電路原理范文

導語：如何才能寫好一篇電路原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

即從信號源（麥克風、輸入式傳感器等）和被控元件（電機、顯示器件或者揚聲器等）兩頭同時畫起，最終將電路板上的全部元件繪制完畢。（5）可以利用網絡、圖書資源，找到相類似的電路原理圖，然后根據實際電路板進行更改圖紙，這種方法對繪圖而言相對更簡單些。應當說明，實際運用時很難依靠一種方法來“反繪”原理圖，一般采用多種方法的綜合才能快速正確的完成繪畫工作。現以圖一所示“樓道聲光控開關”燈泡不亮故障為例進行說明，該電路板是以集成電路CD4081為核心構成的。首先畫出電源電路，從網絡上查找到該集成電路的資料：CD4081是一個包含4個與門的CMOS電路，其中第14引腳和第7引腳分別是5伏電源的正極與負極，反向思維可查找出電源的整流二極管與濾波電容，元件如圖一所示，對應的銅箔如圖二所示，畫出的原理圖如圖三所示。其次以信號輸入端開始反繪，即從駐極體話筒開始畫起，當然也可以從光敏電阻畫起，順藤摸瓜，依次畫電阻，電容，三極管、集成電路，再畫晶閘管，細加整理后如圖四所示。當您“反繪”電路板時，也不一定采用與作者一樣的步驟，可以“兩邊擠”的方法，即畫好電源后，可從話筒和晶閘管兩邊同時開始，一直將所有電路畫完為止。根據“反繪”出的原理圖分析工作原理可知：當5V供電為零時、麥克損壞時、Q1擊穿時、CD4081燒壞時或Q2斷路均會造成燈泡不亮故障。經檢查為三極管Q2擊穿，聲音無法到達集成電路，從而導致燈泡不會發光，更換三極管后工作正常。

2局部“反繪”

在實際維修過程中，維修人員面對更多的是龐大而復雜的電路板，此時，沒有相應的原理圖維修工作變得更為困難“，反繪”原理圖要畫出全部電路板嗎？不！繪制全部原理圖是不可能的，也是完全沒有必要的。維修者更多關心的是有故障部分的電路，此時只要根據故障現象、電器工作原理、電路板上元器件的外形大致判斷故障部位，只需將“可疑”部位仔細“反繪”出原理圖之后，再加以分析排除故障即可。繪制時可找到供電電路，而后采用如下方法：（1）以三極管為核心繪出原理圖。（2）以集成電路為核心進行繪制。電路實物中，集成電路是非常“顯眼”的元器件，很容易看到和辨別型號。這為畫圖提供了方便。（3）以電路板上“特殊元器件”為中心進行繪制，比如：電視機的高頻頭、高壓包、行激勵變壓器、電源管、行管等；VCD的激光頭接插件、各種電機、開關；冰箱的壓縮機、溫控器等等，這些特殊的元件為快速繪圖提供了突破口。（4）以信號流向進行繪制。比如視頻信號、伴音信號、控制信號。（5）根據局部電路板上的字符進行繪制。比如電視機電路板上標有RFAGC、V-SIZE、ACK、ABL、AGC；VCD電路板上所標注的APC、RF等字符。這些字符具有特定的意義，從而理解了該部分電路的功能，加快了繪圖的步伐。由于三極管、集成電路的在電路中更為普遍以及其重要性，故單獨列為兩項，其實二者都可以作為“特殊元件”放在第三項中。現以一昆侖B3110型黑白電視機出現圖像上下壓縮故障的繪圖為例。由電視原理知道：該故障發生在場掃描電路，從經驗上可知場掃描電路一般是個集成電路，而且常固定在散熱片上，這樣從這個思路出發很快找到該電視機電路板上的μPC1031H2為場掃描集成電路，該部分電路板的底層如圖五所示。圖五

繪圖時以集成電路μPC1031H2為中心，從其1腳開始，先畫出與1腳相連的所有元件，由圖五可以看出：1腳與7C9的負極、7C8的負極和7C7的一腳相接；2腳接12V電源（由于電路板太大攝圖時被截掉），接下去畫出與3腳相接的元件，依次畫下去，如圖六所示。為說明問題，圖六只畫了1、2、3、5、6、8腳外的元件。這樣將局部電路畫出來之后，分析該部分電路的工作原理，測量一些電阻值、電壓點或支路電流，為維修工作提供依據。從而找到相應故障元件并加以排除。當然運用局部“反繪”時，也可以根據具體故障元件畫得再少些，比如上例關于場掃描電路故障，根據工作原理可知，該故障與μPC1031H2的第四、六腳關系最大，這時其它引腳電路可以不畫出。本文來自于《電子科技》雜志。電子科技雜志簡介詳見

3“反繪”原理圖的知識儲備

篇2

工作原理

1.磁飽和電抗器控制電流型高壓穩壓電路

以松下（畫王）TC-33V30H彩電（圖1）為例介紹該高壓穩壓電路。由圖1可知：行輸出管Q551集電極供電是由140V經R561、易磁飽和電抗器L1514次級、行輸出變壓器初級9、10繞組提供的。當圖像畫面為亮景時，顯像管中的電子束流增大，陽極高壓勢必降低，反映在行輸出變壓器次級高壓繞組末端的11腳的電壓必降低，也就使加在運算放大器IC1501（BA15218N）3腳（同相輸入端）的電壓降低，經放大后其1腳的輸出電壓降低，也就使經R1531加至運算放大器IC1502（BA15218N）3腳（同相輸入端）的電壓降低，經放大后1腳輸出電壓下降，即加在IC1502另一放大器6腳（反相輸入端）電壓降低，經放大后7腳輸出電壓上升，即經R1514加至Q1501 b極電壓上升，Q1501導通增加，使流過電抗器L1514初級線圈的電流增大，于是L1514的電感量下降，次級繞組阻抗下降，導致流過次級繞組，也就是流過行輸出變壓器初級繞組的電流增大，以增加激勵，以使高壓升高，反之亦然。這樣，由于高壓趨于自動穩定，圖像尺寸也趨于自動穩定。圖中R1512是Q1501工作點調整電阻，即L1514起控點高低的調整。另外Q1503、Q1504是用以穩定光柵尺寸的。當畫面為亮景（即高壓下降）時，由上述分析可知7腳輸出電壓是上升的，顯然Q1503導通增加，c極電壓下降，即Q1504b極電壓下降，Q1504導通減弱，其e極電壓升高，使得經R1522送至枕形校正電路輸出級PNP管b極的電平升高，使輸出管導通電阻增大，導致流過行偏轉線圈的電流減小，使光柵水平尺寸不至于擴大（這部分電路未畫出，詳細原理從略），反之亦然。

2.逆程電容容量控制型高壓穩壓電路

圖2所示夏普29N42型彩電高壓穩定電路屬逆程電容容量控制型高壓穩壓電路。它主要由運算放大器IC602（LM358P）和控制管Q612等組成。其原理是：當圖像較亮時，電子束流較大行輸出變壓器高壓繞組下端（8腳）電壓降低經R694、R652后使R653右端（圖中A點）電壓降低運放IC602的3腳（同相輸入端）電壓降低同相放大后1腳輸出電壓降低控制管Q612b極電位下降導通減弱等效電阻增大C634、C635串聯構成的行逆程電容的總容量減小行逆程脈沖幅度增大對高壓起到提升作用，使光柵幅度不至于擴大。當圖像亮度變暗時，控制過程與上述相反，使等效行逆程電容容量增大行逆程脈沖幅度減小對高壓起到降低作用，使光柵幅度不至于縮小。在圖2 中C646、R647、C668構成π型濾波電路，以濾除IC602的1腳輸出的交流成份，使控制管Q612的導通程度能得到平穩控制，R648、TH601（負溫度系數熱敏電阻）以及R697、R696、D635等構成直流負反饋電路，以穩定運算放大器的放大倍數。

3.行偏轉線圈電流控制型高壓穩定電路

康佳T3888N彩電高壓穩定電路屬行偏轉線圈電流控制型，如圖3所示。它是以幾何失真校正集成電路N302（TA8859）為核心的電路構成的。TA8859具有水平、垂直幅度自動調整，光柵各種失真（梯形、枕形、弓形、平行四邊形）的自動校正、穩定高壓等功能。下面僅對水平幅度的自動調整作一簡要介紹：N302 1腳為取樣電壓輸入端，該端輸入的取樣電壓與IC內部的水平幅度調整電路的基準信號進行比較，比較后的誤差電壓與經校正的場頻拋物波復合后又經總線控制得到校準后的場頻拋物波，然后加至4腳內部放大器的反相輸入端，同時來自水平枕校電路的交直流反饋信號也從4腳輸入到內部放大器的同相輸入端，經運算放大后的場頻拋物波從N302 2腳輸出，去自動調整光柵水平幅度大小。當圖像畫面變亮時，束電流變大，行輸出變壓器11腳電壓會瞬時變低，即N302 1腳輸入的取樣電壓變低，該電壓經水平幅度調整電路比較調整后會使2腳輸出的場頻拋物波中的直流電平分量變高（大家知道:場頻拋物波中的直流電平大小主要是控制行偏轉電流的幅度，即光柵的水平幅度，拋物波形的凸凹量大小是用以調整水平枕形失真的校正量），于是控制管V03導通增加，c極電壓下降V02 b極電壓下降，導通減弱由于V02 e極接的是負電壓V01 b極電壓相對升高V01導通減弱V01c 、e極等效電阻增加，使得行偏轉線圈支路對地總的等效阻抗變大流過行偏轉線圈的鋸齒波電流幅度減小使光柵行幅不至于擴大。另外，由于V01導通電阻的增大，相當于減小了行輸出管的負荷，使行管輸出電流減小，行逆程脈沖幅度得以提升，高壓升高，從而基本保持高壓穩定。反之，當圖像畫面變暗時，過程與上述正好相反，在此不再重復，讀者自行分析。實際上，行輸出變壓器的高壓繞組末端還接有ABL電路，在ABL電路的自動控制下，熒屏亮度的變化也不是十分顯著，再加之光柵水平幅度的自動控制，顯像管的陽極高壓基本穩定不變。

故障檢修

由上面的原理分析大家可以看出，高壓穩定電路是一個閉合控制環路，其取樣輸入點通常在行輸出變壓器的高壓繞組的末端（也是ABL電路的取樣點），然后經放大控制電路，最后通過控制行輸出變壓器初級的激勵電流或控制行逆程電容的大小或控制行偏轉線圈中流過的鋸齒波電流大小來使取樣輸入點電壓恢復到正常值，從而達到高壓穩定之目的。上述的控制過程所用時間很短，通常只有幾十微秒，所以觀看者根本看不出來高壓瞬間變化而引起的光柵幅度的變化。從維修實踐來看，高壓穩定電路發生問題引起彩電的故障根據電路形式或損壞的情況不同，除引發光柵的縮脹外（注：高壓變化引起的光柵縮脹與+B電壓不穩，即開關電源內阻變大所引起的光柵縮脹現象正好相反，高壓變化引起的光柵縮脹現象是：亮畫面時因高壓下降光柵水平幅度變大，暗畫面時高壓升高，畫面縮小。而開關電源內阻變大引發的現象是：亮畫面時光柵水平幅度變小。反之，暗畫面時光柵水平幅度應變大），有的則會引起光柵行幅一直很大，有的甚至引起彩電黑屏（保護電路動作）。所以檢修高壓穩定電路必須從故障現象入手，將懷疑的高壓穩定電路從主電路中部分或整個徹底斷開，從而判斷故障是否由高壓穩定電路損壞所為。從維修實踐得知，如果高壓穩定電路的末級發生的是短路性損壞，多數是引發光柵行幅一直很大或保護電路動作（黑屏）故障，而其余部份發生故障一般只會引起光柵的縮脹故障，因此，如果彩電發生亮畫面光柵擴大，暗畫面時光柵縮小的故障，直接檢修高壓穩定電路即可，如果發生了光柵行幅一直很大或黑屏故障，那么為了確定該故障是否由高壓穩定電路故障引起，可斷開高壓穩定電路輸出級，如果故障現象消失，就說明是高壓穩定電路輸出級損壞所致，從而給檢修工作指明了方向。然后再通過測試電路相關元件，逐步縮小范圍，直至找出故障點。請看下面檢修實例：

[例1]故障現象一臺松下TC-33V30H彩電出現圖像內容為亮畫面時，光柵幅度基本正常，但圖像內容為暗畫面（夜景）時，光柵幅度縮小，屏幕四周有約1cm的黑邊故障。

分析與檢修 顯然，這是高壓穩定電路出現故障所致的光柵縮脹現象，該機的高壓穩定電路見圖1。首先斷開取樣輸入電阻R1501，故障現象絲毫不變，表明的確是高壓穩定電路未起作用。接下來將R1501復原，調整取樣電阻R1551,發現光柵水平幅度的確有所變化(后來檢修發現,實際上這是Q1503、Q1504送至水平枕校電路的直流電平引起行偏轉線圈的電流發生變化所致)。由此說明，高壓穩定電路中的放大部分正常，問題可能在輸出級。經查，易磁飽和電抗器L1514繞組沒有斷路現象，輸出管Q1501c極為12V電壓(正常應為8.4V)，顯然未工作，測b極有4.4V電壓（正常為4.3V），但焊下Q1501檢查，卻正常。接下來準備測e極負反饋電阻R1517（56Ω）時，發現焊點有一圈明顯裂紋，經補焊后試機，故障排除。

[例2]故障現象一臺夏普29N42彩電，出現行幅嚴重擴大、光柵亮度明顯降低的故障現象。經開蓋檢查，發現行輸出管發熱嚴重。

分析與檢修 由現象分析，這有兩種可能：一是行輸出變壓器短路；二是行逆程電容嚴重漏電或高壓穩定電路輸出級出現短路故障。該機的高壓穩定電路見圖2 。經測+B120V電壓基本正常，且行輸出變壓器線包不是很熱，故行輸出變壓器短路的可能性不大。經進一步檢查發現下置行逆程電容C635兩端電壓幾乎為零，懷疑它已擊穿損壞，但經查卻正常。再在路查C635兩端正、反向電阻，發現均只有幾百歐，故高壓穩定電路輸出管Q612損壞的可能性最大。經查Q612果然損壞。除此之外，還發現C668、IC602等元件也擊穿。更換上述元件后，故障排除。

[例3]故障現象 一臺康佳T3888N彩電，開機時有正常伴音，但光柵還未出現，機器就自動關機，聲音也沒有，只有指示燈亮。

分析與檢修

由現象分析，這極有可能是機器出現過壓、過流故障而引發的機器保護現象。首先斷開開關電源的+B輸出,用假負載試機，發現開機后+B輸出正常。據此說明開關電源本身沒有故障，且輸出沒有過壓，問題極有可能是過流或第二陽極高壓過壓而引起彩電保護電路動作。隨后斷開行輸出管+B（125V）供電端（即行輸出變壓器2腳的連線），串入一只1A量程的電流表，試機，發現電流表讀數為0.8A，且還在增大，隨后由于自動關機，電流表讀數為零。顯然這是機器過流而引起的保護。為了確定是否因高壓穩定（水平枕校）電路發生故障所導致，試斷開LD02后試機，機器不再保護，且出現帶枕形失真的光柵。據此，說明故障的確是由高壓穩定（水平枕校）電路發生故障所致。經對該電路元件作仔細檢查，果然發現其輸出管V01（2SB688）軟擊穿，更換后試機，故障不再出現。

篇3

本次設計任務是設計一個針對非接觸式傳感器電路部分的自動測試系統。因此，需要了解該電路的基本知識，即電路原理。

【關鍵詞】非接觸式 扭矩 傳感器 電路原理

1 電路原理圖分析

本次設計任務是設計一個針對非接觸式傳感器電路部分的自動測試系統。因此，需要了解該電路的基本知識。其中涉及到模擬電路、信號與系統等學科的知識。本文中將對電路的各個模塊進行工作原理的闡述和數學模型的分析。

電路圖如圖1.1所示。

該電路主要有三個模塊構成，分別是振蕩電路模塊、信號電路調試模塊、減法器電路模塊。在該振蕩電路中，留有TP5，TP7，TP6，TP4，TP3，TP2六個測試接口。通過在正常工作狀態下對這五個引腳輸出信號的測量與判斷可以得到電路是否正常工作。在本次設計中，為了檢測震蕩電路是否符合條件，需要對TP2的輸出信號進行測試，采用示波器卡對振蕩器的輸出波形進行采集并分析，得到頻率ftp2，波形電壓峰-峰值Vpp，波形電壓最大值Vmax，波形電壓最小值Vmin，并判斷它們是否符合要求。若TP2為符合條件的波形。則可判斷該振蕩電路模塊可正常工作。

2 信號調理電路模塊

信號調理模塊有header2X2部分和兩個由LM2903組成的減法電路模塊組成。

Header2X2中為兩個電感和兩個電阻組成的橋，其中。1，3端口所接為可變電感，TP10的輸出波形發生變化，2，4端口所接為固定電感，TP9輸出波形為固定波形。由LM2903組成的電路為求電感橋電路輸出波形的最小值的電路。

電路結構圖如圖2.1所示。

該信號調理電路共有TP9～TP21 共12個測試端口。在測試時采用AD轉換卡測量兩個由LM2903構成的信號調理電路的輸出VTP18和VTP19的電壓，并判斷它們是否符合要求。同時采用示波卡測量測量TP13和TP16的波形，并提取波形的各項特征參數（如均值、峰峰值、波形因數等），并判斷它們是否符合要求。

3 減法電路模塊

減法電路的作用是將信號調試電路輸出的兩路波形信號，即通過電感橋后波形的最小電壓值做相減。該模塊電路主要由兩個放大電路模塊組成。采用的運放芯片為INA2331。

減法電路模塊如圖3.1所示。

該減法電路模塊共有TP22～TP29共8個測試點。在實際測試中需要通過AD模塊測量兩個儀表放大電路的輸出電壓VTP28、VTP29和調零電壓VTP23、VTP22，并根據之前測量得到的VTP18和VTP19判斷兩個儀表放大電路是否正常工作。對于VTP28 、VTP29的要求為他們的差應該在一定誤差內。

參考文獻

[1]包壽紅，羅嗣周.非接觸式扭矩傳感器在EPS中的應用.[J].2010 06：25.

[2]蔡麗.傳感器與檢測技術應用[M].北京：冶金工業出版社，2013.

[3] Msahiko Kurishige， K.et.al. A New Electric Current Control Strategy forEPS Motors[J]，SAE Paper， 2001.01，0484.

[4]Chanhun Park. Development of an Intelligent Safe Robot with Joint Torque Sensors[J].Proceedings of 2010 International Conference on Circuit and Signal Processing & 2010 Second IITA International Joint Conference on Artificial Intelligenc.2010-12-25.

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關鍵詞： 三本院校 《電路》 原理教學

《電路》課程是自動化、電氣、電子信息、通信工程等相關電子專業的基礎課程。《電路》課程的主要特點是理論難、實用性廣，其定理的抽象性使很多學生無法將理論與實踐相聯系，導致大部分學生對本課程感到懼怕。尤其三本院校《電路》課程教學的課時少、任務重，學生基礎相對薄弱，自主學習意識不強，因此教學效果不理想。我根據自己的感悟和體會，結合教學實踐和研究，對《電路》的教學方法進行改進，以培養學生的學習興趣，提高教學質量。

興趣是學習的動力，孔子曰：“知之者不如好知者，好之者不如樂知者。”從心理角度來看：當學生對某門學科產生學習興趣時，就會集中注意力，采取積極主動的意志和行為，從而提高自己的學習效率。

一、前幾節課是關鍵

教師是學生接觸新知識的第一位引路人，而前幾節課是引起學生興趣的關鍵，尤其是第一節課，不僅可以給學生講述最基本、最實用、最簡單的電路模型，而且可以做很多演示實驗，例如：疊加定理，戴維寧?諾頓定理等。雖然演示實驗會多占用一點時間，但這樣的教學方式不但會立即吸引學生的注意力，激發學生們的學習興趣，而且會對以后的章節起一定的啟發作用。

二、傳統教學手段激發學生興趣

不可否認多媒體技術在課堂上的應用尤其在基礎課上，已經從爭議走向成熟。多媒體教學不僅增大了課堂的信息量［1］，而且教學的生動性、直觀性，使學生們看到獨特的“全方位、多視覺、多層次、多變化”的立體式的演示功能［2］。在《電路》教學中給學生們看一些與時俱進的電子器件與應用的圖片，可以使抽象的教學成為直觀可操作的“模擬實驗”，如：動態演示講解電壓電流的參考方向，用動態電流流過的方向與所選取元件的電壓方向對比，更容易判斷二者的關聯性，從而誘發學生對學習產生興趣和學習欲望。

三、讓學生體驗成功的樂趣

保持課前提問的輕松氛圍［3］，可鞏固學習成效。雖然學生都知道課前提問是對上一節課學習重點的回顧，但能真正積極參與回答問題的學生卻很少。對于簡單問題可采用自愿回答的方式，而較難的問題則可采用集體回答的方式。習題課采取“教與導”并行的形式。鼓勵學生大膽走上講臺，為其他同學講解習題，或讓學生提出質疑再由教師教授學生解題思路。通過這種方式，增強學生對《電路》學習的自信心，提高獨立思考的能力。

四、課后習題與實際相結合

目前許多學校采用了實驗箱的模式進行實驗，電路中關鍵部分僅需學生自己簡單連接，而其余部分由試驗箱內部電路完成。從表面上看，這樣既鍛煉了學生的動手能力，又節省了實驗的操作時間，而且有利于管理，降低了危險系數。可學生在連接電路時仿佛在畫電路圖，看不到實際的電路情況，出現問題，自然有管理儀器的老師維修。這使學生在動手時缺乏一種責任感，解決實際問題的能力也會受到影響。如果僅僅是時間問題，可定時開放實驗室，允許學生隨時做實驗。如果不能提供這種條件，則可準備一些看得見的元件，讓學生進行實際練習。

《電路》課以講解電路原理為主，雖有部分涉及實際問題，但大部分都已抽象為電路模型。所以無論是例題還是課后習題學生見到的都是抽象的電路圖，很少知道此電路圖會在哪里出現，更不會了解如何使用這些電路模型。我們通過與國外的學生交流，了解到，國外課程的課后習題與實際的應用緊密聯系，學生不僅學習了理論知識，而且明確了學習的目的。因此，教師在講解時，可先以模型為例題進行原理講解，然后將原理涉及的電路與實際的電路相聯系，對習題進行練習。例如：《電路》第五章含有“運算放大器的電阻電路”有這樣一道習題。原題為：如圖1，電路起減法作用，求輸出電壓u，和輸入電壓u、u之間的關系。學生可從本題得到信息為：

（1）圖1為減法電路；

（2）輸出與輸入有一定關系。

如果我們將此題改為：壓力傳感器的輸出范圍是0～2mv，圖1為測量壓力的實用差分運算放大電路，u、u分別接在壓力傳感器的輸出端，求檢測電路輸出端u，與u、u的關系。學生得到信息為：

（1）圖1為一個實用電路；（2）電路可實現差分運算；（3）電路常應用于小信號檢測；（4）電路可實現壓力檢測；（5）壓力傳感器可用于壓力檢測；（6）壓力傳感器一般為小信號輸出；（7）差分電路輸出與輸入有一定關系。

雖然是幾乎相同的問題，但經過對題目進行簡單的修改，學生們從習題中獲取了更多的知識，有助于學生將理論應用于實際問題。原題只傳遞了很少信息，且十分抽象，學生很難深刻理解減法電路的實際用途，而改后的習題不但聯系實際，而且拓寬了學生的視野，有助于激發學生的學習興趣，提高學生的學習成績，鞏固學習成果。

五、結語

我通過以上教學改革的嘗試，調動了學生對《電路》課程的積極性。教師在上課時應注重激發學生對本學科的興趣，尤其對基礎薄弱［4］、學習動力不足的三本學生，更要激發他們的主觀能動性，不是為了應試而學習，變“要我學”為“我要學”。只有這樣，才能克服種種學習困難，提高運用知識分析和解決問題的能力。

參考文獻：

［1］竇建華，潘敏，郭銘銘.“電路分析基礎”課程教學改革與實踐［J］.合肥工業大學學報，2007，30，（12）.

［2］賈艷艷，文麗，閻婷.淺談《模擬電路》課程教學改革［J］.新西部，2010，（11）.

［3］紀明霞，丁國臣，唐婷.如何提高《電路》課程的學習興趣［J］.科技信息，2009，（11）.

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【關鍵詞】共零線；電流環；通信電路

0 引言

工業控制應用中常涉及到數據或控制信號的長距離準確傳輸。以電流作為載體傳輸數據，可增大信號的噪聲容限和提高信號的抗衰減能力。將信號載在電流環上，實現較遠距離信號傳輸的電流環通信電路，經常將電流環與交流電源的零線（N線）共用一根線，組成共零線電流環通信電路。

本文對共零線電流環通信電路的通信原理和電路進行了闡述與分析，同時對各器件的選擇進行了說明，最后介紹了電路在實際應用中出現的有關問題，并給出實際可行的解決方案。

1 電路與通信原理

如圖1所示的共零線電流環通信電路，當通信處于室內發送、室外接收時，室外OUTDOOR-TXD置高電平，光耦IC21始終導通，若室內INDOOR-TXD發送高電平“1”，光耦IC2導通，電流環閉合，光耦IC1、IC20導通，室外OUTDOOR-RXD接收高電平“1”； 若室內INDOOR-TXD發送低電平“0”，IC2截止，電流環斷開，IC1、IC20截止，室外OUTDOOR-RXD接收低電平“0”，從而實現了通信信號由室內向室外的傳輸。同理，可分析通信信號由室外向室內的傳輸過程。

圖 1

2 電路分析與器件選擇

2.1 電源電路

FUSE1、ZR1、C5、L1、C6是室內電源電路，C23、L2、C24是室外電源電路，根據室內外電控實際需要確定參數或是否使用。D1，R1，R2，R3，E1，C1，DZ1組成穩壓電源電路。交流220V經D1半波整流，R1，R2分壓、限流，R3分流，穩壓二極管DZ1穩壓，再經E1，C1濾波后，為電流環提供穩定的24V電壓。

如室內側有主電源繼電器（如圖1 RY1），則室內通信電路的火線要從繼電器的輸出取電；如有共模電感（如圖1 L1），因其會影響電流環通信波形，則室內通信電路的零線要接共模電感的前端，但要經過強電濾波電容C5。同樣，如室外側有共模電感（如圖1 L2），則室外零線也要接在其前端，并經過C23。

2.2 電流環電路

IC1，R5，C3，IC2，C2，R4，D2，D20，R20，C20，IC21，IC20，R21，C21組成電流環。

光耦IC1，IC2，IC20，IC21起隔離作用，防止電流環上的大電流、高電壓串入損壞芯片。其中IC1、IC20用于信號接收，IC2、IC21用于信號發送；R4，R20電阻起限流作用，將穩定的24V轉換為3mA左右的電流，R5，R21電阻分流，起到保護光耦的作用，D2，D20防止N、S反接導致其它元器件的損壞，C2，C3，C20，C21高頻濾波，其中C2、C20選用安規電容；C3、C21選用耐壓50V的瓷片電容或貼片電容。

快恢復二極管D3，D4，在電路中起保護光耦的作用，能有效釋放連接線上的浪涌電壓。由于要求反應時間短，所以應選用快恢復管。

2.3 發送接收電路

R24，R25，R26，Q20，IC21組成室外發送電路，R22，R23，C22，IC20組成室外接收電路，R8，R9，R10，Q1，IC2組成室內發送電路，R6，R7，C4，IC1組成室內接收電路。

R7，R9，R23，R24電阻限流，R10，R25，R6，R22電阻分流保護光耦，都可以選用1/4W貼片電阻。C4、C22高頻濾波。

2.4 器件選擇

整流二極管要選反向擊穿電壓較高的二極管，最好≥1KV，同時要根據工作電流選取二極管的功率。

光耦的選型要根據通信的速率考慮光耦的開通和關斷延時（尤其要考慮高溫時光耦的延時會加大），如波特率為600bps，即每位數據的寬度約為1666μs，則光耦的開通或關斷延時最大不能超過80μs；由于外界干擾的作用，會在發送光耦的輸出端感應出較高的電壓，因此發送光耦要選用耐壓較高的型號，如選Vce為300V的PC851，其開通和關斷延時最大為12μs；另PC817的Vce為35V，開通和關斷延時最大為18μs，只可作為信號接收。

R5、R10、R21、R25起分流作用，保護光耦不被大電流損壞，其阻值不能選的太小，否則分流過大，光耦輸入電流過小，影響光耦的開關速度或開通不完全。

R1、R2要根據穩壓管DZ1的工作電流范圍來選，本電路電流環電流為3mA～6mA，穩壓電壓為24V，電源電壓在175V～275V之間，可計算出分壓電阻阻值為20K-40K，可選兩個11K、3W的功率電阻串聯。因電阻直接接在高壓端，耐壓要高于300V。

R4、R20的選型也要根據電流環電流的大小來選擇。電流環電流過大，則通訊波形不好；過小，則電流環無法正常工作，導致經常出現通訊保護。本電流環電流選3mA-6mA，則總限流電阻約為4K-8K，為保證通信可靠性，選擇較大的通信電流，則室內、室外各一個電阻，各分一半為2K。為防止N、S兩端誤接到L、N兩端上，損壞電阻，故要選擇功率比較大的電阻，需要選擇3W以上。

高頻濾波電容C2，C3，C4，C20，C21，C22選取時，一般不要大于0.001uF，過大會使通訊信號的波形有部分被濾出，導致通訊不良。C3，C4，C21，C22選耐壓50V的102即可，C2，C20選耐壓250V的471即可。

穩壓二極管DZ1的作用是穩定電流環工作電壓，提供通信電流環需要的工作電流。一般選用24V穩壓二極管，為保證電流環的電流大于3mA，需要選擇1W的穩壓二極管。

為保證足夠大的驅動電流驅動光耦，在室內外信號發射端需增加兩個驅動三極管Q1、Q20進行驅動，可選擇8050的管子。

3 應用中的問題及解決

電路設計完成后，需要增加低溫環境下的通信可靠性測試，要求在室外-15℃下確保通信正常，用示波器測試通信波形，不應出現丟幀現象。同時，需要增加延長通信線的通信可靠性試驗，要求在通信線延長到15米時，電路仍可靠、穩定工作，用示波器測試通信波形，應無丟幀的現象發生。

但是，實際的應用中，由于電網電壓的波動，通信線布線雜亂并且靠近其它強電干擾設備，還有通信線長度可能超過50米，往往會出現通信不良或通信不上等故障。我們可以設計一個100米通信線的實驗，并進行4KV的EFT實驗，用示波器測試通信波形，會發現波形的失真和丟幀的情況。如圖2所示。

問題的原因主要在內外側的接收端，是通信環路中存在的干擾通過光耦傳遞到MCU。首先，電源要進行濾波處理，可以使用π型濾波。接著要增大中間環路的通信電流，增強抵抗干擾的能力，可以把R4，R20多并聯一個電阻。然后，是避免干擾通過光耦，一方面把R5，R21電阻調小到1K，盡量把干擾從旁路流走；同時減少光耦IC1，IC20的傳輸比，控制在150左右（也不能太小），令干擾不被放大到接收端。最后，將R6，R22改小到2K，增加接收端電流，增強抵抗干擾的能力。調整后的實驗波形如圖3所示。如果軟件上再做好濾波的程序處理。這個電路的可靠性會進一步提升。

4 結束語

本文介紹了共零線電流環通信電路的電路圖及通信原理，并對其電路及器件的選擇進行了簡要的分析，最后對這個電路在實際應用中的有關問題進行了介紹和闡述，同時分析了具體的原因和解決的措施。這些實際的電路和措施已經經過多次嚴格的實驗，以及過十萬臺產品的實際安裝應用，具有很強的實際使用和操作性。

【參考文獻】

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【關鍵詞】點頻音箱；電路原理；安裝維修

點頻音箱是接受一個或者幾個固定頻率的調頻音箱，點頻音箱具有晶振穩頻的特點，能夠實現點頻的自動接受，抗干擾能力很強，可以實現全自動開關機，音量的調整十分靈活，喇叭音質優美，造型美觀、功耗低，待機消耗電流小。一般情況下，點頻音箱的頻率準確度

1 點頻音箱的電路原理

1.2 芯片簡介

以FM-165-RD音箱為例，該種音箱使用索尼單片收音機CXA1691IBM芯片，該種芯片是最新的換代產品，具備電源電壓適應面寬、元件少、功耗低、輸出大、內置FM/AM切換、對溫度適應性強的特點，除此之外，該種芯片還有其他的功能，FM部分具備混頻器、中頻放大器、振蕩器、調諧LED驅動器、AFC可變電容射頻放大器，AM部分包含AGC射頻放大器、振蕩器、混頻器、中頻AGC放大器、調諧LED驅動器、檢波器等，芯片的音頻部分包括FM靜音、電子音量控制，在負載阻抗為8Ω、電源電壓為6V時可以實現500mV的功率輸出，其內部部件框圖詳見表1。

1.2 電路原理的相關信息

點頻音箱的電路原理詳見圖2。當信號經過T1、C1、C2和C3組成的濾波器后，會進入CXA1691BM腳中，經由C8、T2等原件以及內部的選頻放大器后，可以將選頻回路選拼，將需要得到的信號放大。7腳外接三極管與晶振共同組成本振電路，信號會從7腳中輸入，和選頻的信號一起送入到CXA1691BM腳中，混頻得出的調頻信號會從14腳中輸出，調頻信號在經過CXA1691BM中的17腳輸入到內部，并經過中頻放大，得到放大后的信號在CXA1691BM內部進入到FM鑒別器之中，CXA1691BM的2腳會與鑒別器連接起來，與R8、CF2共同構成一種鑒頻網絡。信號在經過鑒頻網絡后會分成兩路，其中一路會從23腳輸出從24腳進入，并由27腳輸出驅動揚聲，另外一組信號會經過19腳，如果檢測時其為低點位，就會開啟CXA1691BM的內部功放電路，如果沒有信號則會關閉CXA1691BM內部的功放電路，以便實現靜燥。

2 點頻音箱的安裝

點頻音箱的安裝應該按照以下的流程進行：

2.1 選擇好音箱的位置

一般情況下，音箱要避開油煙的污染和陽光的直射，同時要盡可能的降低成本，比如符合安全要求，為了便于點整音量的電位器，音箱的高度必須要大于1.5m，為了防止音箱的本振信號對電視圖像產生干擾，音箱的位置要離電視機5m以上，使用的電源插座的高度也必須要高于1.5m，與此同時，線路必須要符合室內線路的安裝標準。

2.2 調整好輸入電平

在音箱的安裝之前需要檢查和調整好電視信號的電平質量，保證電視信號電平能夠達到60到70dR，對于音箱輸入的電平，保持在50dB左右即可。

2.3 保證用電安全

點頻音箱是使用220V交流電供電，因此，電源插座的安裝必須要結構過專業訓練的工作人員方可進行，此外，還要盡可能的將原電源插座利用起來，如果需要重新安裝插座，必須要專門的工作人員才能安裝，同時，為了節省用電，在取得用戶的同意之后，才能進行安裝，在插座安裝完成之后要仔細的進行檢查，防止由于安全問題而發生觸電的事故。此外，對于室內同軸電纜的布線必須要釘好線卡，保證走線的美觀性。

對于音箱調頻信號應該選擇終端盒FM端口，該種端口可以起到防雷擊的作用，也能夠保證信號的質量，此外，為了節約用料，可以在室外或者室內裝好分配器來分配信號，安裝好端盒以便將FM信號取出。

3 點頻音箱的維修問題

3.1 點頻音箱的使用維護

在點頻音箱安裝完成之后，要做好防曬和防雨工作，不能隨便移動點頻音箱的位置，在雷電發生前做好將信號的插頭拔出，防止音箱受到雷擊的損壞，在音箱使用的過程中，音量要適宜，不要將音量調的過大。

3.2 故障的排除

3.2.1 喇叭故障的排除

如果出現喇叭的故障，需要檢查是否是外部原因，電源是否出入音箱內，同時，檢查鄰居的音箱是否存在問題，如果鄰居音箱連續幾家不響，就要檢查是否線路的外部存在著故障，如果外部的音箱不存在故障，就要檢查是否音箱的內部存在問題，檢查方法主要利用萬用表來檢查電源插頭的兩端是否存在直流電阻，如果不存在電源變壓器損壞、保險絲燒斷、電源線不通的情況，就需要將其更換。其他的檢查方式就對應的線路進行一一檢查即可。

3.2.2 “靜噪”故障的排除

“靜噪”不靈的故障大多是由于輸入音箱電平的問題導致，其表現主要為，在有信號的情況下可以正常工作，在將調頻機音箱關掉后仍有廣播節目和噪聲，難以自動關機，究其根本原因，是由于輸入音箱的電平過高導致。為了解決這種情況，只要調整音箱輸入電平即可。

3.2.3 雷擊的修理

如果點頻音箱遭到雷擊后，會發生損壞，一般情況下，損壞的是變壓器和保險絲，有時還會出現音箱響但是變壓器發燙的情況，在發生這種故障時，只要更換配件即可。

參考文獻：

[1]張忠秀.點頻音箱的電路原理與安裝維修[期刊論文]，中國有線電視，2007，11（25）

[2]海濤，胡艷麗.調頻廣播與有線電視在共纜傳輸中的幾個問題[期刊論文]，內蒙古廣播與電視技術. 2008（01）

[3]于往才，楊洪流.市（縣）鎮（鄉）村戶有線電視和調頻廣播共纜傳輸方式的實施[期刊論文]，有線電視技術. 2002（06）

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[關鍵詞]交直交 電路 變頻器 設計 應用

中圖分類號：TM352 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）24-0106-01

1 電壓源和電流源型逆變器

電壓源型的逆變器直流環節采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想的情況下是一個內阻為零的恒壓源，輸出的交流電壓是矩形波或階梯波;電流源型直流環節采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當于一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波。

電壓源型變頻器的主電路簡單并且控制策略便于實現，而電流源型變頻器往往是電流頻率分開控制，并且難以實現電流的準確跟蹤，因此實際應用中多采用電壓源型的逆變器。但也有公司考慮到電容的壽命問題采用電流源型的變頻器。

2 電壓型PWM變頻器的主電路形式

通常電壓型PWM變頻器先將電源提供的交流電通過整流器變成直流，再經過逆變器將直流變換成可控頻率的交流電。本文采用不可控整流、PWM逆變器調壓調頻的交直交變壓變頻裝置，該結構可以較好地解決輸入功率因數低和輸出諧波大的問題。PWM逆變器采用了全控式電力電子開關器件，因此輸出的諧波大小取決于PWM的開關頻率以及PWM控制方式。

3 不可控整流、PWM逆變器調壓調頻的交直交主電路設計

以下主電路各部分元件參數設計是針對實驗室2.2kW交流異步電動機的，電機參數為額定功率，定子額定電壓，額定電流，額定轉速，接法型。

3.1 逆變器功率元件參數計算

逆變部分的開關器件選用IGBT，為了設計的簡便，本次采用集驅動、保護等功能于一體的智能功率模塊（IPM）。在參數選擇時，需要考慮到電機過載，安全裕度等要求，從逆變部分的主電路可以看出，流過一只IGBT管子的最大電流應當等于電動機定子一相的最大電流。所以功率元件的電流額定為

（3.1）

其中，為電流的過載倍數;為流過定子一相繞組中電流的峰值，;為定子的額定電流，這里為5A;為安全裕量。

將試驗用電機的相關參數代入式（3.1），過載倍數選為，得到IPM電流額定為

由于所帶電機的額定電壓為380V，所以直流電源由380V的三相交流電源直接整流得到，直流側電壓為

（3.2）

其中，為輸入三相交流電相電壓的有效值;1.2為考慮到大電容濾波后的電壓升高系數。功率元件的電壓額定為

1.5為安全裕量，在實際主電路搭建中選擇了日本三菱公司的智能功率模塊PM50RSE120 IPM，其額定電壓1200V，額定電流50A，可以滿足要求。

3.2 軟起動電阻的計算

由于在上電的瞬間，對電容器的充電電流可以看作高頻信號，此時電容的阻抗值很小，電流很大，如果不對充電電流加以限制會造成整流二極管和電容器的損壞，所以需要在直流側配一個軟起動電阻限制起動電流。由主電路的形式可以看出，當電容充電時，限流電阻和電容構成的回路是典型的一階環節，其時間常數為，故在零初始狀態下，電容上的電壓響應方程式為

（3.3）

當時，，故可選取充電時間為，即認為時電容充電完畢。如果要求充電時間為，則

故上消耗的功率為

所以可以選取限流電阻為，20W。選用該電阻時充電回路的瞬時最大沖擊電流為，在允許的范圍之內。實際的主電路中將四個，8W的電阻接成如圖3.2的形式作為軟起動電阻，組合后相當于，32W的電阻。

圖3.2啟動電阻的連接形式從以上的推導可以看出，軟起動電阻阻值越小，充電越快，但功率和沖擊電流也會相應的增大。最后將選擇的二極管模塊和IPM模塊安裝在散熱片上，并在主電路直流側串接用于過流保護的斷路器，最終構建起主電路。

4 IPM 驅動觸發板設計制作

根據所選擇的主電路形式，主要需要控制的部分為逆變電路的IGBT觸發控制。本次設計中逆變電路采用兩電平逆變電路，電路結構固定，故選擇帶能量釋放管的七單元IGBT-IPM，PM50RSE120，額定電壓1200V，額定電流50A，平板式結構。此IPM共16個管腳，分別用于觸發控制、引入4組獨立控制電源、制動信號和故障信號傳遞、連接直流電源、輸出三相交流電等。

觸發板用于完成接收從DSP核心控制板發出的PWM脈沖信號、能量釋放管控制信號、將四個獨立的直流15V電源引入IPM，從IPM將故障信號傳回DSP板等功能。

控制板的設計：控制板接收從DSP傳來的6路PWM脈沖信號，為了實現控制側和主電路側的隔離，采用快速光耦隔離，這里采用Agilent公司的快速光耦HCPL 4504，光耦副邊距IPM的管腳距離小于2cm。由于DSP的PWM輸出引腳的驅動能力不夠，所以在觸發板上加上了OC門芯片SN74LS07，增加驅動能力。制動電阻的控制信號和故障報警信號通過普通光耦TLP521-1進行隔離和傳遞。

在PCB板的制作過程中，有以下需要注意的地方，由于給上橋臂三組控制端供電的獨立電源的地線之間存在380V的交流電壓，即電動機的線電壓，所以考慮到爬線距離（一般為100V/mm），應在元件布局和布線方面使三組地線之間的間隔盡可能遠;為了實現無焊連接，可以采用三菱公司推薦的管座，型號為MDF7-25S-2.54DSA。

5 結論

本文給出了交直交主電路的元件選擇方法和參數的計算，進行了IPM觸發板的設計和制作，用于連接DSP控制板和主電路。在實際安裝中還要注意散熱片的放置，以及在直流側安裝過流保護開關。

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關鍵詞： 電源傳輸完整性; 優選器件; 電源評估; 平面電容; 電源仿真

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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世紀以來，隨著科技地不斷發展，電子產品在功能、性能等方面得到了長足的發展。伴隨而來的是電子產品系統復雜、加工工藝難度增大、產品成本提升、單板故障率上升等問題，直接影響消費者的正常使用和公司的信譽。

目前單板電源設計的流程通常是確定好主芯片及其他用電芯片的輸入輸出電壓/電流，按照分支派生的方式標示電源架構，匯總出產品所需的總功耗，確定供電芯片的型號和性能參數就開始設計電路中的電源。為了降低設計風險，設計人員通常采用電源芯片供應商推薦的參考電路來設計電源電路，經過簡單加工測試驗證無問題后即投放市場。這種電源設計方式看似沒有重大設計風險，但實際上卻存在很多隱患，無法滿足精細化設計的要求，會造成極大的設計冗余，導致產品升級換代困難，加大分析電路故障原因的難度，降低了產品實際效率，提高了產品的開發、生產和售后維護成本。本文從科學設計電路的角度出發，引導硬件工程師在充分理解單板芯片的實際電源需求后，通過正確評估電源需求、理清優選阻容器件、優化平面電容和層疊電容等設計方法，設計出高品質、高集成度的優秀電子產品。

1 優選阻容器件

在單板開發設計過程中，硬件工程師使用最多的器件就是電容和電阻，電阻主要有限流、分壓、調節芯片驅動、限定電平輸入輸出、調整負載等作用;電容通常應用于隔直、耦合、濾波、穩壓、諧振等設計。阻容的器件原理和應用范圍很明確，但為了縮短產品的交付進度，設計人員通常在電源設計上采取粗放型理念，對阻容器件的選擇缺少必要的科學管控。為保證無開發風險，設計人員大多直接應用芯片器件手冊上推薦的環路設計，增加了芯片間冗余設計。這種不規范選取阻容器件的現象會導致板上阻容器件的種類數、器件總數被人為增加，提高了制造、倉儲、維修等生產部門的運營難度，同時冗余設計會引起電路設計的不穩定性和不確定性，引入噪聲、諧振、串擾、功耗上升等問題。故此，需要設計人員在設計前就必須徹底理清整個單板的系統架構，明確阻容器件的功能，通過電路仿真和實際測試結果來指導正確的硬件電路設計，否則無法正確完成產品開發設計[1]。

為保證電源穩定性，在設計芯片環路的時候都會給留有一定的余量，設計的余量與功耗評估、器件精度、電源仿真都存在關系。實際應用的阻容器件與標稱的理論值存在一定偏差，阻容器件標稱值與實際值的偏差稱為誤差，器件允許的偏差范圍稱為精度。電容精度等級與允許誤差對應關系通常為：超穩定級（I類）的介質材料為NPO，精度通常為1%;穩定級（Ⅱ類）的介質材料為X7R，精度通常為5%;能用級（Ⅲ類）的介質材料Y5V，精度較低，不建議使用。在考慮通流和功耗的前提下，目前電阻精度主要是1%及5%兩種。

在實際設計過程中，建議設計人員選擇精度高（1%）的阻容器件。使用高精度的阻容器件可以準確控制硬件電路的功耗、電流、頻率、紋波、噪聲等電氣特性，有效控制單板穩定性。為了降低單板阻容器件的種類數，應該參照以下規則：電阻按照E12原則（10、12 、15 、18、 22 、27 、33 、39 、47 、56、 68、 82作為基數）來選擇器件，電容按照E3原則（10、22、47作為基數）來選擇器件。這些是設計中經常用到的阻容值，以上述阻容值作為基數可以滿足電路設計中90%的阻容需求。如果芯片要求特殊阻容值，可以通過串并聯的方式實現所需阻容值，可以有效地控制環路的阻抗匹配、驅動調節、紋波控制等電氣特性。

選用高精度阻容阻容器件，建立優選阻容器件表PPL，就可以在保證所有單板開發質量的前提下，最大程度約束器件選擇的種類數，實現器件編碼的歸一化，提高單板阻容器件的簡潔度。

2 電源評估

設計人員選用一個芯片，需要明確芯片最大的應用能力，即芯片管腳最大工作電流和目標工作頻率，理清芯片最大動態電流和設計所需的負載頻率范圍，約束trace走線分布來指導power rail的設計并選取適合的電容。控制電源穩定性最重要的兩個環節就是阻抗匹配和頻率響應，設計電路的時候會仿真出一個最優通路的理想電路模型。理想電路要求在電路頻率變化范圍中走線鏈路阻抗是固定的，設計出的實際電路也要滿足這個特性，要求設計出的阻抗頻率特性曲線與理想電路阻抗頻率曲線接近，甚至一致。

以某網卡芯片為例，通過查詢器件手冊得出芯片在不同工作狀態下的最大電流如下。

表1 某網卡芯片工作狀態功耗表

通過表1知道網卡工作在1 000 Mb/s傳輸速率，從Active狀態到Idle狀態時候會產生最大的功耗變化，網卡實際工作中最大的電流變化是從Active狀態向Idle 狀態切換過程中發生的。網卡在這兩個狀態之前切換時候產生最大數據量變動，過大的數據量變化會產生額外的工作損耗。從芯片手冊上可以得知Active狀態到Idle狀態的工作電流變化為570 mA，由此可以計算得出網卡在1 000 Mb/s link狀態下從Active轉向Idle時的Transient Current百分比，即動態電流變化率[Istep]為570 mA。由表1可以看出，該網卡芯片在不同工作狀態下的功耗是不同的，相同電平下的工作電流不同。這是由于芯片高速信號傳輸引起傳輸線及傳輸介質產生阻尼效應，內部工作頻率提升導致芯片管腳輸出功耗上升。信號傳輸是通過數據線中電平高低變化來實現的，不同電氣接口對于高低電平的閾值也是有嚴格要求的，為保證信號能夠在準確的數值下傳輸，需要確保芯片管腳上的信號在相同或不同的工作狀態下都能有穩定的電平輸出。這就需要我們充分理解芯片的工作原理及產生功耗的原理后，提供最優的電路來保證整個環路的穩定性[5]。

特征阻抗[Ztarget]可以通過以下公式得到：

[Ztarget=ΔVΔI=Vmax?ΔVrippleImax?ΔItransient] （1）

式中[ΔVripple]為電壓紋波要求，通常為1%～3%，[ΔItransient]為電流有效傳輸效率，根據電源不同的設計方式和信號工作頻率，可以選擇10%～90%作為電流傳輸效率。

芯片都是在不同狀態之間進行工作的，管腳不可能一直保持工作在100%的工作狀態，這就導致實際輸出的電流不會一直處于峰值電流，而是最大值的一部分。對于對工作狀態沒有約束且工作頻率超過100 MHz的芯片，對電流傳輸效率Transient Current百分比可以選擇最大的90%。芯片的最大工作電流可以通過查找器件手冊得到，里面詳細介紹芯片所有的工作狀態及對應的工作電流，得出芯片在不同狀態下的最大功耗。在此基礎上，聯系芯片實際工作中可能出現的狀態變遷方式，計算出最大的動態電流變化率，即電流有效傳輸效率[ΔItransient]。

通過查看器件手冊得到芯片管腳的工作頻率作為目標頻率[Ftarget]，超過[Ftarget]范圍的信號都不必要處理。這是因為受到阻抗特性約束，這部分超出[Ftarget]的信號是無效的，故此不會產生損耗。芯片的目標頻率通常在器件手冊中沒有涉及，可以直接向供應商詢問。如果廠商無法給出芯片的目標頻率可以憑借經驗來推測：首先明確芯片消耗電源的模塊類型，通過模塊類型對比給出不同模塊的典型頻率，在結合芯片實際工作情況，找出所需要的目標頻率[Ftarget]。

通常以I/O電源80 MHz，core電源50 MHz作為標準基準頻率。將[Ftarget]帶入計算表格，得出所有需要分析的對象和仿真波形，完成電源評估工作。

3 平面電容

經過實際測試，發現每個芯片的I/O管腳都無法按照理論模型構建硬件電路，即直接通過芯片管腳與PCB板上銅箔pad相連接，不會產生任何額外的電氣特性。如圖1所示，在芯片I/O管腳與PCB相連的地方都會產生寄生電容，當I/O管腳輸出高電平時，相連部分上的寄生電容開始放電，如果管腳周圍沒有補償電容給管腳寄生電容及時充電，該I/O管腳上電平就會出現跌落。

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圖1 芯片I/O管腳實際等效示意圖

芯片廠商通常會在實際封裝中添加一部分[Cpkg]用于給寄生電容充電，但是由于容值過小，充電效果并不理想。芯片外部放置的鉭電容存在走線過長、層疊干擾及寄生電感的原因，更是難以給芯片I/O管腳上的寄生電容及時充電，所以我們要利用PCB來構建出如圖2所示的等效平面電容[Cpcb]。

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圖2 理想PCB平面電容示意圖

平面電容是利用PCB疊層的電源層和地層之間構造的電容效用而形成的。這種平面電容的容值通常比較小（pF級），可以用于濾除高速信號產生的高頻噪聲，同時由于離芯片管腳最近，可以最迅速有效地為芯片管腳上的寄生電容充電。在芯片周圍擺放濾波電容不能有效濾除高頻噪聲的原因就在于即使容值很小的濾波電容也只能濾除100 MHz以下的噪聲，而對于超過200 MHz的噪聲就不能有效濾除。以10 nF電容為例，按照電容阻抗特征曲線所示，只能有效濾除50 MHz左右的噪聲。如果再放置pF級的電容會顯得冗余，且電容本身的ESR和ESL會引入高頻諧振的問題。

綜合考慮，建議可以利用平面電容來對管腳寄生電容完成充電和高頻濾波[2]。電容頻率阻抗曲線如圖3所示。

3.1 估算平面電容值

平面電容值需要依據芯片管腳和對應傳輸線上的寄生電容值來完成評估。通過芯片I/O管腳的寄生電容[Cio]以及芯片的I/O管腳數量得出芯片I/O管腳生成的總寄生電容大小。一般情況下，PCB微帶層每inch單端傳輸線（特征匹配阻抗為50 Ω）上的寄生電容為3.5 pF。以一組32位的傳輸線為例，傳輸線走線長度為6 inch，管腳寄生電容[Cio]為2 pF，可以推算出芯片管腳總寄生電容[Cswl]=（3.5 pF/inch×6 inch+2 pF）×32=736 pF。按照設計要求電源的紋波為2%，綜上條件就得到了所需要的平面電容[Cp]為36.8 nF。

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圖3 電容頻率阻抗曲線圖

當然，這里還提供了一種簡易評估平面電容的方法，即忽略管腳上的寄生電容。同樣以上述32位傳輸線為例，[Cswl]=3.5 pF/inch×6 inch×32=672 pF，電源紋波同樣要求為2%，得到平面電容為33.6 nF。這樣計算得到的[Cp]與理論值存在一定偏差，不是很準確，但管腳上的寄生電容可以通過芯片封裝上的[Cpkg]進行部分補償，可以滿足實際應用的補充效果，故此不會產生很大的影響[3]。平面電容的布局由于需要考慮分層和跨層分布，實際上應用的平面電容要比計算得到電容多。根據資料和實際測量，實際布局的平面電容[Ccomp]和理論的平面電容[Cp]二者的比例應該是5～10倍之間，通常選用選取為8，即[Ccomp]=[Cp]×8。由此可以得到芯片實際需要補償平面電容值為[Ccomp]=36.8 nF×8=294.4 nF。

3.2 構建平面電容

按照上面介紹的方法，通過計算得出芯片管腳需要補償的電容值，下一步就要確認如何構建平面電容。PCB是由銅皮和綠油組成，PCB板上所有的電源和信號都需要通過銅皮完成布局和傳輸，故此確認并合理地分布銅皮就能決定如何構建最適宜的平面電容。

如式（1）所示，銅皮的估算方式可以按照業界通用的公式：

[CPCB=E×Er×L×WT] （2）

式中：E=0.224 9×[10-12] F/inch，[Er]=3.8～4.2 （FR406材質PCB吸收），L為走線長（inch），W為線寬（inch），T為銅厚。

在設計初期就已經確定了PCB的層疊間距、材質、走線距離、線寬和銅皮厚度等參數，可以根據式（2）評估出實際設計需要銅皮數量，由此構建PCB銅皮布局，即構建平面電容。構建PCB平面電容需要經過電路原理仿真、PCB信號仿真和電源仿真評測后方可落實。電源層和地層必須有效區分，原則上相同電平值的模擬和數字電源也需要單獨隔離，數字地和模擬地也需要隔離開。處理高速信號時，需要注意信號參考的電源平面或地平面布局需要盡量精簡，電源層平面和地層平面盡可能的靠近并對稱均勻布局，形成近似差分耦合電容的布局。這是由于提供給高速信號做參考層的電源平面和地平面在實際應用的時候會附生一個很小的寄生阻抗（大致20 mΩ），為保證電平穩定，通過這種緊急對稱布局來有效抵消寄生阻抗引起的電平跌落，而且可以有效抵消一部分電源紋波和噪聲的干擾[4]。

3.3 應用實例

以一片單板為例，首先確定單板上工作時鐘頻率在100 MHz以上的單端信號，以表格的形式列對應的芯片器件名稱、接口類型、工作頻率以及器件個數，再列出接口的個數、單個接口的負載電容以及接口工作電壓，按照列出的信息，參照本文提供式（1）計算出該關鍵I/O管腳需要補償的電容值，構建平面電容。以Intel 82599網卡芯片為例，通過查閱廠家技術手冊列出信號對應的電源網表名、電壓、紋波等信息，繪制出表2，用于指導下一步設計。

表2 某單板的管腳信息表

通過查看芯片手冊，得知芯片內部時鐘主頻為100 MHz，可以倍頻至2.5 GHz，即[Ftarget]為2.5 GHz。管腳最大電流為3.5 A，應用VCCP的管腳都為高速信號，需要使用high speed模型分析：電壓紋波要求1%，電流傳輸效率90%。

通過公式（1）所需要的平面電容值為[Cp=（3.5 pF/inch×15 inch+2 pF）×321%=174.4 nF]，即可規劃出平面補償電容。通過式（2）得到，[Ztarget=1.1×1%3.5×90%=3.492 mΩ]。再使用文中介紹的電源評估方式，繪制出如圖4所示的[Ftarget]與[Ztarget]曲線，依靠曲線協助評估出所需要的最優環路。

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圖4 [Ftarget]與[Ztarget]仿真曲線

經過電源評估、構建平面電容和頻率阻抗特征曲線后，可以設計符合芯片管腳電氣需求的最優電路。如圖5所示，通過泰克示波器TDS3012B量測信號噪聲發現，采用PDN設計理念優化的電路可以有效抑制噪聲。

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圖5 PDN設計前后電路噪聲測試結果

4 結 語

本文通過原理分析和實例講解來介紹一種基于PDN原理設計硬件電路的方法。PDN可以有效指導硬件工程師在充分掌握芯片實際工作狀態信息后，精確地設計電路、優化阻容選型，提升電路開發效率，解決冗余設計造成的干擾問題，提高單板簡潔度，提升產品品質。同時，通過PDN原理來指導硬件電路設計的方法，已被愛立信、華為等電信業公司廣泛接受、應用和推廣。

根據本人實際開發工作驗證，通過PDN原理設計電路的方法非常科學，采用PDN原理設計24 000 pin密集度的服務器單板，可以有效降低阻容器件種類數和總數各30%，降低原材料、加工成本和工藝制程成本12.5 RMB/pcs，提升生產直通率0.5%，改動前后的效果十分明顯。

本文在以下方面有所創新：

（1） 提出PDN設計理念，規范電路設計流程，能有效指導硬件工程師充分理解芯片的技術規格，設計出最優電路;

（2） 建立優選器件表，規范阻容器件種類數和總數，提升產品質量和管控水平;

（3） 構建平面電容，繪制頻率阻抗曲線，指導硬件工程師設計理想硬件電路。

參考文獻

[1] 王殿超，鄭學仁.電路設計中元器件的使用可靠性[J].電子產品可靠性與環境試驗，2007，25（5）：8?11.

[2] 劉麗娟，楊兵初，倪蘭，等.PDN電源地平面去耦電容網絡設計[J].中南大學學報：自然科學版，2013（10）：4088?4094.

[3] 林文彥.阻抗規格對電路板設計、制造之影響[EB/OL]. [2010?09?02].http：///link？url=Rhyy3dKz_BPN14MggknesIEG4zyV4e8lhRxttj?6jDkPdqeVZ0vDe73umxNWWiZwZNt

De5i7DJhEGyvRbqwdj6HQqKr6TOivCZt4hPxvBQu.

[4] 顧艷麗，熊繼軍，焦新泉.長線傳輸的阻抗匹配設計[J].國外電子元器件，2008（10）：8?9.

篇9

[關鍵詞] 電位差計 控制原理 故障

電子電位差計是一種能連續顯示和記錄被測參數變化情況，而且能實現自動控制和報警的自動化儀表。將它配用不同的變送器，就可以測量不同參量，因而在工業部門得到廣泛的應用，在機械熱處理行業中，它已成為爐溫測量與控制的常用儀表。不同型號（XW系列）的電子電位差計測量部分電路的工作原理相同，而控制部分電路結構和原理可能差別較大。用戶應根據實際需要，選擇應用。

XWBJ-121電子電位差計的控制電路不同于XWBJ-101電子電位差計，XWBJ-101的控制部分是由機械機構帶動微動開關動作，輸出閉合/斷開的位式信號；XWBJ-121的控制電路則是對設定與測量的差值信號進行比較放大，由繼電器輸出具有時間比例作用的閉合/斷開信號。由于沒有現成的圖紙，特根據實物畫出電路原理圖（見圖1），對電路進行原理分析，并介紹幾個修理實例。本文中的電位差計為大華儀表廠產品。

1 電路原理分析

運放A3、A4及元件構成振蕩電路，由A3的8腳輸出三角波信號，調節WT可改變三角波的頻率；運放A1及元件構成差值放大電路，對設定和測量的差值電壓進行放大，A1的1腳輸出放大信號，調節WP可改變差值放大電路的增益，改變A1輸出信號的電平；運放A2及元件構成比較電路，對振蕩電路和差值放大電路送來的信號進行大小比較，A2的7腳輸出信號控制驅動電路，調節W33可預置時間比例作用的范圍；T41、T42、T43及元件構成驅動電路，分別控制繼電器J的通斷、控制LED41和LED42指示燈的點亮和熄滅；電源變壓器B、整流器BT1、BT2等元件構成電源電路，B+、B－輸出±12V穩壓電源，為運放集成電路LM324組成的電路供電，B*輸出+12V電源，為驅動電路供電。

與測量和設定指針聯動的兩個滑臂觸點在滑線電阻R02上取得的電壓差值信號，由差值放大電路進行放大，輸出信號送到A2的5腳。當5腳電壓值大于6腳的正峰值電壓時，7腳輸出正電壓，繼電器J吸合，指示燈LED41亮，LED42熄；當5腳電壓值介于6腳的正、負峰值電壓之間時，7腳輸出正負交替的方波電壓信號（見圖1），繼電器J以時間比例方式輸出通/斷信號，LED41、LED42交替亮/熄；當5腳電壓值小于6腳的負峰值電壓時，7腳輸出負電壓，繼電器J釋放，指示燈LED41熄，LED42亮。電路只有WP、WT、W0外部可調，調節WP可改變儀表時間比例作用的范圍；調節WT可改變儀表時間比例作用周期脈沖的周期；調節W0可改變儀表時間比例作用的時間比值。

2 維修實例

2.1 控制設定點誤差大，且數值不穩定

原因：測量滑臂固定螺絲松動，滑臂上行與下行時，在同一測量示值點，測量滑臂觸點位置出現變動，造成控制輸出變動。

解決辦法：調正測量滑臂觸點位置，擰緊固定螺絲，調節W0 ，使測量指針與設定指針對齊時，繼電器J閉合、斷開的時間相近，故障排除。

2.2 測量過程中，控制輸出出現不正常跳動變化

原因：測量滑臂觸點磨損，與滑線電阻R02接觸不良，造成控制輸出不正常跳變。

解決辦法：拆下測量滑臂觸片，用金相砂紙輕磨滑線電阻R02，什錦銼刀修整測量滑臂觸點，金相砂紙輕磨，無水乙醇清洗干凈，原位裝上測量滑臂觸片，故障排除。

2.3 儀表示值正常，控制設定點誤差隨設定值增大而增大

原因：儀表示值正常，設定點誤差隨設定值增大而增大，故障為通過滑線電阻R02的電流偏離正常值，經查為W01阻值變化。

解決辦法：更換并調節W01，使設定點誤差小于允差，故障排除。

2.4 時間比例作用時，指示燈LED41、LED42可交替亮熄，繼電器J不吸合

原因：時間比例作用時，指示燈LED41、LED42可交替亮熄，說明比較電路輸出正常，T42、T43及其元件正常，故障應在T41及元件，經查為繼電器J線圈斷路。

解決辦法：更換繼電器J，故障排除。

2.5 時間比例作用時，指示燈LED41、LED42可交替亮熄，繼電器J動作正常，但吸合出現抖動現象

原因：指示燈LED41、LED42可交替亮熄，繼電器J吸合出現抖動，說明電路基本正常，故障應在供電電路，經查為濾波電容C58漏電。

解決辦法：更換濾波電容C58，故障排除。

篇10

本文簡述了光電容積脈搏波描記法原理及其應用，介紹了人體外周血管中光電脈搏信號檢測電路設計。

【關鍵詞】光電容積脈搏波描記法 脈搏信號

1 前言

從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷來都受到中外醫學界的重視。脈搏波所呈現出的形態、強度、速率和節律等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫學價值和應用前景。

隨著科學技術的發展，脈搏測試不再局限于傳統的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可通過傳感器對脈搏信號進行檢測，這種技術具有先進性、實用性和穩定性，同時也是生物醫學工程領域的發展方向。

2 光電容積脈搏波描記法原理及應用簡述

光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy，下文簡稱PPG）是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創檢測方法。當一定波長的光束照射到指端皮膚表面時，光束將通過透射或反射方式傳送到光電接收器，在此過程中由于受到檢測端皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，檢測器檢測到的光強度將減弱，其中皮膚肌肉、組織等對光的吸收在整個血液循環中是保持恒定不變的，而皮膚內的血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，當心臟收縮時外周血容量最多，光吸收量也最大檢測到的光強度最小；而在心臟舒張時，正好相反，檢測到的光強度最大，故光接收器接收到的光強度隨之呈脈動性變化，將此光強度變化信號轉換成電信號，便可獲得容積脈搏血流的變化。由此可見，容積脈搏血流中包含有血液流動等諸多心血管系統的重要生理信息。同時，容積脈搏血流主要存在于外周血管中的微動脈、毛細血管等微血管中，所以容積脈搏血流同樣包含有豐富的微循環生理病理信息，是我們研究人體循環系統重要的信息來源。

PPG信號中包含有人體循環系統、呼吸系統等許多生理病理信息。在人體血壓、血流、血氧、腦氧、肌氧、血糖、脈率、微循環、血管阻力、呼吸率、呼吸量等參數的無創檢測中都有很好的應用前景。雖然由于紅光、紅外光與人體組織相互作用的機理十分復雜，影響它的因素也比較多。我們對容積脈搏血流本身的機理了解和研究得還很不夠。加上對血流標定工作的困難，因而在臨床上真正應用PPG 開發的醫療儀器還十分有限。目前應用得最為廣泛和成功的是監護儀中的血氧和脈率檢測。

3 光電脈搏信號檢測電路設計

由于血液中氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）在紅光和紅外光區（600～1000nm）有獨特的吸收光譜，因而使PPG 成為研究組織中血液成分尤其是血氧狀態的簡單而有效的方法。許多國家的研究人員對無創測量動脈血氧飽和度和組織血氧飽和度的裝置進行了各自的研究。在他們所采用的無論是透射光法和反射光法中都以朗伯 比爾定律（The Lam-bert-Beer Law）和光散射理論為基礎，利用氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的光吸收系數的差異來進行，在紅光區（600～700nm）HbO2 和Hb的吸收差異很大，而在紅外光譜區（800～1000nm）其吸收差異較小。當血氧飽和度變化時，也就HbO2 相對Hb的濃度發生變化時，血氧飽和度應該和光檢測器上的660nm 和940nm 兩個波長的相對光強之間存在較好的線性關系。

血氧飽和度：SpO2=A+BR 其中，A、B為標定常數

由此原理設計出的無創脈搏血氧儀，是一種快速測量血氧飽和度的有效方法，成為當今國際上廣泛采用的監護儀器。廣泛用于手術室 監護室 急救病房 運動和睡眠等各種臨床應用中。

人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經過放大和后級濾波以滿足采集的要求，脈搏檢測電路設計框如圖1所示。

3.1 信號輸入、傳感器選擇

利用指套式光電傳感器，指套式光電傳感器的換能元件用硅光電池，由于心臟的跳動，引起手指尖的微血管的體積發生相應的變化，當光通過手指尖射到硅光電池時，產生光電效應，兩極之間產生電壓由于指尖的微血管內的血液隨著心臟的跳動發生相應于脈搏的容積變化，因而使光透過指尖射到硅光電池時也發生相應的強度變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨格等）的光吸收量是恒定不變的，這樣就把人體的脈搏（非電學量）轉換為相應于脈博的電信號，方便檢測。

3.2 差分放大

這里選用低噪聲的集成儀器放大器INA114作為放大器的核心元件。最低2.3V的工作電源電壓滿足電源要求，INA114的失調電壓不到0.1mV，因此取其電壓增益100，根據INA114的增益計算公式可得RG=500Ω，INA114的內部結構圖，如圖2所示。

3.3 低通濾波器

利用歸一化的方法設計低通濾波器。這里用四階巴特沃斯低通濾波器，其優點是在通帶內幅頻特性曲線比較平坦，而且四階也可以達到較陡的衰減的特性：其截止頻率為20Hz時，到頻率為40Hz時其衰減幅度為9%。它的作用是濾除頻率為20Hz以上的信號分量。如圖3所示。

設截至頻率為20Hz，符合采樣要求同時濾除工頻干擾，根據歸一化公式，取R1=R2=R3=R4=100KΩ，可算得C1=C2=C3= C4=0.25μF。

4 結束語

相信隨著PPG基礎研究工作的進一步開展和人們對這項技術的更深入了解，它必將開拓出更為廣泛的應用領域。PPG方法所具有的無創性，且檢測方便、操作簡單、性能穩定、重復性好、安全無交叉感染等許多優點，使其不僅可用于醫院中的臨床檢測、監護、急救體能測試，還可應用于社區和家庭醫療保健，并具備聯網擴展功能，可以組建家庭社區和醫院的醫療網絡，在這些方面將都會有很好的應用前景。

參考文獻

[1]楊福生.生物醫學信號處理[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]康華光.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1997.

作者簡介

陳斌（1972-），男，安徽省懷寧縣人。大學本科學歷。現為中國電子科技集團公司第四十一研究所高級工程師、研發部部長。研究方向為自動化。