錢(qián)寧

（奧托尼克斯電子（嘉興）有限公司，浙江嘉興314033）

0 引言

電子式計(jì)數(shù)器是一種用于工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)的模擬輸入數(shù)字式指示儀，在工業(yè)自動(dòng)化控制中有著廣泛的應(yīng)用。它是指能接收其他模擬直流電信號(hào)或與其他產(chǎn)生電阻變化的傳感器配合使用的指示儀［1］，能完成頻率測(cè)量、時(shí)間測(cè)量、計(jì)數(shù)等功能，其功能主要是由電子元器件（晶體管、集成電路等）實(shí)現(xiàn)的，所以稱(chēng)為電子式計(jì)數(shù)器［2］。頻率和時(shí)間是電子測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域中最基本的參量，因此，電子式計(jì)數(shù)器是一類(lèi)重要的電子測(cè)量?jī)x器。近幾年來(lái)，在夏季不少地方政府選擇一些工礦企業(yè)錯(cuò)峰讓電，停產(chǎn)停電；同時(shí)，由于用電器多電力負(fù)荷大，一些地方出現(xiàn)市電欠壓而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作的現(xiàn)象。當(dāng)供電重新正常時(shí)，用戶希望從斷電前的狀態(tài)開(kāi)始繼續(xù)工作，這就需要相關(guān)的使用設(shè)備、儀器儀表具有停電記憶功能。傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)器多內(nèi)置電池或磁記憶裝置來(lái)保存數(shù)據(jù)。奧托尼克斯電子（嘉興）有限公司生產(chǎn)的CT系列數(shù)顯電子式計(jì)數(shù)器，在產(chǎn)品設(shè)置的菜單中可選擇停電后再上電計(jì)數(shù)值保持的模式（即停電記憶功能）。產(chǎn)品里并不內(nèi)置電池，數(shù)據(jù)保存在斷電后數(shù)據(jù)不丟失的EEPROM里。

本研究通過(guò)分析產(chǎn)品斷電瞬間的當(dāng)前計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的保存，以及使用不同的工作電壓的集成芯片電路的斷電電壓變化的不同對(duì)停電記憶信號(hào)的影響，從而提高對(duì)產(chǎn)品電路進(jìn)行分析的能力。

1 停電記憶功能

20世紀(jì)70年代，在工業(yè)化儀器儀表停電記憶裝置上，一般有備用電池組和磁記憶裝置兩種選擇方式［3］。備用電池組方法中采用最廣泛的是安裝不間斷電源裝置蓄電池式UPS。但是，蓄電池式UPS有兩大缺點(diǎn)—蓄電池組維護(hù)成本高以及包括鉛在內(nèi)的重金屬對(duì)環(huán)境影響大。磁記憶裝置由磁芯電路和記憶控制電路組成，整個(gè)電路部分除記憶磁芯外都是一些常用的三極管和開(kāi)關(guān)二極管，成本低廉。但電路沒(méi)有集成，可靠性差，而且記憶數(shù)據(jù)只能保存1周左右［4］。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，由于UPS供電時(shí)間短、價(jià)格昂貴、設(shè)計(jì)制作復(fù)雜的缺點(diǎn)，有些儀器儀表開(kāi)始將需要保存的信息記錄在斷電后由鎳鎘電池供電的讀寫(xiě)RAM中。RAM芯片所記憶的斷電數(shù)據(jù)可以保持1個(gè)月左右［5］。而磁記憶裝置則更趨向于向工作可靠、體積小、線路簡(jiǎn)單、功耗小、永久性記憶方向發(fā)展。

2000年以后，出現(xiàn)了一種采用雙電層電容器取代蓄電池組的設(shè)計(jì)方法。但雙層電容器最大只能短時(shí)供電60 s［6］。另一方面，由于可編程控制器PLC被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，利用PLC可對(duì)內(nèi)部的輸出繼電器、輔助繼電器、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行停電記憶設(shè)置，可在一定程度上滿足停電記憶的要求。但這個(gè)方法也有一定的缺點(diǎn)，對(duì)外界干擾引起的PLC停機(jī)、死機(jī)時(shí)記憶的狀態(tài)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤［7］。

近幾年來(lái)包括計(jì)數(shù)器在內(nèi)的儀器儀表已逐步向智能化方向發(fā)展，單片機(jī)及EEPROM存儲(chǔ)器的大量使用，使得其在功能上和使用上得到了極大地豐富和提高，解決了停電后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)這方面的問(wèn)題［8］。CT系列計(jì)數(shù)器正是采用了這種停電記憶方式，數(shù)據(jù)可保持10年以上。CT系列計(jì)數(shù)器如圖1所示。

2 CT系列計(jì)數(shù)器停電記憶功能

CT系列計(jì)數(shù)器可在設(shè)置菜單中選擇停電記憶功能打開(kāi)。斷電后再上電，斷電前的計(jì)數(shù)值將會(huì)保持。

圖1 CT系列電子計(jì)數(shù)器

2.1 停電記憶功能的實(shí)現(xiàn)

停電記憶功能部分電路圖如圖2所示。圖2中，IC1主芯片是個(gè)可編程的單片機(jī)，內(nèi)置程序控制計(jì)數(shù)器的運(yùn)行與工作。其中的B點(diǎn)電信號(hào)輸入IC1主芯片，IC1主芯片就是根據(jù)B點(diǎn)的電信號(hào)變化，判斷是否保存當(dāng)前計(jì)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)停電記憶功能。切斷產(chǎn)品電源后，用示波器測(cè)量B點(diǎn)電信號(hào)如圖3所示。

圖2 停電記憶功能部分電路圖

由圖3可知B點(diǎn)在斷電的瞬時(shí)，會(huì)有一個(gè)幅度為5.20 V，寬度100 ms的電平信號(hào)。就是這個(gè)電信號(hào)“通知”IC1主芯片將當(dāng)前的計(jì)數(shù)值保存到IC2電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）里面。再次上電開(kāi)機(jī)時(shí)，IC1主芯片再將保存的數(shù)據(jù)從IC2存儲(chǔ)器中調(diào)取出來(lái)。

圖3 計(jì)數(shù)器產(chǎn)品斷電后B點(diǎn)的瞬時(shí)波形圖

2.2 三極管Q1電氣特性

要知道B點(diǎn)在斷電的瞬時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖高電平的原因，必須要知道B點(diǎn)前端的三極管Q1的電氣特性。單獨(dú)組織電路如圖4所示，在Q1基極電壓Vin數(shù)值0～5 V變化范圍內(nèi)，測(cè)量Q1的殘留電壓Vout和發(fā)射極電流Iout。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 三極管Q1部分電路

表1 三極管Q1特性測(cè)試

由表1可知，Vin輸入值≥1.3 V時(shí)Q1的殘留電壓Vout約等于0，三級(jí)管Q1導(dǎo)通，圖2中B點(diǎn)為低電平。Vin輸入值≤1.1 V時(shí)Q1的殘留電壓Vout＞4 V，三極管Q1截止，圖2中B點(diǎn)為高電平。

2.3 穩(wěn)壓二極管ZD1作用

由圖2可見(jiàn)，三極管Q1基極A前端是一個(gè)穩(wěn)壓二極管ZD1，穩(wěn)壓二極管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)穩(wěn)壓管。該二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說(shuō)在一定功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在反向擊穿區(qū)時(shí)的工作電壓，管子兩端的電壓值。ZD1的穩(wěn)定電壓是8.2 V，即12 V處的電勢(shì)大于等于8.2 V時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的壓降穩(wěn)定在8.2 V。

由圖2可知，產(chǎn)品上電時(shí)A點(diǎn)電勢(shì)=12 V-8.2 V=3.8 V。

2.4 電路分析

綜上所述，B點(diǎn)的電勢(shì)變化，和12 V和5 V處的電勢(shì)變化有必然的聯(lián)系。筆者用示波器測(cè)量圖2電路中12 V、5 V、B點(diǎn)在斷電瞬間的波形變化。其波形如圖5所示。由圖5可知，12 V處實(shí)測(cè)12 V，5 V實(shí)測(cè)5.2 V。

圖5 斷電瞬間各點(diǎn)波形變化

觀察圖5，產(chǎn)品通電時(shí)A點(diǎn)電勢(shì)為12 V-8.2 V=3.8 V＞3 V，由表1可知此時(shí)三極管Q1導(dǎo)通，B點(diǎn)電勢(shì)被下拉為低電平。斷電后，因?yàn)橛须娊怆娙菰﨏1的作用12 V處電壓呈坡度下降（如圖5所示），下降至9.4 V時(shí)（如圖5所示），A點(diǎn)當(dāng)前電勢(shì)為9.4 V-8.2 V=1.2 V，由表1可知此時(shí)三極管Q1由導(dǎo)通逐漸變?yōu)榻刂?，B點(diǎn)電勢(shì)被5 V上拉為高電平。由于5 V是由12 V通過(guò)一系列的電路（包含若干三極管、電阻、穩(wěn)壓二極管組成）輸出的，12 V處電壓從9.4 V繼續(xù)下降到5.4 V時(shí)（如圖5所示），5 V負(fù)載能力開(kāi)始下降，5 V逐漸被拉低。B點(diǎn)的電勢(shì)也逐漸下降。所以B點(diǎn)能出現(xiàn)一個(gè)幅度為5.2 V、寬度100 ms的高電平信號(hào)，就是這個(gè)電平信號(hào)，通知主芯片把當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。

因?yàn)镮C1主芯片和IC2存儲(chǔ)器的工作電壓都是5 V，小于5 V時(shí)芯片將不能正常工作。計(jì)數(shù)器產(chǎn)品正是在斷電后，12 V處電勢(shì)由9.4 V降低到5.4 V這100 ms時(shí)間間隔內(nèi)，完成檢索到B點(diǎn)“通知”信號(hào)，并迅速存儲(chǔ)當(dāng)前計(jì)數(shù)值的。

3 變更后的停電記憶電路

隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)一步提高，采用3.3 V，2.5 V，1.8 V等低電壓設(shè)計(jì)是目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)的大趨勢(shì)［9］。奧托尼克斯電子（嘉興）有限公司的CT系列計(jì)數(shù)器，也開(kāi)始變更使用工作電壓為3.3 V的集成電路芯片，此時(shí)停電記憶的電路也作一定的修改，停電補(bǔ)償?shù)牟ㄐ我惨虼税l(fā)生了變化。

3.1 變更后的電路圖

變更后的停電記憶部分電路圖如圖6所示。由圖6可知，穩(wěn)壓二極管ZD1的穩(wěn)定電壓由8.2 V變?yōu)?.5 V，三極管Q1在電氣特性不變的情況下，變更為尺寸更小、功率消耗為原來(lái)一半的低功耗三極管。ZD1穩(wěn)定電壓變小，流入基極電流變大，三極管Q1功率變小的情況下，通過(guò)加個(gè)電阻R3可以分流一部分電流，防止大電流直接流入而損壞三極管。該三極管是作為開(kāi)關(guān)使用，通過(guò)在基極加一個(gè)下拉電阻能防止三極管受噪聲信號(hào)的影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作，使三極管截止更可靠。12 V通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器芯片IC3轉(zhuǎn)換為3.3 V，舍棄了原先的一系列電路（包含若干三極管、電阻、穩(wěn)壓二極管組成），壓縮了空間，穩(wěn)定性和可靠性都得到了增強(qiáng)。另外圖2中后續(xù)電路部分為了適應(yīng)3.3 V的工作電壓，也作了減小負(fù)載、降低功耗等適當(dāng)?shù)男薷?。后續(xù)電路部分是產(chǎn)品中所有使用到5 V或3.3 V的元器件的集合，包括IC1和IC2等元件。

圖6 變更后的停電記憶部分電路圖

3.2 集電極3.3 V輸入時(shí)三極管Q1電氣特性

組織電路如圖7所示，該電路測(cè)量集電極輸入3.3 V時(shí)三極管的殘留電壓和發(fā)射極電流的數(shù)值。

圖7 三極管Q1部分電路

集電極3.3 VQ1特性測(cè)試如表2所示。由表1和表2比較，都是基極輸入電壓Vin≤1.1 V時(shí)Q1截止，Vin≥1.3 V時(shí)Q1導(dǎo)通。

3.3 測(cè)量12 V、3.3 V和B點(diǎn)處的波形

用示波器測(cè)量圖6電路中12 V、3.3 V、B點(diǎn)在斷電瞬間的波形變化。其波形如圖8所示。由圖8可知，12 V處實(shí)測(cè)12.6 V，3.3 V實(shí)測(cè)3.6 V。

觀察圖8，產(chǎn)品通電時(shí)A點(diǎn)電勢(shì)為12.6 V-7.5 V=5.1 V＞5 V，由表2可知此時(shí)三極管Q1導(dǎo)通，B點(diǎn)電勢(shì)被下拉為低電平。斷電后，因?yàn)橛须娊怆娙菰﨏1的作用，12 V處電壓如圖8般呈坡度下降，下降至8.6 V時(shí)（如圖8所示），A點(diǎn)當(dāng)前電勢(shì)為8.6 V-7.5 V=1.1 V，由表2可知此時(shí)三極管Q1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗珺點(diǎn)電勢(shì)被3.3 V上拉為高電平。由于3.3 V是由12 V通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器IC3輸出的，12 V處電壓從8.6繼續(xù)下降到5.2 V時(shí)（如圖8所示），電壓調(diào)節(jié)器IC3輸出的3.3 V負(fù)載能力開(kāi)始下降，3.3 V逐漸被拉低。B點(diǎn)的電勢(shì)也逐漸下降。B點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)幅度為3.4 V、寬度320 ms的高電平信號(hào)。

表2 集電極3.3 VQ1特性測(cè)試

圖8 斷電瞬間各點(diǎn)波形變化

4 兩種電路對(duì)停電記憶信號(hào)的影響分析

4.1 穩(wěn)壓二極管變更對(duì)停電記憶信號(hào)的影響

由于穩(wěn)壓二極管ZD1的穩(wěn)定電壓由8.2 V變?yōu)?.5 V，產(chǎn)品斷電后，12 V處的電壓由原來(lái)下降到9.4 V時(shí)Q1截止，B點(diǎn)出現(xiàn)上升沿，變化為下降到8.6 V時(shí)Q1截止，B點(diǎn)出現(xiàn)上升沿。所以圖8中B點(diǎn)出現(xiàn)停電記憶信號(hào)的時(shí)機(jī)就比圖5中要晚。由于客戶在產(chǎn)品使用中，經(jīng)常將12 V作為外接電源使用。在電源電壓不足或12 V被外部用電器拉低時(shí)，只有12 V被拉低到8.6 V以下，停電記憶功能才開(kāi)始發(fā)揮作用，使得出現(xiàn)誤停電記憶的現(xiàn)象有所減少。

4.2 選擇使用電壓調(diào)節(jié)器芯片對(duì)停電記憶信號(hào)的影響

圖5中的5 V是由12 V通過(guò)一系列的電路（包含若干三極管、電阻、穩(wěn)壓二極管組成）輸出的，12 V處電壓下降到5.4 V時(shí)，5 V負(fù)載能力開(kāi)始下降，5 V逐漸被拉低。圖8中的3.3 V是由12 V通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器IC3輸出的，12 V處5.2 V時(shí)，IC3輸出的3.3 V負(fù)載能力開(kāi)始下降。也就是說(shuō)雖然有5 V和3.3 V的區(qū)別，但圖5和圖8中停電記憶信號(hào)消失開(kāi)始的時(shí)機(jī)是相似的。造成這樣的原因是由于電壓調(diào)節(jié)器IC3對(duì)前端輸入電壓的要求更嚴(yán)苛一些，也就是負(fù)載能力差，相對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)停電記憶信號(hào)的高電平也就更早被拉低。經(jīng)查詢(xún)?cè)撾妷赫{(diào)節(jié)器的芯片資料后知，在25℃時(shí)，輸入該電壓調(diào)節(jié)器電壓5.3 V時(shí)，才能保證輸出的電流能力大于10 mA。但使用一系列的電路，其中的元件在客戶使用中有出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。所以用犧牲停電記憶信號(hào)寬度的代價(jià)來(lái)?yè)Q取產(chǎn)品的可靠性。

4.3 集成電路工作電壓變化對(duì)停電記憶信號(hào)的影響

圖5中停電記憶信號(hào)（B點(diǎn)）寬度100 ms，圖8中停電記憶信號(hào)（B點(diǎn)）寬度320 ms。并且圖5中的12 V下降坡度明顯比圖8陡。這是因?yàn)?.3 V芯片功耗比5 V芯片小，同時(shí)為了配套3.3 V的工作電壓，使用3.3 V的后續(xù)電路的元器件在功耗和負(fù)載上都進(jìn)行了重新優(yōu)化選擇。在電子計(jì)數(shù)器正常工作時(shí)，圖2中測(cè)量I5V=66.6 mA，圖6中測(cè)量I3.3V=24.2 mA。所以工作電壓3.3 V時(shí)，12 V被拉低到5 V所用的時(shí)間也就緩慢，導(dǎo)致Q1截止后B點(diǎn)被上拉為高電平所維持的時(shí)間也就長(zhǎng)。并且更換穩(wěn)壓二極管的效果是延遲了B點(diǎn)被上拉為高電平的時(shí)間，更換電壓調(diào)節(jié)器是提前了B點(diǎn)被拉低的時(shí)間。所以包括3.3 V芯片在內(nèi)的電路整體功耗與使用5 V芯片的電路功耗的差值，比體現(xiàn)在停電記憶信號(hào)寬度之間的差值220 ms還要大。

5 結(jié)束語(yǔ)

相比其他停電記憶方式，CT系列電子式計(jì)數(shù)器工作更可靠、線路更簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)保存時(shí)間更長(zhǎng)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在低功耗設(shè)計(jì)中5 V的處理器逐漸被3.3 V的處理器所代替［10］。在CT系列電子式計(jì)數(shù)器中使用集成電路工作電壓為3.3 V的芯片時(shí)，通過(guò)線路優(yōu)化，降低了功耗，能得到一個(gè)脈沖寬度更寬的停電記憶信號(hào)。

（

）：

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 13639-2008工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)用模擬輸入數(shù)字式指示儀［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］國(guó)家工業(yè)和信息化部.JB/T 8794-2010計(jì)數(shù)繼電器電子式計(jì)數(shù)器［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

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