便携式仪器仪表的设计经验及注意

    便携式仪器一般采取电池供电方式。使用者当然不希望经常性的充电或更换电池，所以待机时间的长短往往是使用者考虑的一个重要因素。

　　1.1选择低功耗的元器件

　　随着集成电路工艺的发展，集成电路的电源电压已呈下降趋势。运算放大器、A/D转换器及各种数字器件均广泛采用CMOS工艺。微功耗IC的工作电流已经降到几μA～几十μA，一种带基准电压源的电压比较器MAX918，工作电流仅需0.8μA，这使得功耗显著降低。作者根据自己的设计经验，提出以下几点建议：

　　由于低的电源电压有助于降低功耗，近年来，3.3V的低电压CMOS器件已经在设计中被广泛应用，2.5V供电的芯片也出现在较新的便携式仪器中。将来芯片的电源电压甚至还会继续下降到0.9V。

　　MCU(微控制器)和MPU(微处理器)往往是系统中消耗功率最多的元件，尽量选择RISC芯片，因为芯片低功耗的记录大多是由RISC芯片创造的。

　　单电源供电可提高电源使用效率，在设计中尽量采取单电源供电的芯片，特别是运放。

　　显示元件可采用LCD(液晶)显示器，尽量不用根据不同的工作状态可以关闭一部分电路，特别是对大电流器件。早期有关闭功能控制的主要是电源IC，现逐步发展到运算放大器、比较器、A/D转换器等器件。在关闭状态下，IC不工作，耗电在零点几微安到几微安之间。当电路不可避免的使用大电流器件时，如红外发射器、无线通讯发射器件等，应设计使大电流的电路单元仅仅在需要其工作的短时间内工作，其余时间使其处于断电状态。设计这种电路时需考虑电路的工作响应时间。

　　降低系统的时钟频率。数字芯片的功耗与时钟频率有关，在权衡运行速度后，采用较低的时钟频率可以降低电流消耗。以PIC16C71低功耗单片机为例，当供电电压为5V，时钟频率为4 MHz时，功耗约为10 mW;在相同的供电电压下，把时钟频率降到32 kHz时，功耗约为0.15 mW。功耗明显减少。

　　供电系统的设计是低功耗设计的重要方面。当一个系统采用电池供电时，设计人员必须考虑最大电流消耗、工作电压范围、尺寸和重量约束、工作温度范围以及工作频率等因素。各种类型电池的工作电压互不相同，锂电池为3.0V，而镍-镉电池则可提供高达30A的电流。设计人员选择电池时必须考虑每种类型电池的所有特征。电源芯片需考虑采用效率高、体积小的芯片。

　　在设计阶段就应该对功能和功耗进行评估。一般说来，更多功能必然意味着更大的硬件规模、更大的功率消耗，有一些可有可无的功能应尽量缩减。

　　1.3优化软件设计，充分利用睡眠方式

在大部分便携式仪器内部有MCU，MCU节省内部功耗的最佳方法就是进入睡眠状态。在睡眠状态下，MCU的振荡器被关闭，这可使它只消耗极小的电流，典型值为几微安数量级。可利用监视定时器或外部中断将MCU从睡眠状态唤醒。如动态心电图仪，由于人的心跳相对于MCU的时钟是很缓慢的，可以利用定时器中断，定时的将MCU唤醒，处理完成后再次进入休眠，这样可以大大降低功耗。

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