便攜式儀器儀表的設計經驗及注意

    便攜式儀器一般采取電池供電方式。使用者當然不希望經常性的充電或更換電池，所以待機時間的長短往往是使用者考慮的一個重要因素。

　　1.1選擇低功耗的元器件

　　隨著集成電路工藝的發展，集成電路的電源電壓已呈下降趨勢。運算放大器、A/D轉換器及各種數字器件均廣泛采用CMOS工藝。微功耗IC的工作電流已經降到幾μA～幾十μA，一種帶基準電壓源的電壓比較器MAX918，工作電流僅需0.8μA，這使得功耗顯著降低。作者根據自己的設計經驗，提出以下幾點建議：

　　由于低的電源電壓有助于降低功耗，近年來，3.3V的低電壓CMOS器件已經在設計中被廣泛應用，2.5V供電的芯片也出現在較新的便攜式儀器中。將來芯片的電源電壓甚至還會繼續下降到0.9V。

　　MCU(微控制器)和MPU(微處理器)往往是系統中消耗功率最多的元件，盡量選擇RISC芯片，因為芯片低功耗的記錄大多是由RISC芯片創造的。

　　單電源供電可提高電源使用效率，在設計中盡量采取單電源供電的芯片，特別是運放。

　　顯示元件可采用LCD(液晶)顯示器，盡量不用根據不同的工作狀態可以關閉一部分電路，特別是對大電流器件。早期有關閉功能控制的主要是電源IC，現逐步發展到運算放大器、比較器、A/D轉換器等器件。在關閉狀態下，IC不工作，耗電在零點幾微安到幾微安之間。當電路不可避免的使用大電流器件時，如紅外發射器、無線通訊發射器件等，應設計使大電流的電路單元僅僅在需要其工作的短時間內工作，其余時間使其處于斷電狀態。設計這種電路時需考慮電路的工作響應時間。

　　降低系統的時鐘頻率。數字芯片的功耗與時鐘頻率有關，在權衡運行速度后，采用較低的時鐘頻率可以降低電流消耗。以PIC16C71低功耗單片機為例，當供電電壓為5V，時鐘頻率為4 MHz時，功耗約為10 mW;在相同的供電電壓下，把時鐘頻率降到32 kHz時，功耗約為0.15 mW。功耗明顯減少。

　　供電系統的設計是低功耗設計的重要方面。當一個系統采用電池供電時，設計人員必須考慮最大電流消耗、工作電壓范圍、尺寸和重量約束、工作溫度范圍以及工作頻率等因素。各種類型電池的工作電壓互不相同，鋰電池為3.0V，而鎳-鎘電池則可提供高達30A的電流。設計人員選擇電池時必須考慮每種類型電池的所有特征。電源芯片需考慮采用效率高、體積小的芯片。

　　在設計階段就應該對功能和功耗進行評估。一般說來，更多功能必然意味著更大的硬件規模、更大的功率消耗，有一些可有可無的功能應盡量縮減。

　　1.3優化軟件設計，充分利用睡眠方式

在大部分便攜式儀器內部有MCU，MCU節省內部功耗的最佳方法就是進入睡眠狀態。在睡眠狀態下，MCU的振蕩器被關閉，這可使它只消耗極小的電流，典型值為幾微安數量級。可利用監視定時器或外部中斷將MCU從睡眠狀態喚醒。如動態心電圖儀，由于人的心跳相對于MCU的時鐘是很緩慢的，可以利用定時器中斷，定時的將MCU喚醒，處理完成后再次進入休眠，這樣可以大大降低功耗。

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