双频率数字保密锁电路设计

1、-. z 本文由prettystony奉献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择T*T，或下载源文件到本机查看。 双频率数字锁电路设计 摘 要 密码锁是实际应用极为广泛的一种数字电路， 它的主要功能是用来对*些操作进展 加密保护， 目的是防止无权人员使用*些措施或者进展越权操作。 锁设计电路很多， 其门锁控制器的设计方法更是五花八门。机械式密码锁是电路构造比较简单的锁， 但其平安性比较差， 因此， 具有防盗性功能的电子密码锁代替弹子锁和机械式密码锁已 是必然趋势。随着科技的开展，现在设计出的双频率数字密码锁具有难破译、保险度高 和抗破坏能力强等特点， 应用极为广泛。 这将使双频

2、率数字锁的设计走向一个保险、 简单、抗破坏的新时代。 首先， 本文将概述双频率数字锁电路的根本原理及特点， 并且阐述选择双频率 的原因。 其次， 本文将讲述系统中核心部件及其电路的根本工作原理， 简述备用电源电路的 设计目的。 最后，本文将简要表达画图软件 Protel 的根本组成，讲述系统电路所用的电子元器 件的根本工作原理及其调试方法。 关键词：双频率，数字，锁The design circuits of double frequency digital privacy lock Abstract The code lock is a digital circuit that has al

3、l kinds of practical application,its main function is used to encrypt and protect some operation and its purpose is to prevent some people who have no rights from using some measures or operating without permission. Not only does the privacy lock has so many circuits, but also the controller of gate

4、 lock owns all kinds of methods of design. The mechanical code lock is a kind of lock that has a relatively simple circuit structure but poor security. So it is an inevitable trend that electronic bination locks that have anti-theft feature replace insecure mechanical code locks. With the developmen

5、t of technology, the current double frequency digital privacy lock has lots of features such as difficult to decipher, high insurance, good resistance to destroy and so on, which is e*tensively used. So these characteristics make the double frequency digital privacy lock go into a new era of insuran

6、ce, simpleness and tamper resistance. At first, this paper will introduce the basal principle and characteristic of double frequency digital privacy lock, and states reasons of choosing double frequency. The second, this paper will describe the core parts in system and the basic working principles o

7、f circuits, and talk about the intention of designing stand-by power. At last, this paper will describe briefly the basic elements of drawing software Protel, and give an account of the basic working theory of electronic ponent in systemic circuit as well as the method of debugging. Key words: doubl

8、e frequency, digital, privacy lock 目 录 1 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 国外开展现状 1 1.3 课题研究现状 2 1.4 论文构成及研究容 2 2 主要元器件介绍 4 2.1 CMOS 反相器 4 2.1.1 2.1.2 2.1.3 CMOS 反相器工作原理 4 CMOS 反相器传输特性 5 CMOS 反相器动态特性 6 2.2 CD4069CMOS 六反相器引脚及其功能 8 2.3 LM324 四运放集成电路 9 2.4 CD4060 计数器 10 2.5 二极管的工作原理 11 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 二极管的导电

9、特性 11 二极管的主要参数 13 二极管的应用 14 特殊二极管 14 2.6 根本谐振电路 15 2.6.1 2.6.2 并联谐振电路 15 串联谐振电路 17 2.7 电源电路及其原理 18 2.7.1 电源变压器 19 2.7.2 2.7.3 桥式整流电路 20 备用电源电路 21 3 双频率数字锁电路 23 3.1 电路的工作原理 23 3.2 电路的制作与调试 24 3.2.1 3.2.2 电路的调试 24 Protel 软件介绍 26 结 致 论 28 29 参考文献 30 附 录 31 1 绪论 1.1 课题背景及目的 密码锁是实际应用极为广泛的一种数字电路， 它的主要功能是用

10、来对*些操作进展 加密保护， 目的是防止无权人员使用*些措施或者进展越权操作。 例如银行自动柜员机、 自动售货机、门卡系统或者保险柜中都含有这种密码锁。在电子技术飞速开展的今天， 具有防盗性功能的电子密码锁代替弹子锁和密码量少、 平安性差的机械式密码锁已是必 然趋势。而双频率数字密码锁具有难破译、保险度高和抗破坏能力强等特点，应用极为 广泛。 然而， 锁作为我们生活中的一局部， 我们既要知其然， 还要知其所以然。 因此， 我们有必要去研究锁的工作原理。在外表看来，锁只是一个较小的金属外壳， 但是其中的奥秘又是很多人想知道而又无法知道的， 为何一个简单的金属外壳会有如此 神奇的功能，其中的理论又

11、是什么呢. 19 世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有 越来越重要的地位。数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路 又有了巨大的开展。可编程逻辑器件PAL、GAL 等的开展和普及最终使 IC 的设计 面向了用户这是模拟电路无法做到的 ，而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从 而奠定它在电子电路中的地位。如今大多数的锁都是基于数字电路来设计完成的。 在能源比较匮乏的今天， 数字锁在应用方面更表现出一种节约能源的魅力， 在 科技兴旺的今天， 在一个到处都充满着电子信息的今天， 双频率数字锁表现出它的 另一个特点：难破译，这将使锁表现出它更广阔的天地

12、。数字锁更要表达出它 难破译、 保险度高和抗破坏能力强的特点。 本课题的研究让我们能初步了解数字锁 的特点，熟悉它的技术指标，认识了解它的功能进而能对它有深刻的认识。 1.2 国外开展状况 随着人们生活水平的提高和平安意识的加强，对平安的要求也就越来越高。锁自 古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要平安可靠的防盗，又要使用方 便， 这也是制锁者长期以来研制的主题。 随着电子技术的开展， 各类电子产品应运而生， 电子密码锁就是其中之一。 据有关资料介绍， 电子密码锁的研究从 20 世纪 30 年代就开 始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。 研究

13、这种锁的初衷，就是为提高锁的平安性。由于电子锁的密钥量密码量极大，可 以与机械锁配合使用， 并且可以防止因钥匙被仿制而留下平安隐患。 电子锁只需记住一 组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣 赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC 卡锁，生物锁等。但较实 用的还是双频率数字锁。20 世纪 80 年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电 子锁的体积缩小，可靠性提高，本钱较高，是适合使用在平安性要求较高的场合，且需 要有电源提供能量，使用还局限在一定围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显 进展。 1.3 课题研究现状 电子密码锁从目前的技术水

14、平和市场认可程度看，使用最为广泛的是双频率数字 锁， 该产品主要应用于保险箱、 保险柜和金库， 还有一局部应用于保管箱和运钞车。 为了发扬优点、克制弱点，整个电路采用 S 器件，所以功耗很小，完全不必担忧 整机的耗电量。如果采用贴片元件，整个电路可以做得很小， 电子钥匙的大小可以 与平常得钥匙相比较，方便携带。锁栓可以用电磁锁，也可以由平常的锁加电磁铁改装 而成。 整个锁的本钱很低廉，电路的本钱最多要五十元。电磁锁的价格也不过三十至四 十元左右，非常适合制作。总之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但双频率数字锁 仍然老树发新芽，不仅在市场上居于主流地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗 锁的辅助输

15、入手段。 1.4 论文构成及研究容 本文首先主要介绍设计双频率数字锁电路所用到的各个元器件及典型电路的 根底知识， 然后介绍双频率数字锁的工作原理， 主要研究该电路的各个部位的构造 及性能。 双频率锁采用电子钥匙作为钥匙来开启门锁，具有难破译、保险度高、抗破 坏力强的优点。 它由三局部组成：电子钥匙、门锁控制器、门锁。其中电子钥匙是关键， 门 锁控制器是核心。 电子钥匙原理：它由两个振荡器构成。振荡器由 S 器件构成，振荡频率 稳定，受环境影响小。两个振荡器产生的频率各不一样，而且每个振荡器的设定围很 宽，从几 K 到几十 K，从几十 K 到几 M。这样即使想用扫频仪之类东西来作为频率发 生器

16、开启门锁也是相当困难。 门锁控制器由保护电路、输入回路、鉴频电路、缓冲、放大、整流、滤波、 电压比较、比较延时电路、定时器、输出驱动等组成。保护电路用于人为的或其他原因 输入过大的信号时自动切断输入信号， 从而起到保护后级电路的作用。 输入回路起到把 输入信号耦合到鉴频回路的作用。 鉴频回路对输入信号的频率进展鉴别， 当输入信号与 鉴频电路预设的频点相一致时，输出的信号最强，经缓冲、放大、整流、滤波后，输出 直流电压， 再送到比较器与电路中设定电压进展比较， 两个比较器输出的直流信号相遇 后，再经延时电路，最后送到末级作为开启的控制信号触发驱动电路，驱动锁栓。其中 鉴频电路、缓冲、放大、整流、

17、滤波电路作用是把两路信号的频率与预设的两个频点进 行比较的结果转变成一个直流电压， 只有当信号的频率在预设的频点两端很小的围 时，输出的直流电压才最高，否则输出的直流电压很低。输出的直流电压与预设电压值 经电压比较器输出高电平， 两个高电平相遇后输出的高电平经一秒的延时后再向驱动电 路送去开启信号。 延时一秒的目的是为了进一步提高锁的保险度，如果想采用如扫频的方式来输入 两路信号， 即使*个时刻输入的两个信号的频率与预设的频点一致， 但因为有一秒钟的 延时才能开启门锁，所以这时仍然是打不开门锁的。这就大大提高了保险度。定时器设 置的作用是：如果主人要长时间的离开，这时只要把定时器翻开，估计一下

18、离开到回来 的时间，然后定时，在定时围，驱动电路关断，即使用电子钥匙也是打不开的， 这就进一步提高了锁的保险度。 本锁还配有一个备用电源，平时通过电源变压器向电路供电，备用电源不向电路 供电， 一旦电断后备用电源自动开启， 向电路供电， 就防止了因停电而打不开门的情况。 2 主要元器件介绍 2.1 CMOS 反相器 CMOS 集成电路的许多最根本的逻辑单元都是用 P 沟道增强型 MOS 管和 N 沟道 增强型 MOS 管按照互补对称形式连接起来构成的， 并因此而得名。 这种电路具有电压控 制、功耗极小、连接方便等一系列优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。在 CMOS 集成电路中，CMOS 门

19、电路是根底，CMOS 反相器是典型。 图 2.1 所示为 CMOS 反相器电路，由两只增强型 MOSFET 组成，其中一个为 N 沟 道构造，另一个为 P 沟道构造。为了电路能正常工作，要求电源电压 VDD 大于两个管 子的开启电压的绝对值之和，即 VDD(VTN|VTP|) 。 (a) 电路 (b)简化电路 图 2.1 CMOS 反相器电路 2.1.1 CMOS 反相器工作原理 首先考虑两种极限情况：当 VI 处于逻辑 0 时 ，相应的电压近似为 0V；而当 VI 处 于逻辑 1 时，相应的电压近似为 VDD 。假设在两种情况下 N 沟道管 TN 为工作管 P 沟 道管 TP 为负载管。但是

20、，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情 况亦将导致一样的结果。 首先分析当 VI= VDD 时的工作情况。在 TN 的输出特性 iDVDSVGSNVDD(注 意 VDSN=VO)上 ， 叠加一条负载线， 它是负载管 TP 在 VSGP=0V 时的输出特性 IDVSD。 由于 VSGPVTVTN=|VTP|=VT，负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲 线的交点即工作点。显然，这时的输出电压 VOL0V典型值10mV，而通过两管 的电流接近于零。这就是说，电路的功耗很小微瓦量级。 图 2.2 分析了另一种极限情况，此时对应于 VI0V。此时工作管 TN 在 VGSN0 的情

21、况下运用，其输出特性 iDVDS 几乎与横轴重合 ，负载曲线是负载管 TP 在 VSGP VDD 时的输出特性 iDVDS。由图可知，工作点决定了 VO=VOHVDD；通过两器件的 电流接近零值 。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。 图 2.2 CMOS 反相器输出特性 由此可知，根本 CMOS 反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或 +VDD，而功耗几乎为零。 2.1.2 CMOS 反相器传输特性 反映 Vo = f (VI)的曲线形象具体地描述了输出电压 Vo 与输入电压 VI 的关系，称 为电压传输特性，如图 2.3 所示。图为 CMOS 反相器的传输特性图。图中 VDD=

22、10V， VTN=|VTP|=VT= 2V。由于 VDDVTN|VTP|，因此，当 VDD-|VTP|VIVTN 时,TN 和 TP 两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负 载。还应注意到，器件在放大区饱和区呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的 负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在 VI=VDD/2 处转换状态。 图 2.3 CMOS 反相器的传输特性 (1) 特性曲线分析 AB 段：VIUTN，TN 导通，但导通电阻较大，故 Vo 略有下降，iD 开场出现并 逐渐增加，功耗也随之增加。 BC 段：VI 在 0.5VDD 附近，TN、TP 均导

23、通，且导通电阻都较小，是 Vo 随 VI 改变而急剧变化的区域，iD 也最大，功耗也最大。相应地，把输入电压 VI = 0.5 VDD 称 为反相器的转折电压或阈值电压，用 UTH 表示。 CD 段与 AB 段是对应的，只不过 TN、 P 的工作状态，CD 和 AB 段的情况正好 T 相反。 2.1.3 CMOS 反相器的动态特性 1、传输延迟时间 图 2.4 (b)所示是 CMOS 反相器带电容性负载时的电路和输入、输出电压波形。 当改变取值时，CMOS 反相器的状态转换总是伴随着输入、输出电容的充、放电 过程。电容上电压是不能突变的，所以反相器输出电压 uo 的变化总是滞后于输入电压 uI

24、 的，尤其是在输出端接有负载电容 CL 时，滞后时间会更长。 tPHL：输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间。定义为 uI 上升沿的中点到 uo 下降沿中点所经历的时间，如图 2.4 (b)所示。 (a)电路图 (b)波形图 图 2.4 CMOS 反相器的传输时间 tPLH：输出电压由低电平变为高电平的传输延迟时间。定义为 uI 下降沿的中点到 uo 上升沿中点所经历的时间，如图(b)所示。 tpd：平均传输延迟时间，tpd = ( tPHL + tPLH )/2。 2、输出端状态转换时间 当输入电压 uI 改变取值时，输出端状态将产生相应变化，相伴随的是 CL 的充电放 电过程，状态转换

25、时间根本上就是 CL 的充电和放电时间。 tTHL：当 uI 改变取值时，输出电压 uo 从 90%下降到 10%所经历的时间，如图(b) 所示，tTHL 实际上是 CL 经过 TN 的导通电阻 RON 进展放电的时间，并称为反相器输出端 由高电平变为低电平的转换时间。 tTLH：当 uI 改变取值时，uo 从 10%上升到 90%所经历的时间，如图(b)所示。tTLH 实际上是 VDD 经过导通了的 TP 对 CL 进展充电的时间，并称为反相器输出端由低电平 变为高电平的转换时间。 3、交流噪声容限 一般来说， 干扰噪声都是一些无规则的脉冲信号， 用交流噪声容限可以表示反相器 对这些脉冲信号

26、的抗干扰能力。 反相器对输入信号的响应总是有一定的延时， 如果干扰 脉冲持续的时间很短，以至于输出端状态还没有任何变化，干扰脉冲就消失了，显然这 样的脉冲信号对电路不会起作用。 所以， 反相器对窄脉冲的噪声容限要高于其直流噪声 容限。 交流噪声容限随电源电压的不同而改变的原因有两条：一是 UNL、UNH 随 VDD 的 增加而增加；二是 VDD 增加时，uGS 也相应地增加，从而使 MOS 管导电沟道变大，沟 道电阻变小，电容充、放电时间常数变小，反相器传输延迟时间缩短。 4、动态消耗 在状态转换过程中，CMOS 反相器瞬态电流很大，因此会产生所谓动态功耗。动 态功耗的大小，与电源电压 VDD

27、、uI 变化的重复频率，负载电容的容量等因素有关， 它们的数值越大，动态功耗也越大。CMOS 反相器的静态功耗很小，在常温下只有几 个微瓦，常可忽略不计。 2.2 CD4069CMOS 六反相器引脚及其功能 在一个芯片中封装了六个单元， 称为六反相器 CD4069 是最常用的 CMOS 反相器， 电路。其单元电路如图 2.5 所示，电源电压 VDD 的围为 318V。它具有对称的驱动 能力，即 IOL=IOH，传输延迟时间比较短，tPLH、tPHL60ns。 图 2.5 CMOS 反相器电路图 图 2.6 CD4069 引脚图 2.3 LM324 四运放集成电路 LM324 是四运放集成电路,

28、它采用 14 脚双列直插塑料封装,外形如图 2.9 所示。它 的部包含四组形式完全一样的运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324 工作电压围宽，可用正电源 330V，或正负双电源1.5V15V 工作。它的输入电 压可低到地电位，而输出电压围为 0Vcc。除电源共用外,四组运放相互独立。每一 组运算放大器可用图 2.7 所示的符号来表示,它有 5 个引出脚,其中+、 -为两个信号输 入端,V+、V- 为正、负电源端,Vo为输出端。两个信号输入端中,Vi-为反相输 入端,表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反;Vi+为同相输入端,表示运 放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位

29、一样。LM324 的引脚排列见图 2.8。 图 2.7 LM324 原理图 图 2.8 LM324 引脚图 图 2.9 LM324 管脚图 表 2.1 引脚 1 2 3 4 5 6 7 功能 输出 1 反向输入 1 正向输入 1 电源 正向输入 2 反响输入 2 输出 2 电压V 3.0 2.7 2.8 5.1 2.8 1.0 3.0 LM324 各引脚功能 引脚 8 9 10 11 12 13 14 功能 输出 3 反向输入 3 正向输入 3 地 正向输入 4 反向输入 4 输出 4 电压V 3.0 2.4 2.8 0 2.8 2.2 3.0 2.4 CD4060 计数器 CD4060 由一

30、振荡器和 14 级二进制串行计数器位组成，振荡器的构造可以是 RC 或晶振电路，CR 为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效。所有的计数器位均为主 从触发器。在 CP1(和 CP0)的下降沿计数器以二进制进展计数。在时钟脉冲线上使用施 密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。 图 2.10 CD4060 引脚功能图 图 2.11 CD4060 部方框图 图 2.12 CD4060 秒脉冲发生器 脉冲发生器是数字钟的核心局部， 它的精度和稳定度决定了数字钟的质量， 通常用 晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得 1Hz 的秒脉冲。如晶振为 32768 Hz，通过 15 次二分频后可获得 1Hz 的

31、脉冲输出，电路图如图 2.12 所示。 2.5 2.5.1 二极管的工作原理 二极管的导电特性 二极管的性能可用其伏安特性来描述。 流过二极管的电流 I 与加在管子两端的电压 U 之间的关系曲线 I=f(U)就是二极管的伏安特性。 一个典型的二极管的伏安特性如图 2.13 所示。特性曲线包括两局部：正向特性和 反向特性。 图 2.13 二极管的伏安特性 1、正向特性 图的右半局部示出了二极管的正向特性。由图可见，当正向电压比较小时，正向电 流几乎等于零。只有当正向电压超过一定值时，正向电流才开场快速增长。正向特性上 的这一数值通常称为死区电压。 死区电压的大小与二极管的材料以及温度等有关。 一

32、般， 硅二极管的死区电压为 0.5V 左右，锗二极管为 0.1V 左右。 2、反向特性 图的左半局部为二极管的反向特性。由图可见，二极管加上反向电压时，反向电流 值会很小。而且，在一定围，反向电流并不随着反向电压而增大，故称为反向饱和 电流，用符号 IS 表示。 如果反向电压继续升高，当 UBR 超过以后，方向电流将急剧增大，这种现象称为 击穿，UBR 称为反向击穿电压。二极管击穿以后，不再具有单向导电性。 但是，发生击穿并不意味着二极管被损坏。实际上，当反向击穿时，只要注意控制 反向电流的数值，不使其过大，以免因过热而烧坏二极管，则当反向电压降低时，二极 管的性能可能恢复正常。 根据半导体物

33、理的原理，可以分析得到如下 PN 结伏安特性的表达式，此式通常称 为二极管方程，即 I = I S eU / U T 1 ( ) U /UT (2.1) 式中 IS 为反向饱和电流，UT 是温度的电压当量，在常温300K下，UT26mV。 由二极管方程可见，如果给二极管加上一个反向电压，即 UUT，则 I-IS 。假设二极管加上正向电压，即 U0,而且 UUT ，则式中 e 1，可得 I I S e U / U T ，说明电流 I 与电压 U 根本上成为指数关系。 2.5.2 二极管的主要参数 电子器件的参数是其特性的定量描述， 也是实际工作中选用器件的主要依据。 各种 器件的参数可由手册查得

34、。半导体二极管的主要参数有以下几个： 1、最大整流电流 IF 指二极管长期运行时， 允许通过管子的最大正向平均电流。 F 的数值是由二极管允 I 许的温升所限定。使用时，管子是平均电流不得超过此值，否则可能使二极管过热而损 坏。 2、最高反向工作电压 UR 工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值， 否则二极管可能被击穿。 为了留 有余地，通常将击穿电压 UBR 的一半定为 UR。 3、反向电流 IR IR 是指在室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电 流。通常希望 IR 值愈小愈好。反向电流愈小，说明二极管的单向导电性愈好。此外， 由于反向电流是由少数载流子形成，所

35、以 IR 受温度影响很大。 4、最高工作频率 Fm Fm 值主要决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许是最高工作频 率愈低。 二极管除了具有单向导电性以外， 还具有一定的电容效应。 这是因为如果二极管两 端的电压发生变化，PN 结中存储的电荷量也将随之产生变化，如同一个电容器一样。 这样电容效应用 PN 结的结电容来表示。二极管结电容的值通常为几皮法几十皮法， 有些结面积大的二极管结电容可达几百皮法。 2.5.3 二极管的应用 1、整流二极管 利用二极管单向导电性， 可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流 电。 2、开关元件 二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通

36、状态，相当于一只接通的开关；在反 向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特 性，可以组成各种逻辑电路。 3、限幅元件 二极管正向导通后，它的正向压降根本保持不变硅管为 0.7V，锗管为 0.3V 。利 用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定围。 4、继流二极管 在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。 5、检波二极管 在收音机中起检波作用。 6、变容二极管 使用于电视机的高频头中。 2.5.4 特殊二极管 稳压管的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向 电流急增，如图 2.14(b)的特性所示。稳压管的

37、稳压作用在于，电流增量很大，只引起 很小的电压变化。 齐纳二极管又称稳压管， 是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管， 其代表 符号如图 2.14 (a)所示。前已提及，这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区的电 荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。当反向电压加到*一定值时，反向电 流急增，产生反向击穿，如图(b)的特性所示。图中的 VZ 表示反向击穿电压，即稳压管 的稳定电压。 稳压管的稳压作用在于， 电流增量 DIZ 很大， 只引起很小的电压变化 DVZ。 曲线愈陡，动态电阻 rz=DVZ/DIZ 愈小，稳压管的稳压性能愈好。一般地说，VZ 为 8V 左右的稳压管的动态电阻较小，

38、低于这个电压的，rZ 随齐纳电压的下降迅速增加，因而 低压稳压管的稳压性能较差。稳压管的稳定电压 VZ，低的为 3V，高的可达 300V，它 的正向压降约为 0.6V。 图 2.14 稳压管 在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻 R，使稳压管电流工作在 IZma* 和 IZmi* 的 围。 稳压管在应用中要采取适当的措施限制通过管子的电流， 以保证管子不会因过热而 烧坏。 2.6 根本谐振电路 2.6.1 并联谐振电路 根本的并联谐振回路是由电感 L、电容 C 和外加信号源 IS 组成的，r 是电感 L 的损 耗电阻，电容的损耗一般可以忽略。 图 2.15 LC 并联谐振回路 当外来频率加于一并

39、联谐振电路时,它有以下特性： (1)当外加频率等于其谐振频率 时其电路阻抗呈纯电阻性,且有最大值,它这个特性在实际应用中叫做选频电路。(2)当 外加频率高于其谐振频率时,电路阻抗呈容性,相当于一个电容。(3)当外加频率低于其 谐振频率时,这时电路呈感性,相当于一个电感线圈。 所以当串联或并联谐振电路不是调 节在信号频率点时,信号通过它将会产生相移(即相位失真)。根据电路分析根底知识， 可以直接给出 LC 并联谐振回路的*些主要参数及其表达式。 N( f ) = 1 2f 1 + Q02 f 0 2 (2.2) 根据式(2.1)可作出归一化谐振曲线 N(f)。该曲线如下图。 图 2.16 归一化

40、谐振曲线 通频带、选择性、矩形系数。LC 回路的 Q0 越大，谐振曲线越锋利，选择性越好。 为了衡量回路对于不同频率信号的通过能力，定义归一化谐振曲线上 N ( f ) 1 2 所包 含 的 频率 围为 回路的 通 频带 又称 带宽 用 BW0.7 或 BW 表 示。 在 图 上 ， BW0.7 = f 2 f 1 。 BW0.7 = f 2 f 1 = f0 Q0 (2.3) 可见，通频带与回路 Q 值成反比。也就是说，通频带与回路 Q 值即选择性是 互相矛盾的两个性能指标。 选择性是指谐振回路对无用信号和噪声的抑制能力， 即要求 在通频带之外谐振曲线 N(f)应陡峭下降。所以，Q 值越高，

41、谐振曲线越锋利，但通频带 却越窄。一个理想的谐振回路，其幅频特性曲线应该在通频带完全平坦，信号可以无 衰减通过， 而在通频带以外则下降为零， 信号完全不能通过， 如下图的宽度为 BW0.7、 高度为 1 的矩形。 为了衡量实际幅频特性曲线接近理想幅频特性曲线的程度， 提出了 矩 形系数这个性能指标。 矩形系数 K0.1 定义为单位谐振曲线 N(f)值下降到 0.1 时的频带宽度 BW0.1 与通频带 BW0.7 之比，即 K 0.1 = BW0.1 BW0.7 (2.4) 由定义可知，K0.1 是一个大于或等于 1 的数，其数值越小，则对应的幅频特性月理 想，选择性越好。 2.6.2 串联谐振

42、电路 图 2.17 LC 串联谐振回路 图 2.17 是 LC 串联谐振回路的根本形式，其中 r 是电感 L 的损耗电阻。 下面按照与并联 LC 回路的对偶关系，直接给出串联 LC 回路的主要根本参数。 (1)回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性： 1 Z = r 2 + L C 2 (2.5) = arctan (2)回路总阻抗：L r 1 C (2.6) Z = r + j L C (3)回路空载 Q 值： Q0 = 1 (2.7)0 L r (2.8) (4)谐振频率： f0 = (5)归一化谐振函数： 1 2 LC (2.9) N( f ) = I I 00 = 1 2 1 + Q0 2

43、 (2.10) 其中，I 是任意频率时的回路电流，I00 是谐振时的回路电流。 (6)通频带： BW0.7 = f0 Q0 (2.11) 当外来频率加于一串联谐振电路时,它有以下特性：(1)当外加频率等于其谐振频率 时其电路阻抗呈纯电阻性,且有最少值,它这个特性在实际应用中叫做陷波器。(2)当外加 频率高于其谐振频率时,电路阻抗呈感性,相当于一个电感线圈。(3)当外加频率低于其谐 振频率时,这时电路呈容性,相当于一个电容。 2.7 电源电路及其原理 电子设备中所用的直流电源， 通常是由电网提供的交流电经过整流、 滤波和稳压以 后得到的。 对于直流电源是主要要求， 除了能够输出不同电路所需要的电

44、压和电流以外， 还应做到，直流输出电压平滑，脉动成分小；输出电压的幅值稳定，即当电网电压或负 载电流波动时能保持根本稳定；交流电变换成直流电时的转换效率高等。 根据上述要求，直流电源一般包括四个局部，即电源变压器、整流电路、滤波器和 稳压电路。如图 2.18 所示。 图 2.18 直流电源的组成 各个组成局部的作用分别为， 1、电源变压器 电网提供的交流电一般为 220V(或 380V)，而各种电子设备所需要直流电压的幅值 却各不一样。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换后的二次电压 再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。 2、整流电路 整流电路的作用是利用具有单

45、向导电性能的整流元件， 将正负交替的正弦交流电压 整流成为单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距 离理想的直流电压还差得很远。 3、滤波器 滤波器主要由电容、 电感等储能元件组成。 它的作用是用尽可能地将单向脉动电压 中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压或负载电 流发生变化时，滤波器输出直流电压的幅值也将随之而变化，如图中下面的虚线所示。 在要求比较高的电子设备中，这种情况是不符合要求的。 4、稳压电路 稳压电路的作用是采取*些措施， 使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变 化时保持稳定。 2.7.1 电源变压器 电源变压器几乎

46、在所有的电子产品中都要用到， 它原理简单但根据不同的使用场合 不同的用途 变压器的绕制工艺会有不同的要求。 电源变压器是一种变换交流电的静 止电气设备。电源变压器的作用是改变电压.既可以将发电站发出的电升为高压，以减 少在输送电中的损失，便于长途输送电力。也可以在用电的地方，将高压电逐次降低电 压，送给用户使用。电源变压器的功能主要有：电压变换、阻抗变换、隔离、稳压磁 饱和变压器等，电源变压器常用的铁芯形状一般有 E 型和 C 型铁芯。其原理是： 当一个正弦交流电压 U1 加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流 I1 并产生交 变磁通 1，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级

47、线圈中感应 出互感电势 U2，同时 1 也会在初级线圈上感应出一个自感电势 E1，E1 的方向与所加 电压 U1 方向相反而幅度相近，从而限制了 I1 的大小。为了保持磁通 1 的存在就需要 有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线 圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为空载电流 。 如果次级接上负载，次级线圈就产生电流 I2，并因此而产生磁通 2，2 的方向与 1 相反，起了互相抵消的作用，使铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压 E1 减少，其结果使 I1 增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加 大时 I1 增加，1 也增加，并且

48、1 增加局部正好补充了被 2 所抵消的那局部磁通， 以保持铁芯里总磁通量不变。 如果不考虑变压器的损耗， 可以认为一个理想的电源变压 器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。 电源变压器能根据需要通过改 变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。 2.7.2 桥式整流电路 由于二极管具有单向导电性， 因此可以利用二极管的这一特性组成整流电路， 将交 流电压变换成单向脉动电压。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波和单 相桥式整流电路。而桥式整流电路是最理想、最常用的整流电路。 针对半波整流电路的缺点，提出了单相桥式整流电路，如图 2.19 所示。电路中采

49、 用了四个二极管，接成电桥形式，故称为桥式整流电路。 在 u2 的正半周，二极管 VD1、VD2 导电，VD3、VD4 截止，电流 iD1、iD2 流过 RL， 在负载上得到的输出电压极性为上正下负。在 u2 的负半周，VD3、VD4 导电，VD1、VD2 截止，iD3、iD4 流过 RL 时产生的电压极性也是上正下负，因此在负载上得到一个单方向 的脉动电压。桥式整流电路的波形见图 2.19 (b)。 (a) 电路图 (b) 波形图 图 2.19 单向桥式整流电路 由图 2.19 (b)可见，在同样的变压器二次电压 u2 之下，桥式整流电路输出电压 uo 的波形所包围的面积时半波整流电路的两倍

50、，因此其平均值也将是半波整流电路的两 倍。由图也可明显看出，桥式整流输出电压的脉动成分也比半波整流时下降了。 2.7.3 备用电源电路 为了防止停电情况的发生，本电路后备了UPS电源，它包括市电供电电路，停电检 测电路，电子开关切换电路，蓄电池充电电路和蓄电池组成。其电路图如图2.20所示： 220V市电通过变压器T降压成12V的交流电,再经过整流桥整流,7805 稳压到5V送往 电子切换电路，由于本电路功耗较少，所以选用10W的小型变压器。 图 2.20 备用电源电路 3 双频率数字锁设计 3.1 电路的工作原理 该电路主要由电子钥匙和门锁控制器两局部组成，如图 3.1 所示，其中框为电子

51、钥匙，其他则是门锁控制局部。 在电子钥匙电路中，U1:AU1:C、U1:DU1:F 门电路构成两个频率分别为 20KHZ 和 24KHZ 的方波振荡器。只有当两个频率与门锁控制器的双频率锁电路的两个 谐振频率对应一样时， 门锁才能翻开， 由于选用的频率围为 0.10500KHZ， 又是双频， 故其排列组合数据多，很难破译。一般采用超音频 f =1/2.2RC,可分别用 R6、C1 和 R7、 C2 代入得出频率值。 在门锁控制电路中，双频率电路是由 T1、T2 和 U2:AU2:D 4 个运算放大器等 构成，定时保险电路是由 U3 计数电路构成，锁栓控制电路是由 V15(VMOS 管)、L1、

52、 L2 等构成。当电子钥匙的 AD 与门锁控制电路的 AD 对应相碰时，通过 D、C 点使 电子钥匙电路加电而工作，其输出经 A、B 两点送入门锁控制器。两路频率信号经 R2R5、V1V4 组成的限压保护电路后，分别与 T1、T2 的次级回路产生谐振，以获得 最大幅度的振荡电压输出。两路信号分别经 U2:A、U2:C 缓冲，再经半波整流、滤波变 成直流电压信号加到 U2:B、U2:D 的同相端，使其各自输出高电平，二极管 V8、V9 截 止，V15 导通，使锁栓缩入，将门翻开。当 A、B 两点无对应频率信号输入时，U2:B、 U2:D 均输出低电平，V8、V9 导通，V15 截止，L1、L2

53、无电流流过，而锁栓在弹簧的 作用下复原，将门锁上。 U3 是由 14 级二分频串行计数器与外围元件组成的定时保险电路。 它含有一方波振 荡器， 其周期 T2=2.2(R13+R14)C10， 方波经 14 级二分频后从 3 脚出， 当开关 S 接通时， 3 脚处于低电平，在 T/2(214 个脉冲)这段时间，V10 导通，使 M 点始终处于低电平， 即使 U2:B、U2:D 同时翻转为高电平，也无法使锁栓动作。故在这段时间，控制电路被 锁住，起到了定时保险的作用。只有 U3 的 3 脚输出高电平时，控制电路才能起作用。 翻开开关 S 就可以去掉这种定时保险作用。 电路通过交流 220V 经变压

54、、整流、滤波、稳压后提供直流电源。该双频率电子锁 还备有 5 节 1 号电池组成的直流备用电源 E，以防止停电造成房门不能开启。一般停电 时间较少，故电池使用寿命很长。二极管 V13 用于完成停电时交、直流电源的转换工 作。 电子钥匙输入到控制器的两路信号频率必须与控制器的两个振荡回路产生谐振， 只 有这样才能使 U2:B、U2:D 同时翻转，保证控制电路正常工作。在 U2:B、U2:D 翻转后， 由于电容 C11 有一个充电过程，故需延时 0.30.5S 才能防止误触发。按键 SW 装在门 把手处，由于 R17、R18 阻值很小，故可立即完成对 C11 充电，而放电电阻 R20 为 100

55、k ，故可维持放电时间 2 秒左右，这段时间足够开门之用。采用两个锁栓可增强保 险作用。在定时保险电路中，电位器 R8 的微调可对定时保险电路中方波振荡器的周期 起稳定作用。二极管 V7 的作用是：当 U3 的 3 脚输出高电平时，使振荡停顿，保持输 出为高电平，而断、通一次 S，又可使定时保险电路重新工作。在设计方波振荡周期时， 可设置 T/2(1014 个脉冲)为上班时间，这样下班不会影响开门。由上述分析可知，二极 管 V8、V9、V10 组成了一个三与门 ，共同对 M 点的电位起控制作用。 3.2 3.2.1 电路的制作与调试 电路的调试 在图 3.1 中，U1 选用 CD4069CMO

56、S 六反相器；U2 选用 LM324 四运放电路；U3 选用 CD4060CMOS 计数器；V1V11 选用 1N4048 硅二极管；V12、V13 选用 1N4004 硅二极管；V15 选用 V75DT(VMOS)管；V14 选用3mm 发光二极管；R1 选用 2 k ， R2、R4 选用 5.1 k ，R5、R3 选用 3.3 k ，R6 选用 22 k ，R7 选用 19 k ，R8 选用 220，R9 选用 470，R10、R11 选用 10 k ，R12 选用 1 k ，R13 选用 140 k ，R14 选用 560 k ，R15 选用 2.2 k ，R16 选用 30 k ，R1

57、7 选用 470，R18 选用 43，R19 选用 510，R20 选用 100 k ，均为 RJ-1/4W 电阻器；C1、C2 选用 1000PF，C3、C4 选用 0.22 F ，C5 选用 2200 PF，C6 选用 1500 PF，均为磁介质电容器；C7、C8 选用 1 F ，C9 选用 100 F ，C10 选用 1.5 F ，C11 选用 22 F ，均为 CD11-25V 电解电容 器；VZ1 选择 2CW7C 稳压二极管。 谐振线圈 T1、T2 的磁环为 N*O-1000 型，初级用0.15 漆包线 15 匝，次级用 0.15 漆包线 150 匝； 锁栓与电磁铁等机械构件可视具

58、体情况自行设计； 电子钥匙可做得 . R1 R16 R3 T1 V5 C5 V2 C7 整 整 R17 电 电 V13 C3 U2:B V8 R10 R2 U2:A V1 + + VCC 220V R18 V4 T2 C6 R5 V9 V6 U2:D SW R19 L1 U2:C C8 R11 滤 滤 V3 C4 R4 + + A B V7 R VZ1 V12 锁锁 2 锁锁 1 C U1:A U1:B U1:C 很小，A、B、C、D 4 点可由导线橡胶制作。 R6 C1 16 L2 S S 11 3 R14 9 C10 LED C11 V10 V11 V15 D R20 C9 RESISTO

59、R TAPPED U3 R12 R9 R13 U1:D U1:E U1:F C2 CD4060 8 12 15 图 3.1 双频率数字锁电路 R15 R7 D . 按图 3.1 所示的电路构造与元器件尺寸，设计适宜的印制电路板，并装焊好元件。 电子钥匙上的 A、B、C、D 四点，根据实际情况可紧固在门上，为防止接触错误，D 点可凹进去一点，锁栓缩入，门可翻开，关门时可将门带上碰锁 。当采用定时保险 时，先调整 R14 的组值以确定定时长短，然后接通 S。假设 S 原已接通，则应断、通一 次，关门出去即可。只要元器件质量可靠，安装无误，加电后一般可以正常工作。在调 试时，假设出现一些问题，则可进

60、展以下调整： 1、双频率的调整：将电子钥匙与控制器 A、B、C、D 对应接触，用万用表直流档 测 R10 两端的电压，调 R6 使其读数最大，一般可调至 0.5V 以上；同样测 R11 两端电 压，调 R7 使其读数最大。调好后将 R6、R7 换成固定电阻。 2、谐振频率的调整：将电子钥匙与控制器对应接触，用示波器分别测 C5 与 C6 两 端电压波形，微调 C5、C6 的大小或调整 T1、T2 次级的匝数，使其电压幅度最大。 3、定时保险时间调整：先断开 S，将 R14 的中心抽头调到左端，用万用表直流档 测 U3 的 15 脚和地之间的电压。然后接通 S，与此同时开场计时，当万用表读数增到