郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

基于物理模型實(shí)現(xiàn)的CVBS寬帶隔離變壓器的設(shè)計(jì)過(guò)程

郭志潔

(南京科安電子有限公司,江蘇南京 210009)

這篇文章是作者設(shè)計(jì)的一種CVBS(復(fù)合視頻基帶信號(hào))寬帶隔離變壓器的技術(shù)總結(jié),設(shè)計(jì)得到了相關(guān)視頻工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。針對(duì)復(fù)合視頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)存在的接地環(huán)路工頻干擾的問(wèn)題,文中討論了地回路隔離設(shè)備基于模型的開(kāi)發(fā)技術(shù),涉及到物理器件的模型構(gòu)建、仿真迭代和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的可操作過(guò)程及其工具使用;由于設(shè)計(jì)行為已經(jīng)深度嵌入到眾多工程師的職業(yè)生涯中,從任何程度和職業(yè)視角對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的回顧,都將有益于對(duì)設(shè)計(jì)技能的探索和改進(jìn),因此這個(gè)技術(shù)總結(jié)還觸及到設(shè)計(jì)技能的具體經(jīng)驗(yàn)?zāi)酥猎O(shè)計(jì)過(guò)程模式的某些思考。文章包含了這樣一些章節(jié)：?jiǎn)栴}背景與目標(biāo);快速原型;模型迭代;設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

CVBS 地環(huán)路 快速原型 建模 仿真

以往有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)工程項(xiàng)目，竣工時(shí)才發(fā)現(xiàn)視頻圖像信號(hào)傳輸質(zhì)量存在問(wèn)題。圖1記錄了這種典型的影像缺陷。交付缺陷與項(xiàng)目的各個(gè)子系統(tǒng)可能都有關(guān)系，這種缺陷主要是由于系統(tǒng)集成時(shí)CVBS傳輸存在地環(huán)路噪聲干擾引起的。

視頻監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)采用招標(biāo)商業(yè)模式。通常由系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位和業(yè)主向?qū)I(yè)市場(chǎng)發(fā)布項(xiàng)目或設(shè)備需求信息，但仍有需要投標(biāo)方提交技術(shù)方案和需求規(guī)格的情況。因此設(shè)備競(jìng)標(biāo)方對(duì)專(zhuān)業(yè)項(xiàng)目的投標(biāo)，除了包含了他們過(guò)去積累的技術(shù)成就也可能會(huì)啟動(dòng)新的自主產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如文中CVBS傳輸抑制系統(tǒng)地環(huán)路噪聲的寬帶隔離變壓器。

“設(shè)計(jì)”這個(gè)詞的存在，表明它已經(jīng)具有獨(dú)立的服務(wù)性質(zhì)：設(shè)計(jì)者不再同時(shí)也是使用者，兩者呈現(xiàn)“需求-滿(mǎn)足”契約性質(zhì)的關(guān)系。這種分離是知識(shí)演化的必然結(jié)果，但同時(shí)要求供需之間必須建立有效的信息溝通?，F(xiàn)實(shí)是，用戶(hù)對(duì)需求“朝三暮四”，而設(shè)計(jì)者也會(huì)“畫(huà)蛇添足”，這種不確定性影響著設(shè)計(jì)過(guò)程，成功、失敗或“歪打正著”都可能發(fā)生。由于人類(lèi)理性的限度，設(shè)計(jì)行為具有多重屬性：它既包含人利用自然規(guī)律的能力，也具有人實(shí)現(xiàn)價(jià)值因素的祈愿。從制造商的角度，結(jié)合已完成的每一個(gè)具體設(shè)計(jì)任務(wù)反思設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)技能是很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

圖1 視頻信號(hào)傳輸受到低頻持續(xù)干擾的實(shí)際影像

圖2 用于分析 CVBS 傳輸設(shè)計(jì)任務(wù)環(huán)境的系統(tǒng)層次劃分

1 問(wèn)題背景與設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

圖1顯示了被干擾的圖像扭曲現(xiàn)象，設(shè)計(jì)任務(wù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種獨(dú)立裝置，從技術(shù)上有效保持CVBS信號(hào)傳輸?shù)男畔⑼暾浴?/p>

1969年，Herbert Alexander Simon出版了《人工科學(xué)》(The Sciences of The Artificial)一書(shū)[1]，他試圖探索人們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中所體現(xiàn)的創(chuàng)造性問(wèn)題求解技能的本質(zhì)。用他的話來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是創(chuàng)造一個(gè)適應(yīng)特定目的的“人造物(artificiality)”，事實(shí)也是如此。

圖3 CVBS 傳輸系統(tǒng)中存在地電流環(huán)路的抽象電路模型

1.2 任務(wù)環(huán)境

對(duì)于人為事物來(lái)說(shuō)，我們可將其看成是“內(nèi)在”環(huán)境—即其自身物質(zhì)及組織，同“外在”環(huán)境—即它所處的外部環(huán)境，這兩者之間的接觸點(diǎn)，用今天的話來(lái)講，就是“界面”。如果內(nèi)在環(huán)境適應(yīng)外在環(huán)境，或者外在環(huán)境適應(yīng)內(nèi)在環(huán)境，則該人為事物就能夠?yàn)轭A(yù)想的意圖服務(wù)［1］。

CVBS系統(tǒng)廣泛使用同軸電纜實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。不同地點(diǎn)的視頻設(shè)備之間存在著地電位差，而同軸電纜屏蔽層將設(shè)備的安全接地端互連構(gòu)成了地電流環(huán)路，就導(dǎo)致50Hz共模信號(hào)疊加在信道上。地環(huán)電流極易干擾CVBS信號(hào)并可能破壞視頻同步機(jī)制。

根據(jù)CVBS系統(tǒng)的功能和信號(hào)理論的性質(zhì)，圖2描述了信號(hào)傳輸系統(tǒng)可分解的層次構(gòu)造：信源、信宿、信道、規(guī)約和環(huán)境，亦即設(shè)計(jì)目標(biāo)的任務(wù)環(huán)境。

圖4 寬帶變壓器虛擬物理模型

圖5 模型迭代修正過(guò)的寬帶變壓器虛擬物理模型的傳輸特性

1.3 問(wèn)題空間和領(lǐng)域知識(shí)

通常設(shè)計(jì)首要關(guān)心的是要解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)的問(wèn)題，既包含反映設(shè)計(jì)目標(biāo)的需求，也包括人造物外在環(huán)境和內(nèi)在環(huán)境的相關(guān)事實(shí)因素對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響。

1.3.1 問(wèn)題空間

(1)CVBS傳輸系統(tǒng)環(huán)境：這是人們?cè)缒暝O(shè)計(jì)出來(lái)的。工業(yè)界制定了各種標(biāo)準(zhǔn)，即規(guī)約，目的是為了在信源和信宿之間提供信息通道并使各制造商的產(chǎn)品具有互操作性。獨(dú)立裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)因信號(hào)傳輸邏輯上的聯(lián)系將圍繞信道子系統(tǒng)展開(kāi)，系統(tǒng)地看它是人為事物的內(nèi)部環(huán)境。從外部環(huán)境看，標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)是外在系統(tǒng)中存在的最具剛性的約束形式。

(2)規(guī)范性文件是影響設(shè)計(jì)的外部環(huán)境因素：GB 14050-93［2］對(duì)電氣系統(tǒng)接地的安全技術(shù)基本要求中的b項(xiàng)，要求做到“電氣裝置中的外露可導(dǎo)電部分，都應(yīng)通過(guò)保護(hù)導(dǎo)體或保護(hù)中性導(dǎo)體與接地極相連接，以保證故障回路的形成。凡可被人體同時(shí)接觸的外露可導(dǎo)電部分，應(yīng)連接到同一接地系統(tǒng)?！庇捎陔姎饣瘹v史早于信息化，視頻同軸電纜的屏蔽層不得不將不同地點(diǎn)的視頻設(shè)備連接起來(lái)。這就出現(xiàn)了圖3所示的地環(huán)路問(wèn)題。

(3)地環(huán)路[3]：地表兩點(diǎn)之間的電阻總不為零且隨時(shí)間變化。電力系統(tǒng)負(fù)載不平衡以及太陽(yáng)磁暴產(chǎn)生的地磁電流都會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備不同接地點(diǎn)之間產(chǎn)生時(shí)變電位差，一旦有導(dǎo)體將兩處設(shè)備連接起來(lái)形成環(huán)路，設(shè)備之間就有地環(huán)電流疊加，形成信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的共模噪聲(主要的頻譜分量集中在50Hz及其諧頻)。CVBS視頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍在56.9dBmV量級(jí)，而嚴(yán)重的地環(huán)路共模噪聲一般都會(huì)達(dá)到50dBmV以上。顯然，設(shè)計(jì)的問(wèn)題空間包含了建立原始設(shè)計(jì)目標(biāo)與針對(duì)信道噪聲處理技術(shù)需求的內(nèi)在關(guān)系。

1.3.2 領(lǐng)域知識(shí)

(1)縱向電流和橫向電流：電氣/電子專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域使用“橫向電流”定義信號(hào)回路中的電流；而“縱向電流”代表地環(huán)路中的噪聲電流，它被稱(chēng)為共模噪聲，會(huì)引起信號(hào)接收端參考電位的不平衡。

PAL制式的CVBS水平行信號(hào)波形參數(shù)中與設(shè)計(jì)目標(biāo)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)[4]：

行同步脈沖電平為3 0 0 m V；視頻模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為20log700=56.9dBmV；彩色副載波信號(hào)的峰-峰值為300mV，載頻4.43MHz；CVBS帶寬比至少要達(dá)到105；傳輸功率峰值13mW(屬于小功率信號(hào)范疇)。

(2)CVBS信道關(guān)鍵元件：同軸電纜的狀態(tài)描述，有結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(電纜屏蔽層內(nèi)直徑do，內(nèi)導(dǎo)體的直徑di)和材料數(shù)據(jù)(絕緣介質(zhì)的介電常數(shù))，它們決定了同軸電纜獨(dú)立的特性：過(guò)程描述它為特征阻抗Z0。由于衰減系數(shù)最小條件下的特征阻抗為77ohm，將Z0規(guī)范為75ohm。視頻設(shè)備互聯(lián)都要匹配這個(gè)特征值[5]。

(3)CVBS信噪比：可接受的信號(hào)傳輸質(zhì)量，PAL消費(fèi)型產(chǎn)品SNR48dB，專(zhuān)業(yè)型60dB。抑制地環(huán)路噪聲至少需要達(dá)到60dB的共模抑制比。

1.3.3 設(shè)計(jì)需求與稀缺資源

基于領(lǐng)域知識(shí)，內(nèi)在環(huán)境適應(yīng)性需求主要解決：地環(huán)路和射頻噪聲抑制技術(shù)；滿(mǎn)足CVBS傳輸應(yīng)有帶寬和頻率響應(yīng)；滿(mǎn)足傳輸信道與信源和信宿的阻抗匹配；滿(mǎn)意的噪聲抑制指標(biāo)。

基于價(jià)值因素，內(nèi)在環(huán)境適應(yīng)性需求主要顧及：最小范圍地影響現(xiàn)存系統(tǒng)；環(huán)境保護(hù)；適宜的外形；簡(jiǎn)便的安裝；易于制造。

主要的稀缺設(shè)計(jì)資源：心智注意力；專(zhuān)業(yè)知識(shí)；開(kāi)發(fā)期限；開(kāi)發(fā)資金；測(cè)試設(shè)備。

1.4 解空間和領(lǐng)域知識(shí)

設(shè)計(jì)具有的冗余性質(zhì)：對(duì)于相同的目的和外部環(huán)境條件，并不規(guī)定由哪種性質(zhì)的人為事物內(nèi)部組織來(lái)實(shí)現(xiàn)，為某個(gè)人為事物的目的很可能存在多個(gè)設(shè)計(jì)方案，這些方案的集合就是解空間。

1.4.1 解空間

工業(yè)界使用隔離技術(shù)將信號(hào)提取并抑制寄生的共模噪聲，技術(shù)形態(tài)上有四種常用方案：電感耦合、電容耦合、電阻耦合，和光電耦合。不讓地環(huán)路噪聲電勢(shì)在信源和信宿之間形成回路的只有電磁與光電耦合。人為事物的目的性雖然有價(jià)值取向因素，但其內(nèi)在環(huán)境依然要服從事實(shí)因素[6]。

1.4.2 領(lǐng)域知識(shí)

(1)變壓器隔離的物理原理[7]：變壓器關(guān)鍵構(gòu)件是導(dǎo)線繞組和磁芯。攜帶信息的電磁能量在變壓器構(gòu)件之間相互轉(zhuǎn)換，并且輸入/輸出端口之間的線圈繞組互為絕緣；變壓器還具有阻抗變換功能，可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電路的阻抗匹配。

(2)LED光耦合器的物理原理：LED光耦合器將光發(fā)射半導(dǎo)體管芯和光敏半導(dǎo)體管芯配置在電氣絕緣的光導(dǎo)空間內(nèi)。信源激發(fā)電流調(diào)制光信號(hào)，再由光解調(diào)為信宿電路的信號(hào)；這種耦合器具有很高的隔離度和極小形狀因數(shù)。

1.4.3 設(shè)計(jì)方案的抉擇

對(duì)可能性空間進(jìn)行處理的邏輯，就是設(shè)計(jì)的邏輯：固定備選方案。

將設(shè)計(jì)目標(biāo)基于規(guī)范性的需求和基于價(jià)值判斷形成的需求按確定的權(quán)重分配，這里，作者認(rèn)為規(guī)范性設(shè)計(jì)是這個(gè)任務(wù)主要的需要(60%)，而非規(guī)范性的價(jià)值因素或主觀創(chuàng)造性的需求為次要(40%)，規(guī)范性和主觀價(jià)值需求的權(quán)重也要進(jìn)一步分配。按各設(shè)計(jì)需求對(duì)每個(gè)備選方案依其預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)適應(yīng)性給出評(píng)價(jià)值(不超過(guò)100，并且與方案無(wú)相關(guān)性)。然后，計(jì)算每個(gè)備選方案關(guān)于設(shè)計(jì)目標(biāo)適應(yīng)性的加權(quán)平均值，依據(jù)比較結(jié)果做出固定備選方案的決策。

(1)規(guī)范性需求：安全規(guī)范；自洽性(不因設(shè)計(jì)引入新的同樣問(wèn)題)；帶寬和頻率響應(yīng)；阻抗匹配；噪聲抑制。每項(xiàng)權(quán)重為60/5=12%。

(2)主觀價(jià)值需求：無(wú)設(shè)計(jì)耦合(設(shè)計(jì)范圍不耦合到其它穩(wěn)定形態(tài)的系統(tǒng))；無(wú)附加設(shè)計(jì)(附加的輔助二次設(shè)計(jì)目標(biāo))；最小的形狀因數(shù)；產(chǎn)品成本；可制造性；物流易于聚集；產(chǎn)品生命周期。每項(xiàng)權(quán)重為

(3)備選方案適應(yīng)性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)結(jié)果：隔離變壓器方案適應(yīng)性加權(quán)平均值為86.72，LED光耦合器方案為78.95。這個(gè)形式化的約束過(guò)濾方法得到一個(gè)可以作為參考的結(jié)果。復(fù)雜設(shè)計(jì)的抉擇極可能超出計(jì)算能力，所以還要根據(jù)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)和價(jià)值判斷共同決定設(shè)計(jì)決策以期加快搜索。

(4)經(jīng)驗(yàn)加速了設(shè)計(jì)決策：光耦合器與變壓器的設(shè)計(jì)目標(biāo)適應(yīng)性相比較，作者的評(píng)估值較低，原因在于作者經(jīng)驗(yàn)過(guò)，光耦合器需要隔離供電的開(kāi)關(guān)電源一定會(huì)引入難以抑制的高頻噪聲；無(wú)耦合設(shè)計(jì)原則與光耦合器電路模塊需要被嵌入第三方信宿設(shè)備的安排相抵觸；無(wú)附加設(shè)計(jì)原則由于光耦合器需要額外電源供電而失去價(jià)值；光耦合器產(chǎn)品壽命遠(yuǎn)不如隔離變壓器。這些經(jīng)驗(yàn)使設(shè)計(jì)抉擇幾乎不需要猶豫不定。

(5)價(jià)值取向?qū)⒂绊懺O(shè)計(jì)決策：?jiǎn)渭兊膬r(jià)值因素也極有可能快速收斂解空間：如果一種方案在形狀、連接方式更接近同軸電纜的幾何特征，而能方便在線纜的任何位置將隔離設(shè)備接入傳輸信道，哪種備選方案更有優(yōu)勢(shì)呢？作者傾向隔離變壓器的方案，顯然這里是主觀價(jià)值因素在支配。

(6)程序合理性：理性最優(yōu)方案追求“本質(zhì)合理性”。由于依靠設(shè)計(jì)活動(dòng)中的“稀缺資源”，欲獲得并能有效處理設(shè)計(jì)目標(biāo)所有環(huán)境的信息非常不現(xiàn)實(shí)的?！斑@種簡(jiǎn)化模型的最優(yōu)決策，當(dāng)然很難說(shuō)就是真實(shí)世界中的最優(yōu)決策。決策者面臨著如下兩種決策之間的抉擇，其一是想象的簡(jiǎn)化模型的最佳決策；其二是更接近復(fù)雜現(xiàn)實(shí)的模型的‘足夠好’的、令人滿(mǎn)意的決策?！盵8]

2 快速原型

“是應(yīng)該立即動(dòng)手設(shè)計(jì)制造，還是應(yīng)該先構(gòu)建設(shè)計(jì)方案？”有些設(shè)計(jì)師認(rèn)為根本沒(méi)有什么設(shè)計(jì)過(guò)程模式，也人有堅(jiān)決排斥將設(shè)計(jì)需求排在過(guò)程的前面，他們認(rèn)為“偉大的設(shè)計(jì)來(lái)自于偉大的設(shè)計(jì)師而不是偉大的設(shè)計(jì)過(guò)程”，那么被設(shè)計(jì)事務(wù)深度嵌入的眾多普通工程師和程序員的職業(yè)生涯該怎么辦呢？今天，基于快速原型的建模和仿真的可操作性，既可以讓我們立即行動(dòng)，也可以三思而行，“一視同仁”地允許我們有快速地通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)的機(jī)會(huì)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 虛擬快速原型

2.1.1 為理解設(shè)計(jì)目標(biāo)內(nèi)在環(huán)境建立的模型

描述變壓器行為的物理原理模型；變壓器構(gòu)件(線圈繞組，磁芯)模型；變壓器等效電路模型；這些模型基于自然事實(shí)因素的描述包括數(shù)學(xué)方法，建立在教科書(shū)里，是新的建模技術(shù)的基礎(chǔ)。

2.1.2 為設(shè)計(jì)目標(biāo)內(nèi)在環(huán)境建立的虛擬模型

虛擬模型基于計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的建模技術(shù)，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境里能夠運(yùn)行并利用數(shù)據(jù)描述其相關(guān)行為。CVBS寬帶變壓器內(nèi)在環(huán)境的建模，使用了物理系統(tǒng)建模方法。模型的搭建如同配置物理系統(tǒng)一樣，圖4顯示了變壓器電磁相互作用的物理構(gòu)件和能量關(guān)系，并利用了成熟的等效電路模型。

由于模型并不是在現(xiàn)實(shí)物理世界誕生和演化的，它的構(gòu)建、修改、重建可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)或者不需要花費(fèi)很大工本就能實(shí)現(xiàn)。此外，它仿真運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以圖形化并存儲(chǔ)，以至于能夠作為表述設(shè)計(jì)概念的參照實(shí)體，所以稱(chēng)之為虛擬快速原型。

2.1.3 虛擬快速原型的仿真

圖4的變壓器虛擬物理模型有仿真的輸入/輸出端口，這些端口提供了與虛擬的外部環(huán)境接口。配置了適當(dāng)?shù)耐獠考?lì)信號(hào)以后，當(dāng)仿真運(yùn)行時(shí)，模型自動(dòng)地根據(jù)內(nèi)選的差分方程求解器計(jì)算出隨仿真時(shí)間變化的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)模擬的波形顯示器繪出特性曲線。

這樣，虛擬原型嵌入在回路的仿真就將設(shè)計(jì)目標(biāo)的內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境動(dòng)態(tài)地、符合邏輯和形象表達(dá)地聯(lián)系起來(lái)了，這個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)將引導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)連續(xù)考察內(nèi)在環(huán)境與外在環(huán)境交互行為的偏差逐步向適應(yīng)性目標(biāo)演進(jìn)，這個(gè)技術(shù)亦即MIL(模型在回路中)仿真迭代。

通過(guò)虛擬原型的仿真數(shù)據(jù)表現(xiàn)的行為和問(wèn)題空間與解空間的領(lǐng)域知識(shí)，可以確定仿真的內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)描述：CVBS寬帶隔離變壓器的體積因數(shù)；變壓器線圈繞組參數(shù)；磁芯材料磁導(dǎo)率參數(shù)；變壓器繞組在不同磁芯參數(shù)下的電感量；電感量對(duì)帶寬的什么區(qū)段產(chǎn)生影響；改變分布電容對(duì)帶寬的什么區(qū)段有貢獻(xiàn)；變壓器哪些參數(shù)決定頻域帶寬；變壓器的預(yù)期帶寬規(guī)格指標(biāo)；變壓器的插入損耗可能在什么范圍；電感線圈的損耗；磁芯損耗；等等。

虛擬快速原型可以被認(rèn)為是設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)穩(wěn)定的中間形態(tài)。它實(shí)際上是一個(gè)可以執(zhí)行的規(guī)格需求說(shuō)明書(shū)。設(shè)計(jì)過(guò)程早期用戶(hù)需求的模糊性經(jīng)過(guò)虛擬原型的建立和迭代就會(huì)逐漸清晰；對(duì)于后續(xù)的設(shè)計(jì)階段任務(wù)，它也是一個(gè)參考基準(zhǔn)，有助于因?yàn)閷?zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)的壁壘造成開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)之間交流的障礙；經(jīng)過(guò)物理相容性(不同方法、工具構(gòu)建的模型表現(xiàn)出相當(dāng)精度的仿真行為一致性評(píng)估)驗(yàn)證的虛擬快速原型甚至可以作為合同的引證內(nèi)容，這樣，需求就可以安排在設(shè)計(jì)過(guò)程的前端。

實(shí)際上，虛擬快速原型是設(shè)計(jì)的問(wèn)題空間和解空間不斷迭代的中間結(jié)果，因?yàn)榈玫剿乃俣群统杀颈容^低，應(yīng)該考慮將它成為一般設(shè)計(jì)過(guò)程模式的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)。

2.2 物理原型

真實(shí)的物理原型是不能由虛擬原型取代的。因?yàn)榻？偸歉鶕?jù)研究問(wèn)題的主要而不是一切性質(zhì)實(shí)行的。虛擬快速原型已經(jīng)探索了一個(gè)可能有效的概念實(shí)體，這樣就可啟發(fā)物理原型的構(gòu)建以最低的稀有資源消耗實(shí)現(xiàn)，只要有可實(shí)現(xiàn)條件的前提。

根據(jù)虛擬快速原型仿真提取的參數(shù)的啟發(fā)，制作符合邏輯的可測(cè)試的物理實(shí)體原型。

3 模型的迭代

3.1 物理原型的測(cè)試

直接測(cè)試的數(shù)據(jù)包括：變壓器繞組線圈直流電阻的測(cè)量；繞組分布電容集中參數(shù)的測(cè)量；繞組電感量的測(cè)量；插入損耗的測(cè)量；阻抗的測(cè)量；傳輸信號(hào)帶寬的測(cè)量。

間接測(cè)試的數(shù)據(jù)包括：變壓器磁芯磁導(dǎo)率的計(jì)算；繞組線包電感損耗的計(jì)算。

3.2 虛擬原型和物理原型的修正

將物理原型的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，輸入到虛擬原型的參數(shù)配置中，將虛擬原型在仿真環(huán)境中的行為與物理原型在測(cè)試環(huán)境中的行為進(jìn)行比較，根據(jù)行為差異修正設(shè)計(jì)模型(既包括虛擬原型也可能包括物理原型)。如圖5是經(jīng)物理原型測(cè)試數(shù)據(jù)修正過(guò)的CVBS寬帶隔離變壓器仿真模型的特性曲線之一。

做出一個(gè)仿真相容性的評(píng)估(仿真與測(cè)量之間的真實(shí)性估計(jì))，對(duì)于改進(jìn)建模和仿真的技術(shù)是很重要的。

3.3 設(shè)計(jì)確認(rèn)

設(shè)計(jì)任務(wù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種裝置能夠從技術(shù)上保持CVBS信號(hào)傳輸?shù)男畔⑼暾裕鶕?jù)領(lǐng)域知識(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的最終關(guān)鍵的驗(yàn)證是測(cè)試它對(duì)工頻共模噪聲信號(hào)的抑制性能指標(biāo)CMRR@50Hz。經(jīng)過(guò)業(yè)界通用的常規(guī)縱向平衡測(cè)試法的測(cè)量和計(jì)算，樣本的平均CMMR=62.6，超過(guò)了復(fù)合視頻信號(hào)的信噪比要求。設(shè)計(jì)樣品通過(guò)了具有國(guó)家相關(guān)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證方的例行測(cè)試。概念上從設(shè)計(jì)任務(wù)環(huán)境分離出來(lái)的獨(dú)立裝置，經(jīng)過(guò)內(nèi)在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程能夠適應(yīng)外在環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，過(guò)程是收斂的。如果沒(méi)能達(dá)到適應(yīng)性需求就要重新回到設(shè)計(jì)過(guò)程的起點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)CVBS寬帶隔離變壓器設(shè)計(jì)任務(wù)的背景、目的、和規(guī)格需求，建立了關(guān)于設(shè)計(jì)目標(biāo)的多領(lǐng)域及各層次的變壓器模型；基于以仿真迭代的設(shè)計(jì)技術(shù)，驗(yàn)證了模型之間的物理一致性以及建立在物理測(cè)量基礎(chǔ)上模型仿真的真實(shí)性；形成領(lǐng)域知識(shí)驅(qū)動(dòng)的虛擬快速原型到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的解決方案搜索的設(shè)計(jì)過(guò)程。

系統(tǒng)內(nèi)事實(shí)上都存在著不同性質(zhì)和強(qiáng)度的相互聯(lián)系，因而在不同層次都有穩(wěn)定的中間形態(tài)構(gòu)造，系統(tǒng)可分解性具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?。利用這個(gè)性質(zhì)，有助于分析復(fù)雜的事物。

當(dāng)所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)從環(huán)境分離出來(lái)時(shí)，就產(chǎn)生了內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境的邊界，一旦內(nèi)外環(huán)境發(fā)生適應(yīng)關(guān)系，內(nèi)在系統(tǒng)就是合意的人為事物，設(shè)計(jì)即為此適應(yīng)的目的遵從和利用自然規(guī)律及物質(zhì)而花費(fèi)心智。設(shè)計(jì)提高了內(nèi)部環(huán)境的組織程度和與外部環(huán)境作用的秩序，絕對(duì)是要引入資源的。

所以，虛擬快速原型可以在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段發(fā)現(xiàn)需求和方案的缺陷，極大地減小修正錯(cuò)誤的代價(jià)；同時(shí)，虛擬快速原型的迭代也可以成為設(shè)計(jì)過(guò)程新知識(shí)的來(lái)源，是一種啟發(fā)式的設(shè)計(jì)搜索過(guò)程載體，從過(guò)程描述的觀點(diǎn)也是訴諸程序合理性的有用的設(shè)計(jì)方法；另外，虛擬快速原型是可執(zhí)行的需求規(guī)格，可以成為設(shè)計(jì)過(guò)程的基準(zhǔn)參照實(shí)體。

基于物理的建模和仿真有三種突出建樹(shù)的工具需要關(guān)注：開(kāi)源的、面向?qū)ο蠡诜匠痰?、大?guī)模模型集Modelica建模語(yǔ)言和工具[9]；MathWorks的MATLAB/simulink工具箱Simscape[10]；COMSOL對(duì)任何物理場(chǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真的軟件[11]。任何創(chuàng)新都是建立在積累之上的，偉大始于平凡，好的設(shè)計(jì)過(guò)程模式會(huì)產(chǎn)生好的設(shè)計(jì)。

[1]Herbert A.Simon, "The Sciences of the Artificial - 3rd Edition",ISBN-13：978-0262691918；Herbert A.Simon "THE SCIENCES OF THE ARTIFICIAL" The MIT press Second edition 1981. 《關(guān)亍人為事物的科學(xué)》［美］赫伯特.A.西蒙（司馬賀）著.楊礫譯,朱松春等校1988年1月第1版ISBN7-5065-0426-X/C.1.

[2]GB 14050-93.系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求[S].1993.

[3]山崎弘郎,足立昭二,山崎修快,若峽.電子電路的抗干擾技術(shù)[M].1981.

[4]Keith Jack，Video Demystified - A Handbook for the digital engineer。ISBN： 978-0-7506-8395-1.

[6]Bill Whitlock, Understanding, Finding, & Eliminating Ground Loops CEDIA Class EST016.

[7]Colonel WM.T.McLyman,Transformer and Inductor Design Handbook, Third Edition.

[8]［美］赫伯特.A.西蒙（司馬賀）著.楊礫譯,朱松春等校1988年1月第 1 版 ISBN 7-5065-0426-X/C.1 第二章（經(jīng)濟(jì)合理性—適應(yīng)性技能），第一節(jié)（經(jīng)濟(jì)活勱者），（程序合理性），第37頁(yè).

[9]https：//www.modelica.org/education/educational-material/lecture-material/english/ModelicaOverview.pdf.

[10]http：//www.mathworks.cn/products/datasheets/pdf/simscape.pdf.[11]http：//www.cn.comsol.com/story/download/131827/ABB_AG_CN12.pdf.

This article is a summing-up of the design technique about CVBS (Composite Video Baseband Signal) wideband isolation transformer. This type of the transformer designed by author has identified via relevant video industry standard group. There are many the ground loop problems in CVBS transmission systems by grounding and a result of the resolution for that interferes to CVBS will focused in this article; The author discussed about the development technique based on model which deal with the building model for the physical devices, iterations of simulation, realizations, practicability and application; As design activities have deeply embedded to many engineers’ career then it is beneficial to explore and improve technical of the design whatsoever degree or professional view point to review of the design process. So the summing-up by author relate to some thinking from experience of design technique to mode of design process. Some chapters and sections grouped this article： Design Background and Targets; Quick prototype; Validation to Design requirements;Iterations to models; Verifies to design.

Cvbs Ground loop Quick prototype Building model Simulation

郭志潔(1955年5月16日—)，男，江蘇南京人,漢族，研發(fā)工程師，研究方向：仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。