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1 电子设计与制作 2 目录第1章模拟电子线路设计第2章数字电子线路设计 3 第1章模拟电子线路设计1 1常用模拟集成电路介绍1 1 1模拟电路简介的分类模拟电路是一种能够处理模拟信号的电子电路 其输出信号一般是输入信号的线性函数 处理的信号在时间和幅值上都是连续的 构成模拟电路的主要器件 有源器件 主要有三极管 场效应管和线性集成电路等 按频率分类 有直流电路 低频电路 高频电路和全频带电路等 4 集成电路分为单片线性集成电路和混合集成电路 线性集成电路按用途可分为运算放大器 功率放大器 集成稳压器和高频放大器等 1 1 2集成运算放大器1 集成运算放大器简介集成运算放大器基本实现了标准化 只要功能相同 参数相近的同型号器件 不论是何公司的产品 都可以互换 能否为各种各样的模拟电路选择最合适的运算放大器代表了一个电子工程师能力的强弱和水平的高低 5 通用双极性运算放大器有 A741 LM301等 双运放有RC4558等 低噪声运算放大器适合用作放大器的前级放大 如 NE5532 NE5534等 高输入运算放大器分Bi FET运算放大器和Bi MOS运算放大器 如 TL081 CA3140等 高速宽带运算放大器的压摆率为10MV s 带宽为10MHZ以上的运算放大器 如 LM318和HA2500等 6 高精度运算放大器具有低失调电压和低失调电压温飘 适用于放大热电偶输出的微弱信号 如 A725 OP07 AD625等低功耗运算放大器通常有两类 一类是不需要采取外围措施就能达到低功耗 如 PC253 另一类是通过外部设定的可编程型 运算放大器的工作电压大多使用 15V电源 输出电流在 5mA 25mA之间 高压运算放大器的工作电压上限为 30V 40V 7 2 集成运算放大器产品数据手册的使用 1 输入失调电压VIO和输入失调电流IIO 2 输入偏置电流 IIB 3 最大额定值 有 最大电源电压 如 18V 最高工作温度 如70 4 共模抑制比 CMRR AVD AVC 5 温度漂移 有输入失调电压温飘 VIO t和输入失调电流温飘 IIO t 6 开环差模电压增益 AVD 8 7 输入 输出阻抗 8 转换速率SR dVO dt 和单位增益带宽BWG 3 运算放大器构成的常用模拟电路 1 反相 同相放大电路 2 加法电路 3 减法电路 4 低通滤波器和高通滤波器 5 比较电路 6 滞回比较电路 9 7 仪用放大电路 8 输出电流增大电路 9 交流 直流变换电路 10 电流检测电路 11 峰值检测电路 1 1 3集成功率放大电路1 集成功率放大电路简介2 集成功率放大电路产品数据手册的使用 10 1 电源电压范围 2 静态电源电流 3 频带宽度3 集成功率放大电路构成的常用模拟电路 1 基本功率放大电路 2 高电压增益功率放大电路 11 1 1 4集成稳压电路1 集成稳压电路简介线性集成稳压电路是电子电流中常用的一种稳压电路 具有结构简单 调节方便 输出电压稳定性高和纹波电压小的特点 只有输入 输出和公共端 称为三端稳压器 12 1 三端固定输出集成稳压器78 输出正电压79 输出负电压输出电压等级10个 对应 05 06 08 09 10 12 15 18 20 24V输出电流等级 L 0 1A 例 78L05 5V0 1AM 0 5A例 78M12 12V0 5A 13 N 1 0A无标 1 5A例 7915 15V1 5AT 3AH 5AP 10A注 使用中一定要注意功耗不能超过允许的最大值 功耗较大时 要外加散热片 14 2 三端可调输出集成稳压器LM117 217 317 输出正电压LM137 237 337 输出负电压输出电压范围 1 2V 37V输出电流等级 L 0 1A M 0 5A 无标 1 5A 例 LM317 1 2V 37V1 5A LM317M 1 2V 37V0 5A LM337L 1 2V 37V0 1A 15 2 集成稳压电路产品数据手册的使用 1 输入输出压差 一般要求大于3V 2 电压和负载调整率 3 最小负载电流 LM317在使用中 最小负载电流应大于5mA 3 集成稳压电路构成的常用模拟电路 1 78XX和79XX典型应用电路 2 LM317典型应用电路 3 程序控制稳压电路 16 1 2模拟电路设计举例1 2 2简易浴室水温控制电路1 设计任务和要求 1 设计任务设计一个简易浴室水温控制电路 该电路能够将水温控制在一个合适的范围 并能够手动调温 2 设计要求 17 要求电路能够通过两根电阻丝实现对水温的控制 设温度范围是t1 t2 当tt2时 两根电阻丝都不加热 要求电路在t1 t2两个温度点不能出现跳闸现象 即加热抖动现象 要求电路能显示电阻丝通电与否 画出系统框图 写出设计过程利用Protel工具画出完整的电路原理图 列出全部元器件清单 18 2 系统组成框图3 主要单元电路设计 1 水温监测电路和水温范围测量电路 2 电阻丝开关电路和显示电路 3 电源电路 4 电路原理图5 元器件清单6 特别说明 19 水温控制电路 20 1 2 3简易声控延时照明电路1 设计任务和要求 1 设计任务设计一个简易声控延时照明电路 2 设计要求要求电路能够通过声强对照明灯开关的控制 达到控制照明灯的亮灭 要求电路在照明灯点亮后延时t后自动关断 延时时间t手动可调 要求电路在照明灯点亮后又有新的声源出现 能够重新通电t时间 21 画出系统框图 写出设计过程利用Protel工具画出完整的电路原理图 列出全部元器件清单 2 系统组成框图3 主要单元电路设计 1 声强监测电路和声强信号处理电路 2 延时控制电路和照明灯开关电路 3 电源电路 22 4 电路原理图5 元器件清单6 特别说明 23 简易声控延时照明1 24 声 光控延时照明电路2 25 1 2 4简易电池自动恒流转恒压充电电路 另做设计方案 1 设计任务和要求 1 设计任务设计一个简易电池自动恒流转恒压充电电路 当电池的电量尚未充足阶段 采用恒流方式充电 当电池的电量充足后自动转入恒压涓流方式充电 2 设计要求 26 要求电路能够检测电池的端电压 若电池的端电压低于额定值 采用恒流方式充电 若电池的端电压达到额定值 自动转入恒压涓流方式充电 画出系统框图 写出设计过程利用Protel工具画出完整的电路原理图 列出全部元器件清单 27 2 系统组成框图3 主要单元电路设计 1 变压 整流 滤波电路 2 充电电流检测电路和充电状态指示电路 3 输出电压监视电路和充足状态指示电路 4 电路原理图5 元器件清单6 特别说明 28 电池自动恒流转恒压充电电路 29 1 2 5简易家用瓦斯报警电路1 设计任务和要求 1 设计任务设计一个简易瓦斯报警电路 当空气中危险气体的含量较大时能够自动报警 当危险气体的含量大到对人体有害时 自动切断危险气体的气源 2 设计要求要求电路能够检测出空气中是否含有煤气灯危险气体 30 当空气中危险气体的含量较大时能够自动报警 当危险气体的含量大到对人体有害时 自动切断危险气体的气源 画出系统框图 写出设计过程利用Protel工具画出完整的电路原理图 列出全部元器件清单 2 系统组成框图3 主要单元电路设计 1 危险气体监测电路和检测电路 31 2 声光报警电路 3 自动切断电路 4 电源电路 4 电路原理图5 元器件清单6 特别说明 32 瓦斯报警电路 33 1 2 6简易自来水自动感应开关电路1 设计任务和要求 1 设计任务设计一个简易自来水自动感应开关电路 当人需要用水的时候 通过感应装置自动打开自来水开关 人体离开后 延时一段时间 自动关断 2 设计要求要求电路能够通过感应装置 红外线检测器 自动打开自来水开关 34 人体离开后 延时一段时间 自动关断 能够调节延时时间 画出系统框图 写出设计过程利用Protel工具画出完整的电路原理图 列出全部元器件清单 2 系统组成框图3 主要单元电路设计 1 红外线脉冲发射电路 2 红外线接收电路 35 3 时间延时电路 4 自来水开关电路 5 电源电路 4 电路原理图5 元器件清单6 特别说明 36 自来水自动感应开关电路 37 自来水自动感应PCB电路版图 38 第2章数字电子线路设计2 1常用数字集成电路介绍2 1 1数字集成电路使用与注意事项数字集成电路按制造工艺分为双极性集成电路 如TTL等 和单极性集成电路 如CMOS等 1 TTL数字集成电路 1 TTL与非门电路的主要参数 39 电流参数 标准系列 IiL 低电平输入电流 约 1 6mAIiH 高电平输入电流 约50 AIoL 低电平输出电流 约12mAIoH 高电平输出电流 约 0 4mA 电压参数UiL 低电平输入电压 最大值0 8VUoL 低电平输出电压 最大值0 4VUnL 低电平噪声容限 约0 4VUiH 高电平输入电压 最小值2V 40 UoH 高电平输出电压 最小值2 4VUnH 高电平噪声容限 约0 4V 电源 Vcc GND 54系列 5 0 5V74系列 5 0 25V 速度与功耗54 74 10ns 10mW54H 74H 6ns 22mW54L 74L 33ns 1mW 41 54S 74S 3ns 19mW54LS 74LS 9 5ns 2mW54ALS 74ALS 3 5ns 1mW54AS 74AS 3ns 8mW54F 74F 3 4ns 4mW 扇出系数 8 2 74系列为商用级TTL电路 工作环境温度为0 70 54系列为军用级TTL电路 工作环境温度为 55 125 42 3 TTL电路使用注意事项电源电压VCC 74系列工作电压范围为5V 5 54系列工作电压范围为5V 10 输入端的处理 对于 与 与非 逻辑关系的器件 多余的输入端可以直接与电源VCC相连 也可以经过一只几百欧姆的电阻与电源VCC相连 对于 或 或非 逻辑关系的器件 多余的输入端只能接地 输出端的处理 除三态 TS 门 集电极开路 OC 门外 其他的逻辑电路的输出端不允许直接并联使用 输出端也不允许直接接电源或地 否则极易损坏器件 43 2 CMOS数字集成逻辑电路 1 CMOS数字集成逻辑电路的特点与分类CMOS电路式互补金属氧化物绝缘栅场效应管集成电路的简称 利用NMOS管与PMOS管组合的数字逻辑电路 其特点是 功耗低 W级 电源电压范围宽 3 18V 抗干扰能力强 输入阻抗高 大于100M 带负载能力强 通用的CMOS电路有4000 4500标准系列 74HC和74HCT高速CMOS系列等 44 2 CD4000 MC14500系列参数 电压参数UiL 低电平输入电压 VDD 5V时 最大值1 5VVDD 15V时 最大值4VUiH 高电平输入电压VDD 5V时 最小值3 5VVDD 15V时 最小值11V 45 UoL 低电平输出电压 最大值约0 05VUoH 高电平输出电压VDD 5V时 最小值4 95VVDD 15V时 最小值14 95V 电流参数IoL 低电平输出电流VDD 5V时 最小值0 5mAVDD 15V时 最小值3 4mA 46 IoH 高电平输出电流VDD 5V时 最大值 0 5mAVDD 15V时 最大值 3 4mA输入电流 0 1 A 0 3 A 电源 VDD VSS 3V 18V 功耗 与电源电压 工作速度有关静态功耗 微瓦级 工作速度 100ns 扇出系数 50 47 54HC 74HC系列电压参数 VDD 5V UiL 低电平输入电压HC系列 最大值0 9 HCT系列 最大值0 8VUiH 高电平输入电压HC系列 最小值3 15VHCT系列 最小值2V 48 UoL 低电平输出电压 最大值约0 1VUoH 高电平输出电压 最小值4 4V 电流参数IoL 低电平输出电流 最小值 4mAIoH 高电平输出电流 最小值4mA 静态功耗 微瓦级 工作速度 8ns 扇出系数 50 49 3 CMOS电路使用注意事项电源电压VDD绝不能接反 VDD接电源正极 VSS接电源负极 在电源电压5 15V范围较好 输入端的处理 绝不能悬空开路 多余的输入端最好不要并联使用 对于 与 与非 逻辑关系的器件 多余的输入端可以直接与电源VDD相连 也可以经过一只几百千欧姆以下的电阻与电源VDD相连 对于 或 或非 逻辑关系的器件 多余的输入端可以经过一只几百千欧姆以下的电阻或直接接地 低频工作时 可以在输入端串联一只限流电阻 10 100k 50 输出端的处理 除三态 TS 门 集电极开路 OC 门外 其他的逻辑电路的输出端不允许直接并联使用 输出端也不允许直接接电源或地 否则极易损坏器件 锁定效应的保护 当CMOS电路的输入端施加的电压过高 超过VDD或过低 小于VSS 或输入的信号电压超前于电源电压的建立 或输入的信号电压滞后于电源电压的撤除 或电源电压突然大范围的变化 都会引起电源电流迅速增加 造成电路的永久损坏 所以必须保证输入信号的数值在VDD与VSS之间 输入端加钳位保护电路 电源与地之间加退耦电容 51 3 TTL电路与CMOS电路的接口 1 用TTL电路驱动CMOS电路在TTL电路的输出端加上拉电阻 使用带电平移位的CMOS接口电路 如40109等 TTL电路可以直接驱动74HCT系列CMOS电路 2 用CMOS电路驱动TTL电路标准CMOS电路可以直接驱动一个TTL电路 74HCT或74HC系列CMOS电路可以直接驱动TTL电路 用专用的CMOS电路驱动TTL电路 如4009 4010 4049 4050等 52 4 集成逻辑门电路的基本应用 1 门电路构成的时钟源 2 门电路构成的触发器 2 1 2常用数字集成电路1 常用组合集成电路介绍 1 优先编码器74LS148 2 二进制译码器74LS138等 3 BCD码 7段显示 译码 驱动器74LS48 74LS247等 53 2 常用时序集成电路介绍 1 计数器74LS16374LS191 2 移位寄存器74LS16474LS194 3 锁存器74LS373 54 2 1 3集成V F和F V变换器的特点与应用电压 频率 U f 变换器 将输入电压转换成输出脉冲 两者保持线性关系 实际上也是一种A D转换器 代表电路有LM331 U f变换器的优点 接口简单 占有计算机资源少频率信号输入灵活U f转换过程是对输入信号积分 抗干扰性能好便于远距离传送1 LMX331系列U f和f U变换器介绍 55 满量程频率范围位1HZ 100kHZ 低的线性度位0 01 双电源或单电源工作 4 40V 最大失调电压为 14mV 工作电流为8mA 功耗低 当电源电压为5V时 功耗为5mW 稳定性好 温度系数为 50 10 6 动态范围宽 10kHZ量程下最小值为100dB 脉冲输出与所有逻辑形式兼容 56 1 LM331的管脚排列和功能说明2 LMX331系列U f和f U变换器的应用电路 1 U f变换器应用电路简单的U f变换器 高精度U f变换器 高速U f变换器 2 f U变换器应用电路简单的f U变换器 高精度f U变换器 57 2 1 4555集成定时器原理特点与应用1 555定时器的工作原理 1 LM555的管脚排列和功能说明2 典型应用 1 单稳态触发器 2 多谐振荡器 3 施密特触发器 4 简易水位报警器 5 时钟脉冲发生器 6 简易电子门铃 58 2 2数字电路设计举例2 2 1数码显示八路抢答器的设计1 设计任务和要求 1 设计任务利用数字电路的特点 合理设计一套智力竞赛抢答器电路 2 设计要求每路设置一个抢答按钮 59 具有第一抢答信号鉴别和锁存功能 同时声响报讯 电路具有自锁功能 具有抢答席位指示功能 利用Protel工具画出完整的电路原理图 列出全部元器件清单 2 工作原理和系统组成框图3 电路设计 1 输入电路 60 2 锁存器控制电路 3 运算电路 4 数码显示电路 5 声响电路4 电路原理图5 元器件清单6 总结 61 数码显示八路抢答器 62 八路抢答器附加违规抢答电路 63 分图1 锁存 席位指示 声响电路 64 分图2 译码显示驱动 电源电路 65 2 2 2交通信号灯控制电路设计1 设计任务和要求 1 设计任务设计一个十字路口交通信号灯控制电路 2 基本要求在十字交叉路口的每个入口处设置红 绿 黄三色信号灯 主 支干道交替通行 主干道每次放行8T 支干道每次放行6T 如T 4s 可根据需要更改 每次绿灯变成红灯时黄灯亮T 此时 另一方向干道上的红灯不变 66 要有数字显示 作为时间提示 时间显示以秒为单位 倒计时方式 2 工作原理和系统组成框图 1 设计要点 2 工作原理 3 电路设计 1 秒脉冲发生器电路 2 分频电路 3 控制电路 4 显示电路 4 整体电路原理图5 元器件清单6 总结 67 交通信号灯 68 分图1 时钟 红 黄 绿灯 69 分图2 倒计时指示灯 70 2 2 3数字电子钟设计1 设计任务和要求 1 设计任务用中 小规模数字集成电路设计一台能显示时 分 秒的数字电子钟 2 基本要求时钟功能 采用LED数码管显示即时时间 校时功能 能快速地校准时 分 秒 71 整点报时功能 要求整点前鸣5次低频 500HZ 整点事鸣1次高频 1000HZ 鸣号间隔1秒 计时准确 每天误差不超过10s 2 工作原理和系统组成框图 1 设计要点 设计一个精确的秒脉冲信号发生电路 设计60进制 24电路进制计数器 设计操作方便的校时电路 设计整点报时电路 72 2 工作原理 3 电路设计 1 高精度秒脉冲信号发生器 2 时 分 秒计数器电路 3 显示译码电路 4 校时电路 5 整点报时电路 4 整体电路原理图5 元器件清单6 总结 73 数字电子钟 74 分图1 计时电路 75 分图2 时钟和校时电路 76 分图3 报时电路 77 2 2 4彩灯控制器设计1 设计任务和要求 1 设计任务用中 小规模数字集成电路设计一台节日的彩灯控制器 用移位寄存器为核心器件设计制作一个8路彩灯控制器 2 基本要求要求控制8个以上的彩灯 要求彩灯组成2种以上的花形 每种花形连续循环2次 各种花形自动轮流交替 78 2 工作原理和系统组成框图3 电路设计 1 编码发生器 2 控制电路 3 节拍控制脉冲的产生 4 电路原理图5 元器件清单6 总结 79 彩灯控制器 80 2 2 5汽车尾灯控制器设计1 设计任务和要求 1 设计任务用中 小规模数字集成电路设计一台汽车尾灯控制电路 汽车尾部左右两侧各有3个指示灯 当接通 左转 右转 刹车 和 检查 时 指示灯按照设计要求闪烁 2 基本要求尾灯控制由4个开关控制 分别对应 左转 右转 刹车 和 检查 功能 81 当接通 左转 右转 开关时 左右两侧的3个各汽车尾灯按左循环或右循环顺序依次点亮 当接通 刹车 开关时 所有尾灯同时亮 当接通 检查 开关时 所有尾灯同时闪烁 2 工作原理和系统组成框图3 电路设计 1 时钟产生电路 2 循环移动电路 82 3 左转 右转 控制电路 4 刹车 和 检查 控制电路 4 电路原理图5 元器件清单6 总结 83 汽车尾灯控制器1 84 汽车尾灯控制器2 简约版 85 汽车尾灯控制器2 简约版 86 汽车尾灯控制器 87 2 2 6智能远程控制器设计1 设计任务和要求 1 设计任务本课题所设计的是一种利用市话网络实现对多达6个 当然可以扩展到更多 家庭或办公室中的终端电器设备进行远程遥控的控制器 2 基本要求智能远程控制器是通过拨打固定电话来实现控制终端电器设备的开启和关闭 88 所设计的电路应具有如下功能 初始复位电路电话铃流接收电路铃流延时 计数 电路DTMF 双音频 接收 译码电路密码译码器 防误操作和设备控制 密码设置电路定时电路 自动拆线 驱动电路电源电路 89 2 工作原理和系统组成框图 90 3 电路设计4 电路原理图5 元器件清单6 总结 91 智能远程控制器 92 分图1 振铃检测 DTMF译码 上电复位 93 分图2 系统时序 密码设置 输出驱动电源电路 94 分图3 控制译码电路 95 0 35分时间控制器 96 下面以FM无线发射机设计为例说明方案选择的重要性 97 例 1 简易调频无线发射器 本机发射频率在 中 图中 及外围元件组成电容三点式振荡器 由 产生的音频电压使 的结电容发生变化 在高频情况下 即使很小的电容变化也会引起很大的频偏 调频信号经 放大后送到天线发射 98 方案1总结 主要优点 电路简单 价格低 主要缺点 频率稳定性差 容易跑频 功能单一 99 例 2 BA1404集成电路立体声FM发射器 BA1404 1404F是日本东洋电具制作所 RohmCo Ltd 生产的调频立体声发射集成电路 此电路将立体声调制 FM调制和RF放大器等功能集成在一个芯片上 仅仅需要很少的外围元器件就能够获得良好的立体声调频信号 特性简介采用低电压 低功耗设计 电压在1V至3V之间 典型值为1 25V 最大功耗500mW 静态电流为3mA 它将立体声编码 FM调制 RF放大等多个功能集成在一个芯片上 所需外围元件少 两声道分离度高 典型值为45dB 输入阻抗为540 fin 1kHz 输入增益为377dB Vin 0 5mV 典型射频输出电压为600mV 100 BA1404内部结构框图与作品图 101 BA1404应用电路图 102 方案2总结 主要优点 电路简洁 立体声发射 主要缺点 频率稳定性差 仍然容易跑频 103 例 3 BH1417锁相环调频立体声发射机 BH1417是一个最简单而又实用的集成电路 它集锁相环电路 立体声编码电路 发送电路 外围加上几个几件就组成了一台高频定多频点的HI FI调频立体声发送器 而且它设置了预加重电路 限幅电路及低通滤波器 可明显地改善音质 其总谐波失真达到了 立体声分离度为 输出电平为 104 BH1417内部结构图 105 BH1417应用电路 106 BH1417作品 107 方案3总结 主要优点 PLL锁相环稳频无频率漂移 立体声发射 主要缺点 价格较贵 108 设计报告的撰写设计报告的撰写应包括以以下内容 1 课题名称 2 内容摘要 3 设计任务和要求 4 总体方案选择的论证 内容含曾考虑过的各方案框图 简要原理和优缺点以及所选定方案之理由等 5 单元电路的设计 参数计算和元器件的选择 6 绘出总体电路图及必要的波形图 并说明电路的工作原理 7 组装与调试 内容应含 使用的主要仪器 仪表 应列出名称 犁号 出产厂家和生产年月等 测试的数据和波形 必要时应与计算结果比较并进行误差分析 组装与调试的方法 技巧和注意事项 调试中出现的故障 原因及诊断与排除方法 8 所设计电路的特点及改进意见 9 所用元器件的编号列表 列表项目为序号 符号与编号 名称 型号与规格数量以及必要的说明等 10 列出参考文献 格式为作者 文献名 刊物名 出版单位 出版时间 卷 页码 11 收获 体会与建议 109 电子设计中必备的器件知识 1 常用无源器件 电阻 电容 电感等 应注意使用功率 工作频率 噪声系数 工作损耗等参数进行选择 110 2 常用有源器件 半导体晶体管 集成电路等 使用中应注意关键的直流 交流参数 器件手册中推荐使用的条件和典型应用电路等 例如 极限工作参数 测试工作条件等等 111 3 特殊器件与应用 气敏电阻有一种煤气泄漏报警器 在瓦斯泄漏后会报警 甚至启动脱排油烟机通风 这种报警器内就是装置了一种气敏电阻 这种半导体在表面吸收了某种自身敏感的气体之后会发生反应 而使自身的电阻值改变 它一般有四个电极 两个为加热电极 另两个为测量电极 气敏电阻根据型号对不同的气体敏感 有的是对汽油 有的是对一氧化碳 有的是对酒精敏感 112 220V市电经电源变压器T1降压至5 5V左右 不用整流 滤波直接作为气敏半导体传感器QM N10的加热电压 控制电路的供电则是由U全桥整流 C1滤波后供给的 QM N10气敏半导体传感器在洁净空气中的阻值大约有几十k 接触到有害气体时 电导率增大 电阻值急剧下降 下降幅度与瓦斯浓度在0 5 以下成正比 由与非门IC1A IC1B构成一个门控电路 IC1C IC1D组成一个多谐振荡器 当QM N10气敏传感器未敏感到有害气体时 由于电导率极小 IC1A 脚处于低电位 IC1A的 脚处于高电位 故IC1A的 脚为高电位 经IC1B反相后其 脚为低电位 多谐振荡器不起振 三极管VT2处于截止状态 故报警电路不发声 113 一旦QM N1