電子式計數(shù)器停電記憶功能電路分析

錢寧

（奧托尼克斯電子（嘉興）有限公司，浙江嘉興314033）

0 引言

電子式計數(shù)器是一種用于工業(yè)過程測量和控制系統(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］，能完成頻率測量、時間測量、計數(shù)等功能，其功能主要是由電子元器件（晶體管、集成電路等）實現(xiàn)的，所以稱為電子式計數(shù)器［2］。頻率和時間是電子測量技術(shù)領(lǐng)域中最基本的參量，因此，電子式計數(shù)器是一類重要的電子測量儀器。近幾年來，在夏季不少地方政府選擇一些工礦企業(yè)錯峰讓電，停產(chǎn)停電；同時，由于用電器多電力負荷大，一些地方出現(xiàn)市電欠壓而導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作的現(xiàn)象。當(dāng)供電重新正常時，用戶希望從斷電前的狀態(tài)開始繼續(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)的計數(shù)器多內(nèi)置電池或磁記憶裝置來保存數(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)顯電子式計數(shù)器，在產(chǎn)品設(shè)置的菜單中可選擇停電后再上電計數(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。

本研究通過分析產(chǎn)品斷電瞬間的當(dāng)前計數(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停電記憶信號的影響，從而提高對產(chǎn)品電路進行分析的能力。

1 停電記憶功能

20世紀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—蓄電池組維護成本高以及包括鉛在內(nèi)的重金屬對環(huán)境影響大。磁記憶裝置由磁芯電路和記憶控制電路組成，整個電路部分除記憶磁芯外都是一些常用的三極管和開關(guān)二極管，成本低廉。但電路沒有集成，可靠性差，而且記憶數(shù)據(jù)只能保存1周左右［4］。

進入20世紀90年代，由于UPS供電時間短、價格昂貴、設(shè)計制作復(fù)雜的缺點，有些儀器儀表開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RAM中。RAM芯片所記憶的斷電數(shù)據(jù)可以保持1個月左右［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)計方法。但雙層電容器最大只能短時供電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可對內(nèi)部的輸出繼電器、輔助繼電器、計數(shù)器等進行停電記憶設(shè)置，可在一定程度上滿足停電記憶的要求。但這個方法也有一定的缺點，對外界干擾引起的PLC停機、死機時記憶的狀態(tài)可能出現(xiàn)錯誤［7］。

近幾年來包括計數(shù)器在內(nèi)的儀器儀表已逐步向智能化方向發(fā)展，單片機及EEPROM存儲器的大量使用，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)存儲這方面的問題［8］。CT系列計數(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系列計數(shù)器如圖1所示。

2 CT系列計數(shù)器停電記憶功能

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

圖1 CT系列電子計數(shù)器

2.1 停電記憶功能的實現(xiàn)

停電記憶功能部分電路圖如圖2所示。圖2中，IC1主芯片是個可編程的單片機，內(nèi)置程序控制計數(shù)器的運行與工作。其中的B點電信號輸入IC1主芯片，IC1主芯片就是根據(jù)B點的電信號變化，判斷是否保存當(dāng)前計數(shù)值，實現(xiàn)停電記憶功能。切斷產(chǎn)品電源后，用示波器測量B點電信號如圖3所示。

圖2 停電記憶功能部分電路圖

由圖3可知B點在斷電的瞬時，會有一個幅度為5.20 V，寬度100 ms的電平信號。就是這個電信號“通知”IC1主芯片將當(dāng)前的計數(shù)值保存到IC2電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）里面。再次上電開機時，IC1主芯片再將保存的數(shù)據(jù)從IC2存儲器中調(diào)取出來。

圖3 計數(shù)器產(chǎn)品斷電后B點的瞬時波形圖

2.2 三極管Q1電氣特性

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

圖4 三極管Q1部分電路

表1 三極管Q1特性測試

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

2.3 穩(wěn)壓二極管ZD1作用

由圖2可見，三極管Q1基極A前端是一個穩(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，簡稱穩(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，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說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處的電勢大于等于8.2 V時，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A點電勢=12 V-8.2 V=3.8 V。

2.4 電路分析

綜上所述，B點的電勢變化，和12 V和5 V處的電勢變化有必然的聯(lián)系。筆者用示波器測量圖2電路中12 V、5 V、B點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處實測12 V，5 V實測5.2 V。

圖5 斷電瞬間各點波形變化

觀察圖5，產(chǎn)品通電時A點電勢為12 V-8.2 V=3.8 V＞3 V，由表1可知此時三極管Q1導(dǎo)通，B點電勢被下拉為低電平。斷電后，因為有電解電容元件C1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（如圖5所示），A點當(dāng)前電勢為9.4 V-8.2 V=1.2 V，由表1可知此時三極管Q1由導(dǎo)通逐漸變?yōu)榻刂?，B點電勢被5 V上拉為高電平。由于5 V是由12 V通過一系列的電路（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（如圖5所示），5 V負載能力開始下降，5 V逐漸被拉低。B點的電勢也逐漸下降。所以B點能出現(xiàn)一個幅度為5.2 V、寬度100 ms的高電平信號，就是這個電平信號，通知主芯片把當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲到存儲器中。

因為IC1主芯片和IC2存儲器的工作電壓都是5 V，小于5 V時芯片將不能正常工作。計數(shù)器產(chǎn)品正是在斷電后，12 V處電勢由9.4 V降低到5.4 V這100 ms時間間隔內(nèi)，完成檢索到B點“通知”信號，并迅速存儲當(dāng)前計數(shù)值的。

3 變更后的停電記憶電路

隨著半導(dǎo)體制造工藝的進一步提高，采用3.3 V，2.5 V，1.8 V等低電壓設(shè)計是目前產(chǎn)品設(shè)計的大趨勢［9］。奧托尼克斯電子（嘉興）有限公司的CT系列計數(shù)器，也開始變更使用工作電壓為3.3 V的集成電路芯片，此時停電記憶的電路也作一定的修改，停電補償?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，通過加個電阻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。該三極管是作為開關(guān)使用，通過在基極加一個下拉電阻能防止三極管受噪聲信號的影響而產(chǎn)生誤動作，使三極管截止更可靠。12 V通過電壓調(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。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輸入時三極管Q1電氣特性

組織電路如圖7所示，該電路測量集電極輸入3.3 V時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Q1截止，Vin≥1.3 V時Q1導(dǎo)通。

3.3 測量12 V、3.3 V和B點處的波形

用示波器測量圖6電路中12 V、3.3 V、B點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處實測12.6 V，3.3 V實測3.6 V。

觀察圖8，產(chǎn)品通電時A點電勢為12.6 V-7.5 V=5.1 V＞5 V，由表2可知此時三極管Q1導(dǎo)通，B點電勢被下拉為低電平。斷電后，因為有電解電容元件C1的作用，12 V處電壓如圖8般呈坡度下降，下降至8.6 V時（如圖8所示），A點當(dāng)前電勢為8.6 V-7.5 V=1.1 V，由表2可知此時三極管Q1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗珺點電勢被3.3 V上拉為高電平。由于3.3 V是由12 V通過電壓調(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（如圖8所示），電壓調(diào)節(jié)器IC3輸出的3.3 V負載能力開始下降，3.3 V逐漸被拉低。B點的電勢也逐漸下降。B點出現(xiàn)一個幅度為3.4 V、寬度320 ms的高電平信號。

表2 集電極3.3 VQ1特性測試

圖8 斷電瞬間各點波形變化

4 兩種電路對停電記憶信號的影響分析

4.1 穩(wěn)壓二極管變更對停電記憶信號的影響

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處的電壓由原來下降到9.4 V時Q1截止，B點出現(xiàn)上升沿，變化為下降到8.6 V時Q1截止，B點出現(xiàn)上升沿。所以圖8中B點出現(xiàn)停電記憶信號的時機就比圖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，只有12 V被拉低到8.6 V以下，停電記憶功能才開始發(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)器芯片對停電記憶信號的影響

圖5中的5 V是由12 V通過一系列的電路（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，5 V負載能力開始下降，5 V逐漸被拉低。圖8中的3.3 V是由12 V通過電壓調(diào)節(jié)器IC3輸出的，12 V處5.2 V時，IC3輸出的3.3 V負載能力開始下降。也就是說雖然有5 V和3.3 V的區(qū)別，但圖5和圖8中停電記憶信號消失開始的時機是相似的。造成這樣的原因是由于電壓調(diào)節(jié)器IC3對前端輸入電壓的要求更嚴苛一些，也就是負載能力差，相對應(yīng)的B點停電記憶信號的高電平也就更早被拉低。經(jīng)查詢該電壓調(diào)節(jié)器的芯片資料后知，在25℃時，輸入該電壓調(diào)節(jié)器電壓5.3 V時，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寬度的代價來換取產(chǎn)品的可靠性。

4.3 集成電路工作電壓變化對停電記憶信號的影響

圖5中停電記憶信號（B點）寬度100 ms，圖8中停電記憶信號（B點）寬度320 ms。并且圖5中的12 V下降坡度明顯比圖8陡。這是因為3.3 V芯片功耗比5 V芯片小，同時為了配套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載上都進行了重新優(yōu)化選擇。在電子計數(shù)器正常工作時，圖2中測量I5V=66.6 mA，圖6中測量I3.3V=24.2 mA。所以工作電壓3.3 V時，12 V被拉低到5 V所用的時間也就緩慢，導(dǎo)致Q1截止后B點被上拉為高電平所維持的時間也就長。并且更換穩(wěn)壓二極管的效果是延遲了B點被上拉為高電平的時間，更換電壓調(diào)節(jié)器是提前了B點被拉低的時間。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)在停電記憶信號寬度之間的差值220 ms還要大。

5 結(jié)束語

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

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）：

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［2］國家工業(yè)和信息化部.JB/T 8794-2010計數(shù)繼電器電子式計數(shù)器［S］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

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