CN220671534U - 便携式微波功率计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种便携式微波功率计,包括:前级放大单元,用于对输入信号进行放大,实现初步增益;调零单元,用于对前级放大单元造成的失调电压进行补偿;后级放大单元,用于对前级放大单元输出的信号进行进一步放大,实现二次增益;档位切换单元,用于对后级放大单元的放大倍数进行调节,实现不同放大倍数的信号输出;MCU微控制单元,用于获取和处理各单元的工作数据,并协调控制各单元的工作。本实用新型设计前级放大单元对输入信号进行放大,起到一定增益作用,设计调零单元对增益增大造成的失调电压进行补偿;通过前级放大单元和调零单元的配合作用,解决了小信号测量的时候测量结果不够精确的问题,提高了设备测量的准确性。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波功率测量技术领域,尤其涉及一种基于USB接口的便携式微波功率计。
背景技术
在直流和低频领域,对功率的测量,传统的方法是通过测量电压和电流的方式来完成;但当信号频率处于几十MHz甚至上百GHz时,传统的方法已不能满足功率测量的需要,取而代之的是电磁场的理论,而微波功率计就是解决微波功率测量的一种较好的手段。
现有的微波功率计大多是台式机,采用主机+探头的方式,主机的体积大、笨重,且需要220V供电,不便于携带进行外场测试;同时其接口复杂,使用场景有限,不利于灵活组建复杂的测试场景,测试效率低下。
之后,随着USB技术的发展,基于USB接口的便携式微波功率计应运而生。便携式微波功率计的整体体积与传统台式微波功率计的探头大小差不多,具有体积小、携带方便、易于组建测试网络的优势。
但现有的便携式微波功率计成本普遍较高,且测量精度不高,尤其是小信号(如功率≤-40dBm的信号)测量的时候不够精确。
实用新型内容
本申请实施例通过提供一种便携式微波功率计,解决了现有技术中便携式微波功率计小信号测量的时候测量结果不够精确的技术问题,提高了便携式微波功率计测量结果的准确性,拓宽了便携式微波功率计的测量范围。
本申请实施例提供了一种便携式微波功率计,包括功率计主板,所述功率计主板上设有:
前级放大单元,用于对输入信号进行放大,实现初步增益;
调零单元,与所述前级放大单元连接,用于对所述前级放大单元造成的失调电压进行补偿;
后级放大单元,用于对所述前级放大单元输出的信号进行进一步放大,实现二次增益;
档位切换单元,输入端与所述前级放大单元连接,输出端与所述后级放大单元连接,用于对所述后级放大单元的放大倍数进行调节,实现不同放大倍数的信号输出;
MCU微控制单元,与所述调零单元、后级放大单元及档位切换单元连接,用于获取和处理各单元的工作数据,并协调控制各单元的工作。
优选地,所述便携式微波功率计还包括检波器,所述检波器输入端连接功率计输入接口,所述检波器输出端连接所述前级放大单元;所述检波器对输入信号进行检测,以检出输入信号中的有用微波信号,将所述有用微波信号转换成低频、直流电压信号,并输出给所述前级放大单元。
优选地,所述便携式微波功率计还包括电源管理及USB通信模块,所述电源管理及USB通信模块包括USB芯片和电压转换模块,所述USB芯片连接所述MCU微控制单元和功率计输出接口,以实现所述MCU微控制单元与外部设备之间基于USB总线的信号传输通信;
所述电压转换模块连接USB芯片和功率计主板,通过电压转换模块将USB芯片输出的电源转换为设定的电压,为功率计主板供电。
优选地,所述便携式微波功率计包括外壳,所述功率计输入接口、功率计输出接口均设于所述外壳上,所述检波器、电源管理及USB通信模块、功率计主板均设于所述外壳内部。
优选地,所述前级放大单元包括运算放大器U1,运算放大器U1的正输入端连接所述调零单元,运算放大器U1的负输入端连接电阻R4一端及电阻R5一端,电阻R4及电阻R5另一端均接地;运算放大器U1的负电源端连接电容C1一端及电容C2一端,电容C1及电容C2另一端均接地;运算放大器U1的正电源端连接电容C3一端及电容C4一端,电容C3及电容C4另一端均接地;
运算放大器U1的输出端连接运算放大器U2的正输入端,运算放大器U2的负输入端连接电阻R6一端及电阻R7一端,电阻R6另一端连接运算放大器U2的输出端,电阻R7另一端接地;
运算放大器U3的正输入端连接电阻R21一端,电阻R21另一端连接电阻R20一端及输入信号正极,电阻R20另一端接地;运算放大器U3的负输入端连接电阻R23一端及电阻R24一端,电阻R23另一端连接电阻R22一端及输入信号负极,电阻R22另一端接地,电阻R24另一端连接运算放大器U3的输出端;运算放大器U3的输出端连接电阻R25一端,电阻R25另一端连接电阻R1一端及电阻R3一端,电阻R1另一端连接运算放大器U1的正输入端,电阻R3另一端接地;运算放大器U1及运算放大器U2的输出端均连接所述档位切换单元。
优选地,所述调零单元包括电容C201,电阻R203、电阻R204和电容C201的一端均连接所述MCU微控制单元,电阻R203和电容C201的另一端均接地;电阻R204的另一端连接电阻R201一端和电阻R202一端,电阻R202另一端连接电源负极,电阻R201另一端连接电阻R205一端和电容C202一端,电容C202另一端接地,电阻R205另一端连接前级放大单元的运算放大器U1的正输入端。
优选地,所述后级运放单元包括运算放大器U4,运算放大器U4的正输入端连接所述档位切换单元,运算放大器U4的负输入端连接电阻R11一端和电阻R12一端,电阻R12另一端接地,运算放大器U4的输出端连接电阻R11另一端和电阻R13一端,运算放大器U5的负输入端连接电阻R13另一端和电阻R0一端,运算放大器U5的正输入端连接电阻R15一端,电阻R15另一端接地,运算放大器U5的输出端连接电阻R0另一端和电阻R16一端,电阻R16另一端连接电容C5一端和所述MCU微控制单元,电容C5另一端接地。
优选地,所述档位切换电路包括至少两个串联的电子开关,每个所述电子开关均包括一个控制信号端、至少两个输入端和一个输出端,所述电子开关的输出端和输入端之接设有切换阀,所述控制信号端与所述MCU微控制单元连接;所述电子开关根据所述MCU微控制单元的控制来调节自身的切换阀,实现输出端与不同输入端之间的通断控制,从而对所述后级运放单元的放大倍数进行调节,实现不同放大倍数的信号输出。
优选地,所述功率计主板上还设有利用二极管的温度特性对环境温度进行采样,以将模拟量温度数据转换为数字量的温度采样单元。
进一步地,所述温度采样单元包括二极管D1,二极管D1的正极连接所述MCU微控制单元及电阻R100一端,电阻R100另一端连接电源正极,二极管D1的负极接地。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案,至少具有如下技术效果或优点:
1、本申请实施例中提供的便携式微波功率计设计前级放大单元,对输入信号进行放大,起到一定增益的作用;增益大了以后,电路会产生明显的失调电压,因此设计调零单元对所述失调电压进行补偿;通过前级放大单元和调零单元的配合作用,解决了小信号测量的时候测量结果不够精确的技术问题,提高了便携式微波功率计测量结果的准确性,拓宽了便携式微波功率计的测量范围。
2、本申请实施例中提供的便携式微波功率计中,前级放大单元还能够隔离检波器输入和输出电路之间的电阻影响,同时可以对输入到输出之间提供电气隔离,防止检波器输入和输出电路之间的相互影响,提高了便携式微波功率计测量结果的稳定性和准确性。
3、本申请实施例中提供的便携式微波功率计中,在前级放大单元和后级放大单元之间设置档位切换单元,档位切换单元可根据MCU微控制单元的控制来调节自身的档位切换,从而对后级放大单元的放大信号进行设定比例的衰减,得到不同放大倍数的输出信号,调节灵活、方便,利于灵活组建复杂的测试场景,测试效率高。
4、本申请实施例中提供的便携式微波功率计设计温度采样单元采集环境温度,以便于对因温度变化而造成的电压漂移进行调节。温度采样单元利用二极管的温度特性对环境温度进行采样,可实现将模拟量温度数据转换为数字量。不需要额外设置ADC转换单元,节约了设备体积和成本。
附图说明
图1为本申请实施例中提供的便携式微波功率计一个方向的轴测图;
图2为本申请实施例中提供的便携式微波功率计另一个方向的轴测图;
图3为本申请实施例中提供的便携式微波功率计的原理框图;
图4为本申请实施例中前级放大单元的电路图。
图5为本申请实施例中调零单元的电路图;
图6为本申请实施例中后级放大单元的电路图;
图7为本申请实施例中档位切换单元的电路图;
图8本申请实施例中温度采样单元的电路图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种便携式微波功率计,解决了现有技术中便携式微波功率计小信号测量的时候测量结果不够精确的技术问题,提高了便携式微波功率计测量结果的准确性,拓宽了便携式微波功率计的测量范围。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题,总体思路如下:
通过检波器对输入信号进行检测,以检出输入信号中的有用微波信号,并将其转换成低频、直流电压信号;
由于检波器输出阻抗高、带负载能力弱,因此输出信号弱,尤其是小信号输入的时候,输出信号十分微弱;故设计前级放大单元对检波器输出信号进行放大,起到一定增益的作用;
增益大了以后,电路会产生明显的失调电压,故设计调零单元对所述失调电压进行补偿;
通过前级放大单元和调零单元的配合作用,解决了小信号测量的时候测量结果不够精确的技术问题,提高了便携式微波功率计测量结果的准确性,拓宽了便携式微波功率计的测量范围。
为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
图1和图2为本申请实施例中提供的便携式微波功率计的轴测图,所述的便携式微波功率计检波器包括外壳100,外壳100一端设有输入接口101,用于连接外部信号;外壳100的另一端设有输出接口102,用于连接USB连接线,进而通过USB接口连接外部的PC端;外壳100内部设有检波器、电源管理及USB通信模块、功率计主板。
具体的,检波器的输入端连接输入接口101,检波器的输出端连接功率计主板;通过检波器对输入信号进行检测,以检出输入信号中的有用微波信号,并将其转换成低频、直流电压信号,并输出给功率计主板。
具体的,电源管理及USB通信模块包括USB芯片和电压转换模块,USB芯片连接功率计主板和输出接口102,使用时输出接口102通过USB连接线连接外部的PC端,实现功率计主板与PC端之间基于USB总线的信号传输通信作用。
同时,根据USB规范,USB总线可以为每个连接的外部设备提供5V/500mA电源,对于很多小功率的外部设备已能满足要求。将USB芯片与电压转换模块连接,当USB芯片与PC端联通时,即获取外部电源供电,通过电压转换模块将USB芯片输出的电源转换为设定的电压,为功率计主板供电。
在某一可选的实施方式中,电源管理及USB通信模块为一块线路板,功率计主板为一块线路板,两块线路板之间用飞线连接,然后固定在外壳内部中间的固定柱两侧。
具体的,在某一可选的实施方式中,所述外壳100为长方体结构,体积较小;示例性地,如大小为120mm*40mm*30mm,只有台式功率计的探头大小,体积的缩小带来了重量的减小,便于使用和外出携带。
在某一优选的实施方式中,外壳100的上部设有可拆卸的盖板103,打开板103,可以方便地对外壳100内部的器件或线路板进行检修或更换。
在某一优选的实施方式中,外壳100的两侧设有内凹的槽体104,槽体104起到便于握持、不易滑落的作用,同时也增加了装置整体的美观性。
结合图3,功率计主板包括:
前级放大单元,与检波器输入端连接,用于对检波器输出的信号进行放大,实现初步增益;
调零单元,与前级放大单元连接,用于对前级放大单元造成的失调电压进行补偿;
后级放大单元,用于对前级放大单元输出的信号进行进一步放大,实现二次增益;
档位切换单元,输入端与前级放大单元连接,输出端与后级放大单元连接,用于对后级放大单元的放大倍数进行调节,实现不同放大倍数的信号输出;
MCU微控制单元,与调零单元、后级放大单元及档位切换单元连接,用于获取和处理各单元的工作数据,并协调控制各单元的工作,实现功率计整体的协调控制。
具体地,由于检波器输出阻抗高、带负载能力弱,因此输出信号弱,尤其是小信号输入的时候,输出信号十分微弱;所以设计前级放大单元对检波器输出信号进行放大,起到一定增益的作用。
在某一优选的实施方式中,如图4所示,前级放大单元包括运算放大器U1、U2、U3,运算放大器U1的正输入端连接调零单元,运算放大器U1的负输入端连接电阻R4一端及电阻R5一端,电阻R5及电阻R5另一端均接地;运算放大器U1的负电源端连接电容C1一端及电容C2一端,电容C1及电容C2另一端均接地;运算放大器U1的正电源端连接电容C3一端及电容C4一端,电容C3及电容C4另一端均接地;
运算放大器U1的输出端连接运算放大器U2的正输入端,运算放大器U2的负输入端连接电阻R6一端及电阻R7一端,电阻R6另一端连接运算放大器U2的输出端,电阻R7另一端接地;
运算放大器U3的正输入端连接电阻R21一端,电阻R21另一端连接电阻R20一端及输入信号正极SG_IN+,电阻R20另一端接地;运算放大器U3的负输入端连接电阻R23一端及电阻R24一端,电阻R23另一端连接电阻R22一端及输入信号负极SG_IN-,电阻R22另一端接地,电阻R24另一端连接运算放大器U3的输出端;运算放大器U3的输出端连接电阻R25一端,电阻R25另一端连接电阻R1一端及电阻R3一端,电阻R1另一端连接运算放大器U1的正输入端,电阻R3另一端接地。运算放大器U1和运算放大器U2的输出端均连接档位切换单元。
通过电阻R20、R22这两个下拉电阻,将输入信号维持在低电平状态,提高电路稳定性,运算放大器U2、U3起到信号放大的作用。示例性地,运算放大器U2、U3的放大倍数为200。
前级放大单元将检波器的输出信号作为自己的输入信号,起到阻抗变换和一定增益的作用,并可作为偏置电压的调节等多种功能;且前级放大单元能够隔离检波器输入和输出电路之间的电阻影响,同时可以对输入到输出之间提供电气隔离,防止检波器输入和输出电路之间的相互影响。
增益大了以后,电路会产生明显的失调电压,所以设计调零单元对所述失调电压进行补偿。
在某一优选的实施方式中,如图5所示,调零单元包括电阻R201、电阻R204和电容C201,电阻R203、电阻R204和电容C201的一端均连接MCU微控制单元,电阻R203和电容C201的另一端均接地;电阻R204的另一端连接电阻R201一端和电阻R202一端,电阻R202另一端连接电源负极,电阻R201另一端连接电阻R205一端和电容C202一端,电容C202另一端接地,电阻R205另一端连接前级放大单元的运算放大器U1的正输入端。
MCU微控制单元输出的模拟电压信号与电源管理及USB通信模块输出的负压共同作用于调零单元,在无输入信号时,通过调节电阻R201、R202、R203、R204和电容C201、C202,调节前级运放单元产生的失调电压;当信号输入时,让到达后级运放单元的信号接近于输入时的信号。
在某一优选的实施方式中,如图6所示,后级运放单元包括运算放大器U4、U5,运算放大器U4的正输入端连接档位切换单元,运算放大器U4的负输入端连接电阻R11一端和电阻R12一端,电阻R12另一端接地,运算放大器U4的输出端连接电阻R11另一端和电阻R13一端,运算放大器U5的负输入端连接电阻R13另一端和电阻R0一端,运算放大器U5的正输入端连接电阻R15一端,电阻R15另一端接地,运算放大器U5的输出端连接电阻R0另一端和电阻R16一端,电阻R16另一端连接电容C5一端和MCU微控制单元,电容C5另一端接地。
后级运放单元主要实现信号的进一步放大,放大倍数在0.4、4、40、400、4000几个不同的档位。
档位切换单元采用多个串联的电子开关,每个电子开关连接有三个不同阻值的电阻,电子开关根据MCU微控制单元的控制来调节自身的档位切换,从而对运算放大器U4、U5的放大信号进行一定比例的衰减,或者不做改变。当内部的电子开关组同时开的时候,增益为1,信号整体放大倍数为4000;当内部的电子开关组同时关断的时候,由于电阻的分压作用,放大倍数为1/10000,此时,整体放大倍数为0.4,同理,可以得到另外不同的放大倍数。
在某一优选的实施方式中,如图7所示,档位切换电路包括电子开关U3A、U3B、U3C,电子开关U3A、U3B、U3C规格相同,均包括一个控制信号端、两个输入端和一个输出端,输出端和两个输入端之接设有切换阀,以实现输出端和两个输入端之间的通断选择。
电子开关U3A的控制信号端IN1、电子开关U3B的控制信号端IN2、电子开关U3C的控制信号端IN3均与MCU微控制单元连接,电子开关U3A的第一输入端S1连接电阻R8一端和电子开关U3C的输出端,电子开关U3A的第二输入端S2连接电阻R8另一端和电阻R9一端,电阻R9另一端连接电阻R10一端和电子开关U3B的第一输入端S3,电阻R10另一端接地;电子开关U3B的第二输入端S4连接电子开关U3A的输出端,电子开关U3B的输出端连接MCU微控制单元;电子开关U3C的第一输入端S5连接前级运放单元的运算放大器U2的输出端,电子开关U3C的第二输入端S6连接前级运放单元的运算放大器U1的输出端。
其中,电阻R8、R9、R10的阻值不同。通过MCU微控制单元的控制来调节电子开关U3A、U3B、U3C内部的档位切换,对信号的放大倍数进行调节,确保信号的增益在合适的范围之内。调节灵活、方便,利于灵活组建复杂的测试场景,测试效率高。
在某一优选的实施方式中,所述功率计主板还包括温度采样单元,用于采集环境温度。因为电路的电压会随温度变化而发生漂移,故设置温度采样单元采集环境温度,以便于MCU微控制单元对电压漂移进行调节。
在某一优选的实施方式中,温度采样单元利用二极管的温度特性对环境温度进行采样,可实现将模拟量温度数据转换为数字量。
示例性地,如图8所示,温度采样单元包括二极管D1,二极管D1的正极连接MCU微控制单元及电阻R100一端,电阻R100另一端连接电源正极,二极管D1的负极接地。
温度采样单元将采集的数据发送给MCU微控制单元,MCU微控制单元接受所述数据并进行处理,以对电压漂移进行调节。不需要额外设置ADC转换单元,节约了设备体积和成本。
在某一优选的实施方式中,MCU微控制单元还连接呼吸灯,呼吸灯的灯光在MCU微控制单元的控制之下完成由亮到暗的逐渐变化,起到通知提醒的作用。
以上所述,仅为本申请的较佳实施例,并非对本申请任何形式上和实质上的限制,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本申请方法的前提下,还将可以做出若干改进和补充,这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员,在不脱离本申请的精神和范围的情况下,当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化,均为本申请的等效实施例;同时,凡依据本申请的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变,均仍属于本申请的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种便携式微波功率计,包括功率计主板,其特征在于,所述功率计主板上设有:
前级放大单元,用于对输入信号进行放大,实现初步增益;
调零单元,与所述前级放大单元连接,用于对所述前级放大单元造成的失调电压进行补偿;
后级放大单元,用于对所述前级放大单元输出的信号进行进一步放大,实现二次增益;
档位切换单元,输入端与所述前级放大单元连接,输出端与所述后级放大单元连接,用于对所述后级放大单元的放大倍数进行调节,实现不同放大倍数的信号输出;
MCU微控制单元,与所述调零单元、后级放大单元及档位切换单元连接,用于获取和处理各单元的工作数据,并协调控制各单元的工作。
2.如权利要求1所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述便携式微波功率计还包括检波器,所述检波器输入端连接功率计输入接口,所述检波器输出端连接所述前级放大单元;所述检波器对输入信号进行检测,以检出输入信号中的有用微波信号,将所述有用微波信号转换成低频、直流电压信号,并输出给所述前级放大单元。
3.如权利要求2所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述便携式微波功率计还包括电源管理及USB通信模块,所述电源管理及USB通信模块包括USB芯片和电压转换模块,所述USB芯片连接所述MCU微控制单元和功率计输出接口,以实现所述MCU微控制单元与外部设备之间基于USB总线的信号传输通信;
所述电压转换模块连接USB芯片和功率计主板,通过电压转换模块将USB芯片输出的电源转换为设定的电压,为功率计主板供电。
4.如权利要求3所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述便携式微波功率计包括外壳,所述功率计输入接口、功率计输出接口均设于所述外壳上,所述检波器、电源管理及USB通信模块、功率计主板均设于所述外壳内部。
5.如权利要求1所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述前级放大单元包括运算放大器U1,运算放大器U1的正输入端连接所述调零单元,运算放大器U1的负输入端连接电阻R4一端及电阻R5一端,电阻R4及电阻R5另一端均接地;运算放大器U1的负电源端连接电容C1一端及电容C2一端,电容C1及电容C2另一端均接地;运算放大器U1的正电源端连接电容C3一端及电容C4一端,电容C3及电容C4另一端均接地;
运算放大器U1的输出端连接运算放大器U2的正输入端,运算放大器U2的负输入端连接电阻R6一端及电阻R7一端,电阻R6另一端连接运算放大器U2的输出端,电阻R7另一端接地;
运算放大器U3的正输入端连接电阻R21一端,电阻R21另一端连接电阻R20一端及输入信号正极,电阻R20另一端接地;运算放大器U3的负输入端连接电阻R23一端及电阻R24一端,电阻R23另一端连接电阻R22一端及输入信号负极,电阻R22另一端接地,电阻R24另一端连接运算放大器U3的输出端;运算放大器U3的输出端连接电阻R25一端,电阻R25另一端连接电阻R1一端及电阻R3一端,电阻R1另一端连接运算放大器U1的正输入端,电阻R3另一端接地;运算放大器U1及运算放大器U2的输出端均连接所述档位切换单元。
6.如权利要求5所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述调零单元包括电容C201,电阻R203、电阻R204和电容C201的一端均连接所述MCU微控制单元,电阻R203和电容C201的另一端均接地;电阻R204的另一端连接电阻R201一端和电阻R202一端,电阻R202另一端连接电源负极,电阻R201另一端连接电阻R205一端和电容C202一端,电容C202另一端接地,电阻R205另一端连接前级放大单元的运算放大器U1的正输入端。
7.如权利要求6所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述后级放大单元包括运算放大器U4,运算放大器U4的正输入端连接所述档位切换单元,运算放大器U4的负输入端连接电阻R11一端和电阻R12一端,电阻R12另一端接地,运算放大器U4的输出端连接电阻R11另一端和电阻R13一端,运算放大器U5的负输入端连接电阻R13另一端和电阻R0一端,运算放大器U5的正输入端连接电阻R15一端,电阻R15另一端接地,运算放大器U5的输出端连接电阻R0另一端和电阻R16一端,电阻R16另一端连接电容C5一端和所述MCU微控制单元,电容C5另一端接地。
8.如权利要求7所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述档位切换单元包括至少两个串联的电子开关,每个所述电子开关均包括一个控制信号端、至少两个输入端和一个输出端,所述电子开关的输出端和输入端之接设有切换阀,所述控制信号端与所述MCU微控制单元连接;所述电子开关根据所述MCU微控制单元的控制来调节自身的切换阀,实现输出端与不同输入端之间的通断控制,从而对所述后级放大单元的放大倍数进行调节,实现不同放大倍数的信号输出。
9.如权利要求1所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述功率计主板上还设有利用二极管的温度特性对环境温度进行采样,以将模拟量温度数据转换为数字量的温度采样单元。
10.如权利要求9所述的便携式微波功率计,其特征在于,所述温度采样单元包括二极管D1,二极管D1的正极连接所述MCU微控制单元及电阻R100一端,电阻R100另一端连接电源正极,二极管D1的负极接地。
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