模拟电路
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇模拟电路范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
模拟电路范文第1篇
基金项目：国家自然科学基金项目（51167002）
作者简介：贺少斌(1985―) , 男, 湖南娄底人, 硕士研究生, 研究方向: 复杂系统控制理论及应用。
文章编号：1003-6199(2014)02-0057-07
摘 要：设计一个具有斜8字型伏安特性的忆阻器模拟电路模型，并将此模型应用于构建低通滤波电路。进行Multisim仿真并制作了相应的实物电路，仿真和实验结果表明该电路模型可以正确模拟忆阻器的特性，由其构建的忆阻低通滤波电路具有时变特性。
关键词：忆阻器; 模拟电路模型;低通滤波电路
中图分类号：TM546文献标识码：A
お
Analog Circuit Based Memristor Model and Its Application in Lowpass Filter Circuit
お
HE Shaobink, LU Yimin
(College of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning,Guangxi 530004,China)
Abstract:An analog circuit based memristor model is developed using conventional circuit elements and is applied to a MC lowpass filter. Simulation and experimental results show that the proposed model has a hysteretic voltampere characteristic and the corresponding lowpass filter exhibits timevarying characteristics.
Key words:memristor; analog circuit model; lowpass filter circuit
1 引 言
忆阻器［1-5］是一种具有可变电阻的二端口无源器件。早在1971年蔡少棠就假设存在缺失的第四种无源基本元件――忆阻器，但直到2008年惠普实验室的研究人员才宣布实现了一种固态的忆阻器［2］。当有电压作用于忆阻器两端时，忆阻器的阻值会发生变化。惠普忆阻器有两个重要的电路特性：一是忆阻器具有斜8字型的伏安特性曲线；二是对忆阻器对频率具有敏感性，即偏置电压的频率越高伏安特性曲线越窄，越接近于一个线性的电阻。忆阻器在计算机、神经网络、模拟电路等方面都具有潜在的应用价值［6-8］，它将会同晶体管一样，给电子行业带来巨大的变革。本文研究了基于忆阻原理的滤波电路特性。
2 忆阻器的电路模型
忆阻器的应用潜力是巨大的，但目前市场上还购买不到现成的忆阻器，本文利用现有的有源和无源器件来模拟忆阻器特性。忆阻器的电路模型如┩1。
ネ1 忆阻器的电路模型オ
在图1中，电压V1是忆阻器两端的电压，电流i1即流过忆阻器的电流。运算放大器U1组成的是一个电压跟随器，其作用是为了防止负载效应。运算放大器U2及电阻R1和电容C1组成一个积分器，其输出端电位V4与忆阻器的磁通量φ成正比。AD633JN是一个四象限模拟乘法器，它用来实现忆阻器两端电压V1与V4相乘。通过分析我们可以得到以下的方程组：
V2=V1V4=－1R1C1∫t0V2dtV5=V1•V410(1)
从而得到忆阻器的电流
i1=iR2=V1－V5R2=V1R2(1+110R1C1∫t0V1dt)(2)
将式(2)两边同时对时间t积分，得到
q=φR2(1+120R1C1φ)=αφ+12βφ2 (3)
其中α=1R2，β=110R1R2C1，q为流过忆阻器的电荷量，φ为通过忆阻器的磁通量。
由式(2)两边同时除以V1可得忆导
计算技术与自动化2014年6月
第33卷第2期贺少斌等：忆阻器模拟电路及其低通滤波电路研究
W=1R2+110R1R2C1∫t0V1dt=α+β∫t0V1dt (4)
由式(4)可知，忆导W与通过忆阻器的磁通量φ是线性关系。当V1=Asinωt时，W(t)=α+β∫t0Asin ωtdt=α+βAω(1－cos ωt)。当角频率ω固定时，忆导W是一个以ω为周期变化的值，其最大值为α+2βA/ω，最小值为α。而忆阻值M=1/W，因此忆阻M也是一个以ω为周期变化的值，其最大值为1/α即R2，最小值为1/(α+2βA/ω)。
惠普忆阻器的一个显著特征便是在正弦信号的激励下其伏安特性曲线是一个斜8字型，为了说明本文中的忆阻器具有该特性，我们用Multisim仿真软件对忆阻器的电路模型进行了仿真，仿真电路如图2。仿真参数为：R1=50kΩ，R2=2kΩ，R3=100kΩ，C1=1μF，V1(t)=5sin10πt(V)，得到忆阻器的电压、电流波形及电压-电流的相图如图3所示。图3a中蓝色曲线为电压波形，红色曲线为电流波形，图3b为伏安特性曲线，为一斜8字形曲线。 图4是忆阻器阻值的变化曲线，从图中可看出忆阻是一个周期变化的曲线，有最大值2000Ω和最小值1222Ω。图5给出了忆阻器在不同频率正弦激励下的伏安特性曲线，从图中可以看出频率越高，伏安特性曲线越接近一条直线，当频率为无穷大时，忆阻效应消失，忆阻器就相当于一个普通的┑缱琛＊
ね2 忆阻器Multisim仿真电路
(a) 忆阻器电压及电流波形
(b) 忆阻器伏安特性曲线
图3 忆阻器电压电流波形及伏安特性曲线
图4 忆阻器阻值变化曲线オ
(a) f=5Hz
(b) f=10Hz
(c) f=20Hz お
(d) f=100Hz
图5 不同频率正弦激励下的伏安特性曲线
3 基于忆阻器的低通滤波电路
滤波器是一种对不同频率的信号具有不同抑制特性的电路，RC无源滤波器是最简单的模拟滤波器，它具有成本低、运行稳定、技术相对成熟、选择性高等优势，在模拟电路中有着广泛的应用。基于忆阻器对频率的敏感性，用忆阻器M代替RC无源低通滤波器中的电阻R组成MC低通滤波器［9-10］，通过仿真和实验来分析MC滤波电路。オ
(a)RC低通滤波电路(b) MC低通滤波电路
图6 低通滤波电路
图6a所示的RC低通电路是最简单的低通滤波器，一般称为无源低通滤波器。电压源作为输入端，电容作为低通输出端。电阻的阻抗为R，电容的阻抗为1/jωC，系统的传递函数
H(jω)=VoutVin=1/jωCR+1/jωC=11+jωRC (5)
由上式可知，一阶RC无源低通滤波电路的传递函数与时间无关，是一个时不变系统。不论输入信号如何，系统的传递函数都保持不变，仅与RC电路中电阻和电容的参数有关。
图6b是MC低通滤波器的电路原理图，与RC低通滤波器不同的是用忆阻器替代了电阻，电容两端电压仍然作为低通输出端。由基尔霍夫电路定律可得
Vin=Mi+Vout=1WCdVoutdt+Vout (6)
令Vin=ejωt，Vout=H(jω)Vin,并将式(4)代入上式中得
ejωt=jωCH(jω)ejωtα+β∫t0(ejωt－H(jω)ejωt)dt+H(jω)ejωt(7)
两边同时消去一个ejwt化简得到
H(jω)－1=ω2CH(jω)jωα+β(1－H(jω))(ejωt－1) (8)
由式(8)可知，系统函数包含时间因子，因此由忆阻器和电容组成的滤波电路是一个时变系统，从而无法直接通过系统传递函数来描述MC滤波器。
图7是MC低通滤波器的Multisim仿真电路图，电容C2与忆阻器串联，电容C2两端的电压作为低通滤波器的输出电压，输入电压为V1(t)=8sinωt(V)。图8给出了不同频率下输入电压（蓝色）和输出电压（红色）的波形。从中可以看出，低频时，输出电压幅度比较大，衰减小，而高频时，输出电压幅度比较小，衰减大。因此MC低通滤波电路能保证低频信号顺利通过，高频信号得到抑制。图9给出了MC低通滤波器工作时忆阻器的电压电流波形及伏安特性曲线。
图7 MC低通滤波器Multisim仿真电路图
(a)f=5Hz
(b)f=10Hz
(c)f=20Hz
(d)f=100Hz
图8 MC低通滤波器输入输出电压波形
图9 MC低通滤波器工作时忆阻器的
电压电流波形及伏安特性曲线
4 电路实验与分析
为了观察忆阻器斜8字形的伏安特性曲线，必须将忆阻器的电流信号转化为电压信号才能利用示波器显示出来。注意到图1中忆阻器的电流与电阻R2是成正比的，比例系数等于电阻R2的大小即2000倍，因此只要测出R2两端的电压即可。这就需要用到一个电压减法电路如图11所示，输入信号U1和U2分别通过R1和R2接到运放的反相输入端和同相输入端，输出电压经过R4反馈到反相输入端。在MC低通滤波实验中，为了测量输出电压（电容C2两端的电压）的波形，也需要用到此电压减法电路。
图10 MC低通滤波电路实物图
图11 电压减法器电路オ
根据电阻分压的关系有
U+=R3R2+R3U2，U－=R4R1+R4U1+R1R1+R4U0(9)
由U+=U－可得
R3R2+R3U2=R4R1+R4U1+R1R1+R4U0(10)
本实验中取R1=R2=R3=R4=100kΩ，即Uo=U2-U1。オ
首先来检验单独忆阻器的伏安特性，取偏置电压为V1(t)=5sin10πt(V)，忆阻器的电压可以直接利用示波器测量，忆阻器电流利用电压减法器可以测量出，得到电压电流的时域波形和相图如图12所示。图12 a中黄色曲线为忆阻器两端的电压即偏置电压信号，绿色曲线为放大2000倍后的电流波形，这与Multisim的仿真结果保持一致。图12 b所示的忆阻器伏安特性曲线是一个斜8字型，验证了理论与仿真的正确性。改变偏置电压的频率可以得到不同形状的伏安特性曲线如图13所示，频率越高，斜8字型曲线越窄，忆阻效应减弱，当频率无穷大时，为一条直线，与普通的电阻伏安特性相同。オ
(a)忆阻器电压和电流波形
(b) 伏安特性曲线
图12 偏置电压为V1(t)=5sin10πt(V)时
忆阻器电压和电流波形及伏安特性曲线オ
接下来测试MC低通滤波器，取偏置电压为V1(t)=8sinωt(V)，输入电压可以直接利用示波器测量，电容两端的输出电压需要用到电压减法器测量，改变输入电压的频率可以得到输入输出的电压波形如图14所示。从图中可以看出随着输入电压频率的增大，输出电压的幅度得到了抑制，从而实现了低通滤波。オ
(a)f=5Hzお
(b)f=10Hz
(c)f=20Hz
(d)f=100Hz
图13 不同频率正弦偏置下的忆阻器伏安特性曲线
(a)f=5Hz
(b)f=10Hz
(c)f=20Hz
(d)f=100Hz
图14 偏置电压改变频率MC
滤波器的输入输出电压波形
5 结 论
本文设计了一个具有斜8字型伏安特性曲线的忆阻器模拟电路，忆阻器的阻值会随着偏置电压的作用而发生改变。忆阻器模拟电路的Multisim仿真和电路实验验证工作表明本忆阻器的模拟电路能够较好地模拟忆阻器的特性，可以将其应用于有关忆阻器的其它电路中，为忆阻器拓展电路的研究打下基础。此外，本文还基于忆阻器模拟电路研究了由其构成的低通滤波电路，仿真结果和实验结果表明该滤波电路是一个时变电路，为进一步利用该电路的时变低通滤波特性奠定了基础。
参考文献
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模拟电路范文第2篇
超低功耗、高集成的模拟前端芯片max5865是针对便携式通信设备例如手机、pda、wlan以及3g无线终端而设计的，芯片内部集成了双路8位接收adc和双路10位发送dac，可在40msps转换速率下提供超低功耗与更高的动态性能。芯片中的adc模拟输入放大器为全差分结构，可以接受1vp－p满量程信号；而dac模拟输出则是全差分信号，在1．4v共模电压下的满量程输出范围为400mv。利用兼容于spitm和microwiretm的3线串行接口可对工作模式进行控制，并可进行电源管理，同时可以选择关断、空闲、待机、发送、接收及收发模式。通过3线串口将器件配置为发送、接收或收发模式，可使max5865工作在fdd或tdd系统。在tdd模式下，接收与发送dac可以共用数字总线，并可将数字i／o的数目减少到一组10位并行多路复用总线；而在fdd模式下，max5865的数字i／o可以被配置为18位并行多路复用总线，以满足双8位adc与双10位dac的需要。
1 max5865的工作原理
图1所示为max5865内部结构原理框图，其中，adc采用七级、全差分、流水线结构，可以在低功耗下进行高速转换。每半个时钟周期对输入信号进行一次采样。包括输出锁存延时在内，通道i的总延迟时间为5个时钟周期，而通道q则为5．5个时钟周期，图2给出了adc时钟、模拟输入以及相应输出数据之间的时序关系。adc的满量程模拟输入范围为vref，共模输入范围为vdd／2±0．2v。vref为vrefp与vrefn之差。由于max5865中的adc前端带有宽带t／h放大器，因此，adc能够跟踪并采样／保持高频模拟输入＞奈魁斯特频率。使用时可以通过差分方式或单端方式驱动两路adc输入ia＋ qa＋ ia－与qa－。为了获得最佳性能，应该使ia＋与ia－以及qa＋与qa－间的阻抗相匹配，并将共模电压设定为电源电压的一半vdd／2。adc数字逻辑输出da0～da7的逻辑电平由ovdd决定，ovdd的取值范围为1．8v至vdd，输出编码为偏移二进制码。数字输出da0～da7的容性负载必须尽可能低＜15pf，以避免大的数字电流反馈到max5865的模拟部分而降低系统的动态性能。通过数字输出端的缓冲器可将其与大的容性负载相隔离。而在数字输出端靠近max5865的地方串联一个100ω电阻，则有助于改善adc性能。
max5865的10位dac可以工作在高达40mhz的时钟速率下，两路dac的数字输入dd0～dd9将复用10位总线。电压基准决定了数据转换器的满量程输出。dac采用电流阵列技术，用1ma1．024v基准下满量程输出电流驱动400ω内部电阻可得到±400mv的满量程差分输出电压。而采用差分输出设计时，将模拟输出偏置在1．4v共模电压，则可驱动输入阻抗大于70kω的差分输入级，从而简化rf正交上变频器与模拟前端电路的接口。rf上变频器需要1．3v至1．5v的共模偏压，内部直流共模偏压在保持每个发送dac整个动态范围的同时可以省去分立的电平偏移设置电阻，而且不需要编码发生器产生电平偏移。图2（b）给出了时钟、输入数据与模拟输出之间的时序关系。一般情况下，i通道数据id在时钟信号的下降沿锁存，q通道数据qd则在时钟信号的上升沿锁存。i与q通道的输出同时在时钟信号的下一个上升沿被刷新。
3线串口可用来控制max5865的工作模式。上电时，首先必须通过编程使max5865工作在所希望的模式下。利用3线串口对器件编程可以使器件工作在关断、空闲、待机、rx、tx或xcvr模式下，同时可由一个8位数据寄存器来设置工作模式，并可在所有六种模式下使串口均保持有效。在关断模式下，max5865的模拟电路均被关断，adc的数字输出被置为三态模式，从而最大限度地降低了功耗；而空闲模式时，只有基准与时钟分配电路上电，所有其它功能电路均被关断，adc输出被强制为高阻态。而在待机状态下，只有adc基准上电，器件的其它功能电路均关断，流水线adc亦被关断，da0～da7为高阻态。
2 max5865的典型应用
max5865能以fdd或tdd模式工作在各种不同的应用中,如在wcdma－3gpp fdd与4g技术的fdd应用中工作于xcvr模式，或在td－scdma、wcdma－3gpptdd、ieee802．11a／b／g及ieee 802．16等tdd应用中在tx与rx模式间切换等。在fdd模式下，adc和dac可同时工作，且当fclk 为 40mhz时，消耗的功率为75．6mw。实际上，adc总线与dac总线是分开的，并与数字基带处理器通过18位（8位adc与10位dac）并行总线进行连接。而在tdd模式下，adc与dac交替工作，adc与dac总线共享，它们一起构成10位并行总线连到数字基带处理器，并可通过3线串行接口选择rx模式以启用adc或选择tx模式启用dac。由于在rx模式下，dac内核被禁用而不能发送；而tx模式下，adc总线为高阻态，从而消除了杂散辐射，同时也避免总线冲突。在tdd模式下，当fclk为40mhz时，rx模式下的功耗为63mw，tx模式下的dac功耗为38．4mw。
图3所示是max5865工作在tdd模式的应用电路，该方案提供了完整的802．11b射频前端解决方案。由于max5865的dac采用共模电压为1．4v的全差分模拟输出，而adc具有较宽的输入共模范围，可以直接与rf收发器接口，因此可省去电平转换电路所需要的分立元件和放大器。同时，由于内部产生共模电压免除了编码发生器的电平偏移或由电阻电平偏移引起的衰减，dac保持了全动态范围。max5865的adc具有1vp－p满量程范围，可接受vdd／2 ±200mv的输入共模电平。由于可以省去分立的增益放大器与电平转换元件，因此简化了rf正交解调器与adc之间的模拟接口。
3 设计注意事项
3．1 系统时钟输入(clk)
max5865芯片的adc与dac共享同一clk输入，该输入接受由ovdd设定的cmos兼容信号电平，范围为1．8v至vdd。由于器件的级间转换取决于外部时钟上升沿和下降沿的重复性，因此，设计时应采用具有低抖动、快速上升和下降（＜2ns）的时钟。特别是在时钟信号的上升沿进行采样时，其上升沿的抖动更应尽可能地低。任何明显的时钟抖动都会影响片上adc的snr性能。
实际上，欠采样应用对时钟抖动的要求更严格，由于此时有可能将时钟输入作为模拟输入对待，因此，布线时应避开任何模拟输入或其它数字信号线。max5865的时钟输入工作在ovdd／2电压阈值下，能接受50％±15％的占空比。
3．2 基准配置
max5865内部具有精密的1．024v内部带隙基准，该基准可在整个电源供电范围与温度范围内保持稳定。在内部基准模式下，refin接vdd时的vref是由内部产生的0．512v。com、refp、refn均为低阻输出，电压分别为vcom＝vdd／2、vrefp＝vdd／2＋vref／2、vrefn＝vdd／2－vref／2。分别用0．33μf电容作为refp、refn与com引脚的旁路电容，并用0．1μf电容将refin旁路到gnd。
在外部基准模式下，在refin引脚一般应施加1．024v±10％的电压。该模式下，com、refp与refn均为低阻输出，电压分别为vcom＝vdd／2、vrefp＝vdd／2＋vref／4、vrefn＝vdd／2－vref／4。可分别用0．33μf电容作为refp、refn与com引脚的旁路电容，并用0．1μf电容将refin旁路到gnd。在该模式下，dac的满量程输出电压和共模电压均与外部基准成正比。例如，若vrefin增加10％（最大值），则dac的满量程输出电压也增加10％或达到±440mv，同时共模电压也将增加10％。
3．3 输入／输出耦合电路
通常，max5865在全差分输入信号下可提供比单端信号更好的sfdr与thd性能，尤其是在高输入频率的情况下。在差分模式下，当输入ia＋、i-a－、qa＋、qa－对称时，偶次谐波会更低，并且每路adc输入仅需要单端模式信号摆幅的一半。而通过非平衡变压器可为单端信号源至全差分信号的转换提供出色的解决方案，并可获得极佳的adc性能。当然，在没有非平衡变压器的情况下，也可以使用运放来驱动max5865的adc，此时，maxim公司的max4353／max4454等运放便可提供高速、带宽、低噪声与低失真性能，以保持输入信号的完整性。
3．4 线路板布线
模拟电路范文第3篇
在传授课程理论知识的同时，电工电子基础实验中心有目的、有计划地提高学生的应用能力和创新意识，实现知识、能力统一协调发展。
（一）重视理论在生产实践中的应用
模拟电路是一门实践性特别强的课程。非常贴近生活和实际，只有让学生知道学习的应用目的,才能激发学生的学习兴趣，熟练快速地掌握知识。因而要求我们教师在教学中尽可能理论联系实践，将创新思维培养融入课程，灵活应用理论讲授、实践实习、工厂参观等不同教学方式。从而将抽象的概念、逻辑关系等通过自身感受呈现出来，增强学生的学习能力。
（二）重视思维方法的指导
模拟电路教学大纲指出：要培养学生逻辑思维能力，动手实践能力。我们电工电子基础实验中心通过三条基本途径实施：一是演示：结合模拟电路具体章节的教学，直观、浅显地教授给学生以正确缜密思维的信息；二是点拨：基本过程为“点睛———探讨———除障———结论”；三是训练实践：特别强调条理清晰、根据基本理论回答问题或能阐述理由，并引出相关的知识应用，养成良好的思维习惯。
二、注重教师课堂组织能力的提高、启发式教学为主，善于运用多种教学方法
作为一名优秀的教师，必须具备很强的驾驭课堂的能力。课堂教学是教师教学的主要途径，是师生沟通的主要场所，模拟电路教师作为该课程学生学习的发起组织者，需要具备全面的课堂调控能力。备课时候我们要思考与教学相关的各个环节、考虑教学因素、联系教学实验、设定教学顺序等，具体到讲解哪些教学内容、运用怎样的教学方式、怎样保证课堂纪律等。每一节课都让学生回味无穷，学生必有收获。
（一）塑造教师个人魅力
学生欣赏、相信老师，对于学生学习该门课程有重大帮助，个人人品修养，是得到别人承认和欣赏的关键因素。作为教书育人者，教师更应该注意个人的人格魅力，要具有渊博广泛的知识储备，具备较强的综合分析处理问题能力，努力塑造自己良好的行为品格。学高为师，道高为范。学生观察老师时和放大器产生的效果一样，教师的一点优点和缺点都会被放大。好的教师具有熟练宽广的知识面、端毅正直的爱岗敬业精神、衣着得体、态度和蔼可亲、语言幽默，与教学方法一样，可以改善教学效果。
（二）强化师生互动，启发式教学
在课堂教学过程中，学生是学习的主人，是课堂教学的核心群体，教师要做好自己的课堂角色，在课堂上我们是学习的组织人、合作者，引导着学生学习方向。我们负责营造课堂的学习氛围，现在的课堂教学应该从单一的学生被动接受走向合作互动；鼓励学生自主合作学习、探究性研究学习。模拟电路授课内容多，知识更新比较快，教学课时少，因此教师应采用灵活多变的教学方法和手段引导学生独立思考，激发学生学习的自主性，提高学生独立思考的能力，有限学时内提高学生学习的有效性。在教学方法上，重要的是教给学生学习方法而不是具体学习内容，使学生养成自学习惯，启发互动并存。使教师与学生的情绪达到状态最佳，提高学习效率。教师本身经常集体备课，一起进行教学研究研讨，多多走出去参加学术交流，交换教学方法，了解前沿方向，使授课方式向启发性、思维性、综合性发展，留出学生思考和自学的空间。
（三）巧用现代化教学手段，优化教学效果
模拟电路教学过程中，应采用教师讲解为主，多媒体动画为辅的方式，采用3D动画、电子教案、模拟软件等方式教学，使学生摆脱枯燥的说教，提高教学质量。我们在教学过程中充分利用现代信息技术对图像、文字、动画、声音的处理能力，形成声、图、文并茂的多彩形象教学，使模拟电路课程的教学过程更富有感染力，突出重点、攻克难点。在教学过程中很多的动态过程（PN结的单向导电性、晶体管内部载流子的运动、场效应管导电沟道的变化）采用多媒体动画进行形象展示，生动形象，有助于提高学生对抽象知识的理解能力，调动学生了学习积极性、趣味性，课程最后老师进行归纳总结，剖析重点、难点，加深理解。这样学生从被动的听课变为主动学习，勇于思考，印象深刻，逐渐提高了学习能力。黑龙江大学开展网络教学已有10余年历史，模拟电路已经列为网络课程之一，建立网络教学网。这样提高了单位学时理论教学的信息量，与课堂教学互为补充。教师真正做到“因材施教”，每一个学生可以私下给老师留言，与老师聊天。在模拟电路网络课堂中，设置了“课程介绍”“电子教案”“资源下载”“问题讨论”“答疑解惑”“历年考题”等栏目。这里还是师生的沟通平台，师生各抒己见，互相启发，教学相长。
三、提高驾驭教材的能力、关注专业发展方向
现代模拟电路的发展方向是:集成电路代替分立元件；自动化设计代替人工设计；智能化控制代替人工控制。对于知识更新日新月异的社会趋势，模拟电路在教学过程中应紧跟时展、新技术潮流选择较新理论、知识和技术，使学生能够适应新时期环境。注重培养学生的独立思考能力，能够发现问题，分析问题并解决问题，设法提高学生的创新能力和应变能力。在课堂教学内容中，注意选择问题的精华、研究事物的发展规律、相关问题思维的方法，多讲电子器件、模块外部特性，学会应用，不讲内部原理，留下让学生思考提升和发散思维的余地；现代电子电路分析相关软件已经非常成熟，应注重定性分析，定量计算可以淡化。突出宏观全局，反映学科前沿知识和新成果。使学生知道为什么学,学了之后怎么用,用在哪里。
四、注重实验课程，培养学生的实践应用能力及创新能力
模拟电路实践教学分为基础实验、提高实验和职业技能专训三部分，电工电子基础实验中心建有创新实验室，使学生综合掌握电工电子综合技术，提升学生的实践本领[2]。具体在实验内容方面，增加综合性、设计性、开放性实验的比例。充分发挥实验教学对理论教学的补充作用，将理论教学中抽象难懂部分放置在实验课堂进行实践验证仿真，加深学生对理论知识的理解。提升学生学习兴趣。模拟电路实验课为学生提供了丰富的实验项目，学生可根据自身知识积累，有选择性地安排实验学习。例如，放大器的Q点和动态特性的图解法是非常抽象的教学内容，但是通过相关软件仿真，同学们可直观地看到电路设置Q点的必要性，动态参数的变化规律，直流负载线和交流负载线的区别。根据黑龙江大学电工电子基础实验中心下设的不同专业安排1周～2周的模拟电路实训，完成设计、制作电源电路，一阶滤波器电路，基本共射放大电路，学生首先理论设计计算，然后计算机相关软件仿真，最后动手操作、调试、焊接制板。这个过程提高了学生的动手实践能力、分析问题解决问题的能力；黑龙江大学设有学生创业实践基地，我们鼓励学生积极参加黑龙江省、国家电子设计大赛，以及相关企业组织的电子类大赛，按照大赛的设计要求，同学们对电路进行方案设计，相关软件仿真并修改设计方案，完成电路的制作。通过参赛，提升了学生信心，动手实践能力，创新思维和创新能力都有很大提高，工程应用能力得到了锻炼；联合黑龙江大学创业教育学院积极引入具有创新性的科研成果形成创新实践项目，例如，以科研为背景开发广场的照明指示LED灯，充分激发学生的创新思维，相关产品并得到具体应用。
五、结语
模拟电路范文第4篇
【关键词】模拟电路；数字电路；探讨
1）模拟电路，在现今这个时代，虽然数字电路发展的非常快，但作为电子电路的一个分支，模拟电路仍然有它的实用性，那么，什么叫模拟电路，非专业人士不懂，模拟电路就是对模拟信号进行传输或处理的电路。所谓模拟信号，是指幅值随时间连续变化的信号，比如，我们日常生活中用的调幅/调频的接收机，晶体管小信号放大器，低频功率放大器，负反馈放大器，MOS集成运放，谐振放大器，直流稳压电源等。都是用模拟电路制作的，收音机、通过接收处理无线电广播信号，包括混频、放大、解调等环节，完成音乐和新闻报道。
2）那么什么是数字电路呢？数字电路是对数字信号进行传输或处理的电路、所谓数字信号，是指在时间上和取值上都是离散的不连续的信号，数字电路能够对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算。所谓逻辑运算，就是按照人们设计好的规则，进行逻辑推理和逻辑判断。所以，数字电路不仅具有算术运算的能力，而且还具备一定的“逻辑思维”能力。因此，人们才能够制造出各种智能仪表，数控装置和电子数字计算机等。利用数字电路罗辑功能，可以设计出各式各样的数字控制装置，用来实现对生产过程的自动控制。
3）在实际工作中，一块集成电路板，往往即有模拟电路，又有数字电路，只有把两种电路结合在一起，才能完成一个具体的工作任务，例如，TC1153集成电路板就是由模拟和数字两部分电路组成的CMOS专用集成电路，用于过载电路保护器上。
在电力供电系统，过流或短路时对任何电气设备（线路）来说都是危险的，轻则损坏开关，重则波及变压器及电网、系统，使控制单元完全毁坏。尽管传统保险管或继电器保护、电路可以避免或减轻损失，但其毫秒级的动作速度，对一些敏感的电子器件而言，还是太慢，电路往往损坏于跳闸的瞬间，于是快速保险丝，各种电子快速保护器应运而生。
以前，各种断路保护器多为常规电路组合，往往体积庞大，线路复杂，功率较少，可靠性差。而TC1153它的静态电流仅为8.μA，工作电压范围宽（4.5―18）用它构成的保护器具有以下特点：①可预设延迟跳闸时间（15μS到100ms以上）预设跳闸电流（1mA到20A以上）和预置跳闸后自动恢复时间（1ms到10s以上）；②电路十分简洁，占用空间很小；③故障状态的指示输出和外控输入，适于电脑电源管理；④具有带PTC限温器的过热保护功能；⑤微功耗。
TC1153可以广泛用于电源总线电路断路器，过热保护器，电源（电池）短路保护器，直流马达“失速”保护器以及各种敏感电路系统的电源中断装置等场合。
因TC1153由模拟和数字电路两部分组成，具有MOS管栅极电荷泵及控制单元，过流检测及自动复位电路，故障状态指示和输入控制单元，以及分别为模拟和数字电路部分提供隔离的稳压电源的稳压器等功能电路，当串联在负载上的检测电阻Rsen两端电压高于100mv（即内部基准电压源的数字值）时，比较器输出信号，最终通过引脚G端到外接N沟道MOSFET功率管，切断负载与电源的通路，达到保护负载的目的。检测电阻（Rsen）的数值，根据断路器动作电流（限流值用Ic表示）确定，即满足RsenIc=100mv的条件。
以上所述是TC1153的过流检测的简单工作原理，这是目前过流保护装置最常用的基本思路。具体而言，TC1153可以实现的功能还有：利用外控输入信号控制负载的通/断、高电平有效，状态端子是一个漏极开路输出，使用时应接一上拉接电阻，不用时该脚浮空即可。自动复位定时电路作用是当外部负载过流故障排除后自动延时上电，恢复正常。延迟时间由外接的定时电容确定，值为0.033―3.3μF时，自动复位的延迟时间为20ms―2S。当然，如果过流故障不排除，电路是不会复位的，如不需此功能，则应将该引脚接地。延迟跳闸功能是为一些有冲击电流的负载而设的，例如大的滤波电路、灯泡、电机等会有瞬间的浪涌电流，如果没有延迟功能，系统在工作时就会频频出现跳闸现象。因此，选择该延时数值很重要，既要考虑不同负载的正常工作，也要顾及准确及时判断过流而保护负载。需要指出的是：TC1153的各信号端子（包括定时电容端）均有防静电保护二极管，以确保在各种应用环境下的正常稳定使用。
用于不同负载时，TC1153典型应用电路也不相同，如用于感性负载电路，接有继电器、电磁铁、步进马达等，对延迟跳闸时间没有严格要求，IC内部已经10μS的延迟而不必外接阻容元件于Ds端。但电路要对MOS管进行反压保护，如在GSD端并接稳压管，在负载两端并接续流二极管。
如用于容性负载电路，需要在GSD端外加阻容电路，用来减小MOS管开启时的电压上升速率，使负载电压缓慢上升。
模拟电路范文第5篇
关键词:模拟电路;故障诊断;方法
中图分类号:TP305文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)36-10546-03
Study on Analog Fault Diagnosis
CHEN Ling-ling, ZHANG Qiu-mi, WANG Xi-dong, LU Chao
(Department of Physics, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)
Abstract: Study of modern and contemporary analog circuit fault diagnosis method. Mainly discussed SBT, SAT, similar to modern technology, analog circuit fault diagnosis method and Expert Systems, Neural Networks, Fuzzy Theory, wavelet transform modern analog circuit fault diagnosis methods and principles.
Key words: analog circuit; fault diagnosis; methods
随着电子科学技术的迅速发展,电子器件的集成度越来越大,电子设备越来越复杂,在电子产品制造、使用和维修中,传统的人工诊断技术已无法满足其需求,故提出了借助计算机实现故障诊断。随着故障诊断理论的发展,确立了其在网络理论中应用的地位,成为继网络分析、网络综合之后的网络理论的第三分支。现代电子电路通常是多层次的或被封装的,可测电压的可用节点数有限,导致可用作故障诊断的信息量不够充分,造成故障定位的不确定性和模糊性。如何有效解决模拟电路的容差和非线性问题,如何解决故障诊断的模糊性和不确定性问题是研究工作迫切需要解决的困难。由于上述问题很难用传统的数学方法描述,人工智能技术则因其善于模拟人类处理问题的过程,容易顾及人的经验并具有一定的学习能力等特点,在这一领域得到了广泛应用。
1 模拟电路故障诊断方法
1962年R.S.Berkowitz[1]首先提出模拟电路故障诊断理论。1979年IEEE会刊将模拟电路故障诊断主要的方法归纳为三大类:估值法、分类法和拓扑法。1979年以后,故障诊断进入深入的发展阶段,根据对被测电路的模拟在测试之前或测试之后分为[2]:测前模拟法―SBT(Simulation Before Test)和测后模拟法――SAT(Simulation After Test)。除此之外,还有近似法和专家系统法。
1.1 测前模拟法SBT
测前模拟法的主要方法是故障字典法FD(Fault Dictionary)[3],其理论基础是模式识别原理,基本步骤是在电路测试之前,用计算机模拟电路在正常和各种故障下的状态,并记录其对应的信号或特征,从而建立故障字典;在实际电路诊断时,根据测量所得的信号或特征,在故障字典中查到与此信号或特征对应的故障,从而确定电路故障。故障字典法[4]是最具有实用价值的故障诊断方法,因为几乎所有的计算量都集中在测前,测后只需要查字典定位故障,所以能做到定时诊断。由于故障状态有限,所以主要用于单、硬故障的诊断。故障字典法按建立字典所依据的特性有直流法、频域法和时域法。直流故障字典法是利用电路的直流响应作为故障特征,建立故障字典的方法。本文介绍一种较常用的直流故障字典法:用分段线性描述所有非线性器件,引入故障开关模拟电路的硬故障,运用混合方程表格法建立电路的通用端口约束方程,通过开关的不同组合可反映电路的各种故障状态;电路通过端口约束方程与二极管变量的约束条件构成一个互补问题,可用互补主元法求解;为克服容差对故障诊断的影响,引入模糊集进行故障隔离。直流故障字典法一般仅适用于单、硬故障的诊断。
频域法是以电路的频域响应作为故障特征,建立故障字典的方法。其优点是理论分析较成熟,硬件要求较简单,主要是正弦信号发生器、电压表和频谱分析仪。频域法主要有:Bode图法、双线性变换法和稀疏矩阵法等。Bode图法的原理是:按电路的对数幅频特性来划分特征空间,以不同频率下的增益偏差作为特征向量建立故障字典;测试后,根据实际增益偏差查字典确定故障。双线性变换法的原理是:以电路的传输轨迹作为故障特征建立故障字典;测试后,根据实际测量在复平面上找出对应点,测量点明显地靠近某一轨迹,由此轨迹可以决定系统测量特性对应的元件参量偏差,从而确定故障。此方法适用于线性电路的单故障,包括硬、软故障,但不适用于故障导致零响应的情况。稀疏矩阵法的原理是:以电路的传输特性(振幅或相位)的偏差作为故障特征建立故障字典;测试后,根据实际传输特性的偏差查字典确定故障。考虑到元件的容差和测量误差,规定一门限,当特性偏差在门限值之内时认为电路正常。
时域法是利用电路的时域响应作为故障特征而建立故障字典的方法,主要方法有伪噪声信号法和测试信号设计法等。伪噪声信号法是以伪噪声信号获得的电路冲击响应的变化作为故障特征,建立故障字典的方法。测试信号设计法是将电路不同状态下测试信号的阶跃幅度和电路对辅助信号响应中跨零位置的变化作为故障特征,进行编码,从而建立故障字典的方法。
1.2 测后模拟法SAT
测后模拟法的主要方法有参数识别技术和故障证实技术,其特点是在电路测试后,根据测量信息对电路模拟,从而进行故障诊断。
参数识别技术的原理是利用网络响应与元件参数之间的解析关系,通过响应的测量值识别或求解网络元件的参数值,根据该值是否在容差范围之内来判定元件是否故障。按诊断方程是否线性,参数识别技术可分为线性技术和非线性技术。线性技术有伴随电路法等;非线性技术有转移导纳法、元件连接分割法、节点法等。
1) 伴随电路法是利用特勒根定理和伴随网络概念建立故障诊断方程的方法。
2) 转移导纳法是直接通过解网络转移导纳参数非线性方程组来决定网络元件值,如果元件参数值超过容差范围,就判定为故障元件。
3) 元件连接分割法是把系统中的元件或组件从系统中分割出来,用元件与系统的连接关系,来描述系统特性与元件之间的关系。由元件特性和连接特性组成的CCM(Component Connection Model)方程,根据CCM方程建立故障方程。
4) 节点法是从电路节点电压方程出发,通过传输函数或表格法建立故障诊断方程的方法。
故障证实技术是通过检验网络元件某一子集是否出现故障来识别故障的,从而使测试点数大大下降,其方法有K故障诊断、故障定界技术、网络分裂法等。
1) K故障诊断是通过检验某些线性方程的相容性来进行故障定位的,定位中引入补偿电源代替元件参量的变化。它有K节点故障诊断和K支路故障诊断两种。
2) 故障定界技术是假定最大的故障数,并将网络元件分为两个子集S1、S2且假定S1中元件正常,利用S1中元件特性与网络特性测量值求出S2中元件值进行故障识别的。
3) 网络分裂法是通过可及节点的撕裂,将网络分裂为若干个子网络,运用测试条件(STC、MTC)和逻辑分析将故障定位到子网络,然后利用内部自测条件(ISTC)将故障定位到更小的区域。
1.3 近似技术
近似技术研究在测量数有限的情况下,根据一定的判别准则,识别出最可能的故障元件,其中包括概率统计法和优化法。
1) 概率统计法中常用的为逆概率法,其工作原理是:在测试之前,根据维修经验对大量数据进行统计分析确定元件发生故障的先验概率,测试之后,算出后验概率,根据Bayes判别准则,后验概率最大者即是最可能出故障的元件。此法的原理与故障字典发相似,是属于测前模拟的。
2) 优化法用于软故障诊断,其思路是采用适当的目标函数估计出最可能出现故障的原件。此法是属于测后模拟的。
1.4 专家系统故障诊断方法
专家系统[5]是一个智能计算机程序系统,其大多基于产生式规则,即首先将专家知识及诊断经验用规则表示出来,形成故障诊断知识库,然后根据测试数据利用专家提供的知识和经验进行推理诊断出故障元件。专家系统包括[6]测前模拟诊断中的故障特性的收集和处理过程,以及测后模拟的故障推理收索等过程。
专家系统特点:具有丰富的经验和高水平的技术及专家水平的专门知识;能够有效地模拟故障诊断专家并完成故障诊断的过程,但在实际应用中仍存在一定缺陷,其主要缺陷为[7]:知识获取“瓶颈”问题;易出现“匹配冲突”、“组合爆炸”和“无穷递归”;知识“窄台阶”;知识维护困难;实时性差。这大大影响了故障诊断的准确性。鉴于上述困难,提出将其与具有信息处理特点神经网络和适合人类认识特征模糊理论相结合。
2 模拟电路故障诊断新方法
字典法一般只用于单故障诊断,参数辨识法和故障验证法在诊断时在线计算量大,难以实现实时诊断。而在科学技术高速发展的现代化生产中,传统的故障诊断方法已不能适应技术发展的需求,这就要求科技人员和理论工作者要进一步探索新的理论和方法,主要包括神经网络,模糊理论,小波变换等。
2.1 神经网络故障诊断方法
人工神经网络[8](Artificial Neural Network,ANN)是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息处理系统。神经网络作为一种自适应的模式识别技术,并不需要预先给出有关模式的经验知识和判别函数,它通过自身的学习机制自动形成所要求的决策区域。网络的特性由其拓扑结构、神经元特性、学习和训练规则所决定。它可以充分利用状态信息,对来自于不同状态的信息逐一进行训练而获得某种映射关系。而且网络可以连续学习,如果环境发生改变,这种映射关系还可以自适应地进行调整。
基于神经网络的诊断过程分为两步。首先,基于一定数量的训练样本集(通常称为“征兆―故障”数据集)对神经网络进行训练,得到期望的诊断网络;其次,根据当前诊断输入对系统进行诊断,诊断的过程即为利用神经网络进行前向计算的过程。在学习和诊断之前,通常需要对诊断原始数据和训练样本数据进行适当的处理,包括预处理和特征选择、提取等,目的是为诊断网络提供合适的诊断输入和训练样本。此外,尽管神经网络和传统的故障诊断是两种不同的诊断方法,但两者是紧密联系在一起的。
2.2 模糊理论诊断方法
模糊故障诊断方法,就是在故障征兆空间与故障原因空间之间建立模糊关系矩阵,再将模糊推理规则产生的模糊关系矩阵进行组合,根据一定的判定阀值来识别出故障元件。将模糊理论的模糊逻辑系统与ANN相结合[9],充分吸收了两者各自的优点,既能处理专家知识和经验,又能通过自学习增强系统的判断能力。目前的研究主要集中在[9]:研究模糊逻辑系统和ANN的对应关系,将模糊逻辑系统的调整和更新转化为对应的ANN学习问题以及利用模糊逻辑系统对ANN进行初始化;模糊神经网络的快速学习算法;利用模糊理论加快ANN的学习速度并应用ANN构造高性能的模糊逻辑系统。但两者发展到现在,时间相对较短,自身体系还不完善,在解决诊断问题方面还存在很多问题。
模糊理论与其它人工智能技术结合构成的诊断系统虽然可以增强处理不确定性能力,在一定程度上提高诊断的准确度,但是它不能完全消除专家系统所固有的缺点。
2.3 小波变换故障诊断方法
小波变换的基本原理[9]:通过小波母函数在尺度上的伸缩和时域上的平移来分析信号,适当选择母函数,可以使扩张函数具有较好的局部性,因此,它是一种时-频分析方法。在时-频域具有良好的局部化性质并具有多分辨分析的特性[10],适合非平稳信号的奇异性分析,如利用连续小波变换的极值可以检测信号的边沿、随机信号的突变,还可以抑制噪声;利用离散小波变换可以检测随机信号频率结构的变化。
小波变换故障诊断机理包括两个方面[11]:利用观测器信号的极值、突变等进行故障诊断以及利用观测器信号频率结构的变化进行故障诊断。小波变换不需要系统的数学模型,故障检测灵敏高,运算量小,抑制噪声的能力强,对输入信号要求低,但滤波器的时域宽度较大,检测时会产生时间延迟,且不同小波基的选取对诊断结果也有影响。
近年来,将小波变换与模糊集合论、ANN理论相结合,提出的模糊小波和小波网络的故障诊断方法。采用嵌套式结合方式,把小波变换的运算融入到ANN中去,形成小波网络。小波网络是一种连续的非线性映射,它把ANN的自学习特性和小波的局部特性结合起来,具有自适应分辨性和良好的容错性,所以适用于模拟电路故障诊断领域。
3 结束语
综上所述,本文围绕模拟电路的故障诊断方法进行了有益的探索,回顾上世纪70年代以来模拟电路故障诊断的研究成果,例如测前模拟法、测后模拟法、近似法、专家系统等,并介绍了模拟电路故障诊断新的成果,例如神经网络、模糊理论和小波变换等。
参考文献:
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[9] 欧阳宏志,廖湘柏,刘华.模拟电路故障诊断方法综述[J].电子科技,2008,21(12):75-80.
