您當(dāng)前的位置：檢測資訊 > 科研開發(fā)
嘉峪檢測網(wǎng) 2021-08-17 09:42
在學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，不知道你是否有這樣的困擾：明明自己學(xué)了很多硬件電路理論，也做過了一些基礎(chǔ)操作實(shí)踐，但還是無法設(shè)計(jì)出自己理想的電路，硬件電路可靠性水平也不高。歸根結(jié)底，我們?nèi)鄙俚氖怯布娐吩O(shè)計(jì)的思路，以及可靠性保證實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。
設(shè)計(jì)一款硬件電路，首先要熟悉元器件的基礎(chǔ)理論，比如元器件原理、選型及使用，學(xué)會(huì)繪制原理圖，并通過軟件完成PCB設(shè)計(jì)，熟練掌握工具的技巧使用，學(xué)會(huì)如何優(yōu)化及調(diào)試電路等。
如何完整地設(shè)計(jì)一套硬件電路設(shè)計(jì)呢？
1）總體思路
設(shè)計(jì)硬件電路，大的框架和架構(gòu)要搞清楚，但要做到這一點(diǎn)還真不容易。有些大框架也許自己的老板、老師已經(jīng)想好，自己只是把思路具體實(shí)現(xiàn)；但也有些要自己設(shè)計(jì)框架的，那就要搞清楚要實(shí)現(xiàn)什么功能，然后找找有否能實(shí)現(xiàn)同樣或相似功能的參考電路板（要懂得盡量利用他人的成果，越是有經(jīng)驗(yàn)的工程師越會(huì)懂得借鑒他人的成果）。
2）理解電路
如果你找到了的參考設(shè)計(jì)，那么恭喜你，你可以節(jié)約很多時(shí)間了（包括前期設(shè)計(jì)和后期調(diào)試）。馬上就copy？NO，還是先看懂理解了再說，一方面能提高我們的電路理解能力，而且能避免設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。
3）找到參考設(shè)計(jì)
在開始做硬件設(shè)計(jì)前，根據(jù)自己的項(xiàng)目需求，可以去找能夠滿足硬件功能設(shè)計(jì)的，有很多相關(guān)的參考設(shè)計(jì)。沒有找到？也沒關(guān)系，先確定大IC芯片，找datasheet，看其關(guān)鍵參數(shù)是否符合自己的要求，哪些才是自己需要的關(guān)鍵參數(shù)，以及能否看懂這些關(guān)鍵參數(shù)，都是硬件工程師的能力的體現(xiàn)，這也需要長期地慢慢地積累。這期間，要善于提問，因?yàn)樽约翰欢臇|西，別人往往一句話就能點(diǎn)醒你，尤其是硬件設(shè)計(jì)。
4）硬件電路設(shè)計(jì)的三個(gè)部分：原理圖、PCB和物料清單（BOM）表
原理圖設(shè)計(jì)，其實(shí)就是將前面的思路轉(zhuǎn)化為電路原理圖，它很像我們教科書上的電路圖。pcb涉及到實(shí)際的電路板，它根據(jù)原理圖轉(zhuǎn)化而來的網(wǎng)表（網(wǎng)表是溝通原理圖和pcb之間的橋梁），而將具體的元器件的封裝放置（布局）在電路板上，然后根據(jù)飛線（也叫預(yù)拉線）)連接其電信號(hào)（布線）。完成了pcb布局布線后，要用到哪些元器件應(yīng)該有所歸納，所以我們將用到BOM表。
5）選擇PCB設(shè)計(jì)工具
Protel，也就是Altium（現(xiàn)在入門的童鞋大多用AD）容易上手，網(wǎng)上的學(xué)習(xí)教程資料也很全面，在國內(nèi)也比較流行，應(yīng)付一般的工作已經(jīng)足夠，適合初入門的設(shè)計(jì)者使用。
硬件電路設(shè)計(jì)的大環(huán)節(jié)必不可少，主要都要經(jīng)過以下這幾個(gè)流程：
1）原理圖設(shè)計(jì)
2）PCB設(shè)計(jì)
3）制作BOM表
具體的設(shè)計(jì)步驟：
一、原理圖建立+網(wǎng)表生成
1. 原理圖庫建立。要將一個(gè)新元件擺放在原理圖上，我們必須得建立該元件的庫。庫中主要定義了該新元件的管腳定義及其屬性，并且以具體的圖形形式來代表(我們常?？吹降氖且粋€(gè)矩形（代表其IC BODY），周圍許多短線（代表IC管腳）。protel創(chuàng)建庫及其簡單，而且因?yàn)橛玫娜硕?，許多元件都能找到現(xiàn)成的庫，這一點(diǎn)對(duì)使用者極為方便。應(yīng)搞清楚ic body，ic pins，input pin，output pin，analog pin，digital pin，power pin等區(qū)別。
2. 有了充足的庫之后，就可以在原理圖上畫圖了，按照datasheet和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，通過wire把相關(guān)元件連接起來。在相關(guān)的地方添加line和text注釋。wire和line的區(qū)別在于，前者有電氣屬性，后者沒有。wire適用于連接相同網(wǎng)絡(luò)，line適用于注釋圖形。這個(gè)時(shí)候，應(yīng)搞清一些基本概念，如：wire，line，bus，part，footprint，等等。
3. 做完這一步，我們就可以生成netlist了，這個(gè)netlist是原理圖與pcb之間的橋梁。原理圖是我們能認(rèn)知的形式，電腦要將其轉(zhuǎn)化為pcb，就必須將原理圖轉(zhuǎn)化它認(rèn)識(shí)的形式netlist，然后再處理、轉(zhuǎn)化為pcb。
4. 得到netlist，馬上畫pcb?別急，先做ERC先。ERC是電氣規(guī)則檢查的縮寫。它能對(duì)一些原理圖基本的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行排查，如多個(gè)output接在一起等問題。（但是一定要仔細(xì)檢查自己的原理圖，不能過分依賴工具，畢竟工具并不能明白你的系統(tǒng)，它只是純粹地根據(jù)一些基本規(guī)則排查。)
5. 從netlist得到了pcb，一堆密密麻麻的元件，和數(shù)不清的飛線是不是讓你嚇了一跳?呵呵，別急還得慢慢來。
6. 確定板框大小。在keepout區(qū)（或mechanic區(qū)）畫個(gè)板框，這將限制了你布線的區(qū)域。需要根據(jù)需求好考慮板長，板寬（有時(shí)，還得考慮板厚）。當(dāng)然了，疊層也得考慮好。（疊層的意思就是，板層有幾層，怎么應(yīng)用，比如板總共4層，頂層走信號(hào)，中間第一層鋪電源，中間第二層鋪地，底層走信號(hào)）。
二、PCB布局布線
先解釋一下前面的術(shù)語。post-command，例如我們要拷貝一個(gè)object（元件），我們要先選中這個(gè)object，然后按ctrl+C，然后按ctrl+V（copy命令發(fā)生在選中object之后）。這種操作windows和protel都采用的這種方式。但是concept就是另外一種方式，我們叫做pre-command。同樣我們要拷貝一個(gè)東西，先按ctrl+C，然后再選中object，再在外面單擊（copy命令發(fā)生在選中object之前）。
1. 確定完板框之后，就該元件布局（擺放）了，布局這步極為關(guān)鍵。它往往決定了后期布線的難易。哪些元器件該擺正面，哪些元件該擺背面，都要有所考量。但是這些都是一個(gè)仁者見仁，智者見智的問題;從不同角度考慮擺放位置都可以不一樣。其實(shí)自己畫了原理圖，明白所有元件功能，自然對(duì)元件擺放有清楚的認(rèn)識(shí)（如果讓一個(gè)不是畫原理圖的人來擺放元件，其結(jié)果往往會(huì)讓你大吃一驚）。對(duì)于初入門的，注意模擬元件，數(shù)字元件的隔離，以及機(jī)械位置的擺放，同時(shí)注意電源的拓?fù)渚涂梢粤恕?/span>
2. 接下來就是布線。這與布局往往是互動(dòng)的。有經(jīng)驗(yàn)的人往往在開始就能看出哪些地方能布線成功。如果有些地方難以布線還需要改動(dòng)布局。對(duì)于fpga設(shè)計(jì)來說往往還要改動(dòng)原理圖來使布線更加順暢。布線和布局問題涉及的因素很多，對(duì)于高速數(shù)字部分，因?yàn)闋砍兜叫盘?hào)完整性問題而變得復(fù)雜，但往往這些問題又是難以定量或即使定量也難以計(jì)算的。所以，在信號(hào)頻率不是很高的情況下，應(yīng)以布通為第一原則。
3. OK了？別急，用DRC檢查檢查先，這是一定要檢查的。DRC對(duì)于布線完成覆蓋率以及規(guī)則違反的地方都會(huì)有所標(biāo)注，按照這個(gè)再一一的排查，修正。
4. 有些pcb還要加上敷銅（可能會(huì)導(dǎo)致成本增加），將出線部分做成淚滴（工廠也許會(huì)幫你加）。最后的pcb文件轉(zhuǎn)成gerber文件就可交付pcb生產(chǎn)了。（有些直接給pcb也成，工廠會(huì)幫你轉(zhuǎn)gerber）。
5. 要裝配pcb，準(zhǔn)備bom表吧，一般能直接從原理圖中導(dǎo)出。但是需要注意的是，原理圖中哪些部分元件該上，哪些部分元件不該上，要做到心理有數(shù)。對(duì)于小批量或研究板而言，用excel自己管理倒也方便（大公司往往要專業(yè)軟件來管理）。而對(duì)于新手而言，第一個(gè)版本，不建議直接交給裝配工廠或焊接工廠將bom的料全部焊上，這樣不便于排查問題。最好的方法就是，根據(jù)bom表自己準(zhǔn)備好元件。等到板來了之后，一步步上元件、調(diào)試。
三、電路板調(diào)試
1. 拿到板第一步做什么，不要急急忙忙供電看功能，硬件調(diào)試不可能一步調(diào)試完成的。先拿萬用表看看關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)是否有不正常，主要是看電源與地之間有否短路（盡管生產(chǎn)廠商已經(jīng)幫你做過測試，這一步還是要自己親自看看，有時(shí)候看起來某些步驟挺繁瑣，但是可以節(jié)約你后面不少時(shí)間?。?，其實(shí)短路與否不光pcb有關(guān)，在生產(chǎn)制作的任何一個(gè)環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致這個(gè)問題，IO短路一般不會(huì)造成災(zāi)難性的后果，但是電源短路就......
2. 電源網(wǎng)絡(luò)沒短路？那么好，那就看看電源輸出是否是自己理想的值，對(duì)于初學(xué)者，調(diào)試的時(shí)候最好IC一件件芯片上，第一個(gè)要上的就是電源芯片。
3. 電源網(wǎng)絡(luò)短路了？這個(gè)比較麻煩，不過要仔細(xì)看看自己原理圖是否有可能這樣的情況，同時(shí)結(jié)合割線的方法一步步排查到底是什么地方短路了，是pcb的問題（一般比較爛的pcb廠就可能出現(xiàn)這種情況），還是裝配的問題，還是自己設(shè)計(jì)的問題。
4. 電源芯片沒有輸出?檢查檢查你的電源芯片輸入是否正常吧，還需要檢查的地方有使能信號(hào)，分壓電阻，反饋網(wǎng)絡(luò)......
5. 電源芯片輸出值不在預(yù)料范圍?如果超過很離譜，比如到了10%，那么看看分壓電阻先，這兩個(gè)分壓電阻一般要用1%的精度，這個(gè)你做到了沒有，同時(shí)看看反饋網(wǎng)絡(luò)吧，這也會(huì)影響你的輸出電源的范圍。
6. 電源輸出正常了，別高興，如果有條件的話，拿示波器看看吧，看看電源的輸出跳變是否正常。也就是抓取開電的瞬間，看看電源從無到有的情況（至于為什么要看這個(gè)，嘿嘿......專業(yè)人士還是要看的～）
四、電源設(shè)計(jì)
無疑電源設(shè)計(jì)是整個(gè)電路板最重要的一環(huán)。電源不穩(wěn)定，其他啥都別談。我想不用balabala述說它究竟有多么重要了。
在電源設(shè)計(jì)我們用得最多的場合是，從一個(gè)穩(wěn)定的“高”電壓得到一個(gè)穩(wěn)定的“低”電壓。這也就是經(jīng)常說的DC/DC，其中用得最多的電源穩(wěn)壓芯片有兩種，一種叫LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器，我們后面說的線性穩(wěn)壓電源，也是指它），另一種叫PWM（脈寬調(diào)制開關(guān)電源，我們在本文也稱它開關(guān)電源）。
硬件可靠性設(shè)計(jì)要考慮哪些？
一般來說，系統(tǒng)總是由多個(gè)子系統(tǒng)組成，而子系統(tǒng)又是由更小的子系統(tǒng)組成，直到細(xì)分到電阻器、電容器、電感、晶體管、集成電路、機(jī)械零件等小元件的復(fù)雜組合，其中任何一個(gè)元件發(fā)生故障都會(huì)成為系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因。因此，硬件可靠性設(shè)計(jì)在保證元器件可靠性的基礎(chǔ)上，既要考慮單一控制單元的可靠性設(shè)計(jì)，更要考慮整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)。
1．影響硬件可靠性的因素
（1）元件失效。元件失效有三種：一是元件本身的缺陷，如硅裂、漏氣等；二是加工過程、環(huán)境條件的變化加速了元件、組件的失效；三是工藝問題，如焊接不牢、篩選不嚴(yán)等。
（2）設(shè)計(jì)不當(dāng)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，許多元器件發(fā)生的故障并不是元件本身的問題，而是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或元器件使用不當(dāng)所造成。
在設(shè)計(jì)過程中，如何正確使用各種型號(hào)的元器件或集成電路，是提高硬件可靠性不可忽視的重要因素。
（1）電氣性能：元器件的電氣性能是指元器件所能承受的電壓、電流、電容、功率等的能力，在使用時(shí)要注意元器件的電氣性能，不能超限使用。
（2）環(huán)境條件：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境有時(shí)相當(dāng)惡劣，由于環(huán)境因素的影響，不少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)情況雖然良好，但安裝到現(xiàn)場并長期運(yùn)行就頻出故障。其原因是多方面的，包括溫度、干擾、電源、現(xiàn)場空氣等對(duì)硬件的影響。因此，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境條件對(duì)硬件參數(shù)的影響，元件設(shè)備須經(jīng)老化試驗(yàn)處理。
（3）組裝工藝：在硬件設(shè)計(jì)中，組裝工藝直接影響硬件系統(tǒng)的可靠性。由于工藝原因引起的故障很難定位排除，一個(gè)焊點(diǎn)的虛焊或似接非接很可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)在工作過程中不時(shí)地出現(xiàn)工作不正?，F(xiàn)象。另外，設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)應(yīng)考慮元器件的布局、引線的走向、引線的分類排序等
2、提高硬件可靠性的一般方法
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，如何提高系統(tǒng)硬件的可靠性是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)常需采用必要的可靠性措施：
（1）電路設(shè)計(jì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，影響計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的因素約45%來自系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了保證系統(tǒng)的可靠性，在對(duì)其電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮最極端的情況。
各種電子元器件的特性不可能是一個(gè)恒定值，總是在其額定(典型)參數(shù)的某個(gè)范圍內(nèi)；同時(shí)，電源、電壓也有一個(gè)波動(dòng)范圍。最壞的設(shè)計(jì)方法是考慮所有元件的公差，并取其最不利的數(shù)值核算電路每一個(gè)規(guī)定的特性。如果這一組參數(shù)值能保證電路正常工作，那么在公差范圍內(nèi)的其他所有元件值都能使電路可靠地工作。
在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)電路時(shí)，還要根據(jù)元器件的失效特征及其使用場所采取相應(yīng)的措施，對(duì)容易產(chǎn)生短路的部件以串聯(lián)方式復(fù)制，對(duì)容易產(chǎn)生開路的部分以并聯(lián)方式復(fù)制。
（2）元器件選擇。在確定元器件參數(shù)之后，還要確定元器件的型號(hào)，這主要取決于電路所允許的公差范圍。由于制造工藝所限，有些元器件參數(shù)的公差范圍可能較大，如電容器電容量等。另外，元件或器件的額定工作條件包括多個(gè)方面(如電流、電壓、頻率、機(jī)械參數(shù)以及環(huán)境溫度等)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮參數(shù)裕量，并在運(yùn)行時(shí)盡量保證接近元器件的設(shè)計(jì)工作溫度。
（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)是硬件可靠性設(shè)計(jì)的最后階段。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)注意元器件及部件的安裝方式，其次是控制系統(tǒng)工作環(huán)境的條件(如通風(fēng)、除濕、防塵等)。
（4）噪聲抑制。噪聲對(duì)模擬電路的影響會(huì)直接影響系統(tǒng)精度，噪聲對(duì)數(shù)字電路也會(huì)造成誤動(dòng)作。因此，在工程設(shè)計(jì)中必須采用噪聲抑制和屏蔽措施。對(duì)于模擬應(yīng)用系統(tǒng)，可在電源端增加一些低通濾波電路來抑制由電源引入的干擾；對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，通常采用濾波器和接地系統(tǒng)；同時(shí)，在整體結(jié)構(gòu)布局時(shí)應(yīng)注意元器件的位置和信號(hào)線的走向。對(duì)于電磁干擾、電場干擾可采用電磁屏蔽、靜電屏蔽來隔離噪聲，也可采用接地、去耦電容等措施來減少噪聲的影響。
（4）冗余設(shè)計(jì)。硬件冗余設(shè)計(jì)可以在元件級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)或系統(tǒng)級(jí)上進(jìn)行，必然增加硬件和成本。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)權(quán)衡采用硬件冗余的利弊關(guān)系。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，主要采用控制單元冗余和控制系統(tǒng)冗余來提高系統(tǒng)硬件可靠性。
3、單元可靠性設(shè)計(jì)
控制與接口單元是指能獨(dú)立完成某些測控功能的功能模塊，其可靠性設(shè)計(jì)主要包括微處理器系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)、輸入輸出通道干擾的抑制、電源系統(tǒng)干擾的抑制、控制單元運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視等。
（1）I/O通道干擾的抑制
模擬量輸入通道常態(tài)干擾的頻率通常高于被測信號(hào)的頻率，因此可考慮采用濾波網(wǎng)絡(luò)對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行濾波?？刹捎酶鞣N形式的金屬屏蔽層做好信號(hào)傳送線路的屏蔽工作，將信號(hào)線與外界電磁場有效地隔離開來；在系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路時(shí)，數(shù)字地與模擬地要分開，最后只在一點(diǎn)相連，以防相互干擾。I/O通道一般應(yīng)采用光電耦合器進(jìn)行電氣隔離，既可避免構(gòu)成地環(huán)路，還可有效地抑制噪聲。另外，在輸入輸出通道上應(yīng)采用一定的過壓保護(hù)電路。
（2）電源系統(tǒng)干擾的抑制
同一電源網(wǎng)路上有較多大功率設(shè)備時(shí)，在控制單元與供電電源之間可加入三相隔離變壓器，以防止電網(wǎng)干擾侵入控制系統(tǒng)。在整機(jī)的電源線入口處，可通過增加電源濾波器來防止其他電子設(shè)備與本系統(tǒng)之間產(chǎn)生相互干擾。在機(jī)內(nèi)獨(dú)立的印刷板上應(yīng)安裝小型電源濾波器，以防止板與板之間的相互干擾。
由于開關(guān)電源具有較強(qiáng)的抗工頻電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)能力，同時(shí)能隔離從電源線進(jìn)入的傳導(dǎo)干擾，適當(dāng)場合可選用開關(guān)電源。必要時(shí)，系統(tǒng)輸入輸出通道和其他設(shè)備可考慮采用獨(dú)立的供電電源，實(shí)行電源分組供電。另外，邏輯電路板上的直流電源線和接地線要注意合理布線。
（3）控制單元運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視
可使用看門狗定時(shí)器(WDT)監(jiān)視控制單元的運(yùn)行狀態(tài)。WDT的輸出直接連到CPU的中斷請(qǐng)求端或控制單元的復(fù)位端，WDT的每次“定時(shí)到”溢出脈沖信號(hào)均能引起CPU的中斷或復(fù)位。WDT受CPU控制，可對(duì)其重新設(shè)置時(shí)間常數(shù)或刷新。
定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí)，只要程序正常運(yùn)行就不會(huì)產(chǎn)生定時(shí)中斷或系統(tǒng)復(fù)位。一旦程序執(zhí)行出錯(cuò)或發(fā)生程序亂飛、死機(jī)現(xiàn)象，看門狗定時(shí)器就會(huì)產(chǎn)生溢出脈沖信號(hào)，引起定時(shí)中斷或復(fù)位，從而使控制單元重新啟動(dòng)或進(jìn)入中斷服務(wù)程序進(jìn)行糾錯(cuò)處理。
（4）控制單元的掉電保護(hù)
對(duì)付電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降的有效方法就是掉電保護(hù)，對(duì)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)可外加不間斷電源(UPS)，對(duì)測控系統(tǒng)中的控制單元可增加掉電保護(hù)電路，并慎重設(shè)計(jì)。掉電信號(hào)由硬件電路檢測，加到控制單元CPU的外部中斷輸入端。軟件中斷將掉電中斷規(guī)定為高級(jí)中斷，使控制單元CPU能及時(shí)對(duì)掉電做出反應(yīng)。在掉電中斷子程序中，首先進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)，保存當(dāng)時(shí)重要的狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，CPU重新復(fù)位，恢復(fù)現(xiàn)場并繼續(xù)未完成的工作。
（5）控制單元冗余設(shè)計(jì)
常用的控制單元冗余設(shè)計(jì)包括熱備份并聯(lián)冗余和冷備份并聯(lián)冗余，兩者都是以增加成倍的硬件投資來換取系統(tǒng)硬件的可靠性。
（1）熱備份并聯(lián)冗余是將若干功能相同的控制單元并聯(lián)運(yùn)行，同步執(zhí)行相同的處理程序，當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)中至少有一個(gè)控制單元工作正常時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)即維持正常工作。
為了提高控制單元的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，常采用雙機(jī)熱備份并聯(lián)方式。對(duì)受控系統(tǒng)而言，雙機(jī)熱備份并聯(lián)方式只是其中一個(gè)控制單元完成測控任務(wù)，另一個(gè)控制單元處于并行工作的待命狀態(tài)。但兩個(gè)控制單元同步執(zhí)行同樣的程序，一旦自檢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主控單元有故障時(shí)，則待命狀態(tài)的備控單元自動(dòng)切換上去，代替主控單元使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)雙機(jī)熱備份系統(tǒng)時(shí)，要解決以下兩個(gè)主要問題：
1）雙機(jī)同步。雙機(jī)同步一般是以事件作為同步令牌，其中事件可由設(shè)計(jì)者定義。如系統(tǒng)的工作過程為：輸入接口采集由傳感器送來的數(shù)據(jù)，在CPU內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行比較、處理，最后得到本次的控制量輸出。那么，事件可劃分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)事件。
當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，兩機(jī)同時(shí)執(zhí)行第一事件，即采集狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)谝皇录瓿珊螅賹山Y(jié)果進(jìn)行比較，如果相同則繼續(xù)第二事件；若有錯(cuò)誤，則主控單元自動(dòng)切換，用備控單元代替主控單元。只要主控單元工作正常，則備控單元一直處于待命狀態(tài)。
當(dāng)事件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，若超出精度范圍，則認(rèn)為其中一個(gè)數(shù)據(jù)可能有錯(cuò)誤，這時(shí)可以讓雙機(jī)重新轉(zhuǎn)到本事件的首地址再執(zhí)行一遍。若仍有差錯(cuò)，則再轉(zhuǎn)到故障檢測程序。這種軟件回卷方法可以消除某些偶然性因素的影響。
2）故障檢測?？梢岳脙蓹C(jī)各自的自檢程序分別進(jìn)行自檢，找出發(fā)生故障的控制單元。如果故障機(jī)是主控單元，則可進(jìn)行自動(dòng)切換，使程序繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)事件。為了能及時(shí)切換，可以根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)多設(shè)置一些事件，使得雙機(jī)同步校驗(yàn)次數(shù)增多。
所謂切換是指通過輸入輸出接口相互交換雙機(jī)狀態(tài)，一旦某控制單元出錯(cuò)，另一控制單元就可及時(shí)知道。當(dāng)備控單元發(fā)現(xiàn)主控單元有故障時(shí)，就可以發(fā)出控制信號(hào)，使主控單元自動(dòng)退出控制，備控單元代替主控單元使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。
（2）冷備份并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)中，備份的控制單元平時(shí)不加電工作，只在發(fā)現(xiàn)主控單元出故障時(shí)才用其代替主控單元。冷備份的控制單元在硬件結(jié)構(gòu)、軟件實(shí)現(xiàn)上都與主控單元完全一樣，各種聯(lián)機(jī)設(shè)備都安置到位，處于接通電源即可投入正常工作的冷備份狀態(tài)。
冷備份并聯(lián)系統(tǒng)中的冷熱切換可以用人工操作轉(zhuǎn)換，也可以自動(dòng)切換。在設(shè)計(jì)成自動(dòng)切換時(shí)，主控單元必須設(shè)置各路(或關(guān)鍵幾路)報(bào)警信號(hào)。若發(fā)現(xiàn)超限現(xiàn)象，則及時(shí)輸出切換信號(hào)去觸發(fā)冷備份系統(tǒng)的電源觸點(diǎn)，使備份單元投入正常運(yùn)行。
下面會(huì)涉及一些理論知識(shí)，但是依然非常淺顯易懂，如果你不懂，嘿嘿，得檢查一下自己的基礎(chǔ)了。
一、線性穩(wěn)壓電源的工作原理
如圖是線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡單示意圖。我們的目的是從高電壓Vs得到低電壓Vo。在圖中，Vo經(jīng)過兩個(gè)分壓電阻分壓得到V+，V+被送入放大器(我們把這個(gè)放大器叫做誤差放大器)的正端，而放大器的負(fù)端Vref是電源內(nèi)部的參考電平（這個(gè)參考電平是恒定的）。放大器的輸出Va連接到MOSFET的柵極來控制MOSFET的阻抗。Va變大時(shí)，MOSFET的阻抗變大；Va變小時(shí)，MOSFET的阻抗變小。MOSFET上的壓降將是Vs-Vo。
現(xiàn)在我們來看Vo是怎么穩(wěn)定的，假設(shè)Vo變小，那么V+將變小，放大器的輸出Va也將變小，這將導(dǎo)致MOSFET的阻抗變小，這樣經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差將變小，于是將Vo上抬來抑制Vo的變小。同理，Vo變大，V+變大，Va變大，MOSFET的阻抗變大，經(jīng)過同樣的電流，MOSFET的壓差變大，于是抑制Vo變大。
二、開關(guān)電源的工作原理
如上圖，為了從高電壓Vs得到Vo，開關(guān)電源采用了用一定占空比的方波Vg1，Vg2推動(dòng)上下MOS管，Vg1和Vg2是反相的，Vg1為高，Vg2為低；上MOS管打開時(shí)，下MOS管關(guān)閉；下MOS管打開時(shí)，上MOS管關(guān)閉。由此在L左端形成了一定占空比的方波電壓，電感L和電容C我們可以看作是低通濾波器，因此方波電壓經(jīng)過濾波后就得到了濾波后的穩(wěn)定電壓Vo。Vo經(jīng)過R1、R2分壓后送入第一個(gè)放大器（誤差放大器——的負(fù)端V+，誤差放大器的輸出Va做為第二個(gè)放大器（PWM放大器）的正端，PWM放大器的輸出Vpwm是一個(gè)有一定占空比的方波，經(jīng)過門邏輯電路處理得到兩個(gè)反相的方波Vg1、Vg2來控制MOSFET的開關(guān)。
誤差放大器的正端Vref是一恒定的電壓，而PWM放大器的負(fù)端Vt是一個(gè)三角波信號(hào)，一旦Va比三角波大時(shí)，Vpwm為高；Va比三角波小時(shí)，Vpwm為低，因此Va與三角波的關(guān)系，決定了方波信號(hào)Vpwm的占空比；Va高，占空比就低，Va低，占空比就高。經(jīng)過處理，Vg1與Vpwm同相，Vg2與Vpwm反相；最終L左端的方波電壓Vp與Vg1相同。如下圖：
當(dāng)Vo上升時(shí)，V+將上升，Va下降，Vpwm占空比下降，經(jīng)過們邏輯之后，Vg1的占空比下降，Vg2的占空比上升，Vp占空比下降，這又導(dǎo)致Vo降低，于是Vo的上升將被抑制。反之亦然。
三、線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的比較
懂得了線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的工作原理之后，我們就可以明白為什么線性穩(wěn)壓電源有較小的噪聲，較快的瞬態(tài)響應(yīng)，但是效率差；而開關(guān)電源噪聲較大，瞬態(tài)響應(yīng)較慢，但效率高了。
線性穩(wěn)壓電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，反饋環(huán)路短，因此噪聲小，而且瞬態(tài)響應(yīng)快（當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，補(bǔ)償快）。但是因?yàn)檩斎牒洼敵龅膲翰钊柯湓诹薓OSFET上，所以它的效率低。因此，線性穩(wěn)壓一般用在小電流，對(duì)電壓精度要求高的應(yīng)用上。
而開關(guān)電源，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響輸出電壓噪聲性能的因數(shù)很多，且其反饋環(huán)路長，因此其噪聲性能低于線性穩(wěn)壓電源，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。但是根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)，MOSFET處于完全開和完全關(guān)兩種狀態(tài)，除了驅(qū)動(dòng)MOSFET，和MOSFET自己內(nèi)阻消耗的能量之外，其他能量被全部用在了輸出（理論上L、C是不耗能量的，盡管實(shí)際并非如此，但這些消耗的能量很小）。
來源：Internet
關(guān)于我們 聯(lián)系我們 營業(yè)執(zhí)照 全國服務(wù)電話：400-818-0021 嘉峪檢測版權(quán)所有 備案號(hào)：京ICP備14047019號(hào)-2 
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
