電源電路設(shè)計方法精選(九篇)

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第1篇：電源電路設(shè)計方法范文

關(guān)鍵詞：proteus仿真賽 獨(dú)立學(xué)院 培訓(xùn)方法

我校自 2012年以來，一直在組織培訓(xùn)學(xué)生參加江西省電路仿真設(shè)計比賽，這個比賽是基于 proteus和 keil軟件進(jìn)行的，要求參賽學(xué)生熟悉模擬電路、數(shù)字電路、傳感器技術(shù)以及單片機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的知識，比賽以組委會組織專家組命題的形式進(jìn)行，要求學(xué)生在 8小時內(nèi)完成設(shè)計任務(wù)。那么，如何讓學(xué)生在有效的時間內(nèi)，順利完成比賽任務(wù)，就和平時的準(zhǔn)備和訓(xùn)練息息相關(guān)，一套行之有效的培訓(xùn)方法是學(xué)生成功獲獎的關(guān)鍵，本文給出了筆者多年來仿真比賽的培訓(xùn)經(jīng)驗，拋磚引玉，可以作為同行們培訓(xùn)的參考。

電路仿真比賽涉及知識面廣，對培訓(xùn)老師的要求比較高，同時比賽結(jié)果也是一所學(xué)校教學(xué)水平的側(cè)面反映，特別是那些注重工程實踐的課程的教學(xué)水平。以賽促改，是仿真設(shè)計比賽的直接目的，比賽過程中反映的各種問題都可以作為學(xué)校課程教學(xué)和實驗室建設(shè)的改革依據(jù)。競賽必將引起學(xué)院各級領(lǐng)導(dǎo)和廣大教師重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高實踐教學(xué)水平，重視實踐環(huán)境的改善，全面提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新素養(yǎng)。所以，電路仿真比賽積極促進(jìn)了學(xué)校實踐教學(xué)的改革和實用性人才培養(yǎng)模式的建立和推行。

一、傳統(tǒng)電路仿真教學(xué)模式存在的問題

1、傳統(tǒng)培訓(xùn)的方法存在缺陷

我校自2012年參賽，一直都在摸索有效的培訓(xùn)方法和體系，從近三屆比賽中學(xué)生暴露的各種問題充分體現(xiàn)了傳統(tǒng)培訓(xùn)方法的不足。其一，是掌握的知識面不夠?qū)挘R點(diǎn)分離，綜合能力不強(qiáng)。學(xué)生拿到一個設(shè)計任務(wù)之后，提出的設(shè)計方案存在不合理的地方，同時不能充分地論證和比較所給方案，設(shè)計也是采取生搬硬套的方式照搬參考模板，不會自己構(gòu)思新的設(shè)計電路；其二，學(xué)生綜合分析的能力有待加強(qiáng)，他們分析問題只看點(diǎn)不看面，更不用說系統(tǒng)的整體配合了，究其原因是生硬地理解所學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)，不能靈活地面對所接觸的各種電路。

2、課程理論教學(xué)脫離工程實踐

培訓(xùn)過程中，布置給學(xué)生任務(wù)之后，學(xué)生不能迅速找準(zhǔn)相關(guān)的資料參與設(shè)計，多數(shù)學(xué)生首先選擇的參考資料就是教材和教學(xué)參考書，說明學(xué)生的思維始終停留在傳統(tǒng)教學(xué)的培養(yǎng)模式中，缺乏工程意識，思維有局限性。同時也反映了平時我們的課程教學(xué)也存在脫離工程實際的缺陷。

3、教學(xué)工作中缺乏對學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)

在培訓(xùn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生不太習(xí)慣計算元件參數(shù)的值，而采取實驗匹配的辦法來選擇使用的元件，而大多數(shù)同學(xué)不習(xí)慣使用實驗數(shù)據(jù)表格對設(shè)計進(jìn)行分析，獲得實驗數(shù)據(jù)之后也不能正確總結(jié)歸納數(shù)據(jù)的規(guī)律，電路調(diào)試和故障排查的能力比較差。這些現(xiàn)象側(cè)面反映了我們的實驗教學(xué)內(nèi)容驗證型的實驗過多，綜合設(shè)計型實驗過少，沒有培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力。

4、教學(xué)中缺少編程思想方面的培養(yǎng)

電路仿真比賽中的題目是必須使用單片機(jī)的，采用的語言是 C語言，我們學(xué)校開設(shè)了很多和單片機(jī)編程有關(guān)的課程，比如《微機(jī)原理與接口技術(shù)》、《單片機(jī)原理與技術(shù)》以及《 C語言程序設(shè)計》等，但是這些課程的教學(xué)過于注重語言、語法的解釋，而沒有很好地加強(qiáng)學(xué)生編程思想的培養(yǎng)。導(dǎo)致學(xué)生不會編程，影響了比賽的成績。

二、電路仿真設(shè)計比賽培訓(xùn)方法的創(chuàng)新

如何提高學(xué)生在電路仿真設(shè)計比賽中的成績，針對培訓(xùn)中出現(xiàn)的各類問題和歷屆本校電路仿真設(shè)計比賽成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)，本文提出一些列培訓(xùn)方法的創(chuàng)新。

1、重視實踐教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)

構(gòu)建電路仿真設(shè)計相對獨(dú)立的實踐培訓(xùn)體系，首先要求培訓(xùn)教師拋棄傳統(tǒng)教學(xué)觀念，從以教師為核心的傳統(tǒng)授課模式變成以學(xué)生為主老師為輔的培訓(xùn)模式；從單一的實驗驗證培訓(xùn)體系轉(zhuǎn)換成層次型、綜合性性項目、案例式培養(yǎng)體系。

培訓(xùn)過程中，同一個電路或者模塊讓學(xué)生自己整理多個方案，并獨(dú)立完成對方案的評價和論證，讓學(xué)生自己選擇不同型號的芯片實現(xiàn)同一功能，并總結(jié)對比其優(yōu)劣，不同的芯片使用過程中電路如何修改？為什么改變。為了配合這一環(huán)節(jié)有效進(jìn)行，要求學(xué)生參閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，多上圖書館和相關(guān)網(wǎng)站積累設(shè)計經(jīng)驗，并以論文、讀書筆記以及產(chǎn)品制作的方式提交培訓(xùn)作業(yè)，由老師仔細(xì)批改，認(rèn)真點(diǎn)評。

2、采取項目導(dǎo)向、任務(wù)驅(qū)動的培養(yǎng)模式

改變傳統(tǒng)的先講理論，在根據(jù)理論進(jìn)行實踐論證的授課方式，每次培訓(xùn)內(nèi)容都以項目案例為素材，一次課解決一個工程實際問題。對于單片機(jī)系統(tǒng)的培訓(xùn)，我們選用若干個典型的單片機(jī)產(chǎn)品，結(jié)合一些工程小案例或者項目，把單片機(jī)中斷、定時計數(shù)器、串行通信、 I/0口等理論知識融合在項目設(shè)計中，讓學(xué)生在實際動手過程中深刻體會到什么是端口？什么是中斷？為什么要中斷？等理論問題，變抽象理論為具體形態(tài)，讓學(xué)生在真實的模型下建立其中斷、端口和定時計數(shù)等概念，為以后的設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

3、聯(lián)系實驗室教學(xué)部門，實行全開放式實驗教學(xué)

我們和實驗室進(jìn)行了溝通，實行全開放式實驗教學(xué)。充分發(fā)揮開放實驗室的作用，制定了開放式實驗室的管理辦法以及開放式實驗教學(xué)方案，充分保障開放實驗室工作的有序進(jìn)行。開放性實驗室是分層次面對不同學(xué)生開放的，一定時期內(nèi)，每一個層次的實驗室對應(yīng)一個開放式實驗項目，配備指導(dǎo)教師，由指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)推行對應(yīng)實驗室的項目教學(xué)工作。

開放式實驗室的推行，大大提升了學(xué)生動手能力，是一個對電路仿真賽培訓(xùn)起著重要作用的側(cè)面措施，負(fù)責(zé)開放式實驗室的教師都是電路仿真設(shè)計賽的指導(dǎo)老師，這樣的方式給學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)帶來了好處，同時也重構(gòu)了師生關(guān)系，讓之后的系統(tǒng)培訓(xùn)工作變得順利。

4、加強(qiáng)課外電子活動，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

我校組建了電子設(shè)計興趣小組，開展了各種不同形式的第二課堂活動，培養(yǎng)學(xué)生電子設(shè)計者必須具備的獨(dú)立思考、綜合分析和解決問題的能力，充分利用學(xué)校機(jī)房和實驗室作為學(xué)生活動的場地，配備專門的老師進(jìn)行指導(dǎo)和協(xié)助，成立電子設(shè)計創(chuàng)新指導(dǎo)中心，對選拔后的學(xué)員進(jìn)行指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)制，幾乎是一對一的輔導(dǎo)形式，讓這些拔尖的學(xué)生可以參與老師的科研項目，獨(dú)立承擔(dān)科研課題中的小型項目設(shè)計。鼓勵學(xué)生多動手，多參加這樣的科技活動。

三、結(jié)語

大學(xué)生電路仿真賽是一個實踐性很強(qiáng)的比賽，其培訓(xùn)過程是一個細(xì)致而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^程，如何變理論為實際，是這個培訓(xùn)工作的中心，我們給出了很多輔助培訓(xùn)的項目，也研發(fā)了很多案例進(jìn)行課程培訓(xùn)，基本上滿足了受訓(xùn)學(xué)生具有電子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)能力。經(jīng)過近幾年的不斷探索與實踐，我們的培訓(xùn)和比賽工作都取得了一定成績，從 2102年開始每年比賽我們學(xué)校都有學(xué)生獲獎，累計獲得一等獎 3人次，二等獎 3人次，三等獎若干。實踐證明，這些培訓(xùn)的措施取得了較好的培訓(xùn)效果。

參考文獻(xiàn)：

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第2篇：電源電路設(shè)計方法范文

1高速數(shù)字電路的概念

高速數(shù)字電路是一種具有模擬特性作用的電路，主要由電路中高速變化的信號產(chǎn)生的電容、電感等所形成，集中參數(shù)系統(tǒng)以及分布參數(shù)系統(tǒng)是高速數(shù)字電路中最主要的兩個部分。其中，集中參數(shù)系統(tǒng)簡化了低速數(shù)字電路設(shè)計，使其保持理想狀態(tài)，因此在高速數(shù)字電路技術(shù)中，集中參數(shù)系統(tǒng)并不適用，但是其卻適用于低速數(shù)字電路設(shè)計。一般來說，信號特性的改變主要由兩大因素造成，包括信號時間、信號的位置，因此元器件間的線路長度會對信號的特性產(chǎn)生直接影響，并且，線路中信號的傳輸并不具備實時性。

2高速數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)發(fā)展目前存在的問題

信號質(zhì)量在高速數(shù)字電路設(shè)計中的作用十分重要，如果信號的質(zhì)量無法得到保證，將會造成信號失真的情況，對生成正確地址、數(shù)據(jù)和控制信號產(chǎn)生不利影響，從而阻礙了系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素主要有：第一，系統(tǒng)中信號傳輸線位置上具有不相匹配的阻抗，反射噪聲的產(chǎn)生較為常見，將對信號的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響；第二，印刷板位置的電路密集度與信號線間的距離是呈反比例的關(guān)系，信號線間距離的減小使其電磁耦合變大，產(chǎn)生較大的影響，使信號間的串?dāng)_更加嚴(yán)重；第三，芯片電路在運(yùn)行時，附加在電源上的電阻及電感會影響其工作，造成大感應(yīng)電流的產(chǎn)生，使電源線及地線上電壓無法保持穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的波動現(xiàn)象。總而言之，克服影響信號質(zhì)量的有關(guān)因素，使高速數(shù)字電路信號質(zhì)量得到提高，從而進(jìn)行科學(xué)的電路設(shè)計已經(jīng)成為目前高速數(shù)字電路設(shè)計中的重要研究對象。

3高速數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)發(fā)展的相關(guān)措施

3.1對高速數(shù)字電路信號質(zhì)量的研究

高速數(shù)字電路信號質(zhì)量的設(shè)計包括反射研究以及干擾研究兩大方面，即研究各種信號在電路信號網(wǎng)中所產(chǎn)生的干擾，以及研究各種電路信號網(wǎng)傳輸信號的干擾，受電路中不同匹配的阻抗因素等影響，在低速數(shù)字電路設(shè)計中不需考慮反射這一因素。數(shù)字電路網(wǎng)在理想狀態(tài)下，其不同阻抗之間能夠相互匹配，并表現(xiàn)出較為明顯的連續(xù)性，因此線路的電壓和電流中無發(fā)射現(xiàn)象的產(chǎn)生。數(shù)字電路的設(shè)計過程中，不匹配的阻抗會影響電路傳播的波形，從而形成干擾，破壞信號完整性。在高速數(shù)字電路的設(shè)計中，使電路和臨界阻抗相匹配存在較大的困難，所以使系統(tǒng)穩(wěn)定在過阻的狀態(tài)，該方法具有較高的可行性。高速數(shù)字電路設(shè)計中，感性串?dāng)_是應(yīng)最先考慮的問題。按照有關(guān)理論可知，電路中的電流是循環(huán)流動的，并且其已經(jīng)成為一種狀態(tài)，然而其被大部分?jǐn)?shù)字電路設(shè)計人員忽略。信號的路線構(gòu)成電流環(huán)路，電流環(huán)路能夠影響電路中的電感，其中的電流同樣也受電磁場的影響而發(fā)生相應(yīng)的變化。設(shè)計者應(yīng)使電路中的電流環(huán)路盡可能減少，從而使感性串?dāng)_得到明顯控制，設(shè)計高速數(shù)字電路，一般能夠采用兩種策略來實行，也就是增加線路距離或者減小電流環(huán)路面積，從而保證高速數(shù)字電路信號的完整性，提高電路信號的質(zhì)量。

3.2對高速數(shù)字電路電源進(jìn)行設(shè)計

在高速數(shù)字電路的設(shè)計中，低電壓元器件是其中必不可少的因素，其一定程度上影響到電源的穩(wěn)定性。電源的穩(wěn)定性，其是指電源的波形質(zhì)量。高速數(shù)字電路設(shè)計中，線路器件在某種情況下將產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且電流量較大，此外數(shù)字電路也將產(chǎn)生較大的信號回路阻抗，主要由電感強(qiáng)度過大導(dǎo)致。以上因素均會對電源的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。電壓系統(tǒng)零阻抗是高速數(shù)字電路設(shè)計的理想狀態(tài)，因為信號回路的阻抗損耗可以忽略不計，電源系統(tǒng)各位置的電位也不容易發(fā)生變化。但是，理想狀態(tài)在現(xiàn)實中并不存在，電源分配系統(tǒng)一定會產(chǎn)生噪聲干擾，從而影響電路的正常運(yùn)行。設(shè)計人員應(yīng)充分考慮電源的電阻、電感等可能帶來的影響進(jìn)行高速數(shù)字電路設(shè)計，使電阻和電感保持較低的狀態(tài)。就目前而言，銅質(zhì)材料在電路系統(tǒng)中的使用較為普遍，其遠(yuǎn)不符合高速數(shù)字電路設(shè)計的需要，所以高速數(shù)字電路的設(shè)計還應(yīng)考慮其他可能產(chǎn)生影響的因素，其中，在電路中使用去耦電容就是一個切實可行的辦法。

4結(jié)語

第3篇：電源電路設(shè)計方法范文

關(guān)鍵詞： 信號完整性； OMAPL138； 反射； 串?dāng)_； 電源完整性

中圖分類號： TN911.6?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0089?03

0 引 言

當(dāng)今的數(shù)字電路設(shè)計中，隨著用戶需求的提高、半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，處理器芯片的速度越來越快、密度越來越大、面積越來越小[1]。與低速數(shù)字電路設(shè)計相比，高速數(shù)字電路設(shè)計不僅要保證電路原理圖設(shè)計的正確性，還要考慮當(dāng)數(shù)字信號的上升時間減小到一定程度時，無源元件的電容、電感特性所導(dǎo)致的信號完整性問題。如果信號完整性問題在電路設(shè)計中被忽略，將會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或無法運(yùn)行，甚至整個設(shè)計都要被，極大地降低了設(shè)計效率[2]。

所以，為了提高高速數(shù)字電路設(shè)計的首次成功率，信號完整性問題得到了越來越普遍的關(guān)注。這里結(jié)合OMAPL138的高速信號處理系統(tǒng)，對如何解決高速數(shù)字電路中的信號完整性問題進(jìn)行了具體的闡述。

1 系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)是基于OMAPL138的高速信號處理系統(tǒng)， OMAPL138是整個系統(tǒng)的核心。OMAPL138是美國德州儀器（TI）新推出的DSP+ARM雙核架構(gòu)的高性能處理器，其主頻最高可達(dá)456 MHz，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，不僅具有DSP超強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力，又面向應(yīng)用，具備ARM的豐富外設(shè)接口的特點(diǎn)，其外設(shè)接口包括EMIFA、EMIFB，UART，EMAC等[3]。DSP核和ARM核通過片內(nèi)共享內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行相互通信[4]。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)包括NAND FLASH模塊、DDRⅡ模塊、VME總線模塊、串口模塊和網(wǎng)口模塊。除了VME總線模塊需要通過FPGA進(jìn)行EMIFA到VME的接口轉(zhuǎn)換外，其他模塊都與OMAPL138相應(yīng)的外設(shè)接口直接連接。其中，NAND FLASH模塊用于存放引導(dǎo)程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)；DDRⅡ模塊用于系統(tǒng)運(yùn)行時過程文件和臨時數(shù)據(jù)的存儲[5]；VME總線模塊和網(wǎng)口模塊用于與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信；串口模塊用于連接上位機(jī)，系統(tǒng)調(diào)試時，可以打印調(diào)試信息。

該系統(tǒng)應(yīng)用在光刻機(jī)的物鏡控制箱中。系統(tǒng)工作時，首先通過網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送的物鏡中鏡片的位置、溫度等信息，然后經(jīng)由OMAPL138進(jìn)行高速數(shù)據(jù)處理，最后通過VME總線向驅(qū)動板卡發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，由驅(qū)動板卡對鏡片的位置、溫度等進(jìn)行調(diào)整。

2 信號完整性分析與仿真

常見的信號完整性問題主要包括：單條傳輸線的信號反射、相鄰傳輸線之間的信號串?dāng)_、時序控制以及電源完整性問題等。

在該系統(tǒng)中，高速信號的信號完整性特性主要表現(xiàn)在OMAPL138與DDRⅡ的接口上，DDRⅡ的時鐘最高可達(dá)312 MHz，地址、數(shù)據(jù)和控制信號頻率為時鐘的[12]，即156 MHz。下面主要以此接口為例，對信號完整性進(jìn)行分析，并在Cadence軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真說明。

2.1 單條傳輸線的信號反射

對于單條信號線來說，幾乎所有的信號完整性問題都來源于信號傳輸路徑上的阻抗不連續(xù)性所導(dǎo)致的反射。解決信號反射問題有三種方法：降低系統(tǒng)時鐘頻率、縮短PCB走線和端接阻抗匹配。第一種降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，第二種需要增加PCB板的層數(shù)，提高了設(shè)計成本，顯然這兩種方法都不可取，第三種是最有效的解決方法。端接阻抗匹配包括源端端接和終端端接，源端端接主要應(yīng)用于消除二次反射；終端端接又可分為并聯(lián)匹配、戴維寧匹配、交流中斷匹配、二極管匹配和串聯(lián)匹配[6]。幾種匹配方式中，只有串聯(lián)匹配最適用于大規(guī)模并行總線的的阻抗匹配應(yīng)用，所以對于DDRⅡ的地址、數(shù)據(jù)和控制總線都采用串聯(lián)端接阻抗匹配。

2.2 相鄰傳輸線間的信號串?dāng)_

形成串?dāng)_的原因有兩種，分別是電感性耦合和電容性耦合，它們會導(dǎo)致向前、向后兩種類型的串?dāng)_。串?dāng)_的產(chǎn)生和強(qiáng)度大小取決于傳輸線中電流的變化和走線的距離，電流變化的越快、走線距離越近，耦合就越強(qiáng)，串?dāng)_就越嚴(yán)重。因此，解決串?dāng)_問題的方法有兩種，分別是降低信號速率和增加走線間距。由于降低信號速率會影響系統(tǒng)的性能，所以應(yīng)采用增加走線間距的方式來減小相鄰傳輸線間的信號串?dāng)_。

2.3 時序控制

在高速數(shù)字電路設(shè)計中，對時序的要求非常嚴(yán)格，具體時序要求包括信號發(fā)送端的時序、傳輸路徑上的延時和信號接收端的時序。在PCB的實際設(shè)計中，就要通過控制傳輸線的阻抗和傳播延時滿足信號發(fā)送端和接收端對信號建立時間和保持時間的要求[7]。

2.4 電源完整性

關(guān)于電源完整性，在高速數(shù)字電路設(shè)計中，旁路電容和去耦電容的使用也非常重要。其作用主要包括：為各種噪聲提供流通到地平面的低阻抗通路；當(dāng)電源波動較大時，通過儲能為器件供電，保證電源的穩(wěn)定性。在本系統(tǒng)中，有源器件的每個電源引腳與地之間都布置了0.1 μF的電容，同時整個電路板上布置了若干大容量鉭電容。需要注意的是，電容的位置要盡量靠近器件的電源引腳；電容引腳走線盡可能短，因為引線越長，電感性的越強(qiáng)，電容的作用就越小。

3 結(jié) 語

現(xiàn)代高速數(shù)字電路設(shè)計中，信號完整性問題扮演著越來越不可忽視的角色。基于OMAPL138的高速信號處理系統(tǒng)，在測試中，沒有發(fā)現(xiàn)因為信號完整性問題而使系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的情況。實踐證明，分析信號完整性問題的產(chǎn)生原因，通過仿真得到解決信號完整性問題的方案，可以有效地防止反射、串?dāng)_等信號完整性問題對高速數(shù)字電路系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響，極大的提高了高速數(shù)字電路設(shè)計的一次成功率。

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第4篇：電源電路設(shè)計方法范文

【關(guān)鍵詞】時序控制；伽馬校正；DC-DC轉(zhuǎn)換；液晶顯示器

引言

TFT液晶屏采用行、列驅(qū)動的矩陣顯示方式，需要在前端增加一個特殊的轉(zhuǎn)換電路，就是“時序控制器”，將從外部供給的數(shù)據(jù)信號、控制信號以及時鐘信號分別轉(zhuǎn)換成適合于數(shù)據(jù)和柵極驅(qū)動IC的數(shù)據(jù)信號、控制信號、時鐘信號。它的功能是色度控制和時序控制。時序控制電路是整個顯示器動作時序的中心，配合每個圖框顯示的時機(jī)，設(shè)定水平掃描啟動，并將由界面所輸入的圖像數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成源極驅(qū)動電路所用的數(shù)據(jù)信號，傳送到源極驅(qū)動電路的寄存器中，并配合水平掃描，控制數(shù)據(jù)線驅(qū)動的適當(dāng)時間，從而實現(xiàn)圖像的顯示。這個“時序控制器”就是我們常說的時序控制電路，也稱為TCON電路，是TFT液晶屏可以正常顯示目前視頻圖像信號的關(guān)鍵部件。

液晶屏加固設(shè)計時，由于原屏配的TCON板在功能、性能和尺寸等方面往往不能滿足加固設(shè)計的要求，所以需要對TCON電路重新設(shè)計，以滿足使用要求，下面以一款6.4寸液晶屏為例介紹TCON板的設(shè)計。

1 基礎(chǔ)理論介紹

圖像信號的轉(zhuǎn)換，這是一個極其復(fù)雜、精確的過程，它需要先對信號進(jìn)行存儲，然后根據(jù)信號的標(biāo)準(zhǔn)及液晶屏的各項參數(shù)進(jìn)行分析計算，根據(jù)計算的結(jié)果再按規(guī)定從存儲器中讀取預(yù)存的像素信號，并按照計算的要求重新組合排列讀取的像素信號，成為液晶屏顯示適應(yīng)的信號。在這個過程中，圖像信號的時間過程、排列順序都進(jìn)行了重新的編排，完全改變了原來像素信號的時間順序關(guān)系，所以此電路稱為“時序控制電路”，其英語為Timing-Control，縮寫為TCON。TCON電路還要產(chǎn)生控制各個電路工作的輔助信號，重新編排的像素信號在輔助信號的協(xié)調(diào)下，施加于液晶屏驅(qū)動電路中，從而正確的重現(xiàn)出圖像。

液晶屏的整體驅(qū)動電路包括時序控制電路、灰階電壓（伽馬校正）發(fā)生電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、屏源極驅(qū)動（列驅(qū)動）電路、屏柵極驅(qū)動（行驅(qū)動）電路等，其構(gòu)成框圖如圖1所示。

我們平時所說的“TCON電路板”是圖1中的時序控制電路、灰階電壓發(fā)生電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路三部分，它們通常做在一塊獨(dú)立的電路板上。這塊電路板把前端送來LVDS格式的圖像信號，轉(zhuǎn)換為液晶屏周邊源極驅(qū)動和柵極驅(qū)動集成電路所需的RSDS格式的圖像數(shù)據(jù)信號，同時還輸出源極驅(qū)動、柵極驅(qū)動電路工作必須的驅(qū)動控制信號（STV、CKV、STH、CKH、POL），這些信號加到屏周邊的驅(qū)動電路上，最終實現(xiàn)圖像在液晶屏上的顯示。

2 TCON板電路設(shè)計

2.1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

驅(qū)動電路是一個獨(dú)立系統(tǒng)，這部分電路工作需要各種電源供電，如（Vmain供電、柵極驅(qū)動電壓VGH、VGL）、伽馬校正基準(zhǔn)電壓（VDA）等。為了保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，在T-CON電路中，專門設(shè)置了一個獨(dú)立的開關(guān)電源電路，該開關(guān)電源把主板送來的電源，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生邏輯驅(qū)動電路所需的Vmain、VDA、VGL、VGH等電壓。這個DC-DC轉(zhuǎn)換電路輸出要求無干擾、電壓精度高，是一個專門為邏輯驅(qū)動系統(tǒng)供電的開關(guān)電源電路。

本DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計采用TI公司的TPS65101電源芯片，該芯片能產(chǎn)生LCD需要的電壓Vmain、柵極開啟電壓VGH及柵極關(guān)斷電壓VGL。芯片內(nèi)部集成有3個DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中包括兩個充電泵和一個升壓轉(zhuǎn)換器，可以為小型TFT液晶屏提供高效的調(diào)節(jié)電壓。

DC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生行列驅(qū)動電壓Vmain，一個充電泵產(chǎn)生正電壓，作為TFT的開啟電壓VGH；另外一個充電泵產(chǎn)生負(fù)電壓，作為TFT的關(guān)閉電壓VGL，Gamma基準(zhǔn)電壓VDA采用Vmain。

2.2 伽馬校正電路

顯示屏的其源極驅(qū)動電路會向屏列電極施加一個幅度變化的像素信號電壓，而該電壓的變化與屏產(chǎn)生光點(diǎn)亮度的大小是一個嚴(yán)重畸變的非線性變化關(guān)系，呈現(xiàn)一個類似S形的曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)電壓等分變化時，液晶屏透光率變化中間拉長，兩邊壓縮。在圖像信號電壓低亮度和高亮度時，出現(xiàn)了液晶屏透光率變化迅速的現(xiàn)象，而在圖像信號電壓在中等亮度時，屏透光率變化非常緩慢，這樣重現(xiàn)的圖像會出現(xiàn)非常難看的灰度層次失真，是需要解決的。因此，在液晶屏的T-CON電路中，針對這種失真現(xiàn)象專門設(shè)計了一個電壓校正電路，它采用一系列幅度變化不成比例的預(yù)失真電壓，對失真曲線進(jìn)行校正。這一系列的電壓我們稱為灰階電壓，而產(chǎn)生灰階電壓的電路稱為灰階電壓發(fā)生電路?；译A電壓組成的校正曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，當(dāng)液晶屏透光率等分變化時，校正電壓在圖像中間亮度區(qū)域進(jìn)行壓縮，變化加速，而在圖像信號低亮度和高亮度區(qū)域時，校正電壓變化緩慢。用這一系列變化的灰階電壓對圖像像素信號所攜帶的不同亮度信息進(jìn)行賦值，以糾正液晶屏的圖像灰度失真。伽馬校正就是這個矯正過程，相關(guān)電路也稱為伽馬校正電路。

本伽馬校正電路設(shè)計采用TI公司的BUF16821電源芯片，BUF16821提供16個可編程的GAMMA通道和2個可編程VCOM通道，所有通道都提供軌到軌的輸出且支持I2C接口編程。生成的GAMMA和VCOM值可以存儲在芯片的非易失性存儲器上。BUF16821支持多達(dá)16個的片上存儲器的寫操作。

伽馬校正電路如圖5所示，GAMA1-GAMA10提供GAMMA電壓，VCOM提供Vcom電壓，電壓值可通過I2C寫入芯片，并存儲在入芯片的非易失性存儲器。

2.3 時序控制電路設(shè)計

時序控制電路主要由一片專業(yè)TCON處理芯片構(gòu)成。該電路把前端送來的LVDS信號經(jīng)過邏輯轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生RSDS圖像數(shù)據(jù)信號，以及后級驅(qū)動電路所需的各種控制信號。

LVDS信號包括圖像的RGB基色信號、行同步、場同步信號及時鐘信號，這些信號進(jìn)入時序控制電路后，RGB基色信號轉(zhuǎn)換成為RSDS圖像數(shù)據(jù)信號，行、場同步信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成相關(guān)控制信號。

時序控制電路采用專業(yè)TCON處理芯片DTC34LN00R，如圖6所示，芯片將由CN1輸入的LVDS視頻信號轉(zhuǎn)換成液晶屏能顯示的信號，由CN2傳給液晶屏。

3 設(shè)計測試結(jié)果和顯示效果

按照上述介紹設(shè)計出TCON板，設(shè)計出TCON板各電壓測試值如表1所示，設(shè)計的TCON板安裝在加固顯示器，顯示效果如圖7所示。

4 結(jié)論

針對設(shè)計加固顯示器時需要對液晶屏的時序控制板重新設(shè)計的問題，采用本文介紹的方法，通過選用DC-DC電源芯片產(chǎn)生液晶屏的驅(qū)動電壓，選用TCON芯片產(chǎn)生液晶屏的時序控制信號，設(shè)計開發(fā)出TCON板，實現(xiàn)液晶屏的驅(qū)動功能。TCON板隨加固顯示器進(jìn)行了高低溫、振動的性能試驗，試驗表明設(shè)計能滿足加固顯示的要求。

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第5篇：電源電路設(shè)計方法范文

關(guān)鍵詞： ARM； 壓電陶瓷； 驅(qū)動電源； PI控制器

中圖分類號： TN911?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0166?05

High?resolution piezoelectric ceramic actuator power supply based on ARM

GE Chuan， LI Peng?zhi， ZHANG Ming?chao， YAN Feng

（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： According to the requirement of the micro piezoelectric actuator for driving power supply， a piezoelectric actuator power supply system was designed. In this paper， the digital circuit and analog circuit in the power supply system were described in detail. The accuracy and the stability of the actuator power supply were analyzed and improved. Finally， the performance of the power supply was verified in experiment. The experimental results indicate that the output voltage noise of the designed power supply is lower than 0.43 mV， the maximum nonlinear output error is less than 0.024%， and the resolution can reach 1.44 mV， which can meet the requirement of static positioning control in the high resolution micro?displacement system.

Keywords： ARM； piezoelectric ceramic； driving power supply； PI controller

0 引 言

壓電陶瓷驅(qū)動器（PZT）是微位移平臺的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1?3]。然而壓電陶瓷驅(qū)動器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動電源。要實現(xiàn)納米級定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級。因此壓電陶瓷驅(qū)動電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺中的關(guān)鍵技術(shù)[3]。

1 壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 壓電驅(qū)動電源的分類

隨著壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展，各種專用于壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電源應(yīng)運(yùn)而生。目前驅(qū)動電源的形式主要有電荷控制式和直流放大式兩種。電荷控制式驅(qū)動電源存在零點(diǎn)漂移，低頻特性差的特點(diǎn)限制其應(yīng)用[4]。而直流放大式驅(qū)動電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，因而本文的設(shè)計原理采用直流放大式壓電驅(qū)動電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

圖1 直流放大式壓電驅(qū)動電源原理

1.2 直流放大式壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動電源電路主要由微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路和線性放大電路組成。通過微處理器控制D/A產(chǎn)生高精度、連續(xù)可調(diào)的直流電壓（0～10 V），通過放大電路對D/A輸出的直流電壓做線性放大和功率放大從而控制PZT驅(qū)動精密定位平臺。

該設(shè)計中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號及波形；采用18位電壓輸出DA芯片AD5781作為D/A轉(zhuǎn)換電路的主芯片，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流低壓信號；采用APEX公司的功率放大器PA78作為功率放大器件，輸出0～100 V的高壓信號從而驅(qū)動PZT。為實現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動電源分辨率的設(shè)計指標(biāo)達(dá)到1 mV量級。

2 基于ARM的低壓電路設(shè)計

2.1 ARM控制器簡介

壓電陶瓷驅(qū)動電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設(shè)備提供通用的輸入/輸出接口；作為控制器運(yùn)行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號或波形實現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對如上需求，本設(shè)計采用LPC2131作為主控制器[5]，LPC2131是Philips公司生產(chǎn)的基于支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI?S?CPU的微控制器，主頻可達(dá)到60 MHz；LPC2131內(nèi)部具有8 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存儲器；具有兩個通用UART接口、I2C接口和一個SPI接口。由于LPC2131具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅(qū)動電源的控制芯片。

2.2 D/A電路設(shè)計

由于壓電驅(qū)動電源要求輸出電壓范圍為0～100 V，分辨率達(dá)到毫伏級，所以D/A的分辨率需達(dá)到亞毫伏級。本設(shè)計采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉(zhuǎn)換器，輸出電壓范圍-10～10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/噪聲頻譜密度。另外，AD5781還具有極低的溫漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，該D/A轉(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D/A電路設(shè)計如圖2所示。

在硬件電路設(shè)計中，由于AD5781采用的精密架構(gòu)，要求強(qiáng)制檢測緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，確保達(dá)到規(guī)定的線性度。因此選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。這里選用AD8676，AD8676是一款超精密、36 V、2.8 nV/雙通道運(yùn)算放大器，具有0.6 μV/℃低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低，用于設(shè)置AD5781為DAC二進(jìn)制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。

圖2 AD5781硬件設(shè)計電路圖

在ARM端的軟件設(shè)計中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時鐘相位、時鐘極性和通信模式[5]。正確的SPI接口時序配置圖如圖3所示。

圖3 主模式下的SPI通信時序圖

3 高壓線性放大電路設(shè)計

本文壓電驅(qū)動電源采用直流放大原理，通過高壓線性放大電路得到0～100 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓驅(qū)動壓電陶瓷。放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和線性度， 是整個電源的關(guān)鍵。

3.1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計

放大電路采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為8 mV，溫漂-63 V/°C，轉(zhuǎn)換速率350 V/μs，輸入阻抗108 Ω，輸出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB?；赑A78的線性放大電路設(shè)計如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為，得到輸出電壓范圍為0～100 V。

如果運(yùn)放兩個輸入端上的電壓均為0 V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0 V。但事實上，由于放大器制造工藝的原因，不可避免地造成同相和反相輸入端的不匹配，使輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象被稱為溫度漂移（溫漂），溫漂的大小隨時間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C，并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機(jī)的，使PA78無法應(yīng)用于毫伏級分辨率的電壓輸出，需要對放大電路進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 線性放大電路

3.2 放大電路的改進(jìn)

這里將PA78視為被控對象G（S），將失調(diào)電壓和溫漂視為擾動N（S），這樣就把提高放大器輸出電壓精度轉(zhuǎn)化成減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的控制器設(shè)計的問題。在控制器的設(shè)計中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種[6]。一般來說反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡單。但是在高壓放大電路中，反饋信號是由PA78的輸出級提供。反饋信號的功率較高，為元件選型和電路設(shè)計帶來不便，故線性放大電路中不使用反饋校正法[7]。而在串聯(lián)校正方法中，有源器件的輸入不包含高壓反饋信號，所以該設(shè)計采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI（比例?積分）控制器G1（S）進(jìn)行校正，如圖5所示。

圖5 放大電路串聯(lián)校正控制系統(tǒng)

圖5中，PI控制器將輸出信號c（t）同時成比例的反應(yīng)輸入信號e（t）及其積分，即：

（1）

對式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換得：

（2）

由式（2）觀察可得，PI控制器相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中增加了一個位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，開環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統(tǒng)的型別，由于系統(tǒng)的型別的提高可以減小系統(tǒng)的階躍擾動穩(wěn)態(tài)誤差（對于線性放大電路，可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動[8]）。同時PI控制器還增加了一個位于復(fù)平面中左半平面的開環(huán)零點(diǎn)，復(fù)實零點(diǎn)的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，緩解由犧牲的動態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響[9]。

放大電路的設(shè)計中采用有源模擬PI控制器，改進(jìn)后的線性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的輸入失調(diào)電壓低于50 μV（滿溫度行程下），電壓噪聲≤0.04 μV（P?P）@0.1～10 Hz，因此適合用于串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。

校正環(huán)節(jié)的系統(tǒng)函數(shù)為，其中、，調(diào)節(jié)R7，R8和C4的參數(shù)值，達(dá)到減小輸出誤差的目的。

3.3 相位補(bǔ)償

從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此保證控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性的方法是使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度即相角裕度。

由于實際電路中存在雜散電容，其中放大器反向輸入端的對地電容對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響[10]。如圖6所示，采用C5和C6補(bǔ)償反向端的雜散電容。從系統(tǒng)函數(shù)的角度看，即構(gòu)成超前校正[10]，增加開環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率，從事增加系統(tǒng)帶寬提高響應(yīng)速度。

PA78有兩對相位補(bǔ)償引腳，通過外部的RC網(wǎng)絡(luò)對放大器內(nèi)部的零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內(nèi)部的零極點(diǎn)位于高頻段。根據(jù)控制系統(tǒng)抗噪聲能力的需求，配置RC網(wǎng)絡(luò)使高頻段的幅值特性曲線迅速衰減，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖6中，R4，C1與R5，C2構(gòu)成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖6 改進(jìn)后的線性放大電路

此外電路中C3的作用是防止輸出信號下降沿的振動引起的干擾；R10起到偏置電阻的作用，將電源電流注入到放大器的輸出級，提高PA78的驅(qū)動能力。

將PI控制器的參數(shù)分別設(shè)置為KP=10、KI=0.02；超前校正補(bǔ)償電容分別為12 pF和220 pF；RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為R=10 kΩ、C=22 pF。利用線性放大電路的Spice模型進(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線如圖7所示。從圖中觀察可得，放大系統(tǒng)的帶寬可達(dá)100 kHz，從而保證了系統(tǒng)良好的動態(tài)特性，同時相角裕度γ>60°使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性（由于PZT的負(fù)載電抗特性一般呈容性，所以留有較大的相角裕度十分必要）。

圖7 改進(jìn)的放大電路的幅頻和相頻特性曲線

4 驅(qū)動電源實驗結(jié)果

實驗用壓電陶瓷驅(qū)動電源的穩(wěn)壓電源采用長峰朝陽電源公司的4NIC?X56ACDC直流電源，輸出電壓精度≤1%，電壓調(diào)整率≤0.5%，電壓紋波≤1 mV（RMS）、10 mV（P?P）。測量設(shè)備采用KEITHLEY 2000 6 1/2 Multimeter。

首先對DAC輸出分辨率進(jìn)行測量，ARM控制器輸出持續(xù)5 s的階躍信號，同時在DAC輸出端對電壓信號進(jìn)行測量，將測量結(jié)果部分顯示見圖8。圖8中顯示AD5781的輸出電壓分辨率可達(dá)3.89e-5 V，即38.9 μV。

在模擬電路中，噪聲是不可避免的。對于壓電驅(qū)動電源來說，噪聲的等級限制了驅(qū)動電源的輸出分辨率。圖9分別給出經(jīng)典放大電路和改進(jìn)后的放大電路的測試噪聲。從圖中可得通過使用PI控制器和相位補(bǔ)償元件將壓電驅(qū)動電源的輸出噪聲從1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。

圖8 DAC分辨率實驗圖

圖9 放大電路噪聲圖

圖10給出了放大電路的輸出分辨率，放大電路的分辨率決定了PZT的定位精度，如要實現(xiàn)納米級的定位精度，驅(qū)動電源的分辨率需要達(dá)到毫伏級。圖10中，輸出電壓的分辨率可達(dá)到1.44 mV。

圖10 放大電路分辨率實驗圖

最后，給出驅(qū)動電源電壓線性度曲線。線性度能夠真實的反映出輸出值相對于輸入真值的偏差程度[11]。線性度曲線如圖11所示。得到擬合直線Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非線性誤差為0.024%，能夠滿足精密定位需求。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動電源采用直流放大原理，具有低電路噪聲、高分辨率和低輸出非線性度等特性，同時驅(qū)動電源的帶寬可達(dá)100 kHz。以上特性使本文設(shè)計的壓電驅(qū)動電源能夠應(yīng)用于納米級靜態(tài)定位的需求，由于其性價比高、結(jié)構(gòu)簡單，故具有很高的實用價值。

圖11 輸出電壓曲線和非線性度曲線

參考文獻(xiàn)

[1] 張治君.一種壓電材料的新型線性高電壓驅(qū)動器[J].壓電與聲光，2012，34（4）：537?540.

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[3] 賴志林.壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯的滑模逆補(bǔ)償控制[J].光學(xué)精密工程，2011，19（6）：1281?1290.

[4] 榮偉彬.基于電流控制的壓電陶瓷驅(qū)動器[J].納米技術(shù)與精密工程，2007（5）：38?43.

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[7] 楊科科.基于模糊PID控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用與仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：152?154.

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[9] 楊慧.比例模糊控制在壓電陶瓷執(zhí)行器中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（10）：135?137.

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[11] 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].6版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

第6篇：電源電路設(shè)計方法范文

1.1傳統(tǒng)方法

高溫電路的設(shè)計的傳統(tǒng)方法主要是針對電子器件本身進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計，即采用耐熱設(shè)計、降低電子器件的功耗、選擇耐熱原材料，進(jìn)而提高電子器件的耐熱性。這種方法短期見效快，但是這種方法主要是針對普通高溫環(huán)境進(jìn)行的設(shè)計，應(yīng)用范圍小，同時如果電子器件長期處于高溫條件下，其整體性能不能得到保證。

1.2混合電路方法

混合電路方法主要是通過同時運(yùn)用現(xiàn)成的集成芯片和薄厚膜技術(shù)來設(shè)計電路的方法，這種方法下設(shè)計的電路性能居于傳統(tǒng)電路方法與專門功能設(shè)計方法之間。這項技術(shù)無論是在功耗方面還是在耐高溫方面都由于傳統(tǒng)電路設(shè)計方法，但是這種方法也存在一個重要的缺點(diǎn)就是設(shè)計、應(yīng)用成本高。

1.3專用功能電路方法

所謂的專用功能電路方法其實就是專門針對集成電路設(shè)計的一種特殊的設(shè)計方法，這種方法設(shè)計的電路耐高溫性能最高，針對性、適應(yīng)性較強(qiáng)，因此這種方法也成為了未來高溫電路設(shè)計的一個重要方向。

1.4三種高溫電路設(shè)計方法對比

在三種高溫電路設(shè)計方法中，專用功能方法下設(shè)計的電路具有功耗低，體積小、穩(wěn)定性高、針對性強(qiáng)、耐熱性好的特點(diǎn)，但是這種方法的有一個重要的缺點(diǎn)，即設(shè)計研發(fā)的成本高，設(shè)計周期較長。傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法與專用功能方法恰恰相反，它具有研發(fā)成本低，設(shè)計周期短的特點(diǎn)。對于混合電路方法來說，它的性能介于上述兩種方法之間。因此，我們在選擇電路設(shè)計方法時，要針對它所處的狀況進(jìn)行選擇，比如在普通的溫度下，最好采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，再比如在一些特殊的高溫環(huán)境下，我們則要采用專門功能方法。

2低功耗設(shè)計方法

提高電路耐高溫的性能除了采用耐高溫的元器件和優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)外，還可以通過降低功耗的方法實現(xiàn)。目前降低功耗的措施主要有降低供電電壓、實施降頻以及降低負(fù)載容抗等。其中最有效降低功耗的方法就是降低負(fù)載容抗。

2.1硬件設(shè)計方面

2.1.1高溫集成芯片具有耐高溫、功耗低的特點(diǎn)，所以進(jìn)行電子器件選擇時應(yīng)該盡量選擇集成芯片；

2.1.2較低的工作電壓可以較大幅度地提高電源的轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而減少轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的多余熱量，因此我們應(yīng)該在確保電路性能的基礎(chǔ)上，盡量降低電源電壓；3.1.3優(yōu)化電路設(shè)計，精簡元器件的數(shù)量；

2.1.4在允許的條件下，我們應(yīng)該做到硬件軟件化，用軟件代替硬件；

2.1.5軟件設(shè)計方面

2.1.5.1加大相關(guān)軟件的開發(fā)進(jìn)度，盡量用軟件取代硬件去工作，減低維護(hù)、運(yùn)營成本；

2.1.5.2可以充分利用中斷等手段減少電量的損耗；

2.1.5.3通過軟件和具體的應(yīng)用相結(jié)合來達(dá)到降低能耗的目的。

2.2結(jié)語

第7篇：電源電路設(shè)計方法范文

關(guān)鍵詞:波形發(fā)生器 SPCE061A 串行通信

1引言

波形發(fā)生器又叫信號發(fā)生器,在教學(xué)、試驗、測控等各個領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用,而且隨著現(xiàn)代電子通訊技術(shù)的發(fā)展,常常需要高精度,頻率可方便調(diào)節(jié)且應(yīng)用性強(qiáng)的波形信號發(fā)生器。而現(xiàn)有的波形發(fā)生器大多為單機(jī)操作型,通過按鍵來控制產(chǎn)生各種波形。在一些特殊的工作環(huán)境下(如高溫高壓,有輻射等),無法進(jìn)行人工操作,無法滿足特殊環(huán)境的工作需要。因此需要一種有效的方法來實現(xiàn)波形發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制。借助PC機(jī),結(jié)合串行通信技術(shù)可以用來實現(xiàn)對波形發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制。本設(shè)計正是研究通過PC機(jī)來遠(yuǎn)程控制由SPCE061A 嵌入式芯片設(shè)計的簡易數(shù)字波形發(fā)生器,該波形發(fā)生器能產(chǎn)生數(shù)字式的三角波、正弦波、鋸齒波等頻率可調(diào)的常用信號,應(yīng)用于某些特殊的工作環(huán)境(如高溫高壓,有輻射等),給生產(chǎn)生活帶來方便。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

波形發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種:(1)用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器,通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高,其工作不很穩(wěn)定,不易調(diào)試;(2)用集成芯片的函數(shù)發(fā)生器,可達(dá)到較高的頻率和產(chǎn)生多種波形信號,但電路較為復(fù)雜且不易調(diào)試;(3)利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器,能產(chǎn)生多種波形,達(dá)到較高的頻率,且易于調(diào)試;(4)利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片的函數(shù)發(fā)生器,能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率,但成本較高。

本設(shè)計采用第三種方法,直接采用凌陽作為波形發(fā)生器。PC機(jī)作為遠(yuǎn)端控制端,通過PC的RS232串行接口與SPCE061A最小系統(tǒng)的串行接口相連,由PC直接控制波形發(fā)生器輸出波形。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要包括以下電路:單片機(jī)SPCE061A小系統(tǒng)、電源電路、濾波放大電路、鍵盤電路以及單片機(jī)SPCE061A與PC機(jī)的通信接口電路。

3.1單片機(jī)SPCE061A

SPCE061A[1]嵌入式芯片其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu),把各功能部件模塊化地集成在一個芯片里,這樣就有效地減少了各功能部件之間的連線,提高了可靠性和抗干擾能力。SPCE061A單片機(jī)的通用串行通信接口為標(biāo)準(zhǔn)全雙工的通用異步接收器/ 發(fā)送器URAT 模塊。UART的接收信號Rx發(fā)送信號Tx分別是SPCE061A嵌入式芯片的并行I/ O口IOB7和IOB10共用,屬于B 口的特殊功能。SPCE061A嵌入式芯片內(nèi)部集成了兩路十位D/ A轉(zhuǎn)換器,因此可以方便的輸出電壓信號。

3.2系統(tǒng)電源電路設(shè)計

SPCE061A內(nèi)核電壓要求為3.3V,而I/O 端口的電壓可以選擇3.3V 也可以選擇5V。所以,可以具有兩種工作電壓:5V和3.3V。5V供電電壓采用LM2575與ILC7660兩片芯片構(gòu)成的電路來產(chǎn)生,5V電壓經(jīng)過一個二極管DN4148進(jìn)行電源定向,再通過LM1117-3.3進(jìn)行DC-DC電壓轉(zhuǎn)換。在電源模塊中通過三個電容進(jìn)行電源穩(wěn)壓濾波,為單片機(jī)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3V電源。電源模塊中通過一個LED燈指示電源狀態(tài),當(dāng)電源模塊有通電時,LED燈點(diǎn)亮,反之,LED燈熄滅。3.3V電源電路如圖2所示.。

圖2 3.3V系統(tǒng)電源電路原理圖

3.3濾波放大電路設(shè)計

濾波器是一種能使有用頻率的信號通過而同時能對無用頻率的信號進(jìn)行抑制或衰減的電子裝置[2]。在工程上,濾波器常被用在信號的處理、數(shù)據(jù)的傳送和干擾的抑制等方面。由運(yùn)算放大器和電阻、電容(不含電感)組成的濾波器稱為 RC 有源濾波器。濾波器按照所允許通過的信號的頻率范圍可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等。其中,低通濾波器只允許低于某一頻率的信號通過,而不允許高于該頻率的信號通過。高通濾波器只允許高于某一頻率的信號通過而不允許低于該頻率的信號通過。帶通濾波器只允許某一頻率范圍內(nèi)的信號通過而不允許該頻率范圍以外的信號通過。本設(shè)計采用二階壓控電壓源低通濾波器,它由兩節(jié)RC濾波電路和同向放大電路組成,此電路具有元件少、增益穩(wěn)定和頻帶寬等特點(diǎn)。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 濾波放大電路原理圖

3.4通信接口電路設(shè)計

雖然PC機(jī)與SPCE061A單片機(jī)都是采用異步串行通信,但是PC機(jī)和單片機(jī)的通信卻不能夠用電纜直接進(jìn)行連接,原因是PC機(jī)RS232串口的電平標(biāo)準(zhǔn)和單片機(jī)的TTL電平不一致,PC機(jī)的電平是+12V,而單片機(jī)一般輸入,輸出電平都是+(0~5)V。因此單片機(jī)和PC機(jī)之間的串口通訊必須要有一個RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換電路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖4示出了PC控制界面圖[3]。預(yù)輸出波形欄可以顯示輸出波形的大概形狀;通過波形選擇按鈕,可以任意選擇正弦波、三角波、鋸齒波這三種波形;通過頻率選擇粗調(diào)和微調(diào),可以精確設(shè)置輸出波形頻率;串口和波特率欄用于設(shè)置單片機(jī)與PC機(jī)通信模式。

圖4 PC機(jī)控制界面圖

整個波形發(fā)生器的軟件設(shè)計方案如圖5所示,采用外部中斷二來中斷目前所顯示波形,以便進(jìn)入下一波形的編輯和輸出,在波形輸出的同時利用外部中斷一來實現(xiàn)同步的頻率調(diào)節(jié)。

圖5 主程序流程圖

本設(shè)計波形的具體產(chǎn)生是通過兩路DAC來產(chǎn)生的。啟動控制程序后,首先進(jìn)行波形頻率選擇(粗調(diào)頻率),波形頻率的粗調(diào)是根據(jù)CPU的頻率變換而變換的,SPCE061A單片機(jī)的32768Hz的實時時鐘經(jīng)過PLL倍頻電路產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘頻率(Fosc),Fosc再經(jīng)過分頻得到CPU時鐘頻率(CPUCLK)可通過對P_SystemClock單元編程來控制,這就為我們設(shè)計提供了豐富的CPU時鐘選擇。默認(rèn)的Fosc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。我們可以通過對P_SystemClock單元編程完成對系統(tǒng)時鐘和CPU時鐘頻率的定義,改變設(shè)置將可提供多種頻率選擇。但由于SPCE061A芯片本身的性能,所產(chǎn)生波形的頻率不會很高。然后選擇要輸出的波形。而由外部中斷一實現(xiàn)的同步頻率調(diào)節(jié)(微調(diào)頻率),是通過改變抽取點(diǎn)的間隔及延時的改變來實現(xiàn)的。

5結(jié)語

在凌陽IDE集成開發(fā)環(huán)境下編程實現(xiàn)了鋸齒波、三角波和正弦波的波形程序,并實現(xiàn)了和PC機(jī)遠(yuǎn)程通信串口程序,以及波形發(fā)生器的控制程序。最終能夠通過PC機(jī)遠(yuǎn)程控制波形發(fā)生器輸出鋸齒波、三角波和正弦波三種周期性波形,并實現(xiàn)了波形頻率和幅度調(diào)節(jié)功能。

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第8篇：電源電路設(shè)計方法范文

摘要：文章指出疊加直流的HPPMS技術(shù)有直流部分占空比較高和不可控制2大缺點(diǎn)，在做沉積薄膜實驗時無法提供濺射所需的高功率，導(dǎo)致空比較低，濺射效率稍低的高功率脈沖產(chǎn)生。為了解決問題，需要研制一臺電源，并且該電源可以用中頻調(diào)制脈沖高功率磁控濺射MPP（Modulated pulsed power），普通高功率磁控濺射系統(tǒng)中的直流部分可以用低頻脈沖來代替，盡可能減少低頻脈沖占空比并且可以確保充分預(yù)處理，使高功率脈沖占空比盡可能最大，提高系統(tǒng)的濺射效率。

關(guān)鍵詞：調(diào)制脈沖；磁控濺射；HPPMS；MPP

近年來，國外發(fā)展了HPPMS（高功率脈沖磁控濺射）技術(shù)，并且這種技術(shù)具備一定高的離化率和很好的薄膜性能，因此在技術(shù)領(lǐng)域有一定的影響力。HPPMS的峰值功率高出普通磁控濺射達(dá)2個數(shù)量級；濺射材料離化率更是高達(dá)70%以上。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)目前在國內(nèi)外得到了廣泛的研究。本文將在HPPMS的基礎(chǔ)上設(shè)計研制一臺基于MPP（Modulatedpulsed power）技術(shù)的脈沖電源，其特點(diǎn)是：要想使低頻脈沖與高功率脈沖的占空比得到合理的控制必須采用起弧預(yù)處理低頻脈沖來實現(xiàn)，通過變化電路參數(shù)使低頻脈沖所占比例最小而高頻脈沖最大，并確?？梢杂行У念A(yù)處理，從而使電源在實際應(yīng)用中的工作效率達(dá)到最大程度的提高。

1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，我國現(xiàn)有的高功率脈沖磁控濺射電源有2種：（1）沒有經(jīng)過預(yù)處理，而使高功率脈沖信號加為負(fù)載。不足之處在于：難以使高功率脈沖信號的峰值功率保持不變，電流過大可能會引起起弧打火；（2）用并聯(lián)或者串聯(lián)的形式來設(shè)計脈沖電源疊加直流。其缺點(diǎn)是低頻脈沖占空大和預(yù)處理時間長，但是由于很難控制直流部分占空比，出現(xiàn)高功率脈沖部分（對于金屬離子的沉積具有實際意義的部分）占空比相對較低的情況，導(dǎo)致沉積效率在實際應(yīng)用中也不理想。

2研究現(xiàn)狀分析

目前在國內(nèi)外廣泛的研究是高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，這種技術(shù)具有濺射粒子離化率和能夠沉積出非常致密且具有高性能薄膜兩大優(yōu)點(diǎn)。成為目前在制造耐蝕和光學(xué)及其他各種功能薄膜領(lǐng)域內(nèi)一種新的突破的。

目前研制高功率脈沖磁控濺射電源的系統(tǒng)的技術(shù)有以下2種：（1）具有高功率脈沖峰值和沒有預(yù)處理兩大特點(diǎn)的高功率脈沖電源，這種電源容易產(chǎn)生起弧打火現(xiàn)象并且電壓和功率很難被控制；（2）具有不易起弧打火和有穩(wěn)定的工作狀態(tài)直流形式的脈沖疊加電源，這種電源靠直流部分來實現(xiàn)起弧預(yù)處理，但由于高功率脈沖占空比少于直流部分的占空比，金屬離子沉積效率在應(yīng)用中也相對比較低。

3電源的設(shè)計與研究

調(diào)制脈沖電源包括主電路、控制電路和保護(hù)電路。主電路包括高電壓（低頻預(yù)處理部分）和低電壓（磁控濺射部分）2部分，電路結(jié)構(gòu)的模式是直流串聯(lián)?？刂齐娐房梢酝ㄟ^CD4098改變脈沖信號脈寬、峰值密度、峰值電流。保護(hù)電路有主回路和功率器件2部分。

3.1主電路設(shè)計思路

主電路脈沖信號的產(chǎn)生分為2個步驟：

（1）初始脈沖信號的產(chǎn)生靠驅(qū)動電路和斬波電路來完成；（2）在控制電路中，改變脈沖信號脈寬可以依據(jù)調(diào)整電路參數(shù)來控制電路，從而2個不同寬矩形脈沖信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路（如CD4098）參數(shù)控制電路繼續(xù)調(diào)整，2個寬矩形脈沖被轉(zhuǎn)換為2個尖峰值高頻觸發(fā)脈沖信號。

3.2控制電路設(shè)計

初始脈沖、預(yù)放電脈沖和主放電脈沖信號的產(chǎn)生需要靠不斷改變電路內(nèi)部的參數(shù)來控制電路，從而使各部分脈沖信號可控，控制電路有主放電脈沖寬度設(shè)定電路、主放電IGBT保護(hù)電路、振蕩及預(yù)放電脈寬控制電路、電流反饋保護(hù)電路等4種。

3.2.1振蕩電路

振蕩電路被用來控制初始脈沖頻率和預(yù)放電時長、主放電脈沖頻率和脈寬、預(yù)放電脈沖頻率和脈寬，通過各個CD4098振蕩電路對信號進(jìn)行控制。

3.2.2主放電脈沖寬度的設(shè)定

CD4098為下降沿觸發(fā)需要和預(yù)放電脈沖后的主放電脈沖相連接，初始脈沖振蕩電路中設(shè)定預(yù)放電脈沖寬度的觸發(fā)器10腳（Q端）連接11腳下降并沿觸發(fā)端，預(yù)放電脈沖結(jié)束時，10腳（Q端）為下降沿。

3.2.3電流反饋保護(hù)電路

為了與設(shè)定基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，因此用從信號采集電路采集到的反饋信號輸入比較器LF353的負(fù)輸入端得出結(jié)論，如果表征電路中電流的反饋信號過小，那么比較器的輸出端輸出就會為正，電路關(guān)斷，起到了一定的保護(hù)作用。電位器的設(shè)定值與比較器輸出的電位值相比，如果反饋電位超過設(shè)定電位，比較器輸出電位就會翻轉(zhuǎn)，再通過CD4098翻轉(zhuǎn)來達(dá)到輸出負(fù)電位，起到保護(hù)作用。

3.2.4預(yù)放電IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

需要把預(yù)放電IGBT電路合成到控制電路板上是因為預(yù)放電設(shè)計電流值較低（1～10A），電壓高達(dá)甚至超過500V。通過采用光耦對2部分的電路來進(jìn)行物理隔離可以使驅(qū)動電路與控制電路互不影響和干擾。當(dāng)光耦后面的電路出現(xiàn)短路或者過流時不會對前級電路造成影響，從而也方便對電路的檢查，同時也提高了電路的安全與穩(wěn)定性能。為了保險起見，采用2個IGBT并聯(lián)的方式以減少單管的電流，并采用高壓光容和其他的方式一起進(jìn)行保護(hù)。

3.2.5主放電IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

本文采用的是基于M57962L的IGBT驅(qū)動電路保護(hù)設(shè)計方案，光電耦合是一種可以用來實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離的方法，由于隔離電壓高達(dá)2500V，因此需要配置短路/過載保護(hù)電路，以確保IGBT工作更加可靠。

電源輸出脈沖信號的波形如圖1所示，從該波形可以得出輸出脈沖信號是符合設(shè)計思路的，說明此設(shè)計電路具有一定的可靠性。

第9篇：電源電路設(shè)計方法范文

關(guān)鍵詞：電源完整性；高速電路；信號完整性；HyperLynx

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-8412(2016)02-226-04

引言

電子元器件朝著微型化、高集成度、多功能化的方向發(fā)展，其瞬態(tài)切換功率越來越高，工作電壓越來越低，噪音裕量變小，相應(yīng)的PCB板整體電路設(shè)計密度更高，速度更快，對電源的要求更加苛刻。在設(shè)計復(fù)雜程度提高的同時，設(shè)計整體PCB整體電路時，勢必遇到越來越多影響電源穩(wěn)定性的各種干擾因素，且目前的信號完整性仿真都是建立在電源系統(tǒng)絕對穩(wěn)定基礎(chǔ)之上的。所以在互連設(shè)計時，進(jìn)行電源完整性分析已成為必然。目前支持仿真的軟件有很多，本文主要利用Mentor公司的HyperLynx進(jìn)行仿真設(shè)計。

1電源完整性分析

電源完整性分析的主要目標(biāo)就是能夠給芯片電路提供干凈的電源，消除電源噪聲對芯片輸出信號的影響。電源噪聲對芯片的影響，會引起輸出信號的邏輯錯誤或者產(chǎn)生時序問題。此外，電源地網(wǎng)絡(luò)和信號網(wǎng)絡(luò)不是獨(dú)立的，而是緊緊耦合在一起的。所以電源地的噪聲還會通過耦合影響信號線，或者輻射到外面，會產(chǎn)生EMI、EMC的問題等等[1]。一個電源供給系統(tǒng)（PDS）由電壓調(diào)整器VRM、BULK電容、高頻退耦電容、電源地平面四個對象構(gòu)成[2]。一個理想的電源系統(tǒng)其等效阻抗應(yīng)該為零，即在平面任何地方的電位應(yīng)該保持穩(wěn)定不變的，但是在實際運(yùn)用中存在很大的噪聲干擾，甚至有可能影響系統(tǒng)的正常工作。因此電源完整性分析的核心就是設(shè)計整個電源供給網(wǎng)絡(luò)或者其中的一部分，在感興趣的頻率范圍內(nèi)降低整個網(wǎng)絡(luò)的阻抗，使得電源地網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲最小，而電源地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一個主要參數(shù)就是目標(biāo)阻抗，它的定義為：其中Power_Supply_Voltage為電源網(wǎng)絡(luò)的供電電壓，Allowed_Ripple為該網(wǎng)絡(luò)允許的最大紋波，Current為通過的電流值。當(dāng)前解決電源完整性首先要合理設(shè)計PCB疊層，在電源層和地層大面積鋪銅，提供低阻抗的路徑。對于由于芯片本身內(nèi)部引起的電源問題最有效的途徑就是合理的布置去耦電容[3]。因此解決電源完整性問題的關(guān)鍵應(yīng)該是選擇合適的電容、在合理的位置擺放這些電容，使PDS阻抗在系統(tǒng)的工作頻率范圍內(nèi)小于目標(biāo)阻抗。

2仿真分析流程

2.1系統(tǒng)簡介

以目前設(shè)計的一高速采集系統(tǒng)為例來詳細(xì)闡述仿真分析的流程。該系統(tǒng)采用高速ADC、高端FPGA以及高速光纖模塊為硬件平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳輸。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2.2電源完整性仿真

運(yùn)用HyperLynx內(nèi)嵌的功能模塊PI來進(jìn)行電源完整性仿真[4]。PI模塊仿真方式分為集總參數(shù)仿真和分布參數(shù)仿真。集總參數(shù)仿真即把整個電源平面看成一個集成點(diǎn)，而分布參數(shù)仿真采用頻點(diǎn)掃描，可選擇要仿真的管腳，看管腳之間的交互影響。一般我們在進(jìn)行電源Net仿真時，選擇集總參數(shù)對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗分析更加有效。集總參數(shù)仿真也可導(dǎo)出到預(yù)分析環(huán)境中進(jìn)行增減電容，替換電容，改變安裝方式，改變疊層等What-If分析方法來進(jìn)行該供電網(wǎng)絡(luò)的PCB優(yōu)化設(shè)計。首先設(shè)置板級的分析數(shù)據(jù)庫，將PCB板圖設(shè)計數(shù)據(jù)直接讀入，確定板材材料，明確PCB疊層關(guān)系，設(shè)置各電源網(wǎng)絡(luò)的直流電壓，導(dǎo)入去耦電容模型或設(shè)置去耦電容參數(shù)包括ESR和ESL。根據(jù)設(shè)計要求確定電源平面的噪聲容限，一般按照電源網(wǎng)絡(luò)的5%來定義，最大動態(tài)電流一般按照芯片工作最大電流的50%來計算要仿真的電源網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)阻抗。先對FPGA中關(guān)鍵的內(nèi)核電壓進(jìn)行仿真。通常用鉭電容來進(jìn)行板級低頻段去耦，可以用幾個或多個電容并聯(lián)以減小等效串聯(lián)電感。在高頻段，把去耦的頻率范圍分成3到4個頻段。在本系統(tǒng)中FPGA實際工作頻率為300MHz，在低頻段選擇多個470uf的鉭電容并聯(lián)，然后高頻段要考慮利用多個陶瓷小電容并聯(lián)簡單有效的減小阻抗，同時容值間隔不能太大，要有效控制反諧振點(diǎn)阻抗的幅度。通過計算，我們可以選擇2.2uf和0.1uf的電容組合為該電源網(wǎng)絡(luò)高頻段進(jìn)行去耦設(shè)計。圖2為FPGA內(nèi)核電壓網(wǎng)絡(luò)頻率—目標(biāo)阻抗曲線圖，從圖中可以在為300MHz時，最大的阻抗為0.071124，即紋波電壓最大為71mv。在實際設(shè)計時允許阻抗在目標(biāo)阻抗線上一點(diǎn)，因為仿真的時候沒有考慮芯片本身內(nèi)部的濾波設(shè)計。因此可以看出電容設(shè)計基本上是可以滿足阻抗設(shè)計要求的。同時還可對電源平面可進(jìn)行壓降和電流密度的仿真，防止器件出現(xiàn)失效過大的電壓降，導(dǎo)致器件邏輯出錯；或因過高的電流密度導(dǎo)致PCB損壞。從圖3可以看出，該電源網(wǎng)絡(luò)最大壓降為0.4mv，表層最高電流密度為14.7A/mm2，是能夠滿足設(shè)計要求的。

2.3信號完整性仿真

根據(jù)上一章節(jié)對電源完整性仿真的結(jié)果，同時可以對主要網(wǎng)絡(luò)的信號完整性進(jìn)行仿真，從而更直接的驗證電源完整性設(shè)計的合理性。對于本系統(tǒng)電路來說，由于要實現(xiàn)帶寬400MHz的中頻采樣，后期傳輸速率很大，因此要著重關(guān)注光纖數(shù)據(jù)的傳輸。選取其中一對光纖輸出差分線，導(dǎo)入到前仿真中，然后提取過孔的S參數(shù)模型，如圖4所示。圖5為傳輸速度為8Gbps的數(shù)據(jù)傳輸眼圖仿真結(jié)果，眼圖過渡良好，眼部充分張開，說明接收器側(cè)的FPGA可以輕松地解讀數(shù)據(jù)，能夠很好的實現(xiàn)8Gbps的數(shù)據(jù)傳輸。

3實際測試結(jié)果

在本系統(tǒng)實際測試中，運(yùn)用光纜實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)自回環(huán)，通過計算機(jī)端的FPGA邏輯分析軟件Vivado來觀察光模塊的工作狀態(tài)。測試結(jié)果如圖6所示，可以看出光模塊可以很好的實現(xiàn)8Gsps的數(shù)據(jù)傳輸，無誤碼出現(xiàn)。

4結(jié)束語

本文簡要的介紹了利用電路仿真工具進(jìn)行電源完整性以及信號完整性仿真的方法和流程，并結(jié)合項目中的電路設(shè)計進(jìn)行仿真，并對結(jié)果進(jìn)行了驗證。實踐證明：通過軟件對電路PCB板進(jìn)行電源完整性以及關(guān)鍵信號線進(jìn)行仿真，可以有效的縮短設(shè)計的周期，降低設(shè)計的難度，提高設(shè)計的可靠性。

參考文獻(xiàn)

高性能PCB的SI/PI和EMI/EMC仿真設(shè)計Ansoft培訓(xùn)手冊.

申偉,唐萬明,王楊.高速PCB的電源完整性分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,311(24):213-218.

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張海風(fēng)等編著.HyperLynx仿真與PCB設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.堵軍,高輝,