錢(qián)寧
(奧托尼克斯電子(嘉興)有限公司,浙江嘉興314033)
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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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
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。
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
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。
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。
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。
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)。
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