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序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇偏置電路設計范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。
中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）10-0003-02
在現(xiàn)實的生活中，電源類產(chǎn)品在出廠前，必須經(jīng)過性能測試，合格后才能投入市場。在以往，通常采用靜態(tài)負載，如電阻箱等可變阻值的電阻來模擬負載，但其測試精度低，方法不易操作，給電源的測試帶來了困難。為了解決這個問題，人們設計了一種電子負載設備，可以有效改良電源測試的方法。電子負載主要依靠電子元器件吸收并消耗電能，其體積較小，一般采用功率半導體器件作為載體，使得負載易于調(diào)節(jié)和控制，并能達到很高的精度和穩(wěn)定性。本文在系統(tǒng)設計中采用TI公司的單片機MSP430，該單片機工作電流低，能有效降低功耗，具有16位數(shù)據(jù)的處理能力，且內(nèi)置硬件乘法器，乘除法運算都為單周期指令，運行速度更快，片內(nèi)集成資源豐富，為系統(tǒng)設計提供了可能。同時通過測量電路實時監(jiān)控被測電源的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過LCD顯示屏，顯示測得的數(shù)據(jù)。本文設計簡單易行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
1 系統(tǒng)設計的基本原理
1.1 系統(tǒng)設計方案
系統(tǒng)設計利用單片機MSP430作為核心控制器，以44矩陣鍵盤設定單片機輸出電流值，單片機將相應的數(shù)字信號輸出給D/A芯片處理，將鍵盤設定輸出的電流值從數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再經(jīng)恒流控制和電流放大，將產(chǎn)生的信號接入被測電源的輸入端（電源的正極）。被測電源的實際輸出電流（電源的負極）再經(jīng)過采樣電阻形成電壓信號經(jīng)過A/D信號轉(zhuǎn)換和電壓檢測，將數(shù)字信號輸入單片機進行相應的程序處理，再經(jīng)LCD液晶屏顯示。
在電路的設計過程中，為減少誤操作給系統(tǒng)硬件帶來的破壞，我們也設計了空載和過載報警電路。當系統(tǒng)中沒有接入被測電源或者檢測的電流值超出一定范圍，通過蜂鳴器報警和高亮LED的閃爍，引起使用者足夠的注意。以上功能設計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)硬件設計的實現(xiàn)
電路設計中，D/A轉(zhuǎn)換器我們采用的是8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，其引腳結(jié)構(gòu)如圖2所示。
DAC0832內(nèi)部含有兩級輸入寄存器，使其具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適用于多種電路設計需要。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出，再通過選用合適的線性運算放大器實現(xiàn)模擬信號的放大，滿足相應的設計需要。同時運放的反饋電阻可通過Rfb引腳端引用片內(nèi)固有電阻，也可以根據(jù)設計需要外接反饋電阻。該芯片的典型應用如圖3所示。
本文系統(tǒng)設計的控制芯片采用的是MSP430，反饋電阻采用的是外接電阻，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出的電流連入集成運算放大器LM324的輸入端，進行模擬信號的放大，再經(jīng)過反饋電路，將相應的模擬信號進行數(shù)據(jù)處理。而反饋電路運行的穩(wěn)定性，直接影響著系統(tǒng)工作的精度，作者采用了如圖4的硬件設計方式實現(xiàn)反饋電路的功能。
受控電流源采用普通三極管SS8050和大功率三極管3DD15D相結(jié)合，通過控制流入大功率三極管3DD15D的基極偏置電壓，間接控制輸出到負載上的電流大小。在系統(tǒng)的設計調(diào)試過程中，我們采用15V電源和負載電阻來替代實際的被測電源，進行相關(guān)的參數(shù)研究。實際使用中，我們可以去除負載電阻，在15V電源和GND接線處連接被測電源。設計中，我們還需考慮到輸入到單片機的電壓是經(jīng)過A/D變換的數(shù)字信號，這樣才可以實現(xiàn)與MSP430的接口連接，由核心控制器來進行數(shù)據(jù)的處理。由于MSP430內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可以完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，因此降低了系統(tǒng)硬件電路設計的復雜性，有利的節(jié)約了開發(fā)成本。
實現(xiàn)空載和過載報警電路的方法是測量負載兩端電壓，由于這兩點電壓比較高，因此需分壓后送A/D測量，分壓電阻取值需要較大，以減小對輸出電流的影響，當超過額定值時通過主控制器軟件程序判斷是空載或者過載，電路設計如圖5所示。
2 系統(tǒng)設計的軟件功能原理
在系統(tǒng)硬件設計的基礎上，作者完成了相應的軟件程序設計，其程序流程圖如圖6所示。
在整個硬件系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，保證各硬件系統(tǒng)運行正常。空載或者過載部分的程序編寫可以有效減少因誤操作對系統(tǒng)的硬件造成的破壞，在這部分程序中，以容錯技術(shù)為主，包括：空載報警提示、負載電壓過大報警。當電流源沒有外接負載或者外接負載超過系統(tǒng)設計的參數(shù)極限時，產(chǎn)生相應中斷程序，調(diào)用聲光報警程序和液晶顯示程序，提示系統(tǒng)的操作者。
除此之外，程序流程圖中的按鍵掃描程序是重要組成部分，實現(xiàn)的相應功能的子程序較多，其中實現(xiàn)的按鍵功能有加1鍵，減1鍵，退格鍵，取消鍵，確定鍵，保存鍵和基本的數(shù)字功能鍵。鍵碼的分析中涉及到鍵盤掃描和編碼技術(shù)，其中鍵盤掃描的方式一般有三種：主動查詢方式、鍵盤中斷方式和定時中斷方式。鍵盤編碼的方式常見的有三種：特征編碼法、順序編碼法和反轉(zhuǎn)查表法。本次設計采用主動查詢方式對鍵盤進行掃描，采用反轉(zhuǎn)查表法對鍵盤編碼。
主程序示例。在主程序中，包括基本的頭文件和主函數(shù)，由于整體程序的復雜性，在本文中我們針對主要的功能函數(shù)進行簡單說明
3 結(jié)語
該簡易直流電子負載電流可以在100mA～1000mA范圍內(nèi)進行設定，并且以10mA的步進值，對輸出電流大小進行微調(diào)，因而可實際應用于檢測小功率恒流源的穩(wěn)定性。在恒流（CC）工作模式下，當電子負載兩端電壓變化10V時，顯示電流值變化小于1%。電子負載還可以檢測被測電源的電壓與電流，達到設計要求。
作者在接下來的系統(tǒng)研究中，將進一步通過提升硬件性能，改善硬件設計的合理性，提升軟件程序的運行效率，提高電流的輸出精度，達到更穩(wěn)定的測試性能。
參考文獻
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中圖分類號： TN911?34； TM42 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0149?03
Design of microcontroller?based control circuit for steel fiber sorting device
HUANG Jie
（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412005， China）
Abstract： A control circuit of steel fiber sorting device taking MCS?51 microcontroller as control core was designed. It generates a PWM control signal by microcontroller to control the size of the sort magnetic field according to the feed quantity. The problems of low efficiency and heating generation of the steel sorting circuit were solved effectively. The intelligent control of the magnetic field and feed speed， and high reliability of the system were realized. The control circuit designed in this paper improved the efficiency of steel fiber sorting packing.
Keywords： AT89C51； steel fiber； PWM control； steel sortingcircuit
0 引 言
鋼纖維是混凝土理想的增強材料，在混凝土中均勻地按比例摻入鋼纖維，可以使混凝土在抗拉、抗沖擊、抗裂、抗剪、抗耐磨、抗疲勞強度、抗凍融性能上比普通混凝土有很大提高。國外有研究表明，在混凝土中加入0.75%～1%的鋼纖維，可以大大提高高強度混凝土柱的彈性和延展性[1]。
國內(nèi)外對鋼纖維在混凝土制作方面的應用研究較多[1?2]，但是在鋼纖維的包裝技術(shù)方面的研究基本還是空白。鋼纖維的有序包裝不只是影響到鋼纖維的運輸，還直接影響到鋼纖維的使用效果。采用人工排序的方式效率很低，自動化的鋼纖維排序設備研究具有重要的意義。本文設計的鋼纖維排序設備利用單片機進行智能控制，采用電磁排序法進行鋼纖維排序。
1 系統(tǒng)總體方案設計
電磁排序法的工作原理是在同一表面內(nèi)設計有平行磁力線N、S極，同時設計有垂直N、S極磁力線。紙箱坐落在電磁鐵中心，通電后被磁力線包圍，采用圓筒振動篩均勻布料，鋼纖維在從振動篩落入包裝箱的過程中，受到磁力線的作用，從而依據(jù)磁力線方向，在箱內(nèi)直接有序排列。系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 鋼纖維排序設備控制電路結(jié)構(gòu)圖
來料速度檢測模塊采用無接觸式速度傳感器檢測振動篩電機的轉(zhuǎn)速，從而得到振動篩的振動速度和振動篩的給料速度。
根據(jù)給料速度的大小，單片機控制排序勵磁電路勵磁電流的大小，從而控制排序磁場強度的大小，使得排序整齊而電流不過大，限制電路發(fā)熱量。料滿檢測模塊采用紅外傳感器，檢測包裝箱內(nèi)裝料的量，當裝料快滿的時候，發(fā)出料滿信號，溢料保護模塊發(fā)出報警信號，如果包裝箱一直沒有更換，則當料滿以后，系統(tǒng)停止工作，防止溢料。系統(tǒng)啟動以后，散熱控制模塊啟動散熱裝置，當過熱保護模塊的溫度傳感器檢測溫度高于設定的安全溫度時，系統(tǒng)停機。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 MSC?51單片機控制模塊設計
AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，F(xiàn)PEROM）的低電壓，8位高性能CMOS微處理器。該器件采用Atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS?51指令集和輸出管腳相兼容[3]。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，Atmel的AT89C51是一種高效微控制器。
單片機的P1.0～P1.4作為來料速度數(shù)據(jù)輸入口，過熱信號、料滿信號通過中斷0和中斷1，即P3.2，P3.3口輸入，P2.0～P2.4分別為排序勵磁PWM控制信號、退磁控制信號、過熱報警控制信號、料滿報警控制信號輸出口。
2.2 排序勵磁驅(qū)動與保護電路
排序勵磁開關(guān)管的驅(qū)動與保護電路如圖2所示，單片機輸出的PWM信號從P2.0引出后，經(jīng)過74LS08整形，消除信號抖動造成的干擾。然后通過光耦TLP250進行隔離，將鋼釬排序設備的控制電路與主電路隔離，避免主電路對控制信號的干擾。
圖2 排序勵磁驅(qū)動與保護電路原理圖
勵磁電路開關(guān)管驅(qū)動選用專用驅(qū)動芯片IR2113進行驅(qū)動，IR2113是高可靠性、大電壓、高速、兩路觸發(fā)的大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動器[4?6]。
內(nèi)部電路如圖3所示。其控制輸入信號使相應輸出端有觸發(fā)信號輸出。低壓側(cè)輸出（L0）取決于VCC，高壓側(cè)輸出（H0）取決于浮點值VBS。兩路輸出間的耐壓值為500 V。低壓側(cè)輸出和高壓側(cè)輸出與對應輸入信號同步，兩路輸出都受SD控制。高電平時無輸出，只有SD為低電平時，輸入信號的上升沿才能觸發(fā)輸出。圖3 IR2113內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
IR2113可以輸出兩路輸出，但是本設計主電路只有1個開關(guān)管，只用L0單獨輸出。從TLP250引入的PWM信號與IR2113D的LIN端子相連，LO與主電路開關(guān)管的控制極相連，COM端與開關(guān)管的陰極相連。
電路過熱信號與SD端子相連，當主電路過熱后，通過SD關(guān)閉開關(guān)管出發(fā)信號輸出，從而使主電路斷電起到保護的作用。VZ1為穩(wěn)壓二極管，防止電壓過大損壞開關(guān)管。
3 系統(tǒng)軟件設計
主電路中采用直流斬波技術(shù)來調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，利用單片機內(nèi)部定時器功能產(chǎn)生PWM控制信號來控制斬波電路開關(guān)管，控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖4所示。
圖4 控制系統(tǒng)工作流程圖
系統(tǒng)啟動后，首先開啟散熱風機，然后檢測包裝箱是否已經(jīng)裝滿，裝滿的話開啟溢料保護，輸出溢料報警，等待更換包裝箱。沒裝滿的話則檢測系統(tǒng)是否過熱，過熱的話則啟動過熱保護，正常的話則讀取振動篩速度，根據(jù)振動篩速度，決定輸出勵磁PWM信號的占空比，從而控制主電路中直流斬波電路輸出電壓的大小，進而控制排序電磁力的大小。
當包裝箱即將裝滿時，輸出退磁信號，對箱內(nèi)鋼纖維進行一次性整體退磁。包裝箱沒滿的話，繼續(xù)檢測振動篩速度，根據(jù)振動篩速度實時調(diào)整勵磁控制信號。實現(xiàn)排序電磁里的足夠大，同時避免磁場的過度飽和而嚴重發(fā)熱。
4 結(jié) 語
本文設計的鋼釬排序設備主電路采用直流斬波器調(diào)節(jié)排序勵磁的大小，控制線路以MCS?51單片機為控制核心進行設計，系統(tǒng)成本大大降低，降低成本的同時，實現(xiàn)了勵磁磁場與進料速度的智能控制，同時，提供了溢料保護，過熱保護，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性。該系統(tǒng)成本低，智能化，大大的提高了鋼纖維的排序包裝效率。
參考文獻
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本次設計采用選擇PHILIPS半導體公司帶手動復位功能的產(chǎn)品MAX708。MAX708還可以監(jiān)視第二個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預警功能，利用此功能，系統(tǒng)可在電源跌落時到復位前執(zhí)行某些安全操作，保存參數(shù)，發(fā)送警報信號或切換后備電池等。
另外，系統(tǒng)還擴展了可編程外圍芯片PSD303。由于系統(tǒng)的 I/O口數(shù)量與實際所需數(shù)量還有很大的差距，故系統(tǒng)又擴展了兩片8255A，一片用于接鍵盤和顯示電路，一片用于接觸發(fā)信號、緊急停車信號等。
一、鍵盤與顯示電路
在本次設計中，設置了一個9按鍵的操作電路，以代替實際現(xiàn)場的操作按鈕。6位的LED顯示電路用于顯示轉(zhuǎn)速、電流、以及調(diào)試時的相關(guān)項的顯示。
另外，為了便于現(xiàn)場工作之便，設置了5×4的矩陣式鍵盤，用于當系統(tǒng)軟件等出現(xiàn)錯誤，而又不便直接對程序進行修改時的調(diào)試之用。
二、變頻系統(tǒng)設計
現(xiàn)代變頻技術(shù)中主要有兩種變頻技術(shù)：交-直-交變頻技術(shù)和交-交變頻技術(shù)。交-直-交變頻技術(shù)為交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)提供變頻電源。交-直-交變頻的組成電路有整流電路和逆變電路兩部分，整流電路將工頻交流電整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。根據(jù)變頻電源的性質(zhì)可分為電壓型和電流型變頻。
本次設計用交-交變頻電路是不通過中間直流環(huán)節(jié)，而把電網(wǎng)固定頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變頻電路。這種變頻電路廣泛應用于大功率交流電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)，實際使用的主要是三相輸出交-交變頻電路。這種電路的特點：（1）因為是直接變換，沒有中間環(huán)節(jié)，所以比一般的變頻器效率要高；（2）有與其交流輸出電壓是直接由交流輸入電壓波的某些部分包絡所構(gòu)成，因而其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低，輸出波形也好；（3）因受電網(wǎng)頻率限制，通常輸出電壓的頻率較低，為電網(wǎng)頻率的三分之一左右；（4）功率因數(shù)較低，特別是在低速運行時更低，需要適當補償。
三相變頻電路就較單相復雜，其電路接線方式主要有公共交流母線進線方式和輸出型聯(lián)結(jié)方式。具體說來，其主電路型式有：3脈波零式電路、6脈波分離負載橋式電路、6脈波非分離負載橋式電路、12脈波橋式電路、3脈波帶中點三角形負載電路、3脈波環(huán)形電路。
本次設計選用較為簡單的一種—3脈波零式電路。
三、同步電路設計
同步電路的功能是，在對應的晶閘管承受正向陽極電壓的初始點（即控制角α的起算點）發(fā)出一個CPU能識別是哪一相同步信號的中斷脈沖Utpi和要求的α角進行延時控制，輸出相應的觸發(fā)脈沖。三相同步電壓信號經(jīng)同步變壓器、濾波、穩(wěn)壓、放大和光電隔離后分別接至單片機的P2.5、P2.6和P2.7管腳。另外，由于此處直流電源和觸發(fā)電路中所用的電源不能共用，且光電耦合器輸入輸出端的地端亦不能共用，為了以示區(qū)別，它們的符號均有不同。
Ua、Ub、Uc 與可控硅組件的三相交流電壓同相位。Ua、Ub、Uc經(jīng)R3，C3濾波電路波形變換光耦隔離整形電路后輸出三相方波電壓，記為 KA、KB、KC，三相方波分別送給 80C196單片機的P2口的 P2.5、P2.6、P2.7端。CPU根據(jù)KA、KB、KC的值判斷三相交流電源的相位。
四、觸發(fā)電路
在設計中，三相電路中每相均有正反兩組晶閘管，每組均采用三相半波式接法，即每組用三個管子，所以一共有18個晶閘管，這樣，觸發(fā)脈沖也應有18路。三極管V為輸出級功率放大晶體管；電容C為加速電容，與R構(gòu)成微分電路，可提高脈沖前沿的陡度；為兼顧抗干擾能力和脈沖前沿陡度，一般取C為0.1μF。為保護脈沖變壓器，在脈沖變壓器兩端并聯(lián)電阻R和二極管D的串聯(lián)電路，一般R阻值取為1K。電阻R為假性電阻負載。另外，為了隔離輸入輸出信號，加入了光電耦合器，考慮到應有足夠的脈沖強度使晶閘管導通，輸出極電壓設為15V。在出發(fā)電路中，為了得到足夠的脈沖寬度，而且使脈沖前沿盡量陡，后沿下降快，故采用了脈沖變壓器T～T。另外，為了達到電氣隔離作用，亦加入了光電偶合器。再者，為便于單片機對觸發(fā)電路的控制，在同步變壓器1~18的輸入端，分別引入了緊急封鎖信號（由HSO.0 引入）和 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器信號，而多諧振蕩器的控制信號則由單片機的HSO.1 控制。這樣，當電機輸入緊急停車信號時，單片機通過其 HSO.0 輸出高電平，這樣就使得觸發(fā)電路輸入端口的或非門被封鎖，也即封鎖了變頻裝置的觸發(fā)脈沖，使電機快速停車。
五、保護電路設計
為了提高控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，在交流電力系統(tǒng)的設計和運行中，都必須考慮到有發(fā)生故障和不正常工作情況的可能性。在三相交流電力系統(tǒng)中，最常見和最危險的故障是各種形式的短路，其中包括三相短路、兩相短路、一相接地短路以及電機和變壓器一相繞組上的匝間短路，當然也有其它形式的保護措施。具體保護形式有：電流型保護，電壓型保護等。為簡單起見，這里僅采用電流型保護中的短路保護和過電流保護，并在每個電機的定子輸入端均接入了正反向交流接觸器。另外，為防止意外情況的發(fā)生，引入了緊急停車信號，當按下緊急停車按鍵時單片機通過中間繼電器關(guān)斷接觸器 KM2-KM8。
六、反饋環(huán)節(jié)設計
本系統(tǒng)中引入了電流反饋。電流反饋采用三相交流互感器，經(jīng)三相橋式整流電路及濾波電路，最后經(jīng)限流、濾波及限幅電路反饋回單片機的 P0.1口。 【參考文獻】
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1.2 授時系統(tǒng)的分類
下面簡要的介紹這幾種授時方法:(1)短波授時是由美國首先提出的,其根本方式是利用無線電臺發(fā)播時間信號(簡稱時號),而用戶則用無線電接收機回收時號,繼而進行本地對時,對于同步時鐘誤差要求在 1ms 左右的用戶比較適合采用短波授時方法。(2)長波授時是我國授時中心主要的授時方法,是采用長波(低頻)進行時間頻率的傳送與校準,是一種覆蓋能力比短波強,校準準確度更高的授時方式,可以完全彌補短波授時接收載波頻率高的缺點。
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第二章 守時系統(tǒng)設計原理
2.1 守時系統(tǒng)中的基本概念
守時的概念是指在外部授時信號受到阻礙的情況下,本地時鐘通過某種校準方式可以自主運行,并做為標準時間使用,以便保持全系統(tǒng)的時間不中斷[7]。那么通過一套完整的軟硬件系統(tǒng)進而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部或者是各個系統(tǒng)之間的時間的統(tǒng)一就稱為守時系統(tǒng)[8-12]。就完整的守時定義上來說,主要包含三個方面的內(nèi)容:(1)怎樣選取適合的時鐘信號,使之能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的時間尺度。(2)選擇具有國際標準的時間信號。(3)如何使全球不同地區(qū)的不同時鐘統(tǒng)一到國際的標準時間上。從上面的概念中我們可以看出守時在整個時間工作中占有重要的地位,可以滿足人類在生產(chǎn)生活以及科學實驗中的各種需求,它的職責是產(chǎn)生并保持高精度的時間基準[13]。作為守時系統(tǒng)依據(jù)的頻率源的性能好壞,準確度的問題和怎樣對時間誤差偏差進行相應的處理和創(chuàng)新,這才是守時技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),此中最重要的指標就是守時精度,其定義則是時鐘與標準時間的誤差與時鐘的運行時間的比。隨著我國復雜多變的國際形式,精密時間作為軍事精確打擊的基礎,我國對新一代的守時系統(tǒng)也提出了相應的要求[14]:(1)守時系統(tǒng)的硬件部分必須是穩(wěn)定可靠的,同時還要求具備較強的生存能力。(2)守時系統(tǒng)產(chǎn)生的標準時間必須可以滿足我國各大領(lǐng)域的授時要求和標準。(3)我國的守時系統(tǒng)應該可以與國際標準時間結(jié)合,并借鑒國外各類守時系統(tǒng)的優(yōu)缺點,開發(fā)出適合我國的守時系統(tǒng)。
2.2 GPS 接收機
天線則主要是由 BNC 接口,SMA 接口,MCX 接口,MMCX 接口和吸盤天線構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示。
GPS 接收模塊主要由兩個作用,一是可以輸出精確的時間,從秒、分、時、日、月、到最后的年;另一種作用是可以給出時間的質(zhì)量信息,并給出標準的時間信號[17]。M-87 是一種超小型 GPS 接收模塊,選用 MTK 主芯片,可同時接收 32 顆衛(wèi)星,接收碼為 L1,C/A 碼,靈敏度可達 159dBm,同時 M-87 的接口為串口 TTL 電平,若要與計算機的串口連接要將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232的電平。GPS模塊使用時先把GPS的 5 米吸盤天線 MMCX 一端扣到模塊的天線底座上,另外務必把 GPS 天線放置于室外開闊處,以便接受 GPS 信號[18]。M-87 的接線定義如圖 2.2 所示。
第三章 守時系統(tǒng)................................... 14
3.1 單片機模塊.................................................... 14
3.1.1 單片機選型.................................................................. 14
3.1.2 單片機的電路及作用.......... 14
第四章 守時系統(tǒng)的調(diào)相處理.....................................25
4.1 FPGA 介紹 ................................................... 25
4.1.1 FPGA 簡介及選型 ................................................ 25
4.1.2 FPGA 基本結(jié)構(gòu) ..................................... 26
第五章 守時系統(tǒng)的軟件說明...............................................38
5.1 Quartus II 軟件及 verilog 語言 .................. 38
5.1.1 Quartus II 軟件的介紹 ................................. 38
中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)25-1563-03
Design of LCD/Voice Control Circuits Based on 51 Single-Chip Microcomputer
YU Xiao-long1,ZHANG Zhen1,2
(1. Information Engineering Institue, Information Engineering University, Zhengzhou 450002, China;2. Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)
Abstract: This paper introduces a control circuits's design of LCD/Voice based on 51-SCM and programmable peripheral interface 82C55A. It detailed analyse the design of hardware and software. Throughing the programme of SCM, it control the working of 82C55A ,accordingly arrive at the use ofLCD/Voice circuits.
Key words: SCM; Programmable; 82C55A; LCD
當前，有很多商業(yè)場所及嵌入式產(chǎn)品中都用到了顯示輸出模塊，在這些電路中，有很大一部分是通過單片機進行控制的。本文提出了一種典型控制液晶顯示及語音的電路，通過51單片機AT89C55和并行接口芯片82C55A實現(xiàn)了對圖形液晶顯示模塊NYG12864及語音的控制。
1 硬件電路設計
1.1 主控制電路設計
在主控制電路中，選用Atmel公司的AT89C55芯片。AT89C55是一款低功耗、高性能8位CMOS微控制器，內(nèi)含20KB可循環(huán)1000次寫入/擦除的閃速存儲器(Flash)，具有256*8位內(nèi)部隨機數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32條可編程I/O口線，8個中斷源和2個優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)，器件兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標準89C51和89C52芯片，采用全雙工串行通道及通用編程方式，適用于程序容量大、控制較為復雜的嵌入式應用系統(tǒng)中。電路工作方式控制芯片選用82C55A，它是一款可編程并行接口芯片，其工作方式有三種，三種工作方式是由其控制命令字來設定的。控制命令字有兩種，一種是方式選擇控制字，另一種是C口按位置位/復位控制字，通過寫入不同命令控制字可分別實現(xiàn)對其內(nèi)部A口、B口和C口的單獨控制操作。
在電路設計上，考慮到所編寫程序的容量，增加了一片AT28C64，它是一款低功耗，最快讀訪問時間可達120ns的64K CMOS型的 E2PROM，這樣整個電路足以滿足通常編程時對程序空間的要求。完整的電路圖如圖1所示。其中，AT89C55選用12M的晶振，其引腳P27直接控制LCD的使能信號E，P25、P26分別連接AT28C64及82C55A的片選引腳。引腳PSEN和RD相與后連接到AT28C64的OE端，這樣AT28C64既可以作為程序存儲器也可作為數(shù)據(jù)存儲器使用了。
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圖1 主控制電路
1.2 液晶顯示及語音控制電路的設計
本設計中液晶顯示模塊選用圖形液晶顯示模塊NYG12864，它的所有控制器、掃描電路和顯示RAM集成于液晶屏背面，并可選用LED背光，采用單電源供電。該模塊由大規(guī)模點陣式顯示控制器KS0107、液晶屏陣列驅(qū)動電路KS0108B、顯示存儲器和液晶屏等4部分組成。其中控制器是整個顯示系統(tǒng)核心，它提供了一套完整的指令系統(tǒng)，與單片機連接后，能較方便的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀寫等控制作用。NYG12864引腳定義如表1所示。
表1 液晶模塊NYG12864引腳定義
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在控制液晶電路中，將82C55A的PC3、PC2、PC1和PC0分別和液晶的D/I、R/W、CS2和CS1相連，以達到通過82C55A對液晶的控制。單片機的8位端口P0和液晶的8位數(shù)據(jù)線DB0~DB7相連，用于讀寫時傳送的數(shù)據(jù)。電路中還有諸如電位器R2其作用是調(diào)節(jié)液晶顯示的對比度，完整的電路圖如圖2所示。
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圖2 液晶顯示電路
對于語音電路，選用API8108芯片，它能夠存儲10秒的語音信息，當然根據(jù)實際需要，可以選用其他的芯片以滿足要求。因受輸出功率影響，在API8108的輸出端接有為低電壓應用設計的音頻功率放大器LM386，其輸入帶寬可達300KHz，通過合理連接，能得到的電壓增益最大可達200dB，輸出音頻功率0.5W。它們和82C55A之間具體連接圖如圖3所示。
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圖3 語音控制電路
2 軟件設計
軟件設計中難點在于如何控制液晶顯示器的顯示，對于語音芯片的控制可通過單片機中斷方式進行判斷調(diào)用。在液晶顯示模塊NYG12864中，只有驅(qū)動電路KS0108B和單片機打交道。它有7種指令：顯示開/關(guān)指令、顯示起始行設置命令、頁設置指令、列地址設置指令、讀狀態(tài)指令、寫數(shù)據(jù)指令以及讀數(shù)據(jù)指令。其中，CS1、CS2決定進行左右顯示區(qū)的選擇，R/W、D/I及數(shù)據(jù)內(nèi)容決定指令的類型。首先要對液晶清屏和初始化操作，設置起始行及為顯示狀態(tài)；其次讀取液晶狀態(tài)，此時R/W=1，D/I=0，若液晶準備好接收數(shù)據(jù)則使R/W=0，讀取液晶頁號（0~7），列顯示地址（0~63）值，這樣就唯一確定了顯示RAM中的一個單元，接下來就可以用讀、寫指令向該單元寫進一個字節(jié)數(shù)據(jù)或者讀出該單元中的內(nèi)容。在主程序中可以調(diào)用液晶的初始化、讀/寫子函數(shù)，主程序流程圖如圖4所示。
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圖4 主程序流程
3 結(jié)束語
本文介紹了一種基于51單片機控制液晶顯示及語音的電路，設計思想和方法具有一定的典型性和代表性，對電路稍加修改就能應用于其他場合，如在主控電路中再加入幾片82C55A就能實現(xiàn)更加復雜的電路控制，這些都是筆者在實踐過程中得來的，相信能對單片機系統(tǒng)的開發(fā)人員有一定的啟發(fā)。
參考文獻：
1.2OLED驅(qū)動電路研究的意義
我們正在經(jīng)歷一個顯示器世代交替的時期,平面顯示器以一定速度逐漸取代,未來進入電視、電腦一體化的數(shù)字時代后更會使顯示技術(shù)迅猛發(fā)展。在顯示技術(shù)的未來競爭中,尤其是中小尺寸的產(chǎn)品,誰會在競爭中勝出,取決于誰了解顧客的需求,顧客會選擇可以展現(xiàn)生命力的顯示器。而有源有機電致發(fā)光顯示則具有終極顯示器的特質(zhì),其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化工作正迅速展開。我國具有一定的機電致發(fā)光顯示產(chǎn)業(yè)化基礎,有機發(fā)光材料的制備技術(shù)也有良好的趨勢,所以一定要充分利用顯示市場,加大研發(fā)力度,全面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
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第二章灰度控制原理及方式
2.1OLED的顯示原理
電致發(fā)光,又稱為電場發(fā)光,是自然界中一種普遍的物理現(xiàn)象,是光電變換中的一個基本步驟。對于電致發(fā)光物質(zhì)而言,可以劃分為有機電致發(fā)光和無機電致發(fā)光兩種。其中有機電致發(fā)光又可以分為發(fā)光物質(zhì)為高分子聚合物的聚合物發(fā)光和發(fā)光物質(zhì)為小分子有機突光材料的小分子發(fā)光器件,OLED典型結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。有機發(fā)光二極管的發(fā)光原理為當對元件施加正向偏壓時,電子與空穴受電壓能量的驅(qū)動分別由陰極與陽極注入到器件中,此時電子和空穴在運動中相遇并結(jié)合,就形成了電子一空穴對。而當分子受到外來能量激發(fā)后,若電子自旋和基態(tài)電子成對,則為単重激發(fā)態(tài),那么所釋放的光為突光;相反,若激發(fā)態(tài)電子和基態(tài)電子自旋不成對并且平行,則稱作雙重激發(fā)態(tài),其所釋放的光為磷光。
2.2OLED的工作特性
圖2.4所示為OLED的電壓一亮度關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出OLED的電壓和亮度屬于非線性關(guān)系,不利于緩慢而穩(wěn)定的控制亮度,因此如果用電壓驅(qū)動控制法來控制顯示屏的亮度,則需要有一定控制精度的驅(qū)動屯壓。而電壓控制法由于電阻的作用會導致不同像素點的開啟電壓也不盡相同,再加上面陣屏幕制備工藝的限制,會造成畫面顯示不均勻、圖像質(zhì)量低下等問題。圖2.5所示為OLED器件中亮度與電流密度的關(guān)系。從圖中可以看出OLED器件的亮度和電流之間保持著良好的線性特性,想要控制屏幕上各個二極管的亮度,只要能夠很好的控制各個像素點電流就可以,所以像素電流能夠保持穩(wěn)定的恒定電流驅(qū)動是現(xiàn)階段使用較為普遍的方式。釆用恒定電流驅(qū)動的方法可以解決OLED顯示圖像不均勻的問題,只是其缺點是不容易實現(xiàn)灰度等級較低的顯示,但對于本論文中的設計,不構(gòu)成影響。此外,OLED的老化屬于庫企型的,OLED器件的老化原因是驅(qū)動器件時產(chǎn)生的熱效應,對于驅(qū)動OLED器件而言,器件壽命受電流密度的強度影響,電流密度越大壽命越短,電流密度越小壽命越長。盡可能減小OLED的驅(qū)動電流,可以盡量減小這種焦耳熱的影響。
第三章灰度控制模塊的設計....................14
3.1灰度掃描系統(tǒng)...................14> 3.2優(yōu)化灰度掃描結(jié)構(gòu)..................15
第四章面OLED陣顯示系統(tǒng)設計...............24
4.1系統(tǒng)的硬件設計...............24
第五章實驗結(jié)果及分析.....................35
5.1系統(tǒng)調(diào)試.................35
5.2實驗結(jié)果分析................................36
第五章實驗結(jié)果及分析
5.1系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試主要是電路方面的測試,對理論設計和實際操作之間出現(xiàn)的問題進行整改,最終使系統(tǒng)實現(xiàn)設計中所要求的功能。在設計階段用繪制電路板,根據(jù)圖制作電路板完成后,先進行簡單的檢查,主要是各個接口及各模塊之間的連接。檢查電路中元器件之間是否連接正確,各連線之間有無連接錯誤的情況;查看電路板在實際中布線位置是否合理,元器件之間有無短路;檢查電源和各個元器件極性有無接反的情況,對地是否短路。經(jīng)過基本的檢查之后,接通電源,在通電情況下對電路板進行硬件調(diào)試:接通電路后檢查各個器件及連線有無溫度過高等異常現(xiàn)象;沒有燒程序到時,使用萬用表檢測電位,以此判斷系統(tǒng)是否正常工作;將程序燒錄到中,檢查各個接口是否正常驅(qū)動。系統(tǒng)調(diào)試完成后,通過計算機對進行操作,編寫程序,在數(shù)據(jù)存儲器中存儲顯示數(shù)據(jù),通過向電路提供顯示的行、列偏移信號和各種顯示信號。控制信號到達顯示面板的同時,產(chǎn)生顯示所需的行列驅(qū)動信號,從而控制的顯示區(qū)域、灰度等顯示參數(shù)。
5.2實驗結(jié)果分析
這里計算的只是單色顯示時的時鐘頻率,對于高灰度的彩色屏,時鐘要求也要相應的提高。顯而易見,本方案的時鐘頻率與傳統(tǒng)掃描方式的比較,具有明顯的優(yōu)勢,并且這種差距隨著灰度等級的提高和顯示面積的增大而更加顯著。相對靜態(tài)圖像顯示而言,顯示動畫中的每幀圖像時,首先需要更新緩存中的顯示數(shù)據(jù),同時驅(qū)動電路從接收顯示所需的各種控制信號,從而達到動畫圖像顯示的目的。在屏幕進行靜態(tài)圖像顯示時,將顯示數(shù)據(jù)從單片機的數(shù)據(jù)存儲器中輸出到緩存之后,顯示屏通過驅(qū)動電路以的頻率刷新。因此,對于動態(tài)圖像顯示和靜態(tài)圖像顯示,前者要低于后者的刷新頻率。
德國FEST0公司發(fā)明并推廣的“閥島技術(shù)”得到了廣泛運用，從德國傳入中國以后開始應用于許多行業(yè)。閥島是一類功能強大的系統(tǒng)控制單元，它含有控制器、氣動電磁閥以及電輸入輸出等部件，連接電源以后能進行各式各樣的整合，使用者可以自由調(diào)節(jié)氣動和電氣功能，連接起氣動結(jié)構(gòu)和電磁閥輸出口，通過操作計算機頁面來完成自動化控制活動，而這個過程只需要執(zhí)行簡單的編程即可完成。AT89C95單片機具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，運用于閥島控制系統(tǒng)中來實現(xiàn)8位氣動閥島，通過8個電控換向閥來實現(xiàn)集中接線目標，而嵌入單片機部件使控制系統(tǒng)電路更加安全可靠，實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制。
1、閥島控制系統(tǒng)中的按鍵輸入電路以及檢測電路
按鍵電路是閥島應急控制系統(tǒng)中的重要部分，負責通信中斷的應急處理，按鍵可直接解決控制單片機系統(tǒng)中斷或閥島上位機故障的問題。左右三排的小按鍵構(gòu)成按鍵結(jié)構(gòu)，為了有效的控制閥島內(nèi)部不同通道的通斷情況，設置了Pl輸入的方式，整個閥島的通斷與否都受到P1輸入的控制。按鍵輸入電路內(nèi)涵8個二極管、8個閥，閥和二極管是平行對應的關(guān)系。當啟動1號閥時相對應的1號二極管會馬上發(fā)亮，如果啟動1、2、3號閥，那1、2、3號二極管也會相繼亮起，關(guān)閉閥則代表著二極管關(guān)閉，不會發(fā)出亮光，出現(xiàn)單片機輸出低電平的情況下二極管會立即亮起。系統(tǒng)設置了第九個按鍵，它肩負著檢測電路的責任，開啟九號按鍵其余八個二極管亮起則代表閥島電路運行正常，出現(xiàn)未亮的情況則代表閥島電路出錯。
2、閥島控制系統(tǒng)中的輸出電路
運行正常的閥島輸入一般都是P1.0，—旦出現(xiàn)串行的情況則會馬上轉(zhuǎn)換到方式0空間內(nèi)，使得其使用竄出的輸出端口，74LSl64同步移位寄存器會負責并行輸出工作，并且執(zhí)行外接的8位串行輸入活動。為了快速、有效的判斷閥島內(nèi)部不同通道的運行情況，設立相對應的發(fā)光二極管來作為判斷標準十分有效，發(fā)亮則達標通道正常，發(fā)暗則代表出現(xiàn)故障，電路信號不斷放大到規(guī)定區(qū)域，達到標準程度后閥島通道會進行通斷處理，使得低電平能順暢輸出，未達到標準則不能啟動通道通斷處理功能，如圖1所示為閥島輸出電路。
3、閥島控制系統(tǒng)中的RS232接口電路
RS232接口電路構(gòu)建起了單片機和Pc之間的橋梁，實現(xiàn)了串行通信的目標。一般情況TPC、終端之間都會采取傳統(tǒng)的并行通訊方式，或者使用方便快速的串行通訊模式。數(shù)據(jù)傳送依靠串行通訊模式可以進一步降低傳輸成本，不會產(chǎn)生許多復雜無序的線路，在面對遠程數(shù)據(jù)傳輸問題時也解決了線路特性迥異的問題，完成線路和特性之間的有效對接。異步串行是RS232數(shù)據(jù)傳遞過程中常用的方式，它允許數(shù)據(jù)傳遞裝置信號發(fā)生一定的相位差，對系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何影響，而MAX232是RS232的核心電平轉(zhuǎn)換芯片，它能快速的轉(zhuǎn)換在RS232和TTL之間，利用驅(qū)動器、接收器和電壓發(fā)生器來完成以上一系列活動。
4、閥島控制系統(tǒng)中的復位電路
可編程電路X5045嵌入閥島控制系統(tǒng)中具有諸多優(yōu)勢，它充分挖掘了系統(tǒng)本身的電壓監(jiān)控功能，且能嵌入自身串行EEPROM功能，隨時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，降低了使用電路板的數(shù)量，減少了系統(tǒng)負擔。閥島控制系統(tǒng)依靠X5045得以獲得穩(wěn)固的屏障，監(jiān)控時間段的設置和改變權(quán)利附著于X5045上，可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。當總線設置不存在任何操作時，X5045會發(fā)出相應信息，控制RESET輸出高電平信號，此時C2、R3微分電路會自動輸入正脈沖，幫助CPU操作復位行動。CPU通過Watchdo昏人工、上電三類復位信號來完成有效控制，RESET端會自動處理該信號，同時能將低電壓因素排除在外，保證系統(tǒng)的正常運行。出現(xiàn)正常值大于電源電壓的情況時系統(tǒng)會維持該值，進一步完成復位工作。
1 AD9852和TMS320C6701簡介
該系統(tǒng)選用的直接頻率合成器是AD公司生產(chǎn)的AD9852，它能產(chǎn)生頻率、相位、幅度可編程控制的高穩(wěn)定的模擬信號。在最高系統(tǒng)時鐘300MHz時，輸出頻率的范圍可達DC-120MHz，精度可達1.066μHz，頻率轉(zhuǎn)換速度可達每秒1×10 8個頻率點；具有14位數(shù)控調(diào)相和12位數(shù)控調(diào)幅功能；具有相移鍵控（PSK）、掃頻功能（CHIRP）和頻移鍵控（FSK）功能。
該系統(tǒng)選用的數(shù)字信號處理芯片（DSP）是TI公司生產(chǎn)的高速浮點TMS320C6701，其內(nèi)部CPU集成了8個并行功能單元，配有32個32位通用寄存器，它在6ns周期時間里最多可同時執(zhí)行8條32位指令，其運算能力可達1G FLOPS；存儲器尋址空間為32位，可尋址8/16/32位數(shù)據(jù)；有4個自加載的DMA傳輸通道。
2 TMS320C6701與AD9852接口電路
TMS320C6701是本系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是將控制信號和信號波形參數(shù)發(fā)送到AD9852內(nèi)部相應的控制寄存器，二者的接口電路原理框圖如圖1所示。
對AD9852內(nèi)部控制寄存器可以進行并口或串口的讀寫操作。因為AD9852的串口傳輸速率最大僅為10MHz，而并口傳輸速率可達高達100MHz，為了提高DSP對AD9852的控制速度，本系統(tǒng)采用了并行接口方式，三片AD9852的8位數(shù)據(jù)總線同時占用DSP數(shù)據(jù)總線的D0～D7位，它們的6位地址總線同時點用DSP地址總線的A2～A7位。由于AD9852器件沒有片選輸入信號。需要利用DSP的寫信號/AWR、片選信號/CE0和高位地址數(shù)據(jù)線的第A21～A20位，并由EPLD對其進行譯碼要成WRB NO.1、WRB NO.2和WRB NO.3寫信號，分別控制三片AD9852器件的寫信號WRB，該寫信號負責把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入到AD9852的I/O緩沖寄存器中數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)寫入到AD9852的I/O緩沖寄存器中進行緩存，這樣就實現(xiàn)了片選不同AD9852芯片目的。
TMS320C6701還控制EPLD產(chǎn)生三片AD9852需要的復位信號RESET和外部更新時鐘EXT I/O UPDATECLK。為了使三片AD9852和EPLD之間系統(tǒng)時鐘同步，它們的外部參考時鐘REFCLK由同一個50MHz的溫補晶振提供。
3 三片AD9852同步工作的關(guān)鍵技術(shù)
為了實現(xiàn)三片AD9852輸出信號波形相位同步，必須保證所有的AD9852芯片在同一個系統(tǒng)時鐘節(jié)拍下工作，每個AD9852的系統(tǒng)時鐘之間的相位誤差應該最大不超過一個周期。AD9852內(nèi)部系統(tǒng)時鐘形成原理圖如圖2所示。AD9852有關(guān)分或單端兩種參考時鐘形式，它們既可以直接形成系統(tǒng)時鐘，又可以通過參考時鐘倍頻器倍頻后形成系統(tǒng)時鐘，選擇哪種參考時鐘和是否通過參考時鐘倍頻器倍頻可由用戶根據(jù)需要自行設置；異步的外部更新時鐘經(jīng)過邊沿檢測電路后與系統(tǒng)時鐘同步，形成上升沿，觸內(nèi)部控制寄存器更新內(nèi)容。從上述分析中可以看出，只有三處AD9852芯片參考時鐘同步，才能避免它們系統(tǒng)時鐘彼此之間不同步。下面介紹影響三片AD9852芯片同步工作的幾個關(guān)鍵信號。
3.1 參考時鐘信號
實現(xiàn)多片AD9852芯片同步的首要要求是每個AD9852的輸入?yún)⒖紩r鐘之間必須有最小的相位差。本系統(tǒng)要求用一個時鐘信號源產(chǎn)生四路相干時鐘分別分配給EPLD和三片AD9852，這給保證時鐘信號的驅(qū)動能力和信號完整性帶來了難度。本系統(tǒng)的解決辦法是將溫補晶振產(chǎn)生的信號首先傳送到一個零延遲時鐘驅(qū)動芯片CY2305的輸入端，再由該芯片輸出四路同步時鐘信號，其中一路時鐘直接供給EPLD，其它三路時鐘分別輸入給三個MAX9371芯片，此芯片把輸入的單端LVTTL電平時鐘轉(zhuǎn)化成差分LVPECL電平時鐘后，再分別輸入給三片AD9852芯片。為了使輸入到每個AD9852的參考時鐘信號的延遲時間保持一致，需要采用蛇形差分對的走線方法精心布線，使參考時鐘PCB走線距離相同。本系統(tǒng)AD9852的參考時鐘之所以采用差分輸入模式，是因為它不僅可以抑制時鐘信號上的共模噪聲，而且它還具有最小的率和更短的上升和下降時間（小于1ns）。
3.2 更新時鐘信號
在對AD9852進行控制編程時，寫入AD9852的數(shù)據(jù)首先被緩存在內(nèi)部的I/O緩沖寄存器中，不會影響到AD9852的工作狀態(tài)；只有當AD9852的更新時鐘信號的上升沿到來時，觸發(fā)I/O緩沖寄存器把數(shù)據(jù)傳送給內(nèi)部控制寄存器以后才改變AD9852的工作狀態(tài)。更新時鐘信號的產(chǎn)生有兩種方式，一種是由AD9852芯片內(nèi)部自動地產(chǎn)生，用戶可以對更新時鐘的頻率進行編程來產(chǎn)生固定周期的內(nèi)部更新時鐘；另一種是由用戶提供外部更新時鐘，此時AD9852 I/O UD引腳為輸入引腳，由外部控制器提供信號。
在同時定改三片AD9852內(nèi)部的頻率和相痊控制寄存器的過程中，為了防止因數(shù)據(jù)建立和保持時間的原因而出現(xiàn)編程信息傳輸錯亂，使AD9852的輸出信號失去同步，本系統(tǒng)使用由EPLD提供的同一個外部更新時鐘信號。若使用AD9852內(nèi)部更新模式，盡管可以簡化系統(tǒng)設計，但因為AD9852內(nèi)部時鐘頻率較高，會受到AD8952接口速率的限制，使AD9852的控制時序不易控制。對外部更新時鐘信號的PCB布線同參考時鐘的要求一樣，必須使它的上升沿同時到達每片AD9852.
3.3 復位信號
該系統(tǒng)三片AD9852使用同一個復位信號，它在系統(tǒng)上電后和發(fā)送控制數(shù)據(jù)之間由EPLD產(chǎn)生，對AD9852的所有寄存器進行初始化，使相位累加器的狀態(tài)被設置為初始零 相位，使三片AD9852輸出信號相位同步有個參考起始點；它也可以控制AD9852內(nèi)部的14位相位調(diào)整控制寄存器，根據(jù)實際需要使它們輸出的模擬信號之間保持一定相位差，它調(diào)整相位的精度可達到0.022°。
3.4 參考時鐘信號倍頻
輸出頻率較低的溫補晶振性價比較高，當使用它產(chǎn)生參考時鐘信號時，需要使用AD9852片內(nèi)參考時鐘倍頻器的鎖相環(huán)電路，實現(xiàn)4～20倍頻后才成為系統(tǒng)時鐘信號，這使多片AD9852芯片同步工作的問題變得復雜了，這是因為AD9852內(nèi)部的鎖相環(huán)工作有兩個狀態(tài)；鎖定狀態(tài)和獲得鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)，系統(tǒng)時鐘信號和輸入的參考時鐘信號可以保持同步。但當給AD9852發(fā)送控制指令時，其參考時鐘倍頻器工作后的一小段時間內(nèi)，鎖相環(huán)不能立刻鎖定，它工作在獲得鎖定狀態(tài)，此時傳送到AD9852的相位累加器的系統(tǒng)時鐘周期個數(shù)是不可控的，直接導致三片AD9852輸出的信號之間相位不能同步，因此一定要等待鎖相環(huán)工作在鎖定狀態(tài)以后，再更新AD9852內(nèi)部頻率或相位等控制字。AD9852片內(nèi)鎖相環(huán)鎖定典型時間約為400μs，由于每個AD9852的鎖定時間不盡相同，建議至少留出1ms時間給鎖相環(huán)鎖定。
3.5 數(shù)據(jù)總線和地址總線信號
TMS320C6701的數(shù)據(jù)總線和地址總線需要同時與EPLD和三片AD9852相連接，為了提高總線的驅(qū)動能力，DSP輸出的總線需要通過TI公司的SN74LVTH162245芯片進行驅(qū)動后才能與這些異步接口的器件相連接。但是，這樣直接加上驅(qū)動的數(shù)字總線和地址部被三片AD9852分時復位會帶來另一個潛在的問題，即復用的總線給多片AD9852之間提供了一個互相耦合電氣通道，使它們的模擬輸出信號之間的隔離度可能達不到60dB的系統(tǒng)指標要求，故需要進一步改進。本系統(tǒng)采用的方法是使被復用的TMS320C6701總線上的每一路信號首先驅(qū)動SN74LVTH162245上的四個輸入端，這樣就可以從它的輸出端得到四個被相互隔離的四路相同信號，然后再各自加端接匹配電阻，對每路信號進行匹配后再接到各自的終端。這樣不僅解決了信號隔離問題，還很好地解決了一路信號線因驅(qū)動多路終端所引起的傳輸阻抗不匹配的問題。
4 AD9852的操作控制時序
（1）給系統(tǒng)上電，DSP控制EPLD產(chǎn)生復位信號RESET，此信號需要至少保持10個參考時鐘周期的高電平；
（2）依次給每個AD9852發(fā)送控制字，使每個AD9852工作狀態(tài)由缺省的內(nèi)部更新時鐘模式改變成外部時鐘更新模式；
中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0087-02
在無線通信技術(shù)領(lǐng)域中，GaN高電子遷移率晶體管作為最新的半導體功率器件，由于其本身具有寬禁帶以及擊穿場強高、功率密度高等特征優(yōu)勢，在高頻以及高功率的功率器件中具有較為突出的適用性，在電子信息系統(tǒng)性能提升方面具有較為明顯和突出的作用優(yōu)勢，在無線通信技術(shù)領(lǐng)域的應用比較廣泛。針對這一情況，本文在進行射頻功率放大器及其電路的設計中，專門采用ADS仿真軟件對于射頻功率放大器及其電路的設計進行研究分析，并對于仿真設計實現(xiàn)的射頻功率放大器在無線通信技術(shù)領(lǐng)域中的應用和參數(shù)設置進行分析論述，以提高射頻功率放大器的設計水平，促進在無線通信技術(shù)領(lǐng)域中的推廣應用。
1 射頻功率放大器的結(jié)構(gòu)原理分析
結(jié)合功率放大器在無線通信系統(tǒng)中的功能作用以及對于無線通信技術(shù)的影響，在進行射頻功率放大器的設計中，結(jié)合要進行設計實現(xiàn)的射頻功率放大器的工作頻帶以及輸出功率等特點要求，以滿足射頻功率放大器的設計與應用要求。在進行本文中的射頻功率放大器設計中，主要通過分級設計與級聯(lián)設置的方式，首先進行射頻功率放大器的功率放大級以及驅(qū)動級設計實現(xiàn)，最終通過電路設計對于射頻功率放大器的兩個不同級進行連接，以在無線通信中實現(xiàn)其作用功能的發(fā)揮，完成對于射頻功率放大器的設計。需要注意的是，在進行射頻功率放大器的功率放大級結(jié)構(gòu)模塊設計中，主要應用GaN高電子遷移率晶體管進行射頻功率放大器功率放大級結(jié)構(gòu)模塊的設計實現(xiàn)，同時在功率放大級結(jié)構(gòu)模塊的電路設計中，注重對于輸出功率保障的設計；其次，在進行射頻功率放大器的驅(qū)動級結(jié)構(gòu)模塊設計中，以C波段的功率放大模塊設置為主，電路設計則以增益提升設計為主，并對于增益平坦度和輸出輸入駐波進行保障。如圖1所示，即為射頻功率放大器的功率放大級模塊設計示意圖。
2 射頻功率放大器及其電路的設計分析
結(jié)合上述對于射頻功率放大器的結(jié)構(gòu)原理分析，在進行射頻功率放大器的設計中，主要包括射頻功率放大器的功率放大級設計和驅(qū)動級水，此外，對于射頻功率放大器電路的設計，也需要結(jié)合兩個結(jié)構(gòu)模塊的實際需求進行設計實現(xiàn)的。
2.1 射頻功率放大器的功率放大級模塊設計
在進行射頻功率放大器的功率放大級模塊設計中，主要采用GaN高電子遷移率晶體管進行該結(jié)構(gòu)模塊的設計實現(xiàn)，需要注意的是，在應用GaN高電子遷移率晶體管進行該結(jié)構(gòu)模塊的設計實現(xiàn)中，由于GaN高電子遷移率晶體管目前還不具有較大的信號模型，因此，在進行該結(jié)構(gòu)模塊設計中，注意結(jié)合實際設計需求進行選擇應用。在進行射頻功率放大器的功率放大級結(jié)構(gòu)模塊設計中，通過直流偏置仿真設計對于氮化鎵管子的靜態(tài)工作點進行確定，也就是實現(xiàn)氮化鎵管子的漏極電流以及漏極偏置電壓、柵極偏置電壓等參數(shù)的確定，在對于上述氮化鎵管子靜態(tài)工作點進行確定后，通過ADS仿真軟件實現(xiàn)場效應管直流的仿真設計，同時注意在仿真設計中進行二端口模型的添加，并結(jié)合上述GaN高電子遷移率晶體管的信號模型情況，進行S參數(shù)信號的編輯導入，同時進行直流偏置仿真控件的加入，進行相關(guān)數(shù)值的確定，以實現(xiàn)射頻功率放大器的功率放大級設計。
此外，在進行射頻功率放大器功率放大級負載阻抗的設計中，根據(jù)相關(guān)理論，在負載阻抗與網(wǎng)絡匹配良好的情況下，負載阻抗的共軛復數(shù)與網(wǎng)絡的輸出阻抗值是相同的，因此，就可以通過計算對于射頻功率放大器功率放大級負載阻抗值進行分析得出，實際上也就是它的共軛復數(shù)值。同時，在進行功率放大級設計中，結(jié)合封裝參數(shù)輸出端的阻抗模型，設計中為了實現(xiàn)場效應管輸出電路匹配的優(yōu)化，以為輸出電路進行準確的負載阻抗提供，還需要在設計過程中將場效應管的封裝參數(shù)在輸出匹配電路中進行設計體現(xiàn)，因此就需要對于Cds參數(shù)值進行求取。
最后，在射頻功率放大器功率放大級設計中，偏置電路主要是用于將直流供電結(jié)構(gòu)模塊中所提供的電壓附加在功率放大器的柵極與漏極中，并實現(xiàn)射頻信號以及濾波的隔離和電路穩(wěn)定實現(xiàn)。在進行功率放大級的電路設計中，注意使用ADS軟件工具對于微帶線尺寸進行計算，病毒與全匹配電路進行微帶線設計，同時通過柵極偏置電路與漏極饋電電路，以實現(xiàn)功率放大級的電路設計。此外，在進行功率放大級模塊設計中，還應注意對于模塊中的任意功率放大芯片，都需要進行相關(guān)的穩(wěn)定性分析，以避免對于射頻功率放大器的作用性能產(chǎn)生影響。
2.2 射頻功率放大器的驅(qū)動級模塊設計
在進行射頻功率放大器的驅(qū)動級模塊設計中，主要通過C波段功率放大模塊進行該結(jié)構(gòu)模塊的設計應用。其中，在對于驅(qū)動級模塊的參數(shù)設置中，對于輸出、輸入?yún)?shù)均以內(nèi)匹配方式進行匹配獲取。對于射頻功率放大器的驅(qū)動級設計來講，進行功率放大模塊偏置電路的合理設計，是該部分設計的關(guān)鍵內(nèi)容。
最后，在進行射頻功率放大器的電路設計中，在進行功率放大模塊電路設計中，GaN HEMT結(jié)構(gòu)部分需要進行柵壓的增加設置，并且需要注意柵壓多為負壓，在此基礎上還需要進行漏壓增加設置。值得注意的是，在進行射頻功率放大器的偏置電路設計斷開同時，對于柵壓和漏壓的斷開順序剛好相反，以避免對于功放管造成損壞。
3 結(jié)語
總之，射頻功率放大器作為無線通信技術(shù)領(lǐng)域的重要器件，對于無線通信技術(shù)的發(fā)展以及通信質(zhì)量提升都有重要作用和影響，進行射頻功率放大器及其電路的設計分析，具有積極作用和價值意義。
參考文獻
關(guān)鍵詞：醫(yī)用診斷設備；光電檢測；前置放大電路；AD8034
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.2.006
引言
在用于臨床檢驗科室的醫(yī)用體外診斷設備中，大量應用光學信號的變化來分析血液、尿液和腦脊液等體液成分，因此光電檢測電路設計被廣泛應用于該類設備。醫(yī)用光電檢測電路根據(jù)光學信號變化情況可以分為兩大類，第一類是用于檢測近似靜止或者光學信號的緩慢變化，如應用比色法進行檢測的生化分析儀和血凝儀等的低頻光電檢測電路，第二類是用于檢測光學信號的快速變化，如用于血液細胞分析儀和流式細胞儀的高頻光電檢測電路。
本文介紹一種用于上文中第二類光學信號檢測的高頻光電檢測模擬電路設計，該前置放大電路作為一個獨立PCB板設計，封裝為用于光電轉(zhuǎn)換的前置放大器，整個系統(tǒng)的電氣性能主要由該模塊決定。本設計的檢測對象是波長為535nm附近的綠光信號，該信號是由快速經(jīng)過光照區(qū)的細胞所引發(fā)的散射光信號，根據(jù)細胞經(jīng)過光照區(qū)的速度，散射光信號變化頻率在1MHz～1.8MHz之間。
1 系統(tǒng)方案
由于散射光信號的光功率很低，為了減少信號轉(zhuǎn)換中引入的干擾，同時適合醫(yī)用設備的光學應用場景，本設計采用了傳感器偏置模塊、帶寬補償模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊和信號調(diào)理輸出模塊的系統(tǒng)設計方案，如圖 1所示實現(xiàn)完整的光學檢測前置放大電路設計。
前置放大電路包含光電轉(zhuǎn)換傳感器、帶寬補償電路、I/V轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路，將光信號轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號輸出給后續(xù)儀器處理電路，該光電檢測電路封裝為用于光電轉(zhuǎn)換的前置放大器，本文重點介紹該電路的設計實現(xiàn)。
2 傳感器偏置設計
前置放大模塊的電路性能是本設計的關(guān)鍵，需精心進行設計和調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)光信號特點，選用日本濱松公司的S1223型光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感器。S1223的有效接收面積為2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置電壓的條件下，可以提供25MHz的信號頻率響應，在400～1000nm波長范圍內(nèi)具有良好的光電轉(zhuǎn)換性能，能夠滿足光信號轉(zhuǎn)換的要求。
如圖3光電二極管S1223使用VB=-12V偏置，為了防止電流過大損壞光電二極管，反偏電路中加入了20kΩ的限流電阻，此時的反偏電壓不小于10V，由圖 2可知S1223中存在約50pA暗電流，通過I/V轉(zhuǎn)換之后產(chǎn)生的電壓在uV級水平，對電路性能沒有影響。
3 帶寬補償設計
由于引入限流電阻將導致電路在高頻信號下，光電流大部分以電荷形式儲存在光電二極管的結(jié)電容中，流出的電流很小，簡單說就是造成信號帶寬下降，具體如下式所示：
其中C1=0.1μF。當C1>>Cs時（一般10倍以上），就可以保證光電流基本無損的經(jīng)過后續(xù)I/V轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)帶寬補償。
4 I/V轉(zhuǎn)換設計
光電二極管輸出的電流信號難以被電路直接放大，一般都是先經(jīng)過I/ V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴１驹O計I/V轉(zhuǎn)換電路采用成熟的跨阻放大器來實現(xiàn)，基本電路模型如圖 5所示。
通常I/V轉(zhuǎn)換電路使用FET型輸入的運算放大器實現(xiàn)，應選擇偏置電流小，輸入電容低和失調(diào)電壓溫漂系數(shù)低的高開環(huán)增益運放，此外需著重關(guān)注電流噪聲、電壓噪聲、輸入電容、增益帶寬積等參數(shù)。在本設計中，I/V轉(zhuǎn)換部分信號帶寬最小取3MHz，運放的增益帶寬積選擇由反饋電阻Rf、總輸入電容Ci和信號帶寬共同決定。總輸入電容Ci為二極管電容與運放輸入電容之和。
通常運放的輸入電容為幾個pF，S1223在反向偏置時的結(jié)電容為20pF，估算走線電容為2pF，運放的輸入電容取8pF，因此取Ci=30pF計算。圖5中的電路在45°相位裕度的時候有下面的公式關(guān)系，其中f2表示帶寬高限頻率，此處即3MHz，ft表示運放的最小單位增益帶寬。
根據(jù)系統(tǒng)光信號在光電二極管S1223上的電流范圍、板卡輸出電壓信號峰峰值確定I/V變換電路的反饋電阻取R2 =6.2kΩ，根據(jù)上面公式得I/V變換的運放增益帶寬積必須大于10.5MHz。綜合上述考慮，本設計采用ADI公司的AD8034實現(xiàn)，其增益帶寬積為80MHz。
另外在I/V變換電路中，為了使電路穩(wěn)定，需要在反饋電阻上并聯(lián)一個電容，以減少電路的不穩(wěn)定性，即圖5中的Cf。根據(jù)下面信號帶寬計算公式
2.56MHz，通帶增益為1。根據(jù)放大倍數(shù)、帶寬和增益帶寬積間的簡單關(guān)系，同樣選擇ADI公司的AD8034。同時，為了去除低頻信號的干擾，電路中引入一級由RC電路組成的高通電路，截止頻率根據(jù)R2、C2值可簡單計算得到高通截止頻率為16Hz。
6 信號帶寬分析
分析各級電路模塊的信號帶寬，可以計算得到整個電路的信號帶寬：
1）光電二極管S1223的帶寬：25MHz；
2） I/V轉(zhuǎn)換級的帶寬：為1階低通模型，可知低通截止頻率為5.1MHz；
3）1階高通模型的帶寬：為1階高通模型，可知高通截止頻率為16Hz；
4）固定增益環(huán)節(jié)的帶寬：為1階低通模型，可知低通截止頻率為3.18MHz；
5）2階巴特沃茲低通濾波器的帶寬：低通截止頻率為2.56MHz。
綜上，根據(jù)多級放大電路頻響的上限截止頻率計算公式
計算可得，整個光電檢測前置放大電路的信號通帶范圍為（16 Hz～2.07M Hz），帶寬約為fH=2.07M Hz，滿足光學信號的設計需求。
7 噪聲分析
根據(jù)多級放大電路的原理，本文介紹的光電檢測前置放大電路的噪聲主要決定于I/V轉(zhuǎn)換電路引入的噪聲。對用于高速光電信號轉(zhuǎn)換的I/V轉(zhuǎn)換電路，該級噪聲主要為運放的電壓噪聲和Rf的電阻熱噪聲。由于整個電路的的信號帶寬為fH=2.07MHz，取等效噪聲帶寬變換因子為1.57，同時后級放大級增益為G=10，則結(jié)合圖5所示的I/V轉(zhuǎn)換等效電路模型，整個電路的噪聲計算如下：
結(jié)語
本文介紹的醫(yī)用光電檢測前置放大電路設計，在研制過程中經(jīng)歷多次試驗，結(jié)果表明滿足開發(fā)的臨床診斷設備應用需求，且具有電路形式簡單、噪聲性能良好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，可以在同類醫(yī)用診斷設備的設計應用中加以推廣，具有良好的應用前景。
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