嵌入式~PCB专辑49

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一、去耦电容的作用

    首先要解释一下耦合，耦合就是互相影响，正如变压器的原边会影响副边，同时副边也会影响原边，这就让人想起金庸小说里的七伤拳，伤人伤己。

    那么去耦，就是减少耦合，减少互相影响。其实这里的去耦电容跟滤波电容的意思是一样的,但是为什么要另起一个名字呢？

    笔者认为，如果耦合的反义词是滤波的话，往往会让人摸不着头脑，所以需要再起一个名词叫去耦，这样刚好满足人们语言表达的需求。

去耦电容的作用

    如上图所示，一个LDO的输入和输出各加了两个电容，分别是104和10uF。

    显然电容是具有滤波的作用，但是这跟模电上的RC、LC、RLC滤波不一样，只有一个C，这样也能滤波的，滤波的频率叫自谐振频率。

    上图中，NPO电容的自谐振频率呈V字形，而Z5V电容则呈U字形，说明了NPO电容的滤波特性更好，同时，也最容易滤掉虚线对应的频率，就是自谐振频率。

    此外，电容工作在虚线左边的频率范围内，呈电容的特性，而虚线右边，则呈电感的特性，下面有解释。

为什么一个电容也会谐振？

    由电容的等效电路。

由于电容的制造工艺、材料等原因，实际的电容应该等效成上图所示，但是用在频率较低的电路上，Rs、Rp、Ls影响非常小，所以只把它当成一个Cp，而把其它的忽略掉。

    如果电容工作在频率较高的电路上，就不能把Rs、Rp、Ls忽略了，这时利用上图的等效电路和拉氏变换，可以推导出电容的自谐振频率。而且，如果工作的频率超过电容的自谐振频率，那么感抗wLs会远大于容抗1/(wCp)，这时，感抗起主导作用，容抗的影响非常小，可以忽略容抗时，电容会呈现感性。

    这就让人想起了共振，如微波炉中的微波频率和水分子发生共振，说明了水分子也有自谐振频率。

    谐振跟共振，其实是一个意思。

如何计算电容的自谐振频率？

    在实际应用中，我们不可能对每个电容都测一下分布参数，弄等效电路的。一般是用经验公式：自谐振频率f0≈1/C。

怎样知道用多大的去耦电容？

    可以用示波器测出LDO输入和输出的干扰信号的频率，再用公式C≈1/f0算出容值。一般要求没那么严格，直接加10uF和104，可以适用于一般的应用场合。

为什么要加一大一小两个电容？

    由公式f0≈1/C可以得出，小电容滤高频干扰；大电容滤低频干扰。

为什么小电容要靠近芯片，而大电容则可以远一点？

    小电容滤高频干扰，这个高频干扰不一定是由芯片外部输入进来的，也可以由芯片内部产生的。

    像CPU、FPGA等，内部若干个MOS管像开关一样在导通、截止，这就形成了很多方波信号，再用傅立叶级数把它展开，就会产生很多奇次谐波。这些谐波的频率很高，属于高频干扰。如果高频干扰在整块电路板上传播，那就相当危险了，应该尽早的把它滤掉，所以要尽量靠近芯片。而低频干扰的影响力没那么大，可以远一点。

    此外，大电容还充当了电池的作用，正如，关电视机的时候，电源指示灯要过一会才灭，就是因为这些大电容在给它放电。。

去耦电容在多远的距离会失去滤波的作用？

    这涉及到去耦半径的计算，有兴趣的读者，可以参考《信号完整性分析》。

为什么有些芯片的电源管脚上会放很多去耦电容？

    怎样知道该用多少个电容？

 上图就是有名的zedboard上面，ZYNQ附近的去耦电容，像个八卦阵一样，非常优雅的设计。

    但是这里却不像我们用单片机、或者LDO那样，加104和10uF那么简单。

    上面也说到，CPU、FPGA，内部的MOS管不断地导通、截止，其实这就是动态负载，那么由欧姆定律，U＝IR，可以得出，当R突然变小，U不变（先假设电压不变），I突然变得很大（想象一下，上亿个MOS管在同时工作，尽管一个MOS管吸取的电流非常小，但是量多了，总体吸取的电流是非常大的）。

    再由功率守恒，P＝UI，当P一定的时候（电源芯片提供的功率是不变的），I变大，U变小。这说明了，在电源芯片提供的功率范围内，电源电压是不变的；但是，超出了电源芯片的功率的话，电源电压是随着负载而变的，这也是正好解释了过载现象，只是这里是一个瞬间的过程。

    所以才需要加很多去耦电容，去抑制电源电压的瞬间变化（也叫暂态）。加多少个电容，是由瞬态功率决定的。

二、如何学习硬件设计

   一般缺乏经验的工程师或者学生，拿着一个项目任务书，或者一个成品的电路板的时候，往往会感觉到，根本无从下手。主要原因是，知识储备不足，少实践少动手。

    但也不用着急，这是需要慢慢积累的。同样，不用担心东西太多，不知道学到什么时候才能独当一面，因为很多东西都是相通的。

    下面介绍硬件设计的实践路线。

初级实践篇

1 焊接

    拖焊的时候，先对齐芯片，再上锡固定一个角，然后在另一侧加满锡，最后整个芯片都加满锡。把板子拿起来，倾斜30度左右，再用烙铁加热，把变成液体的锡吸起来，甩掉，直到把所有锡都吸走为止。烙铁的温度要调好，我一般用350摄氏度。重点要体会，锡变成液体的时候，会像水一样受重力作用向下流，还有，烙铁头表面是有吸力的，所以在整个焊接过程中，都不要用力刮锡的。如果焊的时候，操作起来不顺手，可以转动板子。

    关于BGA的焊接，一般是不建议手工操作的，因为成功率不高，推荐用返修台。这里说一下BGA手工植球的操作流程。

    先用万能植锡钢网（这是最落后的工具，除此之外还有植锡台，不过挺贵的），跟BGA对齐，再用胶布把BGA和钢网粘住固定好。先加锡膏，再用风枪吹一会（风枪的风速和温度可以调低一点），锡变亮的时候，再用手术刀，把多余的锡刮走。如果锡球不均匀的话，再重复上一步，直接锡球均匀为止。撕掉胶布，用手术刀把BGA撬起来。

2 仪器仪表的使用

• a、万用表。为什么起这个名字？因为对于高手来说，万用表是几乎是万能的。一般也是用它来测电压、电流和电阻。

• b、示波器。现在都用数字示波器，一个auto键，可以轻松搞定，而且还带FFT的功能，可以使用频域分析法，是硬件工程师必须掌握的神兵利器。示波器还有个小众的功能，就是李沙育图（测相位差和测频率用的）。此外，还要学会用示波器测开关电源纹波。

• c、数字电桥，也叫LCR、LCZ测试仪。用它可以测电感值、电容值、电阻值、Q值、D值等，精度比一般的万用表要高。

• d、信号发生器，也叫函数信号发生器。可以输出正弦波、方波、三角波、已调信号。用法比较简单，但是射频信号发生器，就要注意了，在输出信号之前，一定要做好阻抗匹配，不然信号反射的话，有可能会损坏信号发生器。

• e、频率计。用法比较简单，不再多说了，有的信号发生器还增加了频率计的功能。

• f、矢量网络分析仪，也叫网分仪。用于测量射频电路的S参数矩阵，还可以显示史密斯圆图。每次使用之前都要校正一下频率点。

• g、频谱仪。也就看一下频谱，也有示波器的功能。

    还有一些小众仪器就不说了，像漏电流测试仪、电表等。

3 维修

    首先肉眼观察一下板子，看有没有虚焊、短路或者缺少元件。有就修，没有就下一步。

    然后用万用表测一下各组电源，看有没有短路。有就修，没有就下一步。

    给板子上电，看各组电源电压是否正常。有就修，没有就下一步。

    到了这一步，你必须对板子的整体设计有一定的认识，或者你得背下前辈们的经验（背经验的往往觉得硬件很神秘，这是我不推荐的做法），不然没法修好。先对板子的各个功能分好模块，从现象判断哪个模块出问题，断开可疑的模块，来排除可疑点（像侦探一样）。有一块好板的话，就很好办，直接对照着测各元件的电压（或者对地的电阻值）就能解决了。用万用表只能解决一些简单的问题，要想彻底修好，手上一定要有示波器，因为像晶振受到干扰之类的，用万用表是测不出来的。

4 调试

    调试，一般是自主设计的电路，没经过验证，需要自己去验证，这是非常需要扎实的理论基础。调试也是硬件工程师最容易累积经验、含金量最高的技能之一。如果前期遇到棘手的问题，可以暂时先放下，等后来水平再高一层，就会解决的了，所以千万不要钻牛角尖，这只会浪费更多的时间。调试的技巧需要长时间的积累，放在前面，是让大家有所重视。

    调试方法，多种多样，视情况而定，不能一概而论，笔者总结了以下几个方法：

• a、示波器测量。当然，首先你得清楚你设计出来的电路，会出什么样的波形，才知道测出来对不对，也就是说，理论不行的，根本无法调试。

• b、对照验证过的电路。如果手上有一块好板，而需要调试的电路里面刚好有好板的电路，可以拿好板来飞几根线验证一下，排除可疑点，这里跟维修的方法一样。

• c、仿真。其实在设计电路的时候，能仿真就先仿真了，如果实物做出来，还是有问题，也可以仿真一下。如运放电路的参数、不确定的电阻串并联等等。

• d、镊子短路。在你怀疑时钟是不是干扰到其它信号的时候，可以用镊子把时钟引脚跟地短路（只要是弱信号，跟地短接一会都不会烧板子的，放心），以排除可疑点。还有复位的问题，也可以用这个方法。

• e、信号发生。比如一个运放电路，输入和输出均受干扰了，那么你就可以用信号发生器或者开发板，来输出一路干净的信号，这样可以排除可疑点。

• f、软件调试。如果板子上，有CPU就可以用串口调试，有FPGA就可以用嵌入式逻辑分析仪，这样可以确定是芯片内部还是外部的问题。

• g、观察现象。信号都在板子上跑了，直接观察是观察不出来的，这个时候，可以引出信号线，接在可观察的设备上。如：调试音频放大器的时候，就可以接一路信号，到一个现成完好的功放上面，通过听声音来观察现象。当然，你可不要只想到功放，还有其它可观察的设备或者元件，像LED灯、显示器，甚至是收音机，只要能派得上用场的都可以。

中级实践篇

1 仿真软件的使用

    常用的仿真软件也就那几个，proteus、multisim、labview、pspice、ADS、saber等，其中大多数是用spice仿真模型。

• a、proteus。这个软件很适合仿真单片机，元件库也挺多的，但是有个致命的缺点，就是太智能了。单片机不接电源、不接晶振也能正常工作，这跟实际有很大出入，所以笔者建议学单片机，还是用开发板吧。

• b、multisim。这个软件很适合仿真模拟电路，其实它本质是spice仿真，只是界面做得简单很多，适合初学者使用。虽然有8051的库，但是，不适合仿真单片机，仿真起来很慢。元件库其实并不多，像0805的三极管，它都没有，这时候只能用其它的三极管（2N2222等）代替一下，要不，就自己做这个元件库。multisim还可以跟ultiboard配合使用，实际板级仿真（连同PCB，一起仿真）。

• c、labview。这个软件功能非常强大，可以仿真模拟、数字电路、也可以做上位机（如：虚拟仪器等）。最具特色的，就是图形化输入，鼠标施几个东西就 可以仿真了。

• d、pspice。这个软件是cadence或者叫SPB开发套件中的一个软件，一般是在capture中调出来的。使用capture就可以不用输入spice的点命令，非常方便。其中，pspice的图表要比multisim的要好看一些，比如，测几个节点的电压，在pspice一张图就看得很清晰了。

• e、ADS。这个ADS是指Agilent的Advanced.Design.System，而不是指ARM编译器ADS1.2。ADS可是电路仿真的神器啊，功能非常强大，一般是仿真高频、射频、微波电路用的，当然，集总参数电路也照样可以仿真，但是不太适合初学者。

• f、saber。这个软件是专门仿真电源电路用的，笔者暂时没用过，不做评价。

2 电路设计软件的使用

    主流的电路设计软件有三个：altium designer、PADS、Cadence，当然还有些小众的，像eagle。

    这里只介绍主流的三款软件。

    altium designer（简称AD），以前的版本是protel 99se，protel DXP，用法都大同小异，很适合初学者使用，3D渲染效果最好，同时也是学校里教得最多的软件。但是，很多公司反而不用这软件，因为用它画多层板的话，电脑会很卡，而且公司里面用的人多的话，可能会收到altium的律师函。可以用它来做FPGA开发，并进行板级仿真。适用于小规模的PCB。

    PADS，以前的版本是power PCB，分成三个组件：logic（原理图）、layout（布局和设置规则）、route（布线），最具特色的功能是：使用极坐标放置元件和自动布线（这个自动布线可没有AD那么烂）。适用于中小规模的PCB，但是logic相当不好用，所以有些人用orcad+PADS来弥补这个缺点。适用于中小规模的PCB。

    Cadence（也叫SPB）是个系统级的套件，除了画原理图、PCB之外，还可以画版图、仿真电路、仿真SI/PI等。Cadence公司收购了orcad，目前画原理图的是用capture（也叫orcad），画PCB是用allegro，仿真电路的是pspice（从capture里面调出来的），仿真SI/PI的是Sigrity（需要另外安装）。用capture画原理图是非常爽的，比如，画个芯片的原理图库，你可以用excel写好（引脚号和部分引脚名，像D0~D7，鼠标拖一下就出来了），然后copy到capture里面，再做少量的调整就可以了。但是用allegro画封装就比较烦琐，需要事先画好焊盘，才可以画封装。适用于中大规模的PCB。

3 其它软件的使用

    画板框用的autoCAD、画3D封装的solidworks或者pro-e、科学计算的MATLAB。

    autoCAD的基本用法还是比较简单的，在有人教的情况下，半小时可以入门，对于硬件工程师来说就画一下板框，保存为DXF格式，再导入到PCB设计软件。同时，DXF也是硬件工程师与结构工程师交互的文件格式。

    相对于pro-e来说，solidworks更加易学易用。用这两个软件都可以画元器件的3D封装，再把PCB导出为stp格式放到solidworks当中，这样，还没打板就可以看到整机的效果图了。学3D软件还有个好处，让你更清楚板子安装的情况，像定位孔、插座、接线等，这样设计出来的PCB不容易因为结构问题而无法安装，这是很多硬件工程师容易忽略的地方。

    MATLAB，任何的计算，都可以用它。简单的计算，像电阻分压、滤波器的截止频率等，复杂一点，像定向耦合器的参数计算、复杂运放电路的建模等，用MATLAB都可以轻松解决

进阶中级实践篇

1 基本电路单元的计算、仿真与验证

    诚然，不管一块电路板有多复杂，都可以按照功能来划分为若干个模块，而这些模块还可以再划分为众多的电路单元。所以，首先要掌握最基本的电路单元的设计。这些电路单元，都可以在数电、模电、电力电子技术、高频电子线路、单片机、电子测量技术当中学到，先搞懂教课书上经典电路的计算、仿真与验证。不要以为书上的公式简单，但是实际操作起来，又是另一回事。

    比如，书上的反相放大电路，是双电源的，用单电源就要加偏置，还得考虑带宽增益积、摆率等。这里主张先计算，再仿真，后实物的操作流程，同时，这也是一个需要长期累积的过程。

2 掌握单片机

3 芯片的使用与互连

    在理论篇里面没有写到电子专业英语，在这里就要用到专业英语了，你可以看英语教材，也可以用翻译软件。这里必须提到的一点是：英语不好导致无法阅读datasheet的，都无法做电路设计。因为你总得会用到一块陌生的芯片，总会遇到没中文资料的情况。基本上能看懂datasheet的，都能把芯片用起来，其实也是抄datasheet上面的参考电路的，剩下的，就是芯片互连。

    芯片互连，就是接口技术，也是单片机里面会讲到的。5V的ADC跟3.3V的单片机互连，这就要看电平、和信号的传输速率了。3.3V单片机跟12V开启电压的MOS管互连，加个三极管，做电平转换就可以了。两块3.3V单片机IO口推挽输出互连，串个100R电阻，防止代码操作不当而烧坏IO口。

    此外，还要掌握常用的总线协议。比如RS233、RS485、SPI、IIC、CAN、LIN、zmodem、USB、PCIE、TCP/IP等。

高级实践篇

    在这里，相信你已经把一些基本电路，熟捻于心，也会分析一些简单的电路。但是，你总会遇到一些奇葩的现象。没错，你是时候要考虑SI、PI、EMC、EMI了。不要被这些貌似很高端的名词吓倒，分析起来，也是前面学到的电路原理，只是考虑问题的角度不同罢了。

1 SI，信号完整性

    这部分的内容对PCB的布局、布线影响较大。

• a、使用阻抗匹配减弱过冲、下冲、振铃的影响（某些射频电路也对阻抗有要求，如：天线等）。

• b、差分线应该尽量靠近以减少差模干扰。

• c、去耦电容要尽量靠近芯片的电源管脚。

• d、继电器等大功率器件应该远离晶振等易被干扰的元件。

• e、对重要的信号线，包地。

• f、尽量远离时钟线（时钟也可能成为干扰源）。

• g、信号线的返回路径应该尽量短。

    信号完整性要注意的地方，还是挺多的，具体可以参考王剑宇的书籍《高速电路设计实践》。

2 PI，电源完整性

    要保证电源的完整，就是防止电源电压的波动，具体可以参考本公众号另一篇文章《去耦电容的作用》。

3 EMC/EMI，电磁兼容性和电磁干扰

    这两个名词看起来有点高大上，其实就是不干扰别人和防止被别人干扰的问题。EMC/EMI的问题可以归结为SI的问题，但是EMC有一套验证的标准，所以还是起了不同的名字。

    推荐书籍《Cadence高速电路设计：Allegro Sigrity SI/PI/EMC设计指南》。

总结

• 千万不要以为把某些口诀当秘笈地记下来，就以为练成了神功，这都是不现实的。前期的学习都必须以理论为核心，少量的实践以帮助理解理论，后面就可以逐渐增加实践，理论和实践是相辅相成，缺一不可的。

• 当硬件电路出了问题，工程师每一步的操作，都是以理论作为指导思想的。

• 千万不要害怕出错而不敢做板。硬件工程师都是不断地犯错、改正、总结，才慢慢地成熟起来，减少犯错的概率。不知道错的话，也意味着不能积累经验。

• 本文没有提及生产、测试方面的问题，如：线材、PCBA、BOM、拼板、测试夹具等。

• 因为大多数的电路功能都依靠于芯片来实现，画原理图几乎都是抄datasheet的，所以硬件工程师最具含金量的技能是PCB和调试能力。

• 因为硬件工程师也常常需要和软件工程师交流，所以，为了方便交流，你还得学习ARM、FPGA、DSP等相关知识，只是侧重点有所不同而已，不然会给工作上带来一定的麻烦。

三、如何提高硬件可靠性

    一般来说，系统总是由多个子系统组成，而子系统又是由更小的子系统组成，直到细分到电阻器、电容器、电感、晶体管、集成电路、机械零件等小元件的复杂组合，其中任何一个元件发生故障都会成为系统出现故障的原因。因此，硬件可靠性设计在保证元器件可靠性的基础上，既要考虑单一控制单元的可靠性设计，更要考虑整个控制系统的可靠性设计。

影响硬件可靠性的因素

元件失效

    元件失效有三种：

• 元件本身的缺陷，如硅裂、漏气等

• 加工过程、环境条件的变化加速了元件、组件的失效

• 工艺问题，如焊接不牢、筛选不严等

设计不当

    在计算机控制系统中，许多元器件发生的故障并不是元件本身的问题，而是系统设计不合理或元器件使用不当所造成。

    在设计过程中，如何正确使用各种型号的元器件或集成电路，是提高硬件可靠性不可忽视的重要因素。

电气性能

    元器件的电气性能是指元器件所能承受的电压、电流、电容、功率等的能力，在使用时要注意元器件的电气性能，不能超限使用。

环境条件

    计算机控制系统的工作环境有时相当恶劣，由于环境因素的影响，不少系统的实验室试验情况虽然良好，但安装到现场并长期运行就频出故障。其原因是多方面的，包括温度、干扰、电源、现场空气等对硬件的影响。因此，设计系统时，应考虑环境条件对硬件参数的影响，元件设备须经老化试验处理。

组装工艺

    在硬件设计中，组装工艺直接影响硬件系统的可靠性。由于工艺原因引起的故障很难定位排除，一个焊点的虚焊或似接非接很可能导致整个系统在工作过程中不时地出现工作不正常现象。另外，设计印制电路板时应考虑元器件的布局、引线的走向、引线的分类排序等。

提高硬件可靠性的一般方法

    在计算机控制系统的整体设计中，如何提高系统硬件的可靠性是整个系统设计的关键，系统硬件设计时常需采用必要的可靠性措施：

电路设计

    据统计，影响计算机控制系统可靠性的因素约45%来自系统设计。为了保证系统的可靠性，在对其电路设计时应考虑最极端的情况。

    各种电子元器件的特性不可能是一个恒定值，总是在其额定(典型)参数的某个范围内；同时，电源、电压也有一个波动范围。最坏的设计方法是考虑所有元件的公差，并取其最不利的数值核算电路每一个规定的特性。如果这一组参数值能保证电路正常工作，那么在公差范围内的其他所有元件值都能使电路可靠地工作。

    在设计应用系统电路时，还要根据元器件的失效特征及其使用场所采取相应的措施，对容易产生短路的部件以串联方式复制，对容易产生开路的部分以并联方式复制。

元器件选择

    在确定元器件参数之后，还要确定元器件的型号，这主要取决于电路所允许的公差范围。由于制造工艺所限，有些元器件参数的公差范围可能较大，如电容器电容量等。另外，元件或器件的额定工作条件包括多个方面(如电流、电压、频率、机械参数以及环境温度等)，设计时要考虑参数裕量，并在运行时尽量保证接近元器件的设计工作温度。

结构设计

    结构可靠性设计是硬件可靠性设计的最后阶段。结构设计时，首先应注意元器件及部件的安装方式，其次是控制系统工作环境的条件(如通风、除湿、防尘等)。

噪声抑制

    噪声对模拟电路的影响会直接影响系统精度，噪声对数字电路也会造成误动作。因此，在工程设计中必须采用噪声抑制和屏蔽措施。对于模拟应用系统，可在电源端增加一些低通滤波电路来抑制由电源引入的干扰；对于数字系统，通常采用滤波器和接地系统；同时，在整体结构布局时应注意元器件的位置和信号线的走向。对于电磁干扰、电场干扰可采用电磁屏蔽、静电屏蔽来隔离噪声，也可采用接地、去耦电容等措施来减少噪声的影响。

冗余设计

    硬件冗余设计可以在元件级、子系统级或系统级上进行，必然增加硬件和成本。因此，设计时应仔细权衡采用硬件冗余的利弊关系。在计算机控制系统中，主要采用控制单元冗余和控制系统冗余来提高系统硬件可靠性。

单元可靠性设计

    控制与接口单元是指能独立完成某些测控功能的功能模块，其可靠性设计主要包括微处理器系统的冗余设计、输入输出通道干扰的抑制、电源系统干扰的抑制、控制单元运行状态的监视等。

I/O通道干扰的抑制

    模拟量输入通道常态干扰的频率通常高于被测信号的频率，因此可考虑采用滤波网络对模拟量输入信号进行滤波。可采用各种形式的金属屏蔽层做好信号传送线路的屏蔽工作，将信号线与外界电磁场有效地隔离开来；在系统既有模拟电路又有数字电路时，数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，以防相互干扰。I/O通道一般应采用光电耦合器进行电气隔离，既可避免构成地环路，还可有效地抑制噪声。另外，在输入输出通道上应采用一定的过压保护电路。

电源系统干扰的抑制

    同一电源网路上有较多大功率设备时，在控制单元与供电电源之间可加入三相隔离变压器，以防止电网干扰侵入控制系统。在整机的电源线入口处，可通过增加电源滤波器来防止其他电子设备与本系统之间产生相互干扰。在机内独立的印刷板上应安装小型电源滤波器，以防止板与板之间的相互干扰。

    由于开关电源具有较强的抗工频电压波动和频率波动能力，同时能隔离从电源线进入的传导干扰，适当场合可选用开关电源。必要时，系统输入输出通道和其他设备可考虑采用独立的供电电源，实行电源分组供电。另外，逻辑电路板上的直流电源线和接地线要注意合理布线。

控制单元运行状态监视

    可使用看门狗定时器(WDT)监视控制单元的运行状态。WDT的输出直接连到CPU的中断请求端或控制单元的复位端，WDT的每次“定时到”溢出脉冲信号均能引起CPU的中断或复位。WDT受CPU控制，可对其重新设置时间常数或刷新。

    定时器重新开始计时，只要程序正常运行就不会产生定时中断或系统复位。一旦程序执行出错或发生程序乱飞、死机现象，看门狗定时器就会产生溢出脉冲信号，引起定时中断或复位，从而使控制单元重新启动或进入中断服务程序进行纠错处理。

控制单元的掉电保护

    对付电网瞬间断电或电压突然下降的有效方法就是掉电保护，对计算机测控系统可外加不间断电源(UPS)，对测控系统中的控制单元可增加掉电保护电路，并慎重设计。掉电信号由硬件电路检测，加到控制单元CPU的外部中断输入端。软件中断将掉电中断规定为高级中断，使控制单元CPU能及时对掉电做出反应。在掉电中断子程序中，首先进行现场保护，保存当时重要的状态参数。当电源恢复正常时，CPU重新复位，恢复现场并继续未完成的工作。

控制单元冗余设计

    常用的控制单元冗余设计包括热备份并联冗余和冷备份并联冗余，两者都是以增加成倍的硬件投资来换取系统硬件的可靠性。

热备份并联冗余

    热备份并联冗余是将若干功能相同的控制单元并联运行，同步执行相同的处理程序，当并联系统中至少有一个控制单元工作正常时，整个系统即维持正常工作。

    为了提高控制单元的可靠性和经济性，常采用双机热备份并联方式。对受控系统而言，双机热备份并联方式只是其中一个控制单元完成测控任务，另一个控制单元处于并行工作的待命状态。但两个控制单元同步执行同样的程序，一旦自检系统发现主控单元有故障时，则待命状态的备控单元自动切换上去，代替主控单元使系统继续正常运行。在设计双机热备份系统时，要解决以下两个主要问题：

1)双机同步。

    双机同步一般是以事件作为同步令牌，其中事件可由设计者定义。如系统的工作过程为：输入接口采集由传感器送来的数据，在CPU内将采集到的数据和设定值进行比较、处理，最后得到本次的控制量输出。那么，事件可划分为数据采集和数据处理两个事件。

    当应用系统启动时，两机同时执行第一事件，即采集状态数据。当第一事件完成后，再将两结果进行比较，如果相同则继续第二事件；若有错误，则主控单元自动切换，用备控单元代替主控单元。只要主控单元工作正常，则备控单元一直处于待命状态。

    当事件进行数据处理时，若超出精度范围，则认为其中一个数据可能有错误，这时可以让双机重新转到本事件的首地址再执行一遍。若仍有差错，则再转到故障检测程序。这种软件回卷方法可以消除某些偶然性因素的影响。

2)故障检测。

    可以利用两机各自的自检程序分别进行自检，找出发生故障的控制单元。如果故障机是主控单元，则可进行自动切换，使程序继续执行下一个事件。为了能及时切换，可以根据任务的特点多设置一些事件，使得双机同步校验次数增多。

    所谓切换是指通过输入输出接口相互交换双机状态，一旦某控制单元出错，另一控制单元就可及时知道。当备控单元发现主控单元有故障时，就可以发出控制信号，使主控单元自动退出控制，备控单元代替主控单元使系统继续正常运行。

冷备份并联冗余

    冷备份并联冗余设计中，备份的控制单元平时不加电工作，只在发现主控单元出故障时才用其代替主控单元。冷备份的控制单元在硬件结构、软件实现上都与主控单元完全一样，各种联机设备都安置到位，处于接通电源即可投入正常工作的冷备份状态。

    冷备份并联系统中的冷热切换可以用人工操作转换，也可以自动切换。在设计成自动切换时，主控单元必须设置各路(或关键几路)报警信号。若发现超限现象，则及时输出切换信号去触发冷备份系统的电源触点，使备份单元投入正常运行。

四、19 个常见的二极管应用电路

19 个常见的二极管应用电路，都是一些常用到并且典型的电路。话不多说，先上目录，看看有没有你熟悉的。

具体是以下19 种常见的二极管应用电路：

• 1、二极管保护电路

• 2、二极管整流电路

• 3、二极管稳压电路

• 4、二极管续流电路

• 5、二极管检波电路

• 6、二极管限幅电路

• 7、二极管钳位电路

• 8、二极管倍压电路

• 9、二极管AM 包络检波器或解调器

• 10、二极管逻辑电路

• 11、二极管电压尖峰抑制电路

• 12、二极管电压参考电路

• 13、二极管无线电解调电路

• 14、二极管温度测量电路

• 15、二极管倍频电路

• 16、二极管频率控制电路

• 17、二极管光耦隔离

• 18、二极管混频电路

• 19、二极管光源电路

#1、二极管保护电路

1、二极管反极性保护电路

肖特基二极管常用于保护电路，如反极性电路，因为它的正向压降低，下图为常见的反极性电路。

当 Vcc 和地以正确的极性连接时，二极管正向传导，负载接收功率。与整流二极管的 0.7V 相比，肖基特二极管上的正向压降在 0.04V 左右非常少，这样二极管上的功率损耗不会太大，而且肖特基二极管可以允许更多的电流通过它，还具有更快的开关速度，因此可以用于高频电路。

二极管反极性保护电路

什么是肖特基二极管?

2、二极管反向电流保护电路

与电源正极串联放置的二极管称为反向保护二极管，可以确保电流只能沿正向流动，并且电源仅向你的电路施加正电压。

当电源连接器没有极化时，这种二极管应用很有用。反向保护二极管的缺点是，由于正向压降，它会引起一些电压损失。

二极管反向电流保护电路

#2、二极管整流电路

1、半波整流电路

仅将交流信号的半波转换为直流信号的过程称为半波整流电路，这种类型的整流是通过只使用一个二极管来实现的，只留下一半信号。

半波整流电路

2、桥式全波整流电路

全波整流电路将交流信号的全波转换成直流信号。它由四个特定配置的二极管组成，称为桥式整流器。

桥式全波整流电路

#3、二极管稳压电路

稳压器用于将输入电压降低到所需的水平，并在电源波动的情况下保持不变，也可以用来调节输出电压。

齐纳二极管通常用作电压调节器，因为它设计为在反向偏置条件下工作。当处于正向偏置时，它的行为就像一个正常的信号二极管。另一方面，当施加反向电压时，电压在很宽的电流范围内保持恒定。

在下面的电路中，输入电压可以在 0V 到 12V 之间变化，但输出电压永远不会超过 5.1V，因为齐纳二极管的反向击穿电压（齐纳电压）为 5.1V，当输入电压低于 5.1V 时，输出电压将等于输入电压，但当超过 5.1V 时，输出电压将被调节为 5.1V。

二极管稳压电路

该电路的这一特性可用于保护 5V 的 ADC 引脚（过压保护电路），因为该引脚可以读取 0-5V 的电压，但如果超过 5V，齐纳二极管将不允许过压。同样，当输入电压很高时，可以使用相同的电路为负载调节 5.1V。但是这种电路的电流限制非常小。

在使用齐纳二极管设计电路时，要考虑的一件重要事情是齐纳电阻，齐纳电阻用于限制通过齐纳二极管的电流，从而保护其免受加热和损坏，齐纳电阻的值取决于齐纳二极管的齐纳电压和额定功率。

齐纳串联电阻 Rs 的计算公式如下所示

齐纳串联电阻 Rs 的计算公式

对于 1N4734A 齐纳二极管，Vz 值为 5.9 V，Pz 为 500mW，现在电源电压 (Vs) 为 12V，Rs 值为

Rs = (12-5.9)/Iz

Iz = Pz/Vz = 500mW / 5.9V = ~85mA

因此，Rs = (12-5.9)/85 = 71 Ω

Rs = 71ohms（大约）

之前有文章详细讲过齐纳二极管，大家可以直接点击进入：

什么是齐纳二极管？几分钟教你弄懂齐纳二级管工作原理

#4、二极管续流电路

续流二极管基本上是一个连接在感性负载端子上的二极管，以防止在开关两端产生高压。

当电感电路关闭时，续流二极管为电感衰减电流的流动提供短路路径，从而消耗电感中存储的能量。

续流或反激二极管的主要目的是通过提供短路路径来释放电感中存储的能量，否则电路电流的突然衰减将在开关触点和二极管上产生高电压。

当开关 S 闭合时，通过电路的稳态电流 I 为 (V/R)，因此电感中存储的能量为 (LI 2 )/2。当此开关 S 打开时，电流会突然从稳定值 I = (V/R) 衰减到零。

由于电流的这种突然衰减，等于 L(di/dt)的高反向电压（根据楞次定律）将出现在电感端子上，因此会出现在二极管和开关上，这将导致开关触点产生火花。

如果这个反向电压超过二极管的峰值反向电压，那么它可能会损坏。为了避免这种情况发生，一个称为续流或反激二极管的二极管连接在电感负载 RL 上，如下图所示。

二极管续流电路

#5、二极管检波电路

峰值检测器电路用于确定输入信号的峰值（最大值） ，将输入电压的峰值存储无限长的时间，直到达到复位条件。

峰值检测器电路利用其跟踪输入信号的最大值并将其存储的特性。

下图显示了基本正峰值检测器的电路 ：

峰值检测器由一个二极管和电容以及一个运算放大器组成，如上图所示。峰值检测电路不需要任何复杂的元件来确定输入波形的峰值。

工作原理：跟随输入波形的峰值并以电压的形式存储在电容中，到进一步移动的时间，如果电路检测到更高的峰值，新的峰值将存储在电容器中，直到它被放电。

电路中使用的电容由施加的输入信号通过二极管充电，二极管上的小电压降被忽略，电容被充电到施加的输入信号的最高峰。

二极管检波电路

#6、二极管限幅电路

限幅电路是由二极管制成的电路，用于通过对信号的正半部分或负半部分或两半部分进行削波或切割来整形信号波形，它用于限制预定点的电压。

二极管限幅电路

#7、二极管钳位电路

钳位器是一种电路，可在不扭曲信号形状的情况下向信号添加正或负 DC 值偏移。

信号的峰峰值保持不变，钳位器由一个带电容的二极管组成。

二极管钳位电路

二级管钳位电路视频↑

#8、二极管倍压电路

半波倍压器的电路图如下所示。

正半周期：二极管 D1 正向偏置，所以它允许电流通过它，该电流将流向电容 C1 并将其充电至输入电压 IeVm 的峰值。然而，电流不会流向电容 C2 ，因为二极管 D2 是反向偏置的，因此二极管 D2 阻止了流向电容 C2 的电流。因此，在正半周期间，电容 C1 被充电而电容 C2 未被充电。

负半周期：二极管 D1 被反向偏置。因此二极管 D1 将不允许电流通过它。因此，在负半周期间，电容 C1不会被充电。然而，存储在电容 C1中的电荷 (V m ) 被放电(释放)。

另一方面，二极管 D2 在负半周期间正向偏置，所以二极管 D2 允许电流通过它。该电流将流向电容 C2 并对其充电。因为输入电压 Vm 和电容 C1 电压 Vm 被添加到电容 C2 ，所以电容 C2 充电到值 2Vm。

因此，在负半周期间，电容 C2 由输入电源电压 Vm 和电容 C1 电压 Vm 充电。因此，电容 C2 被充电至 2m。

二极管倍压电路

#9、二极管AM 包络检波器或解调器

带电容的二极管是用于解调 AM 信号的最简单和最便宜的电路。

音频信息信号存储在由二极管检测的 AM 调制信号的包络中，因为它只允许信号的正半周期。

二极管AM 包络检波器或解调器

#10、二极管逻辑电路

简单的数字逻辑门，如 AND 或 OR，可以用二极管构建。

例如，一个二极管双输入或门可以由两个具有共享阴极节点的二极管构成。逻辑电路的输出也位于该节点。每当任一输入（或两者）为逻辑 1（高/5V）时，输出也变为逻辑 1。当两个输入均为逻辑 0（低/0V）时，输出通过电阻拉低。

二极管逻辑电路

与门的构造方式类似，两个二极管的阳极连在一起，就是电路的输出所在的位置，两个输入都必须为逻辑 1，迫使电流流向输出引脚并将其拉高。如果任一输入为低电平，来自 5V 电源的电流将流过二极管。

对于两个逻辑门，只需添加一个二极管即可添加更多输入。

二极管逻辑电路

#11、二极管电压尖峰抑制电路

瞬态电压抑制 (TVS) 二极管通常用于限制意外的大电压尖峰造成的潜在损害。瞬态电压抑制 (TVS) 二极管有点像齐纳二极管，低击穿电压（通常约为 20V），但具有非常大的额定功率（通常在千瓦范围内）。

瞬态电压抑制 (TVS) 二极管设计目的是在电压超过其击穿电压时分流电流并吸收能量。

反激二极管在抑制电压尖峰方面也有类似的作用，特别是那些由电感元件（如电机）引起的尖峰。

当通过电感的电流突然变化时，会产生一个电压尖峰，可能是一个非常大的负尖峰，放置在感性负载上的反激二极管将为负电压信号提供安全的放电路径，实际上循环通过电感和二极管，直到它最终消失。

二极管电压尖峰抑制电路

#12、二极管电压参考电路

齐纳二极管在各种电子电路中用作电压参考，为偏置提供稳定的电压。齐纳二极管在反向偏置下作为电压调节器运行，并在宽电流范围内提供稳定的电压。

二极管电压参考电路

#13、二极管无线电解调电路

调幅无线电广播的解调是二极管的一个重要应用。幅度调制信号由交替的正负电压峰值组成，其幅度或“包络”与原始音频信号成比例，但平均值为零。

晶体二极管对幅度调制信号进行整流，从而产生具有所需平均幅度的信号，一个简单的过滤器用于检索平均值，然后将其放入产生声音的音频转换器中。

二极管无线电解调电路

#14、二极管温度测量电路

二极管可用作温度监测设备，因为二极管上的正向压降与温度有关。电压看起来具有正温度系数，因此根据肖克利理想二极管方程，它取决于掺杂浓度和工作温度。

温度系数可能像普通热敏电阻一样为负，也可能像在低于 20 开氏度的温度下工作的温度感应二极管一样为正。

二极管作为温度传感器

#15、二极管倍频电路

当电流通过二极管时，一半的周期被切断。无论频率如何，只要二极管电容不太大，从 60 Hz 电流通过 RF 都会发生这种情况。

二极管的输出波看起来与输入波有很大不同，这种情况称为非线性。每当电路中存在任何类型的非线性时。

每当输出波形的形状与输入波形不同时，输出中就会出现谐波频率，这些是输入频率整数倍的波。

通常，非线性是不可取的，然后工程师努力使电路线性化，使输出波形与输入波形具有完全相同的形状，但有时需要一个会产生谐波的电路.，然后故意引入非线性。

二极管非常适合这一点，一个简单的倍频电路如图所示，输出 LC 电路被调谐到所需的第 n 次谐波频率 nfo，而不是输入或基频 fo。

为了使二极管用作倍频器，必须是在相同频率下也能很好地用作检测器的类型。这意味着该组件应充当整流器，而不是电容。

二极管倍频电路

#16、二极管频率控制电路

当二极管反向偏置时，在 PN 结处有一个具有介电特性的区域，这被称为耗尽区，因为它缺少多数电荷载流子，该区域的宽度取决于几个因素，包括反向电压。

只要反向偏压小于雪崩电压，改变偏压就可以改变耗尽区的宽度，这导致结的电容发生变化。电容总是很小（皮法量级），与反向偏压的平方根成反比。

一些二极管是专门为用作可变电容而制造的，这些是变容二极管。有时你会听到它们被称为可变电容，它们由硅或砷化镓制成。

变容二极管的常见用途是在称为压控振荡器 (VCO) 的电路中。使用线圈和变容二极管的电压调谐电路如下图所示。

下图为一个并联调谐电路，与变容二极管相比，其值较大的固定电容器用于防止线圈使变容二极管两端的控制电压短路。

二极管频率控制电路

#17、二极管光耦隔离电路

光电隔离器是一种设备，它有两个二极管：一个是光源或发射器，通常是发光二极管（LED），另一个是用作光电传感器的光电二极管。

LED 将电输入信号转换为光，光电二极管检测入射光并根据入射光产生相应的电能。

一个基本的光耦合器如下所示：

二极管光耦隔离电路

之前有文章详细讲过光电二极管电路，大家可以直接点击进入：

你想知道的光电二极管知识，一文给你讲明白

#18、二极管混频电路

混频器是一种提供新信号的电路，其频率是两个输入信号的和或差。

二极管用于混频器中以改变信号的频率，例如调制用于在超外差接收器中传输或解调的信号。

双工器通过叠加输入 RF 和 LO 信号来驱动二极管。

二极管偏置在直流电压 ，通过隔直电容 与 RF 和 LO 信号路径去耦。RF 扼流圈阻止 RF/LO 信号进入偏置源。由于二极管非线性而产生的高频分量被中频滤波器滤除，只允许中频分量出现在输出端。

二极管混频电路

#19、二极管光源电路

LED 是电流驱动的，当置于正向偏置模式时会出现一定的电压降，正向压降 (V F ) 范围为 1.2V 至 4.0V，取决于 LED 使用的复合材料类型。

当施加大于正向压降的电压并且电流流过 LED 时，LED 就会发光。

过大的电流会损坏 LED 的敏感 PN 结，因此需要在 LED 和电压源之间插入适当的串联电阻，串联电阻值不应超过 LED 额定电流的 80%，并应允许足够量的电流使 LED 显着变亮。

二极管光源电路