电路设计的原理

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电路设计的原理范文第1篇

关键词：板级设计；EDA工具；硬件连接检查；Perl语言

中图分类号： TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)33-1496-02

Discussion of Hardware Connectivity validation method in Board Level Design

JIANG Yuan-jun, WU Xiu-long

(School of Electronic Science and Technology, Anhui University, Hefei 230039,China)

Abstract: Based on the developing trend of board design's high-speed and complication, it is no surprise that how to shorten the time-to-market of products is an import metric for every design company. After fixing on the architecture of system and finishing the design entry, engineers can use EDA tools to do ERC check in order to reduce design errors. But EDA tools are short of the function in hardware connectivity check. In this article, we will discuss the feasibility and superiority of using a new method to go on with the hardware connectivity check, which is based on Perl (Practical Extraction and Report Language).

Key words:board level design; EDA tool; hardware connectivity validation; Perl

1 引言

目前的电子设计大多数是集成系统级设计，整个项目中既包含硬件整机设计又包含软件开发。这种技术特点向电子工程师提出了新的挑战。

首先，如何在设计早期将系统软硬件功能划分得比较合理，形成有效的功能结构框架，以避免冗余循环过程；

其次，如何在短时间内设计出高性能高可靠的PCB板。因为软件的开发很大程度上依赖硬件的实现，只有保证整机设计一次通过，才会更有效的缩短设计周期。

众所周知，电子技术的发展日新月异，而这种变化的根源，主要因素来自芯片技术的进步，半导体工艺日趋物理极限，超大规模电路成为芯片发展主流[1]。而这种工艺和规模的变化又带来了许多新的电子设计瓶颈，板级设计也受到很大的冲击，最明显的一个变化是芯片封装的种类极大丰富，功能集成度、复杂度明显增高；另外，芯片工作频率提高，使得系统工作频率的提高成为可能。而这些变化必然给板级设计带来许多问题和挑战。首先，由于高密度引脚及引脚尺寸日趋物理极限，导致低的布通率；其次，由于系统时钟频率的提高，引起的时序及信号完整性问题；第三，工程师希望使用功能更完备的EDA工具来完成复杂的高性能的设计[2]。

据此，我们不难看出，板级设计有以下三种趋势：

1) 高速时钟频率及快速边沿的设计成为主流[3]；

2) 产品小型化及高性能必须面对在同一块板上由于混合信号设计技术（即数字、模拟及射频混合设计）所带来的分布效应；

3) 设计难度的提高，导致传统的设计流程及设计方法很难胜任当前的技术。

基于板级设计的发展趋势，目前有许多厂商从事电子设计自动化(EDA)工具的开发工作，如 Cadence, Synopsis, Mentor Graphics等EDA工具供应商。EDA所涉及的领域非常广泛，包括网络、通信、计算机、航天航空等。产品则涉及系统板级设计、系统数字/中频模拟/数模混合/射频仿真设计、系统IC/ASIC/FPGA的设计/仿真/验证，软硬件协同设计等。任何一家EDA供应商均很难提供满足各类用户的不同设计需求的最强的设计流程。

2 板级电路的硬件连接验证方法

2.1 电路原理图设计流程

我们知道原理图设计是电路设计的基础，只有在设计好原理图的基础上才可以进行印刷电路板的设计和电路仿真等。电路原理图设计流程如图1所示。

原理图具体设计步骤如下[4]：

1) 新建原理图文件。在进人 SCH 设计系统之前，首先要构思好原理图，即必须知道所设计的项目需要哪些电路来完成，然后用相应的设计输入工具来画出电路原理图。

图1 电路原理图设计流程图

2) 设置工作环境。根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小。在电路设计的整个过程中，图纸的大小都可以不断地调整，设置合适的图纸大小是完成原理图设计的第一步。

3) 放置元件。从元件库中选取元件，布置到图纸的合适位置，并对元件的名称、封装进行定义和设定，根据元件之间的走线等联系对元件在工作平面上的位置进行调整和修改使得原理图美观而且易懂。

4) 原理图的布线。根据实际电路的需要，利用 SCH 提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一幅完整的电路原理图。

5) 建立网络表。完成上面的步骤以后，可以看到一张完整的电路原理图了，但是要完成电路板的设计，就需要生成一个网络表文件。网络表是电路板和电路原理图之间的重要纽带。

6) 原理图的电气检查。当完成原理图布线后，需要设置项目选项来编译当前项目，利用工具提供的错误检查报告修改原理图。

7) 编译和调整。如果原理图已通过电气规范检查，那么原理图的设计就完成了。这是对于一般电路设计而言，尤其是较大的项目，通常需要对电路的多次修改才能够通过电气规范检查。

8) 存盘和报表输出：电路图输入工具一般会提供利用各种报表工具生成的报表（如网络表、元件清单等），同时可以对设计好的原理图和各种报表进行存盘和输出打印，为印刷板电路的设计做好准备。

2.2 硬件连接验证方法的目的和验证范围

在2.1中描述的原理图设计流程中，电气规范检查是完成原理图设计的必要条件[5]。对于一个庞大复杂的系统板级设计来说，由于设计工具在硬件连接性方面的检查功能不完善，或者由于设计人员在设计中的忽视，硬件连接方面的一些错误在通过电气规范检查并报表输出后的板级设计中时有出现。在这里所说的硬件连接方面的错误主要是指：原理图中器件symbol中的芯片引脚名称与该芯片说明书中命名的引脚名称不同；没有连接的引脚；输入/输出脚的冲突；电路设计中是否按照每个芯片说明书中规定的供电电压为该芯片供电；电路设计中是否存在芯片的某一个引脚存在重复的上拉、下拉电阻或者同时存在一个上拉电阻和一个下拉电阻的矛盾情况。其中输入/输出脚的冲突包括两个方面：一是驱动芯片和接收芯片的连接引脚的信号方向是否存在同为输入或者同为输入的相悖情况，二是驱动芯片输出脚的输出高低电平和接收芯片输入脚的高低电平是否存在过驱动或者不足驱动的情况。

为了进一步分析进行硬件连接验证的必要性，以下按照连接性错误的类型逐一阐述：

1) 电路设计中是否存在未连接的节点：进行节点连接验证通常是为了确认器件的引脚是否存在没有正确连接的情况，或者是否存在孤立节点即电路设计中是否存在某器件的一个节点没有连接到其他任何器件的情况。通常情况下，电路设计人员会对电路设计中一些故意悬空的芯片引脚标注上“NC”，这种情况则不属于未连接的节点。在分析中，我们认为未连接的节点既可以是器件的一个引脚未连接，也可以是完全没有连到其他器件；对于电容，电阻和电感这样的器件，我们也需要去确定它们的两个引脚在设计中是否都被使用。

2) 电路设计中的是否存在芯片说明书中明确指出未连接时需要进行特殊处理的输入脚：进行输入脚测试的目的和进行节点测试的目的很相似。电路图中的浮空的输入脚必须被给予特别的关注，因为由于它们处于逻辑“1”和逻辑“0”的不确定性可能会给器件带来不稳定的工作状态，或者引入了电子噪声从而影响该器件的其他功能。

3) 电路设计中的是否存在错接的电源脚或者地脚：进行电源和地脚的连接验证的目的是为了确保电路设计中的每一个器件的电源和地脚都接入到正确的电源网络上。此处的“正确”包含两个方面的含义，其一是指电源脚接到电源节点，且地脚接地；其二是指电源脚所接的电压值处在该芯片说明书要求的工作电压范围之内。此外，输入脚和输出脚是否存在重复的上拉或下拉电阻，以及是否存在冲突的上/下拉电阻这两个问题也必须予以关注。

4) 电路设计中的是否存在相悖的引脚方向：

图2 纠错流程图

我们进行此部分验证所遵循的评价标准如下：

a. 所有接收器件的输入脚都至少被一个驱动器件的输出脚驱动；

b.电路设计中的任意一个特定的节点只允许连接一个输出脚；

c.输出脚不能直接和电源/地脚连接。

5)电路设计中的是否存在数字驱动脚和数字接收脚的DC特性不匹配：我们进行此部分验证是为了检查驱动脚和输出脚的高/低电平是否匹配，防止芯片存在过驱动或者不足驱动的情况出现。

6) 电路设计中的是否存在命名不一致性的情况：我们进行此部分验证的目的是检查电路设计中引脚的功能和节点命名是否存在不一致性。不一致性通常会发生在FPGA和连接性器件上，因为这些器件的引脚功能在电路设计中没有明确提及。同时，差分信号的极性连接正确性也可以在此部分检查。

2.3 硬件连接验证方法的实现

为了完成2.2中列举的板级设计的硬件连接验证，我们需要按照以下三个步骤：

1) 首先比对原理图中所有器件的供电电压、引脚信号方向、数字脚的高低电平等一系列参数是否与对应的芯片说明书的参数一致，如图2所示：

2) 其次检查原理图中所有芯片的连接，特别是没有使用的引脚的特殊处理、Open-Drain的引脚、电源的去耦电容等是否满足其对应的芯片说明书中的特定要求。

3) 最后检查原理图中所有存在连接关系的芯片中互相连接的引脚的输入输出方向是否正确，即不存在两个输入或者输出脚对接的情况；检查设计中存在互相连接的驱动与被驱动关系的芯片之间对接的数字脚的高低电平是否匹配，即不存在过驱动或者不足驱动的情况。

为完成上面提到的硬件连接验证的三个步骤，我们需要精确地比对电路原理图中的器件参数和芯片说明书中的对应参数的数值或者范围是否一致。在日趋复杂的板级设计中要准确无误地完成参数的比对工作，单单凭借设计师的经验或者肉眼观察是很难做到的，这就要求我们必须借助有效的辅助工具进行参数处理，排除电路原理图和芯片说明书参数已经匹配的连接，缩小检查的范围，最终凭借设计经验和芯片说明书的规范来锁定设计中确实存在的硬件连接错误，整个流程如图2所示。

3 结论

本文介绍了一种新的基于Perl语言[4]的数据库处理工具进行系统板级设计中的硬件连接性验证的方法，运用此方法，我们可以在系统设计的早期阶段发现系统内潜在的芯片功能性或者参数匹配方面的错误，将硬件设计的错误降到最低，便于大大提升设计一次成功率，降低设计成本，缩短产品进入市场的周期。

参考文献：

[1] 王卫平.电子工艺基础：第2版.2003年09月.北京：电子工业出版社.

[2] 集成系统PCB板设计的新技术.[2003-11-25].上海泰齐科技网.

[3] 周润景，袁伟亭编著.Cadence 高速电路板设计与仿真（第2版）.2007年09月.北京：电子工业出版社.

[4] 李刚，王艳林，孙江宏等编著.Protel DXP电路设计标准教程.2005年06月.北京：清华大学出版社.

电路设计的原理范文第2篇

关键词 模拟集成电路设计；理论与实践相结合；仿真实验

中图分类号：G642.4 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2013）30-0095-02

集成电路设计相关课程体系是各高等院校电子科学与技术、电子信息科学与技术等工科专业核心专业课程设置的重要组成部分，为大学生深入学习掌握集成电路设计的基本原理、分析方法、仿真方式等打下基础。大多数理工科高校对电子类专业开设模拟集成电路设计和数字集成电路设计的课程，对学生进行综合培养。对于模拟和数字集成电路设计，如果要深入到晶体管级进行分析和设计，那都必须进行原理的深入学习。而在现实工作中，数字集成电路设计主要是通过运用高级硬件电路描述语言基于门级对电路进行设计，晶体管级的原理分析只是理论基础。模拟集成电路设计则必须完全深入晶体管级进行分析和设计，所以模拟集成电路设计更加繁琐和复杂，对理论分析的要求也更高。

本文通过笔者多年来在模拟集成电路设计理论和实践教学中积累的经验和教学心得，对如何在繁琐和复杂的教学中使学生更好地掌握知识体系进行探讨。

1 教材的选择

1.1 国外经典教材的参考

集成电路的设计国外特别是美国要领先中国几十年的技术水平，如绝大多数高精尖端的芯片都是被INTEL、AMD、TI、ADI这样的跨国巨头所垄断，在教学知识体系方面自然是美国的高校如斯坦福、加州大学等要比国内高校更加系统和完善。美国出版的多本教材更是被奉为集成电路设计的圣经，如拉扎维编著的《模拟CMOS集成电路设计》、艾伦编著的《CMOS模拟集成电路设计》等。但是即使是被奉为圣经的教材，虽然经典，也有其局限性。如拉扎维编著的《模拟CMOS集成电路设计》对电路的理论分析非常透彻且深入浅出，却缺乏相应的仿真实验来验证其理论分析；而艾伦编著的《CMOS模拟集成电路设计》虽有部分仿真实验来验证其理论分析，但其理论分析又不如拉扎维的教材那么透彻和深入浅出。

1.2 国内教材的选择

国内的高校虽然较国外高校而言在集成电路设计领域起步要晚，差距也很大，但是在近些年国家政策的大力扶持下，已经有了突飞猛进的发展。国内也有了几本模拟集成电路设计知识讲解得比较透彻的教材，比如：清华大学王自强编著的《CMOS集成放大器设计》就从简单知识入手，讲解浅显易懂；东南大学吴建辉编著的《CMOS模拟集成电路分析与设计》分析比较透彻，讲解自成体系。但是国内出版的教材也都缺乏相应的仿真实验来验证其理论分析。

针对国内学生在集成电路设计知识领域基础比较差的现状，可以选择国内讲解得比较简单浅显的教材为主线，并以国外经典教材为参考。

2 教学方法的改进

模拟集成电路设计作为电子科学与技术专业的一门专业核心课程，比某些专业基础课程如电路原理、数字电子技术、模拟电子技术等要难度更大，也更为繁琐和复杂。如果按照传统方式进行讲解，或者说仅仅是按照教材进行理论分析和推导，那么学生很难对这门知识深入理解和掌握。因此，在教学理论知识的过程中，穿教材中没有的、可以验证其相应理论的仿真实验，这样能够更好地使学生理解和掌握理论知识。

2.1 以HSPICE仿真实验为辅助

SPICE是一种可以用于电路仿真的工具，大家所熟知的有PSPICE，它是一种可以适用于分立原件的电路仿真工具，而HSPICE是在集成电路设计领域专业使用的高精度的仿真工具。专业的集成电路设计公司和研究所都是使用UNIX或LINUX环境下的大型专业工具软件进行集成电路设计仿真，而笔者所在高校因为在此领域起步较晚，专业开设也较晚，专业实验室也并不具备，所以并不具备很好的实验条件来进行实验辅助教学。因为HSPICE具有可以在Windows环境下方便使用的小型版本的软件，所以可以很方便地用在课堂教学中。

2.2 理论与实践相结合教学

在繁琐复杂理论分析和推导的过程中，不断地穿HSPICE仿真，来验证理论分析和推导的结果，可以让学生显著加深对理论的理解和掌握。HSPICE仿真部分的内容是清华、复旦、东南大学等高校教师出版的教材里面都没有详细讲解的内容，也是他们课堂理论讲解过程中不会涉及到的知识。而在笔者所在高校以HSPICE仿真实验为辅助，结合理论教学后，取得了积极显著的教学效果，学生对理论知识的理解和课程考试成绩都得到了大幅度的提升。以2008级到2010级电子类专业的学生为例，模拟集成电路设计课程考试得优率从22%提升到了43%以上，学生对此教学方法也是高度认同。

3 结束语

在我国大力实行人才战略，强调人才培养的大环境下，笔者所在高校也响应国家号召，加强本科生培养，实施卓越工程教育，取得积极可喜的成绩。国家在近些年大力支持集成电路设计的产业发展，国内在此领域也有了长足进步，但也更加需要更多的专业人才来满足市场需求。在此背景下，本文积极探索和提高模拟集成电路设计的教学方法，取得长足的进步和发展，也得到学生的高度认同。笔者希望自己的经验和方法可以为兄弟院校相关专业的教学提供参考和借鉴。

参考文献

[1]Lazavi.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[2]Allen P E.CMOS模拟集成电路设计[M].2版.北京：电子工业出版社，2011.

[3]王自强.CMOS集成放大器设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

电路设计的原理范文第3篇

关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02

21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、军事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。

一、人才的社会需求情况

目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。

二、专业的培养目标和定位

本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。

三、本科培养方案制定的思路

电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。

四、本科培养方案的改革探索

要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：

1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。

2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。

3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。

五、与省内外专业人才培养的区别

具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：

1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个教育部重点实验室、2个国家级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。

2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字图像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。

3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。

参考文献：

[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.

电路设计的原理范文第4篇

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关键词：全波整流；有效值；运算放大器；线性光耦；隔离电压

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.011

工业测量和控制系统中，传感器输出信号为多种形式的模拟量，其多数不能被直接使用，而需要经过变送电路将其转换成统一的直流模拟信号（1～5V或4～20mA），再根据系统需要，用数据采集卡将直流模拟信号转换成可参与计算和完成过程控制的数字量。目前市场上的仪器仪表多以直流输入信号为主，而交流信号是传感器输出信号中较为多见的一种，为此需要设计一个交直流信号变送模块，将多种交流信号转换成统一的直流信号量，以便于能够被控制仪表、计算机或PLC等系统中的控制单元所识别。

该模块共由五个主要部分组成：输入缓冲电路，全波精密整流电路，光电隔离电路，线性输出电路和隔离电源。结构框图如图1所示。

输入缓冲电路

传感器的交流输出多为电压信号。为了降低信号源的负载，通常需要提高下一级的信号输入阻抗，采用以运放为核心的电压跟随器作为模块的输入级是有效的解决方式。由于传感器产生的交流信号频率范围比较宽，选择运算放大器时得考虑选择宽频，高速的特殊放大器。例如，AD711就符合这方面要求，它具有1012Ω输入阻抗，小信号输入带宽可达到4MHz[5]。

该部分为全波精密整流电路，是整个模块的核心部分。其输出电压为变送模块输入电压的绝对值，因此也叫绝对值电路[1]。二极管具有单向导电性，是常用的整流元件，但二极管非线性比较大且有一个正向导通电压，当信号幅度小于二极管的导通电压时，二极管处于截止状态，使得整流出来的信号误差非常大，为了提高精度，可利用运算放大器的放大作用和深度负反馈来克服二极管非线性和正向导通压降造成的误差。

全波精密整流电路分为两部分，第一部分由运放U1A及周边器件构成半波精密整流电路，第二部分由U1B及周边器件构成反相求和电路。详见图2。

半波精密整流电路

交流转直流变送模块作为过程控制系统信号采集的前级仪器，其直流信号输出通常是连接到二次仪表或其他数据采集模块上。为了降低输入交流信号对输出直流信号以及后级仪表干扰，采取了在模块的输入级和输出级之间增加线性光耦和隔离电源的措施。借助光耦，输入信号在经过了电压电流发光电流电压的传递过程同时也实现了信号前后级无电气联系的光电隔离。因此线性光耦是模块中实现光电隔离功能的重要器件，其性能将对整个变送模块的精度产生重要影响。此处设计采用的线性光耦是SLC800，它具有线性度好，隔离电压高，可靠性好，价格低等优点。其内部结构原理图及在此次设计中的应用电路如图4所示。

隔离电路工作原理

由SLC800的LED，二极管PD1及运放U2A组成隔离电路的信号输入部分，二极管PD2及电阻R10构成隔离电路的输出部分。假定该隔离电路的输入电压为Vi，输出电压为Vo，SLC800的LED、PD1、PD2产生的电流分别为If、I1、I2，LED发光二极管与在PD1、PD2上产生的电流比分别为K1、K2，同时PD1与PD2的电流比定为K3[2]。当电压信号经过 R7U2A+R8LEDPD1U2A-/ R9，此时运放U2A正好工作于深度负反馈中，使得SLC800产生一个稳定的输出。

从S L C 8 0 0数据手册可知，I2=K3*I1，I1=K1*If，由于If=Vi/R8，Vo=I2*R10，故：

Vo=K1*K3*（R10/R8）*Vi （3）

式（3）中K1和K3为每个芯片的特性参数[2]，因此根据输入信号范围可适当选取R8和R10的阻值，以获取合适的输出电压范围。隔离电路中R8不仅用于调节电流If大小，同时还用来调节由于芯片之间K值的分散度而导致的SLC800实际输出电压与设计值之间的偏差。

线性输出电路主要是实现线性电流的输出和调节整个变送模块的输出零点与量程。其构成及具体功能如下：

可调电阻R21和U3A组成线性输出电路的调零电路。2.5V直流参考电压从稳压管TL431获得，通过可变电阻器R21分压调节整个电路最终输出电流的零点。U3B用作光耦SLC800输出的直流电压Vo（见图4）的输入缓冲器，用来提高信号输入阻抗，降低信号的负载。

信号隔离不仅需要信号回路的前后级隔离，同时也要把信号回路前后级的供电隔离，这样以避免因干扰通过供电电源对后级输出产生影响。本次设计采用的隔离电源是金升阳公司生产的A1209D-2W，它具有体积小，隔离电压高，温度特性好等优点[4]。

电路设计的原理范文第5篇

关键词：仿真；课程设计；效果；效率

Comprehensive application for the simulation software in the course design and the measures for some problems

Xu Junyun

South China of agriculture university, Guangzhou, 441052, China

Abstract: Introduced a method for conducting students to apply the simulation software comprehensively to do course design about the power electronics system. Through analyzing the characteristics for two kinds of simulation softwares, guided students to use Matlab/Simulink to do power electronic main circuit design, and to use Orcad/Pspice to do the power electronic control circuit design, and give a useful measure for convergence problem in the simulation. The practices show that the comprehensive application of simulation softwares can effectively help students improve the effect and efficiency of the power electronics circuit design.

Key words: emulation; course design; effect; efficiency

高校实践教学是一项需要不断创新的工作，实践课教师有必要探索新的实践教学方法，改进实践教学效果。因此，笔者在本校电气工程及其自动化专业的专业课―电力电子技术的实践教学的指导方法上做了改进，引导学生采用一种综合应用仿真软件辅助电力电子电路课程设计的方法。

1 电力电子电路常用仿真软件特点分析

目前在电力电子电路设计和分析上主要采用Matlab/Simulink和Orcad/Pspice这两种仿真软件。在Matlab/Simulink仿真平台，电力电子器件模型使用的是简化宏模型，它只要求元器件的外特性与实际元器件特性基本相符，而不考虑元器件的内部细微结构，属于系统级模型。 Orcad/Pspice是不同于Matlab/Simulink的仿真平台，它构建的元器件模型除了要求元器件的外特性与实际元器件特性相符，还要考虑元器件内部的细微结构，相比Matlab/Simulink的宏模型更详细，更复杂，是属于器件级的模型，用Pspice仿真可以细致地反映元器件的工作情况。虽然Matlab/Simulink的电力电子器件模型较为简单，但是它占用的系统资源较少，因而在仿真时出现不收敛的几率相比Orcad/Pspice要少。鉴于此，可以考虑将这两种仿真软件有机结合起来，取长补短，以提高仿真的效率。

下面以一种基于TL494控制的开关电源的设计为例，介绍在电力电子技术课程设计实践教学中建议学生采用的综合性设计方法。

2 基于TL494控制的开关电源设计举例

本示例要求设计出一种以TL494为控制器件的开关电源，电源电压范围为0～12 V。要求该开关电源性能可靠，纹波电压小，控制精度高。

2.1 设计步骤1―主电路的原理电路设计

主电路的原理电路设计方案利用所学知识，学生容易确定。如本设计中的主电路可采用常规的非隔离式Buck电路，开关管采用P沟道MOSFET，驱动采用“图腾柱”电路，输出电压反馈电路由一个比例运放电路构成(如图1所示)。

图1 主电路、驱动电路及电压反馈原理电路

2.2 设计步骤2―控制电路原理电路设计

控制电路原理电路方案参照相关资料，并利用所学自动控制理论知识，学生也较容易确定。本部分要求以TL494作为控制芯片。

TL494控制原理电路(如图2所示)，1和2脚前接上两相同阻值的电阻，起到限流阻隔的作用，其中1脚接主电路输出反馈电压Vo，2脚接设定电压Vset，当改变Vset的值时，Vo和Vset经误差比较后控制PWM信号的输出；3脚经一个PI比例积分回路串上2脚，起到反馈的作用；4脚接地；5脚经一个电容接地，6脚经一个电阻接地，5，6脚共同构成振荡回路；8，11脚与12脚共同接工作电压；13脚接地，使9，10脚以并联工作方式输出。

图2 TL494控制原理电路

2.3 设计步骤3―开关电源系统仿真预设计

这个环节是整个设计的重点和难点。对学生而言，设计原理电路并不难，难的就在于如何确定原理电路中具体的元器件参数，在这方面学生缺乏经验。

2.3.1 仿真软件使用方案及问题对策

按常规设计方法，直接将Orcad/Pspice仿真软件用于电力电子电路设计，对初学者特别是学生来说，往往困难较大。学生在使用该软件的时候，很容易碰到仿真不收敛的问题，从而一筹莫展。

因此，在教学实践中，引导学生首先利用Matlab中Simulink仿真平台仿真快而不易出现收敛问题的优势进行主电路的仿真设计，较高效地确定出主电路中的电感、电容和电阻的最佳参数值。然后再利用Orcad/Pspice仿真软件进行控制电路的仿真设计。控制电路部分设计的难点在于PI参数的选择，因此要引导学生采用Orcad/Pspice仿真软件来进行。因为Orcad/Pspice是器件级仿真软件，仿真精度高，辅助控制电路参数的确定最佳。

对Orcad/Pspice在电力电子电路整体仿真中容易遇到的收敛性问题，笔者通过和学生一起分析研究、查找资料，积累了一些解决问题的经验。实践表明，这些经验对开关电源系统电路的仿真设计是有用的。下面给出一个对此问题有用的对策。

在用Orcad/Pspice进行仿真调试的时候，经常出现ERROR -- Convergence problem in transient analysis at Time =？ Time step =？, minimum allowable step size =？这个问题。一个有效的解决方法就是修改参数。系统默认参数及参数修改的方法如图3和图4所示。

图3 PSpice系统默认参数

图4 参数修改图

2.3.2 系统仿真输出波形图示例

通过对不同参数条件下仿真结果的比较，按照开关电源纹波电压小，控制精度高等要求可确定原理电路参数。下面是利用仿真平台方便的参数比较功能得出的主电路最佳仿真输出波形图及控制电路采用最佳PI参数值时系统的输出电压仿真波形(如图5，图6所示)。

图5 主电路负载电压仿真输出波形(Simulink)

图6 总电路负载电压仿真输出波形3(Pspice)

图5是在开环状态下选择出的相对最优电感、电容和电阻参数值下的负载电压波形；图6是在控制电路选用相对最优比例系数和积分电容参数时的负载电压波形。

2.4 设计步骤4―实际开关电源系统测试

依据仿真预定元器件参数构建出具体的电路。在实验室调试中，要求学生利用示波器等检测仪器分析电路中的问题，帮助进一步确定最佳元器件参数。下面是对系统进行实际测试的一些数据(见表1，表2)。

表1 输入设定电压和输出实际电压

表2 输入设定电压和输出实际电压

实验测试结果表明：本电路系统可以稳定地输出0～12 V的直流电压。

实践表明，引导学生将不同仿真软件综合应用于电力电子电路的设计，不仅能有效地帮助学生提高电路设计的效率，而且对开拓学生思维，培养学生的创新能力也是有益的。

参考文献

[1] 许俊云.实验设备的改进与使用[J].实验室研究与探索,2010,8:337-339.

电路设计的原理范文第6篇

关键词：抢答器；编码；锁存器；译码；555秒脉冲产生电路；计数器

中图分类号：TN872

目前，形式多样的抢答器已广泛应用于知识竞赛和文娱活动等场合，为各种竞赛增添了知识性、娱乐性和刺激性。为了实现竞赛的公平公正，需要设计一种性能稳定可靠、成本低、技术先进的竞赛抢答器。传统的电子产品设计需经过方案论证、原理设计、试验验证等几个过程才能完成。即消耗财力、物力和人力，又消耗时间，影响了产品投入市场的时间。随着EDA软件的出现，人们可以利用EDA软件来设计电子产品，直接在软件中进行电路的设计并能同步的进行电路功能的仿真，大大地缩短了设计周期，节省了很多的设计费用。本设计就是借助EDA软件设计了一款8路多功能数子抢答器。系统以数字集成芯片为基础，设计思路简单，电路功能齐全，具有可靠准确的判别能力，计时精确，使用简单等特点。可满足抢答器的实际使用要求。

1 抢答器实现的功能与总体设计

1.1 基本功能

（1）主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零和抢答的开始。该设计用开关J9来实现。

（2）该抢答器同时供8名选手，各用一个抢答按钮，按钮的编号分别用8个按钮J1-J8表示，与选手的编号相对应。

（3）该抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在七段数码管上显示选手号码，选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。

1.2 扩展功能

（1）抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人根据题目的要求可以自己设定（如20s）。当主持人启动“开始”键后，定时器进行到计时显示，参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止；超过定时时间无人抢答，关闭抢答器抢答功能。

（2）倒计时提醒电路，比如倒计时设定到5S，蜂鸣器就会发生，二极管等会闪烁，提醒选手加快时间。

（3）抢答器报警电路，一旦有选手在规定的时间内抢答，蜂鸣器就会发声，提醒选手和主持人注意。如果在规定的时间内无人抢答，到时间结束也要驱动报警电路，禁止任何人抢答，蜂鸣器也会发声提示。

1.3 总体设计

根据要求设计了抢答器的总体设计结构图如图1所示，由图可知该抢答器主要有定时电路、控制电路、优先编码电路、数据锁存电路、译码显示电路、倒计时提醒电路和抢答报警电路等几个主要核心电路组成。

2 抢答器设计原理

2.1 基本抢答器电路设计

基本抢答器主要有数据锁存器74LS373、优先编码器74LS147、译码器74LS47及共阳七段数码管组成。控制电路由八输入与非门74LS30和非门74LS04六反相器及74LS32二输入或门实现，用上述器件设计成的电路原理图如2所示。

74LS373的控制端有两个，～OC为H电平，输出为高阻态，～OC为L电平，正常输出；ENG为H电平，数据由D传递到Q输出，ENG为L电平，数据锁存。本设计的数据锁存器电路，～OC为低电平，8个输入的数据，低电平有效。J9为主持人清零端，当所有选手没有抢答时，J9闭合，ENG为1，数码管显示0，实现清零功能。J9断开，一旦有选手抢答，ENG为0，数据实现锁存。74LS147为10线--4线编码器，输入输出都是低电平有效，本设计只有8个选手，因此9输入接高电平。74LS147输出也是低电平有效，经过4个非门驱动74LS47七段显示译码器，74LS47的输出为低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。因此后面一定要采用共阳极数码管显示。

2.2 定时电路设计

该部分主要由555秒脉冲产生电路、十进制同步加减计数器74LS192实现减法计数电路、74LS47译码电路和2个7段数码管即相关电路组成，如图3所示。555秒脉冲产生电路输出的秒信号作为74LS192输入CP，实现减法计数。节目主持人先根据抢答题的难易程度，设定一个抢答的时间，把抢答的时间通过J10闭合预置数给计数器，J10断开后，计数器开始减法计数工作，并通过74LS147和共阳段数码显示倒计时时间，当有人抢答时，停止计数并显示此时的倒计时时间；如果没有人抢答，当倒计时时间到5S时，通过两个比较器74LS85S实现5秒到计时提醒，当倒计时时间到00时，74LS192的～BO输出低电平到控制电路，定时电路报警，同时抢答器和定时器停止工作，以后选手抢答无效。

2.3 控制电路和报警电路设计

控制电路如图4所示。控制电路是抢答器设计的关键，通过控制电路的控制，可以把基本抢答器，定时电路和报警电路联系在一起，相互控制。其工作原理是：如果有人抢答，74LS30输出高电平，LED1发光，蜂鸣器发生，抢答显示灯和报警电路指示，74LS04输出低电平，通过74LS32和74LS08，ENG为0，74LS373数据锁存，74LS04输出低电平同时通过74LS11封闭74LS192的CP信号，定时器停止计时；如果在规定的时间内没有人抢答，定时器记到00时，～B0输出一个低电平，此信号通过74LS08和74LS11使74LS373的ENG为0，数据锁存，禁止抢答，同时通过74LS11封闭74LS192的CP信号，定时器停止工作。～B0输出的低电平还可以通过74LS04驱动定时电路报警，LED4发光，蜂鸣器发声。

3 整体电路仿真调试

按上述原理设计出整个电路，用Multisim10软件进行EDA仿真调试，首先让选手的1-8的按键弹起，点击仿真按钮，主持人清零开关J9和定时器开关J10同时闭合，实现对选手抢答数码管清零和对定时器数码管置数的功能，然后断开J9和J10，让选手进行抢答，通过仿真调试，该电路完全能够实现抢答器设计要求的基本功能和扩展功能。

4 结束语

本文详细介绍了多功能8路数字抢答器的设计原理，以集成芯片为核心，采用数字电路的组合逻辑和时序逻辑电路设计思路，无需编程语言，最后通过EDA软件进行了仿真调试，仿真结果证明该电路设计合理，具有比较可靠的工作方式和更强的适用性，达到了预期的设计目的和要求，设计思路简单，该设计的芯片比较容易购买，实用性强，适合学校、公司等部门举办竞赛类活动时候使用，在实际生活中具有很强的实用性。

参考文献：

[1]聂典，丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]黄培根.Muhisim10虚拟仿真和业余制版实用技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]刘文武.基于MultisimlO的16路竞赛抢答器设计与仿真[J].现代电子技术，2011，23（34）：178-181.

电路设计的原理范文第7篇

关键词：电子设计自动化技术 数字电子技术试验 应用

随着时代与科技的不断发展，新形势下各大高校数字电子技术实验教学也随之发生改变，数字电子技术属于一门实用性强的综合型学科，只有学好数字电子技术才能为接下来电子信息后续课程打好基础。电子设计自动化设计是计算机结合集成电路下衍生的产物，现今可编程逻辑器应用范围越来越广，运用计算机编程技术可对电子设计产品进行更大程度上的优化和控制，可编程逻辑器为电子电路实验提供了新的设计方法，提高了设计电子产品硬件的便捷性，使原有的系统设计方式、核心技术得到转变，促进了电子设计自动化的发展，使其具备更加广阔的前景。

一、EDA技术在数字电子技术实验教学的优势

现阶段大部分高等院校数字电子技术实验通过使用多种实验箱，让学生自行连接电路，运用仪器对连接的电路做出检验，对其验证结果进行总结和分析。此种集成芯片设计电路连接的过程中存在较多的问题，例如电路复杂、芯片短缺、查找故障难度高、仪器及其附属设施易破坏、缺乏实验设备等，致使连接电路难度较高，学生对数字电子技术实验兴趣不高，实验效果不够理想。随着时代的发展，传统的数字电子技术实验教学也应作出与时俱进的改变，为了加大学生的学习兴趣，提高连接电路的成功率，在以往的数字电子技术实验中引进电子设计自动化技术，改变原有电路设计方法，使EDA技术下的电路设计变得更加可靠而有效。以往的数字电路设计方法只能设计出完整电路的一部分，在实际连接数字电路时会因为零件不足、性能与电路设计性能不相符等问题，致使需要重复实验，再次设计完整的数字电路并操作、验证等，此种方法过于费时，对学生而言学习兴趣不高。使EDA技术下的电路设计方法是分阶段进行，首先将整体的电路划分为多个模块，然后再设计各模块，此种方法适用性强、干扰性小，从而能够进一步保证电路连接的准确性、可靠性，EDA技术有利于推动电子产品的发展。

二、EDA技术设计的步骤

EDA技术设计数字电路首先要对系统进行全面的分析，将完整的系统分为多个独立存在的模块，然后逐一设计各个模块，对应不同模块采用不同的输入方式，在系统中就可对设计模块进行仿真模拟，验证其电路连接的正确性，待验证合格后，将设计电路图下载至存储介质。

综合是指运用电子设计自动化系统中的综合器将VHDL软件设计与硬件联系在一起，形成可行的硬件电路。综合器具备源文件整合功能，可保证综合硬件的可操作性，电子设计自动化具有逻辑综合功能，并能对设计出的数字电路进行优化，可将逻辑级电路图转变为门级电路，自动生成分析文件、网表文件及其附属报告。

综合完成之后还需运用相关适配器将网表文件对目标元件作逻辑映射，此种操作方式叫做布线布局，也叫做适配，这个过程涉及到逻辑分割、布局布线、底层器件配置、逻辑优化等内容的实施，当适配通过后系统就会自动生成时序仿真网表文件、时序仿真下载文件，大部分文件格式为JEDEC、Jam，适配对象与相关元件结构细节形成直接的对应关系。

再通过电子设计自动化系统对适配生成结果测试完成后，才能作编程下载处理，这个过程就叫做仿真。在EDA设计中最关键的步骤就是仿真，仿真是整个数字电路设计的重要阶段，运用电子设计自动化系统进行时序仿真、功能门级仿真，可从两种级别分别作仿真测试。时序仿真是指对适配通过之后生成的网表文件作仿真处理，模拟各级元件在实际运作的过程中，其元件性能的仿真实验，考虑到元件、硬件性能的特点，获得仿真结果精度较高，由系统生成的时序仿真网表文件中对数字电路各元件的延迟做出了具体说明。功能仿真主要是对设计中的逻辑功能进行仿真，分析和观测仿真结果与原有的数字电路设计功能要求是否相符，功能仿真对任意一项具体元件硬件性能、延迟等均不介绍。

经仿真验证数字电路成功后，将适配通过的下载文件、配置文件下载至存储介质，将以设计成功的文件下载至FPGA 、CPLD工具当中，便于对设计硬件进行调整及验证，再将其输入系统中作统一测试，验证设计电路在实际应用中潜在的问题，减少使用电路的差错性，不断改进问题电路，优化设计。

三、在数字电子技术实验中的应用实例

将EDA设计技术应用在数字电子技术实验教学中，以设计计数译码电路为例，通过混合输入的设计方式，具体说明自动化电子设计在数字电子技术实验中的应用。首先按照原理图设计模6计数器，其编码方式为BCD码，采用通用型集成芯片将模6计数器的编码方式转变为8421BCD码，使其成为可作十进制处理的计数工具，运用计数工具中的异步清零端，将十进制改变为六进制计数工具，具体设计电路及其仿真波形如下图1，这种方式是构建数字电路实验设计的基本设想。

在系统中运用VHDL方法来设计驱动共阴极数码管七段并将其显示出来，生成完整的、不可逆的译码电路，具体方法如下，采用VHDL语言描述出译码器，将d3、d2、d1、d0看作是显示译码器的输入口，其中X为显示译码器的输出口，假设输出口X是矢量形式，可有七个不同的数量关系值，这七个数量关系值即表示为七个不同的输出设备数码管的段码。当d3、d2、d1、d0分别对应不同的8421BCD码，译码器就会自动生成与连接外端的输出数码及其不同的对应段码，最终统一由驱动数码管将其反映出来，按照原理图输入方法设计的六进制计数工具、VHDL语言输入方法共同设计的七段显示译码器成功之后，就可利用数字电路生成系统，生成顶层功能模块，运用相应的原理图文件、VHDL语言文件对其作出调整和使用，计数译码电路层次原理图见下图2。

结束语

综上所述，自动化电子设计有利于提高数字电子技术的实验效果，此种方法设计电路灵活性较高、干扰性小，不存在硬件、仪器等相关设施的影响。将整体的电路设计划分为多个模块并进行设计，此种方式适用性较强，即使在面对复杂的数字电路设计的情况下，也能将其变得简单。

参考文献：

[1]王彩凤，胡波，李卫兵.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011（1）

电路设计的原理范文第8篇

【关键词】470MHz；功耗；通信模块

1、引言

随着计算机网络技术、传感器技术及无线通信技术的高速发展，具备以上三种技术的无线传感网络日益引起了人们的高度关注[2]。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景[3]。无线通信模块一般被布置在环境比较恶劣、无人值守区域，因此无线通信模块能量受到限制。因此，低功耗成为了无线传感器网络最重要的设计准则之一。故此，本文提出了以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为处理器模块和射频通信模块，制作470MHz频段的无线通信模块。

2、470MHz无线通信节点的总体设计

470MHz无线通信模块的总体设计分为硬件总体设计和软件总体设计，其中硬件设计方案为本文重点设计对象。硬件设计方案中重点设计470MHz频段无线射频模块。470MHz无线通信模块的总体设计中的软件设计方案是对470MHz频段无线射频模块底层驱动进行设计。470MHz无线通信节点总体设计方案和实际模块，如下图1，图2。

图1 470MHz无线通信节点总体设计方案

图2 470MHz无线通信节点实物图

2.1470MHz无线通信节点的硬件设计

为解决现有通信模块技术中存在的问题，本文提供一种支持IEEE802.15.4g标准的470MHz无线通信模块。本文主要介绍470MHz无线通信模块的硬件设计，硬件设计总体分为微控制器电路设计、无线射频电路设计、接口调试电路设计以及供电电路设计。

2.1.1微控制器电路和接口调试电路的设计

微控制器电路选用了TI公司生产的MSP430F5529芯片，该芯片是16位超低功耗微处理器，最高工作频率为25MHz，内置128K字节的闪存，同时还具有非常丰富的外设接口等。微控制器电路设计部分，包含外接接口电路设计、复位电路设计和晶振电路设计。微控制器和接口电路，如图3。晶振电路采用的是一个为32.768KHz的外部低速时钟源，另一个为16MHz的高速外部时钟源来稳定系统时钟[4]。MSP430F5529的启动方式为上电复位。主控电路模块和射频电路模块的通信方式是通过SPI来进行的。接口调试电路设计采用一个JTAG接口。JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件进行编程。

图3 470MHz无线通信节点微控制器和接口电路

2.1.2射频电路的设计

射频模块芯片选用采用TI公司的CC1200无线射频收发芯片，CC1200 器件是一款全集成单芯片射频收发器，高性能低功耗芯片，此器件设计用于在成本有效无线系统中实现极低功耗和低压运行的高性能。射频电路的设计是470MHz无线通信节点设计的核心。射频电路设计需要注意的是巴伦电路的设计、微带传输线的设计和射频电路的设计[5]。射频电路设计，如图4。

2.1.3供电电路设计

下面接收供电电路设计，电源模块采用普通的可充电的锂电池。输入电压通过AMS1117稳压芯片将电压转换成3.3V电压，为整个电路提供稳定的电源；当电池电量达不到最低电量要求时，可以通过5V电源接口对电池充电，充电芯片采用的是MCP738332[6]。供电部分电路设计，如图5。

2.2470MHz无线通信模块的软件设计

本章只是大体说下无线通信模块的软件设计，不做具体介绍。首先进行串口通信设计节点接收数据传递给上位机直观显示出数据采用串口通信方式。首先进行串口初始化通信设计。初始化完成后可通过串口给节点发送指令来控制节点的数据通信。还有射频模块主程序设计先要配置射频寄存器参数本设计可以通过配置射频寄存器参数来选择信道，中心频率，发射功率，传输速率等系统参数。在设置发送命令给射频芯片，微控制器芯片将发送命令通过SPI传输给射频芯片可以改变射频芯片的工作模式。射频可以通过一些配置来控制射频芯片工作机制的设置，例如中断设置，模式设置，数据包处理设置等。

图4 470MHz无线通信节点射频电路设计

图5 470MHz无线通信节点供电电路设计

3、实验测试

根据国家标准GB/T 15629.15-2010《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网》中针对470MHz测试的性能指标要求，提出470MHz无线射频模块射频性能总体测试方案，包括发射功率测试、通信距离测试。

3.1发射功率测试结果

将模块通过连接线连接到设置好的频谱分析仪（N9010A）上，读取数据并截图，如下图

图6 模块功率测试

由上图可知，模块的最大发射功率为14.61dBm，并且基本没有带外杂散辐射，符合标准。

3.2、通信距离测试结果

抽取两个节点，分别下载发送和接收程序，两个模块进行点对点的测试（两点距离为1.2公里处），通过串口助手将数据打印出来并分析，结果如下表

表2 实际通信距离测试

4、结论

本文根据无线传输原理、无线射频电路设计技术及无线传感网技术，重点研究巴伦电路设计、微带传输线设计及PCB设计技等关键设计电路，完成设计470MHz频段无线传感网节点，以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为微控制器模块和射频通信模块，设计完成模块，使模块能够实现通信模块的通信距离达到1200m和发射功率达到14dBm等方面的一系列技术指标。

参考文献

[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，04：114-124.

[2]戴莹.无线传感器网络在智能电网中若干关键问题的研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[3]AkyilidizIF，SuW，Sankarasubrmaniam Y， et al.Wireless sensor networks： a survey[J].Computer Networks，2002，38（4）： 393-422.

[4]刘旭.基于IEEE802.15.4g的无线通信系统开发与研究[D].山东：山东大学，2013.