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检测装置回路设计步骤

发布时间:2021-02-21 03:35:47

① 220V交流电检测电路 检测灯泡线路上有没有电流 并反馈信息到单片机上 具体的设计电路和方法

红外线是一种看不见的光线,因其在整个电磁波谱中处在可见光(红光)外侧而得名。他介于可见光和微波之间,既具有可见光的性质,如:直线传播、反射、折射等,又具有微波的某些特性,如:穿透力强,能穿过某些不透明物质等。
借助于红外线具有直线传播的特性,利用红外传感器具有灵敏度高、响应速度快和光谱范围窄的性能,同时也利用单片机具有结构紧凑、可靠性高、数据处理能力强、速度快、功耗小、成本低的特点,可以制作灵敏度高,抗干扰性能优良的红外遥控装置。
本设计将单片机与红外技术、电子技术相结合,设计出的通用家用灯头遥控装置具有结构简单,操作方便,功能比较完善的特点。
1 红外遥控系统的原理
红外遥控电路的结构形式一般分为3种,即:单通道遥控开关电路、单通道步进式遥控电路和多通道遥控电路。本设计采用单通道遥控开关电路,这种红外遥控系统一般由发射和接收两大部分组成,发射部分一般包括脉冲发生器、脉冲功放和红外发射,接收部分一般包括红外接收、电压放大、限幅放大、双稳触发和继电器,有的还采用专用遥控集成电路使结构简化。本遥控系统主要由开关控制按键、定时数据输入按键、亮度控制按键、定时控制电路、显示电路、红外发射电路、红外接收电路、亮度控制及执行电路等组成。
2 硬件电路
2.1 开关控制
该部分主要实现遥控开灯或关灯,为一个按键。当按下按键时,红外发射部分发射一红外脉冲,经红外接收部分接收并使继电器改变原来的状态,使灯由开变为关或由关变为开。
2.2 定时部分
该部分主要包括:定时数据的输入及处理、定时电路及时间显示电路。
定时数据的输入采用非编码按键的工作方式,其中“0~9”为数字按键,“H”为小时按键,“Y”为确定按键。该部分电路图如图1所示。
定时器采用减法计数器,输入的初始数据由89C51的P0口的低4位给出,由P2.7和P2.0经译码、反相后,锁存在相应计数器CD4069的置数端上,并由译码显示器件CL002显示出来,同时开始减法计数,调节RP约为2.4 M时,NE555将产生60 s脉冲,控据的单位为min,左边为低位。当减到全为0时,计数停止,同时输出一个低电平到红外发射部分。发射部分发射红外脉冲,由红外接收部分接收使开关部分翻转,从而改变灯泡原来的状态而达到定时控制。定时电路如图2所示。显示部分为CL002,他是集寄存、译码、显示为一体的CMOS-LED组合器件,功能相当于1只CD4543或CD4511加上1只共阴极数码管。使用该组合器件可使电路结构简化。
2.3 亮度控制电路
该部分的电路如图3所示。他由红外接收及前置放大、脉冲识别、电子模拟开关、电子模拟电位器等部分组成。
红外接收及前置放大采用μPC1373专用集成电路。当按下红外发射电路的SB1键时,红外发射电路会根据按键时间的长短发射长脉冲或短脉冲,脉冲由BA5204接收,并在BA5204的第4脚输出高电平,经反相后送到μPC1373的第7脚进行脉冲识别处理。脉冲识别电路采用集成六反相器CD4069,其中由第1脚输入、第4脚输出的部分为短脉冲识别电路,短脉冲使亮度变小。由第13脚输入第6脚输出的部分为长脉冲识别电路,长脉冲使亮度变大。电子模拟开关采用四双向模拟转换开关CD4066。电子模拟电位器采用一只N沟道场效应管VMOS管,他是一种电压控制器件,利用栅极电压控制漏极电流,也就是控制沟道电阻,利用此特性可以将场效应管当作1只受电压控制的可变电阻。
2.4 红外发射电路
该部分的电路图如图4(a)所示。红外遥控发射器采用BA5104专用编码集成电路,其中1,2脚为用户码选择端,可避免别人的遥控。3脚与定时电路的输出端74LS27的6脚相连,4脚和5脚分别接亮度和开关控制按键,3~5任意一个脚有低电平时,LED立即向外发射调制的红外光,发射频率受12,13脚间的晶振控制。
2.5 红外接收部分
该部分的电路如图4(b)所示。BA3502为一体化红外接收头。接收器中的BA5204是与发射器BA5104相配套使用的器件,其工作电压为5 V,由不用变压器的高输入电压、小输出电流的线性稳压器LR6将220 V交流电变成10 V直流电后经7805变为5 V供电。当BA5104的SB1,SB2中任意一个键按下或第3脚收到低电平时,对应的BA5204的某一端口就输出高电平,当松开时,该端口恢复低电平。维持高电平的时间与按键的时间相同。图中SK-II为声控集成电路,BA5204的第3和第5脚输出的信号由C2输入SK-II,经内部电路放大、选频、整形、延时后送入触发器并使其翻转,由9脚输出低电平,该低电平使VT3导通,继电器J吸合接通电源控制开关。当第二次收到控制信号后,SK-II的9脚输出高电平,VT3截止,继电器释放,断开电源。
3 软件设计
软件设计主要是设计按键处理程序。按键处理程序采用中断方式,中断采用外部中断0。当有按键按下时,将会引起单片机的中断,由单片机执行按键处理程序,判断所按键的类型并做出相应的处理。按键处理程序流程图如图5所示。
4 结 语
基于单片机的红外遥控灯头系统实现了对灯头的开关、定时、亮度调节控制,更加方便了人们的生活,使得在某些情况下对灯头控制的特殊要求得以实现。本遥控系统工作稳定可靠,最大有效控制距离可达8~10 m,最长定时时间为16 h。
图见

② 电工设计原理图要注意什么完成设计后检查电路图时要怎样检查才能保证运行正常,不会有缺陷

电气原理图设计

为满足生产机械及工艺要求进行的电气控制电路的设计

电气工艺设计

为电气控制装置的制造,使用,运行,维修的需要进行的生产施工设计

第一节 电气控制设计的原则和内容

一,电气控制设计的原则

1)最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求

2)在满足要求的前提下,使控制系统简单,经济,合理,便于操作,维修方便,安全可靠

3)电器元件选用合理,正确,使系统能正常工作

4)为适应工艺的改进,设备能力应留有裕量

二,电气控制设计的基本内容

1.电气原理图设计内容

1) 拟定电气设计任务书

2)选择电力拖动方案和控制方式

3)确定电动机的类型,型号,容量,转速

4)设计电气控制原理图

5)选择电器元件及清单

6)编写设计计算说明书

2. 电气工艺设计内容

1)设计电气设备的总体配置,绘制总装配图和总接线图

2)绘制各组件电器元件布置图与安装接线图,标明安装方式,接线方式

3)编写使用维护说明书

第二节 电力拖动方案的确定和电动机的选择

一,电力拖动方案的确定

1,拖动方式的选择

2,调速方案的选择

3,电动机调速性质应与负载特性相适应

二,拖动电动机的选择

(一)电动机选择的基本原则

1)电动机的机械特性应满足生产机械的要求,与负载的特性相适应

2)电动机的容量要得到充分的利用

3)电动机的结构形式要满足机械设计的安装要求,适合工作环境

4)在满足设计要求前提下,优先采用三相异步电动机

(二)根据生产机械调速要求选择电动机

一般---三相笼型异步电动机,双速电机

调速,起动转矩大---三相笼型异步电动机

调速高---直流电动机,变频调速交流电动机

(三)电动机结构形式的选择

根据工作性质,安装方式,工作环境选择

(四)电动机额定电压的选择

(五)电动机额定转速的选择

(六)电动机容量的选择

1,分析计算法:

此外,还可通过对长期运行的同类生产机械的电动机容量进行调查,并对机械主要参数,工作条件进行类比,然后再确定电动机的容量.

第三节 电气控制电路设计的一股要求

一,电气控制应最大限度地满足生产机械加工工艺的要求

设计前,应对生产机械工作性能,结构特点,运动情况,加工工艺过程及加工情况有充

分的了解,并在此基础上设计控制方案,考虑控制方式,起动,制动,反向和调速的要求,

安置必要的联锁与保护,确保满足生产机械加工工艺的要求.

二,对控制电路电流,电压的要求

应尽量减少控制电路中的电流,电压种类,控制电压应选择标准电压等级.电气控制电

各常用的电压等级如表10-2所示.

三,控制电路力求简单,经济

1.尽量缩短连接导线的长度和导线数量 设计控制电路时,应考虑各电器元件的安装

立置,尽可能地减少连接导线的数量,缩短连接导线的长度.如图10-l.

2.尽量减少电器元件的品种,数量和规格 同一用途的器件尽可能选用同品牌,型号的产品,并且电器数量减少到最低限度.

3.尽量减少电器元件触头的数目.在控制电路中,尽量减少触头是为了提高电路运行

的可靠性.例如图10-2a所示.

4.尽量减少通电电器的数目,以利节能与延长电器元件寿命,减少故障.如图10-3a所示.

四,确保控制电路工作的安全性和可靠性

1.正确连接电器的线圈 在交流控制电路中,同时动作的两个电器线圈不能串联,两个电磁线圈需要同时吸合时其线圈应并联连接,如图10-4b所示.

在直流控制电路中,两电感值相差悬殊的直流电压线圈不能并联连接.

2正确连接电器元件的触头 设计时,应使分布在电路中不同位置的同一电器触头接到电源的同一相上,以避免在电器触头上引起短路故障.

3防止寄生电路 在控制电路的动作过程中.意外接通的电路叫寄生电路.

4.在控制电路中控制触头应合理布置.

5.在设计控制电路中应考虑继电器触头的接通与分断能力.

6,避免发生触头"竞争","冒险"现象

竞争:当控制电路状态发生变换时,常伴随电路中的电器元件的触头状态发生变换.由于电器元件总有一定的固有动作时间,对于一个时序电路来说,往往发生不按时序动作的情况,触头争先吸合,就会得到几个不同的输出状态,这种现象称为电路的"竞争".

冒险:对于开关电路,由于电器元件的释放延时作用,也会出现开关元件不按要求的逻辑功能输出,这种现象称为"冒险".

7.采用电气联锁与机械联锁的双重联锁.

五,具有完善的保护环节

电气控制电路应具有完善的保护环节,常用的有漏电保护,短路,过载,过电流,过电压,欠电压与零电压,弱磁,联锁与限位保护等.

六,要考虑操作,维修与调试的方便

第四节 电气控制电路设计的方法与步骤

一,电气控制电路设计方法简介

设计电气控制电路的方法有两种,一种是分析设计法,另一种是逻辑设计法.

分析设计法(经验设计法):根据生产工艺的要求选择一些成熟的典型基本环节来实现这些基

③ 要做一个检测装置需要哪些部分 实现的过程应该是如何设计一个电量为基础的开关传感器,电量大于5A

网络文库找找吧。

传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

④ 断路器自动重合闸装置的控制回路设计

断路器控制回路原理83
第5章断路器控制回路;教学目的:掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基;回路、灯光监视的断路器控制回路、灯光监察液压操作;重点:掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要;难点:掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要;第一节概述;一、断路器控制方式;断路器是电力系统中最重要的开关设备,在正常运行时;断路器一般由动触头、静触头、灭弧装置、操动机构及;1.按
第5章 断路器控制回路
教学目的:掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要求、断路器的基本跳、合闸控制
回路、灯光监视的断路器控制回路、灯光监察液压操作机构操作断路器控制回路 复习旧课:操作电源概述、蓄电池组直流操作直流、硅整流电容储能装置直流系统、复式整流装置直流系统、直流系统的绝缘监察与电压监察装置;
重 点:掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要求、断路器的基本跳、合闸控制回路、灯光监视的断路器控制回路、灯光监察液压操作机构操作断路器控制回路;
难 点:掌握断路器控制方式、断路器控制回路的基本要求、断路器的基本跳、合闸控制回路、灯光监视的断路器控制回路、灯光监察液压操作机构操作断路器控制回路; 引入新课:
第一节 概述一、断路器控制方式
断路器是电力系统中最重要的开关设备,在正常运行时断路器可以接通和切断电气设备的负荷电流,在系统发生故障时则能可靠地切断短路电流。
断路器一般由动触头、静触头、灭弧装置、操动机构及绝缘支架等构成。为实现断路器的自动控制,在操动机构中还有与断路器的传动轴联动的辅助触头。断路器的控制方式有多种,分述如下。
1.按控制地点分
断路器的控制方式接控制地点分为集中控制和就地(分散)控制两种。
(1)集中控制。在主控制室的控制台上,用控制开关或按钮通过控制电缆去接通或断开断路器的跳、合闸线圈,对断路器进行控制。一般对发电机、主变压器、母线、断路器、厂用变压器35kV以上线路等主要设备都采用集中控制。
(2)就地(分散)控制。在断路器安装地点(配电现场)就地对断路器进行跳、合闸操作(可电动或手动)。一般对10kV线路以及厂用电动机等采用就地控制,可大大减少主控制室的占地面积和控制电缆数。
2.按控制电源电压分
断路器的控制方式接控制电源电压分为强电控制和弱电控制两种。
(1)强电控制。从断路器的控制开关到其操作机构的工作电压均为直流 110V或 220V。
(2)弱电控制。控制开关的工作电压是弱电(直流48V),而断路器的操动机构的电压是220V。目前在500kV变电所二次设备分散布置时,在主控室常采用弱电一对一控制。
3.按控制电源的性质分
断路器的控制方式按控制电源的性质可分为直流操作和交流操作(包括整流操作)两种。
直流操作一般采用蓄电池组供电;交流操作一般是由电流互感器、电压互感器或所用变压器提供电源。
二、对断路器控制回路的基本要求
断路器的控制回路必须完整、可靠,因此应满足下面一些要求:
(1)断路器的合、跳闸回路是按短时通电设计的,操作完成后,应迅速切断合、跳闸回路,解除命令脉冲,以免烧坏合、跳闸线圈。为此,在合、跳闸回路中,接入断路器的辅助触点,既可将回路切断,又可为下一步操作做好准备。
(2)断路器既能在远方由控制开关进行手动合闸和跳闸,又能在自动装置和继电保护作用下自动合闸和跳闸。
(3)控制回路应具有反映断路器状态的位置信号和自动合、跳闸的不同显示信号。
(4)无论断路器是否带有机械闭锁,都应具有防止多次合、跳闸的电气防跳措施。
(5)对控制回路及其电源是否完好,应能进行监视。
(6)对于采用气压、液压和弹簧操作的断路器,应有压力是否正常,弹簧是否拉紧到位的监视回路和闭锁回路。
(7)接线应简单可靠、使用电缆芯数应尽量少。
三、控制开关
控制开关又称万能转换开关,是由运行人员手动操作,发出控制命令使断路器进行跳、合闸的装置。发电厂和变电所常用的控制开关为LW系列自动复位的控制开关,有三种类型:
(1)LW2系列控制开关:是跳、合闸操作都分两步进行,手柄和触点盒有两个固定位置和两个操作位置的封闭式控制开关。此种开关常用于火电厂和有人值班的变电所中。
(2)LW1系列控制开关:是跳、合闸操作只用一步,其手柄和触点只有一个固定位置和两个操作位置的控制开关。此种开关常用于无人值班的变电所和水电站中。
(3)LWX系列强电小型控制开关:其跳、合闸为一步进行,近年来在各种集控台的控制和300MW以上机组的分控室中已被广泛应用。下面以LW2型控制开关为例说明控制开关的结构及作用。
1.控制开关的构成
图5-l是发电厂和变电所普遍应用的LW2-Z型控制开关的结构图。左端是操作手柄,装于屏前;与手柄固定连接的方轴上装有5~8节触点盒,用螺杆相连装于屏后,如图5-1(a)所示。图5-1(b)是控制开关的左视图,由图可见,控制开关的手柄有两个固定位置和两个操作位置。固定位置:垂直位置是预备合闸和合闸后;水平位置是预备跳闸和跳闸后。操作位置:右上方为合闸位置,左下方为跳闸位置。 图5-1 LW2-Z型控制开关结构图
(a)控制开关外形图;(b)控制开关左视图
控制开关的操作过程:
合闸操作:如图5-1(b)示出手柄为预备合闸状态,将手柄右旋30°为合闸位置,手放开后在自复弹簧的作用下,手柄复位于垂直位置,成为合闸后位置;
跳闸操作:先将手柄左旋至水平位置,即预备合闸位置,再左旋30°即为跳闸位置,手放开后在自复弹簧的作用下,手柄复位于水平位置,成跳闸后位置。
2.控制开关的触点盒位置表
控制开关右端的数节触点盒,其四角均匀固定着四个静触点,其触点外端伸出盒外接外电路,而内端与固定于方轴上的动触点簧片相配合。由于动触点(簧片)的形状及安装位置的不同,组成14种型号的触点盒,代号为1、la、2、4、5、6、6a、7、8、10、20、30、40、50,如表5-1所示。其中1、1a、2、4、5、6、6a、7、8型的动触点是固定于方轴上随轴
表5-1 LW2-Z和LW2-YZ型触点盒位置表
转动的,而后5种触点

⑤ (电路图)设计控制回路 希望越简单越好

M1回路接触器辅助开点串接到M2回路里面即可,只有M1接触器吸合M2才具备开机条件。

⑥ 民建电气设计,画图步骤

不知道你要做的项目大不大,有没有变压器、配电屏之类的,有的话应该在画图前就和建筑专业商量,把配电房、发电机方的位置、大小定下来,一定要符合国家规范,你可以看看《10kv变电所设计规范》、《民用建筑设计通则》《民规》等等规范。
一般是先画平面,把该布置的灯、插座、开关、动力设备等等布置好(有些是需要水、暖通专业提资的),把总配电箱、楼层配电箱、设备控制箱的位置定下来。布置照明平面时要注意计算照度,按照《照明设计标准》上的要求来计算,千万不能超功率密度值,那是强条。然后画线路走向、连线、标导线根数、标线槽大小、桥架规格等等,在画上述的平面图的时候,对整个系统要有个大致的考虑。
平面图画得大概差不多后开始画系统,根据你平面图纸中各个配电箱的出线回路来画系统图,系统图是从最末一级往上画,逐级计算用电负荷,整定保护电流大小。在这个阶段你有可能会发现前面的平面图中有些地方是不合理的,比如一个箱子出了太多回路,一个箱子就不可能放这么多的断路器,或者还有一些违反规范的地方,这个时候要回头去修改平面图,让系统图与平面图一致,而且不违反规范。
然后画弱电平面图,主要是电视、电话、宽带,一般都是预留线槽或路由,设备选型不需要你来完成,这是有相关公司自己安装调试的,设备的大概位置定下点就行,只要路由留得足够就行。然后画电视、电话宽带系统图,主要也就是标一下每层的终端数量、管径大小、根数、线槽大小等等,也可以把弱电传输线的规格标上去,但是就像我刚才说的,设备不用选型,表示一下就可以,电话系统的总进线对数要标出来。
以上工作完成后就是配电部分的一些扫尾工作了,如统计材料表、标回路编号、配电箱编号,标总进线大小等等。
然后画防雷接地,也是按照规范来做,先确定是几类防雷,然后画屋顶避雷带,注意网格尺寸大小不要超规范,然后定引下线位置,现在一般都用柱筋通常焊接作引下线,也可以用圆钢做,注意引下线沿避雷带的间距。然后画接地平面,一般在结构专业的基础图上画,先把引下线在对应的柱放上去,然后把这些有引下线的柱连起来,形成接地网,同时在接地网上把预留的MEB接地点、消防控制室接地点、变电所、发电机房接地点、电气竖井接地点画上去,还要在引下线上留接地测试卡子、引下线要有扁钢引出,方便以后加打接地极。
以上步骤完成后写设计说明,自检等等。

⑦ 单片机检测控制电路

如果用的场合不是太重要,随便一种单片机就行了.哪种便宜用哪种.
如果是重要的场合,建议用PIC12F508(3.5元八脚)或AVR 的Tiny26

⑧ 电器控制装置设计的基本步骤和方法有哪些

设计方法及步骤
在接到设计任务书后,按原理设计和工艺设计两方面进行。
1.原理图设计的步骤
(1)根据要求拟定设计任务。
(2)根据拖动要求设计主电路。在绘制主电路时,可考虑以下几个方面:
①每台电动机的控制方式,应根据其容量及拖动负载性质考虑其启动要求,选择适当的启动线路。对于容量小(7.5kw以下)、启动负载不大的电动机,可采用直接启动}对于大容量电动机应采用降压启动。
②根据运动要求决定转向控制。
③根据每台电动机的工作制,决定是否需要设置过载保护或过电流控制措施。
④根据拖动负载及工艺要求决定停车时是否需要制动控制,并决定采用何种控制方式。
⑤设置短路保护及其他必要的电气保护。
⑥考虑其他特殊要求:调速要求、主电路参数测量、信号检测等。
(3)根据主电路的控制要求设计控制回路,其设计方法是:
①正确选择控制电路电压种类及大小。
②根据每台电动机的启动、运行、调速、制动及保护要求,依次绘制各控制环节(基本单元控制线路)。
③设置必要的联锁(包括同一台电动机各动作之间以及各台电动机之间的动作联锁)。
④设置短路保护以及设计任务书中要求的位置保护(如极限位、越位、相对位置保护)、电压保护、电流保护和各种物理量保护(温度、压力、流量等)。
⑤根据拖动要求,设计特殊要求控制环节,如自动抬刀、变速与自动循环、工艺参数测量等控制。
⑥按需要设置应急操作。
(4)根据照明、指示、报警等要求设计辅助电路。
(5)总体检查、修改、补充及完善。主要内容包括:
①校核各种动作控制是否满足要求,是否有矛盾或遗漏。
②检查接触器、继电器、主令电器的触点使用是否合理,是否超过电器元件允许的数量。
③检查联锁要求能否实现。
④检查各种保护能否实现。
⑤检查发生误操作所引起的后果与防范措施。
(6)进行必要的参数计算。
(7)正确、合理地选择各电器元件,按规定格式编制元件目录表。
(8)根据完善后的设计草图,按GB/T 6988电气制图标准绘制电气原理线路图,并按GB/T 5094-1985《电气技术中的项目代号》要求标注器件的项目代号,按GB 4884-1985《绝缘导线的标记》的要求对线路进行统一编号。
2.工艺设计步骤
(1)根据电气设备的总体配置及电器元件的分布状况和操作要求划分电器组件,绘制电气控制系统的总装配图和接线图。
(2)根据电器元件的型号、外形尺寸、安装尺寸绘制每一组件的元件布置图(如电器安装板、控制面板、电源、放大器等)。
(3)根据元件布置图及电气原理编号绘制组件接线图,统计组件进出线的数量、编号以及各组件之间的连接方式。
(4)绘制并修改工艺设计草图后,便可按机械、电气制图要求绘制工程图。最后按设计过程和设计结果编写设计说明书及使用说明书。

⑨ 集成电路设计的设计流程

集成电路设计可以大致分为数字集成电路设计和模拟集成电路设计两大类。 参见:模拟电路及混合信号集成电路
集成电路设计的另一个大分支是模拟集成电路设计,这一分支通常关注电源集成电路、射频集成电路等。由于现实世界的信号是模拟的,所以,在电子产品中,模-数、数-模相互转换的集成电路也有着广泛的应用。模拟集成电路包括运算放大器、线性整流器、锁相环、振荡电路、有源滤波器等。相较数字集成电路设计,模拟集成电路设计与半导体器件的物理性质有着更大的关联,例如其增益、电路匹配、功率耗散以及阻抗等等。模拟信号的放大和滤波要求电路对信号具备一定的保真度,因此模拟集成电路比数字集成电路使用了更多的大面积器件,集成度亦相对较低。
在微处理器和计算机辅助设计方法出现前,模拟集成电路完全采用人工设计的方法。由于人处理复杂问题的能力有限,因此当时的模拟集成电路通常是较为基本的电路,运算放大器集成电路就是一个典型的例子。在当时的情况下,这样的集成电路可能会涉及十几个晶体管以及它们之间的互连线。为了使模拟集成电路的设计能达到工业生产的级别,工程师需要采取多次迭代的方法以测试、排除故障。重复利用已经设计、验证的设计,可以进一步构成更加复杂的集成电路。1970年代之后,计算机的价格逐渐下降,越来越多的工程师可以利用这种现代的工具来辅助设计,例如,他们使用编好的计算机程序进行仿真,便可获得比之前人工计算、设计更高的精确度。SPICE是第一款针对模拟集成电路仿真的软件,其字面意思是“以集成电路为重点的仿真程序(英语:Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)” 。基于计算机辅助设计的电路仿真工具能够适应更加复杂的现代集成电路,特别是专用集成电路。使用计算机进行仿真,还可以使项目设计中的一些错误在硬件制造之前就被发现,从而减少因为反复测试、排除故障造成的大量成本。此外,计算机往往能够完成一些极端复杂、繁琐,人类无法胜任的任务,使得诸如蒙地卡罗方法等成为可能。实际硬件电路会遇到的与理想情况不一致的偏差,例如温度偏差、器件中半导体掺杂浓度偏差,计算机仿真工具同样可以进行模拟和处理。总之,计算机化的电路设计、仿真能够使电路设计性能更佳,而且其可制造性可以得到更大的保障。尽管如此,相对数字集成电路,模拟集成电路的设计对工程师的经验、权衡矛盾等方面的能力要求更严格。 参见:数字电路
粗略地说,数字集成电路可以分为以下基本步骤:系统定义、寄存器传输级设计、物理设计。而根据逻辑的抽象级别,设计又分为系统行为级、寄存器传输级、逻辑门级。设计人员需要合理地书写功能代码、设置综合工具、验证逻辑时序性能、规划物理设计策略等等。在设计过程中的特定时间点,还需要多次进行逻辑功能、时序约束、设计规则方面的检查、调试,以确保设计的最终成果合乎最初的设计收敛目标。
系统定义
参见:高级综合
系统定义是进行集成电路设计的最初规划,在此阶段设计人员需要考虑系统的宏观功能。设计人员可能会使用一些高抽象级建模语言和工具来完成硬件的描述,例如C语言、C++、SystemC、SystemVerilog等事务级建模语言,以及Simulink和MATLAB等工具对信号进行建模。尽管目前的主流是以寄存器传输级设计为中心,但已有一些直接从系统级描述向低抽象级描述(如逻辑门级结构描述)转化的高级综合(或称行为级综合)、高级验证工具正处于发展阶段。
系统定义阶段,设计人员还对芯片预期的工艺、功耗、时钟频率、工作温度等性能指标进行规划。
寄存器传输级设计
参见:寄存器传输级、硬件描述语言、Verilog及VHDL
目前的集成电路设计常常在寄存器传输级上进行,利用硬件描述语言来描述数字集成电路的信号储存以及信号在寄存器、存储器、组合逻辑装置和总线等逻辑单元之间传输的情况。在设计寄存器传输级代码时,设计人员会将系统定义转换为寄存器传输级的描述。设计人员在这一抽象层次最常使用的两种硬件描述语言是Verilog、VHDL,二者分别于1995年和1987年由电气电子工程师学会(IEEE)标准化。正由于有着硬件描述语言,设计人员可以把更多的精力放在功能的实现上,这比以往直接设计逻辑门级连线的方法学(使用硬件描述语言仍然可以直接设计门级网表,但是少有人如此工作)具有更高的效率。
设计验证
参见:功能验证、形式验证、静态时序分析、硬件验证语言及高级验证
设计人员完成寄存器传输级设计之后,会利用测试平台、形式验证、断言等方式来进行功能验证,检验项目设计的正确性,如果有误,则需要检测之前设计文件中存在的漏洞。现代超大规模集成电路的整个设计过程中,验证所需的时间和精力越来越多,甚至都超过了寄存器传输级设计本身,人们设置些专门针对验证开发了新的工具和语言。
例如,要实现简单的加法器或者更加复杂的算术逻辑单元,或利用触发器实现有限状态机,设计人员可能会编写不同规模的硬件描述语言代码。功能验证是项复杂的任务,验证人员需要为待测设计建立一个虚拟的外部环境,为待测设计提供输入信号(这种人为添加的信号常用“激励”这个术语来表示),然后观察待测设计输出端口的功能是否合乎设计规范。
当所设计的电路并非简单的几个输入端口、输出端口时,由于验证需要尽可能地考虑到所有的输入情况,因此对于激励信号的定义会变得更加复杂,有时甚至需要用到形式验证的方法。有时工程师会使用某些脚本语言(如Perl、Tcl)来编写验证程序,借助计算机程序的高速处理来实现更大的测试覆盖率。现代的硬件验证语言可以提供一些专门针对验证的特性,例如带有约束的随机化变量、覆盖等等。作为硬件设计、验证统一语言,SystemVerilog是以Verilog为基础发展而来的,因此它同时具备了设计的特性和测试平台的特性,并引入了面向对象程序设计的思想,因此测试平台的编写更加接近软件测试。针对高级综合,关于高级验证的电子设计自动化工具也处于研究中。
现代集成电路的时钟频率已经到达了兆赫兹级别,而大量模块内、模块之间的时序关系极其复杂,因此,除了需要验证电路的逻辑功能,还需要进行时序分析,即对信号在传输路径上的延迟进行检查,判断其是否符合时序收敛要求。
逻辑综合
主条目:逻辑综合
工程师设计的硬件描述语言代码一般是寄存器传输级的,在进行物理设计之前,需要使用逻辑综合工具将寄存器传输级代码转换到针对特定工艺的逻辑门级网表,并完成逻辑化简。
和人工进行逻辑优化需要借助卡诺图等类似,电子设计自动化工具来完成逻辑综合也需要特定的算法(如奎因-麦克拉斯基算法等)来化简设计人员定义的逻辑函数。输入到自动综合工具中的文件包括寄存器传输级硬件描述语言代码、工艺库、设计约束文件三大类,这些文件在不同的电子设计自动化工具套件系统中的格式可能不尽相同。逻辑综合工具会产生一个优化后的门级网表,但是这个网表仍然是基于硬件描述语言的,这个网表在半导体芯片中的走线将在物理设计中来完。
选择不同器件(如专用集成电路或者现场可编程门阵列等)对应的工艺库来进行逻辑综合,或者在综合时设置了不同的约束策略,将产生不同的综合结果。寄存器传输级代码对于设计项目的逻计划分、语言结构风格等因素会影响综合后网表的效率。
目前大多数成熟的综合工具大多数是基于寄存器传输级描述的,而基于系统级描述的高级综合工具还处在发展阶段。
由于工艺库包含了标准延迟格式的时序信息,因此逻辑综合后可以对该工艺下门级网表进行更加精确的静态时序分析,进一步确保综合前后的设计能够实现相同的功能。
物理设计
主条目:物理设计
参见:布图规划、布局 (集成电路)、布线 (集成电路)、集成电路版图及低功耗设计
逻辑综合完成之后,通过引入器件制造公司提供的工艺信息,前面完成的设计将进入布图规划、布局、布线阶段,工程人员需要根据延迟、功耗、面积等方面的约束信息,合理设置物理设计工具的参数,不断调试,以获取最佳的集成电路版图,从而决定元件在晶圆上的物理位置。
随着现代集成电路的特征尺寸不断下降,超大规模集成电路已经进入深亚微米级阶段,互连线延迟对电路性能的影响已经达到甚至超过逻辑门延迟的影响。这时,需要考虑的因素包括线网的电容效应和线网电感效应,芯片内部电源线上大电流在线网电阻上造成的电压降也会影响集成电路的稳定性。为了解决这些问题,同时缓解时钟偏移、时钟树寄生参数的负面影响,合理的布局布线和逻辑设计、功能验证等过程同等重要。随着移动设备的发展,低功耗设计在集成电路设计中的地位愈加显著。在物理设计阶段,设计可以转化成几何图形的表示方法,这称为集成电路版图,工业界有若干标准化的文件格式予以规范。
值得注意的是,电路实现的功能在之前的寄存器传输级设计中就已经确定。在物理设计阶段,工程师不仅不能够让之前设计好的逻辑、时序功能在该阶段的设计中被损坏,还要进一步优化芯片按照正确运行时的延迟时间、功耗、面积等方面的性能。在物理设计产生了初步版图文件之后,工程师需要再次对集成电路进行功能、时序、设计规则、信号完整性等方面的验证,以确保物理设计产生正确的硬件版图文件。
后续:具体的工艺制造
参见:半导体器件制造、无厂半导体公司及晶圆代工
半导体制造工厂根据物理设计最后完成、已经通过各项检查的标准化版图文件,即可制造出实际的物理电路。
这个步骤不再属于集成电路设计和计算机工程的范畴,而是直接进入半导体制造工艺领域,关注的重心亦转向具体的材料、器件制作,例如光刻、刻蚀、物理气相沉积、化学气相沉积等。
传统的集成电路公司能够同时完成集成电路设计和集成电路制造。由于集成电路制造所需的设备、原料耗资巨大,因此一般的公司根本无力承受。一旦发生工艺节点的改变(如从65纳米工艺进步到45纳米工艺),公司可能需要花费相当高的成本来更换现有工艺设备,这给许多公司带来了相当沉重的经济负担)。现在,有些公司逐渐放弃既设计、又制造的模式,业务范围缩小至设计、验证本身,而将具体的半导体工艺流程,委托给专门进行集成电路制造的工厂。上述无制造工艺(fabless),只进行设计、验证公司被称为无厂半导体公司,典型的例子包括高通、AMD、英伟达等;而专门负责制造的公司则被称为晶圆代工厂,典型的例子包括台积电等。有一类特殊的无厂半导体公司,它们并不直接将设计项目送去工厂制造,而是把这些项目以IP核的形式封装起来,作为商品销售给其他无厂半导体公司,典型的例子包括ARM公司。

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