模拟电路设计原理精选(九篇)

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第1篇：模拟电路设计原理范文

关键词：电路设计；proteus；应用

中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0248-01

二十一世纪的今天，社会科技进步较快，proteus仿真软件在电路设计中的应用也越来越广泛。该仿真软件是计算机技术发展的重要成果之一，可以对模拟电路，数字电路和电路进行仿真操作，软件自身具备先进的虚拟器，包括示波器，逻辑分析仪，信号发生器等，为了更全面的了解和更深刻的分析proteus在电子电路设计中的应用，就要在软件开启的仿真条件下，对整体电路和包含的各个零部件进行逐一研究，为之后的电路设计打下坚实的基础思路。

1 Proteus仿真软件简述

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。它是目前比较好的仿真单片机及器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。该软件包含ISIS和ARES两个软件部分，这两个部分在大环境下扮演着两个不同的重要角色，都有着举足轻重的作用。在日常工作中，ARES部分是用来当PCB设计工作的助手，进行有效辅佐，而ISIS则是主要负责在仿真开启的环境下对电路原理和模拟电路的设计工作。

2 Proteus仿真软件进行仿真电路设计的过程分析

在电子电路实训过程中，proteus仿真软件在进行仿真电路设计时，要在软件编辑界面，按照需要模拟的实际电路思路，设计出一套最符合实际情况的电子电路图，再通过许多相关数据计算，尽可能在最短的时间内完成对电路的初步设计和对数据的测量与计算整理，最后完成整体的模拟电路设计，然后利用软件的电路生成功能，输出最后的电路设计图。为了确保电路设计的顺利进行，仿真电路设计过程可以这样：先确定核实设计项目，然后运行proteus软件，绘制初步的电路原理图，然后根据原理确定需要的元件种类和数量，启动仿真系统，用虚拟仪器检测然后读出数据，分析结果，如不符合要求，对元件或者电路作适当修改然后再次检测，当符合要求时，要对电路进行完善，确定无误后敲定最终设计方案，然后系统自动生成电路图。

3 Proteus仿真软件的仿真电路设计与调试

在进行电路工作前，相关人员要检查虚拟测量仪器与被测量点的两个终端是否处于正常连接状态，还要确定信号源良好的接地情况，其中还要注意示波器与地线的连接状况。测量结束后要确保测量结果是GND的相反波形，有利于后续对电路的研究。实验过程中，要时刻注意电压表，电流表的指针位置，而在仿真电路时，要注意串联电路中电流指针的指数，如有任何问题，要及时地在相应的执行操作界面，通过网络，对电压作出适当调整，然后继续进行仿真电路的研究试验，推动proteus仿真软件在电子电路设计应用中的发展。

4 Proteus仿真软件的实用电路分析

在今后的与电路设计有关的工作当中，我们不光要充分发挥并发展proteus仿真软件，还要通过合理的方法来判断研究proteus仿真软件在未来电路研究中的发展趋势，然后进行相应改进。而proteus软件还需要通过传感器电路，正弦电路等实用电路中不断的进行试验和探索，最后才能把此项技术落实到实际电子科技产品的生产环节当中去。所以，我们再使用该软件进行电路设计和分析时，要把重点放到传感器电路和正弦电路等电路的实用性上，结合实际情况探究，才能更好地让软件适用于各种实用电路的应用。还能开发出仿真系统的其他用法和功能，促使电子行业发展，为以后的研究工作打下坚实的基础。

5 结语

综上所述，现阶段proteus仿真软件的应用已经十分广泛，而其使用功能也十分便利和强大，在进行电子电路设计时，为了能够更深刻研究电路的工作情况，更准确地对电路中存在的不足之处进行调整，我们要进一步对软件进行挖掘研究，明确操作规范，开发出更实用的功能以便使用。还能改善传统的电子电路设计工作，并z测出其中的缺陷，为降低电路实验成本，更有效地完成实验和缩短实验时间等方面，都有积极的推进意义。

参考文祥

第2篇：模拟电路设计原理范文

关键词：电路设计；逐次渐近；ADC；比较教学

中图分类号：G642.41 文献标识码：A 文章编号：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

计算机专业的硬件知识课程通常包括电路原理、模拟电子与数字电子技术等课程。从实际教学过程看，由于实验条件、物理知识等多方面的因素，学生普遍反映电子技术的学习较为困难。甚至严重情况下，会影响学生对硬件电路设计的兴趣，这不利于学生综合素质的培养[1-2]。另一方面，软件设计由于对动手操作条件要求不高，编程锻炼的机会多，不少同学掌握程度较好，从而培养了兴趣。

学习通常都是利用已有知识去理解新知识的过程，如果新知识和已有知识在很大程度上具有相似性，或者通过合理的比较，建立新知识与已有知识之间某种紧密的联系，学生在理解上就相对容易。自信心也可能会从已掌握知识迁移到新知识上。比较是根据一定的标准，把有某些联系的两种或两种以上的事物加以对照，确定事物同异关系的思维过程和方法[3]。本文所谈论的比较教学方法就是在此概念框架下定义的，在相关教学中已经被成功采用[4-5]。

因此，本文以数字电子技术教学中的重点知识“逐次渐近型ADC”为例，在对原理概念做简要介绍后，引导学生用算法、程序语言的形式将设计的思想表达出来，再利用基本组合和时序电路将软件形式表达的设计思想“翻译”成初步的硬件电路。通过对软件和硬件初始化、运行方式等的比较，对初步的ADC电路进行优化调整，最终形成经典的逐次渐近型ADC电路设计。

2 逐次渐近型ADC简介

ADC是将模拟信号转换成数字信号的器件，以方便计算机等数字系统进行信号处理，是计算机系统与外部物理世界交互的重要部件，也是数字电子技术课程中的重要知识内容。根据构造原理的不同，ADC的种类很多，例如并联比较型ADC、反馈比较型ADC、双积分型ADC、V-F变换型ADC，以及∑-ΔADC等。其中逐次渐近型ADC是一种反馈比较型ADC，它具有转换速度较快、体型小、构造成本低等优点，因此是目前ADC产品中用得较多的一种。图1和图2分别是逐次渐近型ADC的原理框图和电路原理图[6]。

逐次渐近型ADC的基本设计思想是：它是对计数型ADC在转换速度上的改进，对于外界模拟输入信号，逐渐计数累加，通过DAC产生输出一个与模拟信号相等的电压信号，此时输入给DAC的数值就是ADC的转换结果。值得注意的是，计数累加不是每次加1个单位，而是采用类似“二分查找”的原理，由高位到低位逐渐取1比较，如果DAC的输出大于外界模拟信号，相应的位置0，否则保留置1，直至到最低位比较结束。

传统的电路教学方法，会对照着原理图给学生讲解思想和电路的组成。学生领会上比较困难，特别是即使搞清楚原理，对电路的设计过程、来龙去脉也是不清楚的，从而产生对电路设计的神秘感和恐惧感，不利于进一步学习。

3 利用软件设计的比较教学

3.1 程序和电路的运算方式比较

通常的程序设计，是一种串行的思维方式，设计者仿照CPU指令的执行方式。学生写出程序设计的算法，再转换成具体的程序设计语言，供计算机编译执行。从实践教学过程看，在这一点上，在入门时，较电路设计更容易为学生所接受。以下内容介绍逐次渐近型ADC电路设计的软件比较教学过程。通过这一过程，让学生自己很自然地“设计”出逐次渐近型ADC。

3.2 逐次渐近型ADC的软件算法表达

用算法和程序表达计算机系统的处理过程，将有助于加深理解，也更便于未来的工程实现。逐次渐近型ADC可理解为一个将浮点型（表示模拟信号）转换成一定位数的整形数（表示数字信号）的函数模块。可以用伪码来表达这一过程，为了便于计算机程序语言实现，我们取转换结果为8位无符号整形。

算法1 BitADC8

输入：浮点数input

输出：8位无符号整形数iAdcResult

处理：

BEGIN

1，iAdcResult初始化为0，当前比较位BitNum初始化为最高位，即BitNum赋值为7（表示取最大值的一半，从中间开始比较）；

2，转换目标值iAdcResult的当前位BitNum置为1与输入浮点数比较；

3，如果iAdcResult大于input，置iAdcResult的当前比较位为0；

4，当前位BitNum减一，如果BitNum>=0，去第2步，否则输出iAdcResult；

END

学生对上述算法的理解是不太困难的，也可以较方便地用C语言来实现，如下面的函数BitADC8所述。需要说明的是，在C语言中有标准的函数可以实现这样的转换，这里是为了说明原理，故不采用现有的标准函数或者强制类型转换实现[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 电路设计

学生写出BitADC8以后，基本对转换的原理有了较为深刻的理解，下面讨论如果从BitADC8函数中引导逐次渐近型ADC的电路设计。

逐句逐句地用数字电路中基本的组合和时序电路模块来理解BitADC8，最后形成逐次渐近型ADC电路与函数BitADC8的语句对比联系，如下图3所示。图中一共标注了5处对比模块，可以清晰地看到，软件算法能够帮助我们理清电路设计的思路，从而有助于我们进行硬件电路的设计。

当然，硬件电路和软件模块在表达和执行上还是有区别的，本质可能一一对应。局部细节的调整需要设计者自己去琢磨、理会。例如，或门G4和G5初始化时清零作用，还有软件串行执行和硬件电路并行执行的区别等。但这不影响两者的比较理解，设计的联系性还是比较紧密，具有重要意义。

4 结论

文章以逐次渐近型ADC电路原理教学为例，介绍了硬件电路设计的软件比较教学方法的应用。从实际教学效果来看，能够起到帮助学生掌握电路设计思路的作用，也有助于将来在EDA等课程中学习VHDL等硬件描述语言，更重要的是通过学习迁移帮助提高学生电路设计的信心，

参考文献：

[1] 任英玉， 王萍. “模拟电子技术”课程质量提升探讨[J]. 电气电子教学学报， 2016（2）： 36-38.

[2] 李月乔， 宗伟. “模拟电子技术基础”教学方法的思考与体会[J]. 电气电子教学学报， 2007（5）： 97-99.

[3] 丁邦. 反思教学论研究――基于比较教学论的视角[J]. 课程・教材・教法， 2012（9）： 26-31+49.

[4] 徐钦桂， 杨桃栏. 比较教学法在操作系统教学中的应用与实践. 计算机教育， 2010（10）： 95-99.

[5] 陈锟， 田晓梅. 用Matlab进行插值法比较教学研究[J]. 电气电子教学学报， 2012（2）： 98-100.

第3篇：模拟电路设计原理范文

作为应用型本科院校，在实践教学环节中如何提高学生的创新能力、实际操作能力、分析和解决问题的能力亟待解决。目前国内大多高校工科专业实验设备陈旧，更新换代不及时，学生只是在现有的实验设备上进行简单的验证性操作，对学生的各方面能力并没有很好的进行锻炼，很多原理性的东西在实验操作台上没有很好的体现［1］。鉴于此，可以对课程中的个别实验引入自制实验设备，采用该种手段不仅有利于提高学生创新能力的培养，还可以引入最新的实验技术手段，提高实验装置的利用效率、节约实验成本［2］。《模拟电路》是电类专业最基础的专业课程，通过该课程的学习不仅要求学生掌握较强的理论知识，还要求学生具有一定的实践创新能力，结合多年来对本课程的授课经验，以该课程为例来说明如何在教学过程中通过自制实验设备来提高学生的创新应用能力。

1自制实验设备在教学中的必要性

近年来学校对实验室的建设经费投入越来越多，其中购买了很多先进的实验设备和仪器装置，但有些设备只能进行简单的验证性操作，对于高校工科实验教学的针对性较差。同传统的实验模式相比较，自制实验设备在实验教学中具有多个优点，在实验教学中的使用很有必要性［3－5］。

第一，适用性强。教师可根据单门课程或者多门课程设计综合性实验，针对不同的专业适当调整实验的难易程度。

第二，成本低。学生根据教师给出的实验要求，自行选择元器件进行电路的焊接，同市场上现有的实验电路板相比较能够节约大量成本。

第三，可操作性强。老师可在实验内容中加入自己的科研内容，既能够锻炼学生也能够提高教师的科研水平。

第四，提高学生专业能力和动手能力。在实验执行过程中能够激发学生的学习兴趣、巩固学生的专业知识，并把课堂学到的知识应用到实际当中，能培养学生的设计能力、创新能力、实践能力和动手操作能力。

商洛学院本科教育进入转型发展阶段，学校以培养应用型本科生为目标，所以实践教学环节在课程教学中的作用变得尤为重要。对于电类专业的课程，现有的教学仪器设备不能满足教学要求，自制实验设备可以降低教学难度、提高课堂效率、拓展学生思维，创造性地制作各种合适的实验设备，因此具有提升课堂教学效果的突出作用。

2自制实验设备的实施

以模拟电路课程实验中“模拟运算放大电路”实验为例进行说明，该实验属于设计性实验，以往实验要求学生从电路设计和电路验证两方面进行，但是实验结果并不能使每个学生都能达到预期的教学目的，自制实验设备将从电路设计、仿真、焊接、调试、验证等几方面进行实施，以此来提高学生的电路设计能力、分析能力和动手能力。

2．1电路设计与仿真

此阶段主要考察学生对理论知识的综合应用能力，通过对电路的设计、元器件的选择拓展学生知识面。根据“模拟电路实验”教学大纲给出电路设计的要求，要求学生熟悉放大电路的原理，进行电路设计以及电路中元件参数的确定，并提交最终的设计结果。以反相比例运算电路为例，要求设计电路的放大倍数为（－10）倍。学生首先要巩固反向比例运算电路的原理进行电路的设计，再进行电路的仿真。根据电路设计要求放大倍数为（－10）倍，又因为考虑集成运放两输入回路参数对称，即RN＝RP，综合考虑，电路中电阻R3＝100kΩ，R1＝10kΩ，R2＝9．1kΩ。其次为了保护集成运放，在电源端分别接两个二极管以防止电源反接损坏集成运放。通过电路的设计与仿真，对输入波形和输出波形进行对比。输入信号ui设置为1kHz，峰值为100mV的正弦波，由仿真结果可看出，此时输入信号与输出信号反相，电压放大倍数为10，且未出现失真，达到了设计的要求可以进行下一步的电路焊接与测试。

2．2电路焊接与测试

上节以反相比例运算电路为例进行了设计说明，在实验过程中为了增加实验内容要求学生对同相比例运算电路、加法运算电路、减法运算电路、微积分电路等都进行设计与仿真。设计完成后列出实验器件清单进行电路的焊接，在焊接的过程中一方面可以提高学生的动手能力，另一方面也有利于培养学生发现问题解决问题的能力。在该电路板上学生可以通过选择相应的器件来实现各类运算电路的测试。同样对反相比例运算电路进行测试，输入信号ui设置为1kHz，有效值为100mV的正弦波，为电路接入正负电源，根据电路设计图连接各个电阻，接入信号函数发生器和示波器，观察输入输出波形，通过示波器测试可看出，输出电压幅值为987mV，输入电压幅值为97.2mV，所得有效值放大倍数约为10倍左右，且输入与输出波形方向相反，即达到反相放大的目的。

2．3实验考核

实验考核是检验学生实验效果最有效的手段，对于自制实验设备的实验项目考核要区别于一般验证性实验，首先要求学生提交设计说明、仿真结果、实验心得，并对学生的作品进行现场的测试，其次在整个实验成绩中加大该类实验所占的比例，这样既能够减轻学生负担、调动学生的积极性，又可以保证实验课程的完整性，也杜绝了学生抄袭实验报告的现象。

本文仅对反相比例运算电路进行了设计说明，对于“模拟运算放大电路”实验中的同相比例电路、加法电路、积分电路等均可以采取以上的教学方法，既能够使学生对理论知识有一个清楚的认识，也锻炼了学生设计电路、焊接电路、调试电路的能力，对学生综合能力的培养有很大的好处。

3实验改革的效果

为了检验实验改革的效果，首先在一个班级进行了试验，主要通过实验报告、电路设计与仿真、测试效果、期末考核等方式进行改革效果分析，主要取得以下几方面的成果。

（1）大部分学生能够按照要求完成最终电路的测试，个别学生在电路焊接环节出现问题。

（2）提高了学生对电路的综合设计与应用能力，通过自制实验设备完成实验的学生在电路设计和焊接方面明显优于其他学生。

（3）实验报告相比以前更加规范，设计过程、仿真结果、测试结果更加的详细，抄袭现象明显好转。

（4）通过期末考核，学生对模拟运算电路这部分的理论知识掌握的比较扎实，对知识能够灵活应用。

（5）实验教师的各方面能力也得到了锻炼，在实践中增长才干，提高自己的理论水平的技术水平。

第4篇：模拟电路设计原理范文

关键词：调制电路 在系统可编程 模拟电路

中图分类号：TM938 文献标识码：A 文章编号：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

调制是指用调制信号去控制载波信号的参数，使载波信号的某一个或几个参数按照调制信号的规律发生变化，在通信系统中有广泛的应用[1]。传统调制电路多由分立模拟元器件构成，占用面积较大且定型后不易产品升级。本文介绍一种基于在系统可编程模拟器件ispPAC20的平衡调制电路设计方法，将各单元电路于单芯片实现，提高了集成度和可靠性；同时可对目标芯片在系统编程以升级电路结构，缩短了研制周期，降低了设计成本。

ispPAC20（in-system Programmable Analog Circuit）是美国Lattice半导体公司推出的可编程产品，该芯片具有在系统可编程技术的优势和特点，电路设计人员可通过开发软件PAC Designer在计算机上快速地进行模拟电路设计与修改，对电路的特性可进行仿真分析，然后用编程电缆将设计方案下载到芯片当中[2]。也可对已经装配在印刷线路板上的ispPAC20芯片进行校验、修改或者重新设计。

2、ispPAC20器件的内部结构

ispPAC20由两个PACblock块、两个比较器、一个8位D/A转换器、配置存储器、参考电压、自校正单元、模拟布线池和ISP接口等单元组成，器件内部结构如图1所示。

比较器CP1和CP2的输入端为可编程的差分形式，其工作原理与普通比较器相同。比较器CP1的输出可编程为直接输出或以PC为时钟的寄存器输出两种模式，且CP1和CP2的输出端CP1OUT和CP2OUT可通过窗口控制在WINDOW端输出信号，窗口控制可编程为异或操作（XOR）模式或触发器操作（Flip-Flop）模式。

PACblock1由两个仪用放大器IA1和IA2、一个输出放大器OA1、反馈电阻和电容构成差分输入和输出的基本单元电路。其中，IA1的输入端连接一个端口选择器，并通过外部引脚MSEL来控制；当MSEL分别为0和1时，端口a和b分别连接至IA1的输入端。IA1和IA2的整数增益调范围在-10～+10之间，电路输入阻抗为109，共模抑制比为69dB。输出放大器OA1中的反馈电阻RF可以编程为连通或断开状态，电容C有128种值供编程选择。芯片中各基本单元通过模拟布线池实现互联，以组成复杂模拟电路。

PACblock2与PACblock1的结构基本相同，但IA4的负整数增益区间为[-10，-1]，设有极性控制端PC并可被编程为四种模式：固定模式、PC外接模式、触发器模式和CP1OUT连接模式。

(1)固定模式：IA4增益范围为[-10，-1]；(2)PC外接模式：通过芯片外部引脚PC来控制增益范围，PC=1对应[-10，-1]，PC=0对应[1，10]；(3)触发器模式：需同时编程比较器窗口输出控制端为触发器模式，极性控制端通过内部反馈通道连接至WINDOW端口，以控制IA4增益范围；(4)CP1OUT连接模式：极性控制端通过内部反馈通道连接至CP1OUT端口，以控制IA4增益范围。

D/A转换器的输出为差分形式，可编程于比较器或仪用放大器连接，也可以直接输出；输入可选并行方式、JTAG或SPI方式。用户可通过查询芯片说明的编码数据进行编程[3]。

另外，配置存储器用于存放编程数据，参考电压和自校正模块完成电压分配和校正功能。

3、调制电路的ispPAC20实现

基于ispPAC20的调制电路内部编程连接如图1所示。PACblock2与比较器电路构成振荡电路，产生方波信号，作为载波uc，经器件外部连接至MSEL端；PACblock1构成调制电路，实现输入调制信号对载波幅度的控制，调制信号ui连接于IN1和IN2端，已调信号在OUT1端输出。

3.1 振荡电路设计

振荡电路的内部编程为：IA4的输入、增益和PC端分别编程至参考电压3V、-1和触发器模式，反馈电阻和电容分别编程为开路和61.59pF，构成积分电路；比较器CP1和CP2连接为窗口比较器，阈值控制编程至参考电压1.5V，WINDOW输出端和CP1的输出分别编程为触发器模式和直接输出模式；以此方式编程后，WINDOW输出端将自动地通过内部通道连接至IA4的极性控制端。

电路工作时，周期性方波信号在WINDOW端输出，作为载波信号uc，频率为30kHz。其工作原理为：当极性控制端PC=0时，IA4的增益为正值，积分器进行正向积分，OA2的输出电压Vout2开始线性上升，当Vout2的值超过窗口比较器的上限阈值电压1.5V时，CP1输出高电平，CP2输出低电平，使输出端触发器置位操作，WINDOW端输出1；通过内部通道反馈，使得PC=1，从而IA4的增益变为负值，使积分器开始反向积分，OA2的输出电压开始下降，当Vout2的值小于下限阈值电压-1.5V时，使触发器复位操作，WINDOW端输出0，积分器再次开始正向积分。如此反复，在WINDOW端输出方波信号。当IA4的差分输入电压在（0V，+3V]的范围内时，uc的频率在[1kHz，30kHz]范围内与输入保持良好的线性关系。通过减小积分电容或增加放大器增益可缩短积分时间，提高振荡频率；经测试，最高可达300kHz。

3.2 调制电路设计

调制电路的内部编程为：IA1的a、b端口分别编程至IN1、IN2，增益为1。输入调制信号ui按图1方式连至IN1和IN2端，WINDOW端经外部连线接至端口选择MSEL端。当uc为低电平时，IA1的a端口选通，OA1输出Vout1=-ui；当uc为高电平时，b端口被选通，OA1输出Vout1=ui。于是，ui的极性按载波频率持续转换，在Vout1输出端得到幅度受ui控制的平衡调制信号，电路的工作波形如图3所示。一般地，若编程IA1的增益为k，则可得到下式所示的输出信号。

该设计方法中，载波产生电路与和调制电路在同一芯片上完成，具有高集成度、高可靠性的优点，可通过设计工具对电路做灵活修改。若将已调信号Vout1接低通滤波器，则可得到模拟双边带调制信号。

4、结语

本文介绍了一种基于在系统可编程模拟器件的调制电路设计方法，在ispPAC20芯片上实现，将整个电路集成于单块芯片中，提高了电路的集成度和可靠性。借助于开发工具PAC Designer可随时对芯片进行重新编程以升级电路结构，提高了电路设计的效率，降低了设计成本。

参考文献

[1]曾兴雯,刘乃安,陈健.高频电路原理与分析[M].西安电子科技大学出版社,2006: 170-175.

[2]邓重一.ispPAC10芯片及其应用[J].现代电子技术,2003,7:72-73.

[3]Lattice Semiconductor Co. ispPAC handbook[CD].Version 1.1,1999.

作者简介

第5篇：模拟电路设计原理范文

【关键词】计算机 电路设计 辅助 方法

之前在进行电路设计的时候，主要就是靠人工将一些电子元件通过导线然后连接起来，对于一些比较简单的电路，这样的方法还是可行的，但是现在的电路设计越来越复杂，在进行人工连接电路的时候就显得无从下手。所以人们才开始采用印制电路板的方式来进行电路的连接，传统的手工方式制作的话，工作量是比较的大，而且制作的周期也比较的长，往往很小的电路板也需要很长的时间才能够经过很多人制作出来，而且在后期如果要进行修改的话也比较的麻烦。随着计算机技术的应用，就能够很好的去解决这些问题。在通过计算机进行辅助电路设计的时候，往往之前需要很多人才能完成的工作，现在也只需要一个人就可以完成，而且在进行电路设计的时候，时间的周期也缩短了很多。

一、计算机辅助电路设计的一些优点

在采用计算机辅助电路设计的时候，主要就是利用了计算机模拟代替了之前的通过搭接来对电路进行试验的方法，这样的话在电路的设计阶段，就可以减少很多去验证电路的工作量，使得在进行电路设计的过程当中，进程会比之间快了很多。现在很多的专业软件上面都有很多的参数数据库和图形数据库，在设计当中需要用到的电子元件基本上这些数据库当中都能够提供，如果有些电子元件在数据库当中没有的话，那么也可以在设计之间先设计好这样一个电子元件的模型放入到相应的数据库当中，在设计当中如果需要的话那么也就可以很方便的直接拿出来用。同时在进行印刷电路板设计的时候，也可以采用相应的印刷电路板设计的专业软件，而这些专业的软件是可以进行自动布线布局以及后期处理的作用。而在进行图纸的绘制时，也可以采用相应的软件来进行制版。这样的话对于电路设计的周期就可以缩短很多，而且成本的费用也可以节约不少。

二、计算机辅助电路设计的具体方法

（一）设计电路图。在设计一个电路，要想使得它能够去完成一定的作用和功能，就应该先要设计好一个比较完整是电路原理图。在使用计算机复制电路设计的时候，采用计算机技术来设计电路的原理图是非常方便的，而且在设计的过程当中对于一些不合理需要修改的地方进行修改的时候也非常的方便，同时在设计好了电路的原理图之后，在通过相关的专业软件进行自动的布线布局，对于最后制作成线路板的版图也非常的方便。首先就是要在计算机当中打开进行原理图设计的专业软件，在打开了专业的设计软件之后就应该要新建一个文件，然后还要加载一些原理图设计的数据库。如果在这些电子元件库当中没有设计所需要的电子元件，那么就需要使用电子元件的生产软件，制作出相应的电子元件，然后就可以按照之前的电路设计的构思，调用数据库当中的电子元件来进行电路原理图的设计。在设计的当中，对于那些有电气性能连接的电子元件，就应该要用线把这些电子元件的管脚连上，而对于设计当中的总线电路，则可以才有一个总线来进行连接，这样的话就减少在设计当中连接的线条比较多的麻烦。但是如果需要在总线的两端分出很多的线条，那么就需要对这些线条进行相应的标注。而有些的线路上如果是有节点的话，那么就必须要把这些节点连接起来，不然的话计算机系统就会认为这些线路是没有连接在一起的。

在原理图的设计完成了之后，就应该要建立相应的网络表。在原理图和印制线路版图的之间，是需要靠网络表来进行连接的，要想将原理图最终变成相应的线路板版图就需要通过网络表来完成。首先要打开印制线路版图的相关软件，然后加载成功相应的数据库。在禁止布线层当中画好相应的印制线路版图的基本外形，然后就对自动布线的设置进行相应的调整，使得印制线路版图能够很好的达到设计的相关要求。在通过相应的网络表，通过自动布局的命令来摆好那些相应的组件，还应该要通过自动布线的命令来进行布线，这个过程是需要一定的时间才能够完成的。在完成了上述过程之后，在通过人工来对电路图当中一些不合理的地方进行调整，是电路图的设计能够合理。在全部完成电路设计之后，就可以生产电路板。

（二）设计电路板的版图。现在很多电路板厂在生产电路板的时候，基本上都是根据用户自己设计的印制线路版图来进行生产的。如果是那些已经成型了的电路板，还想要多生产一块或者是很多块的话，就可以直接利用计算机来进行辅助的设计，在生成了印制线路版图之后在进行电路板的生产。针对一些线路比较简单的电路，可以采用刻度尺度量的方法来将印制线路版图输入到计算机当中，首先要在线路当中的某一角设置一个原点，然后其他的点则是可以用这点来进行参照，然后来用刻度尺进行度量。针对一些线路比较复杂，电子元件比较多的电路，如果还是采用刻度尺来进行度量输入的话，那么就需要很多的时间，而且精确度也不是很高。这种情况下，就可以采用扫描仪将印制线路版图输入到计算机当中。通过这种方法，就可以省去很多的麻烦，而且还可以减少一些差错，所以采用扫描仪将印制线路版图输入到计算机当中，在提高电路质量的同时还可以提高工作的效率。

三、结束语

在社会的科学技术不断发展的时候，计算机辅助电路设计的方法也在不断的发展和更新，所以电路的设计者也应该要不断的学习新的技术和知识，使自己可以得到相应的提高，才能够更好的满足科学技术的发展需要。

参考文献：

[1]叶勇盛.计算机辅助电路设计教学方法研究与实践[J].职业教育研究，2010，03：90-91.

[2]侯云涛.APFC电路的计算辅助设计与仿真研究[D].西北大学，2003.

[3]张尚韬.计算机辅助电路分析程序设计（CAA）[J].福建信息技术教育，2008，01：25-28.

第6篇：模拟电路设计原理范文

【关键词】 同步检波低通滤波器MC1496 Multisim仿真

经过低通滤波器之后，高频部分被滤除，得到s=0.5m（t），恢复出原信号波形。所以在设计同步检波电路过程中，过程为输入输入信号提取载波频率乘法器电路低通滤波器输出。由于在实际情况中，已调信号和载波信号常存在相位差，随着相位差的改变，会影响输出信号的振幅，但是不会引起失真，但是由于相位差存在随机性，输出信号会产生起伏式衰减，影响解调质量。所以在解调过程中我们要求本地信号与输入信号尽可能同频同相。

二、模拟乘法器MC1496

MC1496为模拟乘法器，其是依据双差分对电路的原理设计的，它由两个基本差分对电路组成，两个差分对电路的输出端交叉耦合。输入电压u1交叉的加到两个差分对管的输入，输入电压u2加到Q5和Q6组成的差分对管输入端，三个差分都是差模输入。当端口2和端口3之间接入相对较大的反馈电阻后，差分对管输出电流近似与输入电压u2成正比，当输入电压u1较小时，差动电流近似为Ku1u2，加入负反馈，双差分对电路工作在线性时变状态或开关状态，从而适合作为频谱搬移电路。

三、同步检波电路设计与Multisim仿真

四、结果分析

设置输入信号：ym=[200cos2π（2k*t）+150cos2π（1.5k*t）]（mv）载波信号为yc=50*cos2π（500k*t）（mv），运行仿真，四踪示波器仿真结果如图2：

从示波器中可知，通过同步检波，DSB可被恢复，但两者波形有细微差别，这主要是因为滤波器通带边缘不可能是理想矩形。该电路延时T2-T1为1.833ms，系统延迟主要由低通滤波器模块产生。

五、结束语

在电子设计过程中，参数的选择、仿真搭建、调试必不可少，Multisim广泛应用于电子设计与设计性实验的电路设计阶段。调幅系统至今在广播电视领域仍具有较为广泛的应用，在调幅通信系统中，同步检波技术较包络检波具有更强的普遍适用性。

参 考 文 献

[1]王虹.通信系统原理[M].国防工业出版社，2014.

[2]樊昌信.通信原理[M].国防工业出版社，2006.

第7篇：模拟电路设计原理范文

导波式雷达液位计是把一根或两根导波杆从罐顶伸入、杆末端与罐底有一定距离，通过导波杆发射和接收信号。它也采用发射脉冲信号来进行测量，其回波信号的幅值大小主要取决于被测液体的介电常数，由于采用了导波杆结构作为传输的介质，信号损耗小、能量比较集中，从而回波信号质量更好。它还具有方向性好，穿透性好的优点。

系统总体设计

根据系统要求，本设计采用脉冲时域展宽电路进行信号处理，如图1所示，在收发电路的硬件电路上增加脉冲时域展宽电路，主要是实现回波信号在时间轴上把信号放大K倍。放大后的信号变换成毫秒级信号，就可以使用比较器比较出来，再用单片机进行信号的捕获。

系统采用分块化的设计方法，分别把各部分具体化实现，最后达成一个高效的系统。导波雷达液位计结构组成如图2所示，包括：电源电路、LCD显示电路、键盘电路、电源监控电路、外存储器电路、单片机及电路、信号测量电路、信号变换电路、脉冲收发电路、信号调制电路、通讯模块电路和机械部分。

导波雷达液位计工作过程

根据不同的测量环境，导波雷达液位计在工作之前，通过键盘设定一些测量需要的参数，以便能准确地测量出不同使用条件的液位。

系统的工作过程是：首先由单片机产生一个460kHz的周期性信号和输出占空比为30%且周期同为100ms的PWM信号，同时定时器开始计数。这几个信号通过信号变换电路来产生模拟电压信号，送给前端高频部分进行窄脉冲生成和发送，在经过液位的发射以后，依据时域反射原理，产生相应的回波，被同一发射板接收回来。回波信号经过脉冲时域展宽电路和低噪声放大处理。通过设定一定的同轴电缆长度，回波信号中的顶部回波可以被去掉，只剩下实际要处理的真实液位回波信号，这个液位回波信号将被送入信号调理模块处理。液位回波信号经过可变增益放大后，放大至固定峰值电压的信号，再送给比较器比较，比较出液位回波的时刻。操作员可以通过单片机捕获导波雷达液位计测量的液位回波时刻。由此，计算出窄脉冲的传播距离及液位。依此不断循环，每秒计算10次均值液位量，得到一个稳定的显示效果。根据罐体的设定，可以得到罐体的高度，进而得到罐体内介质的体积等。

硬件电路设计

电源电路设计

根据导波雷达液位计使用工况的要求，系统使用+24V直流来供电，系统电源电路如图3所示。系统电源电路使用AD421芯片，AD421是一种可以产生4～20mA电流输出的DAC。导波雷达液位计使用它实现回路供电，还为整个系统和其他电路的芯片等提供工作电源和相应的参考电源。

系统把AD421芯片的几个引脚的输出作为电源，使用它输出+5V作为电源电压输出及产生+1.25V和+2.5V作为参考电压。图中AD421在J1接口处引入+24V直流电源，组成一个电流回路，电流的大小由AD421几个控制端来控制。单片机通过三个I/O口来控制AD421的电流输出。图3中的Q1为一个场效应管。图中第8脚LOOP和T1组成了电流环回路，从中能检测出输出的电流值。

同时，单片机稳定工作还需+1.8v到+3.6V的电源电压，所以要把上述得到的+5V电源转换到这个范围内（通常为+3.3V）。本文采用HT7133芯片进行电源转换。HT7133是一种功耗很低的输出电压为3.3V的电压调节器，它只有3个端口，在其输入端之前采用二极管进行过流保护。

信号变换电路设计

导波雷达液位计的单片机发出的控制信号必须通过信号变换变成相应的模拟信号，才能进行信号调制、功率放大以及收发电路再送至机械部分的同轴导波杆上传输。根据要求，系统由计数器电路和DAC电路依次组成信号变换电路。

计数器电路设计

计数器部分的作用是把单片机输出的串行数据分频变成12位并行数据。信号变换的计数器电路如图4所示。所选芯片是74HC4040M，它是一种12位的二进制纹波计数器。作为时钟的输入端口，MR则是它的实现异步主复位功能的输入端口和QO～Q11为计数器的12个并行的输出端口。在此选用了两个计数器，第一个计数器是把PWMO信号（460K信号）进行8分频，第二个计数器再对8分频后的信号依次进行2分频后再分12位进行输出。

对于图中的每一路输出，如果MR是低电平，则每逢处于下降沿，相应的输出引脚就产生一个高电平信号，这样Qo～Q11的输出就进行了计数：而当MR处于高电平时，不管是什么值，所有计数输出都为低电平。12路计数输出的频率是依次2分频得来的。

图中的74HC4040M的输入信号PWM0和PWM1信号是单片机产生的周期性脉宽调制信号，分别为460k信号和周期100ms占空比30%的信号。第一个计数器首先把PWMO信号进行8分频产生一个输出送到第2个计数器作为，再把这个分频后的信号再进行分频计数，进而得到12路并行的周期性计数信号（A0―A11），再送给12位TDAC转换为模拟信号。将PWMl作为第2个计数器的MR，可以来控制各路只有在高电平的30ms内有输出，得到的信号送至DAC进行转换。

DAC电路设计

DAC电路将计数器电路生成的12路并行计数信号进行转换，并产生对应的模拟电压信号。DAC电路如图5所示。

DAC选用一种速度很快的12位D/A芯片AD7945。AD7945使用+5V单电源供电，其功耗可以小至5μw。AD7945的输入是计数器产生的12路并行信号，可以从0计数到2048。第1个引脚IOUTl产生的是转换后对应的电流输出，需再经过一个运算放大器以后，才变成对应的模拟电压信号。

导波雷达液位计受介电常数和杆长等影响，信号在导波杆上的衰减程度不同，因此需对信号幅值大小进行调节。为了使输出信号的幅值足够其在杆上有效传播并接收，系统采用单片机控制这个幅值的大小变化。图5中的VREF就能起此作用，单片机通过I/o端口对数字电位计的值调节，就能实现调节输出电压VOUT的幅值，进而调节前端信号调制后输出到导波杆的信号幅值。在被测液体介电常数小的时候，需加大VREF的值，反之则减小VREF的值。

信号测量电路设计

信号测量电路设计包括可变增益放大器电路、信号比较器电路和数字电位计电路等。

可变增益放大器电路设计

在进行液位测量时，导波雷达液位计收发电路发射的脉冲信号的幅值是一个固定值。而从介质液面反射的回波信号幅值不固定，其幅值大小受介电常数、导波杆的结构、杆长等因素影响。

针对不同的使用工况，需要把回波信号在垂直方向上放大处理，用放大器的增益来补偿电缆产生衰减引起的变化，对信号的幅值进行调节，便于后续的信号比较电路进行比较。可变增益放大电路如图6所示，设计采用运算放大器AD8554，它是一种四路零漂移的低噪声放大器，失调电压极低（仅为lμV）、零输入失调电压漂移以及极小偏置电流。

图6中的INPUT信号即为收发电路板输入到信号调理电路的液位回波信号，PWMl为单片机输出的周期100ms占空比30%的脉宽调制信号，用于控制信号选取的时序信号。

可变增益放大电路的工作原理是单片机通过操作一路数字电位计的大小来调节放大的增益，实现输入信号的放大改变。该电路设计的增益范围为0―54dB。数字电位计值的选取主要取决于导波杆的类型、介电常数的大小和导波杆的长度等。

信号比较电路设计

由时域反射原理可知，从发射板得到的信号是液位回波信号，无液位时回波信号是正脉冲，有液位时则是负脉冲信号。所以对于后端信号处理需要获取着两种不同情况信号的时刻。

本设计采用TLC339作为比较器芯片，快速响应时间只有为2.5μs，功耗极低。同时，在比较器电路后还使用了低功耗的74VHCOO来组成与非门电路，它的高速转换时间仅有3.7ns。

信号比较电路比较的信号为脉冲时域展宽后的毫秒级信号，是实际信号传播时间的K倍，这部分器件响应速度的快慢对于信号计算影响非常大。电压比较器电路如图7所示。

回波信号首先经过两路比较器进行比较，再经过与非门电路，最后送入单片机进行处理。有、无液位时都能收到回波信号。为了区分有、无液位这两种情况，需要采用两个比铰器。

无液位时，第一路比较器能够比较出正脉冲，另外一路则没有输出信号：有液位时恰好相反，第一路比较器没有输出信号，另外一路则比较出正脉冲。由此，在有、无液位的时刻都能捕获到脉冲的时刻，根据信号的时刻不仅能区分出是否有液位，还能区分出液位的真实高度。在经过比较器比较后，可以比较得到回波的脉冲时间，然后再经过与非门电路后就可以得到液位回波的触发脉冲REVl和REV2信号，之后再送给单片机处理。

数字电位计电路设计

单片机可以通过数字电位计芯片来迅速改变电阻值，来调理电路部分的增益和比较电压。本设计使用256bit的数字电位计芯片AD8403ARU100，它包括四个可选电阻，电阻值最大都为100k。单片机可以通过三路SPI端口来输入和更改阻值。

AD8403ARU100电路如图8所示，具体每个通道都应用在各个电路中了。图中每个通道的w端为可滑动端，win与两头的B端、A端间电阻值的计算为：

MSP430F149电路设计

导波雷达液位计的单片机电路设计主要有电源监控电路和按键电路等。

电源监控电路：电路使用了IMP706s，它能够监控的电压是2.76V，起到监控电源是否稳定的作用，在电源电压下降低于2.76V时能够及时进行复位。通过定时1.6秒喂看门狗来不断循环监测电源信号，使得当程序不对时，通过这个芯片的看门狗也可以及时进行复位操作。

单片机的按键电路：按键仅仅使用了UP、DOWN、ENTER三个按键，而且分别接了三个上拉电阻，分别代表上翻、下翻、确定操作。通过这些按键能够调用各个具体菜单的模块，从而完成介电常数、杆长、零点、满点等各关键的参数的设定、修改和液位的显示。通过按键可以引起单片机的I/O口产生中断，从而确认到底是哪个按键按下，以便软件来实现对应的菜单跳转或者修改功能。

系统软件设计

第8篇：模拟电路设计原理范文

关键词:串行A/D;数据采集器;高分辨率;TLC1549

中图分类号:TP316 文献标识码:A

文章编号: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转换在电子测控系统中被广泛使用,温度、压力等非电量的测量,电压、电流等电量的测量,一般都是通过单片机(或其他控制芯片)控制A/D转换实现。在转换速度要求不是太高的情况下,一般都采用串行A/D芯片,占用单片机的口线资源少,串行扩展式测控系统是当今的发展趋势[1]。但串行A/D芯片的模拟通道少,不能满足多路信号的测量,本文以TI公司的10位串行A/D芯片TLC1549为例,设计具有多通道高精度数据采集系统。

1 系统方案设计

数据的采集有两种方法实现:A/D转换和V/F转换。从转换方式上,A/D转换又分为积分A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器等;从接口形式上又分为并行A/D和串行A/D。V/F转换是将电压信号转换为频率信号,然后测出频率再计算出物理量,它需要用计数器来测量频率,只适合信号较少的场合[2]。

目前在以单片机为核心的测量控制系统中,A/D,D/A、存储器等功能部件流行串行接口,可供选择串行接口芯片的种类也日益增多[3]。本课题采用10位串行A/D芯片TLC1549,它是一款单通道逐次逼近A/D芯片。本课题通过提升它的测量分辨率,使之达到12位的精度,用电子开关扩展输入通道,使其能对八路信号进行数据采集[4]。

1.1 提升A/D分辨率方法

图1是提升A/D分辨率的原理电路,其原理是通过调整其转换的参考电压,并将输入信号分档处理,从而提高测量转换的分辨率。

图1 串行A/D精度提升原理图

如参考电压设为5 V时,对5 V满量程转换,分辨率为:d=5/1 024;如果将参考电压设置为2.5 V,对2.5 V满量程转换,分辨率为:d=2.5/1 024。显然后┮恢智榭A/D转换的精度高,是前者的一倍,测量精度达到11位,即将10位的A/D芯片提升到11位A/D的分辨率。以此类推,10位的A/ D芯片也可以设计成达到12位A/D分辨率。从图1可以看出,只要能对输入的信号进行分档处理,使输入到A/D芯片的电压信号小于等于1.25 V,将A/D转换的参考电压也设置为1.25 V,则10位A/D转换精度可以达到12位。

1.2 八通道12位数据采集器原理图

TLC1549只有一路模拟量输入通道,为达到设计烁鐾ǖ酪求,通过八选一模拟电子开关扩展其八路通道,本系统用TLC1549设计的八路数据采集器原理框图如图2所示,包括模拟电子开关、量程分档处理、10位串行A/D、显示电路、单片机系统五部分。

图2 八路数据采集器原理框图

2 系统硬件电路设计

2.1 电子开关电路设计

图3为模拟电子开关设计的八路A/D输入通道。模拟电子开关采用CD4051。CD4051是八选一电子开关,图4为其引脚图。A0~A7为八路输入端,A为开关输出端,E为芯片使能引脚,VEE是负电源,VCC为正电源,GND为电源地,S0~S2为八路开关选择控制。由于CD4051的电子开关导通时有100 Ω左右的电阻,为消除开关电阻对输入信号的影响,选通的信号通过跟随器再送给后面的电路,同时提高输入通道的输入阻抗。820 kΩ电阻是为了消除通道悬空时跟随器不稳定输出[5]。本系统中采用AT89S51单片机,通道切换通过单片机P1.0~P1.2口分别控制CD4051的S0~S2引脚,选择其中一路电子开关接通。

图3 模拟电子开关通道

图4 CD4051引脚图

2.2 量程分档处理电路设计

2.2.1 量程切换电路

图5为量程切换电路。将电子开关输出的模拟电压分别通过跟随器和三个减法运算电路,减法器的反向输入端分别加固定电压:1.25 V,2.5 V,3.75 V。可以得到四组电压输出信号:V,V-1.25,V-2.5,V-3.75的电压,分别加到模拟电子开关的四个输入端,电子开关仍然用CD4051,在输入信号0~5 V变换过程中,上述四组信号中,必有一组信号在0~1.25 V间,通过对电子开关的控制,使该组信号通过电子开关,再经过跟随器送给A/D芯片进行A/D转换。由于只有4路信号切换,将CD4051的S2接地,S0,S1分别用单片机P1.3,P1.4口控制。选择哪路信号作为A/D转换信号,可以通过图6所示的量程判别电路,用单片机口检测。

图5 量程切换电路

2.2.2 量程判别电路

图6为量程判别电路。三个比较器的基准分别取1.25 V,2.5 V,3.75 V,当输入电压大于基准时比较器输出高电平,否则输出低电平,将比较器的输出分别送给单片机的P1.5,P1.6,P1.7口检测。

图6 量程判别电路

第9篇：模拟电路设计原理范文

（平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）

【摘　要】智能高压设备需要监测的量较多，部分传感器输出的模拟信号幅值变化范围较宽，给信号的模数转换带来一定的困难，本文根据工程实践，提出了采用对数放大器进行信号压缩运算的设计方法解决此问题，通过对数放大器信号采集系统电路采集NI信号源电流信号，验证了该信号采集电路的测量精度。

关键词 智能高压设备；宽范围变化信号；对数放大器；信号压缩

0　引言

随着智能电网建设的推广与普及，电网设备在线监测技术的应用也越来越广泛，与之相关的传感器技术也快速发展。传感器是一种将设备状态的各种物理量或化学量转变成电信号的部件。由于电信号容易进行各种处理，故无论被测量是电量还是非电量，一般都要通过各类传感器将其转换成电信号后再处理[1]。大部分传感器输出的都是模拟信号（电流、电压等），在传感器信号采集系统设计中，需要将模拟信号转换为数字信号，供后续处理电路进行分析、计算、通信等。在智能变电站中，需要传感器采集监测的量类型很多，部分被监测量的变化范围很大，导致传感器输出的模拟量变化范围也较大，给数据采集系统中的模数转换带来一定的困难。

1　智能高压电器宽范围变化信号

智能高压电器中，需要监测的量很多，主要包括两个方面：1、主电路的实时电量参数，如：电流、电压、频率、相位等；2、设备状态参数，如开关设备的状态、机械状态、绝缘情况等。

在被监测量中，部分量的变化范围很宽，例如：126kV变电站正常状态下，主电路的电流，从0A到4kA；避雷器泄漏电流，要求监测范围从100μA到50mA。一般情况下，传感器的输出信号都是与变化信号成线性关系的模拟信号，因此，传感器的输出信号变化范围也较大。

2　传感器信号的处理

在高压电器设备中，需要监测的量，通过传感器转换为模拟量，再经过处理电路，变成可以用于微处理器运算和通信的数字信号。传感器将监测到的物理量变化以模拟量的形式输出（连续变化的电流、电压），该模拟信号经过整形、滤波、放大处理，转换为可以稳定进行A/D转换（模数转换）的信号，此模拟信号经过A/D转换，变为数字信号。

2.1　信号调理电路

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器把需要测量的物理量转换为电压或电流信号，成为传感器的原始输出信号，这些信号往往比较微弱，并且受环境因素影响较大，信号上叠加一定的干扰信号，需要经过调理电路，对信号波形进行调理，才能够进行模数转换。该调理过程一般包括滤波和放大。

2.2　宽范围变化信号的放大问题

在数据采集系统中，若待测信号是很微小的电信号，需要用放大器来加以放大[2]。普通运算放大器的放大增益是由硬件电路的结构和参数决定的，如果要更改放大增益，需要对硬件电路进行修改，即普通运算放大器电路对待测信号的放大倍数是固定的[3]。如果放大倍数低，则不能满足微弱信号的测量需求，如果放大倍数高，则较大的信号经放大后，容易失真，不能满足后续运算需求。

在智能高压电器中如何解决宽范围信号放大检测问题，对信号进行非线性压缩计算是一种很好的解决思路。对于函数Y=log10 X ，当X=1时Y=log10 1=0；当X=10时， Y= log10 10=1；当X=100时，Y=log10 100=2。X每扩大10倍，Y只增加一个数量级，X在一个很大的范围内变化时，Y只在一个很小的范围内变化。所以，对数放大器具有很好的压缩性。

3　宽范围变化信号检测电路设计

3.1　对数运算放大器

理想的对数放大器是输出信号幅值与输入信号幅值成对数关系的放大电路。实际的对数放大器在输入信号幅值较小时，具有线性放大的功能增益较大；当输入信号较大时，具有对数放大的功能，增益随输入信号的增加而减小[4]。在宽范围变化信号测量领域，输入信号在短时间内会有很大变化，输出信号应稳定在几十毫伏到几伏之间。对数放大器能够自适应调节输出增益可以避免输入信号过大时，增益过大所产生的饱和。

图1中，横轴为对数刻度，当VX=VIN时，对数为零，称VX为对数放大器的截止电压。VY是10 VX对应的输出电压，即以10为基数，对应的对数为1时，输出值。VX、VY为对数截距，VOUT为输出电压。

VOUT = VY log | VIN/VX |

从图3可以看出，随着输入电压VIN的增加，其对应的输出值的增益减少。

3.2　对数放大器电路原理

对数放大器利用硅二极管上的电压与流过它上面的电流成对数关系的原理制成，结构如图4所示。

硅二极管的正向特性曲线函数为

V =（kT/q）ln(I/Io) （1）

图4所示基本对数放大器构架的转换方程为：

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

图2　对数放大器基本原理

式（1）和（2）中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷，I为正向电流，为反相饱和电流；VIN为输入电压，RIN为输入电阻。

3.3　对数运算放大器应用电路

对数运算放大器应用于宽范围变化信号测量系统中，传感器发出小的传感器信号，经过滤波电路接入对数放大器，对数放大器的输出经过一定增益的线性放大后，接入A/D转换电路，转换为相应的数字信号。

DSP接收到转换后的数字信号，根据对数放大器的输出特性及线性放大增益，计算出对应的传感器输出信号，从而得到待测信号信息。

对数放大器应用于测量系统中，可以简化硬件电路设计，在小信号、宽范围变化信号检测系统中具有明显的优势。

4　试验及结论

采用对数放大器方案，设计一个信号处理系统，NI公司的PXI-4132系统作为信号源，信号采集系统对信号源电流信号进行采集处理，对比信号采集系统实际测量的试验结果。

注：当信号源发出的电流信号较小时，信号采集系统由于受到外界干扰，测量电流显示值会在一定区间跳变.

通过表1数据可以看出，对数放大器信号采集系统所采集到的结果与NI信号源发出电流信号相比误差并不大，因此，该系统有较好的采集精度。可应用于多种宽范围变化量的采集。例如，变电站中避雷器绝缘性能在线监测是通过监测其泄漏电流实现的，按照相关标准，监测设备的监测范围应是100μA-50mA，最大值是最小值的500倍，如果再考虑监测精度要求，一般放大电路难以满足需求，该电路的特性可满足此监测范围的需求。而电子式电流互感器应用于126kV智能站时，其主电路电流变化范围从0A-4kA，短路电流则可能更大，监测的最大值和最小值相差104倍，一般的放大电路难以满足需求，此电路的输出特性能够满足监测需求。

参考文献

［1］黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].2版.北京:中国电力出版社,2012.

［2］黄梓瑜,高文刚,谭威,范维志.宽范围微弱电流对数放大电路设计与仿真[J]. 工业控制计算机,2013(26),6:130-131.

［3］汪俊杰,盖建新,刘旭,程爽.增益连续可调宽带前置放大电路设计与实现[J]. 信息技术,2012,10:33-36.

［4］贺欣.宽带大动态AGC电路设计[J].电子设计工程,2012(20),8:167-170.