模擬電路設計原理精選(九篇)

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第1篇：模擬電路設計原理范文

關鍵詞：電路設計；proteus；應用

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

二十一世紀的今天，社會科技進步較快，proteus仿真軟件在電路設計中的應用也越來越廣泛。該仿真軟件是計算機技術發展的重要成果之一，可以對模擬電路，數字電路和電路進行仿真操作，軟件自身具備先進的虛擬器，包括示波器，邏輯分析儀，信號發生器等，為了更全面的了解和更深刻的分析proteus在電子電路設計中的應用，就要在軟件開啟的仿真條件下，對整體電路和包含的各個零部件進行逐一研究，為之后的電路設計打下堅實的基礎思路。

1 Proteus仿真軟件簡述

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

2 Proteus仿真軟件進行仿真電路設計的過程分析

在電子電路實訓過程中，proteus仿真軟件在進行仿真電路設計時，要在軟件編輯界面，按照需要模擬的實際電路思路，設計出一套最符合實際情況的電子電路圖，再通過許多相關數據計算，盡可能在最短的時間內完成對電路的初步設計和對數據的測量與計算整理，最后完成整體的模擬電路設計，然后利用軟件的電路生成功能，輸出最后的電路設計圖。為了確保電路設計的順利進行，仿真電路設計過程可以這樣：先確定核實設計項目，然后運行proteus軟件，繪制初步的電路原理圖，然后根據原理確定需要的元件種類和數量，啟動仿真系統，用虛擬儀器檢測然后讀出數據，分析結果，如不符合要求，對元件或者電路作適當修改然后再次檢測，當符合要求時，要對電路進行完善，確定無誤后敲定最終設計方案，然后系統自動生成電路圖。

3 Proteus仿真軟件的仿真電路設計與調試

在進行電路工作前，相關人員要檢查虛擬測量儀器與被測量點的兩個終端是否處于正常連接狀態，還要確定信號源良好的接地情況，其中還要注意示波器與地線的連接狀況。測量結束后要確保測量結果是GND的相反波形，有利于后續對電路的研究。實驗過程中，要時刻注意電壓表，電流表的指針位置，而在仿真電路時，要注意串聯電路中電流指針的指數，如有任何問題，要及時地在相應的執行操作界面，通過網絡，對電壓作出適當調整，然后繼續進行仿真電路的研究試驗，推動proteus仿真軟件在電子電路設計應用中的發展。

4 Proteus仿真軟件的實用電路分析

在今后的與電路設計有關的工作當中，我們不光要充分發揮并發展proteus仿真軟件，還要通過合理的方法來判斷研究proteus仿真軟件在未來電路研究中的發展趨勢，然后進行相應改進。而proteus軟件還需要通過傳感器電路，正弦電路等實用電路中不斷的進行試驗和探索，最后才能把此項技術落實到實際電子科技產品的生產環節當中去。所以，我們再使用該軟件進行電路設計和分析時，要把重點放到傳感器電路和正弦電路等電路的實用性上，結合實際情況探究，才能更好地讓軟件適用于各種實用電路的應用。還能開發出仿真系統的其他用法和功能，促使電子行業發展，為以后的研究工作打下堅實的基礎。

5 結語

綜上所述，現階段proteus仿真軟件的應用已經十分廣泛，而其使用功能也十分便利和強大，在進行電子電路設計時，為了能夠更深刻研究電路的工作情況，更準確地對電路中存在的不足之處進行調整，我們要進一步對軟件進行挖掘研究，明確操作規范，開發出更實用的功能以便使用。還能改善傳統的電子電路設計工作，并z測出其中的缺陷，為降低電路實驗成本，更有效地完成實驗和縮短實驗時間等方面，都有積極的推進意義。

參考文祥

第2篇：模擬電路設計原理范文

關鍵詞：電路設計；逐次漸近；ADC；比較教學

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

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

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

1 引言

計算機專業的硬件知識課程通常包括電路原理、模擬電子與數字電子技術等課程。從實際教學過程看，由于實驗條件、物理知識等多方面的因素，學生普遍反映電子技術的學習較為困難。甚至嚴重情況下，會影響學生對硬件電路設計的興趣，這不利于學生綜合素質的培養[1-2]。另一方面，軟件設計由于對動手操作條件要求不高，編程鍛煉的機會多，不少同學掌握程度較好，從而培養了興趣。

學習通常都是利用已有知識去理解新知識的過程，如果新知識和已有知識在很大程度上具有相似性，或者通過合理的比較，建立新知識與已有知識之間某種緊密的聯系，學生在理解上就相對容易。自信心也可能會從已掌握知識遷移到新知識上。比較是根據一定的標準，把有某些聯系的兩種或兩種以上的事物加以對照，確定事物同異關系的思維過程和方法[3]。本文所談論的比較教學方法就是在此概念框架下定義的，在相關教學中已經被成功采用[4-5]。

因此，本文以數字電子技術教學中的重點知識“逐次漸近型ADC”為例，在對原理概念做簡要介紹后，引導學生用算法、程序語言的形式將設計的思想表達出來，再利用基本組合和時序電路將軟件形式表達的設計思想“翻譯”成初步的硬件電路。通過對軟件和硬件初始化、運行方式等的比較，對初步的ADC電路進行優化調整，最終形成經典的逐次漸近型ADC電路設計。

2 逐次漸近型ADC簡介

ADC是將模擬信號轉換成數字信號的器件，以方便計算機等數字系統進行信號處理，是計算機系統與外部物理世界交互的重要部件，也是數字電子技術課程中的重要知識內容。根據構造原理的不同，ADC的種類很多，例如并聯比較型ADC、反饋比較型ADC、雙積分型ADC、V-F變換型ADC，以及∑-ΔADC等。其中逐次漸近型ADC是一種反饋比較型ADC，它具有轉換速度較快、體型小、構造成本低等優點，因此是目前ADC產品中用得較多的一種。圖1和圖2分別是逐次漸近型ADC的原理框圖和電路原理圖[6]。

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

傳統的電路教學方法，會對照著原理圖給學生講解思想和電路的組成。學生領會上比較困難，特別是即使搞清楚原理，對電路的設計過程、來龍去脈也是不清楚的，從而產生對電路設計的神秘感和恐懼感，不利于進一步學習。

3 利用軟件設計的比較教學

3.1 程序和電路的運算方式比較

通常的程序設計，是一種串行的思維方式，設計者仿照CPU指令的執行方式。學生寫出程序設計的算法，再轉換成具體的程序設計語言，供計算機編譯執行。從實踐教學過程看，在這一點上，在入門時，較電路設計更容易為學生所接受。以下內容介紹逐次漸近型ADC電路設計的軟件比較教學過程。通過這一過程，讓學生自己很自然地“設計”出逐次漸近型ADC。

3.2 逐次漸近型ADC的軟件算法表達

用算法和程序表達計算機系統的處理過程，將有助于加深理解，也更便于未來的工程實現。逐次漸近型ADC可理解為一個將浮點型（表示模擬信號）轉換成一定位數的整形數（表示數字信號）的函數模塊。可以用偽碼來表達這一過程，為了便于計算機程序語言實現，我們取轉換結果為8位無符號整形。

算法1 BitADC8

輸入：浮點數input

輸出：8位無符號整形數iAdcResult

處理：

BEGIN

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

2，轉換目標值iAdcResult的當前位BitNum置為1與輸入浮點數比較；

3，如果iAdcResult大于input，置iAdcResult的當前比較位為0；

4，當前位BitNum減一，如果BitNum>=0，去第2步，否則輸出iAdcResult；

END

學生對上述算法的理解是不太困難的，也可以較方便地用C語言來實現，如下面的函數BitADC8所述。需要說明的是，在C語言中有標準的函數可以實現這樣的轉換，這里是為了說明原理，故不采用現有的標準函數或者強制類型轉換實現[7]。

int BitADC8（float input）

{if （input < 0 ） return -1；

if （input > 255） return 255；

unsigned char iAdcResult=0；

int BitNum=7；

while （BitNum >= 0）

{iAdcResult = iAdcResult | （1

if （iAdcResult > input）

iAdcResult = iAdcResult & ～（1

BitNum--；}

return iAdcResult；}

3.3 電路設計

學生寫出BitADC8以后，基本對轉換的原理有了較為深刻的理解，下面討論如果從BitADC8函數中引導逐次漸近型ADC的電路設計。

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

當然，硬件電路和軟件模塊在表達和執行上還是有區別的，本質可能一一對應。局部細節的調整需要設計者自己去琢磨、理會。例如，或門G4和G5初始化時清零作用，還有軟件串行執行和硬件電路并行執行的區別等。但這不影響兩者的比較理解，設計的聯系性還是比較緊密，具有重要意義。

4 結論

文章以逐次漸近型ADC電路原理教學為例，介紹了硬件電路設計的軟件比較教學方法的應用。從實際教學效果來看，能夠起到幫助學生掌握電路設計思路的作用，也有助于將來在EDA等課程中學習VHDL等硬件描述語言，更重要的是通過學習遷移幫助提高學生電路設計的信心，

參考文獻：

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[4] 徐欽桂， 楊桃欄. 比較教學法在操作系統教學中的應用與實踐. 計算機教育， 2010（10）： 95-99.

[5] 陳錕， 田曉梅. 用Matlab進行插值法比較教學研究[J]. 電氣電子教學學報， 2012（2）： 98-100.

第3篇：模擬電路設計原理范文

作為應用型本科院校，在實踐教學環節中如何提高學生的創新能力、實際操作能力、分析和解決問題的能力亟待解決。目前國內大多高校工科專業實驗設備陳舊，更新換代不及時，學生只是在現有的實驗設備上進行簡單的驗證性操作，對學生的各方面能力并沒有很好的進行鍛煉，很多原理性的東西在實驗操作臺上沒有很好的體現［1］。鑒于此，可以對課程中的個別實驗引入自制實驗設備，采用該種手段不僅有利于提高學生創新能力的培養，還可以引入最新的實驗技術手段，提高實驗裝置的利用效率、節約實驗成本［2］。《模擬電路》是電類專業最基礎的專業課程，通過該課程的學習不僅要求學生掌握較強的理論知識，還要求學生具有一定的實踐創新能力，結合多年來對本課程的授課經驗，以該課程為例來說明如何在教學過程中通過自制實驗設備來提高學生的創新應用能力。

1自制實驗設備在教學中的必要性

近年來學校對實驗室的建設經費投入越來越多，其中購買了很多先進的實驗設備和儀器裝置，但有些設備只能進行簡單的驗證性操作，對于高校工科實驗教學的針對性較差。同傳統的實驗模式相比較，自制實驗設備在實驗教學中具有多個優點，在實驗教學中的使用很有必要性［3－5］。

第一，適用性強。教師可根據單門課程或者多門課程設計綜合性實驗，針對不同的專業適當調整實驗的難易程度。

第二，成本低。學生根據教師給出的實驗要求，自行選擇元器件進行電路的焊接，同市場上現有的實驗電路板相比較能夠節約大量成本。

第三，可操作性強。老師可在實驗內容中加入自己的科研內容，既能夠鍛煉學生也能夠提高教師的科研水平。

第四，提高學生專業能力和動手能力。在實驗執行過程中能夠激發學生的學習興趣、鞏固學生的專業知識，并把課堂學到的知識應用到實際當中，能培養學生的設計能力、創新能力、實踐能力和動手操作能力。

商洛學院本科教育進入轉型發展階段，學校以培養應用型本科生為目標，所以實踐教學環節在課程教學中的作用變得尤為重要。對于電類專業的課程，現有的教學儀器設備不能滿足教學要求，自制實驗設備可以降低教學難度、提高課堂效率、拓展學生思維，創造性地制作各種合適的實驗設備，因此具有提升課堂教學效果的突出作用。

2自制實驗設備的實施

以模擬電路課程實驗中“模擬運算放大電路”實驗為例進行說明，該實驗屬于設計性實驗，以往實驗要求學生從電路設計和電路驗證兩方面進行，但是實驗結果并不能使每個學生都能達到預期的教學目的，自制實驗設備將從電路設計、仿真、焊接、調試、驗證等幾方面進行實施，以此來提高學生的電路設計能力、分析能力和動手能力。

2．1電路設計與仿真

此階段主要考察學生對理論知識的綜合應用能力，通過對電路的設計、元器件的選擇拓展學生知識面。根據“模擬電路實驗”教學大綱給出電路設計的要求，要求學生熟悉放大電路的原理，進行電路設計以及電路中元件參數的確定，并提交最終的設計結果。以反相比例運算電路為例，要求設計電路的放大倍數為（－10）倍。學生首先要鞏固反向比例運算電路的原理進行電路的設計，再進行電路的仿真。根據電路設計要求放大倍數為（－10）倍，又因為考慮集成運放兩輸入回路參數對稱，即RN＝RP，綜合考慮，電路中電阻R3＝100kΩ，R1＝10kΩ，R2＝9．1kΩ。其次為了保護集成運放，在電源端分別接兩個二極管以防止電源反接損壞集成運放。通過電路的設計與仿真，對輸入波形和輸出波形進行對比。輸入信號ui設置為1kHz，峰值為100mV的正弦波，由仿真結果可看出，此時輸入信號與輸出信號反相，電壓放大倍數為10，且未出現失真，達到了設計的要求可以進行下一步的電路焊接與測試。

2．2電路焊接與測試

上節以反相比例運算電路為例進行了設計說明，在實驗過程中為了增加實驗內容要求學生對同相比例運算電路、加法運算電路、減法運算電路、微積分電路等都進行設計與仿真。設計完成后列出實驗器件清單進行電路的焊接，在焊接的過程中一方面可以提高學生的動手能力，另一方面也有利于培養學生發現問題解決問題的能力。在該電路板上學生可以通過選擇相應的器件來實現各類運算電路的測試。同樣對反相比例運算電路進行測試，輸入信號ui設置為1kHz，有效值為100mV的正弦波，為電路接入正負電源，根據電路設計圖連接各個電阻，接入信號函數發生器和示波器，觀察輸入輸出波形，通過示波器測試可看出，輸出電壓幅值為987mV，輸入電壓幅值為97.2mV，所得有效值放大倍數約為10倍左右，且輸入與輸出波形方向相反，即達到反相放大的目的。

2．3實驗考核

實驗考核是檢驗學生實驗效果最有效的手段，對于自制實驗設備的實驗項目考核要區別于一般驗證性實驗，首先要求學生提交設計說明、仿真結果、實驗心得，并對學生的作品進行現場的測試，其次在整個實驗成績中加大該類實驗所占的比例，這樣既能夠減輕學生負擔、調動學生的積極性，又可以保證實驗課程的完整性，也杜絕了學生抄襲實驗報告的現象。

本文僅對反相比例運算電路進行了設計說明，對于“模擬運算放大電路”實驗中的同相比例電路、加法電路、積分電路等均可以采取以上的教學方法，既能夠使學生對理論知識有一個清楚的認識，也鍛煉了學生設計電路、焊接電路、調試電路的能力，對學生綜合能力的培養有很大的好處。

3實驗改革的效果

為了檢驗實驗改革的效果，首先在一個班級進行了試驗，主要通過實驗報告、電路設計與仿真、測試效果、期末考核等方式進行改革效果分析，主要取得以下幾方面的成果。

（1）大部分學生能夠按照要求完成最終電路的測試，個別學生在電路焊接環節出現問題。

（2）提高了學生對電路的綜合設計與應用能力，通過自制實驗設備完成實驗的學生在電路設計和焊接方面明顯優于其他學生。

（3）實驗報告相比以前更加規范，設計過程、仿真結果、測試結果更加的詳細，抄襲現象明顯好轉。

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

（5）實驗教師的各方面能力也得到了鍛煉，在實踐中增長才干，提高自己的理論水平的技術水平。

第4篇：模擬電路設計原理范文

關鍵詞：調制電路 在系統可編程 模擬電路

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

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

Keywords:Modulation Circuit, In System Programmability, Analog Circuit

1、引言

調制是指用調制信號去控制載波信號的參數，使載波信號的某一個或幾個參數按照調制信號的規律發生變化，在通信系統中有廣泛的應用[1]。傳統調制電路多由分立模擬元器件構成，占用面積較大且定型后不易產品升級。本文介紹一種基于在系統可編程模擬器件ispPAC20的平衡調制電路設計方法，將各單元電路于單芯片實現，提高了集成度和可靠性；同時可對目標芯片在系統編程以升級電路結構，縮短了研制周期，降低了設計成本。

ispPAC20（in-system Programmable Analog Circuit）是美國Lattice半導體公司推出的可編程產品，該芯片具有在系統可編程技術的優勢和特點，電路設計人員可通過開發軟件PAC Designer在計算機上快速地進行模擬電路設計與修改，對電路的特性可進行仿真分析，然后用編程電纜將設計方案下載到芯片當中[2]。也可對已經裝配在印刷線路板上的ispPAC20芯片進行校驗、修改或者重新設計。

2、ispPAC20器件的內部結構

ispPAC20由兩個PACblock塊、兩個比較器、一個8位D/A轉換器、配置存儲器、參考電壓、自校正單元、模擬布線池和ISP接口等單元組成，器件內部結構如圖1所示。

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

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

PACblock2與PACblock1的結構基本相同，但IA4的負整數增益區間為[-10，-1]，設有極性控制端PC并可被編程為四種模式：固定模式、PC外接模式、觸發器模式和CP1OUT連接模式。

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

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

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

3、調制電路的ispPAC20實現

基于ispPAC20的調制電路內部編程連接如圖1所示。PACblock2與比較器電路構成振蕩電路，產生方波信號，作為載波uc，經器件外部連接至MSEL端；PACblock1構成調制電路，實現輸入調制信號對載波幅度的控制，調制信號ui連接于IN1和IN2端，已調信號在OUT1端輸出。

3.1 振蕩電路設計

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

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

3.2 調制電路設計

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

該設計方法中，載波產生電路與和調制電路在同一芯片上完成，具有高集成度、高可靠性的優點，可通過設計工具對電路做靈活修改。若將已調信號Vout1接低通濾波器，則可得到模擬雙邊帶調制信號。

4、結語

本文介紹了一種基于在系統可編程模擬器件的調制電路設計方法，在ispPAC20芯片上實現，將整個電路集成于單塊芯片中，提高了電路的集成度和可靠性。借助于開發工具PAC Designer可隨時對芯片進行重新編程以升級電路結構，提高了電路設計的效率，降低了設計成本。

參考文獻

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作者簡介

第5篇：模擬電路設計原理范文

【關鍵詞】計算機 電路設計 輔助 方法

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

一、計算機輔助電路設計的一些優點

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

二、計算機輔助電路設計的具體方法

（一）設計電路圖。在設計一個電路，要想使得它能夠去完成一定的作用和功能，就應該先要設計好一個比較完整是電路原理圖。在使用計算機復制電路設計的時候，采用計算機技術來設計電路的原理圖是非常方便的，而且在設計的過程當中對于一些不合理需要修改的地方進行修改的時候也非常的方便，同時在設計好了電路的原理圖之后，在通過相關的專業軟件進行自動的布線布局，對于最后制作成線路板的版圖也非常的方便。首先就是要在計算機當中打開進行原理圖設計的專業軟件，在打開了專業的設計軟件之后就應該要新建一個文件，然后還要加載一些原理圖設計的數據庫。如果在這些電子元件庫當中沒有設計所需要的電子元件，那么就需要使用電子元件的生產軟件，制作出相應的電子元件，然后就可以按照之前的電路設計的構思，調用數據庫當中的電子元件來進行電路原理圖的設計。在設計的當中，對于那些有電氣性能連接的電子元件，就應該要用線把這些電子元件的管腳連上，而對于設計當中的總線電路，則可以才有一個總線來進行連接，這樣的話就減少在設計當中連接的線條比較多的麻煩。但是如果需要在總線的兩端分出很多的線條，那么就需要對這些線條進行相應的標注。而有些的線路上如果是有節點的話，那么就必須要把這些節點連接起來，不然的話計算機系統就會認為這些線路是沒有連接在一起的。

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

（二）設計電路板的版圖。現在很多電路板廠在生產電路板的時候，基本上都是根據用戶自己設計的印制線路版圖來進行生產的。如果是那些已經成型了的電路板，還想要多生產一塊或者是很多塊的話，就可以直接利用計算機來進行輔助的設計，在生成了印制線路版圖之后在進行電路板的生產。針對一些線路比較簡單的電路，可以采用刻度尺度量的方法來將印制線路版圖輸入到計算機當中，首先要在線路當中的某一角設置一個原點，然后其他的點則是可以用這點來進行參照，然后來用刻度尺進行度量。針對一些線路比較復雜，電子元件比較多的電路，如果還是采用刻度尺來進行度量輸入的話，那么就需要很多的時間，而且精確度也不是很高。這種情況下，就可以采用掃描儀將印制線路版圖輸入到計算機當中。通過這種方法，就可以省去很多的麻煩，而且還可以減少一些差錯，所以采用掃描儀將印制線路版圖輸入到計算機當中，在提高電路質量的同時還可以提高工作的效率。

三、結束語

在社會的科學技術不斷發展的時候，計算機輔助電路設計的方法也在不斷的發展和更新，所以電路的設計者也應該要不斷的學習新的技術和知識，使自己可以得到相應的提高，才能夠更好的滿足科學技術的發展需要。

參考文獻：

[1]葉勇盛.計算機輔助電路設計教學方法研究與實踐[J].職業教育研究，2010，03：90-91.

[2]侯云濤.APFC電路的計算輔助設計與仿真研究[D].西北大學，2003.

[3]張尚韜.計算機輔助電路分析程序設計（CAA）[J].福建信息技術教育，2008，01：25-28.

第6篇：模擬電路設計原理范文

【關鍵詞】 同步檢波低通濾波器MC1496 Multisim仿真

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

二、模擬乘法器MC1496

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

三、同步檢波電路設計與Multisim仿真

四、結果分析

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

從示波器中可知，通過同步檢波，DSB可被恢復，但兩者波形有細微差別，這主要是因為濾波器通帶邊緣不可能是理想矩形。該電路延時T2-T1為1.833ms，系統延遲主要由低通濾波器模塊產生。

五、結束語

在電子設計過程中，參數的選擇、仿真搭建、調試必不可少，Multisim廣泛應用于電子設計與設計性實驗的電路設計階段。調幅系統至今在廣播電視領域仍具有較為廣泛的應用，在調幅通信系統中，同步檢波技術較包絡檢波具有更強的普遍適用性。

參 考 文 獻

[1]王虹.通信系統原理[M].國防工業出版社，2014.

[2]樊昌信.通信原理[M].國防工業出版社，2006.

第7篇：模擬電路設計原理范文

導波式雷達液位計是把一根或兩根導波桿從罐頂伸入、桿末端與罐底有一定距離，通過導波桿發射和接收信號。它也采用發射脈沖信號來進行測量，其回波信號的幅值大小主要取決于被測液體的介電常數，由于采用了導波桿結構作為傳輸的介質，信號損耗小、能量比較集中，從而回波信號質量更好。它還具有方向性好，穿透性好的優點。

系統總體設計

根據系統要求，本設計采用脈沖時域展寬電路進行信號處理，如圖1所示，在收發電路的硬件電路上增加脈沖時域展寬電路，主要是實現回波信號在時間軸上把信號放大K倍。放大后的信號變換成毫秒級信號，就可以使用比較器比較出來，再用單片機進行信號的捕獲。

系統采用分塊化的設計方法，分別把各部分具體化實現，最后達成一個高效的系統。導波雷達液位計結構組成如圖2所示，包括：電源電路、LCD顯示電路、鍵盤電路、電源監控電路、外存儲器電路、單片機及電路、信號測量電路、信號變換電路、脈沖收發電路、信號調制電路、通訊模塊電路和機械部分。

導波雷達液位計工作過程

根據不同的測量環境，導波雷達液位計在工作之前，通過鍵盤設定一些測量需要的參數，以便能準確地測量出不同使用條件的液位。

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

硬件電路設計

電源電路設計

根據導波雷達液位計使用工況的要求，系統使用+24V直流來供電，系統電源電路如圖3所示。系統電源電路使用AD421芯片，AD421是一種可以產生4～20mA電流輸出的DAC。導波雷達液位計使用它實現回路供電，還為整個系統和其他電路的芯片等提供工作電源和相應的參考電源。

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

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

信號變換電路設計

導波雷達液位計的單片機發出的控制信號必須通過信號變換變成相應的模擬信號，才能進行信號調制、功率放大以及收發電路再送至機械部分的同軸導波桿上傳輸。根據要求，系統由計數器電路和DAC電路依次組成信號變換電路。

計數器電路設計

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

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

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

DAC電路設計

DAC電路將計數器電路生成的12路并行計數信號進行轉換，并產生對應的模擬電壓信號。DAC電路如圖5所示。

DAC選用一種速度很快的12位D/A芯片AD7945。AD7945使用+5V單電源供電，其功耗可以小至5μw。AD7945的輸入是計數器產生的12路并行信號，可以從0計數到2048。第1個引腳IOUTl產生的是轉換后對應的電流輸出，需再經過一個運算放大器以后，才變成對應的模擬電壓信號。

導波雷達液位計受介電常數和桿長等影響，信號在導波桿上的衰減程度不同，因此需對信號幅值大小進行調節。為了使輸出信號的幅值足夠其在桿上有效傳播并接收，系統采用單片機控制這個幅值的大小變化。圖5中的VREF就能起此作用，單片機通過I/o端口對數字電位計的值調節，就能實現調節輸出電壓VOUT的幅值，進而調節前端信號調制后輸出到導波桿的信號幅值。在被測液體介電常數小的時候，需加大VREF的值，反之則減小VREF的值。

信號測量電路設計

信號測量電路設計包括可變增益放大器電路、信號比較器電路和數字電位計電路等。

可變增益放大器電路設計

在進行液位測量時，導波雷達液位計收發電路發射的脈沖信號的幅值是一個固定值。而從介質液面反射的回波信號幅值不固定，其幅值大小受介電常數、導波桿的結構、桿長等因素影響。

針對不同的使用工況，需要把回波信號在垂直方向上放大處理，用放大器的增益來補償電纜產生衰減引起的變化，對信號的幅值進行調節，便于后續的信號比較電路進行比較。可變增益放大電路如圖6所示，設計采用運算放大器AD8554，它是一種四路零漂移的低噪聲放大器，失調電壓極低（僅為lμV）、零輸入失調電壓漂移以及極小偏置電流。

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

可變增益放大電路的工作原理是單片機通過操作一路數字電位計的大小來調節放大的增益，實現輸入信號的放大改變。該電路設計的增益范圍為0―54dB。數字電位計值的選取主要取決于導波桿的類型、介電常數的大小和導波桿的長度等。

信號比較電路設計

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

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

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

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

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

數字電位計電路設計

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

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

MSP430F149電路設計

導波雷達液位計的單片機電路設計主要有電源監控電路和按鍵電路等。

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

單片機的按鍵電路：按鍵僅僅使用了UP、DOWN、ENTER三個按鍵，而且分別接了三個上拉電阻，分別代表上翻、下翻、確定操作。通過這些按鍵能夠調用各個具體菜單的模塊，從而完成介電常數、桿長、零點、滿點等各關鍵的參數的設定、修改和液位的顯示。通過按鍵可以引起單片機的I/O口產生中斷，從而確認到底是哪個按鍵按下，以便軟件來實現對應的菜單跳轉或者修改功能。

系統軟件設計

第8篇：模擬電路設計原理范文

關鍵詞:串行A/D;數據采集器;高分辨率;TLC1549

中圖分類號:TP316 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-099-03

Design of High Precision Multi-channel Data Acquisition System

XU Jianli

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

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

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

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

1 系統方案設計

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

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

1.1 提升A/D分辨率方法

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

圖1 串行A/D精度提升原理圖

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

1.2 八通道12位數據采集器原理圖

TLC1549只有一路模擬量輸入通道,為達到設計爍鐾ǖ酪求,通過八選一模擬電子開關擴展其八路通道,本系統用TLC1549設計的八路數據采集器原理框圖如圖2所示,包括模擬電子開關、量程分檔處理、10位串行A/D、顯示電路、單片機系統五部分。

圖2 八路數據采集器原理框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 電子開關電路設計

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

圖3 模擬電子開關通道

圖4 CD4051引腳圖

2.2 量程分檔處理電路設計

2.2.1 量程切換電路

圖5為量程切換電路。將電子開關輸出的模擬電壓分別通過跟隨器和三個減法運算電路,減法器的反向輸入端分別加固定電壓:1.25 V,2.5 V,3.75 V。可以得到四組電壓輸出信號:V,V-1.25,V-2.5,V-3.75的電壓,分別加到模擬電子開關的四個輸入端,電子開關仍然用CD4051,在輸入信號0~5 V變換過程中,上述四組信號中,必有一組信號在0~1.25 V間,通過對電子開關的控制,使該組信號通過電子開關,再經過跟隨器送給A/D芯片進行A/D轉換。由于只有4路信號切換,將CD4051的S2接地,S0,S1分別用單片機P1.3,P1.4口控制。選擇哪路信號作為A/D轉換信號,可以通過圖6所示的量程判別電路,用單片機口檢測。

圖5 量程切換電路

2.2.2 量程判別電路

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

圖6 量程判別電路

第9篇：模擬電路設計原理范文

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

【摘　要】智能高壓設備需要監測的量較多，部分傳感器輸出的模擬信號幅值變化范圍較寬，給信號的模數轉換帶來一定的困難，本文根據工程實踐，提出了采用對數放大器進行信號壓縮運算的設計方法解決此問題，通過對數放大器信號采集系統電路采集NI信號源電流信號，驗證了該信號采集電路的測量精度。

關鍵詞 智能高壓設備；寬范圍變化信號；對數放大器；信號壓縮

0　引言

隨著智能電網建設的推廣與普及，電網設備在線監測技術的應用也越來越廣泛，與之相關的傳感器技術也快速發展。傳感器是一種將設備狀態的各種物理量或化學量轉變成電信號的部件。由于電信號容易進行各種處理，故無論被測量是電量還是非電量，一般都要通過各類傳感器將其轉換成電信號后再處理[1]。大部分傳感器輸出的都是模擬信號（電流、電壓等），在傳感器信號采集系統設計中，需要將模擬信號轉換為數字信號，供后續處理電路進行分析、計算、通信等。在智能變電站中，需要傳感器采集監測的量類型很多，部分被監測量的變化范圍很大，導致傳感器輸出的模擬量變化范圍也較大，給數據采集系統中的模數轉換帶來一定的困難。

1　智能高壓電器寬范圍變化信號

智能高壓電器中，需要監測的量很多，主要包括兩個方面：1、主電路的實時電量參數，如：電流、電壓、頻率、相位等；2、設備狀態參數，如開關設備的狀態、機械狀態、絕緣情況等。

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

2　傳感器信號的處理

在高壓電器設備中，需要監測的量，通過傳感器轉換為模擬量，再經過處理電路，變成可以用于微處理器運算和通信的數字信號。傳感器將監測到的物理量變化以模擬量的形式輸出（連續變化的電流、電壓），該模擬信號經過整形、濾波、放大處理，轉換為可以穩定進行A/D轉換（模數轉換）的信號，此模擬信號經過A/D轉換，變為數字信號。

2.1　信號調理電路

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

2.2　寬范圍變化信號的放大問題

在數據采集系統中，若待測信號是很微小的電信號，需要用放大器來加以放大[2]。普通運算放大器的放大增益是由硬件電路的結構和參數決定的，如果要更改放大增益，需要對硬件電路進行修改，即普通運算放大器電路對待測信號的放大倍數是固定的[3]。如果放大倍數低，則不能滿足微弱信號的測量需求，如果放大倍數高，則較大的信號經放大后，容易失真，不能滿足后續運算需求。

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

3　寬范圍變化信號檢測電路設計

3.1　對數運算放大器

理想的對數放大器是輸出信號幅值與輸入信號幅值成對數關系的放大電路。實際的對數放大器在輸入信號幅值較小時，具有線性放大的功能增益較大；當輸入信號較大時，具有對數放大的功能，增益隨輸入信號的增加而減小[4]。在寬范圍變化信號測量領域，輸入信號在短時間內會有很大變化，輸出信號應穩定在幾十毫伏到幾伏之間。對數放大器能夠自適應調節輸出增益可以避免輸入信號過大時，增益過大所產生的飽和。

圖1中，橫軸為對數刻度，當VX=VIN時，對數為零，稱VX為對數放大器的截止電壓。VY是10 VX對應的輸出電壓，即以10為基數，對應的對數為1時，輸出值。VX、VY為對數截距，VOUT為輸出電壓。

VOUT = VY log | VIN/VX |

從圖3可以看出，隨著輸入電壓VIN的增加，其對應的輸出值的增益減少。

3.2　對數放大器電路原理

對數放大器利用硅二極管上的電壓與流過它上面的電流成對數關系的原理制成，結構如圖4所示。

硅二極管的正向特性曲線函數為

V =（kT/q）ln(I/Io) （1）

圖4所示基本對數放大器構架的轉換方程為：

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

圖2　對數放大器基本原理

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

3.3　對數運算放大器應用電路

對數運算放大器應用于寬范圍變化信號測量系統中，傳感器發出小的傳感器信號，經過濾波電路接入對數放大器，對數放大器的輸出經過一定增益的線性放大后，接入A/D轉換電路，轉換為相應的數字信號。

DSP接收到轉換后的數字信號，根據對數放大器的輸出特性及線性放大增益，計算出對應的傳感器輸出信號，從而得到待測信號信息。

對數放大器應用于測量系統中，可以簡化硬件電路設計，在小信號、寬范圍變化信號檢測系統中具有明顯的優勢。

4　試驗及結論

采用對數放大器方案，設計一個信號處理系統，NI公司的PXI-4132系統作為信號源，信號采集系統對信號源電流信號進行采集處理，對比信號采集系統實際測量的試驗結果。

注：當信號源發出的電流信號較小時，信號采集系統由于受到外界干擾，測量電流顯示值會在一定區間跳變.

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

參考文獻

［1］黃新波.變電設備在線監測與故障診斷[M].2版.北京:中國電力出版社,2012.

［2］黃梓瑜,高文剛,譚威,范維志.寬范圍微弱電流對數放大電路設計與仿真[J]. 工業控制計算機,2013(26),6:130-131.

［3］汪俊杰,蓋建新,劉旭,程爽.增益連續可調寬帶前置放大電路設計與實現[J]. 信息技術,2012,10:33-36.

［4］賀欣.寬帶大動態AGC電路設計[J].電子設計工程,2012(20),8:167-170.