电子式计数器停电记忆功能电路分析

钱宁

（奥托尼克斯电子（嘉兴）有限公司，浙江嘉兴314033）

0 引言

电子式计数器是一种用于工业过程测量和控制系统的模拟输入数字式指示仪，在工业自动化控制中有着广泛的应用。它是指能接收其他模拟直流电信号或与其他产生电阻变化的传感器配合使用的指示仪［1］，能完成频率测量、时间测量、计数等功能，其功能主要是由电子元器件（晶体管、集成电路等）实现的，所以称为电子式计数器［2］。频率和时间是电子测量技术领域中最基本的参量，因此，电子式计数器是一类重要的电子测量仪器。近几年来，在夏季不少地方政府选择一些工矿企业错峰让电，停产停电；同时，由于用电器多电力负荷大，一些地方出现市电欠压而导致设备无法正常工作的现象。当供电重新正常时，用户希望从断电前的状态开始继续工作，这就需要相关的使用设备、仪器仪表具有停电记忆功能。传统的计数器多内置电池或磁记忆装置来保存数据。奥托尼克斯电子（嘉兴）有限公司生产的CT系列数显电子式计数器，在产品设置的菜单中可选择停电后再上电计数值保持的模式（即停电记忆功能）。产品里并不内置电池，数据保存在断电后数据不丢失的EEPROM里。

本研究通过分析产品断电瞬间的当前计数数据的保存，以及使用不同的工作电压的集成芯片电路的断电电压变化的不同对停电记忆信号的影响，从而提高对产品电路进行分析的能力。

1 停电记忆功能

20世纪70年代，在工业化仪器仪表停电记忆装置上，一般有备用电池组和磁记忆装置两种选择方式［3］。备用电池组方法中采用最广泛的是安装不间断电源装置蓄电池式UPS。但是，蓄电池式UPS有两大缺点—蓄电池组维护成本高以及包括铅在内的重金属对环境影响大。磁记忆装置由磁芯电路和记忆控制电路组成，整个电路部分除记忆磁芯外都是一些常用的三极管和开关二极管，成本低廉。但电路没有集成，可靠性差，而且记忆数据只能保存1周左右［4］。

进入20世纪90年代，由于UPS供电时间短、价格昂贵、设计制作复杂的缺点，有些仪器仪表开始将需要保存的信息记录在断电后由镍镉电池供电的读写RAM中。RAM芯片所记忆的断电数据可以保持1个月左右［5］。而磁记忆装置则更趋向于向工作可靠、体积小、线路简单、功耗小、永久性记忆方向发展。

2000年以后，出现了一种采用双电层电容器取代蓄电池组的设计方法。但双层电容器最大只能短时供电60 s［6］。另一方面，由于可编程控制器PLC被广泛应用于工业领域，利用PLC可对内部的输出继电器、辅助继电器、计数器等进行停电记忆设置，可在一定程度上满足停电记忆的要求。但这个方法也有一定的缺点，对外界干扰引起的PLC停机、死机时记忆的状态可能出现错误［7］。

近几年来包括计数器在内的仪器仪表已逐步向智能化方向发展，单片机及EEPROM存储器的大量使用，使得其在功能上和使用上得到了极大地丰富和提高，解决了停电后数据存储这方面的问题［8］。CT系列计数器正是采用了这种停电记忆方式，数据可保持10年以上。CT系列计数器如图1所示。

2 CT系列计数器停电记忆功能

CT系列计数器可在设置菜单中选择停电记忆功能打开。断电后再上电，断电前的计数值将会保持。

图1 CT系列电子计数器

2.1 停电记忆功能的实现

停电记忆功能部分电路图如图2所示。图2中，IC1主芯片是个可编程的单片机，内置程序控制计数器的运行与工作。其中的B点电信号输入IC1主芯片，IC1主芯片就是根据B点的电信号变化，判断是否保存当前计数值，实现停电记忆功能。切断产品电源后，用示波器测量B点电信号如图3所示。

图2 停电记忆功能部分电路图

由图3可知B点在断电的瞬时，会有一个幅度为5.20 V，宽度100 ms的电平信号。就是这个电信号“通知”IC1主芯片将当前的计数值保存到IC2电可擦可编程只读存储器（EEPROM）里面。再次上电开机时，IC1主芯片再将保存的数据从IC2存储器中调取出来。

图3 计数器产品断电后B点的瞬时波形图

2.2 三极管Q1电气特性

要知道B点在断电的瞬时产生一个脉冲高电平的原因，必须要知道B点前端的三极管Q1的电气特性。单独组织电路如图4所示，在Q1基极电压Vin数值0～5 V变化范围内，测量Q1的残留电压Vout和发射极电流Iout。测量数据如表1所示。

图4 三极管Q1部分电路

表1 三极管Q1特性测试

由表1可知，Vin输入值≥1.3 V时Q1的残留电压Vout约等于0，三级管Q1导通，图2中B点为低电平。Vin输入值≤1.1 V时Q1的残留电压Vout＞4 V，三极管Q1截止，图2中B点为高电平。

2.3 稳压二极管ZD1作用

由图2可见，三极管Q1基极A前端是一个稳压二极管ZD1，稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。该二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳定电压就是稳压二极管在反向击穿区时的工作电压，管子两端的电压值。ZD1的稳定电压是8.2 V，即12 V处的电势大于等于8.2 V时，稳压管两端的压降稳定在8.2 V。

由图2可知，产品上电时A点电势=12 V-8.2 V=3.8 V。

2.4 电路分析

综上所述，B点的电势变化，和12 V和5 V处的电势变化有必然的联系。笔者用示波器测量图2电路中12 V、5 V、B点在断电瞬间的波形变化。其波形如图5所示。由图5可知，12 V处实测12 V，5 V实测5.2 V。

图5 断电瞬间各点波形变化

观察图5，产品通电时A点电势为12 V-8.2 V=3.8 V＞3 V，由表1可知此时三极管Q1导通，B点电势被下拉为低电平。断电后，因为有电解电容元件C1的作用12 V处电压呈坡度下降（如图5所示），下降至9.4 V时（如图5所示），A点当前电势为9.4 V-8.2 V=1.2 V，由表1可知此时三极管Q1由导通逐渐变为截止，B点电势被5 V上拉为高电平。由于5 V是由12 V通过一系列的电路（包含若干三极管、电阻、稳压二极管组成）输出的，12 V处电压从9.4 V继续下降到5.4 V时（如图5所示），5 V负载能力开始下降，5 V逐渐被拉低。B点的电势也逐渐下降。所以B点能出现一个幅度为5.2 V、宽度100 ms的高电平信号，就是这个电平信号，通知主芯片把当前数据存储到存储器中。

因为IC1主芯片和IC2存储器的工作电压都是5 V，小于5 V时芯片将不能正常工作。计数器产品正是在断电后，12 V处电势由9.4 V降低到5.4 V这100 ms时间间隔内，完成检索到B点“通知”信号，并迅速存储当前计数值的。

3 变更后的停电记忆电路

随着半导体制造工艺的进一步提高，采用3.3 V，2.5 V，1.8 V等低电压设计是目前产品设计的大趋势［9］。奥托尼克斯电子（嘉兴）有限公司的CT系列计数器，也开始变更使用工作电压为3.3 V的集成电路芯片，此时停电记忆的电路也作一定的修改，停电补偿的波形也因此发生了变化。

3.1 变更后的电路图

变更后的停电记忆部分电路图如图6所示。由图6可知，稳压二极管ZD1的稳定电压由8.2 V变为7.5 V，三极管Q1在电气特性不变的情况下，变更为尺寸更小、功率消耗为原来一半的低功耗三极管。ZD1稳定电压变小，流入基极电流变大，三极管Q1功率变小的情况下，通过加个电阻R3可以分流一部分电流，防止大电流直接流入而损坏三极管。该三极管是作为开关使用，通过在基极加一个下拉电阻能防止三极管受噪声信号的影响而产生误动作，使三极管截止更可靠。12 V通过电压调节器芯片IC3转换为3.3 V，舍弃了原先的一系列电路（包含若干三极管、电阻、稳压二极管组成），压缩了空间，稳定性和可靠性都得到了增强。另外图2中后续电路部分为了适应3.3 V的工作电压，也作了减小负载、降低功耗等适当的修改。后续电路部分是产品中所有使用到5 V或3.3 V的元器件的集合，包括IC1和IC2等元件。

图6 变更后的停电记忆部分电路图

3.2 集电极3.3 V输入时三极管Q1电气特性

组织电路如图7所示，该电路测量集电极输入3.3 V时三极管的残留电压和发射极电流的数值。

图7 三极管Q1部分电路

集电极3.3 VQ1特性测试如表2所示。由表1和表2比较，都是基极输入电压Vin≤1.1 V时Q1截止，Vin≥1.3 V时Q1导通。

3.3 测量12 V、3.3 V和B点处的波形

用示波器测量图6电路中12 V、3.3 V、B点在断电瞬间的波形变化。其波形如图8所示。由图8可知，12 V处实测12.6 V，3.3 V实测3.6 V。

观察图8，产品通电时A点电势为12.6 V-7.5 V=5.1 V＞5 V，由表2可知此时三极管Q1导通，B点电势被下拉为低电平。断电后，因为有电解电容元件C1的作用，12 V处电压如图8般呈坡度下降，下降至8.6 V时（如图8所示），A点当前电势为8.6 V-7.5 V=1.1 V，由表2可知此时三极管Q1由导通变为截止，B点电势被3.3 V上拉为高电平。由于3.3 V是由12 V通过电压调节器IC3输出的，12 V处电压从8.6继续下降到5.2 V时（如图8所示），电压调节器IC3输出的3.3 V负载能力开始下降，3.3 V逐渐被拉低。B点的电势也逐渐下降。B点出现一个幅度为3.4 V、宽度320 ms的高电平信号。

表2 集电极3.3 VQ1特性测试

图8 断电瞬间各点波形变化

4 两种电路对停电记忆信号的影响分析

4.1 稳压二极管变更对停电记忆信号的影响

由于稳压二极管ZD1的稳定电压由8.2 V变为7.5 V，产品断电后，12 V处的电压由原来下降到9.4 V时Q1截止，B点出现上升沿，变化为下降到8.6 V时Q1截止，B点出现上升沿。所以图8中B点出现停电记忆信号的时机就比图5中要晚。由于客户在产品使用中，经常将12 V作为外接电源使用。在电源电压不足或12 V被外部用电器拉低时，只有12 V被拉低到8.6 V以下，停电记忆功能才开始发挥作用，使得出现误停电记忆的现象有所减少。

4.2 选择使用电压调节器芯片对停电记忆信号的影响

图5中的5 V是由12 V通过一系列的电路（包含若干三极管、电阻、稳压二极管组成）输出的，12 V处电压下降到5.4 V时，5 V负载能力开始下降，5 V逐渐被拉低。图8中的3.3 V是由12 V通过电压调节器IC3输出的，12 V处5.2 V时，IC3输出的3.3 V负载能力开始下降。也就是说虽然有5 V和3.3 V的区别，但图5和图8中停电记忆信号消失开始的时机是相似的。造成这样的原因是由于电压调节器IC3对前端输入电压的要求更严苛一些，也就是负载能力差，相对应的B点停电记忆信号的高电平也就更早被拉低。经查询该电压调节器的芯片资料后知，在25℃时，输入该电压调节器电压5.3 V时，才能保证输出的电流能力大于10 mA。但使用一系列的电路，其中的元件在客户使用中有出现损坏的现象。所以用牺牲停电记忆信号宽度的代价来换取产品的可靠性。

4.3 集成电路工作电压变化对停电记忆信号的影响

图5中停电记忆信号（B点）宽度100 ms，图8中停电记忆信号（B点）宽度320 ms。并且图5中的12 V下降坡度明显比图8陡。这是因为3.3 V芯片功耗比5 V芯片小，同时为了配套3.3 V的工作电压，使用3.3 V的后续电路的元器件在功耗和负载上都进行了重新优化选择。在电子计数器正常工作时，图2中测量I5V=66.6 mA，图6中测量I3.3V=24.2 mA。所以工作电压3.3 V时，12 V被拉低到5 V所用的时间也就缓慢，导致Q1截止后B点被上拉为高电平所维持的时间也就长。并且更换稳压二极管的效果是延迟了B点被上拉为高电平的时间，更换电压调节器是提前了B点被拉低的时间。所以包括3.3 V芯片在内的电路整体功耗与使用5 V芯片的电路功耗的差值，比体现在停电记忆信号宽度之间的差值220 ms还要大。

5 结束语

相比其他停电记忆方式，CT系列电子式计数器工作更可靠、线路更简单、数据保存时间更长。随着半导体技术的发展，在低功耗设计中5 V的处理器逐渐被3.3 V的处理器所代替［10］。在CT系列电子式计数器中使用集成电路工作电压为3.3 V的芯片时，通过线路优化，降低了功耗，能得到一个脉冲宽度更宽的停电记忆信号。

（

）：

［1］国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GB/T 13639-2008工业过程测量和控制系统用模拟输入数字式指示仪［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［2］国家工业和信息化部.JB/T 8794-2010计数继电器电子式计数器［S］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］常健生，吴凤真.停电记忆装置在数字显示仪表中的应用［J］.新技术新工艺，1983（6）：38-39.

［4］宗有弟.数字显示仪表的停电记忆［J］.冶金自动化，1978（6）：27-32.

［5］罗子铉.在测控系统中提高断电记忆的可靠性［J］.电子工程师，1995（4）：39-41.

［6］杨钦慧.瞬时电压降和短时停电补偿装置［J］.电世界，2011（12）：52.

［7］苏磊，冯达，马健伟.浅议提高PLC控制系统的可靠性措施［J］.通讯和计算机，2006，3（10）：14-16.

［8］钱金川.电子计数器原理、功能、参数及使用浅析［J］.机床电器，2011（5）：40-44.

［9］张馨，乔晓军，王成.MSP430系列单片机在3.3 V与5 V混合电压系统中的设计［J］.仪器仪表用户，2005，12（4）：39-41.

［10］高原.3.3 V单片机系统中矩阵键盘检测电路的改进［J］.单片机与嵌入式系统应用，2004（9）：72-74.