电路原理个人解析

、电源设计的理解:对于一个产品，大多数的电路供电部分，均需要一个自制电源来提供，所以电源部分的设计也是至关重要的。电源给电路供电，而普遍的电路供电电压为+5V、+12V、+15V等等直流小电压，所以就需要将通用的220V交流电压转变成所需直流电压。通常的单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。a）压敏电阻的选取因雷电等外界引起的过电压情况容易引起电路设备的损坏，为了保护电路设备，一般在电源的输入端并联压敏电阻。压敏电阻是一种具有瞬态电压抑制功能的器件，防止静电放电、浪涌、耐压、瞬态电流（如雷击）等造成设备的损坏，其作用就是，电路正常工作情况下，工作电压低于压敏电阻的标称电压（也称压敏电压），压敏呈现高阻态，当过电压的出现，大于标称电压时，压敏瞬间导通，将过压和过流导入大地，从而保护电路。一般压敏电阻的选取，主要考虑标称电压（压敏电压）、最大连续工作电压、通流量等。标称电压选取：工作电国n，电压波动a，通常取a=1.2，压敏电压误差b，一般取0.85，元件老化系数一般取c=0.9。这样标称电压VmA=a*Un/bc，约等于1.5Un，若考虑交流峰值，需乘以1.414，所以通常取VmA=2.2Un，为了提高压敏的寿命，可在2.2Un基础上稍微增大。比如压敏型号为MYN15-681K，MY表示为压敏电阻器，N表示用途为高能型，15表示序号，681K表示标称电压为680V（即68后一个0）。b）变压器的选取变压器就是将电网电压（220V）转变成较小的交流电压，一般考虑电压和功率即可，通常根据负载要求选取电压和负载电流，比如电路负载工作电压+5V，则选取2~3倍即可，则变压器可取12V，可根据需要适当更改。估算整个电路所需电流I,载电流大小最大值，取变压器负载再稍微大些即可。c）整流桥的选取变压过后需要整流，常用整流桥或桥堆进行整流，应用中主要考虑最大工作电流和最大反向电压，整流桥直接用型号参数表示：50伏1安，100伏5安等；桥堆全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格，耐压值（最高反向电压）有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。通常命名如KBL410，即4A，1000V（数字乘以100）；HD06，表示耐压（反向电压）600V。比如变压器为220变20V，后跟桥堆后，因为最大耐压可能加4KV，变压过后将近400V，则选取600V反向电压的桥堆即可。滤波电容的选取整流过后，还需滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。电容滤波是最常见最简单的滤波电路，滤波电容容量较大，一般采用电解电容，利用充放电原理。一般考虑电容容量的大小和耐压值的大小。容量的选取，通常当RlC=(3~5)T/2时，U产1.2U2其中，U。为滤波后的电压，U为整流后的电压。R：为负载电阻，T为。电网电压周期，C即为所求的电容。半波整流电路中，电容容量应取更大些。稳压管的选取稳压电路输入电压一般选取U1=(2~3)U。，稳压管应串接限流电阻R接入电路中。稳压器的选取三端稳压器的选择，一般考虑稳压输出电压U，应该根据电路所需选择，还要关心输出误差大小，最大输入电压U的大小，输出最大负载电流i的大小和温度系数等等。i如HT7136，输出电压3.6V，误差5%,最大输入电压24V，输出电流30mA。合理的采用二极管，利用二极管压降的0.7V，可以有效得到所需电压。也可以采用电阻升压电路。二、红外通讯的理解红外通信电路，常用电路如上图所示，其中包括近红外通信和远红外通信，D5为红外发射管，D6为光敏三极管，也作为近红外接收管，D7为远红外接收头。这里主要研究红外发射接收管的选取，根据产品或是客户要求，通信距离上的远近，选取远红外电路还是近红外电路。首先对于近红外通信电路，红外发射管的选取，一般参数有:正向电流功耗、最大峰值波长(通常市场有850nm的和940nm的最常用)、正向最大电流、最大反向电压、发射角度等等。红外线定义为，波长为0.75〜1000^m，其中近红外线波长为0.75〜1.5^m。而850nm的发射距离一般大于940nm的，但850nm接近红外光，所以普遍产品中选用940nm红外发射管，如电能表采用940nm的。一般发射距离与电流大小有关，常取IF<0.6*IFm，其中IF为正向工作电流，IFm是正向最大电流，一般常取IF<20mA，此时管压降一般为小功率管1〜1.3V；中功率管1.6〜1.8V；大功率管>=2V。功耗方面分为小功率(1mW-10mW)、中功率(20mW-50mW)和大功率(50mW-100mW以上)三大类。一般串联限流电阻使得工作电流为4〜10mA即可，如图中，串接R30为240R，电流大小约为5mA。I=(3.3-0.7-1.4)/240=5mA。接收采用与之对应的光敏三极管接收红外信号即可。远红外发射接收，发射管可以不变，为了增大距离，通常需要加上38KHz的载波，接收部分采用红外接收头，通常为三引脚封装。为了增大接收效果，通常需外接滤波电路，另有内置滤波的红外接收头，设计时根据需要选取。总体选取，根据距离要求，功耗要求，选取的型号基本就可满足电路要求。但同时还有很多型号均可满足要求，若大量生产产品，就需选取一个普遍认为性能不错的型号及厂家，且型号一般不会改变。三、备用电池电路理解对于电能表这样的产品，不仅仅要求在供电情况下，可以对电能量进行计量等功能，往往还要求其在断电情况下，还要维持基本的功能，比如仍要显示时间、用电量，维持数据的存贮，或者还需要通信等功能。为解决这种问题，必须采用备用电池。电池的选择，根据规约的要求，往往电池的使用满足几年的使用寿命，5年，10年或者更长。所以电池就需要选择一种高容量的，并且电路设计方面同时也要满足超低功耗。通常备用电池选择，往往根据电路中个芯片工作电压、最大连续工作电流、尺寸、工作温度等信息选择，常用的有3.6V的高容量电能表专用电池。电路的设计，参照精简、稳定、低成本，满足要求即可。要求通电情况下，通过电源供电，电池基本上不供电，这就需要电池在通电情况下，电池回路的功耗也低，通常两个串接的电阻可取2M左右。在断电情况下，需要电池立马对电路供电，提供电路芯片工作所需电压VCC。电路通常可用两种参考，（1）是用三极管，或是等效三极管，当断电时，三极管导通，电池BAT提供VCC；通电时，三极管截止，电池几乎不工作。（2）是电源经稳压器后的电压，比如+5.0V，和电池电压BAT，都经过一个二极管（+5.0经D1，BAT经D2），得到VCC，给电路芯片供电。当通电情况下，电源供电+5V经二极管得到4.3V左右电压，大于BAT，使得D2截止，即电池不供电；断电情况下，电池BAT经二极管D2得到3.0V左右电压，给电路供电。分析：方法1中，用三极管得到的VCC电路工作稳定，性能较好，但对比方法2成本会较高。方法2中，用二极管得到的VCC电路，电路简单，成本较低，但是需考虑电池欠压时在3.0V左右，这样经二极管后电压在2.3V左右。这样，比如当芯片最低工作电压在2.7V时，电路不能正常工作。所以需参考电路芯片决定。四、CPU和采样电路的理解对于任何产品，CPU的选择决定了整个电路，包括功能、性能、整个电路的大小、成本等等信息。所以CPU的选择对电路设计是非常重要的。市场上的CPU种类多种多样，可以说满足电路所需要求的CPU夜比比皆是，但究竟选择哪种品牌、哪种型号，就需要根据很多原则选取：1）比如说只需满足电能的采样、计量、显示、数据存储、红外或485通讯等等功能，通常的8位机就可以满足，这样就不取16位机，甚至32位机；2）性能，满足同样的功能，到底用哪一款芯片，要考虑其稳定性，功耗大小，使用寿命，甚至还要了解其优势之处和不足之处，根据你的需要来选取；3）根据个人习惯和喜爱，都能满足需求，要考虑对哪种用的比较习惯，对内部更为了解，比较信得过哪种等等；4）最后，在满足所有功能和性能的基础上，成本也相当重要。5）随着集成化的水平不断加深，设计中往往选取功能集成度更高的CPU，不仅使得电路简单，精确度和稳定性较高，更使外围电路减少，降低成本。电表中采用MSP430FE427做为主控制芯片，此芯片内部集成了电流、电压的采样通道，集成了功率的计量，还集成了液晶驱动电路。这样电路设计中可以省去了计量芯片，或者液晶驱动芯片。MSP430FE427的电流采样电路：芯片内部集成了两路完全相同，完全独立的通道I1、I2。电流的采样通常有两种方式：锰铜片（即分流器）和互感器接入方式。（1）经锰铜片接入，即直接接入方式，其原理是锰铜片并接在采样通道的I1+和I1-口，锰铜片的阻值很小只有几百uR,所以比如火线的电流基本上全部流过锰铜片，即分流。当电流大小为几A或是几十A时，锰铜片两端电压往往只有几mV，即采样到的电压。（2）经互感器接入，即流经火线上的电流大小，经过线圈的感应得到一个有一定比例的电流大小，不如火线上电流为5A（20A）,互感器CT系数为1000，则感应后的电流大小为5mA（20mA），再在回路里串联以电阻后，同样得到mV的电压大小，进行计量。分析：锰铜片式采样成本较低，普遍比互感器式低2元，采样稳定，但由于是直接接入方式，所以电网上的波动会直接影响到采样的精度；互感器式采样成本较高，但其采用感应隔离，使得电网的直接干扰不会影响到采样的精度。对于MSP430FE427的电流采样，可以同时采用互感器的接入方式，但不能同时采用锰铜片的接入方式。因为，当两路通道均采用锰铜片式时，由于通道直接与火线相连，导致I1+引脚和I2+引脚之间有220V的压降，这样芯片不能正常工作，甚至坏掉。锰铜片的大小和互感器的型号，均需根据产品的规格和坏境来选取，根据火线上通过的电流大小选择锰铜片的阻值，另外由于锰铜片式采样时直接接入式，所以采样电路中通道的上下采样点均串联一个磁珠来滤除干扰信号，磁珠的大小同样考虑两方面:一是电路中噪声干扰的频率和强度等，二是要通过的电流大小。阻抗大小一般也不精确计算，看使用效果，一般120R-600R用的较多。再上下各串接1K左右限流电阻。互感式的接入方法，由于整个回路是感应出来的，所以回路中串接电阻转变为电压，只需串接一个磁珠即可。电压采样电路，采用多个电阻串联分压的原理，具体的阻值大小，根据采样芯片的需要精确计算。五、存储电路的理解为什么要用到存储芯片？在智能仪表中，存储芯片的应用已成为不可或缺的部分，系统工作时存储临时数据的RAM，以及永久性存储数据的非易失性存储器。RAM简单易用，存储速度快，但掉电数据会丢失；而非易失性存储器能长期保存数据，但存储速度慢，写入功耗高，而且读写次数受限。电能表数据存储：作为计量电能的仪表，计量精度至关重要，它不但与计量芯片的精度有关，还与电能表数据存储系统有关。如果检测到的电能数据无法写入存储器或者写入存储器时出错，则使得精度大大降低。通常传统的电能表均采用EEPROM存储器+掉电检测电路。EEPROM存储器的存储次数约上百万次，并不是一个脉冲就存储一次，因而先将数据暂存的RAM中，等脉冲记录到一定值或一定时间后，再将数据转存到EEPROM中。需要掉电检测电路实时检测是否处于掉电状态，当处于掉电状态时，就将RAM中的数据存储到EEPROM中，而EEPROM得存储速度很慢，写周期很长，这就要求掉电后有足够的电压供电，就需要高容量的电池和大容量的电容维持电压。那么需要用多大容量的存储芯片？这就需要结合电路设计和产品的要求，通常都是需要记录存储哪些数据？时间、电量、掉点时间、掉电次数、开盖时间、开盖次数、通信时间、通信次数、不同费率、多功能等等，甚至还要考虑所有数据存储多长时间，一个月，两个月，三个月，半年，一年或者更长？这些往往就会决定存储的容量大小。存储电路上，往往比较简单，多片存储器时只需采用不同的地址连接方式，读写时单片机先找到对应地址即可。另外：大多数的产品的存储系统，以采用了新一种的存储方式一一铁电存储器。铁电存储器，同时拥有了RAM和非易失性存储器的特性，读写速度快，功耗低、无限次写入等等。即节省了成本，又使得软件设计变得简单，有可能成为新一代仪表存储系统的潮流。六、电压检测电路和脉冲误差检测电路理解为什么需要电压检测？对于电能表的要求，需要有掉电检测电路，需要时刻检测当前用户是否掉电，掉电的时间、次数等等，并且CPU也需要知道掉电与否，然后工作在什么状态。所以，供电电压的检测就至关重要。另外，电池供电系统中也需要电压检测，正常电池电压应保持在一定值以上，当低于此值时，则认为电量不足，需做出处理。电压检测芯片的原理就是，当需要检测的电压Ui连接检测芯片的输入端，当大于芯片的比较电压时，输出端Uo输出