时间：2023-10-10 16:08:37
在非微电子专业如计算机、通信、信号处理、自动化、机械等专业开设集成电路设计技术相关课程，一方面，这些专业的学生有电子电路基础知识，又有自己本专业的知识，可以从本专业的系统角度来理解和设计集成电路芯片，非常适合进行各种应用的集成电路芯片设计阶段的工作，这些专业也是目前芯片设计需求最旺盛的领域；另一方面，对于这些专业学生的应用特点，不宜也不可能开设微电子专业的所有课程，也不宜将集成电路设计阶段的许多技术（如低功耗设计、可测性设计等）开设为单独课程，而是要将相应课程整合，开设一到二门集成电路设计的综合课程，使学生既能够掌握集成电路设计基本技术流程，也能够了解集成电路设计方面更深层的技术和发展趋势。因此，在课程的具体设置上，应该把握以下原则。理论讲授与实践操作并重集成电路设计技术是一门实践性非常强的课程。随着电子信息技术的飞速发展，采用EDA工具进行电路辅助设计，已经成为集成电路芯片主流的设计方法。因此，在理解电路和芯片设计的基本原理和流程的基础上，了解和掌握相关设计工具，是掌握集成电路设计技术的重要环节。技能培训与前瞻理论皆有在课程的内容设置中，既要有使学生掌握集成电路芯片设计能力和技术的讲授和实践，又有对集成电路芯片设计新技术和更高层技术的介绍。这样通过本门课程的学习，一方面，学员掌握了一项实实在在有用的技术；另一方面，学员了解了该项技术的更深和更新的知识，有利于在硕、博士阶段或者在工作岗位上，对集成电路芯片设计技术的继续研究和学习。基础理论和技术流程隔离由于是针对非微电子专业开设的课程，因此在课程讲授中不涉及电路设计的一些原理性知识，如半导体物理及器件、集成电路的工艺原理等，而是将主要精力放在集成电路芯片的设计与实现技术上，这样非微电子专业的学生能够很容易入门，提高其学习兴趣和热情。
2非微电子专业集成电路设计课程实践
根据以上原则，信息工程大学根据具体实际，在计算机、通信、信号处理、密码等相关专业开设集成电路芯片设计技术课程，根据近两年的教学情况来看，取得良好的效果。该课程的主要特点如下。优化的理论授课内容
1）集成电路芯片设计概论：介绍IC设计的基本概念、IC设计的关键技术、IC技术的发展和趋势等内容。使学员对IC设计技术有一个大概而全面的了解，了解IC设计技术的发展历程及基本情况，理解IC设计技术的基本概念；了解IC设计发展趋势和新技术，包括软硬件协同设计技术、IC低功耗设计技术、IC可重用设计技术等。
2）IC产业链及设计流程：介绍集成电路产业的历史变革、目前形成的“四业分工”，以及数字IC设计流程等内容。使学员了解集成电路产业的变革和分工，了解设计、制造、封装、测试等环节的一些基本情况，了解数字IC的整个设计流程，包括代码编写与仿真、逻辑综合与布局布线、时序验证与物理验证及芯片面积优化、时钟树综合、扫描链插入等内容。
3）RTL硬件描述语言基础：主要讲授Verilog硬件描述语言的基本语法、描述方式、设计方法等内容。使学员能够初步掌握使用硬件描述语言进行数字逻辑电路设计的基本语法，了解大型电路芯片的基本设计规则和设计方法，并通过设计实践学习和巩固硬件电路代码编写和调试能力。
4）系统集成设计基础：主要讲授更高层次的集成电路芯片如片上系统（SoC）、片上网络（NoC）的基本概念和集成设计方法。使学员初步了解大规模系统级芯片架构设计的基础方法及主要片内嵌入式处理器核。丰富的实践操作内容
1）Verilog代码设计实践：学习通过课下编码、上机调试等方式，初步掌握使用Verilog硬件描述语言进行基本数字逻辑电路设计的能力，并通过给定的IP核或代码模块的集成，掌握大型芯片电路的集成设计能力。
2）IC前端设计基础实践：依托Synopsys公司数字集成电路前端设计平台DesignCompiler，使学员通过上机演练，初步掌握使用DesignCompiler进行集成电路前端设计的流程和方法，主要包括RTL综合、时序约束、时序优化、可测性设计等内容。
3）IC后端设计基础实践：依托Synopsys公司数字集成电路后端设计平台ICCompiler，使学员通过上机演练，初步掌握使用ICCompiler进行集成电路后端设计的流程和方法，主要包括后端设计准备、版图规划与电源规划、物理综合与全局优化、时钟树综合、布线操作、物理验证与最终优化等内容。灵活的考核评价机制
1）IC设计基本知识笔试：通过闭卷考试的方式，考查学员队IC设计的一些基本知识，如基本概念、基本设计流程、简单的代码编写等。
2）IC设计上机实践操作：通过上机操作的形式，给定一个具体并相对简单的芯片设计代码，要求学员使用Synopsys公司数字集成电路设计前后端平台，完成整个芯片的前后端设计和验证流程。
3）IC设计相关领域报告：通过撰写报告的形式，要求学员查阅IC设计领域的相关技术文献，包括该领域的前沿研究技术、设计流程中相关技术点的深入研究、集成电路设计领域的发展历程和趋势等，撰写相应的专题报告。
3结语
关键词：虚拟仪器；交直流电；检测仪表；课程设计
虚拟仪器是计算机以及计算机网络发展的产物，代表先进电子测量技术的发展前沿，也是未来仪器仪表发展的趋势。加紧虚拟仪器的研发是顺应时代的要求，同时也可以促进电子仪表的发展。[1]基于多功能数据采集卡和LabVIEW软件平台开发的交直流电检测仪表，具有结构简单、成本低廉、性能卓越、操作方便以及功能丰富等特点，已经在众多领域得到了广泛的应用。[2]
国内各大高等院校对测控技术与仪器专业都开设了相应的智能仪器仪表相关课程设计，但是其中大多数都是采用传统的测试仪器对数据进行测量，属于验证性设计题目。为了让学生更加了解测量原理及仪器电路设计，将此次研究与设计引入到学生的课程设计当中，通过搭建硬件电路并使用LabVIEW虚拟仪器编程语言进行软件编程，以设计一种可以对交直流电压及电流进行检测的虚拟仪表。
一、设计平台介绍
虚拟仪器实验系统实际上就是将LabVIEW和NI数据采集设备相结合，综合应用得到一个LabVIEW的实验产物，它包括硬件和软件两部分：硬件包括一台可运行LabVIEW的计算机，一块多功能数据采集卡；软件则包括NI-DAQ、LabVIEW开发环境、可针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEW API。[3]
二、设计思路
此次设计的交直流电检测仪表需要实现直流电压、直流电流、交流电压以及交流电流的测量。通过配置DAQ数据采集卡，进行实时数据的采集并传入计算机，LabVIEW软件可以完成数据的处理以及信号的显示。设计主要包括六个模块：
参量切换。不同的信号量转换电路不同，通过参量切换开关，将待测信号引入不同的转换电路。
档位切换开关。档位切换开关的作用主要有：降低输入信号幅度，保护后续电路，增加测量精度等。
信号调理电路。由于计算机容易识别电压及频率信号，所以需要先将待测信号转换为以上两种可识别信号。
配置数据采集卡。通过LabVIEW应用软件平成对数据采集卡的配置及虚拟通道设置。
数字I/O模块。本模块实现通知计算机当前采集的信号类型以及信号切换档位，为后续信号处理做铺垫，通过ELVIS面板上的数字I/O实现。
LabVIEW软件编译。通过编程实现对采集数据的处理及显示。
三、交直流电检测信号调理电路设计
信号调理电路主要是在ELVIS平台上搭建，实现将待测信号转换为可供计算机识别的信号。所用的元器件是分立元器件，主要包括：电阻、电容、运放、晶体管以及开关等。
1.电流测量电路
对电流的测量需先将待测电流转换成电压，计算机通过采集电压，进而得知电流值的大小。为了提高测量的精度，可以采用无源I/V转换电路。电流经过电阻R和电容C构成的RC低通滤波器，滤除电流信号中的高频噪声。电路中加入限幅二极管可以保证进入电压跟随器的电压不超过5V，从而起到保护后续电路的作用。
2.电压降压电路
对高压的测量通常采取降压测量的方式。设计中采用简单电阻网络，配合开关切换将待测电压通过1∶10或1∶100的比例方式降压。
3.交流电压测量电路
对于交流电压采用峰值检波电路进行测量。峰值检波电路是一种检测周期信号在某一周期内峰值的电路，通常可以通过采样/保持电路实现。当输入信号幅值大于上次采样时，电路处于采样状态，当输入信号小于上次采样时，电路处于信号保持状态，从而实现输入信号的跟踪。设计中可以采用两片LM358双运算放大器构成电压跟随器。
4.过压保护电路
过压保护电路的作用是为了防止输入电压过高，进而损坏电路以及芯片。本设计中主要采用二极管双向限幅保护电路。
5.编码开关
编码开关是一种常见的开关，接触电阻小，对于要求多路电气切换的电路来说是不错的选择。常见的多路编码开关有4路、6路、8路以及10路。此次设计采用8路编码开关。由于计算机在采集时只是识别电压以及频率信号，所以并不知道输入的待测信号类型和量程，通过人工手动切换的方式，再配合计算机智能的检测功能，可以实现人机交互。将编码器一端的8个端口全部接ELVIS工作面板上的数字地，另外一端接数字I/O口，在编码开关未接通时，8个数字I/O口默认高电平，一旦哪一位的开关闭合，其电位将拉低，数据采集卡将识别并上传计算机。所以必须对该8个数据位进行编码，并让计算机记录这些编码。
四、基于虚拟仪器的交直流电检测仪表程序设计
此次设计的交直流电检测仪表，采用自动测试功能，我们只需完成硬件调理电路中档位切换的人工操作以及数据采集卡的配置即可，然后通过LabVIEW软件就可以自动采集、处理获取到的数据并在前面板显示信号的属性以及幅值。[3]LabVIEW程序设计如图1。
该程序中包括一个While Loop结构，三个嵌套Case Structure结构。While循环里面首先实现ELVIS的数字I/O口电位读取，然后将读入的数据传给第一个Case结构。第一个Case结构通过数字I/O口编码值的大小，判断当前测量信号的类别，然后启动相应的虚拟通道。采集到的电压或者频率信号与数字I/O口的编码值一同传到第二个Case结构。第二个Case结构首先判断用户启用信号的量程开关，然后对采集到的电压信号进行处理，还原原信号值的大小，并通过采集的电压信号判断用户手动切换的档位开关是否错误。如果采集电压超过或者低于设定的阀值，可判断其出现误操作。通过两个判断语句驱动第三个Case结构，第三个Case结构完成两个任务，其一是将经过还原后的信号值转换为符号量以便用于显示，其二是决定是否报警提示。程序具体分为以下几个模块。
1.数字I/O模块
本模块的设计是为了让计算机知道所采集信号的类别，以及信号处于什么档位。采用LabVIEW所带的ELVIS驱动程序，可以采集ELVIS原型板上8位数字I/O口电位的高低。默认状态下，该8位数字I/O处于高电平，可以通过连接开关接至ELVIS工作平台的地。[4]
2.电压读取模块
可以通过DAQ底层数据采集模型进行电压的采集。[2]数据采集卡PCI-6251所能采集电压信号幅值为10V，连续周期性对虚拟通道进行采样。由于所采集的是一个稳定的直流电压，所以对采样率的要求较低。本设计中通过多次采样求均值的方式，减小测量中的误差。
3.频率测量模块
程序中通过DAQmx模拟通道采集信号，然后利用自定义的一个子采样VI实现对输入信号频率的判定。[5]此处设定采样率为1MHz，所以待测信号的频率带宽为0.5MHz。模拟通道采集1M个数据点以后（1MHz的采样率），通过一个自定义的子采样VI，判断这些数据点里面有多少个过零的点，即可知道该周期信号频率的大小。
4.交流信号幅值和频率采集模块
对于交流信号的采集，除了要获取交流信号的幅度以外，还要采集交流信号的频率，所以对于交流信号的测量需设计两个采集任务。[6]由于信号通过峰值检波电路变成直流信号，较低的采样率就能采集到信号的幅度，而对于信号频率的采集需要较大的采样率，虽然DAQmx可以设置对多通道即多任务的采集，但是对于采样率的必须以频率最大的信号进行设计，这样将造成浪费。为了获得更高的速度与性能，对于交流信号的幅值与采样率采用图2的设计方式。
五、数据检测结果
1.直流电压测试
测试采用ELVIS平台自带幅度可调电源，配合DT9205数字万用表，通过幅度调节旋钮，输出0～10V之间的直流电压。测试结果如表1，可以看出，除了低电压信号测量较差，其他幅值的信号测量精度较好，误差不超过6%，且对直流电压的测量有较高的分辨率。
2.交流电压测试
用设计的交直流电检测仪表对信号发生器输出的不同幅值和频率的电压信号进行测试，通过表2可以看出对于低频信号的交流电压具有较好的测试结果，当信号频率大于10kHz以后，检测性能受到影响，对频率的响应与LM358的频带宽度有关。
由于受设备限制，只能对10V以下的低压进行测量，但是10V以下的低压具有很好的测量结果，对高压信号只需进行电阻分压就能测量，理论上对高压测量同样会有较好的质量。
六、结论
本次交直流电检测仪表的研究与设计在功能和性能方面都得到了较好的完善，具有成本低、设计简单，精度与稳定度高的特点。为了将理论教学与实践教学相结合，并贯穿整个本科人才培养过程，我们对测控技术与仪器专业的本科生课程设计培养方案进行了改进，将此次交直流电的设计引入到本科课程设计当中，学生们的综合素质和创新能力都得到了明显提高。此设计在学生们中反映良好。
参考文献：
[1]龙华伟，顾永刚.LabVIEW 8.2.1与DAQ数据采集[M].北京：清华大学出版社，2008.
[2]沙占友.李学芝.中外数字万用表电路原理与维修技术[M].北京：人民邮电出版社，1993.
[3]郑丽娟，杜祥岭.基于LabVIEW的数据采集系统[J].科技创业月刊，2006，（7）.
[4]黄松岭，吴静.虚拟仪器设计基础教程[M].北京：清华大学出版社，2008.
“数字信号处理”课程是高等学校电子信息类专业的主干课程，理论概念复杂抽象，涉及到大量的数学推导过程，学生理解和掌握起来有一定难度。因此，很多高校以MATLAB软件作为仿真平台，完成一些基本理论和数字滤波器设计理论的仿真实验，这样对于学生理解数字信号处理的基本概念和理论有一定的帮助，但如何结合相关理论设计实际的DSP电路系统成为课程教学发展的主要瓶颈[1][2][3][4]。因此，我系开设了“DSP电路设计”课程，通过基于模型设计的现代电路设计流程，采用MATLAB软件和Xilinx公司的Zed Board开发板作为实践的软、硬件平台，为学生提供一个实现DSP系统较为完整的工程实现方法和流程。
1.基于模型设计的现代电路设计流程
Simulink[5]是基于模型设计的开发平台和工具，对动态系统进行模拟、仿真、分析。Simulink提的系统基本模型库包括各类信号源，信号终端，各种线性和非线性器件、连线、插件等;Simulink提供两种HDL代码自动生成工具：（1）HDL Coder可以将用户自定义的函数、Simulink 模型、和State?ow图生成简洁、可综合的 VHDL或者Verilog代码。（2）Filter Design HDL Coder可以将DSP系统工具箱设计的定点滤波器生成简洁、可综合的VHDL或者Verilog代码。电路的综合、布局布线、实现工具由Xilinx公司的ISE或者Vivado完成，整个设计流程如图1所示。
图1 基于模型设计的现代电路设计流程
2.理论课程部分
理论课程部分主要立足与Xilinx公司的ZedBoard板卡的硬件资源，并补充一些与实际应用紧密相关理论预算法。主要包括定点数与浮点数、数据量化、关键路径分析、加减乘除电路、乘累加单元电路、FIR滤波器、IIR滤波器在FPGA上的实现。为了锻炼学生实际系统的设计能力，还增加了CORDIC算法和在基带电路广泛应用的级联积分梳状 CIC（Cascade Integrator Comb）滤波器相关内容。通过理论知识与实际DSP系统的紧密衔接，帮助学生对理论知识的进一步深入理解。
3.实验课程部分
实验课程部分包括两部分：基础设计实验和综合设计实验[6]。实验平台软件采用Simulink完成模型设计与代码转换，Xilinx公司的Vivado完成代码的综合、布局布线、FPGA电路实现;硬件采用Xilinx公司最先进的7系列ZedBoard开发板。将先进的硬件和基于模型设计的现代电路设计流程融入到实验教学环境中，直接业界流行的工程开发流程接轨，这样有利于学生在未来工作环境中适应力德提升。
（1）基础设计实验
基础设计实验主要以模仿和验证为主，使学生快速掌握基于模型设计进行DSP系统的开发流程，熟悉ZedBoard开发板的硬件相关资源，为后续综合设计实验奠定良好基础。基础设计实验主要分为三 部分。
第一部分通过建立一个简单的DSP系统，让学生熟悉利用基于模型设计的现代电路设计流程实现DSP系统，并完成FPGA开发板上的调试。通过该部分实验，学生可了解 浮点系统与定点系统的区别，运算电路的数据溢出，数据位宽的量化，以及如何根据芯片逻辑资源规划电路的实现，进一步理解实际系统与理论的区别与联系。
第二部分设计一个复杂、完整的DSP系统，如图2所示。该系统包括信号源的输入和相关滤波器的设计，通过软硬件协同仿真的方式加深学生对于理论仿真与系统实际仿真的区别，提高学生在线调试DSP系统的能力。
图2 基于模型设计的软硬件协同仿真DSP系统
图3 GSM系统中的DDC滤波器组成
第三部分是主要是一些与课程理论相关的一些新技术知识的应用实验，例如GSM（Global System系for Mobile Communications）统中的DDC（Digital Down Converter）滤波器设计。输入信号的采样率为69.333MHz，输出信号的采样率为270.832MHz。为了满足设计规范要求，该DDC由三级滤波组成，如图3所示。第一级为CIC滤波器;第二级为补偿FIR滤波器，补偿第一级通带内的衰减;第三级为编程可调的FIR滤波器，完成DDC滤波器的总的通带增益和采样率调整。该实验涉及知识面有一定深度、模型设计复杂，实验的完成使学生进一步提高整个DSP系统的设计能力。
（2）综合设计实验
课程末期安排学生分组完成综合设计，设计题目是结合教师的教学工作和相关科研项目提出，例如：基带系统的信道编码系统设计、语音信号的数字滤波系统设计、图像信号消噪声滤波系统设计等。学生确定题目后，根据设计要求和实验平台，查阅资料，进行系统设计。实验成后现场演示实验结果，采用答辩方式说明设计思路及方案，提交实验设计报告。通过完成综合设计实验，学生可以提高团队合作的能力、综合应用相关知识解决实际问题的能力，为未来的实际工作奠定基础。
1电动机控制电路控制
芯片STM32F103RB是一款基于ARMCortex－M3内核的32位单片机，价格便宜、使用简单、开发方便．其片内资源丰富，含有128kB内部存储器（flash）、串行总线IIC（inter－integratedcir－cuit）、定时器TIMER、串口USART、实时时钟RTC、直接存储器DMA以及12位数字模拟转换器ADC等模块．定时器TIMx的输出比较功能可产生PWM信号，输入捕获功能可采集测量传感器位置信号．12位的ADC模块可以直接用来采样测量外部电压值（＜5V）．IIC模块可以对日历／时钟芯片进行信息写入和读取．STM32芯片的这些模块和功能都较大方便了系统的软硬件设计．控制芯片电路图．控制芯片STM32实时测量6路霍尔位置信号，按照预先设定的程序，输出相应的6路PWM（pulsewidthmodulation）波和6路控制信号给功率开关管驱动电路芯片IR2103，通过控制功率开关管的导通顺序，实现电机的正反向转动和制动．芯片的PC1，PC2，PC3，PB5，PB6，PB7等6个端口分别采集上、下电机的位置传感器信号．通过激活设置这些端口相应的定时器计数模块，来计算电机转速和电机转动长度．PB13，PB14，PB15，PA8，PA9，PA10等6个端口输出PWM波．调整PWM寄存器的计数频率，就可改变PWM的占空比．PA1，PA2，PA3，PC7，PB0，PB1等6个端口输出驱动管开关电路控制信号，控制MOS开关管通断．NRST，JTRST，JTDO，JTCK，JTMS，JTDI等6个端口为JTAG接口，用来下载调试程序．PB10，PB11复用USART3＿TX和USART3＿RX串口，PC11和PC12复用IIC＿SDA和IIC＿SCL端口，分别与外接控制器和PCF8563时钟芯片进行指令、数据传递和读取．PC0，PC4，PC5，PA4启用ADC模块，检测电路电压和电流．两个晶振Y1和Y2分别为8MHz和3768kHz，提供外接晶振时钟源．
2功率开关管
驱动电路功率开关管驱动电路由上、下2组3个驱动控制芯片IR2103和6个功率开关管P75NF75组成．1个IR2103连接2个功率开关管，通过驱动开关管开闭，控制电机相电流通断及流向，使电机内定子电流不断变向，从而生成变化磁场，推动永磁转子运转．IR2103依单片机发出信号控制上下MOS管通断，通过调整和控制MOS管开关频率，调节电机输入电流，实现对电机速度调节．IR2103驱动芯片设有对输入信号的死区时间保护，有效保证同一驱动电路中两个MOS管不同时导通而发生短路．图3为电动机的一相驱动电路，其余两相电路相同．当输入信号PWM和COM为高电平时，Ho输出高电平，上MOS管导通，＋24V直流电压经AU给电机供电；当PWM和COM为低电平时，Lo输出高电平，下MOS管导通，相电流从电机经AU接电源地．
3霍尔信号采集
电路霍尔信号采集电路用来测量电机的霍尔信号．其采用一个上拉电路、RC滤波电路和二极管钳位，保证测量信号在0～5V．端口TIMx定时器模块启用，在每次任一路霍尔信号输入发生变化后开始计数．利用霍尔信号的周期性，可计算电机速度，通过计算T时间内时钟脉冲λ个数k，得到f＝1／T＝1／kλ．根据电机转动一周的霍尔信号的周期数，就可计算出电机转速．
4检测电路对三相星型六状态
永磁无刷直流电机，只要在任一相电流和电源之间串接一个阻值为0．01Ω的电阻RT1作为检测电阻，经采样电路转变为电压信号DCT，就可测出电流值．当测量值大于预设值时，控制芯片发出信号封锁MOSFET管，电机停转．电压检测电路采用LM358双极性放大器，通过比较3．3V电源电压、3．3V备用电池电压和地之间的电位，可检测电源电压的状态．对＋24V电源的检测，采用电阻分压方法，并联100nF电容滤除杂波．
二系统软件设计
软件编程在Keil的RVMDK4．70上用C语言完成．电机控制板程序由串口中断及参数设置程序、时间扫描及电机工作程序两部分组成．串口中断程序用来接收串口信号，进行握手判断，进入参数设置子程序；否则，进入时间扫描程序．时间扫描程序用来定期读取日历芯片的时间参数，判断是否运行或结束电机工作程序．电机工作程序用来控制电动机工作．首先，电机顺时针转动，同时测量转动长度，当到达一个广告画面的长度时停止转动，静止时间即为设定的广告画面的展示时间；电机继续顺时针转动翻页、静止展示，直至最后一张画面展示完毕．电动机开始逆时针转动重复以上过程，转动翻页—停止展示—转动翻页，循环转动直到系统判断结束时间停止转动．图4为电机控制板程序的流程图．
三结论
【关键词】电子实验；虚拟实验平台；LabVIEW；教学改革
1 教学现状与虚拟实验平台开发工具的简介
电子信息工程专业有两个显著的特点：一是，学科知识比较抽象，比如模拟电路、数字电路、信号与系统课程等等。二是，对学生的实践和动手能力要求比较高，并且还要学会与自己上课学的理论知识紧密的联系在一起。现在大多数高校的实验教学基本上是一个模式，老师上课前先讲实验的基本内容，然后老师演示一遍，学生照着老师的演示做一遍得出相同的结果，实验课就这样结束。这样，学生根本就学不到实验的基本技能，而且会导致他们的动手能力和思考能力的下降，不利于激发学生地创新性思维。
虚拟技术的出现，改变了传统仪器单一的现状。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的又有显著区别：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G语言编写程序，产生的程序是框图的形式。在编程过程中用图标代替文本行创建应用程序，而且还拥有丰富的函数库和工具包，使用非常方便，可以采用自上而下的理念开发相应的模块[1]。
LabVIEW软件开发的程序一般都由VI（虚拟仪器）组成，所有的VI（虚拟仪器）包括前面板和程序框图两部分。前面板是和用户交互的界面，程序框图是设计者设计流程。用户可以通过前面板输入数据，按照编写的程序以数据流方式进行计算，最后将结果反馈到显示控件上，用户直观的得到结果[2]。
2 虚拟实验平台的思路和基本框架
本实验平台包括《电路分析基础》课程中常见的电路实验，比如RLC串联谐振电路、二阶电路的零输入响应、支路电流法、节点分析法、一阶低通电路的频率响应。每个实验都是根据电路分析实验指导书上的实验原理、教学目标、实验内容和步骤设计。然后通过LabVIEW软件编程、设计人机交互界面达到更好的效果。虚拟实验平台的基本框架如图1所示，本文以支路电流法来阐述怎样利用LabVIEW实现实验设计过程。
用支路电流法可以验证基尔霍夫电流定律，基尔霍夫电流定律的基本内容是：对于任一集总电路中的任一节点，在任一时刻，流出（或流入）该节点的所有支路电流的代数和为零。所以可以根据基尔霍夫电流定律的基本内容来设计支路电流法实验。利用LabVIEW图形化编程的特点，在前面板上放置8个数值型输入控件，设置好相应的单位，分别代表电阻、电压，且数值均可以调整。然后在前面板放置5个显示控件，用来显示5条支路上的电流。通过修饰控件，可以在前面板建立电路图，如图2所示。
使用MathCript节点生成线性方程组的系数和已知向量[3]，就可以求解方程组。利用选项卡控件可以添加实验目的和实验步骤，通过程序的调试和几次实验验证，实验结果可靠准确，支路电流法实验设计完毕。
将设计的5个实验添加到一个容器中，LabVIEW里面的函数就可以调用VI（虚拟仪器）。生成的菜单如图3所示。
3 结语
随着虚拟仪器技术的发展，传统仪器设备寿命周期短以及不利于资源共享的缺点愈来愈凸显。结合我校实际，本文设计了我校电子电路虚拟实验平台，经过不断的调试已成功用于实际实验中，且实验效果较好。后续我们将继续完善该虚拟实验平台并在适当范围内进行推广，以期获得更好的教学改革效果。
【参考文献】
[1]吴俊.基于LabVIEW的虚拟实验室研究[D].南昌：南昌大学，2012.
关键词：ASIC；设计流程；数字集成电路
中图分类号：TN742 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 16-0028-02
进入21世纪以后，通信技术的发展与人民生活需求的不断增长，导致集成电路的需求出现井喷式的增长。集成电路分为专用集成电路和通用集成电路。相比通用集成电路，专用集成电路面向特定用户，品种多，批量少，需求设计和生产周期短，同时功耗更低，重量更轻，体积更小，性能更好，成本更低等优点。因此涌现出来一大批数字集成电路（简称ASIC）设计公司。其中，北京的微电子集成产业园和上海的张江微电子园集中了国内很多的芯片设计（简称IC设计）公司和国外顶尖IC设计公司驻中国研发部。而专用集成电路是现在集成电路设计的研究热点。包含有数字集成电路（简称ASIC）设计、模拟ASIC设计、数模混合ASIC设计、射频ASIC设计等类型。本论文研究集成电路中最为广泛的数字ASIC设计。ASIC设计过程总共分为5个阶段，分别为：项目策划、总体设计、详细设计与可测性设计、时序验证与版图设计、流片与整理。这5个阶段以文档的递交作为完成阶段性完成任务的分界点。本论文也将以此5个阶段为主线进行研究和讨论。
一、项目策划
在集成电路设计的第一个阶段是项目策划。这就需要开发团队在正式进入是实质性研发阶段之前，需要对该产品潜在的市场需求进行调研。根据调研的结果，做出可行性报告。将此可行性报告提交市场和研发部门进行论证，讨论该产品研发的正确性与否。如果可行，则写项目任务书，用以给出明确的产品性能的大致说明，项目进度、研发周期管理等的。
二、总体设计
第二阶段是总体设计。总体设计阶段的主要任务是：认真分析市场的需求，确定设计对象以及设计目标。在原先第一阶段给出的项目任务书的基础上，进一步充实芯片的功能确定，内外部性能的要求，芯片验收的参数指标。同时要积极组织各方面的人员论证各种实现可行的系统实现方案，选择最佳的实现方案，敲定最终的系统实现方案，以及加工工程，工艺水平。在系统实现方案完成之后，需要是使用仿真软件进行系统设计，并进行仿真，进行可行性验证。通过仿真结果，来初步估计产品的最终性能。这一阶段所做的工作，最终以系统规范化说明书为任务完成的标准。在系统规范化说明书中，主要包含有晶片面积的估计；．产品研发预算估计；初始的产品系统结构设计；风险分析；设立产品的目标、可行性和里程碑；设计路线和开发工具的选定。其中需要指出的是进行系统设计以及系统仿真的可行性分析。可行性分析是第二阶段最重要的一个环节，它是对该项目的利润模型、开发周期和风险性的分析。一方面，该ASIC开发项目的最终产品是替代目前的一个成功产品，则成本降低与功能增强是项目最突出的任务。另一方面，该ASIC开发项目旨在开辟新的市场或者替代目前尚未成功的产品，研发时间将是项目中首先关心的文图。由于项目的研发策略会对整个项目的结构设计、开发等产生巨大的影响，项目规划者需要根据项目的具体情况在正式研发阶段开始之前对项目的这些驱动因素进行归纳分析，以制定项目的研发策略。
三、详细设计与可测性设计
数字研发流程走到此，如果前面的任务全部走完，那么研发将进入实质性的开发阶段。这一个过程又拆分为如下的模块：
（一）顶层模块划分
顶层设计是一个富有创造性的阶段，在这个阶段，要定义产品的顶层架构。许多经典的工程折中问题都需要在这个阶段做出决定。产品的开销、设计的开销、产品上市时间、资源需求和风险之间的对比也是顶层结构设计过程中的一部分。这个阶段中的创造性思维对于产品的成功有着极大的影响。创造性可以体现在产品的创意、顶层架构设计创意和设计流程的创意等方面。这个阶段的工作主要由少数具有结构设计和系统设计才能的高级工程师参与。这一阶段的具体任务是：讨论几个顶层结构备选项；分析这几个顶层结构选项——需要考虑技术灵活性、资源需求及开发周期等；完成顶层结构设计说明；确定关键的模块(如果需要，这些模块可以尽早开始)；确定需要使用的第三方IP模块；选择开发组成员；确定新的工具；确定开发路线/流程；讨论风险；预估硅片面积、输入输出引脚、开销和功耗等。这个阶段需要递交的文档则是这个阶段需要递交的文档：结构设计文档与ASIC开发计划文档。在结构设计文档中，设计者需要清楚地描述电路板、软件和ASIC的划分。通常ASIC作为系统中的一个重要部分，它的功能需要在顶层结构设计说明中详细的描述。ASIC开发计划：这个计划必须经过项目管理人员的验收通过。同时，还需要完成设计线路描述文档。这个文档要再次定义项目开发中所需要的工具、技术和方法。
（二）模块级详细设计
模块级详细设计，顾名思义，则是将顶层结构合理地划分成一些更小的模块。各个小设计模块间需认真细致的合理划分。划分着需要确定功能功能，模块与模块之间的联系等等。为了明了给对方展示划分结果，ASIC的层次化结构一般以图示方式表示。
本阶段的任务分别为：将顶层架构分解成更小的模块；定义模块的功能和接口；回顾上一阶段完成的初始项目开发计划和顶层结构设计文档；风险进一步分析；开发规范(代码编写风格，开发环境的目录结构）；检查芯片设计规则(晶片温度，封装，引脚，供电等)；还需要做的工作是重新估计芯片的门数。本阶段输出的则是各个模块的设计文档，以及准确的项目研发计划。同时，从该阶段开始，需要设计人员将ASIC的生产商必须确定下来。项目管理者必须与ASIC生产商建立例会制度，在这些例会中需要讨论ASIC的结构和设计路线。因为ASIC生产商有他们的一套生产流程和他们自己的技术特点，设计也需要遵循他们的设计规则。以免设计走不必要的弯路，耽误设计进度。
（三）模块实现
模块设计阶段，则是以文档引导设计。主要任务为：模块及设计、编码、测试和综合；芯片级的测试环境设计、编码和测试；给出一个更准确的芯片面积估计。在这个阶段，编码的测试一般使用VCS或者是modelsim软件。代码综合使用的综合器包括Synopsys公司的DesignCompiler或者SynplifyPro，Candence公司的BuilderGates等。这个阶段输出所有的模块设计、代码和模块织的测试；初始的模块级综合；最终决定的芯片引脚。
（四）系统仿真，综合和版图设计前门级仿真阶段
该阶段的主要任务是：撰写系统测试文档；编写测试伪代码；进行RTL（硬件描述语言）级与门级仿真；记录跟踪问题的解决过程，如可能，使用错误自动报告系统进行错误的反馈和修改；检查芯片设计是否满足设计规范；开始撰写芯片的使用指南；自行编写综合脚本，进行设计综合(这个时候就需要掌握TCL脚本的简单写法)；依据芯片特性，大致画出芯片内模块摆放的方法成功地完成第这个阶段输出的条目如下：验收过的系统仿真；所有的RTL级仿真和门级仿真完成及测试报告；综合后的网表。
四、时序验证和版图设计
ASIC设计的第四部分是时序验证和版图设计。这个阶段是通过时序分析来指导版图设计。主要的流程如图1所示。
这个阶段需要多次进行预布局布线，从整个电路中提取出所有时序路径并计算信号沿在路径上的延迟传播，进而找出违背时序约束的错误(主要是SetupTime和HoldTime)，这些信息添加进入下一轮布局布线方案，尽最大可能的合理布局布线，通过一次次的仿真确定最终的版图信息，并将最终版布局布线之后的版图进行后仿真。这些工作进行完毕以后需要输出物理设计与设计验证两个文档。物理设计(PhysicalDesign)是VLSI设计中最消耗时间的一步.他的工作是将电路设计中的每一个元器件（包括电阻、电容、晶体管、电感等）以及这些元器件之间的连线转换成集成电路制造所需要的版图信。而在版图设
计完成以后，非常重要的一步工作是版图验证。版图验证主要包括有设计规则检查(DRC)，版图的电路提取(NE)，电学规则检查(ERC)和寄生参数提取(PE)。对版图进行布局与布线不仅不要丰富的专业知识，同时更需要很多模拟电子以及布线的经验。布局布线使用的工具一般为SocEncounter。SOCEncounter采用层次化设计功能将芯片分割成多个小块，以便单独进行设计，再重新进行组装。SOCEncounter首先读入RTL或门级网表，并快速构建可准确代表最终芯片（包括时序、布线、芯片大小，功耗和信号完整性）的芯片“虚拟原型”。通过使用物理虚拟原型功能，设计师可以快速验证物理可行性并在逻辑上进行必要更改。在布局布线的时候，需要首先指定IO，电源和地的布置，制定平面布置、插入时钟树等工作之后，才可以进行开始使用工具进行自动的布局布线。最后得到的布局布线的结果仍然需要手工调整，才可以得到合理的设计版图。
五、流片与整理阶段
数字集成电路设计的最后阶段为流片与整理阶段。在完成版图设计之后的仿真和综合之后，网表被送去生产。生产签字文档将作为设计者和生产厂商之间的ASIC生产签字的根据。这个文档清楚地描述了网表的版本号、ASIC生产商所需要的测试向量、质量意向和商业上的问题等。签字之前，ASIC生产厂商需要仔细检查设计者提供的网表文件、版图设计结果和测试向量。通常ASIC生产厂商要求测试向量在签字之前是经过仿真的，这是一个比较长的过程。在样片返回设计公司以后，仍然需要测试芯片；用错误报告数据库跟踪测试中出现的错误；分析失败的测试例；对ASIC中出现的错误进行定位；针对ASIC中出现的错误，确定在网表中的改动；评估芯片的工作电压范围和温度范围(环境测试)；进行与其他已有产品的互通性测试。确保生产的集成电路达到最初规定的性能与设计指标。
综上所述，由于底层工艺技术的不断变化，以及新工具厂商的出现，ASIC设计流程会出现一些流程上的调整，这个流程也不是一层不变。本论文所讲述的是现在各个IC设计公司通用的设计流程。
参考文献：
[1]我国数字频率合成芯片获突破性进展. /news_show.asp.
【关键词】无刷直流电机 AVR PID控制
1 永磁无刷直流电机控制器硬件电路设计
控制器硬件电路主要由两大部分组成：一部分是控制电路，包括DC/DC开关电源、LM317T三端稳压电路、MOSFET驱动电路、隔离保护电路和接触器触点驱动电路组成；另一部分是核心控制电路，主要以Atmega88pa微处理器为核心，包括霍尔信号采集电路、母线电流采集电路和RS485通信接口电路。
1.1 霍尔位置信号采集电路设计
在永磁无刷直流电机中，霍尔位置传感器探测转子旋转磁场的位置。微处理器通过采集霍尔位置信号进行逻辑处理，决定三相功率逆变桥的开关次序。电机中的霍尔位置传感器的输出形式为开漏输出，想要获得准确的霍尔位置信号，控制器对应的信号采集电路必须设计上拉电阻。同时为了防止无刷直流电机线圈中的强磁场和MOSFET驱动电路中高频PWM信号的电磁干扰，霍尔位置信号采集电路应设计低通RC滤波器进行保护。
1.2 功率MOSFET驱动电路
功率MOSFET驱动电路的主要功能是控制三相功率逆变桥高低端MOSFET的开关动作。为了实现MOSFET在高频PWM信号调制下的正常开关，驱动电路必须满足响应速度快、驱动电流大、抗干扰性强等特点。本设计主要采用IR公司生产的MOSFET专用高低端驱动芯片IR2010来满足设计需求。利用IR2010驱动单相功率逆变桥高低端MOSFET的电路如图3所示。AVR单片机输出的驱动信号分别控制IR2010芯片的HIN、LIN和SD端口，控制高低端MOSFET的导通和关断。根据电机霍尔位置信号，AVR单片机会输出对应的驱动信号到三片IR2010芯片，控制三相功率逆变桥的有序开启，实现对电机正反转和转速控制。
1.3 RS485通信接口电路
为了便于电机控制器软件设计时进行数据调试和故障诊断，利用AVR单片机内置的USART（通用同步/异步串行接收/发送器），结合MAX485通信芯片实现了串行通信功能。RS485通信接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好，传输距离远。
1.4 保护电路设计
母线电流过流保护功能是控制器硬件电路设计考虑的重点内容，关系到控制器的运行安全。本设计采用软硬件相结合的方式进行解决，不仅能够有效保护控制器和负载电机的安全，同时能够在此基础上充分发挥电机的过载能力，提高车辆的运行效率。母线电流过流保护电路首先需要解决的是母线回路中电流的高精度采集问题。本设计采用霍尔互感器进行电流采样，采样信号经放大电路进行放大后输送给AVR单片机进行处理运算。霍尔互感器可实现功率回路与控制回路的电气隔离，同时具有线性度好、精度高、动态响应快等优越的电气性能。当母线电流值进入过流保护点后，AVR单片机会自动降低PWM驱动信号的占空比，减少MOSFET的导通时间，降低母线电流。
2 控制策略及软件设计
2.1 控制策略
控制策略选择地好坏直接关系到控制系统的性能。对于任何控制系统来说都有三个基本要求：稳、准、快。其中“稳”是最根本的要求，“准”是稳态要求（稳态误差要小），“快”是动态要求（超调量要小，调节时间要短）。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制中。无刷直流电机调速系统是一个多变量、强耦合的非线性系统。
2.1.1 PID控制原理
数字PID控制算法分为位置式PID算法和增量式PID算法。由于位置式PID算法，要计算u（k），不仅需要本次的偏差信号e（k）和e（k-1），而且还要在积分项把历次偏差信号e（j）进行相加。这样，不仅计算繁琐，而且为保存e（j）还要占用很多内存。因此在基于单片机控制的直流无刷电机系统中，多采用增量式PID算法来进行转速控制。
2.2 软件设计
单片机系统每次复位后，首先执行初始化程序，再开启中断功能，执行主程序。当系统有中断请求时，调用并执行中断服务子程序。初始化程序包括系统时钟设定、定义中断向量、初始化I/O端口、设置控制寄存器和初始化各种功能模块等。
3 测试结果
测试条件下和控制器进行匹配测试的是6KW永磁无刷直流电机，直流电源采用72V/150Ah免维护铅酸蓄电池组。测试过程中，电机运行稳定，调速效果良好，控制器性能达到设计要求。
4 结束语
该控制的设计以安全、可靠和稳定为目标，所设计的控制器具有较完善的保护功能，自我诊断和故障回复功能并具有良好的扩展能力，便于硬件升级，该控制器硬件电路简单、成本低，便于操作和维护。
参考文献
[1]郭海英.微机控制PWM直流调速系统的设计[J].机电工程技术，2006，35（5）：88-90.
[2]田颖，陈培红，聂圣芳，等.功率MOSFET驱动保护电路设计[J].电子电力技术，2005，39（1）.
[3]刘波.永磁无刷直流电机控制系统研究[J].煤矿机电，2010（2）：17-19.
作者单位
关键词：变电站； 二次设计； 设备； 注意事项
中图分类号： TM411 文献标识码： A 文章编号：
在变电站运行过程中，二次部分主要对一次设备的工作状态进行实时监控与调整，以发挥有效的保护作用；在设备与系统的日常运行过程中，通过有效的调节措施，及时应对各种可能出现的故障或风险，对支持电力系统稳定运行发挥至关重要的作用。随着各种自动化技术、信息技术的发展，以及我国电力需求量的不断增加，对二次设备的功能也提出全新要求，因此提高设计的可操作性、可行性，将成为必然发展趋势。
变电二次设计要点
1.1 变电站的后台系统
在以往变电站综合自动化系统的设计过程中，后台监控机的选择问题往往被忽视。由于系统后台监测控制设备需要持续不间断的运行，对处理数据的要求非常高，运行效率较快，并且时刻处于强电磁环境中。因此在设计过程中，应客观考虑各种影响因素，重点强调恶劣环境中的设备运行稳定性。以我国大多综合性自动化变电站的设计来看，一般采用家用机或者商用机作为后台监控设备，但是在运行过程中经常出现故障，难以确保工作的顺利开展，甚至造成变电系统的不安全运行因素；因此为了确保该设备的安全性、稳定性运行，在设计过程中可以为后台监控机设备配置不间断的高品质电源[1]。
在设计过程中，应考虑采取交直形式，以两路输入电源为主，一路为可两用的逆变器，另一路为变电源。在正常运行的情况下，只采用站用变交流电源即可，而通过逆变之后，已经形成净化的交流电源，可供后台监控设备使用。如果站用电已经消失，此时直接启动直流系统中的直流电源，完成逆变交流之后，可供后台监控设备运行所用；如果站用电已经恢复，可保持正常运行状态，则采取站用电进行供电。一般情况下逆变器容量约为500-1000VA。通过采用逆变器形式，可有效避免后台运行的交流电源发生中断，减少站用电流的波动性，有效控制谐波干扰问题，获得良好效果。
1.2 零序保护作用
对于110kv以及110kv以上的电压系统，一般出现单相接地故障的可能性较大。因此在保护线路中，通过零序电流保护形式快速将单相接地故障切除。一般情况下，零序电流保护中的电流为3I0，电压为3U，以方向元件形式作业。
1.3 母线电压的切换作用
在变电站中采取双母线接线形式，对于每个间隔中保护作用所需要的直流电源、二次母线电压等，都可以通过正在运行的母线辅助接点，完成二次切换过程。在运行过程中，如果隔离倒闸所用的辅助接点发生故障，可能造成保护失压问题，并以此引发误动作，后果不堪设想。因此为了解决这一问题，可以将切换继电器改变成双位置继电器，就可有效改善这一问题[2]。如果断路器处于I母运行中，此时I母的刀闸中常开接点呈闭合状态；而双位置的继电器动作圈为带电状态，则ZJ1的常开接合点处于闭合状态，同时以I母电压作为保护装置。在运行过程中，如果I母刀闸的常开接点发生接触不良现象，则ZJ1动作圈就会失电，此时ZJ1的常开接点不会自动返回。通过这一运行过程，可有效确保母线刀闸的正常运行，同时避免保护误动作的发生。
变电二次设计的注意事项
在变电二次设计过程中，往往忽略了一些细节性问题，而正是细节的失误，可能引发无法挽回的损失。这种细节的问题，可能在调试过程中不会发现、在运行过程中也不会表现出来，但是一旦发生某一节点的故障，细节问题将成为最后的“推动剂”。因此结合以往工程经验，加强对二次设计的细节关注，非常重要。
2.1 二次电缆的设计
二次强调主要指直流110v电源与直流220v电源；二次弱电则是24v以下的直流电源。如果出现强电传入弱电回路现象，其引发的事故后果不堪设想。随着微机型二次装置的应用与完善，可有效保障装置的抗干扰能力，同时不宜设计过多的电容量。在直流电源的回路中，全站等效电容是非常重要的因素，如果不能加强注意，可能给交流回路进入直流回路提供可能性。因此在二次设计时，应充分考虑交直流回路之间、强弱电回路之间的干扰问题。另外，强电与弱电、交直流等不能共用一根电缆，在对保护屏的端子进行排列过程中，应注意将强电、弱电以及交直流端子分隔[3]；为了更好地避免电磁干扰问题，确保微机保护设备的正常运行，应该加设抗干扰电容器，对于保护装置中的电压、电流以及信号引入线等，应该选择屏蔽电缆。
2.2 防控二次寄生回路问题
在变电站的二次设计过程中，不允许某一个独立保护的回路连接到另一个独立保护的专用端子中，避免引入直流正电源或者负电源。但是这一问题却往往在二次设计中被忽视。对于一套独立的保护装置来说，如果直流回路并没有全部来自该保护中，那么不会对运行过程产生过大影响；但是一旦需要处理运行缺陷，并且需要将二次接线打开，那么二次回路中电阻的分配就会出现变化，进而形成寄生回路，引发保护误动现象[4]。
在设计专用电源端子过程中，应考虑端子排是否设计充足，且确保端子排中每一颗螺丝都压在一根线中。对于不同熔断器的供电装置或者不同端子对供电系统实行的保护装置，在直流逻辑回路之间不能产生任何联系，如果不能避免，则应该采取空接点形式进行输出[5]。对于保护装置来说，无论是内部回路还是外部回路，都必须应用本装置中的内部电源，而外部联系的回路则为无源性质，否则可能造成不同电源之间产生寄生回路，对电源造成破坏作用，需引起足够重视。
2.3 典型设计回路问题
在常规性的保护设计中，具有诸多典型的设计方案，但是随着综合化系统、自动化运行系统以及新型一次设备等应用，很多典型设计的回路已经不适应现场实际情况，必须作出相应调整，才能更好地发挥效应[6]。例如，在常规的变压器保护设计过程中，一般以过流保护电流的继电器中常闭接点串入到有载调压的操作回路中。如果变压器发生过流反应，并且过流继电器发生动作，则长闭接点就会断开，此时有载调压回路就不再发生作用，进而实现过流闭锁的有载调压目标。随着各种各样综合化、自动化系统的应用，在微机保护系统中，过流闭锁调压继电器大多以小型继电器为主，还有一些采用集成块式的继电器，而个别接点与常用模式有所区别，主要通过光电隔离器而实现接点作用，但是与常规接点相比，普遍存在断弧容量小的问题，在实际运行过程中也可能烧坏继电器。
因此，为了解决这一问题，就必须采用过流闭锁调压设备，将小型的直流接触器启动，然后接触器中常开接点与有载调压操作回路进行串入设计，完成对公共回路的调压闭锁功能。这样，就可有效避免继电器中接点短弧容量有限的问题，也可避免交流动力回路进入到微机保护装置中，减少强电磁干扰，确保电路稳定运行。
参考文献：
[1]殷浩敏.变电站改建工程的电气二次设计[J].云南电力技术，2010（4）
[2]逯彦江，张琦.谈110k综合自动化变电站的电气二次设计[J].建材发展导向，2011（10）
[3]王帆，马海龙.浅析综合自动化变电二次设计过程中的细节问题[J].北京电力高等专科学校学报：自然科学版，2011（12）
[4]蔡建威.变电站二次继电保护设计方法及问题[J].城市建设理论研究（电子版），2012（14）
>> 一种用于14 bit SAR ADC的DAC设计 一种16位高速数模转换器（DAC）的设计与实现 一种适用于时分系统中的DAC校准方法 一种带斐波那契译码的高精度电流舵DAC 12位200MHz电流舵DAC的设计 采用LMS数字校准的13位200MSPS ADC设计 基于Verilog―A的14位200MHZ电流舵DAC建模 一种CMOS电流源的设计 一种大电流高输出阻抗电流镜的设计 Microchip首款集成16位ADC、10 Msps ADC、DAC、USB和LCD的PIC单片机 一种极化雷达校准信号源的设计与实现 一种靶场测速系统校准方法与装置的设计与实现 一种通过DAC调节DCDC输出电压的电路方案 一种用于SAR ADC的高能效高面效DAC 一种基于分频链的时钟校准方法 一种低电压低静态电流LDO的电路设计 一种基于电流反馈放大器的忆阻元件实验平台设计 基于单片机的一种数控电流/电压源设计 一种带电流检测非互补式PWM产生电路设计 一种无运放电流模式带隙基准设计 常见问题解答 当前所在位置：
关键词：校准技术；电流DAC；分段结构
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.2.012
引言
在许多信号处理和无线电通讯设备中，D/A转换器是限制整个系统精度和速度的关键器件[1]。随着CMOS集成电路技术的不断发展和DAC结构的不断创新，现在采用亚微米或深亚微米CMOS工艺可实现高速、高分辨率的DAC。本文介绍了一种采用分段电流舵DAC结构，在保证高速采样的同时，使积分非线性误差（INL）和微分非线性误差（DNL）达到最小化，从而设计完成了一种基于0.35μm CMOS工艺的14位 210MSPS DAC。该转换器采用分段电流沉，在该结构中，5位最高有效位控制31个电流源，4位中间位控制15个电流源，5位最低有效位直接控制二进制权电流源。由于通信系统要求DAC具有高精度的满量程输出电流和良好的动态性能，而输出电流精度主要受带隙电压基准源控制，动态性能则主要受电流转换驱动电路和电流源开关控制，因此本文在分析14位DAC系统结构的同时，也分析了内置的带隙电压基准源、分段电流源开关序列布局和电流开关驱动电路，其中带隙电压基准源可以通过管脚实现外部基准电压源截止和取代。最后给出了基于0.35μm 1P3M CMOS工艺的14位DAC的设计仿真和测试结果。
1 DAC转换器结构
2 线性度保证
影响DAC线性度的主要有两种误差来源：随机误差和系统误差。随机误差主要指由于工艺的变化带来的电流源失配引起的误差。我们通过 Monte-Carlo仿真工艺变化引起的良率变化，可以确定单位电流源的允许变化范围。根据文献[2]可知，两个单位电流源的标准偏差是偏置电压和沟道尺寸的函数。
3 关键电路设计
3.1 参考电源设计
对于高分辨率转换器，参考电源是整个电路的基准，应该特别稳定和精确，与电源、工艺变化关系甚微。现代CMOS工艺中带隙参考基本具备这些条件，因此我们选用带隙参考源。如图2所示。
图2中，Q1、Q2、Q3、Q4和Q5是寄生的衬底PNP三极管，可在标准的CMOS工艺中实现。Q1和Q2，Q3和Q4都以射随器的形式相连，这样可以减小运放失调引起的误差。Q5面积是Q3的2倍，I5、I4、I10和I11是尺寸完全相同的晶体管，I22的宽长比是I4的2倍，它们的栅电压由负反馈运放的输出提供，它们的作用是作为电流源，为各个支路提供偏置电流。电阻R1的作用是使A点和B点的电压产生差值，从而使基准源起作用。电阻R4和R5在PTAT电流之路上，通过它们的分压，产生一个基准电压REFI，REFLO端则是用来控制Q5，使该支路起作用产生REFI的。下面，就通过计算详细地介绍本设计基准源的工作原理。
图3示出了用spectre仿真器对基准源在-55℃-125℃的范围内进行温度扫描的结果，如图3。
从图3可以看出，带隙电压的温度相关性曲线是一条抛物线的形状，在室温时，该曲线达到顶点，这很符合设计要求。从图3我们可以算出电压基准源的温度系数为15ppm/℃。
3.2 高速电流开关及开关信号设计
电流开关设计的关键参数是导通电阻和时钟馈通。为了减小开关上的电压降对电流源线性度的影响，开关的导通电阻必须很小。对时钟馈通，我们采用了差分反向抵消技术和沟道电荷吸收技术，可以有效地减小信号馈通引起的失真。另外，我们采用了摆幅限制电路来提高电路工作的速度。
开关信号的设计对D/A转换器的性能也有比较大的影响，对高速高性能应用，必须保证开关信号的驱动电路足够快和精确，而且要尽量减小抖动和浪涌的产生，必须认真进行设计。
本设计中电流开关包括电流开关驱动电路和电流控制开关两部分。电流开关驱动电路产生用于控制电流开关的信号，因此是对DAC的动态性能影响最大的电路模块之一。电流开关驱动电路的前级电路是同步锁存器，电流开关驱动电路根据同步锁存器的互补输出信号驱动电流开关。电流开关驱动电路对输入信号进行缓冲，并为电流开关提供尽可能好的控制信号。开关信号的设计对D/A转换器的性能也有比较大的影响。因为我们是对电流源进行开关，必须保证电流开关不能完全关断，否则在关断时会使电流源输出电压飘向电源电压；而当开关打开时，由于电流源两端的电势差不能突变，否则会引入较大的浪涌。极端情况下，电流源的晶体管可能进入线性区，使输出阻抗变糟。为了避免这种情况发生，我们采用差分开关结构，这样就始终存在电流通路。开关信号应保持完全匹配，使浪涌降低到最小程度。另外，应保持开关信号的上升时间和下降时间尽可能相等。
电流开关驱动电路及其仿真结果波形如图4所示。
在本设计中，电流开关是PMOS管差分对的结构，并设计在同一N阱中，从而较好地避免了开关噪声和浪涌能量等不利影响。同时为了降低时钟馈通的影响，我们加入了冗余晶体管结构。电流开关电路结构如图5所示。图5中的电流开关由6个PMOS管组成，M1和M2并联，M3和M4并联，他们构成了一对差分开关，而M5和M6是冗余晶体管。信号IN1与IN2是上级电路――电流开关驱动电路输出的互补开关控制信号，由于他们的高电平是comp2，所以本电路中晶体管的衬底都接comp2，这样就能够降低偏衬效应引起的噪声。
3.3 电流调整电路
本设计可以通过熔丝编程技术，对高中低位的电流进行调整，从而降低芯片的INL、DNL和增益误差，使芯片的性能得以提高。对电流的调整需要控制成比例电流的添加或抽取，但是此控制要通过电流源开关实现，控制这些开关的就是熔断丝电路阵列。在编程熔断状态下，通过编程来熔断相应的熔断丝，以使该熔断丝电路控制的电流源开关处于常开状态，从而实现对芯片线性度的永久修正。编程端口对熔断丝阵列的控制是通过行列译码器实现的。
4 测试结果
通过电路和版图优化设计，以及采用校准技术，转换器性能有了较大提高。表1给出了采用0.35μm 1P3M CMOS工艺得到的样片电路测试结果。在输出5.04MHz（@SPAN 4MHz）时，其SFDR为84.9dB。
参考文献：
[1]Yang C，et al.A serical-link transceiver based on 8-G samples/s A/D and D/A converters in 0.25-μm CMOS.IEEE J.Solid-State Circuits，2001，36（NOV）： 293-301
[2]Bastos J，et al.A High Yield 12-bit 250-MS/s CMOS D/A converter.IEEE custom integrated circuit conference.1997：431-434
[3]孔瀛，王宗民，许军.一种16位高速数模转换器（DAC）的设计与实现. 电子产品世界，2014（1）：71-73
摘要：指出灯饰工程供电设计中存在的特点；针对这些特点提出设计中应引起足够重视的几个问题：如供电半径，配线型式，保护方式，过电压防护等；并通过分析提出解决的方法。
关键词：供电半径 保护 过电压
随着国民经济发展的突飞猛进，全国各大城市纷纷投巨资搞起了灯饰工程，夜景也因灯饰工程被誉为“城市名片”，然而由于其使用功能的特殊性，灯饰工程供电系统存在一些与常规建筑供电设计有所区别的问题，提出来与同行们探讨。
1.灯饰工程供电系统的特点及问题
1.1灯饰工程供电线路及配电设备均设于室外，受一年四季温差及风吹日晒的影响较大，并易受雷击作用，运行环境相对恶劣。设计时应重视漏电保护问题；防雷问题；配电系统接地故障保护问题等。
1.2 灯饰工程中照明器使用量较大，且分布范围较宽。设计时应注意选择合适的供电半径：合适的漏电保护动作电流。
1.3灯饰工程照明光源普遍采用气体放电光源，启动电流大，启动时间长，有时有较强的三次谐波产生。设计时应重视保护电器保护特性的选择。
2.问题的解决方法
2.1供电半径的确定。供电半径直接涉及到变配电站配置的多少，供电半径既应满足电压损失的要求，又应满足单相短路保护灵敏度和接地故障动作时间的要求，以聚氯乙烯绝缘电缆线路为例，假设线路上流过的电流为线路额定载流量的90％ ，保护长延时脱扣器整定电流In为线路额定载流量的90％，瞬时脱扣器整定电流为5In，则满足线路电压损失
2.2 供电线路型号规格选择。由于运行环境恶劣，应选择绝缘强度较高的电缆作配电线路，另外，考虑供电半径要求，截面选择考虑在10-35mm：之间较为合适。这样配电半径可达250m-420m。
2.3 系统接地型式可选择TN-S或IT系统
2.3.1选择TN―S时为保证使用安全，应在各回路设置漏电保护装置。其漏电动作电流计算方法如下：
(1)线路部分漏电电流：
VV-5X35穿管敷设7OmA／I(m；VV一5x25穿管敷设70mA／km；
VV-5X16穿管敷设62mA／km；VV-5X10穿管敷设56mA／km；
(2)荧光灯(金属构架安装)：每套0.1mA；高强气体放电灯漏电数据不详。以一条VV-5x35回路为例，若配电距离为400m，回路上接300套2x36w荧光灯组成的灯带，则该回路漏电计算电流I为：I=70mA／kmx0.4km+30(O0.1mA=58mA为保证配电线路漏电保护装置不误动作，则漏电保护器的漏电保护动作电流Iop应为：Iop>3.3xi=3.3x58=192mA因此，应每回路单独设大动作电流(3OOma)的漏电保护器，不能几回路共用―套漏电保护器。
2.3.2 选择IT系统。众所周知，IT系统发生第一处相接地故障时，故障电流为另两相对地电容电流的向量和，故障电流很小，不构成对人体的危害，可不中断供电以提高供电可靠性，但应对系统加装绝缘监视器，以便及时发现并排除故障，以免发生第二处相接地故障。IT系统不宜配出中性线，否则当中性线绝缘破坏时，因绝缘监视器不能检出故障，此时IT系统就变成 TT系统运行。因此，当为某灯饰工程设专用变压器时，可考虑采用1010．23kV的变压器，中性点对地绝缘运行。此外IT系统的保护必须满足相应的GB的要求，可采用漏电保护或过电流保护。
2.4 回路自动空气开关保护特性的选择
2.4.1由于灯饰工程照明光源普遍采用气体放电光源，特别是高强气体放电灯，启动电流大且时间长，为避免自动空气开关误动作，其保护特性应选择瞬时动作电流倍数大，能躲过启动电流的开关。
2.4.2灯饰工程照明具有很强的同时性，为避免变压器启动时过载，应分回路启动。
2.4.3灯饰工程中由于使用一些产生谐波较重的光源以及在控制回路中采用开关电源，为避免TN-S系统中中性线过载，中性线应有足够的截面，例如等于或大于相线的截面。
2.5过电压保护。灯饰工程的线路和设备均安装在室外，为防止大气过电压沿线路传人变电站引起变压器绝缘破坏，应在配电箱处设避雷器作过电压保护。
3.结论
综上所述，由于灯饰工程照明配电的特殊性，在进行系统设计时，应在以下方面加以足够重视：①供电线路应采用电缆线路，截面在10~35mm2之间。②供电半径为满足接地故障保护要求(同时一定满足电压损失要求)，应根据所用电缆截面大小，限制在250m~420m之间。③采用TN―S配线型式时动作电流应根据计算确定，每回路设单独的漏电保护器。④对灯饰工程专用的变配电系统，可考虑采用IT配线型式，使用10／0．23kV中性点绝缘变压器。
参考文献:
关键词：直流电子负载;恒流源;模数转换;软件开发
中图分类号：TN722.77 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）03-0083-02
随着现代技术的发展，恒定电流源的应用将十分重要。恒流源是可以稳定提供某种电流的电流源，在电子设计中得到了广泛应用，且在很多单元电路中都是不可缺少的。本设计要求我们自制一个范围为100 ～1 000 mA数控恒流源，它可以通过按键进行100 mA的步进，而且精度为±1%，要求本系统可以实时测量并显示负载两端的电压（精度为±（0.1%+0.1%FS））和流过负载的电流（精度为±（0.2%+0.2%FS））。设计需要制作恒压源，且恒压输出值为5 V，误差为小于2%，设定最小输出电流为1 A，纹波值与噪声值小于20 mV。并用数控恒流源来测量自制电源的负载调整率。
1 方案设计与论证
1.1 稳流源设计
1.1.1 三种设计方案
方案一：采用具有稳流作用的二级管或三级管，虽然稳流精度较高，但电流的稳定范围受到很大的限制，通常只有数十毫安，达不到设计要求。
方案二：采用线性可控稳流源。此方法需要调整不断调整电阻值的大小，实现连续可调的功能，且能够实现1～ 3 000 mA的电流输出。我们通常采用两种方法来调整输出电流：可以采用调整可调电阻来不断调整输出电流，但此法不能实现数字连续可调的要求;也可以采用数字电位器来调整电阻值，此法固然可以满足设计要求，但该器件的电阻步进值偏大，很难满足对输出电流的线性调整。
方案三：使用电压控制电流源电路。依靠调整稳流源的供电电压，利用改变输入电压值来调整电流的输出值压控恒流源利用MSP430给出调节量，经数/模转换变为模拟信号，后经大功率场效应管进行电流放大。单片机对输出电流进行连续地、实时的跟踪，利用单片机作为输出反馈环节，由单片机调节功率管进行恒流输出。
即便负责发生变化，输出电流几乎保持不变，如此以来，靠着简单的电流闭环反馈系统就可以实现输出电流值与设定值保持一致。
1.1.2 方案选择
方案一虽精度高，但是恒流范围小;方案二步进调节不便，且调节精度不高;方案三利用数字调控来保证恒流源性质的电流输出，不仅实现了设计功能，还简化了系统的操作，故此方案最佳。
1.2 电流源电路
方案一：采用开关稳压电源，其输出电流大，能满足输出1A电流的要求，其元器件较少，但是其纹波较大，不太好滤除。
方案二：采用三端线性稳压电源，其有结构简单、性能优良、调试方便、价格便宜等显著优点，而且能提供的最大电流可达到1 A，重要的是它的纹波较小，可以实现输出纹波<20 mV。
方案选择：根据上述比较，我们采用方案二。
2 系统总体设计
2.1 系统框图
本系统由MSP430单片机、D/A转换器、恒流源调整电路、电压取样放大电路、A/D转换器、液晶显示等部分组成，系统框图，如图1所示。
2.2 单元电路设计
2.2.1 VCCS的设计
压控电流源是整个电路的重要组成环节，其主要功能是用输入电压对输出电流进行连续调控，在此设计中，指标对于输出电流的范围和控制精度有较高的要求，因此设计好压控恒流源电路是一项很重要的工作。单元电路图，如图2所示。该VCCS电路由集成运算放大器、大功率MOSFET-Q1、取样电阻元件R3、输出调整电阻R1等构成。
对于单元模块中的调整管，我们选用大功率MOSFET-IRF
640。之所以选用MOSFENT，目的是便于实现输入电压对输出电流的线性调节，既可以实现对最大输出电流值2 A的设计指标的要求，更能够很好地达到利用输入电压对输出电流的连续地、线性的调节。
在此电路中，场效应管是工作在饱和状态去的，其漏极漏电流Id非常接近由栅源极电压Ugs进行控制的输出电流值。也就是说，当UD为定值时，我们有：
ID=f（UGs），
只要UGs不变，Id可以保持恒定。
在这个电路模块中，R3为采样元件，利用多股康铜丝为材料（因为康铜丝的阻值的温度系数很小），大小为0.1 ？赘。同时，利用把仪用运算放大器OPA340设计成电压跟随器电路，由于Ui=Up=Un，MOSFET的Id=Is（栅极电流太小，可以忽略不计）， 故有：
Io=Is=Un/R3= Ui/R3
这样以来，我们就实现了利用输入电压UI对输出电流Io进行调节，即输出电流不因负载电阻的改变而改变，最终实现电压控制恒流源的目的。
2.2.2 输出电流取样电路
输出电流取样电路图，如图3所示。
设计要求测量恒流源的电流输出值，我们选择输出回路中接入取样电阻，将输出电流转变为输出电压值的方法来获得电流输出值的测量。为减少对负载电路的影响，选取的采样电阻值应尽可能的小，实际中我们选用的阻值为0.1。由于采样电阻很小，因而其两端的电压也很小，不能直接将其电压送入A/D芯片中，我们需要先进行放大。在放大部分，我们选用了TI公司的OPA340，其为一款仪用放大器，可以对微小的信号进行精密放大，且具有很高的共模抑制比，能满足设计的要求。
3 软件设计
软件设计在基于VCC开发平台上采用C语言开发，很多功能都做成了子程序文件，供主函数调用，其难点在于功能按键的分支流程设计。在开发及调试的过程中，我们遇到很多的问题，如不能及时响应按键触发的事件，电流采集值与显示值不准等问题。经过团队的判断与分析，我们觉得是某些参数的设置出现了不当。当我们更改参数后，几乎没有调整其他程序代码，就可以实现设计要求的参数指标了。当然，合适的算法和正确的编程思路也是功不可没的。
4 结 语
在本系统完成设计后的测量过程中，测量电流值不停跳变，我们分析原因，使用的5 V稳压电源不够稳定，导致其提供给A/D和D/A芯片的参考电压不稳定，进而导致测量的电流不稳定，后来我们使用电压基准源为A/D和D/A芯片提供参考电压，问题得到解决。由此可见，在电子产品的设计中，方案论证和计算很重要，它是设计成功的重要保证，同时也不能忽视后期的调试工作，往往调试比设计会带来更多的问题，有待我们经过分析后再不断地改进设计。
参考文献：
[1] 韦建英，徐安静.模拟电子技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.
【关键词】 煤矿电机 电流 温度 监测
随着整体煤气化联合循环发电系统、煤制油技术和煤制气技术的高速发展，未来我国对于煤炭的需求将不断增加。目前，我国煤矿安全生产状况持续好转，煤矿开采环境得到改善，事故总量和百万吨死亡率都在逐年下降，但煤矿安全生产形势依然严峻，重特大生产事故时有发生，制约安全生产问题的根本隐患未能得到有效治理。煤矿电机是井下应用较多的生产设备，也是最容易出现故障的设备，所以煤矿电机的性能直接制约着煤矿电网质量（电机起动、制动对电网有较大冲击）及安全生产工作能否顺利开展。开展煤矿电机运行参数在线监测系统的研究是提高煤矿电网质量，实现节能减排目标，保证安全生产工作顺利进行的关键。
一、煤矿电机数学模型
分析时对理想的煤矿电机作如下假设：
① 因为三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称。
② 忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响。
③ 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布。
电机电压平衡方程：
（1）
式中，U表示每相电压，r表示每相电阻，i表示运行时每相电流， L表示运行时每相电感，E表示每相反电动势。则煤矿电机的运行电压方程为：
（2）
（3）
（4）
其中，ua、ub、uc为外加的A相、B相、C相相电压，ia、 ib、 ic是A相、B相、C相相电流，L为相电感的自感，Mab、Mbc、Mca为每两相间的互感，ea、eb、ec为A相、B相、C为相反电势。ra、rb、rc为 A相、B相、C相相电阻。
在忽略转动时的粘滞系数的情况下，煤矿电机的方程可写为：
（5）
其中，Te为煤矿电机额定转矩，TL为煤矿电机负载转矩，J为煤矿电机转轴上的转动惯量的总和，ω为煤矿电机机械角速度。
二、监测系统硬件电路设计
煤矿电机运行参数在线监测系统工作原理：首先利用高精度传感器对电机运行过程中的转矩、温度、速度、电压和电流进行实时测量；然后传感器输出信号经过信号采集与放大电路、A/D转换电路进行处理后传递给DSP；最后DSP对电机运行参数进行运算和分析，将电机运行参数信息在LED显示屏上显示出来，同时将运算的结果发送给上位机进行分析处理，下边分别对电流测试电路和温度测试电路进行详细介绍。
2.1温度测试
温升衡量煤矿电机运行状态的重要指标。实时监测电机本体、逆变单元等部分的温度时保证煤矿电机安全、可靠运行的重要措施。AD590是美国AD公司研制的一种电流式集成温度传感器，这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源，输出1?A/K正比于绝对温度的电流信号，具有较强的线性度和抗干扰能力。将AD590温度传感器粘贴在煤矿电机测量部位，随着电机温度的升高，AD590温度也随着增加，输出电流也随着增大，把电流信号转换成电压信号，经信号采集与放大电路、A/D转换电路传送DSP，温度检测电路如图1所示。
2.2 电流测试
传统电路设计时，通常采用串接分压电阻作为传感器来实现对电流信号检测，这种检测方法简单实用，但由于温漂影响难以保证电阻值稳定不变，所以采集到的电流值精度不高，且控制系统的反馈电路与主电路若没有经过隔离，一旦功率电路的高电压通过反馈电路进入控制电路，势必会危及控制系统的安全，造成重大损失。所以采用高精度霍尔电流传感器对煤矿电机三相电流进行实时检测，传感器采用±12V电源供电。
三、监测系统软件程序设计
软件程序是整个监测系统的灵魂。本文利用最新的DSP软件编译环境CCS3.3对控制系统软件程序进行编辑、调试和烧写。CCS3.3集成开发环境提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，该开发环境可以实现嵌入式信号处理程序的实时编制和测试，能够加速软件程序的开发速度，缩短了软件开发周期。它支持软件概念性规划、创建工程文件、编写源程序和配置文件、语法检查、探测点设置、日志保存、实时调试、统计和跟踪等整个软件开发周期，软件流程如图2所示。
