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中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0019-02
1 前言
近年來(lái)，步進(jìn)電機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。步進(jìn)電機(jī)是一種常見(jiàn)的執(zhí)行元件無(wú)論是結(jié)構(gòu)還是操作方法，都比較簡(jiǎn)單，其性能也與工業(yè)生產(chǎn)控制要求相適應(yīng)，在工業(yè)技術(shù)中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，已是一種既定的趨勢(shì)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)揮著重大的用途。與此同時(shí)步進(jìn)電機(jī)調(diào)控也發(fā)生了相應(yīng)的升級(jí)和轉(zhuǎn)變，本文對(duì)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，以控制軟、硬件，不斷提高步進(jìn)電機(jī)工作效率。
2 單片機(jī)的應(yīng)用意義及原則
2.1 單片機(jī)的應(yīng)用意義
單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，既能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)要求，又是步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本訴求。單片機(jī)的性質(zhì)是集成電路芯片，以具體技術(shù)為依托，對(duì)中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)和定時(shí)器等子系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。它能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、分析和處理，在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中極具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，達(dá)到良好的應(yīng)用效果。
首先，提高步進(jìn)電機(jī)性能。依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)反應(yīng)式、永磁式和混合式等步進(jìn)電機(jī)類型進(jìn)行合理選擇，充分發(fā)揮它的設(shè)計(jì)功能，適應(yīng)社會(huì)需要。如果對(duì)該三種反應(yīng)原理進(jìn)行單一應(yīng)用，步進(jìn)機(jī)將喪失其整體性能，也會(huì)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響，使它的應(yīng)用效果大打折扣。單片機(jī)能夠依據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作環(huán)境、運(yùn)動(dòng)特性、控制性能和實(shí)際功用等，對(duì)它進(jìn)行局部性的優(yōu)化和升級(jí)，以補(bǔ)強(qiáng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)整體，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)層面上的一體化，充分發(fā)揮它的使用性能，為工業(yè)生產(chǎn)提供物質(zhì)及技術(shù)支持。
其次，降低步進(jìn)電機(jī)維護(hù)及保養(yǎng)成本，節(jié)省資金。步進(jìn)電機(jī)的材質(zhì)一般比較昂貴。接收電信號(hào)脈沖之后，長(zhǎng)期工作周期背景下，運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生明顯變動(dòng)。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的使用效果和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接性影響，產(chǎn)生裂紋或在記錄過(guò)程中出現(xiàn)失誤，使步進(jìn)電機(jī)維護(hù)更加困難。在實(shí)際應(yīng)用中需要在特定周期內(nèi)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其具備良好的應(yīng)用效果及安全性。單片機(jī)能夠從結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)，使電機(jī)不再受局部區(qū)域干擾，避免出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)差錯(cuò)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)成本進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約。
2.2 單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)電路中的實(shí)用性原則
設(shè)計(jì)單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)候，需要考慮資金要素，要依實(shí)際情況，對(duì)設(shè)計(jì)成本進(jìn)行有效控制，減少不必要的資金浪費(fèi)，使單片機(jī)在步進(jìn)電機(jī)電路中得到充分應(yīng)用。
3 步進(jìn)電機(jī)概述
3.1 步進(jìn)電機(jī)發(fā)展
步進(jìn)電機(jī)別名階躍電動(dòng)機(jī)或脈沖電動(dòng)機(jī)，它能夠?qū)γ}沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為角位移或直線位移電機(jī)，也使它的分析過(guò)程更加便利。該種步進(jìn)電機(jī)發(fā)展較早，無(wú)論是位移量與脈沖數(shù)，還是位移速度與脈沖頻率都呈現(xiàn)正相關(guān)。
步進(jìn)電機(jī)的最初研發(fā)時(shí)間是上世紀(jì)二十年代，距今已有很長(zhǎng)年限。上世紀(jì)五十年代，人們開(kāi)始在步進(jìn)電機(jī)上對(duì)晶體管技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)字化控制，使其控制過(guò)程更加快捷便利。此后，研究人員再次對(duì)步進(jìn)電機(jī)性能進(jìn)行升級(jí)和改善，使其具備分解性、響應(yīng)性、精度性和可依賴性等多方面優(yōu)勢(shì)。加之，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)中開(kāi)始對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行頻繁應(yīng)用，使其逐漸成為機(jī)電一體化中的重要執(zhí)行元素。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，它既能夠提升工作效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，也能夠使位置控制更加快捷、準(zhǔn)確，不斷提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化[1]。
步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。它最大的應(yīng)用是在數(shù)控機(jī)床的制造中，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，所以被認(rèn)為是理想的數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行元件。早期的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較小，無(wú)法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達(dá)。隨著步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠單獨(dú)在系統(tǒng)上進(jìn)行使用，成為了不可替代的執(zhí)行元件。比如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用作數(shù)控銑床進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在這個(gè)應(yīng)用中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息。步進(jìn)電機(jī)也可以作為數(shù)控蝸桿砂輪磨邊機(jī)同步系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。除了在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，步進(jìn)電機(jī)也可以并用在其他的機(jī)械上，比如作為自動(dòng)送料機(jī)中的馬達(dá)，作為通用的軟盤驅(qū)動(dòng)器的馬達(dá)，也可以應(yīng)用在打印機(jī)和繪圖儀中等等。
3.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
定子和轉(zhuǎn)子是步進(jìn)電機(jī)的主要元件。正常工作狀態(tài)下，如果有電流經(jīng)過(guò)，定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)矢量磁場(chǎng)，繼而對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生帶動(dòng)，使其在具體作用下旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子的磁極磁場(chǎng)方向會(huì)發(fā)生偏差，形成相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)主要對(duì)通過(guò)定子繞組的電流進(jìn)行支配，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度控制。一旦輸入脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子即發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即步距角。完成脈沖信號(hào)給出規(guī)律設(shè)定之后，電流的通過(guò)將會(huì)更具規(guī)律性，而轉(zhuǎn)子也會(huì)有規(guī)律的進(jìn)行持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行帶動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作。如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)具有持續(xù)性特征，控制難度相對(duì)較大。當(dāng)前的步進(jìn)電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式是數(shù)字信號(hào)，能夠依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)它的定位和運(yùn)轉(zhuǎn)等使用狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。我們對(duì)輸入脈沖的電機(jī)繞組通電順序、頻率和數(shù)量等進(jìn)行合理調(diào)整，對(duì)步進(jìn)電機(jī)接受脈沖信號(hào)而旋轉(zhuǎn)指定的角度進(jìn)行科學(xué)合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行得益于脈沖信號(hào)。如果沒(méi)有輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)將處于定位狀態(tài)。單片機(jī)能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)這一特性進(jìn)行有效控制。對(duì)單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同步應(yīng)用，有助于提高其生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的主要功用是能量轉(zhuǎn)換，而步進(jìn)電機(jī)則作為電路控制元件存在，極具精確性，對(duì)人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活具有正向性影響。
4 基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)電路的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)可以以硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。但是，基于市場(chǎng)因素考慮，硬件系統(tǒng)不具備經(jīng)濟(jì)性，而它的各項(xiàng)功能也不具備適用性。一旦發(fā)生設(shè)計(jì)變更，則需要對(duì)硬件電路進(jìn)行整體性修改，加大了工作負(fù)擔(dān)，很難實(shí)現(xiàn)便利性。單片機(jī)具備可直接編程優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)\(yùn)算功能進(jìn)行有效執(zhí)行，在具體應(yīng)用過(guò)程中，可對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性控制，對(duì)具體的轉(zhuǎn)向、步數(shù)和速度等進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。借助軟件的更改，能夠滿足不同設(shè)計(jì)訴求。設(shè)計(jì)人員對(duì)顯示電路和鍵盤電路進(jìn)行有效結(jié)合，能夠進(jìn)行人機(jī)交換，最大程度降低外部干擾，使其更加可靠、高效。
4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)
電路設(shè)計(jì)中離不開(kāi)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是步進(jìn)電機(jī)電路的起始部分。主要功能是生成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需要的脈沖，并對(duì)其加以控制。我們可以借助單片機(jī)的軟件編程功能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)所需要的信號(hào)進(jìn)行輸出，使單片機(jī)輸出脈沖數(shù)與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)正相關(guān)，單片機(jī)輸出脈沖頻率與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度也呈現(xiàn)正相關(guān)。同時(shí)，單片機(jī)也能夠?qū)﹄娏髦颠M(jìn)行有效處理，并借助數(shù)碼管明確顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。
單片機(jī)的主要模塊有復(fù)位電路和晶體振蕩電路。如圖2所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)線路圖。
P0口主要對(duì)數(shù)碼管顯示情況進(jìn)行控制，使其顯示結(jié)果更加明確，且極具準(zhǔn)確度；P1口著重控制步進(jìn)電機(jī)中單片機(jī)的編程，使芯片處于良好的讀寫狀態(tài)；P2口作為數(shù)碼管位選，對(duì)公共端工作進(jìn)行有效控制。同時(shí)，它也能夠?qū)呙桦娐锋I盤工作情況進(jìn)行合理控制。P3口著力于模數(shù)轉(zhuǎn)化成芯片的工作控制[2]。
4.1.2 數(shù)碼管顯示電路
數(shù)碼管顯示模塊的主要顯示內(nèi)容有步進(jìn)電機(jī)選擇速度、旋轉(zhuǎn)方向、步進(jìn)電機(jī)電流通過(guò)情況。該設(shè)計(jì)中，借助數(shù)碼管對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行顯示，直接點(diǎn)亮數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)位選部分，對(duì)單片機(jī)控制端的地輸出電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機(jī)控制端。
4.1.3 串口通信模塊
串口通信模塊的應(yīng)用原理是對(duì)計(jì)算機(jī)和單片機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)二者之間的信息交互和流通。它的應(yīng)用原理是借助計(jì)算機(jī)對(duì)程序進(jìn)行編程，然后對(duì)程序進(jìn)行復(fù)制，在單片機(jī)芯片中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。
4.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率比較小，很難對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其運(yùn)行。因此要添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使步進(jìn)電機(jī)信功率不斷放大。集成的驅(qū)動(dòng)芯片價(jià)格比較低，控制難度相對(duì)較小，可以將其作為核心元件應(yīng)用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中。
如圖3所示，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)核心由驅(qū)動(dòng)芯片L298和其周圍的電路組成，L298N的管腳IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB與單片機(jī)的I/O端口P1口的六個(gè)管腳依次連接相連，接收脈沖信號(hào)。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)之間的串聯(lián)模式相符合，使電路控制和操作更加簡(jiǎn)單和便利。
4.1.5 獨(dú)立按鍵電路
內(nèi)部電路中的按鍵是獨(dú)立的，在單片機(jī)端口上對(duì)其進(jìn)行連接。將其作為外部性按鍵，使內(nèi)部各項(xiàng)模塊具有較好的中斷功能，以對(duì)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，并對(duì)它的速度進(jìn)行科學(xué)調(diào)控，使其電流呈現(xiàn)良好的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行合理控制。它屬于步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)中的輔裝置，具有不可或缺的重要作用。
4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)主要為硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)提供依托和支持。依據(jù)單片機(jī)本身的性質(zhì)和特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行合理編程和讀寫，以充分體現(xiàn)出設(shè)計(jì)功能，并對(duì)其進(jìn)行合理更改，實(shí)現(xiàn)電路控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)具有緊密相關(guān)性。軟、硬件中的任一設(shè)計(jì)模塊都直接關(guān)乎最終設(shè)計(jì)效果和步進(jìn)電機(jī)電路的整體運(yùn)行狀態(tài)。因而，需對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行合理把控，以提升其整體性能。
4.2.1 紅外線編碼
遙控器編碼形式是32位二進(jìn)制碼組，前16位是用戶識(shí)別碼，能夠?qū)Σ煌碾娖髟O(shè)備進(jìn)行有效區(qū)分，避免不同機(jī)種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識(shí)別碼固定高8位地址和低8位地址分別為OBFH和40H，后16位則是8位操作碼和它的反碼。單片機(jī)接收紅外線之后，可按以下方式開(kāi)展解碼工作：中斷信號(hào)產(chǎn)生-EA清零-延時(shí)短-等待高電平-延時(shí)不足4.5ms-再次等待高電平-延時(shí)0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對(duì)32位代碼進(jìn)行依次讀取，前16位是識(shí)別碼，后18位中，數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼均為8位[3]。
4.2.2 步進(jìn)電機(jī)程序
步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的基本訴求是對(duì)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行判斷，再依據(jù)正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對(duì)所需控制步數(shù)進(jìn)行判定，觀察其具體傳動(dòng)情況，直至將要求控制步數(shù)傳送完畢。分別將步進(jìn)電機(jī)和單片機(jī)作為具體執(zhí)行元件和控制器，并將檢測(cè)元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動(dòng)輸入信號(hào)則是手動(dòng)按鈕，以紅外遙控裝置開(kāi)展遙控操作，對(duì)時(shí)鐘控制和狀態(tài)顯示的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合限定輔助，使步進(jìn)電機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)和遙控多功能操作更加便利，保障其可靠性。
5 程序原理分析
5.1 程序設(shè)計(jì)思路
依據(jù)電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)的輸入和輸出分別為P1口的前6個(gè)管腳和P1口的后2個(gè)管腳及P2口的前4個(gè)管腳。首先，主程序部分向驅(qū)動(dòng)電路輸出4路高電平，停轉(zhuǎn)電機(jī)。繼而對(duì)定時(shí)器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進(jìn)行合理設(shè)置，將“停轉(zhuǎn)”狀態(tài)顯示點(diǎn)亮，然后進(jìn)行按鍵掃描，按下按鍵之后，實(shí)現(xiàn)程序段跳轉(zhuǎn)。如果沒(méi)有按下按鍵，即會(huì)回歸到程序的初始部分。正轉(zhuǎn)部分需對(duì)正轉(zhuǎn)狀態(tài)指示進(jìn)行點(diǎn)亮，然后執(zhí)行起始脈沖輸出，繼而對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，并對(duì)不同狀態(tài)下的執(zhí)行情況進(jìn)行合理判斷，調(diào)配到定時(shí)器T0賦初始值子程序，對(duì)累加器A中的數(shù)值進(jìn)行累加。幾經(jīng)循環(huán)，使步進(jìn)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。反轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)過(guò)程亦是如此。加速和減速中，對(duì)定時(shí)時(shí)間進(jìn)行改變，即可實(shí)現(xiàn)定時(shí)器定時(shí)初始值更改。
5.2 設(shè)定定時(shí)器計(jì)數(shù)初始值
程序設(shè)計(jì)中對(duì)定時(shí)器T0的定時(shí)中斷進(jìn)行選用，以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)細(xì)部性時(shí)間控制。對(duì)T0的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行更改，即可改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。假定步進(jìn)電機(jī)的步距角為7.5°，轉(zhuǎn)一圈耗費(fèi)的脈沖數(shù)量為48。將轉(zhuǎn)速假設(shè)為N（r/min），而每一分鐘脈沖數(shù)據(jù)輸送數(shù)量為48N，每送一個(gè)脈沖信號(hào)需要花費(fèi)的時(shí)間為s。
定時(shí)器T0的技術(shù)初值為。將步進(jìn)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速假定為20r/min，最高轉(zhuǎn)速為100r/min，速度級(jí)的界定為5r，共17級(jí)。
6 結(jié)語(yǔ)
步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用層面極具優(yōu)越性，在工業(yè)設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，有助于提高生產(chǎn)質(zhì)量及效率。我們要結(jié)合具體操作背景，對(duì)單片機(jī)的優(yōu)越性進(jìn)行重點(diǎn)分析，在步進(jìn)電機(jī)電路控制系統(tǒng)中對(duì)它進(jìn)行全面應(yīng)用，使步進(jìn)電機(jī)工作性能得到充分提升。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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本次設(shè)計(jì)采用選擇PHILIPS半導(dǎo)體公司帶手動(dòng)復(fù)位功能的產(chǎn)品MAX708。MAX708還可以監(jiān)視第二個(gè)電源信號(hào)，為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能，利用此功能，系統(tǒng)可在電源跌落時(shí)到復(fù)位前執(zhí)行某些安全操作，保存參數(shù)，發(fā)送警報(bào)信號(hào)或切換后備電池等。
另外，系統(tǒng)還擴(kuò)展了可編程外圍芯片PSD303。由于系統(tǒng)的 I/O口數(shù)量與實(shí)際所需數(shù)量還有很大的差距，故系統(tǒng)又?jǐn)U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(hào)、緊急停車信號(hào)等。
一、鍵盤與顯示電路
在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)置了一個(gè)9按鍵的操作電路，以代替實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)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(shí)的相關(guān)項(xiàng)的顯示。
另外，為了便于現(xiàn)場(chǎng)工作之便，設(shè)置了5×4的矩陣式鍵盤，用于當(dāng)系統(tǒng)軟件等出現(xiàn)錯(cuò)誤，而又不便直接對(duì)程序進(jìn)行修改時(shí)的調(diào)試之用。
二、變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)用交-交變頻電路是不通過(guò)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(yīng)用于大功率交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相輸出交-交變頻電路。這種電路的特點(diǎn)：（1）因?yàn)槭侵苯幼儞Q，沒(méi)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(luò)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(yùn)行時(shí)更低，需要適當(dāng)補(bǔ)償。
三相變頻電路就較單相復(fù)雜，其電路接線方式主要有公共交流母線進(jìn)線方式和輸出型聯(lián)結(jié)方式。具體說(shuō)來(lái)，其主電路型式有：3脈波零式電路、6脈波分離負(fù)載橋式電路、6脈波非分離負(fù)載橋式電路、12脈波橋式電路、3脈波帶中點(diǎn)三角形負(fù)載電路、3脈波環(huán)形電路。
本次設(shè)計(jì)選用較為簡(jiǎn)單的一種—3脈波零式電路。
三、同步電路設(shè)計(jì)
同步電路的功能是，在對(duì)應(yīng)的晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓的初始點(diǎn)（即控制角α的起算點(diǎn)）發(fā)出一個(gè)CPU能識(shí)別是哪一相同步信號(hào)的中斷脈沖Utpi和要求的α角進(jìn)行延時(shí)控制，輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。三相同步電壓信號(hào)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(jī)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(hào)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(jī)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(shè)計(jì)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(gè)管子，所以一共有18個(gè)晶閘管，這樣，觸發(fā)脈沖也應(yīng)有18路。三極管V為輸出級(jí)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(hù)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(fù)載。另外，為了隔離輸入輸出信號(hào)，加入了光電耦合器，考慮到應(yīng)有足夠的脈沖強(qiáng)度使晶閘管導(dǎo)通，輸出極電壓設(shè)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(dá)到電氣隔離作用，亦加入了光電偶合器。再者，為便于單片機(jī)對(duì)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(hào)（由HSO.0 引入）和 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器信號(hào)，而多諧振蕩器的控制信號(hào)則由單片機(jī)的HSO.1 控制。這樣，當(dāng)電機(jī)輸入緊急停車信號(hào)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)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(jī)快速停車。
五、保護(hù)電路設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)和運(yùn)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(jiàn)和最危險(xiǎn)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(jī)和變壓器一相繞組上的匝間短路，當(dāng)然也有其它形式的保護(hù)措施。具體保護(hù)形式有：電流型保護(hù)，電壓型保護(hù)等。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里僅采用電流型保護(hù)中的短路保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，并在每個(gè)電機(jī)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(hào)，當(dāng)按下緊急停車按鍵時(shí)單片機(jī)通過(guò)中間繼電器關(guān)斷接觸器 KM2-KM8。
六、反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
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(jī)的 P0.1口。 【參考文獻(xiàn)】
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關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 插補(bǔ)算法 變頻調(diào)速 軟硬件協(xié)同仿真
中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
1引言
步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的控制電機(jī)，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子組成，可以對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行高精度控制。當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)，該矢量場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一著該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實(shí)際上就是以一定的規(guī)律控制定子繞組的電流來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。每來(lái)一個(gè)脈沖電壓，轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，稱為一步。根據(jù)電壓脈沖的分配方式，步進(jìn)電機(jī)各相繞組的電流輪流切換，在供給連續(xù)脈沖時(shí)，就能一步一步地連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周的步數(shù)相同，在不丟步的情況下運(yùn)行，其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，精度高，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。
2硬件設(shè)計(jì)要求及原理
2.1 設(shè)計(jì)要求
（1）供電電源：10V～40VDC容量0.03KVA。（2）輸出電流：共分0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A、2.4A、2.7A、3.0A8檔可選，以配合不同電機(jī)使用。（3）驅(qū)動(dòng)方式：恒相流PWM控制。（4）細(xì)分選擇：整步、半步、4細(xì)分、8細(xì)分、16細(xì)分、32細(xì)分、64細(xì)分的七種細(xì)分模式可選。（5）自動(dòng)半電流：若上位機(jī)在半秒中內(nèi)沒(méi)有發(fā)出步進(jìn)脈沖，驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)進(jìn)入節(jié)電的半電流運(yùn)行模式。
2.2 電氣接口要求
2.2.1 輸入信號(hào)
脈沖信號(hào)輸入：脈沖信號(hào)，5mA～12mA，高電平+5V電平，脈沖信號(hào)，最高頻率為70KHz。方向信號(hào)輸入：高、低電平，5mA～12mA，高電平+5V。脫機(jī)信號(hào)輸入：高、低電平，5mA～12mA，高電平+5V。公共端輸入：+5V電源。
2.2.2 輸出信號(hào)
兩相步進(jìn)電機(jī)繞組接口：繞組A接：A+，A-;繞組B接：B+，B-。
2.3 硬件設(shè)計(jì)原理
系統(tǒng)采用TSC87C51單片機(jī)接收命令，并將輸入命令進(jìn)行綜合處理，控制二相步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、運(yùn)行速度、單次運(yùn)行線位移、以及啟停等的控制;既可由鍵盤輸入，也可通過(guò)與上位機(jī)的串行通信口由上位機(jī)設(shè)置。單片機(jī)主要功能是輸出EEPROM中存儲(chǔ)的細(xì)分電流控制信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求，本控制系統(tǒng)選用的是8位雙通道的TCL7528轉(zhuǎn)換器。
單片機(jī)接收的信號(hào)有上位機(jī)的命令信號(hào)、手動(dòng)輸入細(xì)分模式編碼信號(hào)。輸出信號(hào)有電流細(xì)分控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制信號(hào)。細(xì)分模式編碼由撥碼開(kāi)關(guān)S1的1，2，3開(kāi)關(guān)人工設(shè)定，共有8種細(xì)分模式可選，單片機(jī)P1口為細(xì)分模式編碼輸入I/O口。上位機(jī)的命令信號(hào)由單片機(jī)的中斷INT0、INT1和P3.4接收。其中INT0與脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)，INT1與方向信號(hào)對(duì)應(yīng)，P3.4與脫機(jī)信號(hào)對(duì)應(yīng)。單片機(jī)P0口輸出8位數(shù)據(jù)是與細(xì)分電流相對(duì)應(yīng)的。P0口8位數(shù)據(jù)輸出給D/A轉(zhuǎn)換器TLC7528數(shù)據(jù)輸入端，對(duì)工作電流進(jìn)行分割，以控制每級(jí)細(xì)分電流大小。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1 控制脈沖的設(shè)計(jì)
根據(jù)PX243四拍驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，得P0.0～P0.3引腳輸出控制脈沖時(shí)序圖。任一連續(xù)四個(gè)脈沖組成一個(gè)周期時(shí)間為T，其中一個(gè)脈沖的時(shí)間為ts，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)1.8度。改變脈沖輸出順序即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，改變ts即可改變其轉(zhuǎn)速。
本次設(shè)計(jì)是利用AT89C51內(nèi)部的定時(shí)器0來(lái)對(duì)ts實(shí)現(xiàn)精確控制，并且采用中斷方式提高了單片機(jī)的工作效率。該設(shè)計(jì)為循環(huán)中斷過(guò)程，每進(jìn)入一次中斷：
P0賦值一次，即可改變脈沖一次;TH0，TL0賦值，即可改變ts值，從而精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速;這邊引入變量i，可看成是脈沖數(shù)。200個(gè)脈沖為一圈，給i賦值即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù);判斷dir的值，給P0賦不同的值，可控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。
3.2 定時(shí)中斷子程序編寫
單片機(jī)開(kāi)發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開(kāi)軟件，我們寫的匯編語(yǔ)言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過(guò)匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于MCS-51單片機(jī)的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開(kāi)發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。
4結(jié)語(yǔ)
本文提出并實(shí)現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)均勻細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，最高細(xì)分達(dá)到64，能適應(yīng)大多數(shù)中小微型步進(jìn)電機(jī)的可變細(xì)分控制、較高細(xì)分步距角精度、及平滑運(yùn)行等要求。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)功能完善，大量新型元器件的采用，使所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器具有體積小、細(xì)分精度高、運(yùn)行功耗低、可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件功能豐富，通用性強(qiáng)，從而使控制系統(tǒng)更加靈活，具有很高的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)；計(jì)價(jià)器；電路設(shè)計(jì)
Key words： single chip microcomputer；meter；the design of circuit
中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2012）32-0224-02
0 引言
計(jì)價(jià)器在人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用的比較廣泛，特別是在出租車行業(yè)中應(yīng)用的最為普遍，汽車最早的計(jì)價(jià)是通過(guò)直接顯示里程來(lái)人工計(jì)算的，后來(lái)又發(fā)展了模擬控制進(jìn)行計(jì)價(jià)，采用模擬電路整體電路所器件多，電路較復(fù)雜，造成故障率高，難調(diào)試，模式的切換用到的機(jī)械開(kāi)關(guān)，會(huì)造成接觸不良，功能不易實(shí)現(xiàn)等。單片機(jī)計(jì)價(jià)器隨著單片機(jī)的應(yīng)用而不斷得到發(fā)展，采用了單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大，用較少的硬件和適當(dāng)?shù)能浖嗷ヅ浜峡梢院苋菀椎膶?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，靈活性強(qiáng)，且可以通過(guò)軟件編程來(lái)完成更多的附加功能。
本設(shè)計(jì)選擇以89S51單片機(jī)為中心單元、用A44E霍爾傳感器進(jìn)行距離測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)出租車計(jì)價(jià)統(tǒng)計(jì)，采用AT24C02，保證在系統(tǒng)掉電的時(shí)候保存單價(jià)和系統(tǒng)時(shí)間等信息，輸出采用8段數(shù)碼顯示管。利用本電路設(shè)計(jì)的計(jì)價(jià)器不但能實(shí)現(xiàn)基本的計(jì)價(jià)，而且還能根據(jù)白天、黑夜、中途等待來(lái)調(diào)節(jié)單價(jià)，同時(shí)在不計(jì)價(jià)的時(shí)候還能作為時(shí)鐘為司機(jī)同志提供方便。
1 設(shè)計(jì)方案
1.1 本設(shè)計(jì)主要用單片機(jī)進(jìn)行控制 利用單片機(jī)豐富的I/O接口以及控制的靈活性，實(shí)現(xiàn)基本的里程計(jì)價(jià)功能以及其他功能。其基本原理如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)的基本組成 本系統(tǒng)組成主要由以下幾個(gè)部件組成：AT89S51單片機(jī)、鍵盤控制部件、里程計(jì)算單元、液晶顯示等。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.3 霍爾傳感器計(jì)價(jià)原理 在出租車車輪上安裝一塊永久磁鐵，在適當(dāng)位置安裝霍爾開(kāi)關(guān)傳感器，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾傳感器產(chǎn)生一個(gè)脈沖，用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的值乘上車輪的周長(zhǎng)，就是出租車的行程，將其轉(zhuǎn)換成公里數(shù)，公里數(shù)乘以每一公里的價(jià)格，就是總價(jià)。其原理圖如3所示。
1.4 顯示模塊及指示燈模塊電路 該計(jì)價(jià)器采用7斷LED數(shù)碼管來(lái)顯示所計(jì)價(jià)錢，用8位共陽(yáng)極數(shù)碼管，其原理圖及接法如圖4所示。
1.5 計(jì)價(jià)單元電路設(shè)計(jì) 計(jì)算里程是通過(guò)安裝在車輪上的霍爾傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算，再傳輸給顯示單元。其原理如圖5所示。
由于開(kāi)關(guān)型的霍爾器件的輸出的信號(hào)符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，可以直接接到單片機(jī)的I/O口上，而且其最高檢測(cè)頻率可達(dá)到1MHz。使用了P3.2口作為信號(hào)的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷0，車輪每轉(zhuǎn)一圈（設(shè)車輪的周長(zhǎng)是1m），霍爾開(kāi)關(guān)就檢測(cè)并輸出信號(hào)，引起單片機(jī)中斷，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到1000次時(shí)，也就是1Km，單片機(jī)就控制將金額自動(dòng)增加，其計(jì)算公式：當(dāng)前單價(jià)*公里數(shù)=金額。
2 計(jì)價(jià)器整體電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)以AT89S51單片機(jī)為核心，采用LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示實(shí)際得的價(jià)錢，以紅外發(fā)射接收管作為基本行程信息的采集工具。此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，主要通過(guò)軟件編程，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的定義。系統(tǒng)另外還留有P1.2-P1.7，以及P2.3-P2.7口的全部資源，使得系統(tǒng)具有一定的可升級(jí)性和擴(kuò)展性。計(jì)價(jià)器整體電路如圖6所示。
3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 初始化程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)上電時(shí)，初始化程序?qū)1-R5存儲(chǔ)單元清零。
3.2 主程序設(shè)計(jì) 主程序通過(guò)循環(huán)判斷是否等待計(jì)價(jià)和車輪計(jì)數(shù)進(jìn)行總體計(jì)價(jià)的實(shí)現(xiàn)。在等待計(jì)價(jià)中，調(diào)用等待計(jì)價(jià)子程序，每4秒調(diào)用數(shù)字計(jì)價(jià)子程序?qū)τ?jì)數(shù)器加1，在車輪計(jì)數(shù)中，車輪每轉(zhuǎn)過(guò)1周調(diào)用計(jì)數(shù)子程序?qū)τ?jì)數(shù)器加1。通過(guò)計(jì)數(shù)器中的累加值，判斷數(shù)值并調(diào)用顯示。計(jì)數(shù)子程序是通過(guò)對(duì)工作寄存器的循環(huán)累加實(shí)現(xiàn)的。秒定時(shí)自程序通過(guò)2000循環(huán)調(diào)用定時(shí)器的2毫秒定時(shí)實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)調(diào)用相應(yīng)子程序。數(shù)碼管顯示子程序通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)。毫秒定時(shí)是通過(guò)軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)初始化后，判斷P1.1口，是等待計(jì)價(jià)。若是則進(jìn)入等待計(jì)價(jià)處理，若否，則進(jìn)入下一步，判斷是否進(jìn)行車輪計(jì)數(shù)，若沒(méi)有進(jìn)行車輪計(jì)數(shù)則返回等待計(jì)價(jià)處理，若進(jìn)行車輪計(jì)數(shù)，則由計(jì)數(shù)器加1，然后判斷計(jì)數(shù)器是否加到100，若不到100，則由數(shù)碼管顯示，若到100則由相應(yīng)方式處理，最后由數(shù)碼管顯示計(jì)算出的價(jià)錢。主程序流程圖如圖7所示。
在主程序模塊中，還需要完成對(duì)各接口芯片的初始化、出租車起價(jià)和單價(jià)的初始化、中斷向量的設(shè)計(jì)以及開(kāi)中斷、循環(huán)等待工作。另外在主程序模塊中，還需要設(shè)置啟動(dòng)/清除標(biāo)志寄存器、里程寄存器和價(jià)格寄存器，并對(duì)它們進(jìn)行初始化。其中斷服務(wù)程序流程圖如圖8所示。
4 結(jié)論
本設(shè)計(jì)電路，初步解決出租車計(jì)算價(jià)錢的問(wèn)題，利用本電路設(shè)計(jì)的計(jì)價(jià)器不但能實(shí)現(xiàn)基本的計(jì)價(jià)，而且還能分時(shí)間段進(jìn)行調(diào)整單價(jià)，同時(shí)在不計(jì)價(jià)的時(shí)候還能作為時(shí)鐘為司機(jī)同志提供方便。與相應(yīng)的軟件系統(tǒng)相配套使用，得到了較好的效果。
參考文獻(xiàn)：
[1]范力旻.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京.電子工業(yè)出版社，2009.
1.2OLED驅(qū)動(dòng)電路研究的意義
我們正在經(jīng)歷一個(gè)顯示器世代交替的時(shí)期,平面顯示器以一定速度逐漸取代,未來(lái)進(jìn)入電視、電腦一體化的數(shù)字時(shí)代后更會(huì)使顯示技術(shù)迅猛發(fā)展。在顯示技術(shù)的未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中,尤其是中小尺寸的產(chǎn)品,誰(shuí)會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中勝出,取決于誰(shuí)了解顧客的需求,顧客會(huì)選擇可以展現(xiàn)生命力的顯示器。而有源有機(jī)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(kāi)。我國(guó)具有一定的機(jī)電致發(fā)光顯示產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ),有機(jī)發(fā)光材料的制備技術(shù)也有良好的趨勢(shì),所以一定要充分利用顯示市場(chǎng),加大研發(fā)力度,全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
..........
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(chǎng)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(gè)基本步驟。對(duì)于電致發(fā)光物質(zhì)而言,可以劃分為有機(jī)電致發(fā)光和無(wú)機(jī)電致發(fā)光兩種。其中有機(jī)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(jī)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(jī)發(fā)光二極管的發(fā)光原理為當(dāng)對(duì)元件施加正向偏壓時(shí),電子與空穴受電壓能量的驅(qū)動(dòng)分別由陰極與陽(yáng)極注入到器件中,此時(shí)電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇并結(jié)合,就形成了電子一空穴對(duì)。而當(dāng)分子受到外來(lái)能量激發(fā)后,若電子自旋和基態(tài)電子成對(duì),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(duì)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(dòng)控制法來(lái)控制顯示屏的亮度,則需要有一定控制精度的驅(qū)動(dòng)屯壓。而電壓控制法由于電阻的作用會(huì)導(dǎo)致不同像素點(diǎn)的開(kāi)啟電壓也不盡相同,再加上面陣屏幕制備工藝的限制,會(huì)造成畫面顯示不均勻、圖像質(zhì)量低下等問(wèn)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(gè)二極管的亮度,只要能夠很好的控制各個(gè)像素點(diǎn)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(dòng)是現(xiàn)階段使用較為普遍的方式。釆用恒定電流驅(qū)動(dòng)的方法可以解決OLED顯示圖像不均勻的問(wèn)題,只是其缺點(diǎn)是不容易實(shí)現(xiàn)灰度等級(jí)較低的顯示,但對(duì)于本論文中的設(shè)計(jì),不構(gòu)成影響。此外,OLED的老化屬于庫(kù)企型的,OLED器件的老化原因是驅(qū)動(dòng)器件時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng),對(duì)于驅(qū)動(dòng)OLED器件而言,器件壽命受電流密度的強(qiáng)度影響,電流密度越大壽命越短,電流密度越小壽命越長(zhǎng)。盡可能減小OLED的驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)....................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(shè)計(jì)...............24
4.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)...............24
第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析.....................35
5.1系統(tǒng)調(diào)試.................35
5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析................................36
第五章實(shí)驗(yàn)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(cè)試,對(duì)理論設(shè)計(jì)和實(shí)際操作之間出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行整改,最終使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中所要求的功能。在設(shè)計(jì)階段用繪制電路板,根據(jù)圖制作電路板完成后,先進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢查,主要是各個(gè)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(wú)連接錯(cuò)誤的情況;查看電路板在實(shí)際中布線位置是否合理,元器件之間有無(wú)短路;檢查電源和各個(gè)元器件極性有無(wú)接反的情況,對(duì)地是否短路。經(jīng)過(guò)基本的檢查之后,接通電源,在通電情況下對(duì)電路板進(jìn)行硬件調(diào)試:接通電路后檢查各個(gè)器件及連線有無(wú)溫度過(guò)高等異?，F(xiàn)象;沒(méi)有燒程序到時(shí),使用萬(wàn)用表檢測(cè)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(gè)接口是否正常驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)調(diào)試完成后,通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)進(jìn)行操作,編寫程序,在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù),通過(guò)向電路提供顯示的行、列偏移信號(hào)和各種顯示信號(hào)?？刂菩盘?hào)到達(dá)顯示面板的同時(shí),產(chǎn)生顯示所需的行列驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而控制的顯示區(qū)域、灰度等顯示參數(shù)。
5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
這里計(jì)算的只是單色顯示時(shí)的時(shí)鐘頻率,對(duì)于高灰度的彩色屏,時(shí)鐘要求也要相應(yīng)的提高。顯而易見(jiàn),本方案的時(shí)鐘頻率與傳統(tǒng)掃描方式的比較,具有明顯的優(yōu)勢(shì),并且這種差距隨著灰度等級(jí)的提高和顯示面積的增大而更加顯著。相對(duì)靜態(tài)圖像顯示而言,顯示動(dòng)畫中的每幀圖像時(shí),首先需要更新緩存中的顯示數(shù)據(jù),同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路從接收顯示所需的各種控制信號(hào),從而達(dá)到動(dòng)畫圖像顯示的目的。在屏幕進(jìn)行靜態(tài)圖像顯示時(shí),將顯示數(shù)據(jù)從單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中輸出到緩存之后,顯示屏通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路以的頻率刷新。因此,對(duì)于動(dòng)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。
1概述
AM-OLED顯示驅(qū)動(dòng)芯片是AM-OLED平板顯示屏的關(guān)重件，具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。顯示驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部集成了行列驅(qū)動(dòng)電路、圖像SRAM、電荷泵、LDO、伽馬校正和多種輸入輸出接口。內(nèi)置圖像SRAM最高可支持到WVGA分辨率，可顯示16.77兆色的顯示屏；片內(nèi)的低功耗電源管理技術(shù)增強(qiáng)了手持設(shè)備的電池續(xù)航能力。該芯片具有高集成度、低成本、低功耗的特點(diǎn)，可運(yùn)用于中小尺寸AM-OLED顯示屏模塊，包括智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品。
本文通過(guò)分析AM-OLED驅(qū)動(dòng)控制芯片的測(cè)試需求，并結(jié)合該芯片的多功能模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種AM-OLED驅(qū)動(dòng)芯片的測(cè)試電路設(shè)計(jì)方案。該方案對(duì)AM-OLED驅(qū)動(dòng)控制芯片的各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試非常有效。該文的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于我們研發(fā)的AM-OLED驅(qū)動(dòng)控制芯片彩屏手機(jī)中。
2需求分析
圖1所示為AM-OLED驅(qū)動(dòng)控制芯片的組成框圖。GateDriver行驅(qū)動(dòng)、Source Driver列驅(qū)動(dòng)分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)AM-OLED的行和列。電源模塊由三個(gè)電荷泵、兩個(gè)LDO以及一個(gè)上電檢測(cè)電源組成，用來(lái)向伽馬校正、行驅(qū)動(dòng)、列驅(qū)動(dòng)以及SRAM模塊提供所需要的驅(qū)動(dòng)電壓。內(nèi)置SRAM用來(lái)存儲(chǔ)需要顯示的圖像數(shù)據(jù)。OSC振蕩器主要是作為片內(nèi)時(shí)鐘源，可以通過(guò)倍頻、分頻、調(diào)整占空比等方式，結(jié)合各需求模塊的具體需求，產(chǎn)生高精度的時(shí)鐘頻率。數(shù)字控制模塊由Command decoder和TCON模塊組成，主要實(shí)現(xiàn)1）不同分辨率顯示，2）不同顯示模式顯示，3）低功耗模式控制，4）不同控制和數(shù)據(jù)接口兼容5）行列驅(qū)動(dòng)電路控制以及伽馬校正，6）接口譯碼功能。使各模塊能協(xié)調(diào)按序工作。
針對(duì)以上驅(qū)動(dòng)芯片，需要對(duì)他的各項(xiàng)功能模塊和整體性能進(jìn)行有指標(biāo)的測(cè)試，常用測(cè)試項(xiàng)目如下：
1）電源模塊測(cè)試，測(cè)定芯片內(nèi)基準(zhǔn)、電荷泵、LDO等電源的電壓、電流指標(biāo)要求。
2）聯(lián)動(dòng)測(cè)試，包括上電，啟動(dòng)復(fù)位、省電、睡眠等各模式之間的切換。
3）動(dòng)態(tài)電流和平均電流測(cè)試，用于統(tǒng)計(jì)芯片的平均功耗和瞬時(shí)功耗。
4）列驅(qū)動(dòng)Source Driver輸出固定電平測(cè)試、建立時(shí)間、DNL、INL、DVO測(cè)試。
5）通過(guò)SPI口對(duì)集成在芯片內(nèi)的SRAM進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試基本的存儲(chǔ)功能是否正確。
6）伽馬電路測(cè)試，需要分步進(jìn)行，先對(duì)其內(nèi)部各個(gè)模擬電路進(jìn)行測(cè)試，確定參考電壓產(chǎn)生是否正確，然后再和列驅(qū)動(dòng)連接進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。比對(duì)顯示效果，可調(diào)整電壓誤差范圍。
7）
數(shù)字控制模塊的測(cè)試，主要在接口之間的兼容，可在線調(diào)試，寄存器可配等特點(diǎn)來(lái)提高芯片的可測(cè)試性。
3測(cè)試方案
針對(duì)以32AM-OLED驅(qū)動(dòng)控制芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，下面給出了一種測(cè)試電路的設(shè)計(jì)方案。為了提高各個(gè)功能模塊的可觀測(cè)性和可控制性，以便全方位驗(yàn)證芯片的總體性能指標(biāo)提供電路結(jié)構(gòu)支持。圖2是AM-OLED驅(qū)動(dòng)控制芯片測(cè)試系統(tǒng)框圖。主要有屏、驅(qū)動(dòng)芯片、FPC軟板、電源板、FPGA板組成。其中屏和驅(qū)動(dòng)芯片以實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，在測(cè)試階段已經(jīng)焊接在一起，有了屏就可以直觀顯示有關(guān)行列的驅(qū)動(dòng)和使能（排除屏上壞點(diǎn)），同時(shí)對(duì)于芯片的Gamma校正，色階等可以直觀顯示，并且可以在線調(diào)試變化過(guò)程；然后屏和顯示控制系統(tǒng)通過(guò)FPC軟板連接，在軟板上預(yù)留屏電壓和控制信號(hào)測(cè)試點(diǎn)；電源模塊實(shí)現(xiàn)屏上的行和列提供顯示驅(qū)動(dòng)電壓，以及驅(qū)動(dòng)芯片電源總輸入；FPGA板是整個(gè)測(cè)試電路的控制核心，設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)一些特定的顯示效果圖像。
4具體電路
測(cè)試的電路結(jié)構(gòu)是在上面所介紹的芯片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，參考其測(cè)試需求而設(shè)計(jì)的，其重點(diǎn)是電源板和FPGA板，一個(gè)提供整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電源流，為各功能模塊提供充足的各種閾值的需求，同時(shí)預(yù)留測(cè)試點(diǎn)以監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)芯片的各項(xiàng)交直流參數(shù)指標(biāo)。另一個(gè)是提供測(cè)試系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)流，控制各個(gè)功能模塊的動(dòng)作，并且可以獨(dú)立制作特定的顯示數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)芯片的顯示效果。
首先是電源板，如圖3所示，系統(tǒng)的電源分四部分：第一部分是FPGA系統(tǒng)所需的多路電源管理VIN+5V，由TPS5450產(chǎn)生，第二部分，驅(qū)動(dòng)芯片輸入電壓，由LDO降壓后產(chǎn)生核電壓和10電壓VDDAB、VDDI；第三部分是AM-OLED需要的正負(fù)的高電壓，ELVDD、ELVSS，都由TPS5450產(chǎn)生，TPS5450的特點(diǎn)是根據(jù)電感的接法不同，既可以產(chǎn)生正電壓，也可以產(chǎn)生負(fù)電壓，第四部分，電平轉(zhuǎn)換電源所需電壓通過(guò)TPS65131實(shí)現(xiàn)，其中AM-OLED的RGB行列供電的電源要在4.6V到6.5V之間可調(diào)，使用寬范圍的電位器來(lái)靈活調(diào)節(jié)。
中圖分類號(hào)：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
文章編號(hào)：1004373X(2008)2202204
Design of LCD Control Circuit Based on AT89S52
CHEN Jingpei，XU Yongmei
(Huaian Broadcasting and Television University,Huaian,223005,China)
Abstract：The liquid crystal display is the widespread application function in present monolithic integrated circuit technology.The design uses powerful AT89S52 single chip computer and programming software Visual C + +,designs a new type of LCD control circuit.From the AT89S52 and DMC20261 liquid crystal display monitor′s performance characteristics,according to experience,it introduces between two connection technology,contains the mature hardware electric circuit and the software design.The experimental resultsindicate that,this design is simple,convenient,stable and reliable,it is widely applied in the intellectualized instrument measuring appliance and each kind of sounding board,provids high nimble,high performance solution for embedded control system.
Keywords：AT89S52 single chip computer;DMC20261 LCD;hardware interface;software design
1 AT89S52單片機(jī)簡(jiǎn)介
1.1 芯片主要特性
AT89S52單片機(jī)是Atmel公司新近推出的高檔、增強(qiáng)型產(chǎn)品。它是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含通用8位中央處理器和ISP FLASH存儲(chǔ)單元，8 kB ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1 000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，片上FLASH允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程FLASH，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。
1.2 AT89S52管腳排列
AT89S52單片機(jī)有PDIP,PLCC和TQFP等3種封裝形式（常見(jiàn)的PDIP排列見(jiàn)圖1）。
2 DMC20261型液晶顯示屏
DMC20261型液晶顯示模塊內(nèi)部由3部份組成：LCD控制器、驅(qū)動(dòng)器、顯示器。如圖2所示。
目前大部分LCD液晶顯示器的控制器都有采用型號(hào)為HD44780的集成控制器。HD44780是集控制器、驅(qū)動(dòng)器于一體，專用于字符顯示控制驅(qū)動(dòng)集成電路。HD44780是字符型液晶顯示控制器的代表電路。其主要特點(diǎn)是：
HD44780不僅作為控制器而且具有驅(qū)動(dòng)40×16點(diǎn)陣液晶像素的能力，且驅(qū)動(dòng)能力可通過(guò)外接驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展360列驅(qū)動(dòng)；顯示緩沖區(qū)及用戶自定義的字符發(fā)生器CGRAM全部?jī)?nèi)藏在芯片內(nèi)；具有適用于M6800系列MPU的接口，并且接口數(shù)據(jù)傳輸可為8位數(shù)據(jù)和4位數(shù)據(jù)傳輸2種方式；具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等顯示功能（見(jiàn)表1）；由于HD44780的DDRAM容量所限，HD44780可控制的字符高達(dá)每行80個(gè)字，也就是5×80=400點(diǎn)，內(nèi)藏有16路行驅(qū)動(dòng)器和40路列驅(qū)動(dòng)器，所以HD44780本身就具驅(qū)動(dòng)有16×40點(diǎn)陣LCD能力（即單行16個(gè)字符2行8個(gè)字符）；內(nèi)藏的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形（見(jiàn)圖3），比如數(shù)字“1”的代碼是00110001B（31H），又如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H）。
2.1 液晶屏控制器的指令
字符LCD的指令共有11條，詳細(xì)功能和用法見(jiàn)表1。
2.2 字符圖形代碼
字符圖形代碼（如圖3所示）。
3 液晶顯示屏與AT89S52接口的設(shè)計(jì)
3.1 硬件電路設(shè)計(jì)
在實(shí)際應(yīng)用中，液晶模塊與單片機(jī)的連接方式很多。從占用I/O口線的多少來(lái)分有串行方式和并行方式，其中串行方式速度較慢、占用的I/O口少，并行方式分為4線和8線、速度較快、占用的I/O口多，實(shí)際應(yīng)用中以并行方式居多。目前51系列單片機(jī)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的一類，下面介紹筆者設(shè)計(jì)成功的接口電路供大家參考。
單片機(jī)的P0口和P3口的部份引腳與DMC20261型液晶顯示連接電路如圖4所示。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
由DMC20261字符圖形代碼及控制器的指令特點(diǎn)編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的顯示程序“淮安市高職院”。其中P35為命令/字符、P36為讀/寫、P37為脈沖引腳，P0口為數(shù)據(jù)端，每個(gè)漢字占5列8行點(diǎn)陣，兩行最多可編16字。主程序流程圖如圖5所示。后面附上用調(diào)整軟件Dev C++IDE編寫并調(diào)試成功的程序。
注：*表示可以為0或1。
控制系統(tǒng)實(shí)用程序如下：
#include
#include
#define RS P35//定義P35為命令/數(shù)據(jù)引腳//
#define RW P36//定義P36為讀寫//
#define E P37//定義P37為脈沖//
unsigned char count,sec,min,hr;
void delay(unsigned int duration) //延遲函數(shù)//
{
while (duration--!=0);
}
void store() //脈沖函數(shù)//
{
E=1;
delay(300);
E=0;
delay(300);
}
void LCD_init()//顯示器初始化函數(shù)//
{
RS=0;
RW=0;
P0=0X38; //定義顯示器為兩行//
store();
P0=0X0C;//顯示光標(biāo)//
store();
P0=0X06;//屏不移動(dòng)//
store();
P0=0X01;//清除命令//
store();
P0=0X02;//返回原位置//
store();
}
void LCD_print(unsigned char k) //輸送數(shù)據(jù)到顯示器//
{
P0=k;
RS=1;
RW=0;
store();
}
void LCD_command(unsigned char m)//輸送命令到顯示器//
{
P0=m;
RS=0;
RW=0;
store( );
}
void display_chinese()
{
LCD_command(0x40); //“淮”，字符存儲(chǔ)器開(kāi)始地址為40H，占5列8行//
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x0f);
LCD_print(0x1a);
LCD_print(0x0f);
LCD_command(0x48); //“安”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x0a);
LCD_command(0x50); //“市” //
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x00);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0x58); //“高”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0e);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_command(0x60); //“職”//
LCD_print(0x1e);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_command(0x68); //“院”//
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x12);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1D);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0xC5); //顯示字符于第二行//
LCD_print(0);
LCD_print(1);
LCD_print(2);
LCD_print(3);
LCD_print(4);
LCD_print(5);}
void main(){
LCD_init();//顯示器初始化//
display_chinese(); //顯示漢字//
for(;;);}
4 結(jié) 語(yǔ)
本文介紹液晶顯示屏與AT89S52單片機(jī)接口的設(shè)計(jì)方法，硬件電路與軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行。AT89S52高性能單片機(jī)功耗低、兼容性強(qiáng)、具有可反復(fù)擦寫1 000次的ISP FLASH在系統(tǒng)可編程單元。
DMC20261型液晶顯示屏具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符滾動(dòng)、閃爍等顯示功能，且文字清晰準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于智能化儀器儀表及各種宣傳場(chǎng)所，為嵌入式控制系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。
參考文獻(xiàn)
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中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（c）-0087-02
在無(wú)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(dǎo)體功率器件，由于其本身具有寬禁帶以及擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、功率密度高等特征優(yōu)勢(shì)，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(shì)，在無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛。針對(duì)這一情況，本文在進(jìn)行射頻功率放大器及其電路的設(shè)計(jì)中，專門采用ADS仿真軟件對(duì)于射頻功率放大器及其電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析，并對(duì)于仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的射頻功率放大器在無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用和參數(shù)設(shè)置進(jìn)行分析論述，以提高射頻功率放大器的設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)在無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域中的推廣應(yīng)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(wú)線通信系統(tǒng)中的功能作用以及對(duì)于無(wú)線通信技術(shù)的影響，在進(jìn)行射頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，結(jié)合要進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的射頻功率放大器的工作頻帶以及輸出功率等特點(diǎn)要求，以滿足射頻功率放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用要求。在進(jìn)行本文中的射頻功率放大器設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)分級(jí)設(shè)計(jì)與級(jí)聯(lián)設(shè)置的方式，首先進(jìn)行射頻功率放大器的功率放大級(jí)以及驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，最終通過(guò)電路設(shè)計(jì)對(duì)于射頻功率放大器的兩個(gè)不同級(jí)進(jìn)行連接，以在無(wú)線通信中實(shí)現(xiàn)其作用功能的發(fā)揮，完成對(duì)于射頻功率放大器的設(shè)計(jì)。需要注意的是，在進(jìn)行射頻功率放大器的功率放大級(jí)結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用GaN高電子遷移率晶體管進(jìn)行射頻功率放大器功率放大級(jí)結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在功率放大級(jí)結(jié)構(gòu)模塊的電路設(shè)計(jì)中，注重對(duì)于輸出功率保障的設(shè)計(jì)；其次，在進(jìn)行射頻功率放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中，以C波段的功率放大模塊設(shè)置為主，電路設(shè)計(jì)則以增益提升設(shè)計(jì)為主，并對(duì)于增益平坦度和輸出輸入駐波進(jìn)行保障。如圖1所示，即為射頻功率放大器的功率放大級(jí)模塊設(shè)計(jì)示意圖。
2 射頻功率放大器及其電路的設(shè)計(jì)分析
結(jié)合上述對(duì)于射頻功率放大器的結(jié)構(gòu)原理分析，在進(jìn)行射頻功率放大器的設(shè)計(jì)中，主要包括射頻功率放大器的功率放大級(jí)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)級(jí)水，此外，對(duì)于射頻功率放大器電路的設(shè)計(jì)，也需要結(jié)合兩個(gè)結(jié)構(gòu)模塊的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。
2.1 射頻功率放大器的功率放大級(jí)模塊設(shè)計(jì)
在進(jìn)行射頻功率放大器的功率放大級(jí)模塊設(shè)計(jì)中，主要采用GaN高電子遷移率晶體管進(jìn)行該結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，需要注意的是，在應(yīng)用GaN高電子遷移率晶體管進(jìn)行該結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)實(shí)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(hào)模型，因此，在進(jìn)行該結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中，注意結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇應(yīng)用。在進(jìn)行射頻功率放大器的功率放大級(jí)結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)中，通過(guò)直流偏置仿真設(shè)計(jì)對(duì)于氮化鎵管子的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行確定，也就是實(shí)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(duì)于上述氮化鎵管子靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行確定后，通過(guò)ADS仿真軟件實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管直流的仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)注意在仿真設(shè)計(jì)中進(jìn)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(hào)模型情況，進(jìn)行S參數(shù)信號(hào)的編輯導(dǎo)入，同時(shí)進(jìn)行直流偏置仿真控件的加入，進(jìn)行相關(guān)數(shù)值的確定，以實(shí)現(xiàn)射頻功率放大器的功率放大級(jí)設(shè)計(jì)。
此外，在進(jìn)行射頻功率放大器功率放大級(jí)負(fù)載阻抗的設(shè)計(jì)中，根據(jù)相關(guān)理論，在負(fù)載阻抗與網(wǎng)絡(luò)匹配良好的情況下，負(fù)載阻抗的共軛復(fù)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗值是相同的，因此，就可以通過(guò)計(jì)算對(duì)于射頻功率放大器功率放大級(jí)負(fù)載阻抗值進(jìn)行分析得出，實(shí)際上也就是它的共軛復(fù)數(shù)值。同時(shí)，在進(jìn)行功率放大級(jí)設(shè)計(jì)中，結(jié)合封裝參數(shù)輸出端的阻抗模型，設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)管輸出電路匹配的優(yōu)化，以為輸出電路進(jìn)行準(zhǔn)確的負(fù)載阻抗提供，還需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中將場(chǎng)效應(yīng)管的封裝參數(shù)在輸出匹配電路中進(jìn)行設(shè)計(jì)體現(xiàn)，因此就需要對(duì)于Cds參數(shù)值進(jìn)行求取。
最后，在射頻功率放大器功率放大級(jí)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)以及濾波的隔離和電路穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行功率放大級(jí)的電路設(shè)計(jì)中，注意使用ADS軟件工具對(duì)于微帶線尺寸進(jìn)行計(jì)算，病毒與全匹配電路進(jìn)行微帶線設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)柵極偏置電路與漏極饋電電路，以實(shí)現(xiàn)功率放大級(jí)的電路設(shè)計(jì)。此外，在進(jìn)行功率放大級(jí)模塊設(shè)計(jì)中，還應(yīng)注意對(duì)于模塊中的任意功率放大芯片，都需要進(jìn)行相關(guān)的穩(wěn)定性分析，以避免對(duì)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(dòng)級(jí)模塊設(shè)計(jì)
在進(jìn)行射頻功率放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)C波段功率放大模塊進(jìn)行該結(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用。其中，在對(duì)于驅(qū)動(dòng)級(jí)模塊的參數(shù)設(shè)置中，對(duì)于輸出、輸入?yún)?shù)均以內(nèi)匹配方式進(jìn)行匹配獲取。對(duì)于射頻功率放大器的驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)來(lái)講，進(jìn)行功率放大模塊偏置電路的合理設(shè)計(jì)，是該部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。
最后，在進(jìn)行射頻功率放大器的電路設(shè)計(jì)中，在進(jìn)行功率放大模塊電路設(shè)計(jì)中，GaN HEMT結(jié)構(gòu)部分需要進(jìn)行柵壓的增加設(shè)置，并且需要注意柵壓多為負(fù)壓，在此基礎(chǔ)上還需要進(jìn)行漏壓增加設(shè)置。值得注意的是，在進(jìn)行射頻功率放大器的偏置電路設(shè)計(jì)斷開(kāi)同時(shí)，對(duì)于柵壓和漏壓的斷開(kāi)順序剛好相反，以避免對(duì)于功放管造成損壞。
3 結(jié)語(yǔ)
總之，射頻功率放大器作為無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域的重要器件，對(duì)于無(wú)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(jìn)行射頻功率放大器及其電路的設(shè)計(jì)分析，具有積極作用和價(jià)值意義。
參考文獻(xiàn)
1 前言
比較器是一種帶有反相和同相兩個(gè)輸入端以及一個(gè)輸出端的器件，該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間，運(yùn)算放大器亦是如此。
比較器具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制的特點(diǎn)。運(yùn)算放大器亦是如此。
運(yùn)算放大器有如此多相似之處，但我們卻不能忽略他們的細(xì)微差別。
比較器擁有邏輯輸出端，可顯示兩個(gè)輸入端中哪個(gè)電位更高。如果其輸出端可兼容TTL或CMOS，則比較器的輸出始終為正負(fù)電源的軌之一，或者在兩軌間進(jìn)行快速變遷。比較器設(shè)計(jì)用于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)邏輯電路，用于高速工作，即使過(guò)載亦是如此。
運(yùn)算放大器有一個(gè)模擬輸出端，但輸出電壓不靠近兩個(gè)供電軌，而是位于兩者之間。這種器件設(shè)計(jì)用于各種閉環(huán)應(yīng)用，來(lái)自輸出端的反饋進(jìn)入輸入端。其偏置電流通常低于比較器，而且成本更低。運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)用于閉環(huán)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的電阻性或電抗性負(fù)載，而且不能過(guò)載至飽和狀態(tài)。
正是這些細(xì)微差別，比較器和運(yùn)算放大器大多數(shù)時(shí)候會(huì)被區(qū)別對(duì)待，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。但若稍作改變，利用他們的相似之處，又可以解決一些實(shí)際問(wèn)題。文章就運(yùn)放OPA699同時(shí)作為運(yùn)算放大器和電壓比較器進(jìn)行接收電路設(shè)計(jì)，討論，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)象分析。
2 光電探測(cè)電路原理
如圖1所示為光電探測(cè)電路原理圖，光電探測(cè)器通過(guò)偏置電路將接收到的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)，輸入到放大電路，經(jīng)過(guò)一級(jí)放大和整形等操作，輸入到信號(hào)處理單元。
圖1 光電探測(cè)電路原理框圖
3 電路各部分設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)
3.1 光電探測(cè)器及偏置電路設(shè)計(jì)
光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，一般在設(shè)計(jì)中主要考慮響應(yīng)度，響應(yīng)時(shí)間，光譜響應(yīng)范圍等參數(shù)。此設(shè)計(jì)中采用普通的硅PIN光電二極管，反向偏置電壓為5v，其在反偏電壓下工作電路如圖2：
圖2 光電探測(cè)器及偏置電路
3.2 放大電路設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)
3.2.1 放大電路設(shè)計(jì)
經(jīng)光電二極管接收、轉(zhuǎn)換的信號(hào)，其幅度和信號(hào)比不足以滿足信號(hào)處理的要求，為了得到足夠的放大倍數(shù)和更高的信噪比，還需要進(jìn)行信號(hào)的再放大。放大電路如圖3所示：
放大電路放大經(jīng)光電二極管光電轉(zhuǎn)換之后的電信號(hào)，考慮到運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)基本由電阻決定，受溫度影響較小，在放大電路中選取TI生產(chǎn)的電壓反饋限幅運(yùn)算放大器OPA699的組成所需的放大電路。OPA699的-3dB帶寬為1000MHz，壓擺率為1400v/？滋S，噪聲為4.1nV/，是一款高速低噪聲運(yùn)算放大器，滿足基本的脈沖信號(hào)的放大需求。
運(yùn)算放大器是一種雙電源器件，因而必須通過(guò)采用外部元件的某種偏置將運(yùn)算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，對(duì)于給定電源電壓，這種方法可實(shí)現(xiàn)最大輸入和輸出電壓擺幅。也就是說(shuō)，為了避免削波現(xiàn)象，需使輸出電壓偏置到電源電壓的一半附近。但是若通過(guò)簡(jiǎn)單的分壓器將同相引腳偏置到電源電壓的一半，極易引入低頻寄生振蕩或其他形式的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
該放大電路采用同相比例運(yùn)算電路，進(jìn)行單電源固定增益的放大，增益系數(shù)由R30/R29決定，本設(shè)計(jì)中設(shè)定放大倍數(shù)為5。
本設(shè)計(jì)中通過(guò)電容C34在分壓器的抽頭點(diǎn)設(shè)置旁路，用以處理交流信號(hào)。電阻R26為基準(zhǔn)電壓提供直流回路，同時(shí)設(shè)定電路（交流）輸入阻抗。在本電路中，采用R27和R28組成的分壓器，該網(wǎng)絡(luò)的-3dB帶寬由R27、R28和C34構(gòu)成，如設(shè)定R27/R28為2.4kHz/2.4kHz，C34電容值為0.1uF，則：
此設(shè)計(jì)對(duì)于1.33kHz以下的電源上存在的噪聲信號(hào)可以抑制掉。對(duì)于電容C34，若取值足夠大，能夠?qū)Ψ謮浩麟娐吠◣拑?nèi)所有頻率起到旁路的功能。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)置有效法則是將極點(diǎn)設(shè)為-3dB輸入帶寬的十分之一。
3.2.2 放大電路功能實(shí)現(xiàn)情況
輸入脈寬為10ns的激光脈沖信號(hào)后，放大電路輸入信號(hào)和輸出信號(hào)情況如圖4所示。
由圖4可以看到，此電路能正常實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的，完全起到了放大高速微弱信號(hào)的作用。
3.3 閾值比較電路及電路實(shí)現(xiàn)情況
3.3.1 閾值比較電路
本設(shè)計(jì)中，閾值比較電路通過(guò)電壓反饋運(yùn)算放大器OPA699作為電壓比較器實(shí)現(xiàn)，具體電路設(shè)計(jì)如圖5所示：
高輸入阻抗運(yùn)算放大器OPA699作為比較器亦通過(guò)單電源實(shí)現(xiàn)，R33和R35實(shí)現(xiàn)將運(yùn)算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，R34則提供閾值電壓參考值，根據(jù)實(shí)際需要，此處設(shè)置閾值為200mV。電阻R32為基準(zhǔn)電壓提供直流回路，同時(shí)設(shè)定電路（交流）輸入阻抗。
3.3.2 閾值比較電路工作情況
窄脈沖激光信號(hào)經(jīng)放大輸出進(jìn)入比較器，經(jīng)閾值比較后輸出TTL脈沖信號(hào)，通過(guò)判別前沿獲取時(shí)間信息，放大電路輸出和閾值比較電路輸出的輸出波形如圖6所示：
由圖6可以看到，實(shí)現(xiàn)閾值比較功能的運(yùn)算放大器OPA699能夠?qū)γ}寬為10ns的快速信號(hào)進(jìn)行閾值判別，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需要。
4 結(jié)束語(yǔ)
該電路中，單電源供電方式設(shè)計(jì)的放大電路有效解決了信號(hào)放大的問(wèn)題，方便后續(xù)電路的處理；閾值比較電路能進(jìn)一步得到足夠放大倍數(shù)的信號(hào)，有效地去除噪聲，提高信噪比，為后續(xù)進(jìn)行信號(hào)處理提供了保證，也就是說(shuō)，此類應(yīng)用中，尤其對(duì)供電方式要求單一的應(yīng)用中，將運(yùn)算放大器用作比較器是一種可行的設(shè)計(jì)選擇。
運(yùn)算放大器不但有單運(yùn)放封裝，同時(shí)提供雙運(yùn)放或四運(yùn)放型號(hào)，這類雙核和四核型號(hào)比兩個(gè)或四個(gè)獨(dú)立運(yùn)算器便宜，而且占用電路板面積更小，進(jìn)一步節(jié)省了成本。另外，比較器專門針對(duì)干凈快速的切換而設(shè)計(jì)，因此其直流參數(shù)往往趕不上許多運(yùn)算放大器。因而，在要求低輸入失調(diào)電壓和低輸入偏置電流等的應(yīng)用中，將運(yùn)算放大器用作比較器可能比較方便。
但是用作比較器的運(yùn)算放大器沒(méi)有負(fù)反饋，因此其開(kāi)環(huán)增益非常高。躍變期間，哪怕是極少量的正反饋也可能激發(fā)振蕩。反饋可能來(lái)自輸出與同相輸入之間的雜散電容，也可能來(lái)自共地阻抗中存在的輸出電流。雖然通過(guò)設(shè)計(jì)布局降低雜散電容等方法進(jìn)行補(bǔ)償，但不穩(wěn)定性的確是隱形存在的“不定時(shí)炸彈”。另外，將運(yùn)算放大器用作比較器時(shí)，受飽和影響，其反應(yīng)速度低于期望水平，如果高速非常重要，將運(yùn)算放大器用作比較器可能達(dá)不到預(yù)期效果。
總之，文章提供了一種可行的光電探測(cè)電路的設(shè)計(jì)手段，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須了解相關(guān)知識(shí)，以確保所選運(yùn)算放大器能達(dá)到要求的性能。
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引言
低噪聲放大器是射頻接收前端的主要部分。它位于接收機(jī)的最前端，這就要求它的噪聲系數(shù)越小越好，為了抑制后面各級(jí)噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，要求它有一定的增益。由于噪聲指標(biāo)和增益指標(biāo)此消彼長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)具體用途來(lái)選擇合適的指標(biāo)。本文用安捷倫科技有限公司的ADS仿真軟件給出一種設(shè)計(jì)方法，可以使噪聲和增益指標(biāo)最佳化。
1.設(shè)計(jì)指標(biāo)
2. 管芯及材料的選擇
本文設(shè)計(jì)的低噪聲放大器工作在：2.4GHz-2.48GHz頻段，由于頻段較高，本設(shè)計(jì)中介質(zhì)基板選擇高端PCB廠商Arlon公司的DiClad527介質(zhì)板材，介電常數(shù)為2.55，厚度為1.016mm，銅皮厚度0.1mm，損耗因子0.0022。根據(jù)本設(shè)計(jì)中低噪聲放大器的預(yù)期指標(biāo)，在滿足一定增益的同時(shí)還要有較低的噪聲系數(shù)，管芯選擇安捷倫公司的型號(hào)為ATF-34143的增強(qiáng)模式PHEMT（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）其性能參數(shù)和封裝形式如圖1 ：
3. 電路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)
電路設(shè)計(jì)前要確保電路的絕對(duì)穩(wěn)定，這里的穩(wěn)定不單指在工作頻段能穩(wěn)定，更重要的是在全頻段內(nèi)穩(wěn)定。在ADS中：K=stab_fact（S）， stab_fact（S）函數(shù)返回Rollett穩(wěn)定因子。K>1 時(shí)電路絕對(duì)穩(wěn)定。用ADS在1GHz-10GHz掃描，圖5.6為ATF-34143在1GHz-10GHz內(nèi)的穩(wěn)定性圖，由圖可以看出1GHz-5GHz，管芯的K<1，電路不穩(wěn)定，容易自激。需額外加入穩(wěn)定電路。穩(wěn)定電路如圖5.7。對(duì)該電路的電阻，電容和電感進(jìn)行調(diào)諧，使電路在整個(gè)頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定（K>1）。圖5.8給出穩(wěn)定電路的仿真結(jié)果?？梢钥吹椒€(wěn)定電路在0GHz-18GHz內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。
4. 偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
偏置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是影響低噪聲放大器性能的一個(gè)重要因素，很多電路最后設(shè)計(jì)的性能不良往往歸結(jié)于直流偏置網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的不當(dāng)。參考ATF-34143的相關(guān)資料，選定直流工作狀態(tài)： ，在該工作狀態(tài)下，管子的噪聲最小，而增益較高。首先選用ph模型設(shè)置偏置電路，采用自偏壓電路，設(shè)計(jì)電路圖：圖中優(yōu)化電阻R1、R2、R3設(shè)定2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，名稱分別為：VC和IC.IDS.i。
5 .輸入輸出端口的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
用，時(shí)的S參數(shù)模型替換直流仿真時(shí)的ph模型。對(duì)于LNA，如果輸入口有一定的失配，反而可以調(diào)整器件內(nèi)部各種噪聲之間的相位關(guān)系，從而降低噪聲系數(shù)。為了獲得最小的噪聲系數(shù)，有個(gè)最佳值，此時(shí)LNA達(dá)到最小噪聲系數(shù)，即達(dá)到最佳噪聲匹配狀態(tài)。其中是最佳信源反射系數(shù)，當(dāng)匹配狀態(tài)偏離最佳時(shí)，LNA的噪聲系數(shù)將增大。可以從器件的Datasheet文件中獲得。為最小噪聲的最優(yōu)匹配系數(shù)。這個(gè)系數(shù)可以進(jìn)行輸入匹配電路的設(shè)計(jì)，該系數(shù)可以利用軟件仿真獲得。經(jīng)仿真得 = 0.564/-87.2。輸入反射系數(shù)S[1，1]設(shè)置為的共軛，用來(lái)進(jìn)行50Ω匹配。調(diào)諧得到C1=8.2pF，L=27nH。根據(jù)噪聲最小原則設(shè)計(jì)輸入匹配電路。
6. 低噪聲放大器的整體優(yōu)化
以上完成了管芯選擇、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、輸入輸出端的電路匹配，此時(shí)需要進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，得最終電路原理圖。低噪聲放大器在0GHz-4GHz頻帶內(nèi)絕對(duì)穩(wěn)定。和均小于-15 dB，增益>14dB，噪聲系數(shù)NF<0.7dB。增益平坦度≤±1dB，完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
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1光電檢測(cè)電路的基本構(gòu)成
光電探測(cè)器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，而且光探測(cè)器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中，因此，要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過(guò)前置放大電路、濾波電路和主放大電路來(lái)輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測(cè)信號(hào)。其光電檢測(cè)模塊的組成框圖如圖1所示。
2光電二極管的工作模式與等效模型
2．1光電二極管的工作模式
光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。事實(shí)上，在反偏置條件下，即使無(wú)光照，仍有一個(gè)很小的電流(叫做暗電流或無(wú)照電流1。而在零偏置時(shí)則沒(méi)有暗電流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時(shí)，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設(shè)計(jì)光電二極管電路的過(guò)程中，通常是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是對(duì)兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］。
一般來(lái)說(shuō)，在光電精密測(cè)量中，被測(cè)信號(hào)都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設(shè)計(jì)由于所討論的待檢測(cè)信號(hào)也是十分微弱的信號(hào)，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以，設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏模式。
2．2光電二極管的等效電路模型
工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源、一個(gè)理想的二極管、結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯(lián)電阻。
由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒(méi)有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測(cè)電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層越窄，結(jié)電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會(huì)表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD(也稱作"分流"電阻或"暗"電阻)，則與光電二極管的偏置有關(guān)。
與光伏電壓方式相反，光導(dǎo)方式中的光電二極管則有一個(gè)反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測(cè)器件時(shí)，耗盡層的寬度會(huì)增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線性度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個(gè)問(wèn)題的折衷設(shè)計(jì)將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。
3電路設(shè)計(jì)
3．1主放大器設(shè)計(jì)
眾多需要檢瀏的微弱光信號(hào)通常都是通過(guò)各種傳感器來(lái)進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而使檢測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測(cè)對(duì)象本身為微弱量，同時(shí)受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號(hào)，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計(jì)中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，但后續(xù)電路一般為A／D轉(zhuǎn)換電路，所需電壓幅值一般為2V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號(hào)一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應(yīng)用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。
該主放大器的放大倍數(shù)為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有
3．2濾波器設(shè)計(jì)
為使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔并具有良好的信噪比,設(shè)計(jì)時(shí)還需要用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。為保證測(cè)量的精確性，本設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內(nèi)的信號(hào)，而抑制該頻段以外的信號(hào)。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：
B=f2-f1=f0/Q
式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因?yàn)橹行念l率一定時(shí)，Q值越大，所通過(guò)的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。
有源濾波器是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運(yùn)算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對(duì)于無(wú)源濾波器的特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運(yùn)算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開(kāi)環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡(jiǎn)單而且性能優(yōu)良。本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(VCVS)帶通濾波器，其濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。
對(duì)于第一部分，即低通濾波器，系統(tǒng)要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)為：
第二部分為高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)如下：
4完整的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)