单元电路论文大全11篇

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中图分类号：TM44；TN722；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-04

0 引 言

近几年，受益于集成电路工艺技术与片上系统（System on Chip，SOC）的不断发展，射频识别、微传感网络以及环境感知等智能技术得到了飞速发展。其中，对于无线供能植入式芯片的能量管理、功耗等问题受到了持续关注与研究。当能量采集完成后，如何管理该能量是下一代被动与半被动植入式医疗设备的要点之一。

在低功耗植入式芯片中，如低噪声放大器、模数转换器等对工作电压及其纹波都有一定的要求，因此须通过无线能量管理单元（Wireless Power Management Unit，WPMU）将其电源性能优化。在被动式芯片中，电荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、带隙基准源（Bandgap Reference，BGR）、低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要组成单元[1]。芯片工作时，人体各种低频信号（EEG、ECG）会通过相应的耦合方式传输到电源通路上，从而产生低频噪声，因此必须采用相关技术获得高电源抑制比电源。论文首先通过电荷守恒定理对传统Dickson电路进行动态分析及能量转换效率的改进；然后采用电源抑制增强（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）与前馈消除（Feed-forword Cancellation，FWC）等技术分别提高BGR、LDO在运放工作带宽内的电源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在输出节点并联电容以滤除超高频纹波；最后为保证LDO在负载变化时的稳定性，利用零极点追踪补偿来满足相位裕度的要求。

论文对高性能无线能量管理单元预设指标为：

（1）CPR在输入500 mV交流小信号时能输出2 V电压并驱动200 A的电流。

（2）BGR输出电源抑制比在LDO的工作范围内尽可能大于60 dB，以减小对LDO的影响。

（3）LDO输出电源抑制比在生物信号频率处（01 kHz）及CPR输入信号处大于60 dB，从而提供负载电路高性能的工作电压。

（4）在满足以上性能的情况下，尽可能减小电路工作时的静态电流。

1 无线能量管理单元的基本原理

图1所示为论文采用的无线供能能量管理单元拓扑结构。由图1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保护电路（PRO）等模块。芯片通过片外天线采集到由基站发射的高频无线能量信号，CPR将信号整流后进行升压，产生纹波较大的电压，并将该能量储存到Cs中。由BGR与LDO所组成的环路通过负反馈输出纹波较小的VDD来驱动负载电路。其中BGR为LDO提供一个精准稳定的参考电压，因此BGR的性能影响着LDO输出电压的性能。芯片中的保护电路包括过温保护电路、过压保护电路、限流电路，其主要目的在于意外情况下对电路关断，实现对电路的保护。

设计能量管理单元时，在无线供能的环境下要注意相关性能的优化，而这又伴随着其它性能的牺牲，下面将详细分析论文采用的CPR、BGR、LDO设计原理及电路结构。

3 版图及后仿真结果

采用SMIC 0.18 m CMOS工艺，在Cadence下对电路进行仿真验证，无线能量管理单元的版图如图7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模块，芯片的尺寸大小为277 m×656 m。

电路在工作时要避免反馈环路发生震荡，必须保证LDO环路的相位裕度，论文在tt、ff、ss三个工艺角下对其进行不同负载电流（0200 A）的仿真，仿真结果如表1所列。该结果表明在负载电流0200 A内，由于零极点追踪补偿的作用，相位裕度均大于60度，根据奈奎斯特稳定判据，LDO环路能在负载变化的范围内稳定工作。

图8所示为BGR、LDO的PSR仿真波形，从图中可以看出，BGR采用PSRB技术后，PSR在低频降低了近25 dB。当LDO采用FWC技术时，电源抑制在低频段得到了显著提升，电路空载时，在100 Hz内提升了近20 dB，满载时提升了近40 dB。

图912给出了WPMU中CPR与LDO的相关瞬态仿真结果，当输入频率为500 MHz、幅度为0.5 V的正弦波时，电路建立时间约为13 s，CPR的纹波约为5 mV，而LDO的输出电压纹波减小至2.3 V，即高频处PSR约为-66 dB。因此论文采用的LDO在生物信号频率处（DC-10 kHz）与输入信号频率处（100 MHz以上）具有较好的PSR。表2对相关文献与本文设计进行性能比较，可以看出，该电源管理单元能输出性能更好的工作电压。

4 结 语

论文针对CPR、LDO、BGR进行研究，设计了一种应用于低功耗无线供能植入式医疗芯片的能量管理单元。采用SMIC 0.18 m CMOS工艺提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB将BGR的PSR在低频处从-75 dB降低到-95 dB，这是优化LDO电源抑制能力的基本前提。通过FWC、零极点追踪补偿改善LDO的PSR与稳定度，在驱动0.2 mA的负载电流时，PSR为-85 dB@DC，而相位裕度在负载范围内均大于60度，该性能可适用于对电源性能要求较高的模块。

参考文献

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前言

单片机控制系统在实验室反复实验都可以得到很好的预期效果,然而把系统放到实际现场运行时却不能工作。论文大全，遥控系统抗干扰分析。原因是工作现场比实验室环境恶劣,系统受到了各种各样的干扰,加之构成系统的元器件本身方面存在的可靠性，以及系统本身各部分之间的相互耦合因素等原因，系统必须增加一些有效的抗干扰措施才能正常运行。论文大全，遥控系统抗干扰分析。据工作经验之谈，有时存在后期的抗干扰工作往往会比前期的设计工作还要艰巨,花费的时间也需要得更多,所以说抗干扰技术是非常重要,关于在抗干扰措施是否能够运用得恰当方面，其直接关系到系统的稳定性和可靠性。

一、单片机遥控系统系统工作原理

单片机以其体积小、价格廉、面向控制等方面的独特优点，使得单片机在各种工业控制、仪器仪表、产品的自动化、智能化方面获得了广泛的应用。单片机的遥控系统以单片机系统为基本控制单元,能够构成无线传输系统、速度调节系统等等,而且其优点是，能够在三公里外控制运动目标的启动、速度快慢、停止、往返。而且最特别的是在运动目标的运行过程中，可根据需要随机调节速度快慢,调速一般是在7~25km/h范围。单片机实现控制了所有这些状态,开始通过键盘输入控制参数,然后经过单片机运算和处理行为,并且通过无线数传模块完成对参数的无线传输、运行状态以及调速设备的控制方式,达到遥控运行的目的要求。

二、单片机遥控系统系统受干扰原因及危害

在电磁干扰较弱时，其可靠性和稳定性往往是容易达到应用要求，这方面尤其是在室内体现出来，然而对在室外，会遇到各种各样的环境条件，尤其是那种在工作环境较恶劣的情况下，就会导致仪器仪表工作不正常或失灵。而单片机的遥控系统一般都安装在工业现场，而在工业现成环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而这样的形式其最终造成微机系统故障的多数现象都是“死机”现象。究其原因是计算机中的CPU在执行某条指令时，受周围环境干扰的冲击，影响到它的操作码或地址码发生改变，最终致使该条指令出现错误。这时，CPU就会执行随机拼写的指令，并将其操作数作为操作码执行，从而导致有关程序“跑飞”或进入“死循环”。对于在工业现场中由于诸多大型用电设备的投入或者是撤出电网运行，经常都会造成系统的电源电压不稳，如果当电源电压降低或掉电时，这样就会造成重要的数据丢失的可能性，以至于系统不能正常运行，而且干扰也会导致单片机内部程序指针错乱现象，从而使得中断程序运行超出定时时间。关于RAM中计时数据被冲乱，导致程序计算出错误的结果。论文大全，遥控系统抗干扰分析。假设设法在电源电压降到一定的限量值之前，单片机进行快速地保存重要数据，将会最大限度地减少损失，对于干扰源的影响会使系统的可靠性和稳定性大大降低，严重的情况还会导致系统的运行紊乱，造成生产事故。

三 如何实现单片机的遥控系统的抗干扰

关于高频干扰噪声和有用信号的频带是不同的,其解决方法是在导线上增加滤波器的方法来切断高频干扰噪声的传播,或者也可加隔离光耦来解决这个问题。关于电源噪声的危害最大。需要把电源做得好,其整个电路的抗干扰能力就解决了一大半问题。对于在单片机系统中还可借助于一定的外部附加电路来监测电源电压，当在电源发生故障时能够及时通知单片机快速保存重要数据，同时断开单片机外围设备用电电源，从而使整个应用系统的功耗降到最低点。目前市场上许多单片机对电源噪声都是十分敏感的,那么就要给单片机电源加滤波电路或稳压器,达到减小电源噪声对单片机的干扰。比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。当电源恢复正常时，取消掉电工作方式，通过复位单片机，使系统重新正常工作。

单片机系统设备的抗干扰与系统的接地方式也存在很大的影响，接地技术有能够抑制噪音的效果。所以说一个良好的接地能在很大程度上抑制系统内部噪音耦合的现象，而且还能够防止外部干扰的侵入，能够真正提高系统的抗干扰能力。在这里需要注意的是，如果要求设备的金属外壳等需要安全接地，其屏蔽用的导体的必须能够很好的接地，这样才能为单片机系统提供良好的地线，并且对提高系统的抗干扰能力极为有效果。论文大全，遥控系统抗干扰分析。尤其是对于有防雷击要求的系统，其良好的接地是至关重要的。假设系统不能接地，或者是虽有地线现象，但是接地电阻过大，就会抗干扰元件就不能正常发挥其应有的作用了。

关于单片机供电的电源的地俗称逻辑地，并且和大地的地的关系具有相通性、浮空性、或接电阻性。但是不能把地线随便接在暖气管子上。坚决不能把接地线与动力线的火线、零线中的零线相混淆。因为单片机系统通常存在模拟电路和数字电路两种，并且关于数字地与模拟地是要分开，只是在一点相连，假设两者不分，就会存在互相干扰现象，那么可以把控制条件中的关于一次采样和处理控制输出更改为循环采样和处理控制输出，这样能够对惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰作用效果。

设置输出状态寄存单元来抗干扰。其程序是根据单片机系统对数据处理后的输出结果为依据，设置出相应的输出状态寄存单元形式，假设其中干扰侵入输出通道将输出状态破坏时，系统就会在定时查询寄存单元的输出状态信息时，并发现错误，及时纠正输出状态。论文大全，遥控系统抗干扰分析。

设置自检程序来抗干扰。论文大全，遥控系统抗干扰分析。通常是在计算机内的特定位置或某些内存单元中来设置状态标志，并且在开机后或有自检中断请求要求时，计算机系统首先将运行自检测试程序，如对整个系统或关键环节进行模拟方面的测试，对测试结果再通过某种方式显示出来，目的是保证系统中信息存储、传输、运算的高可靠性。设计单片机的遥控系统过程中，要求电路的元器件或线路布局合理以消除元器件之间的电磁耦合相互干扰，如去耦电路或者是平衡电路等。还有种方法是采用冗余结构，也称容错技术或故障掩盖技术，该方法是通过增加完成同一功能的并联或备用单元数目来提高系统可靠性的一种设计方法。当某些元器件发生故障时也不影响整个系统的运行。对于消减外部电磁干扰，可采用电磁兼容设计，目的是提高单片机系统在电磁环境中的适应性，即能保持完成规定功能的能力。

参考文献：

[1]麦山.基于单片机的协议红外遥控系统.电子技术.1998

[2]孟庆建张恭孝.单片机系统的电磁兼容问题[J].自动化仪表,2004

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一、FPGA的发展史

FPGA作为一种高新的技术,已经逐渐普及到各行各业,从1985年第一颗FPGA诞生至今,FPGA已经历了将近20多个年头,从当初的几百个门电路到现在的几百万门、几千万门……,从原来的上千元的天价到现在几元的超低价,可谓是出现了翻天覆地的变化。

FPGA诞生于1985年,当时第一个FPGA采用2μm工艺,包含64个逻辑模块和85 000个晶体管,门数量不超过1 000个,由名为Ross Freema所发明。论文格式，高清信号源。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

二、FPGA技术简介

我们都知道构成数字逻辑系统最基本的单元是与门、或门、非门等,而他们都是用三极管、二极管和电阻等元件构成,然后与门、或门、非门又构成了各种触发器,实现状态记忆,FPGA属于数字逻辑电路的一种,同样由这些最基本的元件构成。一个FPGA可以将上亿个门电路组合在一起,集成在一个芯片内,打破以往需要用庞大分立门电路元器件搭建的历史,不仅电路面积、成本大大减小,而且可靠性得到了大幅度的提升。论文格式，高清信号源。一般的FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块以及片内外设组成,所谓的最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小的单元,我们只能将这些单元通过互联线将其连接起来,然后实现用户特定的功能。一个LE由触发器、LUT以及控制逻辑组成,可以实现组合逻辑和时序逻辑;随着FPGA集成度的不断增加,其内部的片内外设也越来越多,内部可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设,真正实现单芯片解决整个系统功能的目的。所以我们所需要控制的是布线层之间的互联开关,这也是我们编程的对象,通过这些开关来改变功能。

三、FDGA的两大工艺分类及比较

当今的FGPA按工艺分主要有SRAM工艺和Flash工艺两类,前者最大的特点是掉电数据会丢失,无法保存,所以它们的系统除了一个FPGA以外,外部还需要增加一个配置芯片用于保存编程数据,每次上电的时候都需要从这个配置芯片将配置数据流加载到FPGA,然后才能正常的运行;但是Flash架构的FPGA掉电不会丢失数据,无需配置芯片,上电即可运行,它的特点非常类似ASIC,但是又比ASIC更加的灵活,可以重复编程。论文格式，高清信号源。在一些小规模的公司或者产品量不是很大的时候往往更倾向于用FPGA来取代ASIC,不仅能够降低风险,而且能够降低成本。论文格式，高清信号源。论文格式，高清信号源。

四、FPGA技术在高清信号源上的应用

正是由于FPGA的上述优点,它正在成为数字信号处理等领域的新宠。在信号源方面的应用也不例外,较早的信号发生器大多是由复杂的模拟电路构成,体积大,成本高且不易维护,现在使用的信号源功能单一,普通、高清、VGA, DVI信号源各自独立速度慢、资源有限,格式内容单一且无法添加实际需要的特殊信号。如果采用可编程器件FPGA就可以解决这个问题,真正做到1080P的点对点的输出,是高清信号源理想的选择。

（一）HDTV测试信号简介

根据相关视频信号产生标准,需要产生HDTV测试信号,制式种类包括480P/I(60HZ)、576IP/I(50HZ)、720P、1080I(50Hz/60Hz)、1080P(50Hz/60Hz)、VGA640×480(60Hz/75Hz)、VGA800×600 (60Hz/75Hz)、VGA1024×768 (60/75Hz)NTSC、PAL。测试信号种类包括彩条信号、8(16)级灰阶、中心十字、方格、方格加测试卡、灰度渐变信号、红(绿、蓝、白、暗)场、左右灰度、上下灰度可调、彩条灰度图等等。信号输出格式包括Y/Pr/Pb基色信号、R/G/B基色信号、CVBS信号、VGA信号,DVI信号,输出采用高频同轴Q9插座、CVBS输出采用RCA插座。

（二）设计方案框图及各部分简介

1、信号存储部分:主要作为无规律图像的存放,专门特殊功能测试图片的存放。

2、FPGA部分:采用通道总线选择技术,依次定义以下制式:

3、控制部分——单片机:外围人机接口控制(按键及LCD显示部分)、向FPGA输出两根控制CLKD钟信号,DIN数据信号与FPGA通信。晶振选通、控制完成FPGA配置、制74LS26(通其间接控制AD813)选择后级放大输出,通过RS232与其他设备进行通信。

（三）系统工作原理说明

1、系统上电初始化。系统上电后,单片机从数据存储器读取数据,并发送默认控制信息给FPGA,LCD显示初始信息;单片机收到有按键按下时候或串行通信接受到命令后,根据信息选通时钟、配置FPGA控制74LS26。

2、判断按键。单片机判断前面板上按键是否有按下,如果有按下做出相应处理:如果是制式,其他信号格式变化,单片机将发送控制信息给FPGA。论文格式，高清信号源。种类及其他信息变化状态后:单片机不发送控制信息给FPGA,本系统上电初始化,而后等待单片机或FPGA触发信号才会工作;而该触发信号FPGA而言只有当单片机配置完FPGA后才会发出。

在设计高清信号源时,使用美国ALTERA公司的FPGA来进行图像数据存储和整理以及产生驱动电路所需要的各种控制波形,而在调试电路时,使用FPGA中多余的逻辑来产生VGA信号和彩条信号,所产生的信号稳定可靠。为电路调试带来了很多方便,在实际应用中,还可以对彩条信号产生模块方便地进行修改,比如可以修改行、场计数器的判断值来调整彩条的大小。增加控制信号的位数。以及增加延时跳变的功能,使输出的信号摘要。本文所述信号实现方法和程序经实验是可行的,按照实际电路图布板做成PCB,程序烧入FPGA,整机连接调试所得的信号符合国家电视信号有关标准。

参考文献：

[1]董士海,张倪,肖磊,等.EGAVGA程序员手册[M].北京:北京大学出版社,1999.

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EDA技术是以数字电子技术课程知识为基础，具有较强实践性、工程性的专业课程。将数字电路设计从简单元器件单元电路设计，EWB软件仿真提到了更高一级的可编程操作平台上，进一步巩固和提高学生电子电路综合设计能力。但是，传统的教学模式是将两门课程分开，先上数字电路，后上EDA技术，分两学期授课。这样的教学模式存在弊端，减弱了课程之间的联系，降低了学生对数字电路理论的认识程度。通过对EDA技术课程的教学改革，以实训的方式采用项目教学法，使学生在较短的时间内掌握EDA技术基础及其实验系统，从数字系统的单元电路，如译码器、计数器等入手，加深对数字电路基础理论的认识，逐渐完成数字系统设计。

1. EDA技术及其在教学中的应用

1.1 EDA技术

EDA技术即电子设计自动化(Electronic DesignAutomation)是以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果而形成的一门新技术毕业论文格式，是一种能够设计和仿真电子电路或系统的软件工具。采用”自顶向下”的层次化设计，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ASIC）实现，然后采用硬件描述语言（HDL）完成系统行为级设计，最后通过综合器和适配器生成最终的目标器件。图1为一个典型的EDA设计流程。

图1 EDA设计流程图

1.2 EDA技术在教学中的应用

在教学过程中，EDA技术利用计算机系统强大的数据处理能力，以及配有输入输出器件(开关、按键、数码管、发光二极管等)、标准并口、RS232串口、DAC和ADC电路、多功能扩展接口的基于SRAM的FPGA器件EDA硬件开发平台，使得在电子设计的各个阶段、各个层次可以进行模拟验证，保证设计过程的正确性。从而使数字系统设计起来更加容易，让学生从传统的电路离散元件的安装、焊接、调试工作中解放出来，将精力集中在电路的设计上。同时，采用EDA技术实现数字电路设计，不但提高了系统的稳定性，也增强了系统的灵活性，方便学生对电路进行修改、升级，让实验不在单调的局限于几个固定的内容，使教学更上一个台阶，学生的开发创新能力进一步得到提高。

2.课程教学改革实施

2.1课程改革思路

课程改革本着体现巩固数字电路基础，掌握现代电子设计自动化技术的原则来处理和安排EDA技术教学内容。打破传统的从EDA技术概述、VHDL语言特点、VHDL语句等入手的按部就班的教学方法，以设计应用为基本要求，开发基于工作过程的项目化课程，以工作任务为中心组织课程内容，让学生在完成具体项目的过程中来构建相关理论知识。将EDA技术分为四个方面的内容，即：可编程逻辑器件、硬件描述语言、软件开发工具、实验开发系统，其中，可编程逻辑器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动设计工具,实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。采用项目化教学方法，以实训的方式展开，让学生在“学中做，做中学”。

2.2课程改革措施

以电子线路设计为基点，从实例的介绍中引出VHDL语句语法内容。在典型示例的说明中，自然地给出完整的VHDL描述，同时给出其综合后的表现该电路系统功能的时序波形图及硬件仿真效果。通过一些简单、直观、典型的实例毕业论文格式，将VHDL中最核心、最基本的内容解释清楚，使学生在很短的时间内就能有效地掌握VHDL的主干内容，并付诸设计实践。这种教学方法突破传统的VHDL语言教学模式和流程，将语言与EDA工程技术有机结合，以实现良好的教学效果，同时大大缩短了授课时数。表1为课程具体内容及实训学时分配。

 

能力

目标

学习情境

项目载体

课时

QuartusⅡ开发工具使用能力

QuartusⅡ开发环境、实验系统

二选一音频发生器设计

6

VHDL语言编程能力

VHDL语言基本结构

计数器电路设计

6

VHDL语言并行语句

8位加法器设计

8

VHDL语言顺序语句

7段数码显示译码器设计

8

VHDL语言综合运用

数控分频器的设计

8

层次化调用方法

4位加减法器的设计

4

综合开发调试能力

8位16进制频率计设计；

十字路通灯设计；

数字钟设计；

波形信号发生器设计，等。

(任选一题)

20

总计

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1 RN8316（SOC）简介

图1 RN8316系统框图

RN8316是深圳锐能微公司提供的一款低功耗、高性能、宽电压、高集成度、高精度的三相MCU芯片，产品系统框图如图1所示。该产品内嵌32位ARM Cortex-M0核，最高运行频率可达29.4812MHz，最大支持224Kbytes FLASH存储器、16Kbytes SRAM和16Kbytes EEPROM，内置单cycle乘法器（32bit*专业提供论文写作和写作服务,欢迎您的光临lunwen.   1KEJI AN.  C OM32bit）、CM0内嵌系统定时器、2个DMA控制器，支持外部中断等多种唤醒方式，提供完善的集成开发软硬件环境。该芯片支持高速GPIO，可与不同电压外设器件连接，最大支持10位ADC，8*32位的LCD，支持芯片电源电压及外部电压检测。通信接口最大支持6路UART，2个7816口，1路I2C和1路SPI。同时，RN8316还集成了RTC、看门狗和加密处理器。

2 硬件电路设计

电力能效监测终端主要由电源模块、计量单元、存储单元、载波模块、通信模块、直流模拟量采集等部分组成。系统的结构框图如图2所示。

图2 电力能效监测终端设计框图

2.1 电源模块设计

为保证终端能够稳定工作，并具有良好的电磁兼容特性，电源模块采用三路电源供电，分别为主电源8 V、两路12 V辅助电源，之间相互隔离。主电源VDD8V通过LDO降为VDD5V和VDD3.3V电源，主电源5 V为SOC、红外、电能质量监测模块供电，主电源3.3V给计量芯片供电。一路ZB12V辅助电源用于载波电路供电；另一路AUX12V辅助电源为遥信电路供电，同时通过LDO降为AUX5V，为RS485、直流模拟量电路供电。电源电路设计如图3所示。

2.2 采样计量单元

采样计量单元是电力能效监测终端的重要单元，设计中采用锐能微公司的RN8302计量芯片来实现对电压、电流、功率、功率因数、谐波等数据的计量，并输出有功、无功脉冲。RN8302占用SOC一路SPI，同时SOC配置中断、复位口从而能够实现对计量芯片的控制和通信。RN8302管脚资源配置如图4所示。

图4 RN8302管脚资源配置

采样电路中，考虑到生产成本和计量精度，电压采样采用电阻分压采样的方式，UA/UAN，UB/UBN，UC/UCN为采样信号，而电流采样采用电流互感器采样的方式，IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN为采样信号，电路图分别如图5和图6所示，电压采样电路中的1K电阻和电流采样电路中的5R电阻采用精度1%的精密电阻，电容用于去耦和滤波，以保障采样精度。同时电压采样信号可用于电能质量的监测，扩展电力能效监测终端的功能配置。

图5 电压采样电路

图6 电流采样电路

2.3 遥信电路

电力能效监测终端配置两路遥信端口，使用光耦LVT-816同SOC进行隔离。遥信电路原理图如图7所示。

图7 遥信电路

2.4 RS485电路

在实际工程运用中，由于受到工程人员操作能力，经验等因素的影响，RS485的A、B端子常常接反，导致不能够正常抄表。因此，在电力能效监测终端RS485电路的设计中，采用了无极性485芯片ECH485NE专业提供论文写作和写作服务,欢迎您的光临lunwen.   1KEJI AN.  C OM，A、B端子正反接都能够正常通信。终端配置两路RS485电路，分别用于抄表和维护，占用SOC两路UART端口，485芯片用光耦同SOC进行隔离。RS485电路如图8所示。

2.5 直流模拟量电路

直流模拟量电路主要针对非电气量的采集，该能效终端采用瑞萨电子的RL78/G13系列单片机进行控制，SOC通过一路UART端口进行通信，并配置复位脚进行控制。直流模拟量电路通过光耦同主电路进行隔离，终端配置了两路信号的采集，拓展了数据的采集范围，实现了采集和能效监测的多样化。直流模拟量采集电路图如图9所示。

2.6 载波电路

电力能效监测终端的载波用于同能效采集服务器进行通信，载波电路占用SOC一路UART端口用于收发数据，占用一路7816口实现载波的设置、复位、事件输出等功能，并通过光耦同SOC进行隔离，接口标准符合最新国网三相电表规范，可方便插拔和替换多个厂家的载波模块，提升了产品的兼容性。载波电路如图10所示。

3 结束语

本文在智能用电及能效管理的基础上，根据电力能效监测终端技术标准，采用SOC芯片RN8316，进行了硬件的设计。相对于传统的基于独立功能芯片的用电终端，基于SOC的电力能效监测终端在功耗，稳定性，可靠性等方面表现更加优异，并且体积小，所用元器件少，生产成本较低，具有良好的市场前景。

参考文专业提供论文写作和写作服务,欢迎您的光临lunwen.   1KEJI AN.  C OM献

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1 引言

避障是智能体按照某一性能指标在遇到障碍时选择的一种行走处理方法，并依据某一性能指标搜索一条从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰闯路径，是当今避障规划中的难点。在智能小车的行驶过程中，如果在前方遇到障碍物则可向其的左侧或右侧转向，以确保小车保持直线、无碰闯行驶状态、使行驶的路径达到最优、最短状态。鉴于上述原理，特对避障系统作如下设定：若上一次智能小车转向右侧，则在当前遇到障碍物时智能小车向左转，直到未探测到障碍物时停止转动并开始向前直行；若上次智能小车转向左侧，则在当前遇到障碍物时向其向右转，直到未探测到障碍物时停止转动并开始直行。

2 自动避障系统规划

设计智能避障系统时，首先需要检测障碍物与否存在，以达到检测障碍模块实时检测的目的；其次需对检测信号进行处理，从而产生控制智能小车行走的控制信号，故需要智能避障控制中心模块处理检测到的障碍信号；通过控制小车驱动行驶电路，调控行驶电机的方向。由此特设计由三个模块组成的避障控制系统：障碍检测电路、自动避障控制系统、行驶驱动电路，其系统控制结构如图1所示。

在障碍检测电路模块中，依据红外线的反射原理，通过红外对管收发红外线，以判断智能小车的前方是否存在障碍。在自动避障控制系统中，以检测障碍电路的输出作为本模块的输入，通过JK触发器作为控制系统的存储单元，实现对小车行驶方法的选择。在小车的驱动电路模块中，通过控制电路输出的控制信号作为驱动输入驱动电机的转动，实现小车的直行、左转和右转。

3 自动避障控制系统设计

3.1 自动避障控制系统简述

智能小车在行驶的过程中能够识别并绕开障碍物，在充斥着障碍物的环境里自由行走。置前端一个红外传感器，当遇到障碍物时传感信号X为高电平，否则传感信号X保持低电平。在智能小车上有两个控制信号Z0、Z1，分别控制智能小车的左右轮的转动，当Z0、Z1分别输出高电平时，控制行走轮上的直流电机转动，从而控制智能小车的行驶方向。

本系统设计采用如下避障规则：当Z0为高电平，Z1为低电平时，智能小车左轮电机工作而右轮直流电机断电，从而控制智能小车左转；当Z0为低电平，Z1为高电平时，其右轮直流电机工作而左轮直流电机断电，从而控制智能小车右转；当Z0Z1控制端同时输出高电平时，智能小车左右轮直流电机同时供电转动，控制智能小车直行。

3.2 避障控制系统状态表及状态图

由智能避障规则的简述可知，智能小车在行驶的过程中可能会出现以下四种状态：

（1）状态S0：当前向前行驶，但上一次遇到障碍物时是左转。此时当输入信号X=0时，次态仍为S0，输出Z1Z0=00；如果输入X=1，时，表示前方检测到障碍，其次态应为S1，输出Z1Z0=01。

（2）状态S1：当前智能小车在前方检测到障碍物，智能小车向右转。此时当输入信号X=0时，表示智能小车已经绕过了前方的障碍物，其次态应为S2，输出Z1Z0=00；如果输入信号X=1时，次态仍为S1，输出Z1Z0=01。

（3）状态S2：当小车正向前行驶，但上一次遇到障碍物时是右转。此时当输入信号X=0时，次态仍为S2，输出Z1Z0=00；如果输入X=1，时，表示前方检测到障碍，其次态应为S3，输出Z1Z0=10。

（4）状态S3：当小车检测到前方障碍物，智能小车向左转。此时当输入信号X=0时，表示智能小车已经绕过了前方的障碍物，其次态应为S0，输出Z1Z0=00；如果输入信号X=1时，次态仍为S3，输出Z1Z0=10。

通过上述过程所描述的控制系统状态如表1所示，其状态图如图3所示。

3.3 避障控制系统状态分配

在数字逻辑电路中，常用“0”和“1”两种状态来描述实际电路中产生的高低电平，故需要把所得到状态表中的各个状态用二进制码表示。现假设存在可通过输入来改变其状态的存储单元Q，可用两种状态“0”和“1”表示输出的存储状态。由于本系统包含2?个状态，故该电路应选用两级存储单元Q1和Q0，其四种状态：“00”、“01”、“10”、“11”，恰符合设计的要求。通过对上述状态图的分析，并依据状态分配些规则得到如下分配方案：S0—00， S1—01 S2—11 S3—10状态分配后的状态表如表2所示。

3.4 避障控制系统激励方程和输出方程

根据状态分配后的状态迁移表，可得到智能小车避障控制系统输出端Z1、Z0的输出卡诺图，如图4、图5所示。

通过对Z1和Z0的输出卡诺图的分析，Z和Z0输出方程为

根据状态分配后的状态迁移表，通过分析可得到自动避障控制系统的两级存储单元Q1、Q0的次态卡诺图，如图6、图7所示。利用次态卡诺图可以求得各个存储单元的次态方程。

通过对两级存储单元Q1、Q0的次态卡诺图的分析，Q1、Q0的次态方程分别为：

依据上述计算，得出了系统的输出Z1、Z0的输出方程和存储单元Q1、Q0的次态方程，但还需要选用合适的元器件来实现存储单元，从而实现控制系统电路四种状态的存储，以设计出控制系统的逻辑电路图。

3.5 避障控制系统逻辑电路图

鉴于本避障控制系统中的触发器属于时序逻辑电路的范畴，而“0”和“1”两种状态，可以作为锁存器在电路中使用，故电路的状态用触发器的状态来表示。在控制设计时还需要根据触发器Q1、Q0的次态方程，求出Q1、Q0的输入激励方程。本次设计中采用的是JK触发器，结合JK触发器的标准特征方程，可得Q1和Q0的标准特征方程分别为：

根据上述激励方程和输出方程，设计相应的门电路，结合方程（1）、（2）和Z1、Z0的输出方程，则可得到智能小车避障控制系统的数字逻辑电路图。

4 结语

本论文提出了一种智能小车自动避障系统的设计方案，通过检测障碍电路、自动避障控制系统，避障控制系统输出的控制信号驱动智能小车的行驶，实现了智能小车的避障处理。该系统基于数字电路的触发器为核心控制系统，解决了小车在行驶过程中遇到障碍时的避障工作复杂的问题，使避障规则简单化，提高小车避障的可靠性。

参考文献：

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[8]闫晶.移动机器人避障系统设计. [硕士学位论文]. 沈阳：沈阳理工大学，2008

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由于数控机床具有先进性、复杂性和高智能化的特点，特别是近几年数控系统不断更新换代，数控机床被广泛应用于机械制造业，给传统制造业带来巨大的变化，使制造业成为工业化的领头军。数控机床是一种典型而复杂的机电一体化产品，种类繁多，形式多样，通常是集机械、电气、液压、气动等于一体的加工设备，其中任何一部分出现故障，都可能使机床停机，从而造成生产停顿，给企业的正常生产带来较大的影响。因此，提高数控机床维修人员的素质和能力，就显得十分重要。本文介绍了数控机床故障诊断与维修的一些原则和常用方法。

一、故障诊断的一般原则

数控机床主要由主机CNC装置、PMC可编程控制器、主轴驱动单元、进给伺服驱动单元、显示装置、操作面板、辅助控制装置、通信装置等组成。故障原因不外乎是操作错误、参数错误、外界环境及电源造成的故障、线路故障、器件损坏等。通常的故障诊断原则有：（1）先静后动。先在机床断电的静止状态下，通过观察测量，分析确定为非破坏性故障后，方可给机床送电。论文参考网。在工作状态下，进行动态的的观察、检验和测试，查找故障点。而对破坏性故障，必须先排除危险后，方可送电。（2）先机后电。一般来说，机械故障较易察觉，而数控系统故障的诊断难度较大，先排除机械性故障，往往可以达到事半功倍的效果。（3）先外后内。根据机床故障原因调查统计，80％以上来自于外部原因，只有不到20％是内部原因引起的。因此维修人员应由外向内进行排查，尽量避免随意启封、拆卸，否则可能会扩大故障，使机床精度减弱，降低性能。（4）先简后繁。当出现多种故障互相交织掩盖，一时无从下手时，应先解决容易的问题，后解决难度较大的问题。如果是功能性的故障，就应先从执行元件入手，看看气缸、电磁阀、电机、接触器等，是否存在卡滞等性能下降现象；然后是传感器、行程开关等输入信号元件；再次是电气接头、插件、活动的电线电缆等部位。这些外部元件受环境因素影响较大，比如磕碰、腐蚀、积尘等。还有元件本身的不良和机械磨损等原因，都决定了它们常是故障的根源。通常，简单问题解决后，难度大的问题也就变得容易了。

二、故障诊断与完善方法

2.1常规检测法是通过观察或借助简单的工具确定机床故障的方法。这种方法应先弄清楚故障的症状，有何特征及伴随情况，将故障范围缩小到一个模块或一块印刷电路板。它可以简单地归纳为4个字：“问，看，嗅，摸”。问，就是调查情况，在诊断故障前，修理人员询问操作手故障发生前的机床运转情况，产生在哪道程序及时间，操作方式是否得当等；看，就是观察，仔细检查有无保险丝烧断，元器件有无烧焦或开裂等情况；嗅，就是从机床散发出的某些特殊气味来判断，如某些元件烧焦的气味；摸，就是用手触试可能产生故障的温度、振动情况，以及元器件有无松动等。

2.2测量比较诊断法数控机床的生产厂家为了调整、维修机床的便利，在印刷电路板上往往设计了多个检测用的端子。用户也可利用这些端子，将怀疑有故障的印刷电路板同正常电路板进行比较。通过测量这些端子的电压与波形，可以分析故障的具体部位与原因。维修人员如果能在机床正常状态时，留心记录这些印刷电路板的测量端子，或一些关键部位的电压值和波形，在机床出现故障时，查找故障部位及原因将会更加方便。

2.3自诊断法现代数控系统具有很强的自诊断能力，当数控系统一旦出现故障，借助系统的诊断功能，可以迅速、准确地查明原因，并确定故障部位。

三、举例说明常见非机械故障和排除方法

3.1北京第一机床厂生产的XK5040数控立铣，数控系统为FANUC-3MA1.故障现象驱动Z轴时就产生31号报警。2.检查分析查维修手册，31号报警为误差寄存器的内容大于规定值。论文参考网。根据31号报警指示，将31号机床参数的内容由2000改为5000，与X、Y轴的机床参数相同，然后用手轮驱动Z轴，31号报警消除，但又产生了32号报警为：Z轴误差寄存器的内容超过±32767式数模交换器的命令值超出了-8192～+8191的范围。将参数改为3333后，32号报警消除，31号报警又出现。反复修改机床参数，故障均不能排除。为诊断Z轴位置控制单元是否出现了故障，将800，801，802诊断号调出，实现800在-1与-2之间变化，801在+1与-1之间变化，802却为0，没有任何变化，这说明Z轴、Y轴的位置信号控制进行交换，即用Y轴控制信号去控制Z轴，用Z轴去控制Y轴，Y轴就产生31号报警（实际是Z轴报警）。论文参考网。同时，诊断号8012为“0”，802有了变化。通过这样交换，再次说明Z轴位置控制单元有问题，这样就将故障定位在Z轴伺服电动机上。打开Z轴伺服电动机，发现位置编码器与电动机之间的十字联络块脱落，致使电动机在工作中无反馈信号而产生上述故障报警。3.故障处理将十字联络块与伺服电动机位置编码器重新连接好，故障排除。

3.2一台加工中心配量FANUC-6M1.故障现象机床在自动方式中出现416号报警。2.故障分析按下列顺序检查：脉冲编码器未出现不良；各连接器均牢固连接；X轴卯制线路板未出现异常；用万用表测量电动机连接线，也未发现问题。在重新启动机床，回零之后，用自动方式运转，机床正常但1H后又出现416号报警，再次按上述顺序复查一遍，发现反馈信号有一根已断，换按备用线后，机床正常，报警不再出现。

四、结论

因此，对维修人员来说，熟悉系统的自诊断功能是十分重要。包括开机自诊断和运行自诊断。开机自诊断，就是数控系统通电后，系统自诊断软件会对系统最关键的硬件和控制软件检查，如CPU、RAM、ROM等芯片，I／O口及监控软件。如果正常，将进人正常操作界面，如检测不通过，即在液晶上显示报警信息或报警号，指出哪个部分发生了故障，将故障原因定位在一定的范围内，然后通过维修手册找出造成故障的真正原因，根据书上的说明进行排除；运行自诊断，

参考文献：

[1] 任丽华. 数控机床常见电气故障的诊断方法[J]黑龙江纺织, 2006, (01) .

[2] 李玉琴, 潘祖聪, 刘琳娇. 数控机床常见故障诊断方法及实例[J]. 安徽水利水电职业技术学院学报, 2010, (01) :76-78

[3] 薛福连. 数控机床故障诊断及处理[J]. 设备管理与维修, 2010, (04) :23

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Research on practice teaching mode of computer aided design of IC layout course

Shi Min， Zhang Zhenjuan， Huang Jing， Zhu Youhua， Zhang Wei

Nantong University， Nantong， 226019， China

Abstract： In this paper， the practice teaching mode of Computer Aided Design of IC layout course is discussed. According to one trunk line and two related course experiments mode， the experiment contents and methods were designed and implemented. Meanwhile， other efforts including emphasis of extracurricular scientific competition and reform of course practicum， were adopted to pay attention to the cultivation of comprehensive ability for students. The practice teaching mode proved that better teaching effect have been obtained.

Key words： Computer Aided Design of IC layout； practice teaching mode； course experiments； practicum

目前，高速发展的集成电路产业使IC设计人才炙手可热，而集成电路版图CAD技术是IC设计人才必须具备的重要技能之一。集成电路版图CAD课程是我校电子科学与技术专业和集成电路设计与集成系统专业重要的专业主干课，开设在大三第二学期，并列入我校第一批重点课程建设项目。本课程的实践教学是教学活动的重要组成部分，它是对理论教学的验证、补充和拓展，具有较强的直观性和操作性，旨在培养学生的实践动手能力、组织管理能力、创新能力和服务社会能力。结合几年来的教学实践，笔者从本课程实验、课程设计、课外科技竞赛等实践环节的设计工具、教学内容设计、教学方法和教学手段、师资队伍建设以及考核管理等方面进行总结。探讨本课程实践教学模式可加强学生应用理论知识解决实际问题的能力，提升就业竞争力，对他们成为IC设计人才具有十分重要的意义。

1 版图设计工具

集成电路CAD技术贯穿于集成电路整个产业链（设计、制造、封装和测试），集成电路版图设计环节同样离不开CAD工具支持。目前业内主流版图设计工具有Cadence公司的Virtuoso，Mentor Graphics公司的IC Flow，Springsoft公司的Laker_L3，Tanner Research公司的L_Edit和北京华大九天公司的Aether等。这些版图设计工具的使用流程大同小异，但在自动化程度、验证规模、验证速度等方面有所差异，在售价方面，国外版图设计工具贵得惊人，不过近年来这些公司相继推出大学销售计划，降低了版图设计工具的价格。高校选择哪种版图设计工具进行教学，则视条件而定。我校电子信息学院有2个省级实验教学示范中心和1个省部共建实验室，利用这些经费，我们购买了部分业内一流的EDA工具进行教学和科研。目前，我校版图设计工具有北京华大九天公司的Aether和Springsoft公司的Laker_L3。

2 两种相辅相成的实验教学模式

我校集成电路版图CAD课程共48学时（理论讲授24学时、实验24学时），实验环节是本课程教学的重要部分，在有限的实验教学时间内既要完成教学内容，又要培养学生创新能力，需要对实验教学模式进行改革和创新。本课程实验教学的目的与要求：与理论教学相衔接，熟练使用版图设计工具，学会基本元器件、基本数字门电路、基本模拟单元的版图设计，为本课程后续的课程设计环节做准备。紧紧围绕“一个规则（版图几何设计规则）、两个流程（版图编辑流程和验证流程）、四个问题”这条主线设计实验内容[1，2]。要解决的4个问题分别是：（1）版图设计前需要做哪些准备工作？（2）如何理解一个元器件（晶体管、电阻、电容、电感）的版图含义[3，4]？（3）如何修改版图中的几何设计规则检查错误？（4）如何修改版图和电路图一致性错误？表1为本课程实验内容、对应学时及对应知识点。笔者设计了两种相辅相成的实验教学模式：系统化实验教学模式和实例化实验教学模式。系统化实验教学从有系统的、完整的角度出发设计了实验教学内容，如设计实验3（数字基本门电路版图阅读）时，安排了5学时，采用3种版图阅读方式：读现有版图库中的单元电路版图、显微镜下读版图和读已解剖的芯片版图照片。针对同一内容，采用不同形式，彼此类比，加深印象，既有实物，又有动手操作，增强了直观性和感性认识。又如设计实验5（模拟单元MOS差分对管版图设计）时，安排了5学时，从器件匹配的重要性入手，给出MOS差分对管的电路图，讲解具体器件的形状、方向、连接对匹配的影响，特别是工艺过程引入器件的失配和误差，对MOS差分对管的3种版图分布形式（管子方向不对称形式、垂直对称水平栅极形式、垂直对称垂直栅极形式）进行逐一分析，指出支路电流大小对金属线的宽度要求，对较大尺寸的对管，采用“同心布局”结构。实例化实验教学先提出目标实例，围绕该实例，设计具体步骤，教师先示范，学生再模仿，如设计实验7（集成无源器件版图设计）时，由于集成电阻、电容和电感种类很多，不能面面俱到，要求只对多晶硅电阻、平板多晶硅电容和金属多匝螺旋形电感等常用元件进行版图分析和设计。课堂实验的内容和课时是有限的，为此我们设置了课外实验项目，感兴趣的学生选取一些实验项目自己完成，指导教师定期检查。学院开放了EDA实验中心（2007年该中心被遴选为省级实验教学示范中心建设点，2009年12月通过省级验收），学生对本课程很感兴趣，课外使用EDA实验室进行自主实验相当踊跃。通过上述的实验教学方法，特别是课外实验项目的训练，学生分析问题、解决问题的能力和科研素养得到了提高。

表1 课程实验内容、对应学时及对应知识点

表1（续）

4 基于0.6μmCMOS工艺的数字门电路版图设计 5 理解上华华润0.6 μm硅栅CMOS几何设计规则；学会CMOS反相器、传输门、与非、或非等基本门电路版图设计；DRC检查。

5 基于0.6 μmCMOS工艺的MOS差分对管版图设计 4 MOS差分对管版图设计，包括匹配原则、同心布局等，DRC检查。

6 版图电路图一致性检查 3 掌握LVS流程、LVS错误修改。

7 集成无源器件版图设计 3 多晶硅电阻、平板多晶硅电容和金属多匝螺旋形电感等常用元件版图设计。

3 改革课程设计环节

课程设计是本课程培养学生工程应用能力的综合性实践教学环节，时间2周，集中指导，提前1个月发给学生任务书和指导书，每个班配备2名指导教师，注重过程控制。笔者在教学内容、考核等方面进行了改革和创新：在教学内容设计上，给出了必做题和选做题，在选做题中要求每位学生完成数字电路版图1题和模拟电路版图1题，具体题目由抽签决定，做到1人1题，避免学生抄袭。考核成绩由课程设计成果（占50%）、小论文（占30%）、答辩（占20%）三方面综合给出。以往的课程设计报告改为撰写科技小论文，包括中英文题目、中英文摘要及关键词、引言、电路原理与分析、版图设计过程、分析与讨论、结束语和参考文献，让学生学习如何撰写科技论文。精选优质小论文放在本课程网上学习资料库里，供学生相互传阅和学习。课程设计答辩具体要求参照毕业设计（论文）答辩要求，包括准备PPT讲稿、讲解5分钟、指导教师点评等过程，每位学生至少需要10分钟时间。学生对课程设计答辩反映相当好，锻炼了语言组织和口头表达能力，而且相互间可以直接交流和学习。我们还挑选课程设计成绩优秀的学生参加校内集成电路版图设计大赛。虽然课程设计的改革和实践需要教师付出很多精力和时间，但我们无怨无悔，学生的认可和进步是我们最大的收获。

4 精心指导学生参加课外科技竞赛

目前我校学生参加的集成电路版图设计竞赛有校级版图设计大赛以及行业协会和企业组织的版图设计竞赛等。由校教务处主办，电子信息学院承办的南通大学版图设计大赛是校级三大电子设计竞赛之一，每年8月底举行，邀请集成电路设计公司一线设计人员和半导体协会专业人士担任评委，增加了竞赛的专业性和公正性，目前已经举办了6届，反响不错。从校级版图设计大赛获奖者中挑选一部分学生参加行业协会和企业组织的版图设计竞赛，如苏州半导体协会主办的集成电路版图设计技能竞赛、北京华大九天公司主办的“华大九天杯”集成电路设计大赛，其中“华大九天杯”集成电路设计大赛将挑选优秀获奖学生参加华润上华的免费流片，学生经历从电路设计、版图设计及验证、流片到测试各个环节，提高了综合训练能力。

5 加强师资队伍建设

要提高课程实践环节的教学质量，关键是指导教师要思想素质好，专业理论知识强，科研水平高，因此我们着力建立一支年龄结构、职称合理的实践教学队伍。目前很多年轻教师是从校园走向校园，毕业后直接上岗指导学习实践，缺少工程实践经历和经验。为了提高教师自身的业务水平，加强对年轻教师的培养，近十年来，我院每年暑假举行集成电路CAD技术实践培训班，由经验丰富的教学、科研一线教师主讲；不定期地邀请一流IC设计公司一线设计人员来院开设讲座；同时挑选年轻骨干教师到一流IC设计公司学习和实践，时间至少半年以上；现已聘请IC设计公司一线设计人员6人为兼职教师，指导课程设计和毕业设计。集成电路CAD技术日新月异，课程实践环节师资队伍建设必须与时俱进。

6 结束语

我校电子科学与技术专业、集成电路设计与集成系统专业2012年被评为省重点建设专业，也是江苏省首批培养卓越工程师的专业。集成电路版图设计是这两个专业卓越工程师培养计划的重要内容之一，总结和探讨集成电路版图CAD课程实践教学意义重大，今后我们要继续推进该课程实践环节的建设与改革，不断探索，为我国集成电路设计人才的培养而努力奋斗。

参考文献

[1] 施敏，孙玲，景为平.浅谈“集成电路版图CAD”课程建设[J].中国集成电路，2007（12）：59-62.

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Abstract: This paper presents a low noise、low power charge pump phase locked loop which is used as clock generator for USB2.0, The active circuit was implemented in CSM 0.18um CMOS technology. The whole PLL consists of phase/frequency detector、charge pump、loop filter、voltage control oscillator and frequency divider. Simulation result shows that, when output frequency is 480MHz, PLL peak to peak jitter is only 5.01ps and power consume is only 8.3mW.

Keywords: low noise;charge pump;VCO

1绪论

随着微电子技术的发展,微处理器等系统主频的不断提高,通信速度的不断提高,系统对时钟生成恢复电路的要求越来越高,计算机需要处理的数据越来越多。接口,作为计算机与外设数据交换的通道,传输速度的要求随着数据量的增加而不断提高。在市场的推动下,USB 2.0 接口因为其高速和热插拔特性在现代消费类电子接口技术上有着广泛的应用。根据接收的数据恢复数据和时钟,提供给数字系统一个精准的一个低抖动、与工艺无关数据时钟在数据接收部分非常关键,因此对锁相环电路的研究和设计也就具有了更加重要的意义。

由于电荷泵锁相环具有频率获取能力、理论上无限大的频率牵引范围和零静态相位误差,因此电荷泵锁相环成为了现代最流行的锁相环结构[1]。图1-1为本篇论文的锁相环的整体结构框图,它主要包含三个基本部件: 鉴相\鉴频器(Phase\Frequency Detector,PFD )、环路滤波器(Loop Filter,LPF)和压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO )。另外,为了实现频率倍增,在锁相环反馈回路中加入了一个分频器,把输出频率分频后与输入参考频率比较。另外,USB 2.0所要求的时钟占空比为50%,所以需要在VCO的输出加一个输出占空比为50%的转换电路。

输出频率为Fout =NFref =F0 +vcKvco,其中Fref 是输入频率,F0 是压控振荡器的中心频率,Kvco是压控振荡器的增益。本文首先对锁相环的数学模型进行了理论推导,然后根据理论对锁相环的各个子模块电路进行了设计,并给出了整个锁相环的仿真结构,最后给出结论。

2锁相环的数学模型

锁相环是一个非线性系统[2],但是,如果锁相环处于锁定状态时,我们可以用线性模型来分析它。锁相环处于锁定状态是指由鉴相\鉴频器产生的相位误差信号Ve为一个固定的值。这时,输出信号和输入参考信号的频率完全相等;如果PLL用作一个频率合成器,那输出频率就是输入频率的N倍。图2是一个基本的PLL线性模型图。在这节中我们将一步一步推导出锁相环的闭环增益H(S),并由此得到锁相环两个重要的参数:固有频率ωn和阻尼系数ξ。

在锁相环内部,鉴相\鉴频器产生的相位误差信号V是由输入参考相位θ和反馈相位θ的差,乘上鉴相\鉴频器的增益K得到的:

V(S)=K [θ(S)-θ(S)]=Kθ(S)

这个相位误差电压通过环路滤波器产生了VCO的控制电压:

V(S)=V(S)F(S)

VCO的工作就像一个理想的积分器,它的传输函数是,则输出相位可以表示为

θ(S)=

输出相位被反馈,并通过一个N分频的环路分频器,产生了反馈相位θ:

θ(S)=

由此便可以得出锁相环的传输函数H(S)

H(S)==(1)

锁相环的传输函数具有低通特性。这意味着如果输入参考相位变化非常缓慢,输出相位将跟踪它的变化。

本文中锁相环采用如图3所示的环路滤波器,这是一个二阶滤波器。但C1的作用只是防止V的纹波干扰,它的取值一般为C2的1/10。由于这个原因,这个环路滤波器可以看作一阶滤波器,它的传输函数(S)可表示为:

F(S)=R+

代入式(1)中,得到:

H(S)=

=N (2)

由上式可以得出锁相环两个重要的参数:固有频率ω和阻尼系数ξ

ω= (3)

ξ= (4)

固有频率ω和阻尼系数ξ是锁相环系统级设计中两个关键的参数。使用S域坐标可以方便地说明它们的意义[3]。

我们可以看到,极点以θ=sin-1ξ的角度距离原点ω。阻尼系数ξ是稳定性的量度。如果ξ等于零,则极点位于虚轴上,系统将以ω的频率稳态振荡。当ξ增大,极点会移向左半平面,系统也因此变得稳定。在这种情况下,系统的脉冲响应是一个以ω频率的阻尼振荡。阻尼系数ξ越大,系统越稳定,但系统的稳态时间也越长。为了在两者之间折中,我们取ξ==0.707。

固有频率和阻尼系数同样影响到锁相环的环路带宽。锁相环的3-dB带宽为[4]:

ω=ω

其中,α等于:

α=2ξ+1-4ξ-

在整个锁相环中,压控振荡器是最大噪声源,而且它的噪声具有高通特性。为了抑制VCO噪声,一般将锁相环的3-dB带宽选取得稍大一些。在本论文中,锁相环的3-dB带宽等于1 MHz。固有频率ω和阻尼系数ξ这两个参数确定下来后,我们可以由它们代入式(3)(4)解出环路滤波器的参数C1、C2、R2。

3子模块设计

3.1 鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LPF)的设计

图5所示的电路图包括了鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)和环路滤波器(LPF)。本文采用的VCO随着控制电压的升高,频率是降低的。故在电荷泵中,dn信号为高时,环路滤波器中的电容放电,使控制电压下降,VCO频率升高;而up控制上面的开关,当其有效时,环路滤波器中的电容充电,VCO频率降低。

在电荷泵的电路设计中,由于模拟电路采用的电源电压为3.3 V,因此采用共源共栅的电流镜来减小Icharge和Idischarge之间的失配。同时,为了降低时钟馈通效应,以及开关管m0、m1、m6、m7的沟道电荷注入效应,在电路中增加开关管m2、m3、m4、m5,并且开关管m0、m1、m6、m7选用最小的沟道长度,在其满足通过电流源的电流的条件下宽长比尽可能小。采用单位增益放大器使得Vc与节点C的电压保持一定,从而降低Vc和节点A,B的电荷分享效应。

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3.2 压控振荡器(VCO)

现代CMOS工艺中,环型振荡器应用广泛,而且偶数级延时单元构成的环型振荡器可以方便地产生同相和正交相输出信号,不需要多相滤波器等后续处理电路[5]。所以本文采用四级延迟单元组成的环形振荡器,并且用控制电压Vc控制延迟单元的延迟时间,如图6所示。

锁相环结构中,产生相位噪声的最主要模块是VCO,所以VCO必须对电源电压和衬底噪声不敏感,差分缓冲级(Differential Buffer Stage)延迟单元正好可以满足这个要求,每个延迟单元包含一组源极耦合的差分对,其负载由栅漏短接的PMOS管和用VBP偏置的同样尺寸的两个PMOS管并联组成。通过改变的大小可以改变延迟单元负载阻抗的VBP大小,从而改变了延迟单元的延时。

采用单个MOS管作为延迟单元的可调电阻负载,负载一般都是非线性的,非线性负载会将共模噪声转变为差模噪声,从而影响到延迟时间。而图6中延迟单元的负载为两个MOS管并联组成,其电流电压特性关于电压摆幅的中点对称,由于其具有对称性,虽然也是非线性的,可将一阶耦合项消除掉,只留下高阶项,从而较大程度上可以减小电源上的共模噪声所引起的抖动。

另外,为了降低电源电压噪声对环形振荡器的影响,本文采用负反馈的动态偏置方式来对延迟单元进行偏置,如图6所示。该偏置电路由一个运放和两个半镜像电路组成,由运放输出产生的VBN动态地调整流过镜像电路和延迟单元的电流,直到VA、VBP和Vc相等,负反馈有效地提高了电流源的输出阻抗,使其电流和电源电压和衬底电压无关。同时,由于采用了自偏置技术,此延迟单元对电源噪声和衬底噪声不敏感,且不需要额外的带隙基准来对运放和延迟单元进行偏置。

3.3 50%占空比转换电路

USB 2.0所要求的时钟占空比为50%,需要在VCO的输出加一个输出占空比为50%的转换电路。传统的做法是在VCO的输出加一个2分频器电路[6]。采用该种方法将使VCO的工作频率是输出频率的两倍,这将限制最大的输出频率。为此,本论文采用一个双端变单端的转换电路,该电路同样能输出一个占空比为50%的方波,而且VCO的工作频率无需是输出频率的两倍。电路如图7所示,它包括两个反相NMOS差分对放大器、两个PMOS共源放大器和一个NMOS电流镜。由于两个NMOS差分对的电流和VCO延迟单元的偏置电流一样,所以该NMOS差分对放大器能够准确地接收VCO延迟单元输出的共模电压,NMOS差分对放大器对信号进行放大并给PMOS共源放大器提供一个直流偏置电压,PMOS共源放大器再对信号进行放大并通过一个NMOS电流镜转换成单端输出,实现双端转单端的功能,并且输出占空比为50%。

4整体仿真结果

在前文子电路分析与设计的基础上,采用CSM 0.18μm CMOS模型对整体电路进行了仿真。其中,输入参考频率Fref =12 MHz,分频器N = 40,输出频率为12MHz*40 = 480 MHz。图8为锁相环版图和输出抖动图,从图中看到,在锁相环输出频率为480 MHz时,峰峰抖动是5.01 ps。整个芯片中模拟电路用3.3 V供电,数字电路用1.2 V供电,功耗仅为 8.3 mW。

5总结

本文以“自顶而下”的方法设计了一款480 MHz、用于USB 2.0的时钟产生功能的、低噪声、低功耗CMOS锁相环。本文首先从锁相环的数学模型入手,缜密地推导出了锁相环的传输函数和两个对锁相环性能有巨大影响的参数:固有频率ωn和阻尼系数ξ;接着详细分析了构成锁相环的各个子电路:鉴频/鉴相器、电荷泵、压控振荡器等。最后将整个锁相环进行了整体仿真。仿真结果表明,在输出频率为480 MHz时,峰峰值抖动仅为5.01 ps,功耗仅为8.3 mW。设计完全可以满足USB 2.0时钟的要求。

参考文献

[1]Behzad Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, McGraw-Hill Higher Education, 2001.

[2] F. M. Gardner, Phaselock Techniques, 2nd Edition. John Wiley & Sons, New York, NY 1979.

[3] G. F. Franklin, J. D. Powell, and A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, 3rd Edition. Addison-Wesley, Reading, MA 1994.

[4] U. L. Rohde, Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Applications.John Wiley & Sons, New York, NY 1997.

篇（10）

Abstract

This system is composed of fore-channel, Backward-channel, single-chip microcomputer system and the periphery circuit, up-bit machine and down-bit machine soft. The fore-channel will make the signal amplify, filter and A/D transform, then store the signal to the RAM by single-chip microcomputer. The step-channel will amplify ,filter, and D/A transform the data from the RAM, then impel the louDSPeaker. This article uses the single-chip microcomputer as core and extends the RAM of 512k. It applies the keyboard to control and LCD to display. At the same time, the article uses RS232 to communicate with up-bit machine and realizes the data transmission.

Up-bit machine program uses VC++ as the developing platform , Down-bit machine based on C51 language designs the software and the hardware to collaborate.

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.2语音信号处理的发展与前景 2

1.3总体设计思路 2

第二章 数字语音存储与回放的通道设计 4

2.1整机结构框图和电路图 4

2.2 前向通道 8

2.2.1前向通道的组成框图 8

2.2.2前向通道各个单元的介绍 8

2.2.3前向通道的单元电路设计 12

2.3后向通道 19

2.3.1 后向通道的组成框图 19

2.3.2后向通道各个单元介绍 20

2.3.3后向通道的电路设计 20

第三章 系统其它部分电路设计 24

3.1单片机电路设计 24

3.2 LCD显示器设计 27

3.3数据存储电路设计 30

第四章 程序设计介绍 33

4.1下位机程序介绍 33

4.2 上位机程序介绍 34

第五章 用V[，！]C ++实现上位机的编程 36

5.1 VC++简介 36

5.2 ActiveX控件简介 36

5.3通讯控件MSComm介绍 37

5.4程序设计总方框图 39

5.5通信控件串口编程的说明 40

5.5.1 初始化并打开串口 40

5.5.2捕捉串口事件 41

5.5.3串口读写 41

5.6串行通讯协议程序 41

5.6.1主窗口 41

5.6.2运行窗口 43

5.6.3错误窗口 44

篇（11）

 

0．前 言

现代物流环节中，物流信息是一个重要的构成因素。当前物流产业规模日益扩大，物流技术装备水平迅速提高。但我国物流发展中仍存在物流系统效率低，物流成本高，物流基础设施的配套性、兼容性差等问题，特别物流信息技术装备水平低的问题尤为突出，这就决定了物流企业在运输中对安全、高效、高性价比具有较高的要求。尤其是针对危险货物如危险气体的运输配送，高安全性、高性能、高效率的装载车辆配套装置技术亟待发展。论文设计的智能车载终端主要针对危险气体运输，解决了车辆运输配送中的车辆定位信息获取，以及危险气体在运输过程中的气体泄漏预警等安全问题，实现了运输车辆的实时定位和物流指挥中心的智能监控，为实现安全、高效的危险物品运输提供了现实依据。

1.现代物流运输的需求分析

现代物流运输追求的是更加低成本、高效率和安全的实现货物运输，传统的物流运输装备技术及模式已经不能满足需要。针对一些传统运输中存在的问题，例如后方物流指挥中心如何科学地进行运输车辆的调度和管理，提高运营效率；驾驶员如何随时随地了解道路堵塞、车辆方位等情况而更加省力地到达目的地；对易泄危险物品运输如何做到及时准确检测出危险的存在从而做出妥善处理；移动车辆如果遇到麻烦或者其安全受到侵害，如何向主控中心发送报警信息，求得就近援助等，均对现代物流专用车辆提出更高的要求。

在现代物流运输监控中，通信网络的智能化是一个瓶颈问题。由于物流运输系统是一类极其分散的系统，显然不可能采用有线通信方式进行各类数据传输，且车辆一般处于高速运动状态，这就更加需要无线通信技术的应用。

2.智能车载终端的系统组成

智能车载终端主要由信号采集模块、数据处理模块和无线通信模块3部分组成，系统总体框图如图1所示，信号采集模块主要由前端的传感器和GPS模块、采集电路、信号调理和串口发送单元组成，其中GPS模块用于实时接收车辆的位置信息，传感器采用专门的气体传感器用于采集车厢内部气体浓度参数，采集电路实现气体浓度信号的模拟放大、简单滤波后送到单片机进行A/D转换处理，采集模块采集的数据通过串口发送到数据处理系统进行计算，得到可读的浓度参数、位置信息，实现实时显示的同时无线发送到后方指挥中心进行分析。

图1 智能车载终端总体设计框图

系统中数据采集模块和数据处理模块负责对采集到的数据进行必要的现场处理、存储和转发，以及对数据的编码，然后通过标准接口RS232/RS485将数据信号传送到GPRS 模块。GPRS 模块对信号进行进一步的处理，再通过GPRS空中接口接入到GPRS网络进行数据的透明传输，最后经由APN专线传输到后方物流指挥中心。指挥中心进行远程控制时，可以将控制信号发送到GPRS网络中，然后经过GPRS模块传输到智能车载终端中，进而对运行车辆进行控制和处理。气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

3 智能车载终端的单元模块设计

（1）电源模块

电源系统是否稳定对于整个系统有至关重要的影响。电源模块的设计考虑：一方面电源模块应尽可能满足对各模块的不同用电电压需求，另一方面要努力降低整个系统的功耗。本系统中要用到的电压比较多，主要用到LM7805集成稳压器、线性稳压器CX1117等实现多电压供电。

（2）采集电路模块

系统数据采集模块完成对信号的采集和简单处理，即对采集信号进行放大、滤波和A/D转换，主控芯片可以采用TI公司的16位系列单片机MSP430F149。利用此单片机内置的A/D转换单元完成信号的转换,并通过片内的串口与其它模块通信。以液化天然气运输为例，选用对甲烷具有相当敏感的气体传感器GS-B2设计的电路如图2所示。该类型气体传感器用于便携式仪表测试甲烷，稳定性好，灵敏度高，具有较好的重复性，体积小，功耗低，GS-B2型的工作温度是-45°C到10°C，湿度≤90%RH,检测范围是10到5000PPM。

图2 GS-B气体传感器采集电路设计

（3）GPS模块

GPS模块采用3.3V电源供电，GPS数据是通过串口进入单片机，单片机接收到数据后经过简单处理后暂存其中。E531硬件连接简单方便，只要给该模块提供3.3V的电源并连接相应的GPS天线，E531就会从串行口输出相应数据，输出电平为RS232电平，因其内部自带电平转换电路故可以与单片机直接连接。

（4）数据处理单元

数据处理模块主要完成对采集信号的处理，即对采集来的气体浓度信号和GPS位置信息进行对应数据格式的转换、数据显示和发送以及人机交互功能。处理器采用S3C4510B芯片，其中两路1.3V电压由高效率1.4MHz同步降压型稳压器LTC3404提供，实现系统超低功耗设计。

（5）无线通信单元

无线通信单元考虑两种情况：有公网的状态下，通过GSM/GPRS模块来进行数据传输，包括采集信号向后方的传输和GPS差分信息的传输。GPRS利用GSM网络资源、覆盖面大、通讯质量高、永远在线等特点可以为物流运输车辆提供一种快速可靠的无线数据传输通道。无公网的情况，此情况无GPS差分信息的传输，传输采集数据信号可以采取FSK传输方式。

4 结论

结合GPS定位技术和GPRS无线传输技术的现代物流运输车载终端，集检测、监管、调度、警报于一体，符合现代物流企业对运输车辆动态控制的需要，且针对性地降低了危险易泄货物的安全隐患问题，对降低物流企业成本起到积极作用。

参考文献

[1] 唐四元. 现代物流技术与装备[M]. 清华大学出版社. 2008.

[2] 范海健. 基于GPS_GSM_GPRS车载定位监控终端的研究与设计[D]. 上海交通大学. 2007.