一种基于多线圈驱动的磁电逻辑门电路及门电路实现方法与流程

1.本发明涉及一种门电路结构，尤其涉及一种基于多线圈驱动的磁电逻辑门电路，及其实现方法。


背景技术：

2.门电路是一种具有逻辑处理能力的电路，作为数字电路的基本组成单元，被广泛应用于日常生活中的数字计算机、自动控制模块、数字通信模块等各个领域，主要可用来组成各类触发器、组合逻辑电路和时序逻辑电路等，从而可以进一步实现数字信号处理的逻辑功能。
3.现有的门电路主要分为ttl门电路和cmos门电路两大类，分别由双极结型晶体管和场效应晶体管搭配相应电阻构成的。当现有的ttl门电路和cmos门电路出现外界干扰信号时，可能会出现正常电压信号处于高低电平之间的现象，会使整个逻辑电路出现逻辑混乱进而输出错误信号，导致逻辑电路无法正常工作，而且在规模大、复杂度高、集成度高的系统中存在大量基本门电路，一旦存在一个错误信号的输出就可能会影响整个系统的工作。中船重工第七二二研究所的研究人员提出了通过串联二极管提拉输出电压的方法，但在复杂度高的系统中由于各点电压信号需要的提拉电压不同，因此这种方法需要对不同状态进行具体分析，进一步增加系统复杂度，同时加入多个二极管会出现系统故障率增加、不必要的电路损耗增大、响应时间增长等问题。从对传统逻辑门电路以及改进后逻辑门电路的分析可知，研发一种输出信号稳定、驱动简单有效逻辑门电路具有实际意义。


技术实现要素：

4.针对目前逻辑门电路普遍存在干扰信号对输出影响使得电路逻辑混乱，而且改进后系统故障率高、响应时间长的技术问题，本发明提供一种基于多线圈驱动的磁电逻辑门电路，还提供了一种基于所述基于多线圈驱动的磁电逻辑门电路的门电路实现方法。具有输出稳定、高低电平信号差别明显、驱动简单等优势，也具有代替传统逻辑门电路在数字电路中使用的潜在应用价值。
5.本发明基于多线圈驱动的磁电逻辑门电路包括磁场激发元件、磁电感应元件和后级整流模块，其中，所述磁场激发元件包括交流磁场激发元件和2个直流磁场激发元件，所述交流磁场激发元件输出交流磁场，用于磁电感应元件产生磁电耦合效应，2个直流磁场激发元件为磁电感应元件提供直流磁场，2个直流磁场激发元件的输入端作为磁电逻辑门电路的两个输入端，所述磁电感应元件输出端接后级整流模块的输入端，所述后级整流模块的输出端输出直流电压，作为磁电逻辑门电路输出端。
6.本发明作进一步改进，所述磁场激发元件为缠绕在磁电感应元件外侧的三个螺线管线圈，包括2个直流偏置线圈和1个交流线圈。在磁电感应元件外侧缠绕三个螺线管线圈，其中两个直流偏置线圈通过直流电压提供直流磁场，作为逻辑门电路的输入端；交流线圈通过交流电压提供交流磁场。
7.本发明作进一步改进，所述磁电感应元件为磁电传感器，包括上下两层压磁元件和设置在两层压磁元件之间的压电元件，由上下两层压磁元件和中间压电元件叠层组成，在上下两层压磁元件表面利用导线引出电极，电极输出经过整流滤波之后输出直流电压作为逻辑门电路的输出端。
8.本发明作进一步改进，所述后级整流滤波模块包括整流器，所述整流器的两个输入端分别与磁电传感器的两个输出端对应连接，所述整流器的两个输出端输出直流电压。
9.本发明作进一步改进，还包括滤波电容，所述滤波电容的两端并接在所述整流器的输出端。
10.本发明还提供了一种采用所述基于多线圈驱动的磁电逻辑门电路的门电路实现方法，包括如下步骤：
11.s1：施加交流磁场，其频率等于磁电感应元件的谐振频率，交流磁场作用在磁电感应元件产生磁电耦合效应，此时电磁感应元件引出的电压信号通过整流滤波后输出很小，小于整流模块二极管导通压降，后级电路输出为0v，属于低电平；
12.s2：保持交流磁场频率为谐振频率的同时，提供直流磁场，测定所述磁电感应元件的最优偏置点，根据所述最优偏置点的值确定输入的电压信号为高电平或低电平；
13.具体地，施加直流电压提供直流磁场，施加在磁电感应元件的直流偏置磁场不断增加时，磁电感应元件比如磁电传感器的磁电系数先增大后减小，具有一个最优偏置点，对磁电传感器进行最优偏置点的测定。当输入直流电压信号超过最优偏置点电压值的一半到最优偏置点电压值之间，认为输入高电平；无输入信号时，认为输入低电平。当两个直流偏置线圈都施加高电平直流电压时，根据工作点与最优偏置点的位置关系判断输出状态，当工作点在最优偏置点附近，磁电传感器输出电压大于二极管导通压降，属于高电平；当工作点大幅偏离最优偏置点，磁电传感器输出电压小于二极管导通压降，属于低电平。
14.s3：保持交流磁场频率为谐振频率，设置两个直流磁场激发元件输入电压信号为同向或反向，分别对两个直流磁场激发元件施加不同幅值的输入电压信号，通过信号不同方向以及输入信号的大小，设计不同的逻辑门电路。
15.本发明作进一步改进，所述交流磁场由交流线圈通入交流电提供，所述直流磁场由两个直流偏置线圈输入电压信号提供。
16.本发明作进一步改进，对两个直流偏置线圈输入同向电压信号，当两个直流偏置线圈均输入低电平，磁电感应元件输出无法驱动后级整流模块整流，输出低电平；当其中一个直流偏置线圈输入最优偏置点电压值的一半，输入为高电平，另外一个直流偏置线圈输入低电平，磁电传感器输出无法驱动后级整流模块整流，输出低电平；当两个直流偏置线圈均输入最优偏置点电压值的一半，输入为高电平，磁电传感器输出足够电压驱动后级整流模块整流，输出高电平，此过程为逻辑与门的实现。
17.本发明作进一步改进，对两个直流偏置线圈输入同向电压信号，当两个直流偏置线圈均输入低电平，磁电传感应元件输出无法驱动后级整流模块整流，输出低电平；当其中一个直流偏置线圈输入约为最优偏置点电压值的3/4，输入为高电平，另外一个直流偏置线圈输入低电平，磁电感应元件输出驱动后级整流模块整流，输出高电平；当两个直流偏置线圈均输入最优偏置点电压值的3/4，输入为高电平，磁电感应元件输出足够驱动后级整流模块整流，输出高电平，此过程为逻辑或门的实现。
18.本发明作进一步改进，对两个直流偏置线圈输入反向电压信号，当两个直流偏置线圈均输入低电平，磁电感应元件输出无法驱动后级整流模块整流，输出低电平；当其中一个直流偏置线圈输入最优偏置点电压值，输入为高电平，另外一个直流偏置线圈输入低电平，磁电感应元件输出驱动后级整流模块整流，输出高电平；当两个直流偏置线圈均输入最优偏置点电压值，输入为高电平，磁电感应元件输出无法驱动后级整流模块整流，输出低电平，此过程为逻辑异或门的实现。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用磁电感应原理制成了一系列新型逻辑门电路，通过对直流磁场输入信号方向和大小的选择，并根据直流偏置磁场增加，磁电感应元件磁电系数先增大后减小的原理来设计不同的逻辑门电路，可以实现逻辑与门、或门、异或门的功能。与传统逻辑门电路相比，新型磁电逻辑门电路可根据磁电系数变化特性进行高低电平输入的调节，避免干扰信号对门电路的影响，从而避免数字电路的逻辑混乱，同时具有驱动简单、故障率较低等优势，有取代传统逻辑门电路在现代数字控制电路应用的潜力。
附图说明
20.图1为本发明一实施例磁电逻辑门电路结构示意图；
21.图2为多线圈与磁电感应器结构示意图；
22.图3为磁电传感器磁电系数随直流偏置磁场的变化曲线示意图；
23.图4为本发明中逻辑与门的输入输出状态图；
24.图5为本发明中逻辑或门的输入输出状态图；
25.图6为本发明中逻辑异或门的输入输出状态图，
26.图中，100为磁电传感器，101为交流线圈，102为直流偏置线圈1，103为直流偏置线圈2，104为整流模块，105为滤波电容，106为直流输出端。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
28.如图1和图2所示，本发明基于多线圈驱动的磁电逻辑门电路，包括磁电传感器100，所述磁电传感器外部缠绕交流线圈101、直流偏置线圈102和103，所述磁电传感器输出端接整流模块104和滤波电容105，整流滤波之后接到直流输出端106。
29.实施例1
30.本例采用多线圈驱动的磁电逻辑与门电路的实现方法，包括以下步骤：
31.s1、选用制备好的磁电传感器、亥姆霍兹线圈、电磁铁、动态分析仪和电流传感器，亥姆霍兹线圈提供交流磁场，电磁铁提供直流偏置磁场，动态分析仪作为交流输出源和磁电系数测定仪器，电流传感器用于监控交流电流大小。将动态分析仪输出端接到亥姆霍兹线圈上提供交流磁场，磁电传感器置于亥姆霍兹线圈中间，并从磁电传感器100引出输出端接到动态分析仪输入端，不断改变电磁铁提供的直流磁场大小，测定此时磁电传感器输出的电压信号大小，通过计算得到磁电传感器在不同直流偏置磁场下的磁电系数，最优偏置点的磁电系数为9.8v/oe，如图3所示。
32.s2、从磁电传感器100引出输出接到整流模块104和滤波电容105，螺线管线圈缠绕
作为逻辑门电路的两个输入端，经过整流滤波的直流输出端作为逻辑门电路的输出端。将交流磁场频率调整到磁电传感器的谐振频率，保持交流磁场大小为0.5oe，此时逻辑门电路的输出端为0v，属于低电平。
33.s3、根据步骤s1和s2，选择直流偏置线圈102和103输入信号方向为同方向。对直流偏置线圈1输入4v高电平信号，该输入为最优偏置点电压值的一半，直流偏置线圈2输入0v低电平信号，此时磁电传感器输出电压小于二极管导通压降，逻辑门电路输出0v低电平；对直流偏置线圈1输入0v低电平信号，直流偏置线圈2输入5.7v高电平信号，该输入为最优偏置点电压值的一半，此时磁电传感器输出电压小于二极管导通压降，逻辑门电路输出0v低电平。
34.s4、对直流偏置线圈1输入4v高电平信号，直流偏置线圈2输入5.7v高电平信号，此时磁电传感器工作点在最优直流偏置点附近，输出电压大于二极管导通压降，二极管导通，逻辑门电路输出4.8v高电平，实现逻辑与门电路的功能，如图4所示，其中，两路input a和input b分别为直流偏置线圈102和103输入信号，output为输出的电压信号。
35.实施例2
36.本例采用多线圈驱动的磁电逻辑或门电路的实现方法，包括以下步骤：
37.s1、选用制备好的磁电传感器、亥姆霍兹线圈、电磁铁、动态分析仪和电流传感器，亥姆霍兹线圈提供交流磁场，电磁铁提供直流偏置磁场，动态分析仪作为交流输出源和磁电系数测定仪器，电流传感器用于监控交流电流大小。将动态分析仪输出端接到亥姆霍兹线圈上提供交流磁场，磁电传感器置于亥姆霍兹线圈中间，并从磁电传感器100引出输出端接到动态分析仪输入端，不断改变电磁铁提供的直流磁场大小，测定此时磁电传感器输出的电压信号大小，通过计算得到磁电传感器在不同直流偏置磁场下的磁电系数，最优偏置点的磁电系数为9.8v/oe。
38.s2、从磁电传感器100引出输出接到整流模块104和滤波电容105，螺线管线圈缠绕作为逻辑门电路的两个输入端，经过整流滤波的直流输出端作为逻辑门电路的输出端。将交流磁场频率调整到磁电传感器的谐振频率，保持交流磁场大小为0.5oe，此时逻辑门电路的输出端为0v，属于低电平。
39.s3、根据步骤s1和s2，选择直流偏置线圈102和103输入信号方向为同方向。对直流偏置线圈1输入5.3v高电平信号，该输入为最优偏置点电压值的3/4，直流偏置线圈2输入0v低电平信号，此时磁电传感器输出电压大于二极管导通压降，二极管导通，逻辑门电路输出1.6v高电平；对直流偏置线圈1输入0v低电平信号，直流偏置线圈2输入5.1v高电平信号，该输入为最优偏置点电压值的3/4，此时磁电传感器输出电压大于二极管导通压降，二极管导通，逻辑门电路输出1.4v高电平。
40.s4、对直流偏置线圈1输入5.3v高电平信号，直流偏置线圈2输入5.1v高电平信号，此时磁电传感器工作点超过最优直流偏置点，输出电压大于二极管导通压降，二极管导通，逻辑门电路输出1.6v高电平，实现逻辑或门电路的功能，如图5所示。
41.实施例3
42.本例采用多线圈驱动的磁电逻辑或门电路的实现方法，包括以下步骤：
43.s1、选用制备好的磁电传感器、亥姆霍兹线圈、电磁铁、动态分析仪和电流传感器，亥姆霍兹线圈提供交流磁场，电磁铁提供直流偏置磁场，动态分析仪作为交流输出源和磁
电系数测定仪器，电流传感器用于监控交流电流大小。将动态分析仪输出端接到亥姆霍兹线圈上提供交流磁场，磁电传感器置于亥姆霍兹线圈中间，并从磁电传感器100引出输出端接到动态分析仪输入端，不断改变电磁铁提供的直流磁场大小，测定此时磁电传感器输出的电压信号大小，通过计算得到磁电传感器在不同直流偏置磁场下的磁电系数，最优偏置点的磁电系数为9.8v/oe。
44.s2、从磁电传感器100引出输出接到整流模块104和滤波电容105，螺线管线圈缠绕作为逻辑门电路的两个输入端，经过整流滤波的直流输出端作为逻辑门电路的输出端。将交流磁场频率调整到磁电传感器的谐振频率，保持交流磁场大小在0.5oe左右，此时逻辑门电路的输出端为0v，属于低电平。
45.s3、根据上述步骤s1和s2，选择直流偏置线圈102和103输入信号方向为反方向。对直流偏置线圈1输入7.4v高电平信号，该输入为最优偏置点电压值，直流偏置线圈2输入0v低电平信号，此时磁电传感器输出电压大于二极管导通压降，二极管导通，逻辑门电路输出4.9v高电平；对直流偏置线圈1输入0v低电平信号，直流偏置线圈2输入8.6v高电平信号，该输入为最优偏置点电压值，此时磁电传感器输出电压大于二极管导通压降，二极管导通，逻辑门电路输出4.2v高电平。
46.s6、对直流偏置线圈1输入7.4v高电平信号，直流偏置线圈2输入8.6v高电平信号，由于两个直流线圈反向，此时直流偏置磁场近似为零，输出电压小于二极管导通压降，逻辑门电路输出0v低电平，实现逻辑异或门电路的功能，如图6所示。
47.以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。