發(fā)布時(shí)間：2023-03-20 16:18:24
序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的電路設(shè)計(jì)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
儀器設(shè)備的電源模塊，是EFT/B干擾最初也是最容易進(jìn)入的端口，為了防止產(chǎn)生耦合串?dāng)_，主要是采用對(duì)EFT/B中低頻信號(hào)有效濾波和對(duì)超高頻部分信號(hào)吸收的方法，重新設(shè)計(jì)濾波器。
EFT/B干擾信號(hào)在線路傳導(dǎo)過(guò)程中，其中的共模干擾信號(hào)頻率高，且干擾幅度大，對(duì)設(shè)備的影響較大，差模信號(hào)頻率低，干擾幅度小，對(duì)設(shè)備的影響也較小，所以針對(duì)高頻干擾信號(hào)較強(qiáng)這一情況，我們的濾波電路設(shè)計(jì)為低通濾波電路，見(jiàn)圖1。圖中，C1和C2電容為差模濾波電容，主要是為了濾除差模信號(hào)，為了防止在通電的瞬間產(chǎn)生較大的沖擊電流，此電容選用不宜過(guò)大。C3和C4為共模濾波電容，和共模扼流圈一起，共同組成共模濾波電路濾除電源線和地線之間的共模干擾。
L1為共模扼流圈（圖2），采用鐵氧體做磁芯，雙線反向并繞，由結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)中高頻的共模干擾信號(hào)呈現(xiàn)很大阻抗，抑制中高頻共模信號(hào)通過(guò)，達(dá)到濾波的目的。理想的共模扼流圈對(duì)差模干擾信號(hào)本無(wú)抑制作用，但實(shí)際上繞組線圈之間存在的間隙，也會(huì)產(chǎn)生差模電感，對(duì)差模干擾信號(hào)也有一定的抑制作用。另外共模電感還可以抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響其他設(shè)備電路工作。共模扼流圈上的電感為儲(chǔ)能元件，在抑制傳導(dǎo)性干擾上有明顯作用，但是電感本身的適用頻率一般不高于50MHz，所以對(duì)高于50MHz的超高頻干擾信號(hào)，我們?cè)谳斎胄盘?hào)線加鐵氧體磁環(huán)來(lái)抑制超高頻干擾。
鐵氧體磁環(huán)是一種很常用的濾波材料，它本身屬于能量轉(zhuǎn)換器件，低頻信號(hào)通過(guò)時(shí)，鐵氧體磁環(huán)不會(huì)影響數(shù)據(jù)和有用信號(hào)的傳輸，但高頻信號(hào)通過(guò)時(shí)，鐵氧體磁環(huán)會(huì)大大增加阻抗，把高頻干擾轉(zhuǎn)換為熱量消耗掉。實(shí)驗(yàn)證明，鐵氧體的確對(duì)濾波電路的濾波效果產(chǎn)生了非常積極的作用。根據(jù)上面的設(shè)計(jì)方案，我們用通過(guò)試驗(yàn)做一下驗(yàn)證。試驗(yàn)中，EFT/B信號(hào)U=4KV，分別注入L線和N線，得數(shù)據(jù)如表格1。由表格1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以得出，濾波器對(duì)EFT/B干擾信號(hào)有很明顯的抑制效果，不管是差模部分還是共模部分均取得滿意效果。
2結(jié)論
古人云“活到老，學(xué)到老”。學(xué)習(xí)伴隨人的一生，一個(gè)學(xué)習(xí)者具備的基本素質(zhì)是其自主學(xué)習(xí)能力。最早引入“自主學(xué)習(xí)”的Holec將其定義為“負(fù)責(zé)自己學(xué)習(xí)的能力”[1]。通俗講，自主學(xué)習(xí)能力是由學(xué)習(xí)者自覺(jué)確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，制訂學(xué)習(xí)計(jì)劃，選擇學(xué)習(xí)方法，調(diào)控學(xué)習(xí)過(guò)程，評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)結(jié)果的過(guò)程或能力[2]。自主學(xué)習(xí)需要做到“四學(xué)”，即“想學(xué)”“能學(xué)”“會(huì)學(xué)”“恒學(xué)”。基于信息化條件的自主學(xué)習(xí)是指借助現(xiàn)代化技術(shù)及工具完成自主學(xué)習(xí)。信息化條件包括互聯(lián)網(wǎng)、電子圖書(shū)館、學(xué)習(xí)軟件(如Multisim，EWB，CAD)、音頻視頻、Flash等。信息化條件下的自主學(xué)習(xí)改變了以往的師生學(xué)習(xí)模式，學(xué)員成為學(xué)習(xí)的主體，教員主要以問(wèn)題引導(dǎo)、知識(shí)顧問(wèn)、技術(shù)支持、效果評(píng)價(jià)為主要任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)員充分利用和開(kāi)發(fā)信息化資源，將先進(jìn)的信息技術(shù)和學(xué)習(xí)過(guò)程優(yōu)化整合，開(kāi)展自主性學(xué)習(xí)，提高教育的質(zhì)和量，更好地適應(yīng)新時(shí)代的要求。
2信息化條件
2.1互聯(lián)網(wǎng)
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代生活中越來(lái)越普及?；ヂ?lián)網(wǎng)具有信息資源海量、不受時(shí)間和空間限制的特點(diǎn)，因此它為自主學(xué)習(xí)提供了便捷條件。利用互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的搜索引擎功能，搜索學(xué)習(xí)內(nèi)容、疑難問(wèn)題、模擬考題等。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供了一個(gè)友好的交互界面，圖文并茂，靜動(dòng)結(jié)合，生動(dòng)有趣。由于院校的特殊性，我院學(xué)員除了可以在特定地點(diǎn)及方便時(shí)間上互聯(lián)網(wǎng)外，還可以查閱軍網(wǎng)內(nèi)部豐富資源。互聯(lián)網(wǎng)改變了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，提高了學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，使學(xué)習(xí)成為一種主動(dòng)、積極的過(guò)程，自主學(xué)習(xí)意識(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)，學(xué)員真正成為學(xué)習(xí)的主人。
2.2電子圖書(shū)館
電子圖書(shū)館以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)，主要由實(shí)地圖書(shū)館和虛擬圖書(shū)館兩部分構(gòu)成。實(shí)地圖書(shū)館是與傳統(tǒng)圖書(shū)館具有一樣的館藏圖書(shū)功能，資源歸本單位共享；虛擬圖書(shū)館是指本館沒(méi)有收藏但是從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)中可以獲得信息的圖書(shū)館，例如維普、萬(wàn)方、CNKI等電子期刊，超星、國(guó)圖、阿帕比、中國(guó)軍事等數(shù)字圖書(shū)以及碩博論文、外文數(shù)據(jù)庫(kù)等等。學(xué)習(xí)者在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)搜索、下載需要的論文、書(shū)籍完成知識(shí)的自主學(xué)習(xí)與深化，多角度、多維度的學(xué)習(xí)理論，廣范圍、廣視角的了解應(yīng)用。我院電子圖書(shū)館館藏豐富，既有實(shí)地圖書(shū)館又有虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)，為學(xué)員學(xué)習(xí)提供了資源保障。
2.3軟件工具
軟件工具是指能夠輔助學(xué)習(xí)的工具軟件，例如繪圖工具AutoCAD，ProE，3DMAX等，仿真工具simulink，EWB，Multisim，ansys等，不同領(lǐng)域選擇不同的軟件工具。以數(shù)字電子技術(shù)中常用的Multisim和EWB為例(如圖1和2所示)，它具有豐富的元器件庫(kù)和儀表庫(kù)，當(dāng)學(xué)完電路理論之后，學(xué)員大部分直觀認(rèn)識(shí)不深入，對(duì)電路是否能夠?qū)崿F(xiàn)所講述的功能持懷疑態(tài)度，仿真軟件恰好解決了這個(gè)問(wèn)題。利用仿真軟件構(gòu)建虛擬的電路，通過(guò)儀表及指示裝置，直觀形象地看到電路現(xiàn)象，加深對(duì)理論的理解。同時(shí)，在實(shí)際搭建電路時(shí)，為了避免資源浪費(fèi)及煩瑣的調(diào)試，可利用仿真軟件先驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性，之后再去實(shí)際搭建。目前學(xué)員具有電腦使用條件，只需安裝軟件即可使用，軟件工具的出現(xiàn)為自學(xué)提供了又一個(gè)有力的條件。
2.4自主學(xué)習(xí)平臺(tái)
自主學(xué)習(xí)平臺(tái)可以是遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)平臺(tái)，也可以是根據(jù)不同科目搭建的學(xué)習(xí)平臺(tái)。其作用是學(xué)員在教員的輔導(dǎo)和幫助下，自主使用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，有針對(duì)性地選擇各種學(xué)習(xí)資源，調(diào)整學(xué)習(xí)時(shí)間，控制學(xué)習(xí)過(guò)程，以達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。自主學(xué)習(xí)平臺(tái)具有輔、開(kāi)放性、自主性、重復(fù)性、交互性的特點(diǎn)[3]。為方便學(xué)員數(shù)字電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)，教研室設(shè)計(jì)了數(shù)字電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)課程(如圖3所示)。主要包含教案、視頻、教案、習(xí)題、作業(yè)、答疑、測(cè)驗(yàn)以及參考資料等內(nèi)容。
3以組合電路設(shè)計(jì)為例，借助信息化條件培養(yǎng)學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力
3.1組織流程
組合電路設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富，方法多樣。課本中講述多以分立元件設(shè)計(jì)為例講述，為拓展學(xué)員思路，本課程安排時(shí)筆者并未加以限定，只布置了任務(wù)，學(xué)員自行完成。教員布置任務(wù)，學(xué)員以小組形式開(kāi)展學(xué)習(xí)。各小組實(shí)行組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制，針對(duì)任務(wù)組織學(xué)員討論、確定方案，針對(duì)不同的方案安排組員提前查閱互聯(lián)網(wǎng)、電子圖書(shū)館、網(wǎng)絡(luò)課程等資料；課上分工協(xié)作，不同學(xué)員按照不同方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；學(xué)員自學(xué)仿真軟件Multisim或者EWB，并借助軟件仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性；設(shè)計(jì)報(bào)告由專人撰寫(xiě)，匯總各種方案及方法并進(jìn)行描述；由于時(shí)間限制，并非所有奇思妙想都能一一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，因此附加了拓展環(huán)節(jié)，集思廣益，學(xué)員只需描述出新思路新創(chuàng)意即可；最后為檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，加入答辯環(huán)節(jié)，從小組中任意抽取一名組員，回答其他學(xué)員和教員提出的問(wèn)題。
3.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)
1個(gè)主評(píng)委和3個(gè)副評(píng)委共4人鑒定某項(xiàng)目，當(dāng)主評(píng)委不贊同，但3個(gè)副評(píng)委全部贊同項(xiàng)目時(shí)，裁定項(xiàng)目通過(guò)鑒定；當(dāng)主評(píng)委贊同并且3個(gè)副評(píng)委中多數(shù)贊同項(xiàng)目時(shí)，也裁定項(xiàng)目通過(guò)鑒定。試設(shè)計(jì)滿足要求的邏輯電路。你還能想到哪些器件設(shè)計(jì)方法？
3.1.2小組分配
本教學(xué)班次共計(jì)43人，4～5人為一小組。組長(zhǎng)負(fù)責(zé)分工，一般2人設(shè)計(jì)方案，1人學(xué)習(xí)仿真軟件，1人撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，最終集思廣益，拓展創(chuàng)新方法。
3.1.3豐富的設(shè)計(jì)方案，多樣化的仿真實(shí)現(xiàn)
借助分立元件實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)組合電路是課本中主要講述的方法，其他方法課本中并沒(méi)有專門(mén)提及。另外，仿真軟件使用方法，如何仿真電路都需要學(xué)員自行摸索。但從效果分析，學(xué)員都能夠通過(guò)自學(xué)或者小組互助學(xué)習(xí)方式解決上述問(wèn)題?，F(xiàn)列舉幾種學(xué)員的設(shè)計(jì)方案及仿真電路。
3.1.4答辯環(huán)節(jié)
為保障學(xué)習(xí)效果，筆者設(shè)計(jì)了答辯形式的督促機(jī)制。要求在設(shè)計(jì)完成后，小組內(nèi)每位成員都要掌握本組設(shè)計(jì)的電路方案，隨機(jī)抽取某位學(xué)員上臺(tái)講解，一旦答辯不順利，將會(huì)影響本組學(xué)員的整體成績(jī)。在這種指導(dǎo)思想下，每位學(xué)員都參與其中，組內(nèi)互助，使得方案形成時(shí)，每位學(xué)員也都掌握了知識(shí)。本次課程筆者提問(wèn)了第一組的一位學(xué)員，答辯過(guò)程中每當(dāng)出現(xiàn)思路斷檔，整組學(xué)員的精神都跟著緊張起來(lái)，但經(jīng)過(guò)思考他順利完成此環(huán)節(jié)，并且將創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)思路也一同與大家分享。從答辯過(guò)程可以看出，第一組學(xué)員的團(tuán)結(jié)與協(xié)作，看到了傳統(tǒng)課堂上無(wú)法發(fā)現(xiàn)的閃光點(diǎn)。
3.1.5設(shè)計(jì)報(bào)告
第一項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)，第二項(xiàng)設(shè)計(jì)方案，第三項(xiàng)拓展及心得體會(huì)。前兩項(xiàng)旨在對(duì)整個(gè)知識(shí)的梳理，第三項(xiàng)作用有兩點(diǎn)，一是學(xué)員方面，總結(jié)收獲及不足，創(chuàng)新新思路，例如第九組寫(xiě)到“電路設(shè)計(jì)注意布局，圖紙與虛擬實(shí)驗(yàn)有著本質(zhì)差距”，第一組寫(xiě)到“一個(gè)好的團(tuán)隊(duì)不光有一個(gè)好的帶頭人，還要有一群踏實(shí)肯干認(rèn)真聽(tīng)話、積極進(jìn)言的成員”。二是教員方面，便于發(fā)現(xiàn)學(xué)員學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題，調(diào)查學(xué)員對(duì)教學(xué)實(shí)施的滿意度，為后續(xù)教學(xué)提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。例如第五組寫(xiě)到”開(kāi)關(guān)的選擇開(kāi)始由單刀開(kāi)關(guān)接入不工作，后經(jīng)小組討論和教員指導(dǎo)換為單刀雙擲開(kāi)關(guān)完成電路仿真”。第二組寫(xiě)到“課程使我們認(rèn)識(shí)到數(shù)電并非純粹的理論學(xué)習(xí)，而是課堂發(fā)揮、試驗(yàn)動(dòng)手等綜合能力的培養(yǎng)”“增強(qiáng)了我們的發(fā)散性思維，是一種能力的提升”。
4效果分析
按照傳統(tǒng)講授組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法，一般學(xué)員比較容易想到教員或者課本上講述的方法，思路禁錮到此無(wú)法跳出。時(shí)序電路設(shè)計(jì)與組合電路設(shè)計(jì)課程形成了鮮明的對(duì)比，時(shí)序電路設(shè)計(jì)任務(wù)是課后習(xí)題，教員只講授了一種設(shè)計(jì)方法，因此學(xué)員在設(shè)計(jì)過(guò)程中多數(shù)應(yīng)用了這種方法，很難擴(kuò)展思路，開(kāi)拓創(chuàng)新。而此次組合電路設(shè)計(jì)是學(xué)員沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的任務(wù)，教員對(duì)其沒(méi)有過(guò)多的限制，因此設(shè)計(jì)方案多種多樣，學(xué)員自學(xué)的潛力此刻淋漓盡致地表現(xiàn)出來(lái)。在網(wǎng)絡(luò)、仿真軟件等信息化條件下，學(xué)員順利完成了本講內(nèi)容的學(xué)習(xí)。學(xué)員不僅掌握了組合邏輯電路設(shè)計(jì)的多種方法和仿真軟件的使用方法，還提升了自身的綜合能力。從期末考試成績(jī)上分析，平均分79.44，其中良好及以上24人。通過(guò)設(shè)計(jì)報(bào)告的心得體會(huì)及期末成績(jī)分析采取自主學(xué)習(xí)模式學(xué)員多數(shù)比較贊同，收獲頗豐。上述事實(shí)證明只要給予適合的條件，學(xué)員有能力并且能夠出色完成自主學(xué)習(xí)，同時(shí)鍛煉了學(xué)員的提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、語(yǔ)言表達(dá)等多種能力，強(qiáng)化了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，激發(fā)了創(chuàng)新思維。
5結(jié)束語(yǔ)
建設(shè)集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程的視頻教學(xué)資源，包括集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論課程講授視頻、典型案例設(shè)計(jì)講解視頻、集成電路制造工藝視頻等；構(gòu)建集教師、博士研究生、碩士研究生和本科生于一體的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。集成電路設(shè)計(jì)是一項(xiàng)知識(shí)密集的復(fù)雜工作，隨著該行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)教學(xué)模式在內(nèi)容上沒(méi)法完全展示集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)方法，尤其不能展示基于EDA軟件進(jìn)行的設(shè)計(jì)仿真分析，這勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響教學(xué)效果。另外，由于課時(shí)量有限，學(xué)生在課堂上只能形成對(duì)集成電路的初步了解，若在其業(yè)余時(shí)間能夠通過(guò)視頻教程系統(tǒng)地學(xué)習(xí)集成電路設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)能夠借鑒共享平臺(tái)中的相關(guān)方案，將能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，顯著提高教學(xué)效果。
二、優(yōu)化課程教學(xué)方式方法
以多媒體教學(xué)為主，輔以必要的板書(shū)，力求給學(xué)生創(chuàng)造生動(dòng)的課堂氛圍；以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和提升學(xué)生設(shè)計(jì)能力的目標(biāo)為導(dǎo)向[3]，重點(diǎn)探索啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；在教學(xué)講義的各章節(jié)中添加最新知識(shí)，期末開(kāi)展前沿專題討論，幫助學(xué)生掌握學(xué)科前沿動(dòng)態(tài)。傳統(tǒng)教學(xué)模式以板書(shū)為主，不能滿足集成電路設(shè)計(jì)課程信息量大的需求，借助多媒體手段可將大量前沿資訊和設(shè)計(jì)實(shí)例等信息展現(xiàn)給學(xué)生。由于集成電路設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)課程較為枯燥乏味，傳統(tǒng)的“老師講、學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)模式容易激起學(xué)生的厭學(xué)情緒，課堂教學(xué)中應(yīng)注意結(jié)合生產(chǎn)和生活實(shí)際進(jìn)行講解，多列舉一些生動(dòng)的實(shí)例，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。另外，關(guān)于集成電路設(shè)計(jì)的書(shū)籍雖然很多，但是在深度和廣度方面都較適合作為本科生教材的卻很少，即便有也是出版時(shí)間較為久遠(yuǎn)，跟不上集成電路行業(yè)的快速發(fā)展節(jié)奏，選擇一些較新的設(shè)計(jì)作為案例講解、鼓勵(lì)學(xué)生瀏覽一些行業(yè)資訊網(wǎng)站和論壇、開(kāi)展前沿專題講座等可彌補(bǔ)教材和行業(yè)情況的脫節(jié)。
三、改革課程考核方式
改革課程考核、評(píng)價(jià)模式，一方面通過(guò)習(xí)題考核學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的掌握情況；另一方面，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐考核學(xué)生的基本技能，加大對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程考核，突出對(duì)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力、動(dòng)手能力的考察；再者，在項(xiàng)目實(shí)踐中鼓勵(lì)學(xué)生勇于打破常規(guī)，充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。傳統(tǒng)“一張?jiān)嚲怼钡目己朔绞教^(guò)死板、內(nèi)容局限，不能充分體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。集成電路設(shè)計(jì)牽涉到物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、工程技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，要求學(xué)生既要有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和理論基礎(chǔ)，又要有很好的靈活性。因此，集成電路設(shè)計(jì)課程的考核應(yīng)該是理論考試和項(xiàng)目實(shí)踐考核相結(jié)合，另外，考核是評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的一種手段，也應(yīng)該是幫助學(xué)生總結(jié)和完善課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的一個(gè)途徑，課程考核不僅要看學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，也要看學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。
四、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)
在理論課程講解到集成電路的最小單元電路時(shí)就要求學(xué)生首先進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，然后隨著課程的推進(jìn)進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，倡導(dǎo)自選性、協(xié)作性實(shí)驗(yàn)。理論課程講授完后，在暑期學(xué)期集中進(jìn)行綜合性、更深層次的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。集成電路設(shè)計(jì)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，必須通過(guò)大量的項(xiàng)目實(shí)踐夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)水平、鍛煉學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。另外，“設(shè)計(jì)”要求具備自主創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，應(yīng)在實(shí)踐教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生打破常規(guī)、靈活運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)、充分發(fā)揮自身特點(diǎn)并和團(tuán)隊(duì)成員形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，鍛煉和提升創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。
五、總結(jié)
擴(kuò)展漏極漂移區(qū)是由輕摻雜的N阱形成，可以承受高電壓。在漂移區(qū)等壓線上均勻分布著電場(chǎng)減緩結(jié)構(gòu)，可以提高其耐壓值。為了提高柵漏之間的耐壓漂移區(qū)上的厚場(chǎng)氧將場(chǎng)板提高。但導(dǎo)電溝道在薄柵氧的下面且器件的跨導(dǎo)與導(dǎo)電溝道有關(guān)，所以電場(chǎng)減輕結(jié)構(gòu)不會(huì)影響器件的跨導(dǎo)，襯底和N阱之間的雪崩擊穿電壓和電場(chǎng)減緩結(jié)構(gòu)的效果決定擴(kuò)展漏極晶體管的額定電壓。對(duì)此類器件設(shè)計(jì)需考慮以下參數(shù)：濃度和長(zhǎng)坂長(zhǎng)度、漂移區(qū)結(jié)深、長(zhǎng)度等，器件耐壓會(huì)隨著漂移區(qū)長(zhǎng)度的增加而逐漸上升，直到達(dá)到一定的值。外延層濃度、漂移區(qū)濃度和漂移區(qū)結(jié)深三者共同決定此值。值越大，外延層濃度應(yīng)在保證源漏不穿通情況下盡量低。
2基于IP核低功耗單電源電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
目前已經(jīng)提出的電平轉(zhuǎn)換器共有兩類，分別是單電源轉(zhuǎn)換器和雙電源電平轉(zhuǎn)換器，后者需要輸入信號(hào)的電壓供電和輸出信號(hào)的電壓供電兩種電源電壓供電。在多電壓技術(shù)中電平轉(zhuǎn)換器主要是為了實(shí)現(xiàn)低電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換高電壓信號(hào)。關(guān)于不同結(jié)構(gòu)的電平轉(zhuǎn)換器近年來(lái)也有許多研究學(xué)者對(duì)其研究，有的是以提高速度，有的是降低功耗。大多數(shù)設(shè)計(jì)采用的雙電源電壓，本文主要是基于IP核作為設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)，從而提出一種具有低耗的單電源電壓的電平轉(zhuǎn)換器。
傳統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)運(yùn)用的是單向電平轉(zhuǎn)換器電路，顯然，相對(duì)雙電源轉(zhuǎn)換器，在布線資源上單電源電平轉(zhuǎn)換器有明顯的優(yōu)勢(shì)，例如在一個(gè)多電壓SoC上，實(shí)現(xiàn)模塊之間信號(hào)的傳輸需要大量的電平轉(zhuǎn)換器，一旦模塊之間的接口信號(hào)所使用的雙電源電壓的電平轉(zhuǎn)換器，一些較為珍貴的布線資源便會(huì)被占用，導(dǎo)致布線資源短缺，如果采用單電源電壓電平轉(zhuǎn)換器可有效緩解上述問(wèn)題。一般影響電平轉(zhuǎn)換延時(shí)性能的主要因素有副端電路中各器件的寄生電阻、中間級(jí)電路電流等，在設(shè)計(jì)時(shí)如果要獲得較好的低功耗性能，對(duì)精確計(jì)算各器件尺寸及電流，一定情況下還需充分考慮器件的耐壓情況。
3結(jié)語(yǔ)
本項(xiàng)目的主要任務(wù)是用EPROM2764（存儲(chǔ)單元213，容量為8KB）設(shè)計(jì)定時(shí)控制電路。從存儲(chǔ)器角度來(lái)看，A0A1……A12是地址碼，D7D6……D0是數(shù)據(jù)，每輸入一個(gè)地址碼，輸出端將輸出一個(gè)數(shù)據(jù)；從控制過(guò)程角度看，A0A1……A12是控制過(guò)程對(duì)應(yīng)的時(shí)間代碼，D7D6……D0是控制電路的開(kāi)關(guān)，每給出一個(gè)時(shí)間代碼，輸出將給出該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的各電路執(zhí)行信號(hào)?；诖耍肊PROM再配合時(shí)間脈沖發(fā)生器與二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，組合成任意的定時(shí)控制電路。
2實(shí)踐活動(dòng)
2.1電路原理分析
基于EPROM2764設(shè)計(jì)定時(shí)控制電路如圖2所示。以半自動(dòng)加工與裝配工作為例，通常由幾個(gè)工步組成，每個(gè)工步完成一定的動(dòng)作，需要一定的時(shí)間，兩個(gè)工步之間要有一個(gè)間歇時(shí)間（如刀架的退回，鉆頭的退出），各工步可以由不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（比如電機(jī)拖動(dòng)）完成，需要用多路定時(shí)控制電路來(lái)控制。（1）工作原理比如：加工一個(gè)零件需要三個(gè)工步一次完成，第一工步需要10s，間隔2s，第二工步需要4s，間隔4s，第三工步需要2s，間隔2s，然后停止。時(shí)間流程表如表1所示。如圖2所示，使用EPROM芯片2764實(shí)現(xiàn)這一加工過(guò)程，此系統(tǒng)供電電壓為±12.5V，使用L7805穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生5V電壓給存儲(chǔ)芯片供電，用LED指示燈來(lái)指示加工動(dòng)作（執(zhí)行工步、間歇、停止），各工步操作時(shí)間的最大公約數(shù)為2s，以2s為步長(zhǎng)設(shè)計(jì)，用555產(chǎn)生2s的時(shí)鐘脈沖送入到計(jì)數(shù)器74HC161，輸出的時(shí)間代碼送入到EPROM地址輸入端，輸出D6控制第一工步用紅燈LED1指示，D5控制第一工步間歇用黃燈LED2指示，D4控制第二工步用紅燈LED3指示，D3控制第二工步間歇用黃燈LED4指示，D2控制第三工步用紅燈LED5指示，D1控制第三工步間歇用黃燈LED6指示，D0為總控制使機(jī)器停止運(yùn)作用綠燈LED7指示，將74HC161的CET端0，使74HC161的輸出的數(shù)據(jù)保持不再進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。2764是8K*8字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲(chǔ)器，單一的+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時(shí)間最大為250ns，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為：A0－A12為13根地址線，可尋址8K字節(jié)；D0-D7為數(shù)據(jù)輸出線；-E為片選線；-G為數(shù)據(jù)輸出選通線；PGM為編程脈沖輸入端；Vpp是編程電源；Vcc是主電源。存儲(chǔ)器2764的操作方式如下表2所示。（2）編程操作Vpp接+12.5V，-E接低電平，-G接高電平，輸入一定頻率的脈沖（如70Hz，不超過(guò)1KHz），該脈沖由uA741產(chǎn)生，D0-D7為數(shù)據(jù)輸入。使用撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)每個(gè)用到的地址進(jìn)行編碼。（3）讀操作Vpp和接+5V，-E接低電平，-G接高電平，D0-D7為數(shù)據(jù)輸出。（4）EPROM2764的輸入輸出真值表如表3所示。
2.2PCB設(shè)計(jì)
運(yùn)用Protel99SE，繪制原理圖，設(shè)計(jì)PCB。本控制電路的PCB設(shè)計(jì)如圖3所示。維護(hù)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。海上風(fēng)電的興起，使得部件吊裝成本大幅度增加因此維護(hù)成本低廉的直驅(qū)式逐漸成為未來(lái)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)使用的主力機(jī)型。目前大多數(shù)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)用來(lái)模擬雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要關(guān)注齒輪箱故障。但對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其關(guān)注的重點(diǎn)部件如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，除了主軸上的傳動(dòng)部件，基礎(chǔ)塔架、葉片也是近年來(lái)出現(xiàn)較多故障的部件。而傳統(tǒng)的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障模擬試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重點(diǎn)關(guān)注的低速主軸承，葉輪部位以及基礎(chǔ)塔架等部位，相應(yīng)的故障模擬較少。對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的研究，目前的文獻(xiàn)較少。對(duì)于此類故障模擬平臺(tái)，其未來(lái)發(fā)展方向是在模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工況的情況下，對(duì)機(jī)組故障進(jìn)行模塊化模擬，綜合考慮低速主軸承故障，發(fā)電機(jī)故障，葉片故障，變槳軸承，塔架基礎(chǔ)故障等。
3總結(jié)
首先通過(guò)鍵盤(pán)輸入需要的溫度，然后由溫度傳感器PT100測(cè)量油槽內(nèi)溫度，溫度的變化變換成電阻大小的變化，經(jīng)過(guò)測(cè)量電橋中電路處理后變換成微弱的電壓信號(hào)，在精密放大電路中完成調(diào)零及信號(hào)調(diào)理，以滿足A/D輸入信號(hào)的要求，然后送入ADuC848單片機(jī)。在ADuC848單片機(jī)中將溫度測(cè)量信號(hào)與設(shè)定信號(hào)比較，通過(guò)運(yùn)算得到一個(gè)控制量，該控制量再經(jīng)過(guò)ADllc848自帶PwM輸出信號(hào)控制加熱用電力電子器件導(dǎo)通占空比，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱量的控制。系統(tǒng)采用LCD128x64液晶屏顯示系統(tǒng)設(shè)定溫度值和當(dāng)前溫度值，并在系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，利用聲光電路發(fā)出提示信號(hào)。
2.系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)
2.1.系統(tǒng)控制芯片的選擇
傳統(tǒng)的油糟溫度控制的精度是士0.05℃，我們的控制精度是士0.01℃，按照系統(tǒng)的最高溫度是200℃計(jì)算，要求系統(tǒng)A/D變換的精度不低于士0.01℃，所需要的A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不低于16位，因而在選擇控制芯片時(shí)，這個(gè)問(wèn)題必須考慮。除此以外，還需要考慮系統(tǒng)對(duì)D/A變換器和運(yùn)算速度的要求。ADllc848[3]是美國(guó)模擬器件公司(ADI)最新的片上系統(tǒng)級(jí)(SOC)微轉(zhuǎn)換器(Mier。Conver*er)。該芯片集成有單周期指令的8052閃存MCu，最快速度達(dá)到11.58MIPS，內(nèi)部有ZKRAM，4KEZPROM，62KFLASH。芯片的內(nèi)部集成有8個(gè)單端輸入(4個(gè)全差分輸入)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，片內(nèi)的電壓基準(zhǔn)為1.28v，精度1%，電源噪聲抑制45dB，溫漂100PPm/℃。芯片自帶1個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)16位的PwM控制器、l個(gè)速率達(dá)384kbps的RS232串口等。芯片自帶A/D變換器的量化誤差為200℃/65536=0.003℃，完全可以滿足控制精度的要求。
2.2.測(cè)量及精密放大電路
信號(hào)采集的精度受到電路中供橋電源的精度的影響，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用LM317構(gòu)成精密穩(wěn)壓電路為電橋供電，以提高測(cè)量精度。為保證電橋的測(cè)量精度，橋臂電阻應(yīng)選用溫度系數(shù)小精密金屬膜電阻。精密放大電路如圖2所示。電路中包含一級(jí)放大電路和二級(jí)放大電路兩部分。其中一級(jí)放大采用儀表放大器AD620，該放大器具有較高的精度和較高的共模抑制比，只需調(diào)節(jié)RG即可將增益調(diào)節(jié)在1一1000之間。為了抑制高頻干擾信號(hào)，需要在AD620的輸人端加人濾波電容和限幅電路。二級(jí)放大采用LM358運(yùn)算放大器，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻RF來(lái)調(diào)整放大器的增益，以適應(yīng)寬范圍的溫度測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中為了保證測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性，在軟件中設(shè)置了克服零偏的調(diào)零功能，由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成。
2.3.ADuC848單片機(jī)電路
標(biāo)準(zhǔn)油槽精密溫度控制系統(tǒng)以ADuC848單片機(jī)在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮系統(tǒng)軟件與硬件電路的有機(jī)結(jié)合，有效利用無(wú)差拍控制技術(shù)來(lái)減小過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和提高控制精度。在標(biāo)準(zhǔn)油糟溫度的各種控制方案中，無(wú)差拍控制是一種跟蹤精度高、瞬時(shí)響應(yīng)快的優(yōu)秀數(shù)字控制策略。與模糊控制方法[l]相比，其算法算法更簡(jiǎn)單，系統(tǒng)資源需要的更少，但無(wú)差拍控制是一種基于對(duì)象精確模型的控制方法，其控制質(zhì)量在很大程度上依賴于控制器參數(shù)與負(fù)載參數(shù)的配合，因而在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要對(duì)模型和負(fù)載參數(shù)有個(gè)較精確的把握。在每個(gè)采樣周期內(nèi)，根據(jù)參考信號(hào)和當(dāng)前采樣周期得到的溫度測(cè)量值實(shí)時(shí)計(jì)算出所需的脈寬么T，并給出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)油糟溫度無(wú)差拍跟蹤參考信號(hào)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由A/D采樣模塊、數(shù)字濾波模塊、顯示模塊、模糊算法模塊和輸出信號(hào)比占空比控制模塊等，在完成基本功能的基礎(chǔ)上，還可以增加系統(tǒng)的功能，如增加自診斷、自保護(hù)和故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。
3.結(jié)束語(yǔ)
為提高系統(tǒng)輸出信號(hào)的精度，采用低速、高精度的DAC。此類DAC多采用SPI或IIC總線與主控制器通信，占用控制器的IO口較少。時(shí)下流行的STM32系列或MSP430系列微控器的硬件資源都滿足要求。為便于野外現(xiàn)場(chǎng)使用，系統(tǒng)采用鋰電池供電，這就要求主控制器具有較低的功耗以延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，以極低功耗著稱的430單片機(jī)成為首選。由主控制器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路構(gòu)成了主控制器的最小系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。按鍵和氣象量顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的大小，設(shè)置氣象量和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系等。根據(jù)氣象傳感器輸出信號(hào)的范圍，可設(shè)定若干檔位的輸出信號(hào)，以覆蓋傳感器的范圍即可。按鍵接在430單片機(jī)的中斷口上。顯示模塊的控制和數(shù)據(jù)總線由單片機(jī)的IO口來(lái)提供。DAC模塊是產(chǎn)生電壓信號(hào)的核心。主控制器將數(shù)字量送給DAC后得到模擬電壓信號(hào)，為使產(chǎn)生的信號(hào)和傳感器范圍一致，DAC的輸出信號(hào)需進(jìn)行調(diào)理。數(shù)字系統(tǒng)和電源都會(huì)對(duì)模擬部分產(chǎn)生干擾，引起誤差。采用DC－DC電源隔離、DAC總線隔離提高DAC輸出信號(hào)的精度。輸出電信號(hào)和氣象量之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換函數(shù)存儲(chǔ)于EEPROM芯片中。為進(jìn)一步提高精度，系統(tǒng)也需要定期檢定。采用零滿刻度校準(zhǔn)的方法，用高精度的數(shù)字萬(wàn)用電表測(cè)量輸出信號(hào)的實(shí)際值，將實(shí)際值和理想值的差值保存于EEPROM中，系統(tǒng)根據(jù)差值去修正輸出信號(hào)，差值和轉(zhuǎn)換函數(shù)都通過(guò)串口由上位機(jī)寫(xiě)入存儲(chǔ)電路中。軟件補(bǔ)償切實(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。
2模塊電路設(shè)計(jì)
2．1主控制器端口分配及人機(jī)交互模塊
主控制器選擇TI公司的MSP430F169，利用其豐富的中斷作為按鍵輸入，內(nèi)部自帶的UART模塊實(shí)現(xiàn)串口通信，采用IO口模擬SPI總線與DAC通信，低功耗的128×64LCD用于顯示輸出信號(hào)大小及對(duì)應(yīng)的氣象量。主控制器的最小系統(tǒng)及端口分配如圖2所示。主控制器的P1．0～P1．3接按鍵，采用中斷方式。4個(gè)按鍵的功能包括：調(diào)節(jié)電信號(hào)和氣象量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系鍵SET、增大和減小輸出信號(hào)鍵UP和DOWN、確認(rèn)保存參數(shù)鍵ENTER；P3．0～P3．3端口的RS、RW等為L(zhǎng)CD的控制總線；P5．0～P5．7為L(zhǎng)CD的數(shù)據(jù)總線；P3．6～P3．7為單片機(jī)部自帶的UART模塊的收發(fā)端口，用于串口通信；P4．0～P4．2作為DAC的SPI總線；P4．3～P4．6用于存儲(chǔ)器的總線。TDO／TDI～TCK為單片機(jī)的下載口。P6．0端口MeaV為單片機(jī)內(nèi)部自帶的ADC模擬輸入通道，用來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電源。晶振X2和電容C1、C2構(gòu)成時(shí)鐘電路，電阻R8和電容C3構(gòu)成上電復(fù)位電路。
2．2模擬信號(hào)產(chǎn)生DAC模塊
為產(chǎn)生程控的高精度電壓信號(hào)，采用高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，輔以總線隔離、電源隔離等措施提高精度。工藝上采用四層印制板電路。產(chǎn)生的信號(hào)為微伏級(jí)，選用16位的低功耗、單通道電壓輸出型DAC芯片AD5660，滿量程輸出電壓范圍可達(dá)2．5V。軟件編程模擬SPI總線與主控制器通信。AD5660內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由數(shù)字量輸入寄存器、電阻串型DAC、基準(zhǔn)源、輸出緩沖放大電路組成。由圖3可知，AD5660內(nèi)部含有一個(gè)增益為2的放大器。設(shè)D為載入DAC寄存器的二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制等效值，則輸出電壓VOUT的大小為16位的AD5660－1內(nèi)置1．25V的基準(zhǔn)電壓，輸入數(shù)字量D的范圍為0～65535。根據(jù)式（1），輸出電壓VOUT的范圍為：0～2．5V。采用總線隔離和電源隔離措施，以提高輸出電壓的精度。iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器ADUM1401具有優(yōu)于光耦合器的出色性能［4］，系統(tǒng)利用ADUM1401作為DAC模塊的SPI總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，使AD5660的總線與主控制器完全隔離。同時(shí)，采用DC－DC芯片MEB01Z－05S05D為信號(hào)產(chǎn)生部分提供獨(dú)立電源。MEB01Z－05S05D的輸出功率可達(dá)到1W，且其具有極低的紋波，Vp－p≤10mV。其電路如圖4所示。
2．3信號(hào)調(diào)理電路
濕度傳感器輸出信號(hào)為0～1V，氣壓傳感器設(shè)置于模擬模式時(shí)，輸出電壓為0～5V，而總輻射傳感器的輸出信號(hào)十分微弱，小于30mV。DAC輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路，產(chǎn)生與傳感器輸出范圍和分辨率一致的信號(hào)。這里以產(chǎn)生0～30mV的微弱電壓信號(hào)為例，設(shè)計(jì)其信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。
2．4參數(shù)存儲(chǔ)及串口構(gòu)成軟件補(bǔ)償電路
除采用總線隔離、電源隔離、低溫度系數(shù)電阻、低失調(diào)電壓運(yùn)放等提高系統(tǒng)輸出信號(hào)的精度外。設(shè)計(jì)參數(shù)存儲(chǔ)和串口通信電路，利用軟件來(lái)對(duì)信號(hào)輸出進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)一步提高輸出信號(hào)的精度。軟件補(bǔ)償?shù)乃悸肥遣捎昧銤M刻度校準(zhǔn)法，用高精度的61／2位數(shù)字萬(wàn)用電表測(cè)量系統(tǒng)在零點(diǎn)和滿量程時(shí)的實(shí)際輸出，并記錄與理想值的偏差。上位機(jī)通過(guò)串口將偏差值寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中。系統(tǒng)每次進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換之間先讀取存儲(chǔ)器中的偏差值，并調(diào)整單片機(jī)送給DAC的數(shù)字量，使輸出信號(hào)接近理想值。偏差值存儲(chǔ)于EEPROM中，如圖6所示。同時(shí)，氣象量和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)關(guān)系也存儲(chǔ)于EEPROM中。MSP430F169內(nèi)部自帶了UART模塊，只需在輔以常用的MAX232構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路即可與上位機(jī)通信。
3系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)任務(wù)主要包括時(shí)鐘初始化、LCD的初始化、信息顯示、系統(tǒng)電源電量顯示、軟件校準(zhǔn)、按鍵切換輸出檔位等。根據(jù)各功能模塊，確定系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程和中斷服務(wù)程序功能。主程序主要完成初始化工作；電量檢測(cè)需定期進(jìn)行，故在定時(shí)中斷服務(wù)程序中完成；檔位切換和信息顯示等在外部中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)；校準(zhǔn)參數(shù)和轉(zhuǎn)換函數(shù)通過(guò)串口的中斷服務(wù)程序由上位機(jī)寫(xiě)入EEPROM中。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。輸出信號(hào)大小的調(diào)整由按鍵中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，圖8為UP鍵按下時(shí)的服務(wù)程序流程。
4系統(tǒng)測(cè)試
為提高系統(tǒng)精度，PCB采用4層印制板。中間2層為GND和隔離后的電源。利用高精度的61／2位數(shù)字萬(wàn)用電表對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行零滿刻度校準(zhǔn)。校準(zhǔn)步驟如下：（1）設(shè)定輸出值為0mV，利用萬(wàn)用電表測(cè)量此時(shí)的實(shí)際輸出電壓值V1；（2）將V1通過(guò)串口調(diào)試助手寫(xiě)入下位機(jī)，單片機(jī)根據(jù)V1計(jì)算零點(diǎn)偏差，并保存于EEPROM中；（3）設(shè)定輸出值為30mV，利用萬(wàn)用電表測(cè)量此時(shí)的實(shí)際輸出電壓值為V2；（4）將V2通過(guò)串口調(diào)試助手寫(xiě)入下位機(jī)，單片機(jī)根據(jù)V1，V2，計(jì)算線性校準(zhǔn)函數(shù)的斜率和截距，并保存于EEPROM中。系統(tǒng)校準(zhǔn)后，再通過(guò)按鍵切換輸出檔位，并用萬(wàn)用電表測(cè)量實(shí)際輸出值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟件校準(zhǔn)后，輸出微弱電壓信號(hào)的誤差小于10μV。但通過(guò)高速的數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量，系統(tǒng)瞬時(shí)值存在80μV的抖動(dòng)。分析其原因是由于萬(wàn)用電表測(cè)量時(shí)進(jìn)行了滑動(dòng)平均處理，測(cè)量值為短暫時(shí)間的平均值，抖動(dòng)被抵消。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和分析得知，雖然采用4層PCB在硬件上減小了干擾，但空氣中的電磁場(chǎng)仍然在PCB板上形成了干擾。整個(gè)PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的電磁環(huán)境下測(cè)試。
5結(jié)束語(yǔ)
關(guān)鍵詞：猝發(fā)式紅外測(cè)試扭矩轉(zhuǎn)速發(fā)射電路
利用紅外通信進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，主要是為了滿足坦克、裝甲車輛狹小空間中運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試的強(qiáng)烈需求。由于紅外通信在空間和成本的優(yōu)勢(shì)，從上述理論研究和實(shí)車試驗(yàn)中證明其較高的應(yīng)用價(jià)值。
猝發(fā)式紅外近距離測(cè)試系統(tǒng)是在紅外近距離測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)更加狹小的空間如發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸，提出的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐ぞ販y(cè)試系統(tǒng)。
1坦克發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩信號(hào)采樣頻率分析
坦克發(fā)動(dòng)機(jī)屬多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，是采用各缸順序點(diǎn)火、輪流作功的方式工作。實(shí)測(cè)得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上產(chǎn)生的力矩（扭矩）是一個(gè)隨轉(zhuǎn)速變化的周期信號(hào)，該信號(hào)的幅值極不規(guī)范。工程中所述扭矩為平均扭矩，定義在一個(gè)循環(huán)內(nèi)（720°曲軸轉(zhuǎn)角）扭矩的平均值。高速、高功率密度柴油機(jī)有6缸、8缸和12缸之分，其最高轉(zhuǎn)速均不超過(guò)3000r/min，從這一目標(biāo)出發(fā)選用扭矩信號(hào)頻率最高的12缸發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算扭矩信號(hào)周期T。
當(dāng)nmax=3000r/min時(shí)，
T=（10/nmax）3.33（ms）
按采樣定理工程實(shí)用采樣頻率是信號(hào)固有頻率的5～10倍的原則，以及實(shí)際運(yùn)行效果的試驗(yàn)，取系統(tǒng)采樣周期為500μs即采樣頻率為2kHz。
圖2發(fā)射部分結(jié)構(gòu)框圖
2猝發(fā)式紅外近距離測(cè)試系統(tǒng)模型的建立
按圖1建立猝發(fā)式紅外通訊的實(shí)物模型，發(fā)射器安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，接收器安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，接收器可安裝在軸向和徑向兩個(gè)方向的適當(dāng)位置，其計(jì)算分析相似，由于徑向安裝比較方便，故安裝在徑向。
圖1中β——接收器的接收半角；
R——旋轉(zhuǎn)軸的半徑；
α——發(fā)射器的發(fā)射半角；
L——接收器與發(fā)射器的最小距離；
θ——發(fā)射器和接收器分別與圓心連線的夾角；
A——紅外接收管；B、C——紅外發(fā)射管。
弧長(zhǎng)BC（設(shè)為S）與通訊時(shí)間成正比，故弧長(zhǎng)S的大小決定了通訊時(shí)間的長(zhǎng)短，稱弧長(zhǎng)S為發(fā)射窗口。由模型知θ決定了發(fā)射窗口的大?。ó?dāng)R一定時(shí)），只有當(dāng)α小于或等于發(fā)射器的最大發(fā)射半角時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的紅外光才能被接收器直接接收。目前使用發(fā)射器的最小發(fā)射半角為15°。當(dāng)α=15°時(shí)，由三角形OAB可知：
(sinβ)/R=sin(π-15°)/(R+L)（1）
sinβ=R/(R+L)sin15°(2)
θ+β=15°（3）
故θ=15°-β
T=2Rθ/(Rω)=(2θ)/ω(4)
由于θ與有效通訊弧長(zhǎng)AB成正比，而弧長(zhǎng)AB又與通訊時(shí)間成正比，故增大θ可增長(zhǎng)通訊時(shí)間。由上式可知，增大θ有兩種方法：減小R，或增大L。
設(shè)軸的角速度為ω（rad/s），一轉(zhuǎn)中采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)N，每個(gè)數(shù)據(jù)占有M位，紅外通訊傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿閂（bit/s），發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)需要時(shí)間為tall(s)，發(fā)射器通過(guò)發(fā)射窗口的時(shí)間（即有效通訊時(shí)間）為T(mén)（s），則一轉(zhuǎn)中發(fā)射數(shù)據(jù)所需總時(shí)間為：
tall=(MN)/V（5）
如設(shè)轉(zhuǎn)速為3000r/min，2θ=30°，由（4）式得：
T=1.67ms
設(shè)N=200，即采樣頻率
f=200sps/r×(3000r/min)/60=10ksps
若M=16,V=2Mb/s，
得：
tall=(200×16)/2M=1.6ms
由于tall<T，該模型可物理實(shí)現(xiàn)。
3發(fā)射部分電路設(shè)計(jì)
上面通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率信號(hào)進(jìn)行分析，確定了采樣頻率，進(jìn)而估算出存儲(chǔ)器的最小存儲(chǔ)容量，并建立了數(shù)據(jù)傳輸模型。采用猝發(fā)方傳輸數(shù)據(jù)，需要存儲(chǔ)軸旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所采集的所有數(shù)據(jù)，然后在發(fā)射窗口將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的瞬發(fā)。其特點(diǎn)是不需要安裝一個(gè)圓周的接收器，如果所測(cè)軸半徑較大或被測(cè)環(huán)境較緊湊，則近場(chǎng)遙測(cè)是不易實(shí)現(xiàn)的。而猝發(fā)遙測(cè)只需一個(gè)或幾個(gè)接收器就能達(dá)到目的。
發(fā)射部分的結(jié)構(gòu)框圖如圖2，這部分發(fā)現(xiàn)扭矩信號(hào)的采集、數(shù)字信號(hào)的編碼，并將采集數(shù)據(jù)放在FIFO存儲(chǔ)器中。當(dāng)紅外發(fā)射管接收到取數(shù)碼命令后，如果采集電路斷電，入于低功耗狀態(tài)，則通知電源管理器打開(kāi)電源VCC，讓采集電路開(kāi)始工作；如果采集電路已經(jīng)開(kāi)始工作，則會(huì)的開(kāi)取數(shù)時(shí)鐘，讓FIFO移出數(shù)據(jù)，送給紅外發(fā)光管發(fā)送給接收器。
3.1數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)
由于采用猝發(fā)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，需要設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)器將一轉(zhuǎn)中所采集的數(shù)據(jù)先存放起來(lái)，當(dāng)發(fā)射器經(jīng)過(guò)發(fā)射窗口時(shí)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳輸給接收器。存儲(chǔ)器是發(fā)射部分的關(guān)鍵元件之一，它的選取直接關(guān)系到A/D變換器的選取以及控制電路的設(shè)計(jì)。對(duì)存儲(chǔ)器的要求是先采集的數(shù)據(jù)先發(fā)送，后采集的數(shù)據(jù)后發(fā)送，否則接收部分將無(wú)法正確恢復(fù)原始信號(hào)，達(dá)不到測(cè)試的目的。因此需選擇一個(gè)先進(jìn)先出FIFO的16位存儲(chǔ)器。又由于發(fā)射器是單通道，只能將數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送，所以要求存儲(chǔ)器的輸出是串行的，這樣能減少并轉(zhuǎn)串的中間環(huán)節(jié)。如果具有串進(jìn)串出的FIFO，那樣發(fā)射部分的體積會(huì)更小且控制邏輯更簡(jiǎn)單，這是筆者希望的。但實(shí)際上只查到并進(jìn)串出FIFO和具有可編程的串并進(jìn)-串并出四種功能的FIFO，由于后一種芯片體積大、功耗也大，所以選擇了并進(jìn)串出的FIFO。
綜上所述，選用了IDT72105，容量為256×16位，高速、低功耗，具有獨(dú)立收、發(fā)時(shí)鐘控制的同步/異步FIFO存儲(chǔ)器。它不但提供了存儲(chǔ)空間作為數(shù)據(jù)的緩沖，而且還在EPP并行總線和A/D轉(zhuǎn)換器之間充當(dāng)一彈性的存儲(chǔ)器，因而無(wú)需考慮相互間的同步與協(xié)調(diào)。FIFO的優(yōu)點(diǎn)在于讀寫(xiě)時(shí)序要求簡(jiǎn)單，內(nèi)部帶有讀寫(xiě)的環(huán)形指針，在對(duì)芯片操作時(shí)不需額外的地址信息。當(dāng)它接收到由紅外發(fā)射管發(fā)出的取數(shù)指令SOCP后，通過(guò)SO端將同步幀信號(hào)輸入到紅外發(fā)射管的TXD端，發(fā)射出去。
圖5監(jiān)測(cè)碼編碼器和幀結(jié)構(gòu)
3.2數(shù)據(jù)采集電路
由于選擇了并進(jìn)串出的FIFO，最好選擇并行輸出的A/D變換器，要求單電源供給，故選擇了AD公司的AD7472，分辨率為12位，低功耗，電源供電范圍為2.7～5.25V。AD7472轉(zhuǎn)換器可以工作于三種模式：（1）高速采樣模式（HighSampling）；（2）睡眠模式（SleepMode）；（3）猝發(fā)模式（Burstmode）。由于系統(tǒng)的采樣頻率不高（4kHz），所以利用AD7472的猝發(fā)模式，它與第二種模式相同，只是輸入時(shí)鐘（CLKIN）不連續(xù)，僅在轉(zhuǎn)換期間才提供時(shí)鐘信號(hào)，這樣能夠減少功耗。
在此模式下，當(dāng)CONVST上升沿到來(lái)時(shí)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入蘇醒期需1μs的時(shí)間（tWAKEUP），在這個(gè)期間如果CONVST的下降沿已到來(lái)，A/D并不立即進(jìn)入轉(zhuǎn)換期，直到1μs之后；如果1μs之后下降沿才到來(lái)，則轉(zhuǎn)換器在下降沿到來(lái)的時(shí)刻開(kāi)始轉(zhuǎn)換，整個(gè)轉(zhuǎn)換需14個(gè)時(shí)鐘周期。值得注意的是：當(dāng)BUSY信號(hào)為高后，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)在兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)出現(xiàn)，且在轉(zhuǎn)換期間不能改變數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。實(shí)際設(shè)計(jì)采樣頻率與讀數(shù)控制電路的時(shí)序如圖3。CONVST信號(hào)頻率即采樣頻率為4kHz，周期250μs，正向脈寬2μs，即A/D蘇醒之后，再過(guò)1μs才開(kāi)始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，RD信號(hào)正是利用這1μs對(duì)A/D進(jìn)行讀數(shù)操作。
3.3同步幀電路設(shè)計(jì)
由于系統(tǒng)將一轉(zhuǎn)中采集的數(shù)據(jù)記錄在FIFO存儲(chǔ)器中，并且數(shù)據(jù)傳輸方式為無(wú)線串行通訊，所以需要將數(shù)據(jù)以幀的形式開(kāi)，以便于接收部分的解碼。作者設(shè)計(jì)了16位的同步碼，最高位為低，用于分區(qū)幀與幀的數(shù)據(jù)；最低位也設(shè)為低，用于分開(kāi)同步幀與數(shù)據(jù)，并為解碼提供移位脈沖產(chǎn)生時(shí)間。一幀數(shù)據(jù)除同步碼以外，由8個(gè)16位采樣數(shù)據(jù)組成，總共112個(gè)比特。產(chǎn)生步碼的電路如圖4。
圖6取數(shù)據(jù)控制電路
3.4監(jiān)測(cè)碼編碼器和幀結(jié)構(gòu)
FIFO存儲(chǔ)器字長(zhǎng)為16位，A/D轉(zhuǎn)換器為12位，還剩余4比特。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度和數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)能力，設(shè)計(jì)了4個(gè)監(jiān)測(cè)碼，分布在數(shù)據(jù)的兩側(cè)，如圖5。4個(gè)監(jiān)測(cè)碼鎖存在元件74L5243里，每一個(gè)寫(xiě)信號(hào)到來(lái)時(shí)，都需寫(xiě)入4位監(jiān)測(cè)碼。由于這4個(gè)監(jiān)測(cè)碼分布在12位數(shù)據(jù)的兩側(cè)，在接收端接收到數(shù)據(jù)后，首先檢測(cè)這4個(gè)監(jiān)測(cè)碼；如果監(jiān)測(cè)碼無(wú)誤，則接收到的數(shù)據(jù)可信；如果有誤，則有可能前移一位或后移一位。若通過(guò)這樣的修正后，這4位監(jiān)測(cè)碼與實(shí)際相符，則可修正數(shù)據(jù)。若不相符，則該數(shù)據(jù)不可言。
3.5取數(shù)控制電路
