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基于物理模型实现的CVBS宽带隔离变压器的设计过程(2)

时间:2014-08-28 09:50 文章来源:http://www.lunwenbuluo.com 作者:郭志洁 点击次数:


 

  (2)CVBS信道关键元件:同轴电缆的状态描述,有结构数据(电缆屏蔽层内直径do,内导体的直径di)和材料数据(绝缘介质的介电常数),它们决定了同轴电缆独立的特性:过程描述它为特征阻抗Z0。由于衰减系数最小条件下的特征阻抗为77ohm,将Z0规范为75ohm。视频设备互联都要匹配这个特征值[5]。

  (3)CVBS信噪比:可接受的信号传输质量,PAL消费型产品SNR48dB,专业型60dB。抑制地环路噪声至少需要达到60dB的共模抑制比。

  1.3.3 设计需求与稀缺资源

  基于领域知识,内在环境适应性需求主要解决:地环路和射频噪声抑制技术;满足CVBS传输应有带宽和频率响应;满足传输信道与信源和信宿的阻抗匹配;满意的噪声抑制指标。

  基于价值因素,内在环境适应性需求主要顾及:最小范围地影响现存系统;环境保护;适宜的外形;简便的安装;易于制造。

  主要的稀缺设计资源:心智注意力;专业知识;开发期限;开发资金;测试设备。

  1.4 解空间和领域知识

  设计具有的冗余性质:对于相同的目的和外部环境条件,并不规定由哪种性质的人为事物内部组织来实现,为某个人为事物的目的很可能存在多个设计方案,这些方案的集合就是解空间。

  1.4.1 解空间

  工业界使用隔离技术将信号提取并抑制寄生的共模噪声,技术形态上有四种常用方案:电感耦合、电容耦合、电阻耦合,和光电耦合。不让地环路噪声电势在信源和信宿之间形成回路的只有电磁与光电耦合。人为事物的目的性虽然有价值取向因素,但其内在环境依然要服从事实因素[6]。

  1.4.2 领域知识

  (1)变压器隔离的物理原理[7]:变压器关键构件是导线绕组和磁芯。携带信息的电磁能量在变压器构件之间相互转换,并且输入/输出端口之间的线圈绕组互为绝缘;变压器还具有阻抗变换功能,可以实现两侧电路的阻抗匹配。

  (2)LED光耦合器的物理原理:LED光耦合器将光发射半导体管芯和光敏半导体管芯配置在电气绝缘的光导空间内。信源激发电流调制光信号,再由光解调为信宿电路的信号;这种耦合器具有很高的隔离度和极小形状因数。

  1.4.3 设计方案的抉择

  对可能性空间进行处理的逻辑,就是设计的逻辑:固定备选方案。

  将设计目标基于规范性的需求和基于价值判断形成的需求按确定的权重分配,这里,作者认为规范性设计是这个任务主要的需要(60%),而非规范性的价值因素或主观创造性的需求为次要(40%),规范性和主观价值需求的权重也要进一步分配。按各设计需求对每个备选方案依其预期的设计目标适应性给出评价值(不超过100,并且与方案无相关性)。然后,计算每个备选方案关于设计目标适应性的加权平均值,依据比较结果做出固定备选方案的决策。

  (1)规范性需求:安全规范;自洽性(不因设计引入新的同样问题);带宽和频率响应;阻抗匹配;噪声抑制。每项权重为60/5=12%。

  (2)主观价值需求:无设计耦合(设计范围不耦合到其它稳定形态的系统);无附加设计(附加的辅助二次设计目标);最小的形状因数;产品成本;可制造性;物流易于聚集;产品生命周期。每项权重为40/7 =5.71%。

  (3)备选方案适应性评价数据结果:隔离变压器方案适应性加权平均值为86.72,LED光耦合器方案为78.95。这个形式化的约束过滤方法得到一个可以作为参考的结果。复杂设计的抉择极可能超出计算能力,所以还要根据知识、经验、直觉和价值判断共同决定设计决策以期加快搜索。

  (4)经验加速了设计决策:光耦合器与变压器的设计目标适应性相比较,作者的评估值较低,原因在于作者经验过,光耦合器需要隔离供电的开关电源一定会引入难以抑制的高频噪声;无耦合设计原则与光耦合器电路模块需要被嵌入第三方信宿设备的安排相抵触;无附加设计原则由于光耦合器需要额外电源供电而失去价值;光耦合器产品寿命远不如隔离变压器。这些经验使设计抉择几乎不需要犹豫不定。

  (5)价值取向将影响设计决策:单纯的价值因素也极有可能快速收敛解空间:如果一种方案在形状、连接方式更接近同轴电缆的几何特征,而能方便在线缆的任何位置将隔离设备接入传输信道,哪种备选方案更有优势呢?作者倾向隔离变压器的方案,显然这里是主观价值因素在支配。

  (6)程序合理性:理性最优方案追求“本质合理性”。由于依靠设计活动中的“稀缺资源”,欲获得并能有效处理设计目标所有环境的信息非常不现实的。“这种简化模型的最优决策,当然很难说就是真实世界中的最优决策。决策者面临着如下两种决策之间的抉择,其一是想象的简化模型的最佳决策;其二是更接近复杂现实的模型的‘足够好’的、令人满意的决策。”[8]

  2 快速原型

  “是应该立即动手设计制造,还是应该先构建设计方案?”有些设计师认为根本没有什么设计过程模式,也人有坚决排斥将设计需求排在过程的前面,他们认为“伟大的设计来自于伟大的设计师而不是伟大的设计过程”,那么被设计事务深度嵌入的众多普通工程师和程序员的职业生涯该怎么办呢?今天,基于快速原型的建模和仿真的可操作性,既可以让我们立即行动,也可以三思而行,“一视同仁”地允许我们有快速地通过反复试验的机会来进行设计。


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