基于FPGA的交通灯控制器设计

交通灯控制器设计 专业 计算机应用技术 班级 计 应 2 班 学号 147030201 姓名 蔡 利 军 I 基于FPGA的交通灯控制器设计 摘 要 超高速硬件描述语言 VHDL 是对数字系统进行抽象的行 为与功能描述到具体的内部线路结构描述 利用 EDA 工具可 以在电子设计的各个阶段 各个层系进行计算机模拟验证 保证设计过程的正确性 可大大降低设计成本 缩短设计周 期 本文介绍的数字秒表设计 利用基于 VHDL 的 EDA 设计工 具 采用大规模可编程逻辑器件 FPGA 通过设计芯片来实现 系统功能 交通灯控制系统可以实现路口红绿灯的自动控制 基于 FPGA 设计的交通灯控制系统具有电路简单 可靠性强 实时 快速擦写 运算速度高 故障率低 可靠性高 而且体积小的 特点 本设计采用 Altera 公司 Cyclone 系列的 EPlC3T1444C8 芯片 在 Quartus II 软件平台上使用 VHDL 语 言 采用自顶向下的设计方法对系统进行了模块化设计和综 合 并进行了仿真 该系统可实现十字路口红绿灯及左转弯 控制和倒计时显示 仿真结果结果表明系统能够自动控制交 通灯转变 II 关键词 VHDL 交通灯 EDA III 目 录 前 言 1 第 1 章 FPGA 概述 2 1 1 FPGA 的简介 2 1 2 FPGA 的应用 2 第 2 章 VHDL 硬件描述语言 3 2 1 VHDL 程序基本结构 3 2 1 1 实体 4 2 1 2 结构体 4 2 1 3 库 4 2 2 VHDL 语言 4 2 2 1 VHDL 文字规则 4 2 2 2 VHDL 数据对象 5 2 2 3 VHDL 数据类型 5 2 2 4 VHDL 顺序语句 5 2 2 5 VHDL 并行语句 6 第 3 章 系统设计与仿真 6 3 1 系统介绍 6 3 1 1 设计任务 6 3 1 2 设计要求 6 3 2 系统设计仿真 7 3 2 1 顶层框图的设计 7 3 2 2 时序状态图的设计 7 3 2 3 工程设计流程框图 8 3 2 4 芯片的选择 8 3 2 5 各个模块的设计与仿真 9 结 论 23 附 录 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 前 言 当今社会是数字化的社会 是数字集成电路广泛应用的社会 数 字集成电路本身在不断进行更新换代 随着微电子技术的发展 设计 与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担 系统设计 师更愿意自己设计专业集成电路 ASIC 芯片 而且希望设计周期尽 可能短 最好在实验室里就能设计出合适的 ASIC 芯片 并且立即投 入实际应用之中 因而出现了现场可编程器件 FPLD 现场可编程 门阵列 FPGA 即属其中应用最广泛的一种 随着电子技术的发展 特别是大规模集成电路和计算机技术的研 制和发展 让电子产品设计有了更好的应用市场 实现方法也有了更 多的选择 而电子电路的设计却变得越来越复杂 使用 语言 进行 电子设计已成为一种趋势 现代电子系统设计方法是设计师自己设计 芯片来实现电子系统的功能 将传统的固件选用及电路板设计工作放 在芯片设计中进行 在这些专业化软件中 EDA Electronic Design Automation 具有一定的代表性 EDA 技术是一种基于芯片的现代电子 系统设计方法 基于 EDA 技术的现场可编程门阵列 FPGA 电 ASIC 在数字系统设计和控制电路中越来越受到重视 VHDL 语言是电子设 计的主流硬件描述语言 它更适合进行行为描述 这种方式使得设计者 专注于电路功能的设计 而不必过多地考虑具体的硬件结构 基于 EDA 技术的现场可编程门阵列 FPGA 电路 提出现场可编程门阵列 FPGA 是近年来迅速发展的大规模可编程专用集成电路 ASIC 在数 字系统设计和控制电路中越来越受到重视 VHDL 语言是电子设计的主 流硬件描述语言 它更适合进行行为描述 这种方式使得设计者专注于 电路功能的设计 而不必过多地考虑具体的硬件结构 2 第 1 章 FPGA 概述 1 1 FPGA 的简介 FPGA Field Programmable Gate Array 即现场可编程门阵 列 它是在可编程器件的基础上进一步发展的产物 它是作为专用集 成电路领域中的一种半定制电路而出现的 既解决了定制电路的不足 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点 目前以硬件描述语言所完成的电路设计 可以经过简单的综合与 布局 快速的烧录至 FPGA 上进行测试 是现代 IC 设计验证的技术 主流 1 2 FPGA 的应用 FPGA 的应用可分为三个层面 电路设计 产品设计 系统设计 电路设计 连接逻辑 控制逻辑是 FPGA 早期发挥作用比较大的领域也是 FPGA 应用的基石 事实上在电路设计中应用 FPGA 要求开发者要具备 相应的硬件知识 电路知识 和软件应用能力 开发工具 产品设计 把相对成熟的技术应用到某些特定领域开发出满足行业需要并能 被行业客户接受的产品 这方面主要是 FPGA 技术和专业技术的结合 问题 重点在性能 FPGA 技术在这个领域是一个实现手段 FPGA 因 为具备接口 控制 功能 IP 内嵌 CPU 等特点有条件实现一个构造简 单 固化程度高 功能全面的系统产品设计 系统级应用 系统级的应用是 FPGA 与传统的计算机技术结合 实现一种 FPGA 版的计算机系统如用 Xilinx V 4 V 5 系列的 FPGA 实现内嵌 POWER PC CPU 然后再配合各种外围功能 这个平台上跑 LINIX 等 系统这个系统也就支持各种标准外设和功能接口了 这对于快速构成 FPGA 大型系统来讲是很有帮助的 3 第 2 章 VHDL 硬件描述语言 2 1 VHDL 程序基本结构 一个相对完整的 VHDL 程序通常包含实体 结构体 配置 程序包和库 5 个部分 程序模板如下 LIBRARY library name USE library name package name all ENTITY entity name IS GENERIC parameter name string default value parameter name integer default value PORT input name input name IN STD LOGIC Input vector name IN STD LOGIC VECTOR high DOWNTO low output name output name OUT STD LOGIC END entity name ARCHITECTURE a OF entity name IS SIGNAL signal name STD LOGIC BEGIN process statement optional generate statement optional END a 4 2 1 1 实体 实体一般用来描述所设计的系统的外部接口信号 是可视部分 其中最重要的部分是端口说明 端口说明语句是对于一个设计实体界 面的说明 端口名是赋予每个系统引脚的名称 一个实体通常有一个 或多个端口 端口类似于原理图部件符合上的管脚 实体与外界交流 的信息必须通过端口通道流入或流出 IEEE 1064 标准包中定义了四 种端口模式 其功能及符号分别是 IN OUT INOUT BUFFER LINKAGE 2 1 2 结构体 结构体用于描述系统内部的结构和行为 建立输入输出之间的关 系 在一个实体中 可以含有一个或一个以上的结构体 而在每一个 结构体中又可以含有一个或多个进程以及其他的语句 其中 实体名 必须是被设计的实体的名字 结构体中的说明语句是对结构体的功能 描述语句中将要用到的信号 数据类型 常数 元件 函数和过程等 加以说明的语句 结构体包含两类语句 并行语句和顺序语句 在 PROCESS 中的语句是顺序执行的 当 PROCESS 所带的敏感信号发生变 化时 PROCESS 中的语句就会执行一遍 5 2 1 3 库 库使用说明用于打开 调用 本设计实体将要用到的库 库 是专门存放预编译程序包的地方 IEEE 库 在 IEEE 库中有一个 STD LOGIC 的包 它是 IEEE 正式认可的包 STD 库 STD 库是 VHDL 的 标准库 在库中有名为 STANDARD 的包 在使用库之前 一定要进行 库说明 库的说明总是放在设计单元的前面 2 2 VHDL 语言 2 2 1 VHDL 文字规则 VHDL 文字主要包括数值和标识符 数值型文字主要有数字型 字 符串型和位串型 数字型文字有 整数文字 十进制数 实数文字 十进制数 必须带有小数点 以数字基数表示的文字 字符串型 文字有 文字字符串 数位字符串 标识符 2 2 2 VHDL 数据对象 在 VHDL 中 数据对象类似于一种容器 接受不同数据类型的赋值 数据对象有 3 种 即常量 信号 变量 常量是固定值 不能在程序 中被改变 变量时一个局部量 是一个临时数据 没有物理意义 它 只能在 Process 和 Function 中定义 必须在进程和子程序的说明性 区域说明 并只在其内部有效 信号是描述硬件系统的基本数据对象 代表连接线 Port 也是一种信号 6 2 2 3 VHDL 数据类型 VHDL 是一种强类型语言 要求设计实体中的每一个常数 信号 变量 函数以及设定的各种参量都必须具有确定的数据类型 并且只 有相同的数据类型的量才能互相传递和作用 VHDL 的基本类型有 bit 位 bit Vector 位矢量 Boolean time character string integer real 2 2 4 VHDL 顺序语句 VHDL 有如下六类基本顺序语句 赋值语句 流程控制语句 等 待语句 子程序调用语句 返回语句 空操作语句 赋值语句有信号赋值语句和变量赋值语句两种 流程控制语句共 有五种 IF 语句 CASE 语句 LOOP 语句 NEXT 语句 EXIT 语句 IF 语句根据条件句产生的判断结果 TRUE 或 FALSE 有条件地 选择执行其后的顺序语句 CASE 语句根据满足的条件直接选择多项 顺序语句中的一项执行 空操作语句不完成任何操作 它常用于 CASE 语句中 利用它来表示所余的不用条件下的操作行为 满足所有可 能的条件 2 2 5 VHDL 并行语句 结构体中的并行语句主要有七种 并行信号赋值语句 进程语句 块语句 条件信号赋值语句 元件例化语句 其中包括类属配置语 句 生成语句 并行过程调用语句 7 第 3 章 系统设计与仿真 3 1 系统介绍 交通灯控制器用于自动控制十字路口交通灯和计时器 指挥各种 车辆和行人安全通行 3 1 1 设计任务 设计一个十字路口交通控制器 方向分为东南西北四个方向 东 西方向的红绿灯状态一样 南北方向的红绿灯状态一样 每个方向上 有四盏灯 分别是左转灯 红灯 绿灯和黄灯 左拐灯亮表示左转车 辆可以通行 红灯亮表示左转和直行车辆禁行 绿灯亮表示直行车辆 和右转的车辆可以通行 黄灯亮表示左转和直行的车辆即将禁行 倒 计时显示器用来显示允许通行或禁止通行的时间倒计时 3 1 2 设计要求 在十字路口东西方向和南北方向各设一组左转灯 显示的顺序 为 左转灯绿灯黄灯红灯 在东西方向和南北方向各设一组倒计时显示器 倒计时只显示对 应方向上的红灯倒计时和绿灯倒计时 其余的状态不显示倒计时 左 转灯 红灯 绿灯和黄灯亮的时间分别是 15 秒 80 秒 45 秒 5 秒 状态表如表 3 1 所示 8 表 3 1 交通灯状态转换表 状态S0S1S2S3S4S5 东 西 方 向 红红红 红 左转 绿黄 亮 灯 1545515455 南 北 方 向 红 左转 绿黄红红红 亮灯1545515455 3 2 系统设计仿真 对于交通灯控制器 可基于 Quartus II 软件 采用层次化混合 输入方式进行设计 即顶层采用原理图设计 底层采用 VHDL 语言设 计 3 2 1 顶层框图的设计 顶层原理图设计可以依据系统框图进行 有分频模块 控制模块 倒计时模块 红绿灯显示模块 译码模块 译码显示模块 6 六部分组 成 如图 3 1 所示 9 图 3 1 顶层原理图系统框图 3 2 2 时序状态图的设计 图 3 2 交通灯时序状态图 10 3 2 3 工程设计流程框图 新建工程 新建原理图文件或 VHDL 文件 输入程序或编辑原 理图 编译 若有错 修改程序 直至无错 建立波形文件 导入 管脚 编译波形文件 查看仿真结 果 保存 图 3 3 工程设计流程框图 3 2 4 芯片的选择 在这次毕业设计中 我们选用的 FPGA 芯片是 Altera 公司的 Cyclone 飓风 系列的芯片 型号为 EP1C3T144C8 它是基于 1 5V 的 采用 0 13um 全铜 SRAM 工艺 TQFP 封装 有 5980 个逻辑单元 2 个锁相环 20 个 M4K RAM 块 其中每个 RAM 为 4kbit 可以另加一 位奇偶校验位 11 3 2 5 各个模块的设计与仿真 1 模块设计 该模块可将频率为 1KHZ 的脉冲波 经过分频变为频率为 1HZ 的 脉冲波 这样我们就得到了周期为 1S 的脉冲波 分频器程序清单如下 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all entity fenpinqi is port clk1khz in std logic clk1hz out std logic end fenpinqi architecture a of fenpinqi is begin process clk1khz variable q integer 0 variable r std logic 0 begin if clk1khz event and clk1khz 1 then if q 512 then r not r q 0 else q q 1 end if clk1hz r end if end process end a 12 分频器程序仿真结果如图 3 4 所示 图 3 4 分频器程序仿真结果图 在分频器程序仿真结果图中 clk1khz 为输入脉冲信号 频率为 1khz clk1hz 为输出脉冲信号 频率为 1hz 从图中 我们可以看出 clk1hz 的周期为 1s 这表明程序的确把 1khz 的信号分频成 1hz 的信 号 2 模块设计 control 模块可根据 clk 的脉冲信号输出 S 的值 下游模块根据 S 的值来决定红绿灯的状态 同时对倒计时的信号赋初值 control 模块 程序清单 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all entity control is port clk in std logic s out std logic vector 2 downto 0 loadat loadbt out std logic at bt out integer range 0 to 80 end control architecture a of control is signal t integer 13 begin process clk begin if clk event and clk 1 then loadat 0 loadbt 0 if t 0 then s 000 at 80 loadat 1 elsif t 15 then s 001 bt 45 loadbt 1 elsif t 60 then s 010 elsif t 65 then s 011 bt 80 loadbt 1 elsif t 80 then s 100 at 45 loadat 1 elsif t 125 then s 101 end if t t 1 end if if t 130 then t 0 end if end process end a control 模块程序仿真结果如图 3 5 所示 图 3 5 control 模块程序仿真结果图 在 control 模块程序仿真结果图中 只有一个输入信号 clk 它 是一个频率为 1hz 的时钟脉冲信号 输出信号有 3 个分别是 14 s at bt 程序中 通过变量 t 的值来确定输出信号 s 的值 并由 此确定将要赋得倒计时的初值 然后赋给 at bt 在每次给 at bt 赋值时 都会使另一个输出信号 loadat loadbt 变成高电平 从而 可以触发下一模块的装载 3 daojishi 模块设计 该模块用来接收 control 模块的输出作为初值 并进行减一操作 最后把减一得结果输出 程序里每检测到一个脉冲 clk 就进行一次 减一操作 atdaojishi 模块程序清单 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all entity atdaojishi is port clk loadat in std logic atin in integer range 0 to 80 atout out integer range 0 to 80 end atdaojishi architecture a of atdaojishi is signal countat integer range 0 to 80 begin process begin wait until rising edge clk if loadat 1 then countat atin else countat countat 1 end if end process atout countat end a 15 atdaojishi 模块程序仿真结果如图 3 6 所示 图 3 6 atdaojishi 模块程序仿真结果图 在 atdaojishi 模块程序仿真结果图中 clk 为 1hz 的输入信号 loadat 为 at 计数器的装载信号 当 loadat 为高电平时 将输入信号 atin 的值装载到计数器中 开始执行减一操作 每接受一次 clk 执 行一次 并将结果输出 4 daojishi 模块设计 该模块用来接收 control 模块的输出作为初值 并进行减一操作 最后把减一得结果输出 程序里每检测到一个脉冲 clk 就进行一次 减一操作 btdaojishi 模块程序清单 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic unsigned all entity btdaojishi is port clk loadbt in std logic btin in integer range 0 to 80 btout out integer range 0 to 80 end btdaojishi architecture a of btdaojishi is 16 signal countbt integer range 0 to 80 begin process begin wait until rising edge clk if loadbt 1 then countbt btin else countbt countbt 1 end if end process btout b 01001100 when 001 b 01000010 when 010 b 01000001 when 011 b 11000100 when 100 b 00100100 when 101 b 00010100 when others b 00000000 end case lrgy 70 then aout1 7 aout2 60 then aout1 6 aout2 50 then aout1 5 aout2 40 then aout1 4 aout2 30 then aout1 3 aout2 20 then aout1 2 aout2 10 then aout1 1 aout2 0 then aout1 0 aout2 70 then 20 bout1 7 bout2 60 then bout1 6 bout2 50 then bout1 5 bout2 40 then bout1 4 bout2 30 then bout1 3 bout2 20 then bout1 2 bout2 10 then bout1 1 bout2 0 then bout1 0 bout2 aout1 aout1 aout1 aout1 aout1 aout1 aout1 aout1 aout1 aout1 aout1 aout2 aout2 aout2 aout2 aout2 aout2 aout2 aout2 aout2 aout2 aout2 bout1 bout1 bout1 bout1 bout1 bout1 bout1 bout1 bout1 bout1 bout1 bout2 bout2 bout2 bout2 bout2 bout2 bout2 bout2 bout2 bout2 bout2 00000000 end case end process end a 24 译码显示仿真结果如图 3 10 所示 图 3 10 译码显示模块仿真结果图 在译码显示模块仿真结果图中 at1 at2 bt1 bt2 为输入信号 它们的值的范围为 0 9 aout1 aout2 bout1 bout2 为输出信号 它 们的范围为数字 0 9 对应的七位数码管显示段码的值 图中 输出信 号的值随着输入信号的变化而相应的变化 仿真完全正确 符合预期 8 顶层文件设计 交通灯的顶层文件是一个原理图文件 它包含 7 个元件 每一个 元件均是由一个模块程序生成 7 个元件分别为 fenpinqi 模块 control 模块 main 模块 atdaojishi 模块 btdaojishi 模块 yima 模块 和 yimaxianshi 模块 这些模块均经过设计 编译 仿真 结果正确 最后生成可视化元件 然后将各个模块用具有电气性质的导线连接起 来 这样原理图文件就建好了 保存编译 在建立一个 vwf 波形文件 保存并仿真 原理图如图 3 11 所示 仿真结果如图 3 12 所示 实验 25 证明 仿真结果正确 符合预期 图 3 11 顶层文件设计原理图 图 3 12 顶层文件波形仿真结果图 在顶层文件波形仿真结果图中 有一个频率为 1khz 输入信号 clk1khz 它是外部的信号对整个系统设计的输入端口 作为一个脉 26 冲 经过分频变成频率为 1hz 的脉冲 由于 1hz 的脉冲的周期是 1s 所以我们可以用它来控制整个系统的步调 而这个步调与现实生活中 交通灯的步调是一致的 1hz 的信号经过 control 模块的处理 通过 计数使 s 变化为不同的值 s 代表的是交通灯时序图的状态 一共有 6 个状态 s0 s5 同时对应不同的 s 的状态赋不同的初值给 at bt at bt 分别是东西方向和南北方向的倒计时初值 Control 模块还有一个功能是提供倒计时模块的置数的触发脉冲 接下来 main 模块直接接受 s 的值来输出相应的红绿灯亮灭状态 例如 lrgy 的值为 01000010 这表明交通灯的亮灭情况为 东西左转灯灭 东西 红灯亮 东西绿灯灭 东西黄灯灭 南北左转灯灭 南北红灯灭 南 北绿灯亮 南北黄灯灭 即一一对应 倒计时部分分为两个模块 atdaojishi 和 btdaojishi 两个模块分别倒计时东西方向和南北方 向 每个倒计时模块都有相似的端口 clk loadat atin atout 和 clk loadbt btin btout 我们只举其中一个为例子 clk 为倒 计时的时钟脉冲 当 loadat 为高电平时 将 atin 传递给 atout clk 的上升沿每来一次 atout 减一次 此前 时间的值都是整形的 要 想将倒计时实时显示出来 就需要将两位的整数分解成个位和十位 yima 模块就是这样的 将一个倒计时分解成两个一位数 例如将 54 分解成 5 和 4 然后经过 yimaxianshi 模块将对应的数字译成相应的 段码 例如将 5 和 4 译码为 01101101 和 01100110 在这个系统设计 中 所有的数码管和二极管均为共阴极显示 27 结 论 从 4 月份接到毕业设计任务到现在 已有两个月的时间 回想自己在这两个月的时间里的付出 看着手中这份劳动果 实 我真正体会到了收获的喜悦 在此期间 我在网上搜集一些相关信息 但由于上班时 间的限制 我更多的时间是自己研究 同时 我还和杨军政 一起研究交流 利用回校的一点时间 到图书馆查阅有关资 料 最后终于顺利完成了此次毕业论文设计 此次毕业论文 设计让我了解了 GFPA 的相关知识 并且加深了对 VHDL 语 言的认识 熟悉了 VHDL 语言在交通灯中的运用 这也使我 将原来所学的知识系统化 理论化 实用化 对如何使用已 有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高 设计达到了预定的设计目的 实现了利用现场可编程门 阵列 VHDL 自动控制十字路口交通灯和计时器 各交通灯 及计时器均按设计任务要求正常运行 指挥各种车辆和行人安 全通行 通过这次设计 我还认识到无论做什么 都需要踏实 勤奋 严谨的工作态度 这对我以后的工作产生深远的影响 28 模拟放大器 通常来说 一个信号放大器的确能够 正如你所认为的 将信号放大 然而 信号放大的方式随着实际放大器的设计 信号的类型 以及放大信号用途 的不同而发生变化 我们可以通过一个最常用的高保真音响系统的例子来说明以 上观点 在一个典型的现代高保真系统中 信号来自一个模块 比如 CD 音乐播放器 调谐电路 或者磁带 小型磁盘 它们产生的信号经过适度地放大后可以达到 100 毫伏左右 这是一个相当大的电压 足以在示波器或者电压表上反映出来 然而 这些信号的实际功率却是什么微弱的 具有代表性的是 这些信号仅仅有 几个毫安的电流 通过公式 P U I 计算 得出信号的功率仅为几个毫瓦 一个典 型的扩音器需要数瓦或至 100 瓦左右的功率来放大声音 因此 我们需要一些功 率放大器把来自信号源的微弱信号放大成足够被人听到的音乐 如图 1 1 所示 图中的 4 个模拟放大器的例子应用了不同类型的结构 在每 一个例子中 交流电压增益基本上由所选择的电阻决定 注意 表达式 1 1 中的 负号表明 实例中的电路在放大时改变了信号的极性 像这种简单的电路可以很 轻松地放大百级以上 不过 在实际应用中 一般不需要这么大 这种具有类似 真空状态的设备开始流行 在国际通称为真空电子管 在美国被称为电子管 图 1 1 电压放大器示例 把许多实用的放大器放在一块做成一个模拟信号放大器 可以通过它获得很 高的电压增益 例如 一个功率放大器的输入级接一个电压可能为 0 1 毫伏的麦 克风 经过放大之后 可能放大到 10 伏 100 伏来驱动扬声器 这就要求电压增 29 益达到 109 所以把许多电压增益模块串联在一起就很有必要了 在很多时候 我们希望放大器不仅能放大电压 也能放大电流 若想找个例 子的话 高保真音响系统中用来驱动扩音器的信号是最好不过了 这些典型的输 入级阻抗大约为 8 欧姆 所以说 要想驱动负载功率为 100 瓦的扩音器 我们必 须同时提供 28V 的电压和 3 5A 的电流 另一个关于源信号的输入级阻抗的例子 就是麦克风了 它的阻抗大约为 100 欧姆 因此麦克风的输出信号为 1 纳安 0 1 毫伏 这就表示要接受这种输入信号并去驱动 100 瓦的扬声器 放大电路就必须 将信号的电流和电压同时放大 109倍 这意味着总功率的增益是 1018 也就是 180 分贝 这种大功率增益促使了人们对放大器功能的普遍了解 人们按照功率将放 大器分为前级放大器和功率放大器 功率放大器内部的信号比其他同类的信号大 很多 以至于即使 很微弱 的信号 把输出级的信号接到输入端都会出现很多 问题 把大功率 大电流 的部分和低功率的部分装在不同的盒子里 这样我们 便可以保护输入信号不被破坏 实际上 许多需要大电流和大功率的设备往往都在特定的条件下工作 即 由信号的电压决定响应的幅度 继而由设备吸收其所需要的电流而工作 例如 使用扩音器是十分方便的 因为输出声音的大小由提供给扩音器的电压决定 尽 管如此 绝大多数的扩音器的效率 把电功率转化为有用功率的效果 和频率有 关 在一定程度上 这种结果符合人的自然生理特性 一个典型的例子如图 1 2 所示 当一个扩音器的频率为 150HZ 时 阻抗为 12 欧姆 当频率为 1KHZ 时 阻抗为 5 欧姆 所以频率为 1KHZ 时的电流比频率为 150HZ 时的电流的 2 倍还大 功率放大器当然不会事先知道你要用哪种 因此我们简单地采用了一种协议 协 议规定 在信号的任何频率下 电压的幅值表明需要的信号幅值电流应该包括扩 音器所需的全部电流 图 1 2 典型的 8 欧姆扩音器的阻抗特性 这种做法在电子系统中很常见 即 在信息条目中 信号类型有电压决定 而电压又随时间变化 理论上 所需的电流已经确定了 尽管 上述观点是以大 功率例子为依据的 一个很类似的情形 一个传感器响应输入的变化输出一个电 30 压 但是输出的电流却是有限的 在这些情况下 我们需要一个电流放大器或者 一个缓冲器 电流放大器和缓冲器十分类似 我们用一些形式的增益设备和电路 来提高电流的幅值 然而 一个电流放大器总是放大一定的倍数 这一点和电压 放大器能把电压放大一定倍数的行为很相似 缓冲器因电流放大器不同而不同 只有这样 它才能为了维持信号电压并且提供所需的任何电流 随着时代的发展 当今的技术也日趋完善 竞争愈演愈烈 单靠人工的操作已 不能满足于目前的制造业前景 也无法保证更高质量的要求和高新技术企业的形象 人们在生产实践中看到 自动化给人们带来了极大的便利和产品质量上的保证 同 时也减轻了人员的劳动强度 减少了人员上的编制 在许多复杂的生产过程中难以 实现的目标控制 整体优化 最佳决策等 熟练的操作工 技术人员或专家 管理 者却能够容