jīng)過可變增益放大后，放大至固定峰值電壓的信號，再送給比較器比較，比較出液位回波的時刻。操作員可以通過單片機(jī)捕獲導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量的液位回波時刻。由此，計(jì)算出窄脈沖的傳播距離及液位。依此不斷循環(huán)，每秒計(jì)算10次均值液位量，得到一個穩(wěn)定的顯示效果。根據(jù)罐體的設(shè)定，可以得到罐體的高度，進(jìn)而得到罐體內(nèi)介質(zhì)的體積等。

硬件電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用工況的要求，系統(tǒng)使用+24V直流來供電，系統(tǒng)電源電路如圖3所示。系統(tǒng)電源電路使用AD421芯片，AD421是一種可以產(chǎn)生4～20mA電流輸出的DAC。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用它實(shí)現(xiàn)回路供電，還為整個系統(tǒng)和其他電路的芯片等提供工作電源和相應(yīng)的參考電源。

系統(tǒng)把AD421芯片的幾個引腳的輸出作為電源，使用它輸出+5V作為電源電壓輸出及產(chǎn)生+1.25V和+2.5V作為參考電壓。圖中AD421在J1接口處引入+24V直流電源，組成一個電流回路，電流的大小由AD421幾個控制端來控制。單片機(jī)通過三個I/O口來控制AD421的電流輸出。圖3中的Q1為一個場效應(yīng)管。圖中第8腳LOOP和T1組成了電流環(huán)回路，從中能檢測出輸出的電流值。

同時，單片機(jī)穩(wěn)定工作還需+1.8v到+3.6V的電源電壓，所以要把上述得到的+5V電源轉(zhuǎn)換到這個范圍內(nèi)（通常為+3.3V）。本文采用HT7133芯片進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換。HT7133是一種功耗很低的輸出電壓為3.3V的電壓調(diào)節(jié)器，它只有3個端口，在其輸入端之前采用二極管進(jìn)行過流保護(hù)。

信號變換電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的單片機(jī)發(fā)出的控制信號必須通過信號變換變成相應(yīng)的模擬信號，才能進(jìn)行信號調(diào)制、功率放大以及收發(fā)電路再送至機(jī)械部分的同軸導(dǎo)波桿上傳輸。根據(jù)要求，系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器電路和DAC電路依次組成信號變換電路。

計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)器部分的作用是把單片機(jī)輸出的串行數(shù)據(jù)分頻變成12位并行數(shù)據(jù)。信號變換的計(jì)數(shù)器電路如圖4所示。所選芯片是74HC4040M，它是一種12位的二進(jìn)制紋波計(jì)數(shù)器。作為時鐘的輸入端口，MR則是它的實(shí)現(xiàn)異步主復(fù)位功能的輸入端口和QO～Q11為計(jì)數(shù)器的12個并行的輸出端口。在此選用了兩個計(jì)數(shù)器，第一個計(jì)數(shù)器是把PWMO信號（460K信號）進(jìn)行8分頻，第二個計(jì)數(shù)器再對8分頻后的信號依次進(jìn)行2分頻后再分12位進(jìn)行輸出。

對于圖中的每一路輸出，如果MR是低電平，則每逢處于下降沿，相應(yīng)的輸出引腳就產(chǎn)生一個高電平信號，這樣Qo～Q11的輸出就進(jìn)行了計(jì)數(shù)：而當(dāng)MR處于高電平時，不管是什么值，所有計(jì)數(shù)輸出都為低電平。12路計(jì)數(shù)輸出的頻率是依次2分頻得來的。

圖中的74HC4040M的輸入信號PWM0和PWM1信號是單片機(jī)產(chǎn)生的周期性脈寬調(diào)制信號，分別為460k信號和周期100ms占空比30%的信號。第一個計(jì)數(shù)器首先把PWMO信號進(jìn)行8分頻產(chǎn)生一個輸出送到第2個計(jì)數(shù)器作為，再把這個分頻后的信號再進(jìn)行分頻計(jì)數(shù)，進(jìn)而得到12路并行的周期性計(jì)數(shù)信號（A0―A11），再送給12位TDAC轉(zhuǎn)換為模擬信號。將PWMl作為第2個計(jì)數(shù)器的MR，可以來控制各路只有在高電平的30ms內(nèi)有輸出，得到的信號送至DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

DAC電路設(shè)計(jì)

DAC電路將計(jì)數(shù)器電路生成的12路并行計(jì)數(shù)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生對應(yīng)的模擬電壓信號。DAC電路如圖5所示。

DAC選用一種速度很快的12位D/A芯片AD7945。AD7945使用+5V單電源供電，其功耗可以小至5μw。AD7945的輸入是計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的12路并行信號，可以從0計(jì)數(shù)到2048。第1個引腳IOUTl產(chǎn)生的是轉(zhuǎn)換后對應(yīng)的電流輸出，需再經(jīng)過一個運(yùn)算放大器以后，才變成對應(yīng)的模擬電壓信號。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)受介電常數(shù)和桿長等影響，信號在導(dǎo)波桿上的衰減程度不同，因此需對信號幅值大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了使輸出信號的幅值足夠其在桿上有效傳播并接收，系統(tǒng)采用單片機(jī)控制這個幅值的大小變化。圖5中的VREF就能起此作用，單片機(jī)通過I/o端口對數(shù)字電位計(jì)的值調(diào)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT的幅值，進(jìn)而調(diào)節(jié)前端信號調(diào)制后輸出到導(dǎo)波桿的信號幅值。在被測液體介電常數(shù)小的時候，需加大VREF的值，反之則減小VREF的值。

信號測量電路設(shè)計(jì)

信號測量電路設(shè)計(jì)包括可變增益放大器電路、信號比較器電路和數(shù)字電位計(jì)電路等。

可變增益放大器電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行液位測量時，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)收發(fā)電路發(fā)射的脈沖信號的幅值是一個固定值。而從介質(zhì)液面反射的回波信號幅值不固定，其幅值大小受介電常數(shù)、導(dǎo)波桿的結(jié)構(gòu)、桿長等因素影響。

針對不同的使用工況，需要把回波信號在垂直方向上放大處理，用放大器的增益來補(bǔ)償電纜產(chǎn)生衰減引起的變化，對信號的幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于后續(xù)的信號比較電路進(jìn)行比較?？勺冊鲆娣糯箅娐啡鐖D6所示，設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器AD8554，它是一種四路零漂移的低噪聲放大器，失調(diào)電壓極低（僅為lμV）、零輸入失調(diào)電壓漂移以及極小偏置電流。

圖6中的INPUT信號即為收發(fā)電路板輸入到信號調(diào)理電路的液位回波信號，PWMl為單片機(jī)輸出的周期100ms占空比30%的脈寬調(diào)制信號，用于控制信號選取的時序信號。

可變增益放大電路的工作原理是單片機(jī)通過操作一路數(shù)字電位計(jì)的大小來調(diào)節(jié)放大的增益，實(shí)現(xiàn)輸入信號的放大改變。該電路設(shè)計(jì)的增益范圍為0―54dB。數(shù)字電位計(jì)值的選取主要取決于導(dǎo)波桿的類型、介電常數(shù)的大小和導(dǎo)波桿的長度等。

信號比較電路設(shè)計(jì)

由時域反射原理可知，從發(fā)射板得到的信號是液位回波信號，無液位時回波信號是正脈沖，有液位時則是負(fù)脈沖信號。所以對于后端信號處理需要獲取著兩種不同情況信號的時刻。

本設(shè)計(jì)采用TLC339作為比較器芯片，快速響應(yīng)時間只有為2.5μs，功耗極低。同時，在比較器電路后還使用了低功耗的74VHCOO來組成與非門電路，它的高速轉(zhuǎn)換時間僅有3.7ns。

信號比較電路比較的信號為脈沖時域展寬后的毫秒級信號，是實(shí)際信號傳播時間的K倍，這部分器件響應(yīng)速度的快慢對于信號計(jì)算影響非常大。電壓比較器電路如圖7所示。

回波信號首先經(jīng)過兩路比較器進(jìn)行比較，再經(jīng)過與非門電路，最后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。有、無液位時都能收到回波信號。為了區(qū)分有、無液位這兩種情況，需要采用兩個比鉸器。

無液位時，第一路比較器能夠比較出正脈沖，另外一路則沒有輸出信號：有液位時恰好相反，第一路比較器沒有輸出信號，另外一路則比較出正脈沖。由此，在有、無液位的時刻都能捕獲到脈沖的時刻，根據(jù)信號的時刻不僅能區(qū)分出是否有液位，還能區(qū)分出液位的真實(shí)高度。在經(jīng)過比較器比較后，可以比較得到回波的脈沖時間，然后再經(jīng)過與非門電路后就可以得到液位回波的觸發(fā)脈沖REVl和REV2信號，之后再送給單片機(jī)處理。

數(shù)字電位計(jì)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)可以通過數(shù)字電位計(jì)芯片來迅速改變電阻值，來調(diào)理電路部分的增益和比較電壓。本設(shè)計(jì)使用256bit的數(shù)字電位計(jì)芯片AD8403ARU100，它包括四個可選電阻，電阻值最大都為100k。單片機(jī)可以通過三路SPI端口來輸入和更改阻值。

AD8403ARU100電路如圖8所示，具體每個通道都應(yīng)用在各個電路中了。圖中每個通道的w端為可滑動端，win與兩頭的B端、A端間電阻值的計(jì)算為：

MSP430F149電路設(shè)計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的單片機(jī)電路設(shè)計(jì)主要有電源監(jiān)控電路和按鍵電路等。

電源監(jiān)控電路：電路使用了IMP706s，它能夠監(jiān)控的電壓是2.76V，起到監(jiān)控電源是否穩(wěn)定的作用，在電源電壓下降低于2.76V時能夠及時進(jìn)行復(fù)位。通過定時1.6秒喂看門狗來不斷循環(huán)監(jiān)測電源信號，使得當(dāng)程序不對時，通過這個芯片的看門狗也可以及時進(jìn)行復(fù)位操作。

單片機(jī)的按鍵電路：按鍵僅僅使用了UP、DOWN、ENTER三個按鍵，而且分別接了三個上拉電阻，分別代表上翻、下翻、確定操作。通過這些按鍵能夠調(diào)用各個具體菜單的模塊，從而完成介電常數(shù)、桿長、零點(diǎn)、滿點(diǎn)等各關(guān)鍵的參數(shù)的設(shè)定、修改和液位的顯示。通過按鍵可以引起單片機(jī)的I/O口產(chǎn)生中斷，從而確認(rèn)到底是哪個按鍵按下，以便軟件來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的菜單跳轉(zhuǎn)或者修改功能。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

第8篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

關(guān)鍵詞:串行A/D;數(shù)據(jù)采集器;高分辨率;TLC1549

中圖分類號:TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-099-03

Design of High Precision Multi-channel Data Acquisition System

XU Jianli

(Huai′an College of Information Technology,Huai′an,223003,China)

Abstract:With the development of information technology,the higher requirement is needed in the electronic measurement and control system. A method of data collector design based on serial A/D is presented,using the TLC1549 as the main IC and realizing a high revolution ,high precision data collector which adopts the upgrade of its resolution to meet the accuracy of 12 b and expands its electronic switch input channels to achieve the eight-way signal data acquisition. The circuit and soft flow of the system are given.

Keywords:serial A/D;data collector;high revolution;TLC1549

A/D轉(zhuǎn)換在電子測控系統(tǒng)中被廣泛使用,溫度、壓力等非電量的測量,電壓、電流等電量的測量,一般都是通過單片機(jī)(或其他控制芯片)控制A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)換速度要求不是太高的情況下,一般都采用串行A/D芯片,占用單片機(jī)的口線資源少,串行擴(kuò)展式測控系統(tǒng)是當(dāng)今的發(fā)展趨勢[1]。但串行A/D芯片的模擬通道少,不能滿足多路信號的測量,本文以TI公司的10位串行A/D芯片TLC1549為例,設(shè)計(jì)具有多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集有兩種方法實(shí)現(xiàn):A/D轉(zhuǎn)換和V/F轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換方式上,A/D轉(zhuǎn)換又分為積分A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器等;從接口形式上又分為并行A/D和串行A/D。V/F轉(zhuǎn)換是將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號,然后測出頻率再計(jì)算出物理量,它需要用計(jì)數(shù)器來測量頻率,只適合信號較少的場合[2]。

目前在以單片機(jī)為核心的測量控制系統(tǒng)中,A/D,D/A、存儲器等功能部件流行串行接口,可供選擇串行接口芯片的種類也日益增多[3]。本課題采用10位串行A/D芯片TLC1549,它是一款單通道逐次逼近A/D芯片。本課題通過提升它的測量分辨率,使之達(dá)到12位的精度,用電子開關(guān)擴(kuò)展輸入通道,使其能對八路信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]。

1.1 提升A/D分辨率方法

圖1是提升A/D分辨率的原理電路,其原理是通過調(diào)整其轉(zhuǎn)換的參考電壓,并將輸入信號分檔處理,從而提高測量轉(zhuǎn)換的分辨率。

圖1 串行A/D精度提升原理圖

如參考電壓設(shè)為5 V時,對5 V滿量程轉(zhuǎn)換,分辨率為:d=5/1 024;如果將參考電壓設(shè)置為2.5 V,對2.5 V滿量程轉(zhuǎn)換,分辨率為:d=2.5/1 024。顯然后┮恢智榭A/D轉(zhuǎn)換的精度高,是前者的一倍,測量精度達(dá)到11位,即將10位的A/D芯片提升到11位A/D的分辨率。以此類推,10位的A/ D芯片也可以設(shè)計(jì)成達(dá)到12位A/D分辨率。從圖1可以看出,只要能對輸入的信號進(jìn)行分檔處理,使輸入到A/D芯片的電壓信號小于等于1.25 V,將A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓也設(shè)置為1.25 V,則10位A/D轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到12位。

1.2 八通道12位數(shù)據(jù)采集器原理圖

TLC1549只有一路模擬量輸入通道,為達(dá)到設(shè)計(jì)爍鐾ǖ酪求,通過八選一模擬電子開關(guān)擴(kuò)展其八路通道,本系統(tǒng)用TLC1549設(shè)計(jì)的八路數(shù)據(jù)采集器原理框圖如圖2所示,包括模擬電子開關(guān)、量程分檔處理、10位串行A/D、顯示電路、單片機(jī)系統(tǒng)五部分。

圖2 八路數(shù)據(jù)采集器原理框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電子開關(guān)電路設(shè)計(jì)

圖3為模擬電子開關(guān)設(shè)計(jì)的八路A/D輸入通道。模擬電子開關(guān)采用CD4051。CD4051是八選一電子開關(guān),圖4為其引腳圖。A0~A7為八路輸入端,A為開關(guān)輸出端,E為芯片使能引腳,VEE是負(fù)電源,VCC為正電源,GND為電源地,S0~S2為八路開關(guān)選擇控制。由于CD4051的電子開關(guān)導(dǎo)通時有100 Ω左右的電阻,為消除開關(guān)電阻對輸入信號的影響,選通的信號通過跟隨器再送給后面的電路,同時提高輸入通道的輸入阻抗。820 kΩ電阻是為了消除通道懸空時跟隨器不穩(wěn)定輸出[5]。本系統(tǒng)中采用AT89S51單片機(jī),通道切換通過單片機(jī)P1.0~P1.2口分別控制CD4051的S0~S2引腳,選擇其中一路電子開關(guān)接通。

圖3 模擬電子開關(guān)通道

圖4 CD4051引腳圖

2.2 量程分檔處理電路設(shè)計(jì)

2.2.1 量程切換電路

圖5為量程切換電路。將電子開關(guān)輸出的模擬電壓分別通過跟隨器和三個減法運(yùn)算電路,減法器的反向輸入端分別加固定電壓:1.25 V,2.5 V,3.75 V?？梢缘玫剿慕M電壓輸出信號:V,V-1.25,V-2.5,V-3.75的電壓,分別加到模擬電子開關(guān)的四個輸入端,電子開關(guān)仍然用CD4051,在輸入信號0~5 V變換過程中,上述四組信號中,必有一組信號在0~1.25 V間,通過對電子開關(guān)的控制,使該組信號通過電子開關(guān),再經(jīng)過跟隨器送給A/D芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于只有4路信號切換,將CD4051的S2接地,S0,S1分別用單片機(jī)P1.3,P1.4口控制。選擇哪路信號作為A/D轉(zhuǎn)換信號,可以通過圖6所示的量程判別電路,用單片機(jī)口檢測。

圖5 量程切換電路

2.2.2 量程判別電路

圖6為量程判別電路。三個比較器的基準(zhǔn)分別取1.25 V,2.5 V,3.75 V,當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)時比較器輸出高電平,否則輸出低電平,將比較器的輸出分別送給單片機(jī)的P1.5,P1.6,P1.7口檢測。

圖6 量程判別電路

第9篇：模擬電路設(shè)計(jì)原理范文

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

【摘　要】智能高壓設(shè)備需要監(jiān)測的量較多，部分傳感器輸出的模擬信號幅值變化范圍較寬，給信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來一定的困難，本文根據(jù)工程實(shí)踐，提出了采用對數(shù)放大器進(jìn)行信號壓縮運(yùn)算的設(shè)計(jì)方法解決此問題，通過對數(shù)放大器信號采集系統(tǒng)電路采集NI信號源電流信號，驗(yàn)證了該信號采集電路的測量精度。

關(guān)鍵詞 智能高壓設(shè)備；寬范圍變化信號；對數(shù)放大器；信號壓縮

0　引言

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推廣與普及，電網(wǎng)設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，與之相關(guān)的傳感器技術(shù)也快速發(fā)展。傳感器是一種將設(shè)備狀態(tài)的各種物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電信號的部件。由于電信號容易進(jìn)行各種處理，故無論被測量是電量還是非電量，一般都要通過各類傳感器將其轉(zhuǎn)換成電信號后再處理[1]。大部分傳感器輸出的都是模擬信號（電流、電壓等），在傳感器信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供后續(xù)處理電路進(jìn)行分析、計(jì)算、通信等。在智能變電站中，需要傳感器采集監(jiān)測的量類型很多，部分被監(jiān)測量的變化范圍很大，導(dǎo)致傳感器輸出的模擬量變化范圍也較大，給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來一定的困難。

1　智能高壓電器寬范圍變化信號

智能高壓電器中，需要監(jiān)測的量很多，主要包括兩個方面：1、主電路的實(shí)時電量參數(shù)，如：電流、電壓、頻率、相位等；2、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，如開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)、機(jī)械狀態(tài)、絕緣情況等。

在被監(jiān)測量中，部分量的變化范圍很寬，例如：126kV變電站正常狀態(tài)下，主電路的電流，從0A到4kA；避雷器泄漏電流，要求監(jiān)測范圍從100μA到50mA。一般情況下，傳感器的輸出信號都是與變化信號成線性關(guān)系的模擬信號，因此，傳感器的輸出信號變化范圍也較大。

2　傳感器信號的處理

在高壓電器設(shè)備中，需要監(jiān)測的量，通過傳感器轉(zhuǎn)換為模擬量，再經(jīng)過處理電路，變成可以用于微處理器運(yùn)算和通信的數(shù)字信號。傳感器將監(jiān)測到的物理量變化以模擬量的形式輸出（連續(xù)變化的電流、電壓），該模擬信號經(jīng)過整形、濾波、放大處理，轉(zhuǎn)換為可以穩(wěn)定進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換）的信號，此模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號。

2.1　信號調(diào)理電路

傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。傳感器把需要測量的物理量轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，成為傳感器的原始輸出信號，這些信號往往比較微弱，并且受環(huán)境因素影響較大，信號上疊加一定的干擾信號，需要經(jīng)過調(diào)理電路，對信號波形進(jìn)行調(diào)理，才能夠進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該調(diào)理過程一般包括濾波和放大。

2.2　寬范圍變化信號的放大問題

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若待測信號是很微小的電信號，需要用放大器來加以放大[2]。普通運(yùn)算放大器的放大增益是由硬件電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定的，如果要更改放大增益，需要對硬件電路進(jìn)行修改，即普通運(yùn)算放大器電路對待測信號的放大倍數(shù)是固定的[3]。如果放大倍數(shù)低，則不能滿足微弱信號的測量需求，如果放大倍數(shù)高，則較大的信號經(jīng)放大后，容易失真，不能滿足后續(xù)運(yùn)算需求。

在智能高壓電器中如何解決寬范圍信號放大檢測問題，對信號進(jìn)行非線性壓縮計(jì)算是一種很好的解決思路。對于函數(shù)Y=log10 X ，當(dāng)X=1時Y=log10 1=0；當(dāng)X=10時， Y= log10 10=1；當(dāng)X=100時，Y=log10 100=2。X每擴(kuò)大10倍，Y只增加一個數(shù)量級，X在一個很大的范圍內(nèi)變化時，Y只在一個很小的范圍內(nèi)變化。所以，對數(shù)放大器具有很好的壓縮性。

3　寬范圍變化信號檢測電路設(shè)計(jì)

3.1　對數(shù)運(yùn)算放大器

理想的對數(shù)放大器是輸出信號幅值與輸入信號幅值成對數(shù)關(guān)系的放大電路。實(shí)際的對數(shù)放大器在輸入信號幅值較小時，具有線性放大的功能增益較大；當(dāng)輸入信號較大時，具有對數(shù)放大的功能，增益隨輸入信號的增加而減小[4]。在寬范圍變化信號測量領(lǐng)域，輸入信號在短時間內(nèi)會有很大變化，輸出信號應(yīng)穩(wěn)定在幾十毫伏到幾伏之間。對數(shù)放大器能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出增益可以避免輸入信號過大時，增益過大所產(chǎn)生的飽和。

圖1中，橫軸為對數(shù)刻度，當(dāng)VX=VIN時，對數(shù)為零，稱VX為對數(shù)放大器的截止電壓。VY是10 VX對應(yīng)的輸出電壓，即以10為基數(shù)，對應(yīng)的對數(shù)為1時，輸出值。VX、VY為對數(shù)截距，VOUT為輸出電壓。

VOUT = VY log | VIN/VX |

從圖3可以看出，隨著輸入電壓VIN的增加，其對應(yīng)的輸出值的增益減少。

3.2　對數(shù)放大器電路原理

對數(shù)放大器利用硅二極管上的電壓與流過它上面的電流成對數(shù)關(guān)系的原理制成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

硅二極管的正向特性曲線函數(shù)為

V =（kT/q）ln(I/Io) （1）

圖4所示基本對數(shù)放大器構(gòu)架的轉(zhuǎn)換方程為：

VO=kT/ln(I/IO)≈0.061 log(VIN/(RINIO)) （2）

圖2　對數(shù)放大器基本原理

式（1）和（2）中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷，I為正向電流，為反相飽和電流；VIN為輸入電壓，RIN為輸入電阻。

3.3　對數(shù)運(yùn)算放大器應(yīng)用電路

對數(shù)運(yùn)算放大器應(yīng)用于寬范圍變化信號測量系統(tǒng)中，傳感器發(fā)出小的傳感器信號，經(jīng)過濾波電路接入對數(shù)放大器，對數(shù)放大器的輸出經(jīng)過一定增益的線性放大后，接入A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。

DSP接收到轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，根據(jù)對數(shù)放大器的輸出特性及線性放大增益，計(jì)算出對應(yīng)的傳感器輸出信號，從而得到待測信號信息。

對數(shù)放大器應(yīng)用于測量系統(tǒng)中，可以簡化硬件電路設(shè)計(jì)，在小信號、寬范圍變化信號檢測系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢。

4　試驗(yàn)及結(jié)論

采用對數(shù)放大器方案，設(shè)計(jì)一個信號處理系統(tǒng)，NI公司的PXI-4132系統(tǒng)作為信號源，信號采集系統(tǒng)對信號源電流信號進(jìn)行采集處理，對比信號采集系統(tǒng)實(shí)際測量的試驗(yàn)結(jié)果。

注：當(dāng)信號源發(fā)出的電流信號較小時，信號采集系統(tǒng)由于受到外界干擾，測量電流顯示值會在一定區(qū)間跳變.

通過表1數(shù)據(jù)可以看出，對數(shù)放大器信號采集系統(tǒng)所采集到的結(jié)果與NI信號源發(fā)出電流信號相比誤差并不大，因此，該系統(tǒng)有較好的采集精度。可應(yīng)用于多種寬范圍變化量的采集。例如，變電站中避雷器絕緣性能在線監(jiān)測是通過監(jiān)測其泄漏電流實(shí)現(xiàn)的，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測范圍應(yīng)是100μA-50mA，最大值是最小值的500倍，如果再考慮監(jiān)測精度要求，一般放大電路難以滿足需求，該電路的特性可滿足此監(jiān)測范圍的需求。而電子式電流互感器應(yīng)用于126kV智能站時，其主電路電流變化范圍從0A-4kA，短路電流則可能更大，監(jiān)測的最大值和最小值相差104倍，一般的放大電路難以滿足需求，此電路的輸出特性能夠滿足監(jiān)測需求。

參考文獻(xiàn)

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