电路设计论文范文

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第1篇

在学生愿意主动来到课堂学习的前提下，吸引学生的学习兴趣更为重要。为了可以让学生兴趣盎然地参与到教学过程中来，教师在能讲述知识的前提下，还要能激发学生的学习动机，唤起学生的求知欲望。在这方面，教师可以结合实际应用，讲述一些射频集成电路在日常生活中的应用。比如，美国半导体产业协会（SIA）总裁兼执行长BrianToohey曾指出：“从物联网、智能汽车、智能家居等市场都可以看出，半导体普遍出现在每一种产品类型中，而且正变得无处不在。”仅仅在我们每天使用的智能手机中就包含RF收发器、功率放大器、天线开关模块、前端模块、双工器、滤波器及合成器等关键射频元件。而且有报告指出，2011年这些射频器件的市场规模为36亿美元，预计2011~2015年的年复合增长率为5.6%，到2016年主要的射频器件市场将达47亿美元。此外，目前应用比较广泛的WiFi及物联网都与射频集成电路有着密切的关系。这些切实应用由于与学生的生活以及将来的就业息息相关，因此，相关内容的讲述能够有效地激发学生的学习热情。

二、如何让学生成为课堂的主人

“以教师为中心”“以灌输为主要形式”的传统教学方式已经无法适应新时代的需求。如果教师仅根据教材对内容进行枯燥的讲解，无法抓住学生的注意力，学生很容易溜号，影响课堂教学质量。因此可以通过引进研究型教学模式、师生互动来活跃课堂气氛。所谓“研究型教学模式”即将教师由知识的传授者转变为学习的指导者，将学生由被动的学习转变为主动的学习。如何使学生成为课堂的主人，在教学实践中发现培养学生的问题意识是课堂教学的有效手段，教师可以通过创设开放的问题情景，引导学生进入主动探求知识的过程，使学生围绕某类主体调查搜索、加工、处理应用相关信息，回答或解决现实问题。比如，以射频技术在物联网中的应用为开放课题，学生通过查资料，分析整理，更深刻体会了射频技术在智能家居、交通物流、儿童防盗等方面的应用，使学生在学习过程中主动把“自我”融入到课程中，敢于承担责任，善于解决问题。

三、让学生走上讲台

学生是课堂的主人，因此，可以改变以往教师在讲台上讲、学生坐在下面听的传统教学模式。让学生走上讲台可以将传统的讲授方式转换为专题研讨的教学模式。教师可以提前布置专题内容，如射频器件模型、射频电路设计、射频技术发展、射频技术的应用及未来发展趋势等。有个专题内容作为核心，学生可以在老师的指导下通过检索资料，组织分析资料，最终走上讲台向老师和其他学生讲述相关的内容。通过几年的实践，发现这样可以增加学生学习的主动性和自觉性、同时也能使学生对相关的问题发表各自的观点，形成对问题各抒己见、取长补短的研讨学习方式，大大拓宽学生的知识面以及综合表述能力。

四、通过实践教学加深理解理论教学内容

理论教学是掌握一门技术的基础，但实践教学也是必不可少的。学生在掌握一定的基础理论的同时，须要通过设计实践来强化巩固。实践教学的引入，不仅能够加深学生对理论知识的深入理解，洞悉细节，提高学生的动手能力，还可以培养学生创新思维及科研能力。因此，教师可以通过设置几个开放的课程设计内容来让学生主动研究探索。在本课程的教学中，本人已经有计划地进行了实践教学活动，例如，在实践教学中，曾经给学生布置了“用于GPS的低噪放电路设计”的实践设计。在该设计过程中，学生须要深入理解多方面知识，比如明确GPS的频段、确定低噪放的电路结构，并有效评估电路性能等。为了课程设计的顺利进行，学生须要进行查阅分析资料、软件安装、软件学习、电路设计、课程论文撰写等几个环节的分析设计工作，并最终在实践中系统深刻地理解掌握课程的理论内容，为以后的工作及深造打下坚实的基础。

五、鼓励学生参与科研项目

第2篇

采用介电润湿机理操控微液滴技术，系统的功耗极低，因此微液滴操控电路的设计对电流无要求；但考虑电流过大会导致介电层被击穿发生电解以及加剧微液滴的蒸发，所以要求控制电路输出电流应尽量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接触角的余弦值与外加电压的平方成正比［7］，为了使接触角大范围内连续变化，要求电压幅值大范围可调；另外，微液滴输运与分离所需电压幅值相差很大，也要求电压幅值大范围可调［8］。根据项目需求，使用的数字微流控芯片包含128个驱动电极，每个电极最高承受电压为200V。因此，设计的驱动电路需要满足以下指标：1）电路由单一5V2A直流电源供电，输出有128路，每路可独立输出方波。2）每路输出电压幅值为0～200V，频率为10～1000Hz，电压幅值和频率均可调，并且输出电压精度为±0．5V。3）人机界面采用计算机控制，并与驱动电路使用USB2．0接口通信，计算机向驱动电路发送各路输出电压幅值和频率信息。

2设计方案

2.1总体方案根据系统要求，所设计的驱动电路应具有将5V电压升至200V的能力，实践中常采用拓扑结构为DC－DC升压变换器的电路以实现升压［9－10］，但对于复杂的数字微流控系统采用该方式会导致驱动电路的体积过于庞大。为缩小电路体积以节省实验空间，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驱动电路，电路结构如图3所示。计算机通过由软件LabVIEW搭建的窗口界面向驱动电路中的单片机发送128路方波输出的电压幅度和频率信息，单片机对计算机发送的指令进行解析，然后以特定时间间隔向32通道D／A芯片发送相应的方波电压信息，进而实现指定频率和幅度的方波输出。

2.2单片机设计的电路中所使用的单片机为PIC24H，该系列单片机是美国微芯科技公司推出的十六位精简指令集微控制器，具有高速度、低工作电压、低功耗等特点，以及较大的输出驱动能力和较强的计算能力。PIC24H的主要任务为：接收由计算机输入的电压幅值与频率信息，根据频率计算出方波周期，然后每半个周期时间向D／A芯片分别发送输出方波最大和最小电压幅值指令，进而实现特定电压幅值和频率的方波输出。电路连接时，将USB芯片输出端口D0～D7，以及RD、WR、TXE和RXF分别与单片机任意I／O口相连接，实现从USB芯片并行I／O接口的数据读取；将D／A芯片输入端口SCLK、DIN、SYNC分别与单片机其他空余I／O口相连接，实现单片机对D／A芯片输出的控制，电路连接原理框图如图4所示。驱动电路使用USB接口芯片可实现完成USB串行总线和8位并行FIFO接口之间的相互协议转换。其优点在于，对于开发者只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。

2.3USB接口芯片的设计驱动电路中的USB接口芯片选用FT245R，该芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，与其他芯片相比，应用FT245R芯片进行USB外设开发，只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。此外，FT245R支持USB2．0规范，满足项目需求。FT245R芯片可实现USB接口与并行I／O接口之间数据的传输。USB收发器从计算机接受USB串行数据后，由串行接口引擎将数据转换成并行数据，储存在FIFO接收缓冲区，当读取信号为低时，就将接收缓冲区的数据送到并行输出数据线上。考虑电磁兼容性设计，在USB接口的电源端连接一个磁珠，以减少设备的噪声和USB电缆辐射对芯片产生的电磁干扰。

2.4D／A的配置及电源设计电路中使用的32通道D／A芯片最高输出电压为200V，精度为14bit，满足每路输出电压幅值和精度的要求。电路的128通道输出可由4片A／D芯片实现。A／D芯片的输出电压由单片机控制，由于单片机PIC24H与A／D芯片都支持SPI协议，因此本电路使用SPI接口传输完成单片机和A／D之间的通信。A／D芯片要实现0～200V范围内的电压输出，需要配置－5V、4．096V、5V和200V，而电路只有5V直流供电，因此需将5V转换为－5V、4．096V和200V。设计的电路中分别选用相应的升压芯片完成电压的转换。

3电路制作

根据上述设计方案，选取合适的芯片，制作完成该驱动电路，电路如图5所示。向该电路输入相应的输出电压指令，测得在0～180V的范围内，实际输出电压和期望输入电压之间的误差基本小于0．1V，满足设计要求。所设计的电路在15V、50V、75V、125V、175V这5个采样点上相应的输入－输出数据如表1所示。在0～180V的输出范围内，等间隔的选择180个点，获得输入指令和输出电压之间的关系曲线如图6所示，电路的输出电压在0～200V范围内均与输入电压指令相符。实验中的数字微流控芯片需要实现对液滴的基本操作，其方法为对液滴移动路线上的电极依次通电，所加电压为交流电压。交流电压可以通过在指定时刻对D／A芯片输入相关输出电压信息，从而获得所需交流电压输出。经过实验验证，所制作的电路可以实现对数字微流控芯片上液滴的控制。液滴移动如图7所示。

4结论

第3篇

电路设计尤其是超声波信号的收发处理采用诸如TX734激励电路、MAX2038回波放大处理电路等专用IC效果固然理想，但考虑到研发专用设备仅需小批量试制的因素，故在电路方案选型设计时遵循简单实用、器件易于采购的原则，尽量选用通用元器件实现，系统电路主要由超声波发射激励和电源变换单元、超声波回波信号处理单元、时间差测量单元、单片机控制和数据处理单元组成。排版布线亦尽量参照IC生产厂商的DEMO方案，采用贴片元件的双面PCB设计制作，以提高样机研发的一次性成功率。

1.1超声波收发电路由于检测装置工作于井下，井口只为其提供了一路＋24V直流电源，各单元电路的工作电源需要依靠DC／DC变换电路获得。控制系统和信号处理系统使用的＋5V和±12V电源由LM2596－5．0承担，其主路输出＋5V／2A电源供单片机等数字系统使用，将其储能电感改用5026－47μH环形功率电感，并在其上增加两个辅助绕组，经整流、滤波和LM78（79）L12三端稳压IC后产生±12V／0．1A直流电源供信号处理系统使用；超声波发射采用了高压脉冲激励方式，＋200～300V激励电压由＋24V供电电压经简单的Boost升压电路获得，利用单片机送来的1ms周期、5μs脉宽脉冲信号控制MOSFET开关管实现对超声波发射探头的激励，储能电感选用TDK－NL565050T－822J－PF（8．2mH）贴片电感，NMOS开关管选用2N60即可。超声波激励及电源变换电路如图2所示。经实测，激励脉冲会在接收探头中产生一个较大的谐振频率为5MHz、大约5个周期的串扰信号，为此，接收电路设计了一个对发射激励脉冲延迟6μs、持续30μs的使能控制信号，控制接收放大处理电路仅在使能信号有效期间实现回波信号的放大和输出，使之能够在钢管内壁和外壁反射的一次、二次回波信号到来之前有效地消除激励脉冲串扰的影响，使能控制信号时序关系见图3。检测装置中用于时间差测量的TDC－GP2的典型应用是作为超声波流量计、激光测距仪的时间间隔测量、频率和相位信号分析等高精度测试领域。在这些应用中输入信号一般都较强，经简单处理后即可作为TDC－GP2的START、STOP控制信号使用，而该检测装置的超声波回波信号尤其是多次反射回波信号非常微弱且杂波较大（实测回波信号大约在mV数量级），必须经高增益宽带放大器放大和滤波、检波、整形处理后才能胜任。宽带放大器由AD604承担，可获得6～54dB的增益并可由VGN端电压连续控制，可较好地满足超声波回波信号高速高增益放大的要求［2］。考虑到仅需将回波信号放大处理后形成STOP控制脉冲即可，故电路仅利用可调电阻对2．5V基准电压（由TL431产生）分压获得的VGN电压进行增益设定，但设计电路亦有预留接口可用于接受经单片机和DAC输出的AGC控制电压，实现增益的闭环控制。AD604前级放大电路如图4所示。带通滤波器选用由MAX4104构成，设计中心频率为5MHz，带宽约为1MHz；钳位和检波由AD8036完成，具有卓越的钳位性能和精度高、恢复时间短、非线性范围小、频带宽的特点；检波输出信号的整形处理由MAX9141负责，这是一款具有锁存使能和器件关断功能的高速比较器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和满摆幅输入特性等，回波信号经其整形处理后可获得理想的脉冲前沿，并便于与TTL逻辑电平接口，还可以方便地实现回波信号输出的使能控制。信号调理电路如图5所示。

1.2时间差测量电路回波信号时差测量选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC－GP2。TDC－GP2采用44脚TQFP封装，内含TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RLC测量单元及与8位处理器的接口单元和温度补偿单元等主要功能模块，利用内部ALU单元计算出时间间隔，并送入结果寄存器保存。TDC－GP2基于内部的硬件电路测量“传输延时”，以信号通过内部门电路的传输延迟来实现高精度时间间隔测量，测量分辨率可达pS数量级，可以很好满足项目测量的要求。单片机在给超声波传感器提供发射激励脉冲的同时给TDC－GP2提供START信号指令使之开始计时工作，超声波接收头接收到的反射回波信号经放大、处理后作为STOP指令信号，由TDC－GP2完成两次反射波时间间隔的测量。由前述可知，STOP与START信号的时间差大约在6～40μS之间，时差测量分辨率约为0．07μs，为此，设定TDC－GP2工作于“测量模式2”，在该模式下芯片仅使用通道1，可允许4个脉冲输入，实现STOP1与START信号之间的时间差测量，测量范围在60ns～200ms，然后，由TDC－GP2计算出各回波信号间的时间差Δt＝tB－tS＝tn－tn－1。测量原理如下：在输入START信号指令后，芯片内部测量出该信号前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc1；之后，计数器开始工作，得到predivider的工作周期数，并标记为Cc；这时，重新激活芯片内部测量单元，测量出输入的STOP1信号的第一个脉冲（一次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc2，将STOP1信号的第二个脉冲（二次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差标记为Fc3，……；Cal1和Cal2分别表示一个和两个时钟周期。

1.3单片机接口电路实现系统控制和数据处理的单片机选择余地较大，项目结合TI公司中国大学计划选用了美国德州仪器公司生产的MSP43016位单片机，具有16位总线、带FLASH的微处理器和功耗低、可靠性高、抗强电干扰性能好、适应工业级运行环境的特点，很适合于作现场测试设备的控制和数据处理使用［4］。TDC－GP2其与单片机的通信方式为四线串行通信（SPI），利用MSP430的4个P2．x和P4．2I／O口实现GP2的选通、中断和开始、结束使能以及复位等控制功能。MSP430除用来对GP2控制和数据处理外，还可以留出一些资源实现设备其他电路和动作机构的控制使用。单片机接口电路原理和程序流程分别如图8和图9所示。

2结束语

第4篇

1.1基本原理LVDS驱动线路可以有多种结构，常见的包括单电源模式、双电流电源和电压模式。单电流源模式需要较大的电阻，如果采用传输逻辑实现电压驱动，需要复杂的电路对电压进行修正。因此在设计中可以选择双电流源模式进行驱动。电路如图：双电流源模式的电阻需求较小，可以方便的提供恒定电流，相对稳定。双电流源模式，对PMOS管以及NMOS管进行分别设置，形成两个电流镜（M1、M2、M3、M4）。通过适当的调节可以保证电流输出稳定在3.5mA。M2和M4、R组成偏置电路产生偏置电流，然后通过电流镜映射到M1和M3端，为驱动电路提供电流。如果in1是高电平则M5、M8导通，M6、M7阻断。电流从M5通过，从out1输出，经过电阻控制后再从out2输入，进入M8后经过M3，形成一个回路。这样驱动电路输出端out1和out2上的电流相反，形成一个差分信号。

1.2电路模型构建和分析按照前面的分析，M2和M4提供偏置电流，如果要保证电流经过电阻R的电流与偏置电流一致，并控制其参数，根据电流镜的原理，只需要对M1的宽度进行调整，设置为M2的3.5倍。如果此时Ir=1则驱动电路工作电流为3.5mA。同时设定电阻R=200Ω，并确定M2和M4宽长比一致，设定二者漏极电流就可获得其相对应的电压。为了获得稳定的工作电流3.5mA，设计要求M1和M3的漏极电流为3.5mA。根据电流镜的工作原理，可以得到各个关键位置的基本参数。获得相关的M2和M4的比值。在电路输出后，为了保证反转时性能的稳定，M5-M8管应保持参数一致。所以计算其中一个即可获得其他的参数。在电流导通的时候M5是非饱和状态，因此在输出时LVDS的高电压为1.25V，同时电流源的电流为3.5mA，所以MOS开关启动的时候，漏流为3.5mA，而Vds则很小，为100mA。经过计算可以得到M5的宽长比。实际中往往取值较大，因为这样可以减少沟道电阻，加快电平的转换速度。通过仿真可以对LVDS的驱动器进行修正，最终获得各个MOS管的尺寸、电阻和电容等，提高电路的性能。

2LVDS接受设计

在设计中电路的核心部分是接受电路，电路图如下，in1和in2为LVDS输入信号，经过运算和放大后，经由反向器输出。按照电流镜的基本原理其中M3和M4的参数一致。此时Id3为主导，Id4随其发生改变，且二者相等。如果in1和in2相同，此时Id1=Id2；Id3=Id4.从而Id4=Id1=Id2，Iout为零。如果输入的差分信号为共模则电流为零。如果输入信号中in1大于in2则PMOS将发挥作用，此时电流只能从out端流出，而Iout大于零。相反则出现Iout小于零的情况，输入的LVDS信号直接会导致Iout的改变。按照差分放大器的各种性能要求，利用相关公式即可获得相关技术参数，各个点位的电压和电流，如图2中所示。

3结束语

第5篇

以往的拥挤度估计方法分为两类：边界框方法和总体布线方法。由于布线模型没有确定，边界框方法是一种粗略的估计方法。总体布线是一种基于拓扑结构的方法，通常是L型布线或Z型布线。本文采用总体布线的方法来进行拥挤度的估计，模块的边的移动通过总体布线来控制。

2拥挤度驱动的模块边的移动

2.1确定布局区域的大小

改变布局区域的大小的目的是使其能够满足布线需求。首先，将整块电路板划分成m×n个布局区域，用Bij代表每个布局区域，i代表行（i=1…m），j代表列（j=1…n）。如图3所示，xij和xij+1分别代表布局区域Bij的左边和右边，yij和yij+1分别代表布局区域Bij的上边和下边。uijl、uijr、uijt和uijb分别代表通过总体布线得到的布局区域左边、右边、上边和下边布线的数量。H、W、hTile和wTile分别代表电路板的高度、宽度、布局区域原始高度和原始宽度。（1）布通率约束。布线的容量与布局区域边的长度相关联，理想情况下，如果布局区域的边足够大，布线时就不会产生重叠。在布通率约束公式中，用xi,j+1-xij代表布局区域Bij的宽度，用f1（u）表示容纳下u条线所需要的长度，u是通过总体布线得出的。（2）面积约束。此约束是用来确保布局区域可以容纳下其中的所有单元，如果没有此约束，假设布局区域的高是固定的，当布局区域的边不拥挤时，在X方向布局区域内的单元就会产生大量的重叠。（3）移动约束。算法输入的结果是一个已经合法化的布局，所以优化过程有必要不过多的影响原有布局结果，因此需要设置移动约束来限制边的移动。在公式中，C代表边移动的限度，设定C的大小为布局区域宽度的一半。（4）电路板大小约束。最后设定电路板约束来限制边在移动时不要超出电路板之外，保证结果的合理性。

2.2基于最长路径的解决方法

快速有效的解决拥挤问题的方法是基于最长路径技术。为了计算最长路径，需要建立一个有向无环图G（V，E），对于每一条布局区域边Xij用顶点Vij来代替，对于每一种不同的约束这里用有向边来代替，用边Er代替布通率约束，用边Ea代替面积约束，用边Em代替移动约束，就可以找到从左至右最长的一条路径，如图4所示。因为在两个顶点之间有三种约束，所以采用以下的方法计算出两点间的最长路径。其步骤如下：（1）按照布通率约束移动边的时候，边同时受到面积约束和移动约束，如果布通率约束得出的值同时满足面积约束和移动约束，此时就将两点间的距离设置为经布通率约束得出的值（||Er||）。（2）如果得到的值仅满足移动约束而不满足面积约束，此时将两点间的距离设置为有面积约束得到的值（||Ea||）。（3）如果经布通率计算得到的值满足面积约束而不满足移动约束，此时将两点间的距离设置为有移动约束得到的值（||Em||）。（4）如果由布通率计算得到的值对于其他两种约束都不满足，此时先将两点间的距离设置为由移动约束计算得到的值（||Em||），如果同时也满足面积约束，则此值被确定下来，如果不满足面积约束，两点间的距离设置为由面积约束计算得到的值（||Ea||）。基于以上的理论，可以计算出任意两点间的距离，最终确定出一行的长度：（L=Σ||E||）。选出所有行中最长的一行为最长路径（LP）。如果该长度大于电路板的宽度（LP>W），需要压缩此长度使其在电路板之内。因为两点间的距离有三种可能的值，定义经布通率约束和移动约束得到的值（||Er||）、（||Em||）为可压缩值，经面积约束计算得到的值（||Ea||）为不可压缩值。通过定义，将所有（||Er||）、（||Em||）乘以压缩比例s（s=W/(LP-||Ea||）），就得到了满足所有条件的结果。经过上述操作，所有单元会整体向左偏移，并挤压在原本不拥挤的区域，如图5所示。为了避免这种情况，设布局区域边未移动时的坐标为Xi，j，经过从左至右的最长路径操作后得到的坐标为Xli，j，然后将原本输入的需要移动。根据布局区域改变前单元到区域左边和区域右边的比例确定新单元的位置，如图6所示，L1/R1=L2/R2。

3实验验证

实验验证是在一台CPU为2.4GHzIntelXeon，内存4G的机器上完成，采用的ISPD2011比赛实例。选取的7个比赛实例以及由清华大学、国立交通大学、密歇根大学处理的结果，用总体布线工具NCTURouter2.0[11]确定估计的拥挤信息和评估实验结果，对各院校比赛得出的布局结果进行处理优化。实验结果统计在表1中，前缀如SC代表清华大学，VDA代表国立交通大学，simpl代表密歇根大学，后接的如superblue4为比赛中的实例名称，组合在一起表示各大学对不同实例处理的结果。通过数据得出经过优化处理之后的结果在布线线长、布线重叠度、布线时间上都有很好的优化，特别是经清华大学处理的实例superblue4，提高极为明显，由国立交通大学大学处理的结果也有很大的提高。

4结论

第6篇

系统硬件原理框图如图1所示。系统采用不同的链路口完成输入和输出,可以避免采用总线可能产生的通道冲突。模拟视频信号由AD9883A完成模数转换。AD9883A是个三通道的ADC,因此系统可以完成单色的视频信号处理,也可以完成彩色的视频信号处理。采样所得视频数字信号经链路口输入到ADSP-21160,完成处理后由不同的链路口输出到ADV7125,完成数模转换。ADV7125是三通道的DAC,同样也可以用于处理彩色信号。输出视频信号到灰度电压产生电路,得到驱动液晶屏所需要的驱动电压。ADSP-21160还有通用可编程I/O标志脚,可用于接受外部控制信号,给系统及其模块发送控制信息,以使整个系统稳定有序地工作。例如,ADSP-21160为灰度电压产生电路和液晶屏提供必要的控制信号。另外,系统还设置了一些LED灯,用于直观的指示系统硬件及DSP内部程序各模块的工作状态。

本设计采用从闪存引导的方式加载DSP的程序文件,闪存具有很高的性价比,体积小,功耗低。由于本系统中的闪

存既要存储DSP程序,又要保存对应于不同的伽玛值的查找表数据以及部分预设的显示数据,故选择ST公司的容量较大的M29W641DL,既能保存程序代码,又能保存必要的数据信息。

图2为DSP与闪存的接口电路。因为采用8位闪存引导方式,所以ADSP-21160地址线应使用A20-A0,数据线为D39—32,读、写和片选信号分别接到闪存相应引脚上。

系统功能及实现

本设计采用ADSP-21160完成伽玛校正、时基校正、时钟发生2S、图像优化和控制信号的产生等功能。

1伽玛校正原理

在LCD中,驱动IC/LSI的DAC图像数据信号线性变化,而液晶的电光特性是非线性,所以要调节对液晶所加的外加电压,使其满足液晶显示亮度的线性,即伽玛(Y)校正。Y校正是一个实现图像能够尽可能真实地反映原物体或原图像视觉信息的重要过程。利用查找表来补偿液晶电光特性的Y校正方法能使液晶显示系统具有理想的传输函数。未校正时液晶显示系统的输入输出曲线呈S形。伽玛表的作用就是通过对ADC进来的信号进行反S形的非线性变换,最终使液晶显示系统的输入输出曲线满足实际要求。

LCD的Y校正图形如图3所示,左图是LCD的电光特性曲线图,右图是LCD亮度特性曲线和电压的模数转换图。

2伽玛校正的实现

本文采用较科学的Y校正处理技术,对数字三基信号分别进行数字Y校正(也可以对模拟三基信号分别进行Y校正)。在完成v校正的同时,并不损失灰度层次,使全彩色显示屏图像更鲜艳,更逼真,更清晰。

某单色光Y调整过程如图4所示,其他二色与此相同。以单色光v调整为例:ADSP-21160首先根据外部提供的一组控制信号,进行第一次查表,得到Y调整系数(Y值)。然后根据该Y值和输入的显示数据进行第二次查表,得到经校正后的显示数据。第一次查表的Y值是通过外部的控制信号输入到控制模块进行第一次查表得到的。8位显示数据信号可查表数字0～255种灰度级显示数据(Y校正后)。

3图像优化

为了提高图像质量,ADSP-21160内部还设计了图像效果优化及特技模块,许多在模拟处理中无法进行的工作可以在数字处理中进行,例如,二维数字滤波、轮廓校正,细节补偿频率微调、准确的彩色矩阵(线性矩阵电路),黑斑校正、g校正、孔阑校正、增益调整、黑电平控制及杂散光补偿、对比度调节等,这些处理都提高了图像质量。

数字特技是对视频信号本身进行尺寸、位置变化和亮,色信号变化的数字化处理,它能使图像变成各种形状,在屏幕上任意放缩,旋转等,这些是模拟特技无法实现的。还可以设计滤波器来滤除一些干扰信号和噪声信号等,使图像的清晰度更高,更好地再现原始图像。所有的信号和数据都是存储在DSP内部,由它内部产生的时钟模块和控制模块实现的。

4时基校正及系统控制

由于ADSP-21160内部各个模块的功能和处理时间不同,各模块之间存在一定延时,故需要进行数字时基校正,使存储器最终输出的数据能严格对齐,而不会出现信息的重叠或不连续。数字时基校正主要用于校正视频信号中的行,场同步信号的时基误差。首先,将被校正的信号以它的时基信号为基准写入存储器,然后,以TFT-LCD的时基信号为基准读出,即可得到时基误差较小的视频信号。同时它还附加了其他功能,可以对视频信号的色度、亮度、饱和度进行调节,同时对行、场相位、负载波相位进行调节,并具有时钟台标的功能。

控制模块主要负责控制时序驱动逻辑电路以管理和操作各功能模块,如显示数据存储器的管理和操作,负责将显示数据和指令参数传输到位,负责将参数寄存器的内容转换成相应的显示功能逻辑。内部的信号发生器产生控制信号及地址,根据水平和垂直显示及消隐计数器的值产生控制信号。此外,它还可以接收外部控制信号,以实现人机交互,从而使该电路的功能更加强大,更加灵活。此外,ADSP21160的内部还设计了I2C总线控制模块,模拟FC总线的工作,为外部的具有I2C接口的器件提供SCLK(串行时钟信号)和SDA(双向串行数据信号)。模拟I2C工作状态如图5和图6所示。

系统软件实现

在软件设计如图7所示,采用Matlab软件计算出校正值,并以查找表的文件形式存储,供时序的调用。系统上电

开始,首先要完成ADSP-21160的一系列寄存器的设置,以使DSP能正确有效地工作。当ADSP-21160接收到有效的视频信号以后,根据外部控制信息确定Y值。为适应不同TFT-LCD屏对视频信号的显示,系统可以通过调整Y值,以调节显示效果到最佳。再如图4所示,对先前预存的文件进行查表,得到所需的矫正后的值,然后暂存等待下一步处理。系统还可以根据视频信号特点和用户需要完成一些图像的优化和特技,如二维数字滤波、轮廓校正、增益调整、对比度调节等。这些操作可由用户需求选择性使用。利用ADSP-21160还可以实现图像翻转、停滞等特技。最后进行数字时基校正,主要用于校正视频信号中的行、场同步信号的时基误差,使存储器最终输出的数据能严格对齐,而不会出现信息的重叠或不连续。除了以上所述的主要功能以外,ADSP-21160还根据时序控制信号,为灰度电压产生电路和TFT-LCD屏提供必要的控制信号。另外,ADSP-21160还能设置驱动通用I/O脚配置的LED灯,显示系统工作状态。

第7篇

信号处理电路本身也存在于低电压手持心电的前置信号放大结构中，其主要为手持心电的电极拾取饰件发出的信号进行接受以及处理和分辨等工作，同时有效的对心脏跳动的信号进行增益，对相关杂乱信号进行降噪处理。具体来讲，信号处理电路首先需要针对自身的抗极化电压进行设计，保证抗极化电压能够有效满足信号放大的要求，保证信号处理电路能够在满足信号增益的过程中满足低电压手持心电的正常工作情况，其具体的抗极化电压以及电路设置的增益情况应该根据实际情况进行选择和调整。一般抗极化电压设置为500mV；其次信号处理电路的设计需要保证电路的频率不会对心脏跳动信号的频率采集工作造成一定的影响，具有相应的杂频降噪功能，使用输入缓冲电路中的高精度运算放大器就能够有效的完成这一工作。同时注意好信号处理电路的失调电压设置工作，保证失调电压不会出现饱和情况，常规下信号处理电路的失调电压设置的最大线路为0.55mV。

2右腿驱动电路设计工作

右腿驱动电路的作用更多的是在低电压手持心电的运转过程中消除手持心电自身工作频率对心脏频率信号采集工作的干扰，使低电压手持心电在运转过程中能够提供更小的电能消耗以及拥有更小的输出摆幅。具体来讲，右腿驱动电路的设计应该保证手持心电电压最大的输出范围部队对手持心电的功能发挥造成影响，保证其在60uA的静态工作电流下仍然能够有效的发挥手持心电的具体功能作用。

3起搏脉冲检测电路设计工作

起搏脉冲检测电路的功能主要是对低电压手持心电中起搏脉冲信号的收集以及检测再到最终与A/D转换器的信号交换工作提供相应的电能，因此起搏脉冲检测电路的设计工作对于低电压手持心电的具体工作没有较大影响，只要注意到发挥其降低手持心电的功率消耗以及电能成本的优点就行。

4电源电路的设计工作

第8篇

1.1系统硬件总体概述

基于声音炮弹检测电路主要硬件包括单片机及其电路和炮声采集、识别电路两部分。微处理器控制整个检测系统，对前端电路采集到的炮声进行处理，并利用软件控制进行记录和输出显示。根据系统需要，除了这两个主要部分之外，还相应的设计了一些辅助单元模块，如电源模块，数据显示单元等。电源模块主要用于给整个硬件电路提供稳定的电压，保证各部分的正常工作；数据显示单元用来对单片机系统处理后的数据进行外部显示，硬件框图如图1所示。该电路的具体工作过程为：首先进行声音采集，将采集的声音转化为相应的电信号再进行前置放大，然后将放大的信号通过比较器进行声音识别，而识别后的声音被转化为相应的高低电平，这样就可以传给单片机系统进行数据处理，最后将处理后的数据输出显示。

1.2电路设计

基于声音炮弹检测电路主要包括声音采集放大电路、炮声识别电路、单片机电路、电源电路、数据显示等五个主要模块。下面主要介绍声音采集放大电路、炮声识别电路、单片机电路。

1.2.1声音采集放大电路

声音采集放大电路是本设计硬件电路里面的重点。对于声音采集，由于炮声声音大、频率高的特点，本设计选用的是国产白点（灵敏度最低）驻极体话筒。它还具有体积小、频率范围宽和成本低等特点。声音采集放大电路如图2，驻极体话筒实时采集外部声音，并将大小不同的声音转化为相应的电信号输出，通过隔直通交电容C1作为前置放大电路的输入。本设计中，前置放大选用的芯片为LM358。此芯片内部具有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。工作电源电压范围宽，单电源使用时为3～30V，也可用在双电源工作模式下。它在实际生活中的应用已经很成熟，常出现在传感放大器、直流增益模块和其他用单电源供电的使用运算放大器的场合。该设计应用LM358作运算放大器，放大倍数由电阻R4、R5决定，其中R5为滑动变阻器，故该电路放大输出信号在一定范围内可调。

1.2.2炮声识别电路

声音信号经放大后输入到识别转换电路中，该电路实质是一个比较器。在电路工作时，放大后的信号输入到比较器的反相输入端，而同相输入端设置为炮声参考电压。若输入为炮声信号，则通过比较器，输出低电平；相反若为其它信号或无信号，则通过比较器，输出持续高电平。这就实现了炮声的识别，而比较器的输出只有高低电平，从而也实现了信号的转换，可以输送到单片机系统进行处理。在比较器中，本设计选用了LM393芯片（图3）。

1.2.3单片机系统单元

本设计所用的单片机系统主要包括单片机STC89C52，时钟产生电路，复位电路。时钟电路提生内部时序的振荡信号。除了上电复位外，有时还需要手动复位，通常是在RST端和正电源VCC间加一个按键，利用按键按下对RST端电平的影响来实现。

2软件设计与实现

软件设计采用C语言编写，编译器使用美国KeilC51开发。软件包含主程序、中断处理子程序、定时清零子程序、屏蔽干扰子程序和数据显示子程序。通过仿真将整个软件部分调试正常后，最后进行软硬件联调。将调好的程序通过下载器烧录到单片机STC89C52中，配合整个硬件电路工作。无信号输入时，数码管显示“P-00”，为正常开机显示。当模拟炮声输入时，检测结果不够准确，显示数据比实际炮声个数多，经过对程序的反复调试，最终显示结果能够达到一定准确性。

3结束语

第9篇

1RF2514的引脚功能

RF2514各引脚的排列如图1所示。各引脚的功能如下：

引脚1，9（GND1，3）：模拟地。为获得最佳的性能，应使用较短的印制板导线直接连接到接地板。

引脚2（PD）：低功耗模式控制端。当PD为低电平时，所有电路关断。当PD为高电平时，所有电路导通工作。

引脚3（TXOUT）：发射器输出端。输出为晶体管集电极开路（OC）方式，但需要一个提供偏压（或匹配）的上拉电感和一个匹配电容。

引脚4（VCC1）：TX缓冲放大器电源端口。

引脚5（MODIN）：AM模拟或者数字调制输入。信号通过该脚输入可以把调幅信号或者数字调制信号加到载波上，而通过该脚外的一个电阻则可对输出放大器进行偏置。该脚的电压不能超过1．1V，过高的电压可能会烧坏芯片。

引脚6（VCC2）：压控振荡器、分频器、晶体振荡器、鉴相器和充电泵电源。该端与地间应连接一个中频旁路电容。

引脚7（GND2）：数字锁相环接地端。

引脚8（VREFP）：偏置电压基准端，用于为分频器和鉴相器提供旁路。

引脚10，11（RESNTR－，RESNTR＋）：该脚可用来为压控振荡器（VCO）提供直流电压，同时也可以对压控振荡器的中心频率进行调节。10脚与11脚之间应连一电感。

引脚12（LOOPFLT）：充电泵的输出端。该脚与地之间的RC回路可用来控制锁相环的带宽。

图2

引脚13（LDFLT）：用来设定锁定检测电路的阈值。

引脚14（DIVCTRL）：分频控制端。该脚为高电平时，选中64分频器，反之，选中32分频器。

引脚15（OSCB）：设计时可将该脚直接连接到基准振荡器晶体管的基极，由于该基准振荡器的结构是Colpitts的改进型，因此应在15脚和16脚之间连接一个68pF的电容。

引脚16（OSCE）：设计时将该脚直接连接到基准振荡器晶体管的发射极，同时在该脚与地之间还应连接一个33pF的电容器。

图3

2RF2514的内部结构

RF2514是一个具有锁相环的AM／ASK甚高频／超高频发射器。它由功率放大器、集成压控振荡器、鉴相器和充电泵（PhaseDetector＆ChargePump）、分频器（Prescaler32／64）、锁存检测（LockDe-tect）和直流偏置（DCBias）等电路组成，其原理框图如图2所示。

第10篇

当电缆没有开路、错位质量故障时，A0～A31端的电缆等效电阻RT≤7000mΩ时，对A0～A31端分别取样进行精密测量。在综合考虑IC100～IC131输入端低电平应≤0.7V和图2中运算放大器输入灵敏度兼容情况下，取恒流源IS的输出电流为10±0.5mA，Re0～Re31＝33Ω±5%，Vces≤0.1±0.05V。因此可以计算出VA采样取值范围是0.353～0.566V，VB的采样取值范围是0.348～0.384V。为此图2中选用OPA335运算放大器，其输入电压范围是0～3V（单电源供电时），最大输入失调电压为5μV。图2中运算放大器输出电压V0～V31可由式（4）计算。由于OPA335的最大输入失调电流是70pA，在设计中控制最大输入电流在0.1～1mA之间，选择RA＝RB＝2kΩ±5%，R1＝RF＝33kΩ±5%，电压增益为16.5，输出电压范围0～3.6V。

2测量分析电路设计

A/D转换与分析电路设计在图3中，A/D转换电路ADC0809的输入端IN0~IN7分别与图2中运算放大器的输出端V0～V7连接，将模拟信号转化为8位数字输出信号，并传送给单片机的D0～D7端口，由单片机进行分析运算。路模拟输出信号共需要4块ADC0809电路进行模数转换。单片机P0.0～P0.7端口接收ADC0809输出的8位数字信号后进行分析。

3电缆等效电阻检测程序设计

3.1标准等效电阻值确定

端子压接后电缆等效电阻的标准值因电缆长度不同而有差异。可采用预先设定标准值和自动确定标准值两种方法。对线径为0.4mm的铜芯线电缆，预先设置标准值RT标准可按照式（5）进行计算：RT标准=75+148•L（5）其中，L是电缆长度，单位为m；RT标准的单位是mΩ。自动确定标准值方法是以正常工艺在质量稳定情况下，将首根检验的压接端子的电缆作为样品，对32个芯线等效电阻进行自动检测对比，选取其中的最小值，然后乘以系数1.05作为标准值。

3.2自动设定标准值程序设计

标准等效电阻值存放于I2C存储器AT24C08中。检测程序设计多路通信电缆端子精密检测的主程序流程图如图5所示。以下为采集的主要函数，假设通道数为36路。

4批量检测结果分析

第11篇

关键词：IGBT短路保护电路设计

固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言，电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。

IGBT是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件开关频率高广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当，它很容易损坏。一般认为IGBT损坏的主要原因有两种：一是IGBT退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大；二是IGBT发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使IGBT损坏。IGBT的保护通常采用快速自保护的办法即当故障发生时，关断IGBT驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护；或者当发生短路时，快速地关断IGBT。根据监测对象的不同IGBT的短路保护可分为Uge监测法或Uce监测法二者原理基本相似都是利用集电极电流IC升高时Uge或Uce也会升高这一现象。当Uge或Uce超过Ugesat或Ucesat时，就自动关断IGBT的驱动电路。由于Uge在发生故障时基本不变，而Uce的变化较大并且当退饱和发生时Uge变化也小难以掌握因而在实践中一般采用Uce监测技术来对IGBT进行保护。本文研究的IGBT保护电路，是通过对IGBT导通时的管压降Uce进行监测来实现对IGBT的保护。

采用本文介绍的IGBT短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。

1短路保护的工作原理

图1(a)所示为工作在PWM整流状态的H型桥式PWM变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只IGBT未画出），图1(b)为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相PWM电路，在整流、逆变工作状态或单相DC／DC工作状态下，PWM电路的分析过程及结论基本类似）。

在图1所示的电路中，在市电电源Us的正半周期，将Ug2.4所示的高频驱动信号加在下半桥两只IGBT的栅极上，得到管压降波形UT2D。其工作过程分析如下：在t1～t2时刻，受驱动信号的作用,T2、T4导通（实际上是T2导通,D4处于续流状态），在Us的作用下通过电感LS的电流增加，在T2管上形成如图1（b）中UT2D所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在IGBT导通时的体电阻上产生的压降；在t2～t3时刻，T2、T4关断，由于电感LS中有储能，因此在电感LS的作用下，二极管D2、D4续流，形成图1（b）中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到IGBT导通时的管压降的值，应该将在t1～t2时刻IGBT导通时的管压降保留，而将在t2～t3时刻检测到的IGBT的管压降的值剔除，即将图1（b）中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于IGBT的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。

图2IGBT短路保护电路原理图

根据以上的分析可知，在正常情况下，IGBT导通时的管压降Uce(sat)的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据Uce(sat)的额定值。但是，如果H型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只IGBT同时导通的“直通”现象），则这时在下管IGBT的C～E极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对IGBT进行保护的依据，从而对IGBT实施有效的保护。

2短路保护电路的设计

由对图1所示电路的分析，可以得到IGBT短路保护电路的原理电路图，如图2所示。在图2所示电路中IC4及其器件构成选通逻辑电路，由IC5及其器件构成滤波及放大电路，IC2及其器件构成门限比较电路，IC1及其器件构成保持电路。正常情况下，D1、D2、D3的阴极所连接的IC2D、IC2C及CD4011的输出均为高电平，IC1的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给T2发驱动信号的时候，H型桥式PWM变换电路的左半桥下管T2的管压降异常升高（设电平值为“高”），即T2－d端电压异常升高，则该高电平UT2－d通过R2加在D8的阴极；同时，发给T2的高电平驱动信号也加在二极管D5的阴极。对IC2C来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话，则IC2C输出为“低”。该“低”电平通过D2加在R－S触发器IC1的R输入端，使其输出端Q的输出电平翻转，向控制系统发出IGBT故障报警信号。如果是由于右半桥下管T4的管压降异常升高而引起IC2D输出为“低”，则该“低”电平通过D1加在R－S触发器IC1的R输入端，使其输出端Q的输出电平翻转，向控制系统发出IGBT故障报警信号。由IC5A和IC5C及其器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述IGBT管压降的电压信号进行预处理后，送给由IC5B构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由R22和R32确定的门槛电平，则会使R－S触发器IC1的R端的第三个输入端为“低”，也向控制系统发出IGBT故障报警信号。改变由R22和R32确定的门槛电平，就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护电路。图2中的端子T4－d、T2－d，分别接在T4、T2的集电极上，T4－G、T2－G分别接IGBT器件T4、T2的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，D8、D5、D9、D4必须采用快速恢复二极管。

3仿真及实验结果

当图1所示的PWM变换器工作在单相高频整流模式下，应用PSPICE仿真软件对图2所示的电路进行仿真研究，可以得到如图3所示的结果。图3所示的仿真波形相当于在图2电路中IC5B的第7脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将PWM变换器的下管导通时的管压降检测出来。图4所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，1＃通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，2＃通道显示的是实际检测到的图2电路中IC5B的第7脚的工作波形。比较图3和图4可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出IGBT导通时的管压降，从而对IGBT实施有效的保护。

第12篇

（1）工作频率的影响。超声波传送中能量的损耗与频率的平方成正比。频率太高，超声波传送距离受到一定限制，但是频率越高，传感器尺寸要求就越小，易于制造；而且频率越高，波长越短，对被测物的分辨率越高。综合以上各个因素，系统工作频率取40kHz。

（2）指向角的影响。指向角是影响测量分辨率的一个重要因素，它与工作波长，传感器半径的关系为：指向角θ越小，分辨率越高，但要求传感器半径r越大，制造越难。

（3）温度的影响。超音波的测量距离s=Vt/2，其中t由系统单片机计时，精度很高，但超音波在空气传播的速度V会受到温度、湿度、粉尘、气流等很多因素的影响，通过实验比较分析发现：温度对超音波的传播速度影响最严重，可见温度引起的测量误差十分大，不可忽视，必须采取措施来改善，正因为如此本文设计了基于AD590在超声波测距仪的温度补偿电路，改善了温度引起的测量误差，保证了测量仪的测量精度。

2AD590的特性及应用

本设计中采用美国生产的AD590的感温器，利用了它输出电流与绝对温度成比例的特性，而且精度很高（仅为±0.3℃），它的高阻抗特性保证了它受负载的影响很小，同时AD590可以通过CMOS多路切换实现多路复用。AD590适用温度范围广（-55℃～150℃），工作电压范围也广（4～30V），它是一个低成本单片集成两端感温恒流源，应用中不要再附加线性处理电路，放大电路等其它支持电路，总之基于AD590线性好，精度高，价格低等突出特性我们选择了它。AD590的引脚及使用方法：AD590有3个的引脚，一般只用两个（+-两引脚）第三个引脚一般接外壳起到屏蔽作用来。在下面AD590的使用连接图中，AD590的输出电压值与温度的关系分析。

3温度补偿电路设计

基于此我们设计的温度补偿电路：电路基本设计思路：为了保证I的线性度好，在检测电压时不能分流，因此使用电压跟随器其输出电压V2等于输入电压V，即AD590的输出电压。考虑到电路中电抗对电源的影响，电源会带有杂波，从而影响AD590的输出电压，因此使用齐纳稳压二极管取得一个相对稳定的电压，通过可变电阻分压取出一个稳定的参考电压2.73V。我们把来自AD590的输出电压与稳定的参考电压2.73V分别通过差动放大器的+-端输入，差动放大器输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，假设环境温度为摄氏20℃，输出电压就为2V，就得到一个随温度变化而线性变化的电压。输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。系统温度采集流程为：初始化数据操作读温度输出，基本流程如下温度采集子程序。在计算距离时进行了温度的补偿设计。

4实验结果

如果系统没有采用温度补偿措施，测量的结果误差很大，如果采用了本设计的温度补偿电路，则测量的结果误差大大的减少，完全达到实际测量的精度要求。

5结束语

第13篇

1.1ARM处理部分

针对ARM内核的高速可顺序执行特性，更适合处理复杂协议信息。ARM处理部分在设计中主要负责协议层处理工作，包括通信信息、人机交互设定、系统工作参数监测、报警数据设定、监测以及系统数据分析处理等多方面的工作，整体采用抢占式进行多任务分配，提高CPU利用率以及系统鲁棒性。

1.2FPGA控制部分

总体来看，FPGA主要负责硬件设备底层驱动的读写，作为ARM的一个外部扩展RAM进行外设数据交换，所有FPGA采集、输出的数据均可通过ARM的可变静态存储控制器(FlexibleStaticMemoryController，FSMC)总线读写。在设计中运用FPGA独特的可多任务并行执行的特性，FPGA控制部分主要负责外部通信模式的选择；外部模拟信号的采集、输出温度的控制、时钟同步、时钟移相、数码管计数显示等多项功能的处理。在外部模拟量、氢原子钟内炉温度采集部分，由FPGA内部硬件采用状态机形式通过两片AD7490D对外部32路模拟量采集，并直接用模数转换器进行控制处理；另一个状态机通过热敏电阻对内炉顶，上，底等三部分温度进行采集；在温度输出控制部分，通过三路PWM控制方式，以外部温控器作为驱动信号，调节加热功率。在模数转换部分由专用基准电压芯片REF192产生参考电压，温度转换经过带有前置运算放大器（Operationalamplifier，OP）的模数转换器进行采样，并同时具有抑制50Hz抑制功能，以抵消测量中所产生的工频干扰。在通信电路的设计部分由FPGA来选择所采用的通信方式，其中串口通信采用隔离式电平变换芯片，避免电平不兼容或是不同设备间的静电释放（Electro-Staticdischarge，ESD）所带来的放电损坏；以太网部分采用专用以太网接口模块，可同时兼容TCP/IPv4、用户数据报协议（UserDatagramProtocol，UDP）等。

1.串口通信接口的电路设计

原本的串口通信设计为了满足两路串口通信的技术指标，采用AT89C52结合通用同步异步接收发送器8251A实现双串口的扩展。本文采用ADM3251E[3]来解决多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔离、单通道RS-232/V.28收发器、具有isoPower隔离电源的双通道数字隔离器，设计中无需使用单独的隔离DC-DC转换器。由于RIN和TOUT引脚提供高压ESD保护，因此该器件非常适合在恶劣的电气环境中工作，或频繁插拔RS-232电缆的场合。ADM3251E采用ADI公司的芯片级变压器iCoupler技术，能够同时用于隔离逻辑信号和集成式DC-DC转换器，因此该器件可提供整体隔离解决方案。

2.ADC模拟量采样电路设计改进

原本的ADC采样电路使用两片ADC0816。ADC0816是逐次比较式16路8位A/D转换器，其内部包含有一个8位A/D转换器和16路的单端模拟信号多路转换开关，转换精度为1/2LSB，转换时间为100us（时钟频率为640KHz）。改进设计中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同时AD7490采用单电源工作，电源电压为2.7V至5.25V，最高吞吐量可达1MSPS；其内置一个低噪声、宽带宽采样/保持放大器，可处理1MHz以上的输入频率；转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器接口创造了条件。

3.温度控制部分的设计改进

温度对于氢原子钟来说是个很重要的因素，温度控制不好会引起氢原子钟稳定度变差；温度失控会直接导致氢原子钟没有中频信号输出。因此在温度控制的设计中首先要做到可靠、稳定。原先的温度控制系统采用模拟控制多块电路板各温度区域独立控制模式，其缺点是变容二极管参数数值不在正常工作范围内之后，需要人为调整电路板的电位器，即通过人为改变电阻的模式来达到调整温度的目的。在数字化智能温控设计中采用AD7792[4]，AD7792具有两个高精度的可编程恒流激励源，内置有可编程的仪表放大器，可以对不同的输入信号选择相对应的放大倍数，实现信号的匹配。它内置16位ADC，采用SPI串行接口，容易实现光耦隔离，有三路差分模拟输入，可以满足设计中分别对内炉顶，上，底三部分温度进行采集的设计要求。AD7792为适应高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声、带有三个差分模拟输入的16位Σ-Δ型ADC。它还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号；内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，而且也可采用一个外部差分基准电压。图2中所示CHAN表示温度区域，其中CH1代表内炉顶，CH2代表内炉上，CH3代表内炉底；ACTU代表采样温度数值，SET代表设定温度数值，OUT代表了输出功率的大小。

4.移相同步精度设计改进

传统控制板同步精度为100ns±逻辑门延时（约几个ns），移相分辨率为0.1us。经过设计改进后，采用独特的先倍频后同步技术，可大大提高移相同步分辨率。在本次应用中，先对外部输入的10MHz方波信号，经过FPGA内部的锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）的配置进行零度移相五倍频，得到和输入信号零相位差的50MHz信号。上一幅为10MHz信号波形，下一幅为倍频后的50MHz方波信号波形。

5.DDS电路设计部分

之前控制板在综合器设计输出时，采用AT89C52驱动三片74LS595串入并出输出6位8421码共24位数据信息经25芯弯角插座（DR-25）将数据传输至接收机控制板，再由CPLD处理后输出所需的频率信号。而目前设计中选取AD9956[5]，使用直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）技术直接从监控板输出所需的频率信号，AD9956是由美国AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高达400MHz的内部时钟，可合成频率高达160MHz，支持2.7GHz的时钟输入(可选2，4或8分频)、内部集成14位的D／A转换器，具备快速频率转换、精细频率分辨率和低相位噪声输出的性能，适用于快速跳频频率合成器的设计，本设计DDS输出频率信号可以根据键盘键入的频率值不同而输出不同的频率值。

6.存储器设计改进

氢原子钟必需具有对时间以及对所监测数据实时保存的功能。然而外部存储器的选择也是多种多样的，目前应用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM这三种方案。我们目前使用的存储器就是采用SRAM加后备电池的模式，型号62256，它是组织结构为32K*8位字长的高性能CMOS静态RAM。在设备掉电的情况下，存储数据易丢失。同时SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，降低了系统的可靠性；EEPROM方式可擦写次数较少(约10万次)，且写操作时间较长(约10ms)；而NVRAM的价格问题又限制了它的普遍应用。因此越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。铁电存储器具有以下几个优点：可以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待；有近乎无限次擦写寿命；数据保持45年不丢失；具有较低的功耗。设计中采用的FM25L16是串行FRAM。其内部存储结构形式为2k×8位，地址范围为0000H~07FFH，FM25L16支持SPI方式0和方式3。具有先进的写保护设计，包括硬件保护和软件保护双重保护功能。FM25L16的数据读写速度能达到18MHz，可与当前高速的RAM相媲美。结束语从设计的测试结果来看，全新的设计模式对电路的性能，可靠性，稳定性等多方面都有很大的提高，具体表现如下所示：

（1）设计中采用AD7490替代ADC0816，从而使得ADC精度提高8bit升级到12bit，精度提高了16倍，并且无需经过外接模拟开关，减少了信号经过多个模拟芯片引起误差。

（2）温度控制系统采用全数字化设计模式，提高测量精度，降低干扰，可避免处理运放电路所造成的对温度飘移的影响以及多级模拟带来的累计误差，最重要的一点就是不用再人为的通过改变电阻模式来达到调整温度的目的。

（3）综合器设计部分采用DDS处理技术，直接从监控板输出所需频率信号，从而大大减少设计中潜在的故障点，大大提高了设计的可靠性，稳定性。

第14篇

关键词：数字信号处理器；三电平；PWM整流器；功率因数校正

引言

三电平（ThreeLevel，TL）整流器是一种可用于高压大功率的PWM整流器，具有功率因数接近1，且开关电压应力比两电平减小一半的优点。文献[1]及[2]提到一种三电平Boost电路，用于对整流桥进行功率因数校正，但由于二极管整流电路的不可逆性，无法实现功率流的双向流动。文献[3]，[4]及[5]提到了几种三电平PWM整流器，尽管实现了三电平，但开关管上电压应力减少一半的优点没有实现。三电平整流器尽管比两电平整流器开关数量多，控制复杂，但?具有两电平整流器所不具备的特点：

1）电平数的增加使之具有更小的直流侧电压脉动和更佳的动态性能，在开关频率很低时，如300～500Hz就能满足对电流谐波的要求；

2）电平数的增加也使电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦，且随着电平数的增加，正弦性越好，功率因数更高；

3）开关的增加也有利于降低开关管上的电压压应力，提高装置工作的稳定性，适用于对电压要求较高的场合。

1TL整流器工作原理

TL整流器主电路如图1所示，由8个开关管V11～V42组成三电平桥式电路。假定u1=u2=ud/2，则每只开关管将承担直流侧电压的一半。

以左半桥臂为例，1态时，当电流is为正值时，电流从A点流经VD11及VD12到输出端；当is为负值时，电流从A点流经V11及V12到输出端，因此，无论is为何值，均有uAG=uCG=＋ud/2，D1防止了电容C1被V11(VD11)短接。同理，在0态时，有uAG=0；在－1态时，有uAG=uDG=－ud/2，D2防止了电容C2被V22(VD22)短接。

右半桥臂原理类似，因此A及B端电压波形如图2所示，从而在交流侧电压uAB上产生五个电平：＋ud，＋ud/2，0，－ud/2，－ud。

每个半桥均有三种工作状态，整个TL桥共有32=9个状态。分别如下：

状态0(1,1)开关管V11，V12，V31，V32开通，变换器交流侧电压uAB等于0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。

状态1(1,0)开关管V11，V12，V32，V41开通，交流侧输入电压uAB等于ud/2，输入端电感电压等于us－u1。电容C1电压被正向(或反向)电流充电(u1<us，或放电us<u1)，C2通过直流侧负载放电。

状态2(1,－1)开关管V11，V12，V41，V42开通，输入电压uAB=ud，正向(或反向)电流对电容C1及C2充电(或放电)，由于输入电感电压反向，电流is逐渐减小。

状态3(0,1)开关管V12，V21，V31，V32开通，交流侧输入电压uAB等于－ud/2，输入电感上电压等于us＋u1。电容电压被正向(或反向)电流充电(或放电)。

状态4(0,0)开关管V12，V21，V32，V41开通，输入端电压为0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。

状态5(0,－1)开关管V12，V21，V41，V42开通，交流侧电压为ud/2，正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电)，电容C1通过负载电流放电。

状态6(－1,1)开关管V21，V22，V31，V32开通，uAB=－ud，正向(或反向)线电流对两个电容C1及C2充电(或放电)，由于升压电感电压正向，线电流将逐渐增加。

状态7(－1,0)开关管V21，V22，V32，V41开通，交流侧电压电平为－ud/2，正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电)，电容C1通过负载电流放电。

状态8(－1,－1)开关管V21，V22，V41，V42开通，输入端电压为0，升压电感电压等于us，两个电容C1及C2均通过负载电流放电。电流is根据电压us的变化而增加(或减小)。

2硬件电路设计

从图2可以看出，在输入电压频率恒定的情况下，要在变换器交流侧产生一个三电平电压波形，输入电压一个周期内应定义两个操作范围：区域1和区域2，如图3所示。

在区域1，电压大于－ud/2，并且小于ud/2，在电压uAB上产生三个电平：－ud/2，0，ud/2。同理，在区域2，电压绝对值大于ud/2，并小于直流侧电压ud，在电压正半周期(或负半周期)上产生两个电平：ud/2和ud(或－ud/2和－ud)。相应电平的工作区域如表1所列。

表1相应电平的工作区域

工作区域

1

2

1

2

us>0

us<0

us>0

us<0

高电平

ud/2

ud

－ud/2

低电平

－ud/2

ud/2

－ud

为方便控制，这里定义两个控制变量SA及SB，其中

根据表1可以设计一个开关查询表，如表2所列，将其存储在DSP中，当进行实时控制时，便可根据输入电压、电流信号，从表中查询所需采取的开关策略。

表2查询表

SA

SB

V11

V12

V21

V22

V31

V32

V41

V42

uAB

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

ud/2

1

－1

1

1

1

1

ud

1

1

1

1

1

－ud/2

1

1

1

1

－1

1

1

1

1

ud/2

－1

1

1

1

1

1

－ud

－1

1

1

1

1

－ud/2

－1

－1

1

1

1

1

整个控制系统以一片DSP为核心，控制框图如图4所示。

锁相环电路产生一个与电源电压同相位的单位正弦波形，ud的采样信号通过低速电压外环调节器进行调节，电流is的采样信号通过高速电流内环G1进行调节，电容C1端直流电压u1与电容C2端直流电压u2分别通过两个PI调节器进行调节，补偿环G2用于补偿两只电容电压的不平衡。

检测的线电流命令is与参考电流is＊比较，产生的电流误差信号送至电流内环G1，以跟踪电源电流变化，产生的线电流波形将与主电压同相位。

3软件设计

系统采用两个通用定时器GPT1及GPT2来产生周期性的CPU中断，其中GPT1用于PWM信号产生、ADC采样和高频电流环控制(20kHz)，GPT2用于低频电压环的控制(10kHz)，两者均采用连续升/降计数模式。低速电压环的采样时间为100μs，高速电流环采样时间为50μs。中断屏蔽寄存器IMR，EVIMRA和EVIMRB使GPT1在下降沿和特定周期产生中断，GPT2则仅在下降沿产生中断。

整个程序分为主程序模块、初始化模块、电流控制环计算模块、电压控制环计算模块、PWM信号产生模块等五大部份。程序流程如图5所示。

4仿真结果及实验

仿真参数如下：输入电压us交流220V，50Hz，输出功率1kW，开关管GTO，开关频率500Hz。整流状态和逆变状态下电源电压us、电源电流is、交流侧电压uAB波形分别如图6及图7所示。实验结果也证实了设计的正确性，在采用GTO管、开关频率较低（500Hz）时，输入侧电流波形仍然非常接近正弦，装置得到了接近1的功率因数，同时开关上的电压应力减少了一半。

第15篇

加入等效像元的单元读出电路如图1所示，该电路结构主要由以下三个本部分组成:等效像元(TheEquivalentBolometer)、MEMS像元(MEMSBo-lometer)、电容反馈互导放大器(capacitorfeedbacktrans-impedanceamplifier，CTIA)。

1.1MEMS像元和积分电路(CTIA)本论文中采用的氧化钒(VOx薄膜)制成的微机械系统(MEMS)，其电特性如下。由表1可知，MEMS的电特性主要是温度的变化引起电阻值的变化，从而导致电流值发生变化，最后引起信号电压的变化。当外界温度发生改变时，MEMS像元中的有效像元的电阻值发生变化，导致其支路电流发生微弱的变化，其微弱的电流值(nA级别)由M4开关管流出。这一微弱的电流值通过积分电路转换为一个电压值。如图1所示，该积分电路为一种传统的CTIA型读出电路结构。在偏压VSK、VGSK、VGFID、VDET(VSS)和数字信号row_sel、integrate_en、rst_en的作用下(其中row_sel为行选通信号，integrate_en为积分使能信号，rst_en为复位信号)，有效像元Rab上产生的支路电流与盲像元Rbb上产生的支路电流之差得到的电流信号输入到积分器上进行积分。微弱的电流信号就转化成电压信号。其中M1可调节有效像元支路电流值，M2为行选择开关，M3可调节盲像元支路电流值，M4是积分使能开关，Rt-rim用于调节盲像元支路上的电阻，rst_en为数字信号控制的复位开关。

1.2等效像元电路等效像元电路的作用就是在晶元测试时替代MEMS像元产生一微弱的电流值，给积分电路一个测试信号。如图1所示，用于替代盲像元功能的等效像元为“等效盲像元”，其结构包括由外部Pad直接控制的MOS管Mbeqv(MOSBlindEquivalent)和行选择开关M2，pad提供的偏置电压为VBEQV，row_sel_test1(数字信号提供)控制开关M2的选通;用于替代有效像元功能的等效像元为“等效有效像元”，其结构包括由外部Pad直接控制的MOS管Maeqv(MOSActiveEquivalent)和行选择开关M2，pad提供的偏置电压为VAEQV，row_sel_test2(数字信号提供)控制开关M2的选通。在等效像元工作过程中，row_sel_test1和row_sel_test2同时开启，其时序和ROW_SEL一样，VSK给等效盲像元提供偏置电压。工作在饱和区的MOS管Mbeqv和MOS管Maeqv其D与S之间的电阻值与W/L，VGS、VTH的关系如。

2仿真结果分析

在盲像元电阻不变，VSK、VGSK、VGFID等偏压值确定的情况下，积分电流随有效像元电阻的变化如图3所示。图3中的横坐标为有效像元的电阻值，纵坐标为积分电流值。由图3可知积分电流的值随有效像元阻值的减小而增大，其阻值(150～160kΩ)与积分电流(0～200nA)呈线性变化，变化率约为51.86nA/kΩ。由MEMS电特性和表1可知，R=160kΩ，当温度从－20℃变化到80℃，其对应的电阻值降低了544Ω和2530Ω，对应的积分电流(信号电流)为47nA和217nA。说明温差越大，电阻值变化也越大，对应的积分电流的值也越大。而图3的仿真结果也说明了Rab与Rbb之间的值相差越大，对应的积分电流的值也越大。所以可以通过调节图3中的Rab的电阻，来对应MEMS电阻的变化。在等效像元电路结构中，当偏置电压VSK、VG-FID的值确定，积分电流随VAEQV、VBEQV的变化如图4、5所示。图4、5中的横坐标为等效像元栅压VAEQV、VBEQV的值，纵坐标为积分电流的值。由图4、5可知积分电流的值随等效像元栅压VAEQV、VBEQV的增大而增大，VAEQV平均每调节9mV变化10nA的电流，变化率约为10nA/9mV，其偏压值与积分电流(0～200nA)也是呈线性变化。所示可以通过调节图4和图5中的VAEQV、VBEQV的值，模拟外界温度的变化。仿真结果表明等效像元的电特性正好与MEMS像元的电特性一致，所以可用等效像元电路替代MEMS物理结构。

3测试结果分析

基于GlobalFoundry0.35μm工艺，对阵列大小为300×400的红外面阵探测器读出电路进行流片，图6为ROIC阵列整体芯片照片，芯片面积为14mm×16mm。芯片中间的重复单元电路部分是单元电路，单元尺寸为25μm×25μm，重复单元的是数字电路部分，即时序控制部分，最是焊盘。图7为图6局部放大的照片即等效像元(等效盲像元和等效有效像元)的芯片照片，图8为测试芯片的PCB板。因为积分电流为nA级别的电流，很难用仪器测量出来，但可以通过电容反馈互导放大器将电流转换为电压信号测量出来。对VBEQV=2.4V，VSK=5.3V，VGFID=3.933V，Vbus=2.65V等偏置电压进行设定后，通过调节等效有效像元栅压VAE-QV的值，产生0～200nA之间的积分电流，其对应的积分电压值为2.65～3.38V，积分电压与VAEQV值的测试结果如表2所示。图9为积分电流Id=50nA对应的积分电压值2.82V，满足公式(2)。此测试结果表明:在ROIC表面尚未构成MEMS物理结构前，可以通过等效像元电路初步探测ROIC的电性能，筛除不良品。在CP之后和MEMS结构完成之后，等效像元不再启用，等效像元行选择信号始终关闭。

4结论