时间：2023-12-27 15:51:36
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电源电路设计原理，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
【关键词】C51单片机；电红外传感器；防盗报警
一、设计防盗报警系统的主要内容
本设计利用热释电红外传感器和单片机控制模块等器件，设计了基于热释电红外传感器的防盗报警系统。由于它利用的是人眼无法看到的人体发出的红外线作为信号源，组成一个无线的监控区域，所以具有极高的保密性和可靠性，只要有人非法侵入监控区域，人体发出的红外线就会被热释电传感器捕抓到，然后发出一个控制信号，这时电路就会给单片机控制系统输入信号，使整个报警系统工作，以引起相关人员注意，同时数码显示器点亮，显示报警地点。该报警系统由一台接收机和若干台信号探测器组成，根据防盗要求，发射机可设置在不同的需要的区域，接收机设置在一个固定的地方。首先，为系统设计方案划分功能模块。第一部分是电源模块；第二部分是红外探测模块（可以有多个红外探测器，置于多个需要的地方）；第三部分是主机模块（包括显示器，处理器，报警器等）。其次是确定硬件电路的设计，包括芯片选择，具体电路的设计（如红外探测电路，电源电路，主机电路，报警电路，显示电路等）。最后是软件部分的设计，软件的设计主要是以具体芯片以及理解具体的硬件电路的基础上，进行设计编程。
二、防盗报警系统的组成
防盗报警系统主要是由红外线人体入侵检测电路，编码与无线发射电路，无线接收与解码电路，单片机控制电路，显示电路，报警电路，遥控电路和电源电路。其框图如图1。
图1 防盗报警系统框图
其主要的原理为：红外线人体入侵检测电路的核心就是一个探测器，用来探测是否有人体非法入侵，如果没有人体入侵的话，就不输出信号或者输出的信号为0。当有人体入侵时，此探测器会根据人体的入侵速度发出1mV左右的脉冲电压信号（脉冲频率由入侵的人体的速度决定，在0.1Hz在10Hz之间）。之后，该电路对信号进行处理，滤除无用的信号和放大信号，使之能够为单片机直接采集到。单片机采集到信号后，根据信号发出控制信号。当采集到无人入侵时，使七段数码显示器显示“----”，报警电路不工作。当采集到诱人入侵信号时，使七段数码显示器显示相应的数据，如“1”、“2”，而且给报警电路发送控制信号，使报警电路工作，发出报警。电源电路为上面所诉的电路提供稳定的+5V的电压，而且，在电源电路中有一控制按钮，用来控制电源的通断，同时作为布防撤防按钮。在本设计中，当一处有报警信号时，显示器显示当前报警区域，当另外一处有报警信号时，显示器不显示报警区域，只有将系统撤防在布防后才能在此显示另外的报警电路。
三、硬件电路设计
1．电源电路设计。电源电路设计原理:考虑采用典型的变压器降压，全波整流，电容滤波及集成电路稳压的思路进行设计。由于单片机及其他电路等都用5V作为工作电源，所以在经整流和滤波电路后再用三端集成稳压电路进行稳压，为后续电路提供稳定可靠的5V直流电源，三端稳压集成电路采用LM7805。其中按键作为撤防/布防开关，控制系统的运行与停止。电源通过变压会使输入、输出电压不同，从而达到升压或降压的目的。具体电路图如图2。
图2 电源电路
2．信号采集电路设计。在探测技术中，所谓的“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠自然界的能量或者能量的变化来完成让车目的。被动式红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范的区域能移动时所引起的红外辐射变化，并能使主控电路产生相应控制信号，从而完成报警功能。图3所示为本设计采用的信号采集电路。
图3 信号采集电路原理图
其工作原理为：当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出的电压信号，然后使该信号先通过由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。犹豫热释电红外传感器输出的探测电压信号十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号。同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的亚东速度决定，通常为0.1Hz~10Hz左右）。所以应对热释电红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成放大器LM324进行两级放大，以使其获得足够的增益。当传感器探测到人体辐射信号的红外信号并通过放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过信号比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时这输出低电平信号。在该比较器中R8、R9、R10、R11用作参考电压，即参考电压分别为3.8V和1.2V。最后，这个信号将会传输给单片机P1口的相应引脚，为单片机提供源信号，使单片机发出相应控制信号，使整个系统作出相应的动作，从而完成系统任务。
3．主控电路设计。主控电路由处理模块，显示模块，报警模块三部分组成。处理模块即为单片机及其周边电路，报警模块即为蜂鸣器和红色LED灯组成的电路，显示模块即为7段数码显示器构成的显示电路。其工作原理是处理模块接受信号，判断其是那路信号采集电路的信号，然后产生相应的控制信号，控制显示器和报警器工作。本设计的报警电路才用的是简单的将发光二极管、报警器于单片机的P1.7引脚相接。因为一般情况下，单片机P1口为高电平，求，故P1.7通过一个非门取反后才与报警电路相接，使之能满足系统要。图4为报警电路的原理图。
图4 报警电路的原理图
本文简要介绍了防盗报警器的分类及主要内容，然后讨论了防盗报警系统的组成。在前面两个部分的基础上，本文对部分硬件电路进行了设计。包括电源电路设计、信号采集电路设计、报警电路设计。
参考文献
[1]丁明亮，唐前辉．51单片机应用设计与仿真――基于Keil C与Proteus[M]．北京：航空航天大学出版社，2008
[3]张毅刚．单片机原理及应用[M]．高等教育出版社,2003
[4]孙余凯，吴鸣山，项绮明．传感器应用电路300例[M]．电子工业出版社，2008
【关键词】三相逆变电源;DSP IC;全数字控制;设计
在当前，随着电力电子技术的高速发展，尤其是逆变技术在多领域的广泛应用，人们对逆变电源的性能要求也较过去有了较大程度的提高，不仅要求输出的波形质量尽量好，而且对其稳态与动态性能的要求也日益更高。基于此，本研究成功设计了一种基于DSP IC全数字控制的三相逆变电源，现对其技术方案简要陈述如下，以供业内人士参考。
1.本三相逆变电源的总体设计思路
在本设计方案中，主要包括的几个部分为：
①括主控制电路;
②驱动保护电路;
③工作电源;
④三相逆变电路;
⑤输出滤波电路;
⑥稳压电路;
⑦前级处理电路。
其具体设计思路如图1所示。
图1 三相逆变电源的总体设计思路
2.硬件设计
2.1 主控制芯片的选择及其特性简述
本设计选用的是美国微芯科技公司生产的DSP IC数字信号控制器（DSC）为电源的主控芯片，同时该芯片为16位闪存单片机设计，其快速中断处理能力与对设备的切断功能均颇为强大，另还兼具了数字信号处理设备（DSP）的数据吞吐和运算功能，进而在运算速度与数字信号处理方面有非常不错的表现，对指令的执行速度甚至超过了30MIPS。此外，该芯片还配备了自编程闪存，可耐受的工作环境温度可达到工业级。
2.2 电源开关元件的选择及其特性简述
本设计采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为电源开关元件，IGBT不但具有效应管（MOSFET）的高速开关功能，而且还具有电力晶体管（GTR）的低通压降优点，是一种集多方面优点于一身的复合型开关元件。
2.3 主控制电路的设计
在主控制电路的设计中，将复位、晶振、六路PWM输出以及报警等等多项功能考虑进其中，具体详见图2所示。
图2 主控制电路原理图
2.4 逆变电源开关元件（IGBT）的驱动电路设计
IGBT的门极驱动电路在很大程度上影响着其开关时间、功耗以及承受短路电路的能力，是关系到IGBT静、动态性能的关键部件，故其对应的驱动保护电路设计尤为重要，本次详细设计如图3所示。
图3 IGBT驱动电路设计图
2.5 逆变电源的保护电路设计
一旦出现输入（出）电流与电压不稳定以及电源开关元件温度过度升高的情况，有可能对整个逆变系统造成破坏性的损坏，故在本设计中，分别设计了电源的输入过流保护电路（如图4所示）与超温保护电路（如图5所示），其中，以超温保护电路为例，一旦IGBT的温度超过了额定温度，主控芯片立即发出故障信号并自动将所有的IGBT切断，同时还将通过指示灯发出警报以提示已有异常发生。
图4 输入过流保护电路设计
图5 超温保护电路设计
2.6 逆变电路的稳压电路设计
在本设计中，为便于逆变控制系统调节输出电压的大小及波形，继而采用了闭环控制策略，具体详见图6所示。逆变电压经变压器降压整流后，再经分压电阻分压采样，形成闭环。
图6 稳压电路设计图
3.软件设计
综合借助DSPIC对数字信号的处理功能及其快速的计算能力，同时采用了SPWM脉宽调制技术，对六路PWM值实时计算，再将计算的结果传输到内部的PWM控制模块产生PWM波形。其中，开关频率选用20kHz，其周期为50μs，通过软件对所产生的PWM波形的正弦数值进行分析并生成表格，将其提前存储到控制芯片当中。存储正弦数字表为180个数值，根据波形的对称性和三相相位相互差120度的特性，在0到180的正弦数值表中加入一定计算就可以得到所需要角度的对应数值。控制芯片根据回馈采样，利用PI调节，对正弦数值表中的每个值进行重新计算后送如PWM模块，以达到稳压的目的。同时每1毫秒对所有输入采样和各种保护进行处理，若有保护信号动作，立即关闭PWM模块，使驱动波形变为无效，进而达到及时保护IGBT的目的。此外，为了最大程度减少启动器对器件产生的冲击，本设计在软件方面还特地增设了一个软启动程序，进而确保其输出的电压不会徒然升至过高。
4.实验结果
图7、图8所示为经过LC滤波前后的三相逆变电压线电压波形，频率为50HZ，符合设计要求。
图7 LC滤波前的逆变电压波形
图8 LC滤波后的逆变电压波形
5.结束语
本研究成功设计了一种基于DSPIC的全数字控制三相逆变电源，其样品目前已通过检测，检测结果显示，本产品采用DSPIC进行控制，其可控性、可靠性以及波形质量与带负载能力等，均显著优于传统电路设计，建议将其作为新一代逆变电源产品进行批量生产并推广应用。
参考文献
【关键词】直流电子负载；恒流恒压模式；蜂鸣器报警系统
0 引言
在电源、通信、蓄电池、能源等领域中，需要使用一些静态负载，通常采用电阻、电容、电感等或将它们的串并联组合来模拟实际负载情况，其缺点是负载占用较大的空间、精度差、形势单一且负载大小不能进行连续调节。直流电子负载的基本原理是利用功率场效应管（MOS），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率半导体电子元件吸收电能并消耗电能。依靠功率半导体器件作为载体，实现了负载参数可调的功能，具有体积小和很高的调节精度和稳定性，能很好地模拟实际的负载，在电源设备测试中得到了广泛的应用。本文针对传统负载的弊病，提出了以STC12C5A60S2微控制器为核心，尽可能通过软件替代硬件，使其具有硬件结构简单、功能强、控制灵活的特点。
1 系统整体方案设计
基于单片机控制的直流电子负载系统结构框如图1所示：
图1 单片机控制的系统结构框图
本系统由以下部分组成：核心控制电路（单片机）、电子负载电路、采样电路、LCD显示电路和电源电路。
该系统方案的整体结构简易明了，将恒压电流、恒流电路有机的结合在了一起，并接入电子开关，操作时只需通过电子开关对模式进行手动切换，以STC12C5A60S2单片机为控制核心，通过程序实现恒压恒流值的调节、端口电压的采集及显示等核心功能。硬件电路中含有的运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。
2 硬件电路设计
本智能控制系统由以下部分组成：核心控制电路（单片机）、功率控制电路、采样电路、运放比较电路、LCD显示电路和电源电路。
2.1 核心控制电路设计
采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制单元，STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），包含8位A/D、D/A转换功能，精确度高。通过软件编程可以实现对电压、电流预设置、A/D采样比较、D/A输出、LCD显示等多种功能，并且电路简单，控制效果好。
2.2 功率控制电路
选用N沟道增强型MOS管作为功率管。功率MOS管具有正温度系数，当结温升高时通态电阻增大，导通电阻小，自带保护二极管，有自限流作用，噪声系数小，所以功率MOS管热稳定性好。
2.3 恒压电路设计
选用运放OP07，该运放器是一种低噪声，低输入失调电，低输入偏置电流，开环增益高，稳定度很高的双极性运算放大器。在反馈电路中加入电阻，使得取样电阻上的电流可以微调，实现输出电流与理论值相同，大大提高了输出电流的精度，又由于运放的同相输入端的信号来自与数模转换模块的运放输出，稳定度很高。
恒压电路原理图如图2所示：
图2 恒压电路原理图
选用运放OP07，将同相输入端与输出端采用正反馈电路，在反馈电路中加入电阻R2，R3与R4并联实现分压。使得取样电阻上的电压稳定，实现输出电压与理论值相同。又由于运放的反相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。
2.4 恒流电路设计
选用运放OP07，该运放具有低噪声特点，低输入偏置电流，开环增益高，是稳定度很高的双极性运算放大器。该方案优于以上两个方案，故采用此方案。
恒流电路原理图如图3所示：
图3 恒流电路原理图
选用运放OP07，将反相输入端与输出端采用负反馈电路，运放的同相输入端的信号来自于单片机的输出，稳定度与精度均很高。图5中输出端取样电阻为2欧大功率电阻，受热情况下其阻值改变不大。通过单片机设定负载参数。测试点的电流恒满足表达式：Itest=U/R1，其中U为采样电压。
2.5 LCD显示电路设计
传统设计方案：选用LED数码管显示，LED是笔划显示方式，虽然直观性好，视角大，但是该方式只能显示特定汉字和数字，若进行多位显示，需要多个数码管，功耗较大，体积大。
本设计方案：选用LCD12864液晶显示，LCD是点阵式的显示，可以有汉字、数字、波形等多种方式显示，灵活性大，且同一界面可以同时显示电压、电流、功率等多种参数，并且功耗低，体积小。
2.6 电源电路设计
变压器通过整流、滤波、稳压产生所需电压。图4中电路提供的±15V，±12V电源主要用于运放电路，+5V电源用于单片机、液晶显示、键盘。
3 系统软件设计及流程
此设计使用低功耗单片机STC12C5A60S2，利用该单片机通过程序可以实现以下三个功能：
（1）设定恒压、恒流运行模式及参数。通过键盘设定以步进方式设置预设值送给单片机，单片机通过 D/A（DAC0832）将数字量转换成相应的模拟量输出给硬件电路，以提供所需电压，并在LCD液晶上显示DA步进值。
（2）采样输出电压、电流并在LCD液晶上显示。单片机通过A/D（ADC0832）对等效负载的电压和电流进行采样，将采集回来的数值在单片机内部进行处理后送液晶屏进行电压、电流的显示。
（3）当电流大于3A时，单片机就会启动过流提示，蜂鸣器发出报警信号，在恒流模式下减小DA输出电压以减小电路电流，实现过载保护。
系统程序流程图如图5所示。
【参考文献】
[1]阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，2003.
[2]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社.
[3]全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京航空航天大学出版社，2007.
[4]裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用[M].北京：机械工业出版社，2010.
关键词： ARM； 压电陶瓷； 驱动电源； PI控制器
中图分类号： TN911?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 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
压电陶瓷驱动器（PZT）是微位移平台的核心，其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，从而驱动执行元件发生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大和体积小等优点，在航空航天、机器人、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域中得到了广泛的应用[1?3]。然而压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的压电陶瓷驱动电源。要实现纳米级定位的应用，压电陶瓷驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调，同时电压分辨率需要达到毫伏级。因此压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台中的关键技术[3]。
1 压电驱动电源的系统结构
1.1 压电驱动电源的分类
随着压电陶瓷微位移定位技术的发展，各种专用于压电陶瓷微位移机构的驱动电源应运而生。目前驱动电源的形式主要有电荷控制式和直流放大式两种。电荷控制式驱动电源存在零点漂移，低频特性差的特点限制其应用[4]。而直流放大式驱动电源具有静态性能好、集成度高、结构简单等特点，因而本文的设计原理采用直流放大式压电驱动电源。直流放大式电源的原理如图1所示。
图1 直流放大式压电驱动电源原理
1.2 直流放大式压电驱动电源的系统结构
驱动电源电路主要由微处理器、D/A转换电路和线性放大电路组成。通过微处理器控制D/A产生高精度、连续可调的直流电压（0～10 V），通过放大电路对D/A输出的直流电压做线性放大和功率放大从而控制PZT驱动精密定位平台。
该设计中采用LPC2131作为微处理器，用于产生控制信号及波形；采用18位电压输出DA芯片AD5781作为D/A转换电路的主芯片，产生连续可调的直流低压信号；采用APEX公司的功率放大器PA78作为功率放大器件，输出0～100 V的高压信号从而驱动PZT。为实现高分辨率压电驱动器的应用，压电驱动电源分辨率的设计指标达到1 mV量级。
2 基于ARM的低压电路设计
2.1 ARM控制器简介
压电陶瓷驱动电源中ARM控制器主要提供两方面功能：作为通信设备提供通用的输入/输出接口；作为控制器运行相关控制算法以及产生控制信号或波形实现PZT的静态定位操作。针对如上需求，本设计采用LPC2131作为主控制器[5]，LPC2131是Philips公司生产的基于支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI?S?CPU的微控制器，主频可达到60 MHz；LPC2131内部具有8 KB片内静态RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存储器；具有两个通用UART接口、I2C接口和一个SPI接口。由于LPC2131具有较高的数据处理能力和丰富的接口资源使其能够作为压电驱动电源的控制芯片。
2.2 D/A电路设计
由于压电驱动电源要求输出电压范围为0～100 V，分辨率达到毫伏级，所以D/A的分辨率需达到亚毫伏级。本设计采用AD5781作为D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度转换器，输出电压范围-10～10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/噪声频谱密度。另外，AD5781还具有极低的温漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，该D/A转换器芯片特别适合于精密模拟数据的获取与控制。D/A电路设计如图2所示。
在硬件电路设计中，由于AD5781采用的精密架构，要求强制检测缓冲其电压基准输入，确保达到规定的线性度。因此选择用于缓冲基准输入的放大器应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。这里选用AD8676，AD8676是一款超精密、36 V、2.8 nV/双通道运算放大器，具有0.6 μV/℃低失调漂移和2 nA输入偏置电流，因而能为AD5781提供精密电压基准。通过下拉电阻将AD5781的CLR和LDAC引脚电平拉低，用于设置AD5781为DAC二进制寄存器编码格式和配置输出在SYNC的上升沿更新。
图2 AD5781硬件设计电路图
在ARM端的软件设计中，除正确配置AD5781的相关寄存器外，还应正确配置SPI的时钟相位、时钟极性和通信模式[5]。正确的SPI接口时序配置图如图3所示。
图3 主模式下的SPI通信时序图
3 高压线性放大电路设计
本文压电驱动电源采用直流放大原理，通过高压线性放大电路得到0～100 V连续可调的直流电压驱动压电陶瓷。放大电路决定着电源输出电压的分辨率和线性度， 是整个电源的关键。
3.1 经典线性放大电路设计
放大电路采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA78作为主芯片。PA78的输入失调电压为8 mV，温漂-63 V/°C，转换速率350 V/μs，输入阻抗108 Ω，输出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB。基于PA78的线性放大电路设计如图4所示。配置PA78为正向放大器，放大倍数为，得到输出电压范围为0～100 V。
如果运放两个输入端上的电压均为0 V，则输出端电压也应该等于0 V。但事实上，由于放大器制造工艺的原因，不可避免地造成同相和反相输入端的不匹配，使输出端总有一些电压，该电压称为失调电压。失调电压随着温度的变化而改变，这种现象被称为温度漂移（温漂），温漂的大小随时间而变化。PA78的失调电压和温漂分别为8 mV、-63 V/°C，并且失调电压和温漂都是随机的，使PA78无法应用于毫伏级分辨率的电压输出，需要对放大电路进行改进。
图4 线性放大电路
3.2 放大电路的改进
这里将PA78视为被控对象G（S），将失调电压和温漂视为扰动N（S），这样就把提高放大器输出电压精度转化成减小控制系统的稳态误差的控制器设计的问题。在控制器的设计中常用的校正方法有串联校正和反馈校正两种[6]。一般来说反馈校正所需的元件数少、电路简单。但是在高压放大电路中，反馈信号是由PA78的输出级提供。反馈信号的功率较高，为元件选型和电路设计带来不便，故线性放大电路中不使用反馈校正法[7]。而在串联校正方法中，有源器件的输入不包含高压反馈信号，所以该设计采用串联校正方法，采用模拟PI（比例?积分）控制器G1（S）进行校正，如图5所示。
图5 放大电路串联校正控制系统
图5中，PI控制器将输出信号c（t）同时成比例的反应输入信号e（t）及其积分，即：
（1）
对式（1）进行拉普拉斯变换得：
（2）
由式（2）观察可得，PI控制器相当于在控制系统中增加了一个位于原点的开环极点，开环极点的存在可以提高系统的型别，由于系统的型别的提高可以减小系统的阶跃扰动稳态误差（对于线性放大电路，可视失调电压和温漂为阶跃扰动[8]）。同时PI控制器还增加了一个位于复平面中左半平面的开环零点，复实零点的增加可以提高系统的阻尼程度，从而改善系统的动态性能，缓解由牺牲的动态性能换取稳态性能对系统产生的不利影响[9]。
放大电路的设计中采用有源模拟PI控制器，改进后的线性放大电路如图6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的输入失调电压低于50 μV（满温度行程下），电压噪声≤0.04 μV（P?P）@0.1～10 Hz，因此适合用于串联校正环节，以提高系统稳态性能、减小输出电压漂移。
校正环节的系统函数为，其中、，调节R7，R8和C4的参数值，达到减小输出误差的目的。
3.3 相位补偿
从工程角度考虑，由于干扰源的存在，会使系统的稳定性发生变化，导致系统发生震荡。因此保证控制系统具有一定的抗干扰性的方法是使系统具有一定的稳定裕度即相角裕度。
由于实际电路中存在杂散电容，其中放大器反向输入端的对地电容对系统的稳定性有较大的影响[10]。如图6所示，采用C5和C6补偿反向端的杂散电容。从系统函数的角度看，即构成超前校正[10]，增加开环系统的开环截止频率，从事增加系统带宽提高响应速度。
PA78有两对相位补偿引脚，通过外部的RC网络对放大器内部的零极点进行补偿。通过PA78的数据表可知，PA78内部的零极点位于高频段。根据控制系统抗噪声能力的需求，配置RC网络使高频段的幅值特性曲线迅速衰减，从而提高系统的抗干扰能力。图6中，R4，C1与R5，C2构成RC补偿网络。
图6 改进后的线性放大电路
此外电路中C3的作用是防止输出信号下降沿的振动引起的干扰；R10起到偏置电阻的作用，将电源电流注入到放大器的输出级，提高PA78的驱动能力。
将PI控制器的参数分别设置为KP=10、KI=0.02；超前校正补偿电容分别为12 pF和220 pF；RC补偿网络为R=10 kΩ、C=22 pF。利用线性放大电路的Spice模型进行仿真得到幅频特性和相频特性曲线如图7所示。从图中观察可得，放大系统的带宽可达100 kHz，从而保证了系统良好的动态特性，同时相角裕度γ>60°使系统具有较高的稳定性（由于PZT的负载电抗特性一般呈容性，所以留有较大的相角裕度十分必要）。
图7 改进的放大电路的幅频和相频特性曲线
4 驱动电源实验结果
实验用压电陶瓷驱动电源的稳压电源采用长峰朝阳电源公司的4NIC?X56ACDC直流电源，输出电压精度≤1%，电压调整率≤0.5%，电压纹波≤1 mV（RMS）、10 mV（P?P）。测量设备采用KEITHLEY 2000 6 1/2 Multimeter。
首先对DAC输出分辨率进行测量，ARM控制器输出持续5 s的阶跃信号，同时在DAC输出端对电压信号进行测量，将测量结果部分显示见图8。图8中显示AD5781的输出电压分辨率可达3.89e-5 V，即38.9 μV。
在模拟电路中，噪声是不可避免的。对于压电驱动电源来说，噪声的等级限制了驱动电源的输出分辨率。图9分别给出经典放大电路和改进后的放大电路的测试噪声。从图中可得通过使用PI控制器和相位补偿元件将压电驱动电源的输出噪声从1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。
图8 DAC分辨率实验图
图9 放大电路噪声图
图10给出了放大电路的输出分辨率，放大电路的分辨率决定了PZT的定位精度，如要实现纳米级的定位精度，驱动电源的分辨率需要达到毫伏级。图10中，输出电压的分辨率可达到1.44 mV。
图10 放大电路分辨率实验图
最后，给出驱动电源电压线性度曲线。线性度能够真实的反映出输出值相对于输入真值的偏差程度[11]。线性度曲线如图11所示。得到拟合直线Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非线性误差为0.024%，能够满足精密定位需求。
5 结 论
本文设计的基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源采用直流放大原理，具有低电路噪声、高分辨率和低输出非线性度等特性，同时驱动电源的带宽可达100 kHz。以上特性使本文设计的压电驱动电源能够应用于纳米级静态定位的需求，由于其性价比高、结构简单，故具有很高的实用价值。
图11 输出电压曲线和非线性度曲线
参考文献
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“印刷电路设计”传统教学一般是讲授原理图的绘制(包括原理图库元件的制作)、PCB图的制作(包括元件封装的制作)、层次电路图，然后多加练习以应对考试。学生在实际学习过程中很少接触到企业的工作项目，很少亲自去制作PCB板，因此到了相关企业工作岗位时，一般都需要一段时间的培训才能上手工作。这很不符合高等职业教育对学生职业能力的培养要求，因此需要对传统的课程教学进行改革。
二、基于工作任务的课程改革
1．改革目的
“印刷电路设计”是应用电子技术专业的一个重要实践课程。在课程教学过程中，学生通过一个较为完整的工作任务，可以加深对本门课程所学理论知识的理解与应用，提高学生对所学理论知识的综合运用能力，使学生对Protel电子线路设计、Protues、KeilC等电子设计软件有较深的掌握。同时，通过工作任务锻炼还可以培养学生独立工作的能力，为将来从事电子电路设计打好基础。
2．改革内容
(1)课程整体设计。根据企业电路设计助理工程师职业岗位技能要求，以训练学生的电路图绘制、电路板设计与制作的综合职业能力为课程目标，选择了企业典型工作任务项目“开关稳压电源电路板设计与制作”作为课程内容的主要载体，并对“印刷电路设计与制作”课程进行整体设计。
(2)以岗位工作任务贯穿整个教学内容。“印刷电路设计与制作”课程的目标是培养学生具备电路图绘制仿真、PCB设计、电路板制作的能力，达到企业助理工程师的职业标准。这一目标的实现需要通过相应的工作任务来完成。因此，必须对课程进行深入的项目化开发，同时将电路板设计工程师职业资格标准、电子工艺相关内容也引入到课程中，借鉴企业培训员工的工作流程和工作标准，使学生通过课程学习不断熟悉今后岗位工作的标准和典型工作任务，在课程项目实践中锻炼动手能力、团队协作能力和实践精神，以及牢固的专业技能，使学生在今后就业时能迅速适应工作环境并进入工作状态，从而符合高职教育对人才培养的需求。
(3)考核评价方法的改革。由于本课程以企业工作任务作为学习的主线，因此考核应以学生职业能力的培养为依据。考核的内容包括:学生所做开关稳压电源的质量、原理图与PCB设计、同学之间相互的评价、团结协作的能力、课程总结报告等等。在工作任务的各个阶段及时给予评价，注重过程考核，让学生在各个阶段都有收获。
三、结束语
>> 微伏级直流电压信号放大电路设计 信号波形合成的电路设计 QPSK信号波形生成电路设计 交流变直流电路设计 硅微机械陀螺信号偏置电路设计 多路同步机信号采集电路设计 铁路LED信号机点灯电路设计 压力传感器信号调理电路设计 高阻抗微弱信号测量的保护电路设计 基于OrCAD／PSpice的信号产生电路设计 三相电信号采集电路设计 混合信号电路设计技术研究 基于AD620的脑电信号预处理电路设计 一种汽车行驶记录仪IC卡信号接口电路设计 便携式脑电信号采集系统电路设计 数字电视多频率射频信号源系统射频电路设计 基于MSP430的信号波形发生器的电路设计与实现 道路交通信号机灯控驱动电路设计 高速电路设计中的信号完整性研究 十字路通信号灯电路设计 常见问题解答 当前所在位置：
关键词：全波整流；有效值；运算放大器；线性光耦；隔离电压
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.011
工业测量和控制系统中，传感器输出信号为多种形式的模拟量，其多数不能被直接使用，而需要经过变送电路将其转换成统一的直流模拟信号（1～5V或4～20mA），再根据系统需要，用数据采集卡将直流模拟信号转换成可参与计算和完成过程控制的数字量。目前市场上的仪器仪表多以直流输入信号为主，而交流信号是传感器输出信号中较为多见的一种，为此需要设计一个交直流信号变送模块，将多种交流信号转换成统一的直流信号量，以便于能够被控制仪表、计算机或PLC等系统中的控制单元所识别。
该模块共由五个主要部分组成：输入缓冲电路，全波精密整流电路，光电隔离电路，线性输出电路和隔离电源。结构框图如图1所示。
输入缓冲电路
传感器的交流输出多为电压信号。为了降低信号源的负载，通常需要提高下一级的信号输入阻抗，采用以运放为核心的电压跟随器作为模块的输入级是有效的解决方式。由于传感器产生的交流信号频率范围比较宽，选择运算放大器时得考虑选择宽频，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合这方面要求，它具有1012Ω输入阻抗，小信号输入带宽可达到4MHz[5]。
该部分为全波精密整流电路，是整个模块的核心部分。其输出电压为变送模块输入电压的绝对值，因此也叫绝对值电路[1]。二极管具有单向导电性，是常用的整流元件，但二极管非线性比较大且有一个正向导通电压，当信号幅度小于二极管的导通电压时，二极管处于截止状态，使得整流出来的信号误差非常大，为了提高精度，可利用运算放大器的放大作用和深度负反馈来克服二极管非线性和正向导通压降造成的误差。
全波精密整流电路分为两部分，第一部分由运放U1A及周边器件构成半波精密整流电路，第二部分由U1B及周边器件构成反相求和电路。详见图2。
半波精密整流电路
交流转直流变送模块作为过程控制系统信号采集的前级仪器，其直流信号输出通常是连接到二次仪表或其他数据采集模块上。为了降低输入交流信号对输出直流信号以及后级仪表干扰，采取了在模块的输入级和输出级之间增加线性光耦和隔离电源的措施。借助光耦，输入信号在经过了电压电流发光电流电压的传递过程同时也实现了信号前后级无电气联系的光电隔离。因此线性光耦是模块中实现光电隔离功能的重要器件，其性能将对整个变送模块的精度产生重要影响。此处设计采用的线性光耦是SLC800，它具有线性度好，隔离电压高，可靠性好，价格低等优点。其内部结构原理图及在此次设计中的应用电路如图4所示。
隔离电路工作原理
由SLC800的LED，二极管PD1及运放U2A组成隔离电路的信号输入部分，二极管PD2及电阻R10构成隔离电路的输出部分。假定该隔离电路的输入电压为Vi，输出电压为Vo，SLC800的LED、PD1、PD2产生的电流分别为If、I1、I2，LED发光二极管与在PD1、PD2上产生的电流比分别为K1、K2，同时PD1与PD2的电流比定为K3[2]。当电压信号经过 R7U2A+R8LEDPD1U2A-/ R9，此时运放U2A正好工作于深度负反馈中，使得SLC800产生一个稳定的输出。
从S L C 8 0 0数据手册可知，I2=K3*I1，I1=K1*If，由于If=Vi/R8，Vo=I2*R10，故：
Vo=K1*K3*（R10/R8）*Vi （3）
式（3）中K1和K3为每个芯片的特性参数[2]，因此根据输入信号范围可适当选取R8和R10的阻值，以获取合适的输出电压范围。隔离电路中R8不仅用于调节电流If大小，同时还用来调节由于芯片之间K值的分散度而导致的SLC800实际输出电压与设计值之间的偏差。
线性输出电路主要是实现线性电流的输出和调节整个变送模块的输出零点与量程。其构成及具体功能如下：
可调电阻R21和U3A组成线性输出电路的调零电路。2.5V直流参考电压从稳压管TL431获得，通过可变电阻器R21分压调节整个电路最终输出电流的零点。U3B用作光耦SLC800输出的直流电压Vo（见图4）的输入缓冲器，用来提高信号输入阻抗，降低信号的负载。
信号隔离不仅需要信号回路的前后级隔离，同时也要把信号回路前后级的供电隔离，这样以避免因干扰通过供电电源对后级输出产生影响。本次设计采用的隔离电源是金升阳公司生产的A1209D-2W，它具有体积小，隔离电压高，温度特性好等优点[4]。
关键词：备用电源 过欠压检测 Mulitisim
中图分类号：TL503.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（b）-0000-00
1.引言
为了防止控制模块的直流27V供电电源输出出现异常时，对控制模块造成的数据丢失、电子设备及后级负载的损害等问题，考虑一路备用电源是十分必要的[1]。本文中选用一款蓄电池作为备用电源，当供电电源输出出现中断或异常时，蓄电池仍可以持续一定时间给控制模块供电，既保证了控制模块的数据不会丢失，同时减少了对电子设备及后级负载的影响。此外，备用电源要具有对蓄电池的充电功能，还要实现27V电源与蓄电池的切换功能，以及对蓄电池充放电的过欠压检测和对供电电源的异常检测等保护功能。
2.工作原理
当27V直流电源正常时，直接给控制模块供电，同时给蓄电池组充电；当27V直流电源异常时，切换电路将电路切换到蓄电池组供电。当蓄电池组作为控制模块供电电源时，必须实时监测蓄电池组的放电电压，当电压降到设定阈值时切断电路，以免电池损坏。
在检测电路中，必须达到以下效果：27V直流电源给蓄电池组充电正常时，发光二极管D7灯亮，直至充满D7灯灭；27V直流电源异常时，电路切换到蓄电池供电，发光二极管D6开始闪亮，待蓄电池组放电至欠压D6灯灭，进行光报警，备用电路原理图如图1所示。
3.组成
本文设计中，备用电源主要由蓄电池组和监测控制电路模块两大部分组成。其中，蓄电池组主要由两个12V蓄电池串联而成，监测控制电路模块主要由充电电路、欠压检测电路、过压检测电路以及切换电路等组成。备用电源原理框图如图2。
3.1蓄电池组
铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到广泛的应用[2]。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。因此为有效延长蓄电池的使用寿命，在本电路中主要设计了对电池充放电时过欠压的控制电路。
选取2块免维护铅酸蓄电池12V1.3AH/20HR串联使用。蓄电池组放电时间按式（1）计算[3]。
Q ……………………………… （1）
式中：
Q――蓄电池容量（Ah）（取值1.3Ah）
K――安全系数（取值1.25）
I――负载电流（A）（取值0.4A）
T――放电小时数（h）
t――蓄电池最低环境温度（℃）（取值15℃）
η――放电容量系数（取值0.76）
α――蓄电池放电温度系数（取值0.008）
由式 （1）可得电池放电时间约为2h，满足备用电源延时要求。
3.2监测控制电路模块
a）充电电路
备用电源电路原理图如图1所示， 27V直流电源由MOS管控制给蓄电池充电，在27V直流电源正常时，给控制模块供电，同时蓄电池处于充电状态，此时发光二极管D7灯亮，直至充满D7灯灭。
b）电池欠压监测电路
在蓄电池正常工作一段时间后电池电压下降，当下降到保护值（电压
c）电池过压监测电路
充电过压监测是为了防止蓄电池过充，从而延长蓄电池寿命，同时也能防止过充造成不必要的危险。如图1所示，充电过压（电压27.6V）终止由电压比较器U1A控制，电阻R1、R2串联采样充电电压接到比较器U1A的反相端，同向端由TL431提供2.5V的基准电压，当电池电压高于27.6V时，比较器U1A输出低电平，Q2截止，Q3导通，MOS管Q4关断，电池停止充电。
d）切换电路
当27V直流电源异常时，切换电路切换到蓄电池工作状态，实现不间断供电。由于需要通过功率器件――继电器来切换，而功率器件的切换是需要动作时间的，因此在本电路设计中，如图1所示，对控制模块电源输入端并联大电容来弥补切换中断时间时的电源供电，从而确保控制模块零中断工作。
4.结束语
通过对控制模块备用电源的合理设计，可完成备用蓄电池的充电、过欠压监测与光报警及其切换等功能，实现了对控制模块的不间断供电，提高了工作效率。
参考文献
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关键词：RC谐振网络，恒流变换器，YAG激光器
一．激光器电源的特点
随着新型激光装置的不断出现，对激光电源提出了高效率、高重复率、低成本和高可靠性等诸多要求。为满足在低频大能量工作下的激光装置，而研制出LC恒流充电电路。其特点是以恒流电源给储能电容器充电，既提高了充电效率，又提高了电源的稳定性。有效地解决了激光器电源在高频下工作的充电效率问题，亦克服了脉冲氙灯的连通现象。存在的主要问题，是体积和重量不能明显减小，但这种类型的电源目前仍广泛使用。脉冲激光电源的负载是脉冲氙灯，氙灯为具有负阻特性的气体放电灯，他对电源的要求如下：1.高压触发电脉冲，为大约2万伏左右的高压脉冲。2.使氙灯预燃的所需要的预燃电源标准电流，一般在80mA∼200mA。3.有激光储能电容充电的电路，并伴有激光储能电容向氙灯放电的放电电路。，RC谐振网络。
图1 脉冲式激光电源组成图2 储能电容器电压变化规律
二．充电电路设计中储能电容器的充电要求
固体脉冲激光器电源的设计，必须满足激光器对电源提出的各项技术指标。同时必须考虑到电源的经济特性、通用特性、可靠性等其他性能。脉冲激光器电源的核心部分是充电电路，所以必须根据指标来选择它，以使充电电路的效率很高。
在脉冲激光电源中，储能电容器必须是漏电很小的无极性耐高压电容器。，RC谐振网络。在重复频率的每一个周期里，储能电容器两端的电压是变化的，如图2所示。其中时间内，要求电容器两端的电压保持不变（等于）,而在时间内，电容器的能量迅速向负载释放。
三．充电控制电路设计
激光电源要正常工作,就需要使电源各个部分协调工作的控制信号,这些信号是由控制电路产生的.控制电路部分要完成的功能如下：
1.产生使触发电路导通的外触发信号。外触发电路是电容经放电晶闸管与脉冲变压器初级相接，当晶闸管导通后,储能器上的能量才能达到变压器的初级,才能在次级上响应出脉冲高压。故需要控制可控硅晶闸管导通从而产生脉冲高压的外触发信号。，RC谐振网络。
2.在放电过程中,必须使恒流充电电路停止向储能电容器充电,因此控制电路还要产生使横六充电电路停止充电的封锁信号。
3.控制电路还必须有使储能电容器上的电压稳定的功能,当储能电容上的电压略高于预定的要求时,控制电路就产生一系列的高频脉冲电压,使双向可控晶闸管导通从而使恒流源充电电路停止向储能电容器充电。
四．氙灯的触发电路
对于脉冲放电灯或气体放电管，只有两端所施加的电压达到一定值时，气体才开始触电。我们称气体开始电离放电的电压为击穿电压，通常用UJ来表示，UJ与灯的结构和气压及气体类型有关。例如，氙灯在气压为53.3kPa时，弧长为70cm的时候，击穿电压UJ≥7kV。因此为了点燃气体放电灯必须有一高压触发电源。该高压电源可以是直流高压源、脉冲高压源或高频高压源。
五．激光电源总体设计参数计算
横流电源充电的激光电源电路的组成和工作原理都非常简单（如图3所示）。，RC谐振网络。由形恒流逆变器，双向可控硅晶闸管、变压器、单节L、C放电电路、取样电路及触发电路组成。，RC谐振网络。其中形恒流变换器中，L、C的选取及变压比N的选取应满足恒流充电的最佳匹配原则，为了方便L、C、N的选取，特列出如下程序。，RC谐振网络。
形恒流变换器的参数计算程序如下，已知参数：
工作周期： 毫秒，工作电压： 伏特，存能电路： 微法
计算结果：变比 ， 毫亨， 微法
初级电流： 毫安，次级电流： 毫安
计算；打印；退出。
图3 横流源充电的激光电源电路图
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关键词： 示波法； 数字式血压计； STC90C51； MPS3117?006GA
中图分类号： TN710?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0128?04
Design of digital sphygmomanometer
FU Rui?ling， YUE Li?qin
（School of Information Engineering， the Huanghe S&T College， Zhengzhou 450063， China）
Abstract： For convenience of blood pressure measurement， a design of digital sphygmomanometer based on a method of measuring blood pressure about oscillography is proposed， including hardware and software. The hardware structure based on kernel controller STC90C51， pressure senor MPS3117?006GA， ADC0809 and 1602LCD module is supplemented. Through test it is proved that the digital sphygmomanometer can realize the measurement of blood pressure.
Keywords： oscillography； digital sphygmomanometer； STC90C51； MPS3117?006GA
0 引 言
随着社会的发展，人们的生活水平越来越高，对于自身的健康问题也越来越多地引起了人们的重视，其中血压是否正常是身体是否健康的一个重要的指标。在现代疾病谱上，高血压的危害无疑高居前几位。治疗高血压病，首先是要测量准确的血压。对于非医护人员来说，如何使血压的测量既简单又准确，成了主要的问题。相比较于水银血压计的操作复杂，测量过程复杂，数字血压计应运而生，越来越多地走进了人们的家庭里[1?3]。本文基于示波法的原理，以STC90C51单片机为控制核心，辅以压力传感器MPS3117?006GA、ADC0809和1602LCD液晶显示等模块对数字式血压计进行了设计。
1 示波法原理
血压测量原理主要是示波法和柯氏法，这两种方法都是通过充气袖套来阻断上臂动脉血流。但是示波法基于抗干扰能力强，血压判断可靠、自动检测等优点成为了无创血压检测的主流。
示波法原理如下。
由于心搏的血液动力学作用，在气袖压力上将会产生与心搏同步的压力波动并与其重叠，即脉搏波。当所加的气袖压力远远大于收缩压时，脉搏波会消失。随着气袖压力的逐渐减小，脉搏开始出现。当气袖的压力从远远大于收缩压下降到收缩压以下时，脉搏会从小突然增大。在平均压时会达到波峰最大值。到达最大值之后会随着气袖压力的下降而逐渐衰减。用示波法测量血压就是根据脉搏波的振幅与气袖压力之间的非线性关系来计算血压的。与波峰对应的是平均压，收缩压和舒张压可分别通过与波峰的比例来确定[4?5]。
舒张压的计算：
定义舒张压系数[Kd]（一般取0.5），随着脉搏波的振幅上升，当振幅上升到最大振幅的[Kd]倍时（即[UiUm=Kd]），此时的脉搏振幅[Ui]所对应的气袖压力就是舒张压，即[Ui=Kd*Um。]
收缩压的计算：
定义收缩压系数[Ks]（一般取0.8），随着脉搏波振幅的下降，当振幅下降到最大振幅的[Ks]倍时[UiUm=Ks，]此时的脉搏振幅[Ui]所对应的气袖压力就是收缩压，即[Ui=Ks*Um。]
2 系统工作原理
数字式血压计主要由电动气泵MG、气袖、压力传感器MPS3117?006GA、电磁气阀、微控制器STC90C51、ADC0809以及液晶显示1602LCD等构成[3]，如图1所示。
数字式血压计的工作过程如下：脉宽调变PWM输出控制信号，用于控制气泵的充气漏气以调整气袖的气压；一路ADC采样气袖内气压直流分量用于测得收缩压和舒张压；另一路ADC用于采样气袖内气压的交流分量用于确定直流分量取收缩压和舒张压时的瞬态时间位置；经过单片机处理，将最终的处理结果送液晶显示屏显示。
图1 数字式血压计结构框图
一次血压的测量过程可以分为如下几步：
（1） 激活PWM使气泵给气袖充气并充至200 mmHg高，然后以5 mmHg/s的速度放气。
（2） 压力传感器采集气袖压力信号并转换为电信号进行输出。
（3） 压力传感器的输出信号经差分放大器处理后变为单端信号；
（4） 所得到的单端信号一路给ADC0809的IN0通道以监视直流分量；另一路送给二阶带通滤波器（0.8～6.4 Hz）以滤除直流分量和50 Hz工频干扰以及皮肤与气袖摩擦所产生的高频噪声，并且将此信号的幅值限制在0～5 V之间。
（5） 经过处理的交流信号送ADC0809的IN1通道，经过模数转换之后送给STC90C51计算幅值，先经过比较找出最大的振幅[Amax，]然后通过幅值上升段找出[0.5Amax]的瞬态时间所对应的直流分量的值，该值即为收缩压，在幅值下降阶段找出[0.8Amax]的瞬态时间所对应的直流分量的值，该值即为舒张压。
（6） 将上步中计算出的收缩压与舒张压送液晶显示屏1602LCD进行显示。
收缩压与舒张压的计算过程如图2所示。
3 硬件设计
3.1 传感器电路和差分放大电路设计
对于数字式血压计来说，压力传感器决定着血压的测量精度和灵敏度，所以压力传感器是数字式血压计设计的核心部件之一。通过比较，本文选择了由上海某公司生产的MPS3117电阻式传感器。该传感器灵敏度高，能检测到气袖中微小的压力变化。该传感器的额定电压为75 mV，测量压力范围为0～300 mmHg，实验板所用到的灵敏度为1 mV/4 mmHg，范围[6]为8～50 mV。
图2 收缩压与舒张压计算过程示意图
本文所用的ADC0809的电压是5 V，与压力传感器MPS3117所输出的电压信号不匹配，压力传感器所输出的电压信号太小，故需要对输出电压进行放大。本文运用带有差动输入的四运算放大器LM324设计了信号放大电路和滤波电路，将输出电压进行放大到0～4.7 V的标准电压输出。然后将放大后的标准电压输入单片机的A/D模块。
本文所设计的放大电路为差动输入、单输出的放大电路，能够有效地抑制温漂，并且能够保证电压输出的稳定性。所设计的压力传感器和差分放大电路如图3所示。
图3 传感器和差分放大电路
3.2 滤波电路设计
传感器在采集信号时，会采集到一些干扰信号如50 Hz工频干扰和皮肤与袖带摩擦所产生的高频干扰以及直流干扰，所以需要对信号进行滤波。本文滤波电路的设计采用了LM324中的一个运放去构成0.8～6.4 Hz的带通滤波器[7]。滤波后的交流信号送入单片机ADC找出[Amax，]找出[0.5Amax]和[0.8Amax]时所对应的瞬态时间位置，然后在对应的直流分量中找出收缩压和舒张压。滤波电路如图4所示。
滤波电路采用LM324中的一个运放构成带通滤波器允许0.8～6.4 Hz的信号通过，滤掉信号中的直流成分和电源以及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰。滤波后的交流分量送入单片机ADC计算幅值，找出振幅增大过程中的[0.5Amax]和振幅减小过程中的[0.8Amax]的瞬态位置，两者对应的血压直流分量即为收缩压和舒张压。滤波电路如图4所示。
图4 滤波电路
3.3 ADC0809转换电路设计
本文所采用的模数（A/D）转换器为ADC0809，该转换器由8位的模数转换器和8通道多路转换器两部分组成[8]。通过前面分析可知，本文所设计的数字式血压计仅仅用到了直流和交流两个通道，本文选用IN0和IN1，所以对于ADC0809的三位地址端（ADDA、ADDB、ADDC）没有必要都选用，ADDA一个端口即可满足要求，用它的0、1来代表直流信号和交流信号，ADDB、ADDC可直接接地。其中ADC0809的工作方式有两种：查询方式和中断方式。通过前面的分析也可知道，在此采用的是查询方式。因ADC0809没有内部时钟，所以本文为该芯片提供了通常使用的频率为500 kHz的外部时钟信号。单片机STC90C51的主频接的是6 MHz，所以ALE为ADC0809提供了1 MHz的时钟频率；故本文在ALE的输出端加了由74LS112所构成的1/2分频器得到500 kHz时钟信号。通过实际应用系统使用证明，ADC0809在该频率下能够正常的工作。具体电路如图5所示。
3.4 液晶显示模块1602电路设计
[VSS]为地电源，[VDD]接5 V正电源，[V0]为对比度的调整端，当[V0]接正电源时对比度最低；当[V0]接地电源时对比度最高，对比度要求适中，太低了看不清楚，太高了会产生“鬼影”，本文在设计时通过一个10 kΩ的电位器来调整液晶显示屏的对比度。PS为寄存器选择端，当PS=1时，选择数据寄存器；当PS=0时，选择指令寄存器。RW为读写信号线，当RW=1时，进行读操作；当RW=0时，进行写操作。当PS=PR=0时，写入指令或者显示地址；当PS=0，PR=1时，读忙信号；当PS=1，PR=0时，写入数据。
E端为使能输入端，当E=10时，液晶显示屏执行命令。
液晶显示模块电路设计如图6所示。
图5 A/D转换电路
图6 1602显示电路
3.5 其他电路设计
3.5.1 电源电路
J10接外部电源，如9 V或12 V，[C1]用以抑制高频干扰以及抵消输入引线较长时的电感效应，防止电路产生自激振荡，容量较小。[C2，C3]的作用是改善负载的瞬态响应，为获得最佳效果，电容应选用频率特性好的陶瓷电容或钽电容为宜，另外为了进一步减小输出电压的纹波，一般在集成稳压器的输出端并入电解电容[C4。]D1为保护二极管，当输入端短路时为[C4]提供一个放电回路，防止调整管的发射结击穿。如图7所示。
图7 电源电路
3.5.2 线性阀PWM控制电路
线性阀PWM控制电路如图8所示。PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调变）控制泄气速率，MCU调整泄气速率是根据压力值和泄气的变化来进行的，使泄气速率在规定的范围之内。具体工作方式如下：当充气达到200 mmHg时，PWM开始作用，使其开始泄气，第25脚会接到IC所发出的信号，然后信号经[R14]到达Q2，会使Q2导通，此时继电器吸合，使电磁阀开始工作，D2保护Q2和K的正常工作而设计。
图8 电磁阀电路
3.5.3 充气PUMP控制电路
充气PUMP控制电路如图9所示。其中PUMP的动作由PUMP control信号控制，[R13]为限流电阻。具体工作方式：[R13]得到IC的26脚提供的高电平（约0.6 V），经Q1导通，Q1得到[VCC]所提供的5 V电压，Q1的导通会使继电器吸合，这样+5 V的电压就经过了PUMP使PUMP导通。电路中的D2主要作用是使继电器在断电情况下仍能稳定工作，起保护作用。
图9 气泵电路
3.5.4 按键电路
按键开关与单片机的40脚相连，作为整个系统的开关电源。当按下POWER键时，则整个系统导通，单片机开始工作，然后按下测压按键开始充气。如图10，图11所示。
图10 电源按键
图11 测压按键
4 软件设计
软件设计主要分为以下几步[9?10]：
（1） 电源开启后，可通过键盘输入或者是PC机修改系统的默认参数。
（2） 然后系统对某些参数和某些寄存器进行初始化。
（3） 启动A/D转换直接转化结束。
（4） 转换结果送入上位机。
（5） 用单片机对经过1 s采样一次的数据进行分析处理，找出[Amax，][0.5Amax，][0.8Amax，]然后找出[0.5Amax]和[0.8Amax]对应瞬态时间值的直流分量值，也就是所要求的收缩压和舒张压。将它们送往1602液晶显示屏上进行显示。
软件流程图如图12所示。
图12 软件流程图
5 结 语
易操作、成本低、维护方便、规格小的数字式血压计给人们的生活带来了实实在在的好处。本文在示波法原理的基础上，利用STC90C51作为控制核心实现了数字式血压计的硬件和软件设计，其中硬件设计具有成本低的特点，软件设计具有节约存储的特点。
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关键词： Protel 99 SE；PCB；设计；技巧
中图分类号：TM02文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）08-0028-02
0引言
随着现代科技的发展，电气行业现代化程度的不断提高，电子产品的电路设计也越来越复杂，PCB电路板设计的科学规范性及布局、布线合理性就变得越来越重要。Protel 99 SE软件是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，是线路板设计工作人员的首选工具。虽然Protel 99 SE应用软件功能强大，但是如果不合理的运用软件、不掌握一些设计规则及技巧，光靠一个功能强大的软件设计制作出优质的PCB印刷线路板也是一件很难的事情。
1Protel 99 SE软件简介
Protel99 SE主要由原理图设计系统、印刷电路板设计系统两大部分组成。
1.1 SCH原理图设计系统SCH设计系统主要用于原理图的设计。它可以为印刷电路板设计提供网络表。编辑器除了具有原理图编辑功能以外，其分层组织设计功能、设计同步器、电气设计检验功能及打印输出功能，可以使用户轻松地完成设计任务。
1.2 PCB印刷电路板设计系统PCB设计系统是一个功能强大的印刷电路板设计编辑器，具有非常专业的交互式布线及元件布局的特点，用于印刷电路板的设计并最终产生PCB文件，直接关系到印刷电路板的生产。Protel 99 SE的印刷电路板设计系统可以进行多达32层信号层、16层内部电源/接地层的布线设计，交互式的元件布置工具极大地减少了印刷板设计的时间。同时它具有专业水准的PCB信号完整性分析工具、PCB三维视图预览工具。
2SCH设计技巧
在进行PCB设计之前，首先要准备好原理图SCH的元件库和PCB的元件库。元件库可以用Protel自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做PCB的元件库，再做SCH的元件库。根据SCH的元件库，完成原理图的设计。原理图设计主要是为PCB生成网络表，不涉及实际布局布线等问题，但也要规范，要按照元器件的工作接线顺序摆放元件，尽量与元件实际位置相符，网络标号明确，若元件过多应采用总图与子图联合的画图方式，做模块间的连接，使电路简单明了，网络清晰。
3PCB设计技巧
3.1 元器件布局技巧Protel 99 SE应用软件提供手动布局和自动布局两种操作方式，通常使用手动方式，不建议采用自动布局。在PCB板图设计过程中，元件布局是极其重要的一步，元件布局的好坏从根本上决定了该PCB板图的设计质量和下一步布线的难易程度。首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条过长，增加阻抗，增强噪声，成本也增加；尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状为矩形。长宽比3：2或4：3为佳。同时，也要根据系统结构设置的尺寸，按结构要素布置安装孔、接插件等需要定位的器件，并给予这些器件锁定状态，再根据布局区域和元件的特殊要求设置禁止布线区。PCB尺寸确定后，再确定特殊元件的位置，最后根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。
布局时要遵循“先大后小，先难后易”的布置原则，即重要的单元电路、核心元器件等应优先布局。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上．尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，尽可能保持方向一致。
在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
同一种电源的器件尽量放在一起，以便于电源分割。高电压、大电流信号与小电流、低电压的信号要分开，模拟信号与数字信号要分开，高频信号与低频信号要分开，高频元器件的间隔要充分；完成同一功能的电路，应尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简单。同类型插装元器件在横轴或纵轴方向上应朝一个方向放置，便于生产和检验；对于质量大的元器件应考虑安装位置和安装强度，除温度检测元件以外的温度敏感元件应远离发热元件放置，必要时还应考虑热对流措施。每个集成电路IC最好加一个高频去耦电容，IC去耦电容要尽量靠近IC的电源、地管脚，并使之与电源和地形成的最短回路。
3.2 布线技巧Protel 99 SE应用软件同样提供手动布线和自动布线两种方式，通常采用手动-自动-手动完成整板的布线。布线是整个PCB设计中最重要的工序，这将直接影响着PCB板的性能好坏。布线要整齐，布通不是目标，更不能纵横交错毫无原则。布线时除了要遵循常规的布线原则外主要还应掌握以下技巧：
电源、地线的处理：在整个PCB板的布线中，电源及地线的处理占据着极其重要的地位，由于电源、地线考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品功能的实现。所以对电源、地线的布线一定要认真对待，把电源、地线所产生的噪声干扰降到最低限度，以保证产品的质量。布线时电源、地线尽量不要平行，如是双面板，应一层横向为电源线，另一层纵向为地线，即垂直布线。电源和地线之间要加上高频去耦电容，通常加瓷片电容104即可。尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，信号线最细，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为：0.2～0.3mm，最细不低于0.05～0.07mm，电源线为1.2～2.5mm，对数字电路的PCB可用宽的地线组成一个回路，即构成一个地网来使用，或用大面积覆铜做地线用，在印刷板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用，或是做成多层板，电源、地线各占一层。由于电源层和地层的电场是变化的，在线路板的边缘会向外辐射电磁干扰，通过将电源层内缩、地线层外延，使得电场只在接地层的范围内传导，尽量把电场限制在接地层边沿内，以减小电磁干扰。
PCB设计中应避免产生锐角和直角，尽可能采用45°的折线布线，不可使用90°折线，以减小高频信号的辐射，要求较高的信号线还要用双弧线。
3.3 其它抗干扰技巧在PCB电路板设计中，晶体振荡器的外壳一般要接地，在晶振等对噪声特别敏感的元器件下面不要走线，而且晶振引脚要紧挨着所连接元件的引脚，引线不要过长；闲置不用的逻辑电路输入端不要悬空，应根据具体的逻辑关系连接相应的上拉或下拉电阻，对应接好电源或地；闲置不用的运放正输入端要接地，负输入端接输出端；任何信号线都不要形成环路，如不可避免，环路应尽量小。信号线的过孔要尽量少，关键的线尽量短而粗，并在两边加上保护地来尽量减小信号的回路面积。在高速，高密度的PCB设计时，过孔越小越好，这样板上可以留有更多的布线空间，此外，过孔越小，其自身的寄生电容也越小，更适合用于高速电路。
4结论
不难看出，Protel 99 SE环境下，PCB设计、制作过程中重点环节是布线，而布线的关键点在于抗干扰中起绝对作用的地线。因此，掌握一些PCB布线的技巧对于做好印刷线路板来说是至关重要的，只靠软件功能的强大是做不出优质的电路板的。本文研究了几点实际运用中的设计及布线技巧，希望会对于PCB的设计、制作者起到抛砖引玉的作用，进一步推进印刷线路板制作工艺又快又好的发展。
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[2]赵亚飞，李梦娟，卢进军.基于Protel99 SE环境下的PCB抗干扰研究[J].科技信息.2010（07）.
关键词： 电源传输完整性; 优选器件; 电源评估; 平面电容; 电源仿真
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0132?05
Design process of hardware circuit based on PDN theory
REN Bing?yu
（GRG Banking Equipment Co.， Ltd.， Guangzhou 510663， China）
Abstract： Based on the power delivery network （PDN） theory， the detailed design process of hardware circuit is described. Difference from general circuit design method， PDN design process can greatly improve the hardware integration and effectively reduce the total number of components by establishment of preferred component list， power evaluation， plane capacitor construction， power supply simulation and construction of power frequency impedance simulation curves. The power supply integration test executed by professional tester proves that the hardware circuit designed by PDN can effectively limit the ripple， noise and other electric performance parameters， and resistor and capacitor on one board can be decreased by 30%. The products can fully meet hardware requirements of telecom servers.
Keyword： PDN; PPL; power supply evaluation; plane capacitor; power supply simulation
0 引 言
21世纪以来，随着科技地不断发展，电子产品在功能、性能等方面得到了长足的发展。伴随而来的是电子产品系统复杂、加工工艺难度增大、产品成本提升、单板故障率上升等问题，直接影响消费者的正常使用和公司的信誉。
目前单板电源设计的流程通常是确定好主芯片及其他用电芯片的输入输出电压/电流，按照分支派生的方式标示电源架构，汇总出产品所需的总功耗，确定供电芯片的型号和性能参数就开始设计电路中的电源。为了降低设计风险，设计人员通常采用电源芯片供应商推荐的参考电路来设计电源电路，经过简单加工测试验证无问题后即投放市场。这种电源设计方式看似没有重大设计风险，但实际上却存在很多隐患，无法满足精细化设计的要求，会造成极大的设计冗余，导致产品升级换代困难，加大分析电路故障原因的难度，降低了产品实际效率，提高了产品的开发、生产和售后维护成本。本文从科学设计电路的角度出发，引导硬件工程师在充分理解单板芯片的实际电源需求后，通过正确评估电源需求、理清优选阻容器件、优化平面电容和层叠电容等设计方法，设计出高品质、高集成度的优秀电子产品。
1 优选阻容器件
在单板开发设计过程中，硬件工程师使用最多的器件就是电容和电阻，电阻主要有限流、分压、调节芯片驱动、限定电平输入输出、调整负载等作用;电容通常应用于隔直、耦合、滤波、稳压、谐振等设计。阻容的器件原理和应用范围很明确，但为了缩短产品的交付进度，设计人员通常在电源设计上采取粗放型理念，对阻容器件的选择缺少必要的科学管控。为保证无开发风险，设计人员大多直接应用芯片器件手册上推荐的环路设计，增加了芯片间冗余设计。这种不规范选取阻容器件的现象会导致板上阻容器件的种类数、器件总数被人为增加，提高了制造、仓储、维修等生产部门的运营难度，同时冗余设计会引起电路设计的不稳定性和不确定性，引入噪声、谐振、串扰、功耗上升等问题。故此，需要设计人员在设计前就必须彻底理清整个单板的系统架构，明确阻容器件的功能，通过电路仿真和实际测试结果来指导正确的硬件电路设计，否则无法正确完成产品开发设计[1]。
为保证电源稳定性，在设计芯片环路的时候都会给留有一定的余量，设计的余量与功耗评估、器件精度、电源仿真都存在关系。实际应用的阻容器件与标称的理论值存在一定偏差，阻容器件标称值与实际值的偏差称为误差，器件允许的偏差范围称为精度。电容精度等级与允许误差对应关系通常为：超稳定级（I类）的介质材料为NPO，精度通常为1%;稳定级（Ⅱ类）的介质材料为X7R，精度通常为5%;能用级（Ⅲ类）的介质材料Y5V，精度较低，不建议使用。在考虑通流和功耗的前提下，目前电阻精度主要是1%及5%两种。
在实际设计过程中，建议设计人员选择精度高（1%）的阻容器件。使用高精度的阻容器件可以准确控制硬件电路的功耗、电流、频率、纹波、噪声等电气特性，有效控制单板稳定性。为了降低单板阻容器件的种类数，应该参照以下规则：电阻按照E12原则（10、12 、15 、18、 22 、27 、33 、39 、47 、56、 68、 82作为基数）来选择器件，电容按照E3原则（10、22、47作为基数）来选择器件。这些是设计中经常用到的阻容值，以上述阻容值作为基数可以满足电路设计中90%的阻容需求。如果芯片要求特殊阻容值，可以通过串并联的方式实现所需阻容值，可以有效地控制环路的阻抗匹配、驱动调节、纹波控制等电气特性。
选用高精度阻容阻容器件，建立优选阻容器件表PPL，就可以在保证所有单板开发质量的前提下，最大程度约束器件选择的种类数，实现器件编码的归一化，提高单板阻容器件的简洁度。
2 电源评估
设计人员选用一个芯片，需要明确芯片最大的应用能力，即芯片管脚最大工作电流和目标工作频率，理清芯片最大动态电流和设计所需的负载频率范围，约束trace走线分布来指导power rail的设计并选取适合的电容。控制电源稳定性最重要的两个环节就是阻抗匹配和频率响应，设计电路的时候会仿真出一个最优通路的理想电路模型。理想电路要求在电路频率变化范围中走线链路阻抗是固定的，设计出的实际电路也要满足这个特性，要求设计出的阻抗频率特性曲线与理想电路阻抗频率曲线接近，甚至一致。
以某网卡芯片为例，通过查询器件手册得出芯片在不同工作状态下的最大电流如下。
表1 某网卡芯片工作状态功耗表
通过表1知道网卡工作在1 000 Mb/s传输速率，从Active状态到Idle状态时候会产生最大的功耗变化，网卡实际工作中最大的电流变化是从Active状态向Idle 状态切换过程中发生的。网卡在这两个状态之前切换时候产生最大数据量变动，过大的数据量变化会产生额外的工作损耗。从芯片手册上可以得知Active状态到Idle状态的工作电流变化为570 mA，由此可以计算得出网卡在1 000 Mb/s link状态下从Active转向Idle时的Transient Current百分比，即动态电流变化率[Istep]为570 mA。由表1可以看出，该网卡芯片在不同工作状态下的功耗是不同的，相同电平下的工作电流不同。这是由于芯片高速信号传输引起传输线及传输介质产生阻尼效应，内部工作频率提升导致芯片管脚输出功耗上升。信号传输是通过数据线中电平高低变化来实现的，不同电气接口对于高低电平的阈值也是有严格要求的，为保证信号能够在准确的数值下传输，需要确保芯片管脚上的信号在相同或不同的工作状态下都能有稳定的电平输出。这就需要我们充分理解芯片的工作原理及产生功耗的原理后，提供最优的电路来保证整个环路的稳定性[5]。
特征阻抗[Ztarget]可以通过以下公式得到：
[Ztarget=ΔVΔI=Vmax?ΔVrippleImax?ΔItransient] （1）
式中[ΔVripple]为电压纹波要求，通常为1%～3%，[ΔItransient]为电流有效传输效率，根据电源不同的设计方式和信号工作频率，可以选择10%～90%作为电流传输效率。
芯片都是在不同状态之间进行工作的，管脚不可能一直保持工作在100%的工作状态，这就导致实际输出的电流不会一直处于峰值电流，而是最大值的一部分。对于对工作状态没有约束且工作频率超过100 MHz的芯片，对电流传输效率Transient Current百分比可以选择最大的90%。芯片的最大工作电流可以通过查找器件手册得到，里面详细介绍芯片所有的工作状态及对应的工作电流，得出芯片在不同状态下的最大功耗。在此基础上，联系芯片实际工作中可能出现的状态变迁方式，计算出最大的动态电流变化率，即电流有效传输效率[ΔItransient]。
通过查看器件手册得到芯片管脚的工作频率作为目标频率[Ftarget]，超过[Ftarget]范围的信号都不必要处理。这是因为受到阻抗特性约束，这部分超出[Ftarget]的信号是无效的，故此不会产生损耗。芯片的目标频率通常在器件手册中没有涉及，可以直接向供应商询问。如果厂商无法给出芯片的目标频率可以凭借经验来推测：首先明确芯片消耗电源的模块类型，通过模块类型对比给出不同模块的典型频率，在结合芯片实际工作情况，找出所需要的目标频率[Ftarget]。
通常以I/O电源80 MHz，core电源50 MHz作为标准基准频率。将[Ftarget]带入计算表格，得出所有需要分析的对象和仿真波形，完成电源评估工作。
3 平面电容
经过实际测试，发现每个芯片的I/O管脚都无法按照理论模型构建硬件电路，即直接通过芯片管脚与PCB板上铜箔pad相连接，不会产生任何额外的电气特性。如图1所示，在芯片I/O管脚与PCB相连的地方都会产生寄生电容，当I/O管脚输出高电平时，相连部分上的寄生电容开始放电，如果管脚周围没有补偿电容给管脚寄生电容及时充电，该I/O管脚上电平就会出现跌落。
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图1 芯片I/O管脚实际等效示意图
芯片厂商通常会在实际封装中添加一部分[Cpkg]用于给寄生电容充电，但是由于容值过小，充电效果并不理想。芯片外部放置的钽电容存在走线过长、层叠干扰及寄生电感的原因，更是难以给芯片I/O管脚上的寄生电容及时充电，所以我们要利用PCB来构建出如图2所示的等效平面电容[Cpcb]。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼17t2.tif>
图2 理想PCB平面电容示意图
平面电容是利用PCB叠层的电源层和地层之间构造的电容效用而形成的。这种平面电容的容值通常比较小（pF级），可以用于滤除高速信号产生的高频噪声，同时由于离芯片管脚最近，可以最迅速有效地为芯片管脚上的寄生电容充电。在芯片周围摆放滤波电容不能有效滤除高频噪声的原因就在于即使容值很小的滤波电容也只能滤除100 MHz以下的噪声，而对于超过200 MHz的噪声就不能有效滤除。以10 nF电容为例，按照电容阻抗特征曲线所示，只能有效滤除50 MHz左右的噪声。如果再放置pF级的电容会显得冗余，且电容本身的ESR和ESL会引入高频谐振的问题。
综合考虑，建议可以利用平面电容来对管脚寄生电容完成充电和高频滤波[2]。电容频率阻抗曲线如图3所示。
3.1 估算平面电容值
平面电容值需要依据芯片管脚和对应传输线上的寄生电容值来完成评估。通过芯片I/O管脚的寄生电容[Cio]以及芯片的I/O管脚数量得出芯片I/O管脚生成的总寄生电容大小。一般情况下，PCB微带层每inch单端传输线（特征匹配阻抗为50 Ω）上的寄生电容为3.5 pF。以一组32位的传输线为例，传输线走线长度为6 inch，管脚寄生电容[Cio]为2 pF，可以推算出芯片管脚总寄生电容[Cswl]=（3.5 pF/inch×6 inch+2 pF）×32=736 pF。按照设计要求电源的纹波为2%，综上条件就得到了所需要的平面电容[Cp]为36.8 nF。
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图3 电容频率阻抗曲线图
当然，这里还提供了一种简易评估平面电容的方法，即忽略管脚上的寄生电容。同样以上述32位传输线为例，[Cswl]=3.5 pF/inch×6 inch×32=672 pF，电源纹波同样要求为2%，得到平面电容为33.6 nF。这样计算得到的[Cp]与理论值存在一定偏差，不是很准确，但管脚上的寄生电容可以通过芯片封装上的[Cpkg]进行部分补偿，可以满足实际应用的补充效果，故此不会产生很大的影响[3]。平面电容的布局由于需要考虑分层和跨层分布，实际上应用的平面电容要比计算得到电容多。根据资料和实际测量，实际布局的平面电容[Ccomp]和理论的平面电容[Cp]二者的比例应该是5～10倍之间，通常选用选取为8，即[Ccomp]=[Cp]×8。由此可以得到芯片实际需要补偿平面电容值为[Ccomp]=36.8 nF×8=294.4 nF。
3.2 构建平面电容
按照上面介绍的方法，通过计算得出芯片管脚需要补偿的电容值，下一步就要确认如何构建平面电容。PCB是由铜皮和绿油组成，PCB板上所有的电源和信号都需要通过铜皮完成布局和传输，故此确认并合理地分布铜皮就能决定如何构建最适宜的平面电容。
如式（1）所示，铜皮的估算方式可以按照业界通用的公式：
[CPCB=E×Er×L×WT] （2）
式中：E=0.224 9×[10-12] F/inch，[Er]=3.8～4.2 （FR406材质PCB吸收），L为走线长（inch），W为线宽（inch），T为铜厚。
在设计初期就已经确定了PCB的层叠间距、材质、走线距离、线宽和铜皮厚度等参数，可以根据式（2）评估出实际设计需要铜皮数量，由此构建PCB铜皮布局，即构建平面电容。构建PCB平面电容需要经过电路原理仿真、PCB信号仿真和电源仿真评测后方可落实。电源层和地层必须有效区分，原则上相同电平值的模拟和数字电源也需要单独隔离，数字地和模拟地也需要隔离开。处理高速信号时，需要注意信号参考的电源平面或地平面布局需要尽量精简，电源层平面和地层平面尽可能的靠近并对称均匀布局，形成近似差分耦合电容的布局。这是由于提供给高速信号做参考层的电源平面和地平面在实际应用的时候会附生一个很小的寄生阻抗（大致20 mΩ），为保证电平稳定，通过这种紧急对称布局来有效抵消寄生阻抗引起的电平跌落，而且可以有效抵消一部分电源纹波和噪声的干扰[4]。
3.3 应用实例
以一片单板为例，首先确定单板上工作时钟频率在100 MHz以上的单端信号，以表格的形式列对应的芯片器件名称、接口类型、工作频率以及器件个数，再列出接口的个数、单个接口的负载电容以及接口工作电压，按照列出的信息，参照本文提供式（1）计算出该关键I/O管脚需要补偿的电容值，构建平面电容。以Intel 82599网卡芯片为例，通过查阅厂家技术手册列出信号对应的电源网表名、电压、纹波等信息，绘制出表2，用于指导下一步设计。
表2 某单板的管脚信息表
通过查看芯片手册，得知芯片内部时钟主频为100 MHz，可以倍频至2.5 GHz，即[Ftarget]为2.5 GHz。管脚最大电流为3.5 A，应用VCCP的管脚都为高速信号，需要使用high speed模型分析：电压纹波要求1%，电流传输效率90%。
通过公式（1）所需要的平面电容值为[Cp=（3.5 pF/inch×15 inch+2 pF）×321%=174.4 nF]，即可规划出平面补偿电容。通过式（2）得到，[Ztarget=1.1×1%3.5×90%=3.492 mΩ]。再使用文中介绍的电源评估方式，绘制出如图4所示的[Ftarget]与[Ztarget]曲线，依靠曲线协助评估出所需要的最优环路。
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图4 [Ftarget]与[Ztarget]仿真曲线
经过电源评估、构建平面电容和频率阻抗特征曲线后，可以设计符合芯片管脚电气需求的最优电路。如图5所示，通过泰克示波器TDS3012B量测信号噪声发现，采用PDN设计理念优化的电路可以有效抑制噪声。
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图5 PDN设计前后电路噪声测试结果
4 结 语
本文通过原理分析和实例讲解来介绍一种基于PDN原理设计硬件电路的方法。PDN可以有效指导硬件工程师在充分掌握芯片实际工作状态信息后，精确地设计电路、优化阻容选型，提升电路开发效率，解决冗余设计造成的干扰问题，提高单板简洁度，提升产品品质。同时，通过PDN原理来指导硬件电路设计的方法，已被爱立信、华为等电信业公司广泛接受、应用和推广。
根据本人实际开发工作验证，通过PDN原理设计电路的方法非常科学，采用PDN原理设计24 000 pin密集度的服务器单板，可以有效降低阻容器件种类数和总数各30%，降低原材料、加工成本和工艺制程成本12.5 RMB/pcs，提升生产直通率0.5%，改动前后的效果十分明显。
本文在以下方面有所创新：
（1） 提出PDN设计理念，规范电路设计流程，能有效指导硬件工程师充分理解芯片的技术规格，设计出最优电路;
（2） 建立优选器件表，规范阻容器件种类数和总数，提升产品质量和管控水平;
（3） 构建平面电容，绘制频率阻抗曲线，指导硬件工程师设计理想硬件电路。
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生产实习是培养本科学生理论联系实际，提高实际动手操作能力的重要教学环节。本专业的生产实习旨在使学生广泛了解实际电子产品生产的全过程，熟悉电子产品的主要技术管理模式，并在实习的操作过程中学习、掌握电子产品的焊接、安装、调试的实际操作技能。巩固和加深理解所学的理论，开阔眼界，提高能力，为培养高素质大学本科人才打下必要的基础。通过学习，是理论与实际相结合，可以使学生加深对所学知识的理解，并为后续专业课的学习提供必要的感性知识，同时使学生直接了解本业的生产过程和生产内容，为将来走上工作岗位提供必要的实际生产知识。
二、实习的基本内容：
、集中授课，进行相关知识的学习。
、学习、掌握电子产品的独立性设计与安装、调试的能力；进一步掌握电子测量仪器的正确使用方法，电元器件的测量与筛选技术。
、初步了解电子整机产品的工艺过程。
、为能使学生得到充分的锻炼，较大的提高学生的实际动手能力，本次生产实习安排每一位学生独立完成全部系统的设计与安装工作。
、本实习环节，学生要独立使用电焊铁及各种电子测试设备电路安装与调试，要学生严格遵守电器设备的使用安全，遵守实验室的各项规章制度。
三、基本要求：
、在教师的指导下练习在测试电路德核心板上焊接元件，掌握焊接要领。
、熟悉元器件的性能及管脚分配。
、在给定的pcb板上焊接跳线，ic插座，电阻，电容，led器件等。
、检查焊接是否正确。
、插上元器件，运行系统，并观测系统工作是否正常。
四、总体设计电路思想和原理：
本次生产实习用到的开发板和模块共7块，分别为：单片机核心板，电子钟模块，mp3模块，rfid模块，无线传输模块，脉搏传感模块，gps模块。
各模块相互组合，其所能实现的基本功能如下：
、单片机核心板+电子钟模块：实现时间的显示，温度的测量，且可通过遥控器调时、定闹等。
、单片机核心板+无线传输模块：实现数据的近距离无线传输。
、单片机核心板+mp3模块（含sd卡）：实现mp3播放功能。
、单片机核心板+rfid模块：实现地铁检票系统的模拟。
、单片机核心板+脉搏传感模块：实现人体脉搏传感的测量。
、单片机核心板+gps模块：实现gps卫星定位功能。
（一）核心板电路设计
单片机核心板电路主要包括stc12c5a60s2单片机，电子钟模块接口电路，mp3接口电路，无线传输模块接口电路，脉搏传感模块接口电路，gps模块接口电路，串口扩展电路，电源供电电路。该系统的单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期（it）的单片机，是高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机。通过使用stc-isp软件，该单片机可实现串口在线编程，无需编程器，无需仿真器。
核心板电路的设计思想主要是围绕单片机芯片的工作原理和特点，为其实现合理的设计出外围电路：包括电源电路，显示电路部分，复位电路部分，串行口通信电路，按键电路等。
（二）电子钟模块电路设计
该模块主要用到的芯片有：时钟保持芯片ds1302，单总线数字温度传感器ds18b20，红外遥控解码器tl1838a。
该模块电路设计的思想是了解这三种芯片的工作电压，ds1302的工作时钟频率以及三种芯片与单片机之间的硬件连接。
（三）mp3模块电路设计
该模块用到的主要芯片有mp3音频解码芯片vs1003，3.3v电压转换芯片lm1117-3.3,2.5v电压转换芯片lm1117-2.5。
该电路的设计思想主要是了解芯片的作用和特点，寻找各芯片之间的联系，vs1003芯片是该模块的主要部分。单片机设有单独解码mp3文件的功能，而单片机可与通过vs1003的接口电路的连接，进行mp3的解码，实现音频的输出。通过芯片各引脚的功能和特点，合理的设计出相应的外围电路。
（四）rfid模块电路的设计
该模块的电路所用到的主要芯片为13.56mhz的非接触式通信读卡芯片fm1702。该芯片是基于iso/4443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米cmos 、eeprom工艺，支持13.56mhz频率下的type a非接触式通信协议，
支持多种加窗算法，兼容philips的mfrc530(spi接口)读卡机芯片。
该模块的电路设计思想是基于fm1702各引脚的功能和特点，合理的设计芯片的外围电路，其中的电容和电感所构成的天线是芯片与s50卡通信的工具。
五、单元电路设计：
、单片机核心板电路分析
单片机核心板是本次实习中最重要的部分，它是实现各种模块功能的基础部分。单片机核心板的核心是stc12c5a60s2单片机芯片，围绕该芯片设计出相应电源供电电路，蜂鸣器驱动电路，按键电路，串行口通信电路，复位电路，液晶屏驱动电路以及各模块的接口电路，由以上的电路部分就构成一个核心板电路系统。
