電路設計論文范文

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第1篇

在學生愿意主動來到課堂學習的前提下，吸引學生的學習興趣更為重要。為了可以讓學生興趣盎然地參與到教學過程中來，教師在能講述知識的前提下，還要能激發學生的學習動機，喚起學生的求知欲望。在這方面，教師可以結合實際應用，講述一些射頻集成電路在日常生活中的應用。比如，美國半導體產業協會（SIA）總裁兼執行長BrianToohey曾指出：“從物聯網、智能汽車、智能家居等市場都可以看出，半導體普遍出現在每一種產品類型中，而且正變得無處不在。”僅僅在我們每天使用的智能手機中就包含RF收發器、功率放大器、天線開關模塊、前端模塊、雙工器、濾波器及合成器等關鍵射頻元件。而且有報告指出，2011年這些射頻器件的市場規模為36億美元，預計2011~2015年的年復合增長率為5.6%，到2016年主要的射頻器件市場將達47億美元。此外，目前應用比較廣泛的WiFi及物聯網都與射頻集成電路有著密切的關系。這些切實應用由于與學生的生活以及將來的就業息息相關，因此，相關內容的講述能夠有效地激發學生的學習熱情。

二、如何讓學生成為課堂的主人

“以教師為中心”“以灌輸為主要形式”的傳統教學方式已經無法適應新時代的需求。如果教師僅根據教材對內容進行枯燥的講解，無法抓住學生的注意力，學生很容易溜號，影響課堂教學質量。因此可以通過引進研究型教學模式、師生互動來活躍課堂氣氛。所謂“研究型教學模式”即將教師由知識的傳授者轉變為學習的指導者，將學生由被動的學習轉變為主動的學習。如何使學生成為課堂的主人，在教學實踐中發現培養學生的問題意識是課堂教學的有效手段，教師可以通過創設開放的問題情景，引導學生進入主動探求知識的過程，使學生圍繞某類主體調查搜索、加工、處理應用相關信息，回答或解決現實問題。比如，以射頻技術在物聯網中的應用為開放課題，學生通過查資料，分析整理，更深刻體會了射頻技術在智能家居、交通物流、兒童防盜等方面的應用，使學生在學習過程中主動把“自我”融入到課程中，敢于承擔責任，善于解決問題。

三、讓學生走上講臺

學生是課堂的主人，因此，可以改變以往教師在講臺上講、學生坐在下面聽的傳統教學模式。讓學生走上講臺可以將傳統的講授方式轉換為專題研討的教學模式。教師可以提前布置專題內容，如射頻器件模型、射頻電路設計、射頻技術發展、射頻技術的應用及未來發展趨勢等。有個專題內容作為核心，學生可以在老師的指導下通過檢索資料，組織分析資料，最終走上講臺向老師和其他學生講述相關的內容。通過幾年的實踐，發現這樣可以增加學生學習的主動性和自覺性、同時也能使學生對相關的問題發表各自的觀點，形成對問題各抒己見、取長補短的研討學習方式，大大拓寬學生的知識面以及綜合表述能力。

四、通過實踐教學加深理解理論教學內容

理論教學是掌握一門技術的基礎，但實踐教學也是必不可少的。學生在掌握一定的基礎理論的同時，須要通過設計實踐來強化鞏固。實踐教學的引入，不僅能夠加深學生對理論知識的深入理解，洞悉細節，提高學生的動手能力，還可以培養學生創新思維及科研能力。因此，教師可以通過設置幾個開放的課程設計內容來讓學生主動研究探索。在本課程的教學中，本人已經有計劃地進行了實踐教學活動，例如，在實踐教學中，曾經給學生布置了“用于GPS的低噪放電路設計”的實踐設計。在該設計過程中，學生須要深入理解多方面知識，比如明確GPS的頻段、確定低噪放的電路結構，并有效評估電路性能等。為了課程設計的順利進行，學生須要進行查閱分析資料、軟件安裝、軟件學習、電路設計、課程論文撰寫等幾個環節的分析設計工作，并最終在實踐中系統深刻地理解掌握課程的理論內容，為以后的工作及深造打下堅實的基礎。

五、鼓勵學生參與科研項目

第2篇

采用介電潤濕機理操控微液滴技術，系統的功耗極低，因此微液滴操控電路的設計對電流無要求；但考慮電流過大會導致介電層被擊穿發生電解以及加劇微液滴的蒸發，所以要求控制電路輸出電流應盡量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接觸角的余弦值與外加電壓的平方成正比［7］，為了使接觸角大范圍內連續變化，要求電壓幅值大范圍可調；另外，微液滴輸運與分離所需電壓幅值相差很大，也要求電壓幅值大范圍可調［8］。根據項目需求，使用的數字微流控芯片包含128個驅動電極，每個電極最高承受電壓為200V。因此，設計的驅動電路需要滿足以下指標：1）電路由單一5V2A直流電源供電，輸出有128路，每路可獨立輸出方波。2）每路輸出電壓幅值為0～200V，頻率為10～1000Hz，電壓幅值和頻率均可調，并且輸出電壓精度為±0．5V。3）人機界面采用計算機控制，并與驅動電路使用USB2．0接口通信，計算機向驅動電路發送各路輸出電壓幅值和頻率信息。

2設計方案

2.1總體方案根據系統要求，所設計的驅動電路應具有將5V電壓升至200V的能力，實踐中常采用拓撲結構為DC－DC升壓變換器的電路以實現升壓［9－10］，但對于復雜的數字微流控系統采用該方式會導致驅動電路的體積過于龐大。為縮小電路體積以節省實驗空間，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驅動電路，電路結構如圖3所示。計算機通過由軟件LabVIEW搭建的窗口界面向驅動電路中的單片機發送128路方波輸出的電壓幅度和頻率信息，單片機對計算機發送的指令進行解析，然后以特定時間間隔向32通道D／A芯片發送相應的方波電壓信息，進而實現指定頻率和幅度的方波輸出。

2.2單片機設計的電路中所使用的單片機為PIC24H，該系列單片機是美國微芯科技公司推出的十六位精簡指令集微控制器，具有高速度、低工作電壓、低功耗等特點，以及較大的輸出驅動能力和較強的計算能力。PIC24H的主要任務為：接收由計算機輸入的電壓幅值與頻率信息，根據頻率計算出方波周期，然后每半個周期時間向D／A芯片分別發送輸出方波最大和最小電壓幅值指令，進而實現特定電壓幅值和頻率的方波輸出。電路連接時，將USB芯片輸出端口D0～D7，以及RD、WR、TXE和RXF分別與單片機任意I／O口相連接，實現從USB芯片并行I／O接口的數據讀取；將D／A芯片輸入端口SCLK、DIN、SYNC分別與單片機其他空余I／O口相連接，實現單片機對D／A芯片輸出的控制，電路連接原理框圖如圖4所示。驅動電路使用USB接口芯片可實現完成USB串行總線和8位并行FIFO接口之間的相互協議轉換。其優點在于，對于開發者只需熟悉單片機編程及簡單的VC編程，而無需考慮固件設計以及驅動程序的編寫，從而能大大縮短USB外設產品的開發周期。

2.3USB接口芯片的設計驅動電路中的USB接口芯片選用FT245R，該芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，與其他芯片相比，應用FT245R芯片進行USB外設開發，只需熟悉單片機編程及簡單的VC編程，而無需考慮固件設計以及驅動程序的編寫，從而能大大縮短USB外設產品的開發周期。此外，FT245R支持USB2．0規范，滿足項目需求。FT245R芯片可實現USB接口與并行I／O接口之間數據的傳輸。USB收發器從計算機接受USB串行數據后，由串行接口引擎將數據轉換成并行數據，儲存在FIFO接收緩沖區，當讀取信號為低時，就將接收緩沖區的數據送到并行輸出數據線上。考慮電磁兼容性設計，在USB接口的電源端連接一個磁珠，以減少設備的噪聲和USB電纜輻射對芯片產生的電磁干擾。

2.4D／A的配置及電源設計電路中使用的32通道D／A芯片最高輸出電壓為200V，精度為14bit，滿足每路輸出電壓幅值和精度的要求。電路的128通道輸出可由4片A／D芯片實現。A／D芯片的輸出電壓由單片機控制，由于單片機PIC24H與A／D芯片都支持SPI協議，因此本電路使用SPI接口傳輸完成單片機和A／D之間的通信。A／D芯片要實現0～200V范圍內的電壓輸出，需要配置－5V、4．096V、5V和200V，而電路只有5V直流供電，因此需將5V轉換為－5V、4．096V和200V。設計的電路中分別選用相應的升壓芯片完成電壓的轉換。

3電路制作

根據上述設計方案，選取合適的芯片，制作完成該驅動電路，電路如圖5所示。向該電路輸入相應的輸出電壓指令，測得在0～180V的范圍內，實際輸出電壓和期望輸入電壓之間的誤差基本小于0．1V，滿足設計要求。所設計的電路在15V、50V、75V、125V、175V這5個采樣點上相應的輸入－輸出數據如表1所示。在0～180V的輸出范圍內，等間隔的選擇180個點，獲得輸入指令和輸出電壓之間的關系曲線如圖6所示，電路的輸出電壓在0～200V范圍內均與輸入電壓指令相符。實驗中的數字微流控芯片需要實現對液滴的基本操作，其方法為對液滴移動路線上的電極依次通電，所加電壓為交流電壓。交流電壓可以通過在指定時刻對D／A芯片輸入相關輸出電壓信息，從而獲得所需交流電壓輸出。經過實驗驗證，所制作的電路可以實現對數字微流控芯片上液滴的控制。液滴移動如圖7所示。

4結論

第3篇

電路設計尤其是超聲波信號的收發處理采用諸如TX734激勵電路、MAX2038回波放大處理電路等專用IC效果固然理想，但考慮到研發專用設備僅需小批量試制的因素，故在電路方案選型設計時遵循簡單實用、器件易于采購的原則，盡量選用通用元器件實現，系統電路主要由超聲波發射激勵和電源變換單元、超聲波回波信號處理單元、時間差測量單元、單片機控制和數據處理單元組成。排版布線亦盡量參照IC生產廠商的DEMO方案，采用貼片元件的雙面PCB設計制作，以提高樣機研發的一次性成功率。

1.1超聲波收發電路由于檢測裝置工作于井下，井口只為其提供了一路＋24V直流電源，各單元電路的工作電源需要依靠DC／DC變換電路獲得。控制系統和信號處理系統使用的＋5V和±12V電源由LM2596－5．0承擔，其主路輸出＋5V／2A電源供單片機等數字系統使用，將其儲能電感改用5026－47μH環形功率電感，并在其上增加兩個輔助繞組，經整流、濾波和LM78（79）L12三端穩壓IC后產生±12V／0．1A直流電源供信號處理系統使用；超聲波發射采用了高壓脈沖激勵方式，＋200～300V激勵電壓由＋24V供電電壓經簡單的Boost升壓電路獲得，利用單片機送來的1ms周期、5μs脈寬脈沖信號控制MOSFET開關管實現對超聲波發射探頭的激勵，儲能電感選用TDK－NL565050T－822J－PF（8．2mH）貼片電感，NMOS開關管選用2N60即可。超聲波激勵及電源變換電路如圖2所示。經實測，激勵脈沖會在接收探頭中產生一個較大的諧振頻率為5MHz、大約5個周期的串擾信號，為此，接收電路設計了一個對發射激勵脈沖延遲6μs、持續30μs的使能控制信號，控制接收放大處理電路僅在使能信號有效期間實現回波信號的放大和輸出，使之能夠在鋼管內壁和外壁反射的一次、二次回波信號到來之前有效地消除激勵脈沖串擾的影響，使能控制信號時序關系見圖3。檢測裝置中用于時間差測量的TDC－GP2的典型應用是作為超聲波流量計、激光測距儀的時間間隔測量、頻率和相位信號分析等高精度測試領域。在這些應用中輸入信號一般都較強，經簡單處理后即可作為TDC－GP2的START、STOP控制信號使用，而該檢測裝置的超聲波回波信號尤其是多次反射回波信號非常微弱且雜波較大（實測回波信號大約在mV數量級），必須經高增益寬帶放大器放大和濾波、檢波、整形處理后才能勝任。寬帶放大器由AD604承擔，可獲得6～54dB的增益并可由VGN端電壓連續控制，可較好地滿足超聲波回波信號高速高增益放大的要求［2］。考慮到僅需將回波信號放大處理后形成STOP控制脈沖即可，故電路僅利用可調電阻對2．5V基準電壓（由TL431產生）分壓獲得的VGN電壓進行增益設定，但設計電路亦有預留接口可用于接受經單片機和DAC輸出的AGC控制電壓，實現增益的閉環控制。AD604前級放大電路如圖4所示。帶通濾波器選用由MAX4104構成，設計中心頻率為5MHz，帶寬約為1MHz；鉗位和檢波由AD8036完成，具有卓越的鉗位性能和精度高、恢復時間短、非線性范圍小、頻帶寬的特點；檢波輸出信號的整形處理由MAX9141負責，這是一款具有鎖存使能和器件關斷功能的高速比較器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和滿擺幅輸入特性等，回波信號經其整形處理后可獲得理想的脈沖前沿，并便于與TTL邏輯電平接口，還可以方便地實現回波信號輸出的使能控制。信號調理電路如圖5所示。

1.2時間差測量電路回波信號時差測量選用了德國ACAM公司的高精度時間間隔測量芯片TDC－GP2。TDC－GP2采用44腳TQFP封裝，內含TDC測量單元、16位算術邏輯單元、RLC測量單元及與8位處理器的接口單元和溫度補償單元等主要功能模塊，利用內部ALU單元計算出時間間隔，并送入結果寄存器保存。TDC－GP2基于內部的硬件電路測量“傳輸延時”，以信號通過內部門電路的傳輸延遲來實現高精度時間間隔測量，測量分辨率可達pS數量級，可以很好滿足項目測量的要求。單片機在給超聲波傳感器提供發射激勵脈沖的同時給TDC－GP2提供START信號指令使之開始計時工作，超聲波接收頭接收到的反射回波信號經放大、處理后作為STOP指令信號，由TDC－GP2完成兩次反射波時間間隔的測量。由前述可知，STOP與START信號的時間差大約在6～40μS之間，時差測量分辨率約為0．07μs，為此，設定TDC－GP2工作于“測量模式2”，在該模式下芯片僅使用通道1，可允許4個脈沖輸入，實現STOP1與START信號之間的時間差測量，測量范圍在60ns～200ms，然后，由TDC－GP2計算出各回波信號間的時間差Δt＝tB－tS＝tn－tn－1。測量原理如下：在輸入START信號指令后，芯片內部測量出該信號前沿與下一時鐘上升沿的時差，標記為Fc1；之后，計數器開始工作，得到predivider的工作周期數，并標記為Cc；這時，重新激活芯片內部測量單元，測量出輸入的STOP1信號的第一個脈沖（一次反射回波）前沿與下一時鐘上升沿的時差，標記為Fc2，將STOP1信號的第二個脈沖（二次反射回波）前沿與下一時鐘上升沿的時差標記為Fc3，……；Cal1和Cal2分別表示一個和兩個時鐘周期。

1.3單片機接口電路實現系統控制和數據處理的單片機選擇余地較大，項目結合TI公司中國大學計劃選用了美國德州儀器公司生產的MSP43016位單片機，具有16位總線、帶FLASH的微處理器和功耗低、可靠性高、抗強電干擾性能好、適應工業級運行環境的特點，很適合于作現場測試設備的控制和數據處理使用［4］。TDC－GP2其與單片機的通信方式為四線串行通信（SPI），利用MSP430的4個P2．x和P4．2I／O口實現GP2的選通、中斷和開始、結束使能以及復位等控制功能。MSP430除用來對GP2控制和數據處理外，還可以留出一些資源實現設備其他電路和動作機構的控制使用。單片機接口電路原理和程序流程分別如圖8和圖9所示。

2結束語