引论：我们为您整理了13篇偏置电路设计范文，供您借鉴以丰富您的创作。它们是您写作时的宝贵资源，期望它们能够激发您的创作灵感，让您的文章更具深度。
篇1
Key words：silicon microgyroscope;bias circuit;Pspice;PCB
引言
硅微机械陀螺仪是惯性导航技术中经常用到的传感器，它具有体积小，重量轻，灵敏度高等众多优点[1]。本设计中用到的陀螺是一种利用旋转载体自身角速度驱动的陀螺，通过垂直于载体自旋角速度方向的俯仰或偏航角速度产生的哥氏力来敏感载体的俯仰或偏航角速度。如图1所示，陀螺输出信号时一个双极性信号，而应用中需要将双极性信号变为单极性信号，电源为单电源供电，而且保证相关技术指标达到要求，为此，下文对陀螺信号进行了理论分析，设计了传输函数，制备了样机。
图1 零位偏置前陀螺输出信号
1.原理分析
无驱动结构微机械陀螺结构如图2所示，它由四个陶瓷电极和一个硅摆组成四个电容，坐标系oxyz固定于传感器的质量块上，是硅摆芯片绕轴摆动的角速度，是载体绕轴的自旋角速度，Ω是载体绕轴的偏航（俯仰）角速度。
图2 无驱动结构硅微机械陀螺结构
陀螺固定在旋转载体上，当陀螺随着载体以的角速度自旋的同时又以Ω角速度偏航（俯仰）时，硅摆产生周期性变化的变化频率等于旋转载体滚动频率的哥氏加速度，沿轴输出角振动，从而引起硅质量块与四个电极构成的四个电容的变化。通过信号检测电路与信号处理电路，可以产生与被测角速度成正比的双极性电压信号，从而达到测量的目的。更改电路参数，可以将输出调整为Vpp=2V偏。
本次设计是将输出信号的零位上移V偏，最直接的方法就是用加法电路实现，用陀螺输出与V偏=2.5V直流信号相加，即可得到零位偏置2.5V的陀螺输出信号。2.5V的直流信号可以由应用环境中的+12V电源通过电压转换芯片得到。此外，本次设计与之前信号处理电路中都用到了双电源供电芯片，因此还另需将+12V转换为-12V，实现双电源供电。
2.电路设计
综合上述分析，本设计主要分为三个部分，第一部分，+12V转为-12V;第二部分，+12V转为+2.5V，第三部分，2.5V与陀螺信号的相加电路，以下分别对这三部分电路进行设计分析。
2.1 正负电源设计
由于转体内部单电源供电，而陀螺信号处理电路中用到OP27运算放大器等双电源供电的器件，所以需要进行单电源到双电源的转换。选择电压转换芯片既要考虑在误差允许范围内满足功能实现，又要尽量满足电路简洁，便于小尺寸PCB上布线。通过比较，选择Maxim公司ICL7662EBA芯片实现+12V转换为-12V，如图3所示，此应用中只需在芯片周围外接两个极性电容便可实现。而正电源则用原有的+12V电源。ICL7662的输入输出关系如公式（1）所示。
（1）
如此实现正负12V的电压给电路供电。
图3 ICL7662实现电压转换原理图
Maxim公司的ICL7662EBA芯片为八脚贴片式封装，输入工作温度范围为-40℃～+85℃，输入电压范围为4.5V～20V，其中要注意的是6脚，当输入电压小于10V时，6脚需接地，此次应用中输入电压为+12V，所以不需6脚接地。
2.2 电压转换电路
第二部分为12V转2.5V的电路，选用TI公司的TL431芯片的典型应用电路，TL431为三端可编程稳压二极管，三个引脚分别为阳极，阴极和参考电压。TL431参考电压公差等级有A，B，和标准等级三个等级，在此选用公差最小的B等级，公差为0.5%，它的工作温度为-40℃～+125℃，工作电流范围宽达1-100mA，动态电阻典型值为0.22Ω，输出杂波低，其符号可以等效为图4所示。
图4 TL431等效符号
用于稳压的典型电路如图5所示。
图5 TL431电路连接
图6 TL431仿真
其中输入输出关系可以用（下转第155页）（上接第153页）式（2）表示：
（2）
其中为内部2.5V基准源，因此当R1为0欧电阻时，输出为式（3）所示。
（3）
TL431部分的仿真结果如图6所示。
2.3 偏置电路设计
第三部分是2.5V直流信号和陀螺信号的加法电路，实现陀螺信号2.5V的零位偏置。电路设计如图7所示。
第一个OP27运放实现反相相加电路，传递函数为：
（4）
其中分别为陀螺信号和2.5V直流信号，第二个OP27运放实现反相比例运算电路，用于改变电压极性，其传递函数如式（5）所示，为最后输出，两部分电路串联起来，最终实现同相相加的目的。
（5）
因为有：
（6）
所以：
（7）
Pspice仿真结果如图8所示。
仿真结果与预期效果一致，说明设计思路正确。模拟加法电路要用到集成运算放大器，本设计属于精密仪器中的应用，且传感器的敏感电路部分涉及到微弱信号的检测，所以要求运算放大器失调电压要小且不随温度的变化而变化。此处运算放大器选用OP27，OP27是一款低噪音精密运算放大器，其噪声功率谱密度为3nV/√Hz，失调电压为10uV，且具有高共模抑制比和高开环增益等优点，是精密仪器仪表中常用的一种运放。
图8 加法电路Pspice电路仿真结果
图9 转接板PCB三维显示
图10 TL431输出结果
图11 加转接板后陀螺输出信号
3.实验验证
基于以上分析设计，设计了PCB板并加工制作，与原有陀螺信号处理板之间通过接插件连接，PCB三维显示如图9所示。于精密三轴转台上进行实验验证。经试验测得TL431输出为图10所示，当内框旋转频率为15Hz，偏航角速度为180°/s。时，最后陀螺输出信号如图11所示，可见与图1相比，陀螺输出信号零位向上偏置约2.5V。实验测量数据结果如表1所示。
表1 实验验证结果
4.结论
本次设计任务主要由正负双电源设计，2.5V稳压信号的获取以及加法电路三大部分组成，本文分别对这三部分的理论计算，仿真验证，与实验结果进行了讨论，发现三者结果基本一致。误差主要来源于芯片的器件误差与环境影响，在允许范围之内。因此本次设计理论正确，且能实际利用到工程实践。
参考文献
[1]张福学，王宏伟，张伟，毛旭，张楠.利用旋转载体自身驱动的硅微机械陀螺[J].压电与声光，2005，27（2）：109-115.
篇2
在我们生活中的各个领域随处可见单机片的踪迹：计算机网络通信与数据传输、各种智能IC卡、轿车的安全系统、摄影机、飞机上的各种控制仪表，甚至电子宠物和程控玩具，都离不开单片机的应用。在工业中，电动机的星三角启动的应用十分广泛，随着技术自动化的普及，工业中也出现了很多自动机器，人们将原本需要人来控制的电动机启动的工作交给了单片机，不仅防止了很多意外的发生，同时也提高了电动机的生产效率。
1 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路的总体设计任务和选择
首先要设计一个单片机控制的电动机Y-Δ启动，设置3秒钟的启动时间，并通过按键设置电动机Y-Δ进行操作运行和终止。该设计的基本要求和主要内容有：控制器要采用STC89C52RC单机片；电动机的选择要用三相异步电动机；正5V电源需要选用LM7805三端不可调节的稳压集成器来实现；在弱电控制强电模块中选用DC5V继电器；在电动机运行模块中要采用220V的交流接触器；显示模块要用两位级联共阴数码管；设置模块需要通过独立式键盘来进行设置和调控；指示模块需选用不同颜色的发光二极管进行指示操控。
根据上述任务设计的要求，经分析探讨，基于单片机定时器系统的设计中包括的内容有：电源模块、定时模块、控制器模块、显示模块、设置模块以及指示模块。
2 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中系统各环节的硬件电路设计
2.1 电源模块电路
该设计通过+5V直流电压来供电，一般来说，直流稳压电源的组成部分有电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。电源变压器是把交流电网中220V的电压转换成为比所需要的值，交流电压经过整流电路变为脉动的直流电压，因为脉动的直流电压中含有大幅度的纹波，当电网电压波动、温度和负载发生变化时稳压电路能够继续保持直流电压的稳定，选用输出电压为+5V的三端集成稳压器LM7805，变压器会将电网220V的电压转为+9V，通过发光二极管桥式整流之后，送入LM7805的输入端。
2.2 复位和晶振电路
单片机在平时复位端电平是0，单片机复位主要通过按键高电平复位，该设计中的复位电路既能用于操作复位，也能实现上电复位。通电时，电极两端可看做短路，RESET端电压逐渐下降，也就是低电平，此时单片机开始工作。LED发光二极管在复位电路中主要用来指示电路电源是否安全接通，晶振电路采用的是外部无源晶振，晶振值选用12MHz，两个谐振电容取值为30PF。
2.3 弱电控制强电电路
电气触头可通过电流，可以把强电接触器的线圈直接接在弱电继电器触头上，如果弱电继电器触头可通过电流，可在其上加一个中间继电器以控制强电。
2.4 电动机运行模块电路
电动机的电源通断可以通过单片机控制的接触器主触头加以控制，同时电机的星型启动三角运行的效果可由单片机的定时来转换。
2.5 电路设置
设置电路的过程中，电路可通过独立式键盘的设置和调控加以控制，采用P2口作为独立式键盘的行线，在这里不必加上拉电阻。
2.6 电路指示
此设计主要采用发光二极管作为指示灯，将发光二极管接在接口处，当两端的电压差超出自身导通压降时就会开始工作，此时的电流要满足电流和电压的要求，并与发光二极管的电流相适应，二极管才可以正常发光。在发光二极管的连接处接入一个电阻，此电阻能够通过对二极管图电流的限制以减小耗损。该设计在+5V的电压作用下采用510欧对电阻进行限流，二极管会在不超出单片机的最大限流的前提下正常工作。
3 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中的软件设计
3.1 系统主程序流程
系统设计的整个过程在系统主程序流程中的具体表现如下：
首先，可以对系统进行初始化，包括地址的常量定义、初始化单片机各端口、资源分配、初始化电动机的启动时间和定时器、设置推栈指针等。其次，能够调用启动时间处理程序，电动机的启动时间为十六进制数，存储在数据缓冲区中，如果要显示出数码管，就要进行十进制进行区分，并且每一位都存在不同的单元。最后，可以调用启动时间以显示程序，在显示程序当中，要对显示的数值进行灭0处理，当启动的时间十位是0的话，将不显示该位，以降低阅读差错。先控制数码管的位码，选中要点亮的数码管，此时将显示出段码。
3.2 程序设计和软件调试
程序流程图设计好之后就可以根据流程图编写程序了，该设计采用汇编语言编写，经调试，能够实现设计任务的要求。软件的调试通过应用KEIL软件和ISIS软件仿真电路进行操作和控制，应用KEIL软件调试后会生成HEX文件，先对设计中的各个环节进行调试，再对主程序进行调试，最后将各部分程序连接起来进行整体调试。
4 结论
综上所述，本设计开发了一种适用于人们的生产生活的，在单片机的基础上控制电动机星三角启动的定时装置。同时，对系统的各个环节进行了详细的阐述和分析，论述了各环节中的硬件电路设计，针对软件设计与硬件的综合调试进行了全面的分析，以实现弱点控制强电为目的，并通过独立式键盘对电动机的启动进行调控，该设计经过调试和检测，实现了设计任务的各种指标。
参考文献
[1]陆闯.一体化便携式高频逆变空气等离子切割机的研制[D].北京：北京工业大学，2013.
[2]郭庆.异步电动机直接转矩开环控制研究[D].陕西：西安科技大学，2013.
[3]黄开.基于AVR单片机的柜式空气净化器控制系统设计与研究[D].安徽：合肥工业大学，2013.
篇3
另外，系统还扩展了可编程外围芯片PSD303。由于系统的 I/O口数量与实际所需数量还有很大的差距，故系统又扩展了两片8255A，一片用于接键盘和显示电路，一片用于接触发信号、紧急停车信号等。
一、键盘与显示电路
在本次设计中，设置了一个9按键的操作电路，以代替实际现场的操作按钮。6位的LED显示电路用于显示转速、电流、以及调试时的相关项的显示。
另外，为了便于现场工作之便，设置了5×4的矩阵式键盘，用于当系统软件等出现错误，而又不便直接对程序进行修改时的调试之用。
二、变频系统设计
现代变频技术中主要有两种变频技术：交-直-交变频技术和交-交变频技术。交-直-交变频技术为交-直-交变频调速系统提供变频电源。交-直-交变频的组成电路有整流电路和逆变电路两部分，整流电路将工频交流电整流成直流电，逆变电路再将直流电逆变为频率可调的交流电。根据变频电源的性质可分为电压型和电流型变频。
本次设计用交-交变频电路是不通过中间直流环节，而把电网固定频率的交流电直接变换成不同频率的交流电的变频电路。这种变频电路广泛应用于大功率交流电动机调速传动系统，实际使用的主要是三相输出交-交变频电路。这种电路的特点：（1）因为是直接变换，没有中间环节，所以比一般的变频器效率要高；（2）有与其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低，输出波形也好；（3）因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低，为电网频率的三分之一左右；（4）功率因数较低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。
三相变频电路就较单相复杂，其电路接线方式主要有公共交流母线进线方式和输出型联结方式。具体说来，其主电路型式有：3脉波零式电路、6脉波分离负载桥式电路、6脉波非分离负载桥式电路、12脉波桥式电路、3脉波带中点三角形负载电路、3脉波环形电路。
本次设计选用较为简单的一种—3脉波零式电路。
三、同步电路设计
同步电路的功能是，在对应的晶闸管承受正向阳极电压的初始点（即控制角α的起算点）发出一个CPU能识别是哪一相同步信号的中断脉冲Utpi和要求的α角进行延时控制，输出相应的触发脉冲。三相同步电压信号经同步变压器、滤波、稳压、放大和光电隔离后分别接至单片机的P2.5、P2.6和P2.7管脚。另外，由于此处直流电源和触发电路中所用的电源不能共用，且光电耦合器输入输出端的地端亦不能共用，为了以示区别，它们的符号均有不同。
Ua、Ub、Uc 与可控硅组件的三相交流电压同相位。Ua、Ub、Uc经R3，C3滤波电路波形变换光耦隔离整形电路后输出三相方波电压，记为 KA、KB、KC，三相方波分别送给 80C196单片机的P2口的 P2.5、P2.6、P2.7端。CPU根据KA、KB、KC的值判断三相交流电源的相位。
四、触发电路
在设计中，三相电路中每相均有正反两组晶闸管，每组均采用三相半波式接法，即每组用三个管子，所以一共有18个晶闸管，这样，触发脉冲也应有18路。三极管V为输出级功率放大晶体管；电容C为加速电容，与R构成微分电路，可提高脉冲前沿的陡度；为兼顾抗干扰能力和脉冲前沿陡度，一般取C为0.1μF。为保护脉冲变压器，在脉冲变压器两端并联电阻R和二极管D的串联电路，一般R阻值取为1K。电阻R为假性电阻负载。另外，为了隔离输入输出信号，加入了光电耦合器，考虑到应有足够的脉冲强度使晶闸管导通，输出极电压设为15V。在出发电路中，为了得到足够的脉冲宽度，而且使脉冲前沿尽量陡，后沿下降快，故采用了脉冲变压器T～T。另外，为了达到电气隔离作用，亦加入了光电偶合器。再者，为便于单片机对触发电路的控制，在同步变压器1~18的输入端，分别引入了紧急封锁信号（由HSO.0 引入）和 555 定时器构成的多谐振荡器信号，而多谐振荡器的控制信号则由单片机的HSO.1 控制。这样，当电机输入紧急停车信号时，单片机通过其 HSO.0 输出高电平，这样就使得触发电路输入端口的或非门被封锁，也即封锁了变频装置的触发脉冲，使电机快速停车。
五、保护电路设计
为了提高控制系统的可靠性和安全性，在交流电力系统的设计和运行中，都必须考虑到有发生故障和不正常工作情况的可能性。在三相交流电力系统中，最常见和最危险的故障是各种形式的短路，其中包括三相短路、两相短路、一相接地短路以及电机和变压器一相绕组上的匝间短路，当然也有其它形式的保护措施。具体保护形式有：电流型保护，电压型保护等。为简单起见，这里仅采用电流型保护中的短路保护和过电流保护，并在每个电机的定子输入端均接入了正反向交流接触器。另外，为防止意外情况的发生，引入了紧急停车信号，当按下紧急停车按键时单片机通过中间继电器关断接触器 KM2-KM8。
六、反馈环节设计
本系统中引入了电流反馈。电流反馈采用三相交流互感器，经三相桥式整流电路及滤波电路，最后经限流、滤波及限幅电路反馈回单片机的 P0.1口。 【参考文献】
[1]方荣惠，邓先明，上官璇峰．电机原理及拖动基础[M]．中国矿业大学出版社，2001．
[2]余发山，郑征，王清灵，李辉，王玉中．自动控制系统[M]．中国矿业大学出版社，2005．
篇4
Keywords: SCT, inverter, power supply
中图分类号： TN86文献标识码：A文章编号：
一、系统总体方案设计
本系统是以STC12C5A60S2单片机作为主控制芯片而实现的逆变电源，驱动元件使用的是IR2110，，单片机产生SPWM波的方法是采用等面积法，采用此方法可以实现正弦波的输出，频率可以调节是通过对程序的控制来实现的，进而最终可以设计出直流到交流的逆变过程。
1.1、脉宽调制器（SPWM）
用STC12C5A60S单片机，此单片机为新一代的51单片机，它的flash为64k，具有两路的PWM输出，脉宽可以通过软件的方式来调节，优点是：不仅具有较高的精度，而且具有不复杂，价格不高的电路。
1.2、SPWM控制方案
有两种SPWM控制的方案：单极性与双极性调制法。在单极性法中生成的SPWM信号有正、负和0三种电平，在双极性法中生成的却仅有正、负两种电平。通过对比二者产生的SPWM波可以得知：当二者的载波比相同时，双极性SPWM所生成的波中所含谐波量较单极性的要大；而且在正弦逆变电源控制当中，双极性SPWM波控制不够简单。所以最终选择了单极性SPWM波的控制方案。
1.3、驱动方案的选取
驱动MOS管的方式可以选择简单的电路，在简化电路的同时，稳定性也加强了。IR公司的IR2112芯片驱动能力较强，高边驱动电源可以通过非常简单的电路来获得，所以设计选取IR2112。
二、系统硬件电路方案设计
2.1、主控电路的硬件设计
本设计的主要控制芯片是STC12C5A60S2单片机, 通过控制逆变电路的关断导通来实现SPWM波的产生。
2.2、驱动电路的方案设计
使用IR公司的IR2110芯片来对功率管进行驱动。因为一个IR2110驱动一个半桥，所以全桥逆变器选用2片IR2110来进行驱动。采用MOSFET来作为输出侧逆变电路中开关管，它的耐压为100V，要重视自举电容跟自举二极管的选取，选取好之后，输出逆变的电路如下图所示:
2.3、逆变电路的方案设计
为了稳定的输出交流电压，设计选用了全桥逆变电路，此电路由双半桥组成，通过对比之后，发现该系统较为稳定的同时也易于控制，基于IR2112控制的全桥驱动电路，两片IR2112芯片组成全桥逆变电路如下图所示：
三、系统软件电路方案设计
3.1、逆变电源软件程序设计
本设计的电源软件选用模块化设计。单片机内部ROM 中固定了系统程序，也有一些子程序在里面。这些子程序具有时钟、初始化系统等的功能。
在主程序模块中，需要完成的工作有：初始化各芯片、设计中断向量等。
3.2、SPWM波生成方案软件设计
3.2.1、正弦脉宽调制技术SPWM
依据软件化方法的不同由单片机实现SPWM控制的方法有：自然、规则采样法等。规则采样法相比于其它方法在理论上谐波偏小，有较强的对谐波的抑制能力的同时实时控制也不复杂，这样对于软件的实现就很有利。综上，本设计实现SPWM控制的方法选用的是规则采样法。
为了达到采样法的效果与自然采样法的效果相接近的目的，所以选取规则采样法。选取的目的是能够使得SPWM波形的每个脉冲都与三角波中心线相对称，所以这样就大大简化了计算。在图中，三角波就是载波，要想使得输出的正弦波为调制波，那么每半个正弦波的载波数就得为a，载波的周期就得为。控制逆变电路的关断可以在在载波与正弦波的交点处实现，设导通时间为，依据公式：，其中正弦调制信号波为=，正弦波幅 值与载波幅值的比值为调制度b， SPWM脉宽表的特点是正弦表，它是通过上式计算得出的，对输出交流电压有效值的控制可以通过改变调制度b的值来实现。
3.2.2、驱动电路设计STC12C5A60S2单片机生成SPWM波软件设计
选用单片机产生SPWM波原理是：PCA模块l的16位捕获／比较模块寄存器CCAPlH和CCAPlL来获得载波周期的数值，通过将PCA定时器的值CH、CL与模块捕获寄存器的值进行对比之后，如果二者相等，那么PCA就会产生中断。在中断当中，脉宽调节模式将下一个SPWM波的脉宽装载到了CCAPOL中，无干扰的更新PWM就可以通过此方法来实现。具体的流程图如下：
不同的脉宽数值在每个固定的载波周期内形成了一个类似于正弦表格的形式。如果此路SPWM的输出采用模块O，那么应该先将模块0的PCA模块工作模式寄存器定义为8位的PWM模式，清零16位计数器定时器CH、CL，清零PCA PWM模式辅助寄存器O ，当然了前提是要能确保捕获的寄存器EPCOH、EPC0L为零，与PCA模块0的捕获寄存器CCAPOH、CC2APOL有关的仅仅是PWM波比较的数值，载波周期的高八位和低八位数值通过模块l的捕获寄存器CCAPlH、CCAPlL来获得，PCA比较／捕获模块寄存器1定义为使能比较功能，匹配产生中断是可以被允许的。在第一个脉宽值sin[0]装入CCAP0H之后， PCA模块中断打开以及低压检测中断也可以打开，开总的中断，将PCA计数启动。在16位计数器／定时器的与模块1中捕获／比较寄存器的数值相等时，一个CCF中断将会产生；在中断的程序当中，中断标志位清零，模块1的捕获寄存器CCAPlH、CCAPlL的载波周期的高八位和第八位数值将被重新载入，清零16位计数器定时器CH、CL，中断的次数i加1，下一个脉宽的数值sin[i]被装入CCAPOH以进行比较。此时应当对是否到达最大数值N进行判断，如果达到了，那么就清零中断次数i的同时将脉宽数的sin[i]值送入CCAP0H，从而形成了一个循环。如此下去，一次又一次的循环，随着正弦规律变化不断产生的脉宽将发生在P1．3的引脚上，进而最终可以准确的得到SPWM波。通过软件来实时计算好的一路单极性SPWM波形的脉宽的表示图如下图所示。
四、结束语
本文所设计的电源具有诸如用户操作简单、比较容易上手、比较敏捷的有点的同时也具有方便安装、比较智能的优点，现代的电力电子正在迅猛发展，很多领域都需要逆变电源，再加上逆变电源的诸多优点，相信逆变电源以及相关产品在随着现代人类文明的进步的同时会在一些领域得到很好的应用。
参考文献
[1] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程——入门、提高、开发、拓展[M].北京：电子工业出版社，2009
篇5
文章编号:1004-373X(2010)15-0200-03
Design of LED Display Screen Control Circuit Based on MCU
LI Xiu-zhong
(Foshan Polytechnic College, Foshan 528237, China)
Abstract: A kind of LED display screen control circuit based on MCU is introduced. The smooth movement display of a line of several characters, figures and symbolls can be realized with the circuit, which can be widely used in enterprise, school, market, public place for text advertisment and information dissemination. The design method and working principle of the control circuit are elaborated. The simulation results of the circuit is presented. This circuit can be expanded to the display screen composed of any number of 16 × 16 dot matrix LED display modules. The practical application shows the circuit is stable and reliable, and the result is good.
Keywords: LED display screen; MCU; design of control circuit; serial output
0 引 言
LED显示屏广泛应用于工矿企业、学校、商场、店铺、公共场所等进行图文显示,广告宣传,信息。本文设计一种由4个16×16点阵LED模块组成的显示屏,由单片机作控制器,平滑移动显示任意多个文字或图形符号,本电路可级联扩展实现由任意多个16×16点阵LED模块组成的显示屏[1]。
1 电路设计
控制电路由AT89C51单片机作控制器,显示屏由4个16×16点阵LED模块组成,每个16×16点阵LED模块由4个8×8点阵LED模块组成,用户可根据需要扩展增加任意多个16×16点阵LED模块。8×8 点阵LED模块结构如图1所示,共8行8列,每个发光二极管放置在行线和列线的交叉点上,共64个发光二极管。当某一列为高电平,某一行为低电平时,则对应的发光二极管点亮。
单片机P3.0引脚接串入并出移位寄存器74LS164(U10)的串行数据输入端,8个74LS164(U10~U17)级联,P3.1引脚接8个74LS164的时钟脉冲输入端;8个74LS164分别接8个锁存器74LS373(U18~U25),8个锁存器的数据输出端接4个16×16点阵LED模块的行线,每个16×16点阵LED模块的行线是独立控制的。P1.0接8个74LS164(U2~U9)的时钟脉冲输入端,P1.1接U2、U4、U6、U8的串行数据输入端,每两个74LS164(U2和U3,U4和U5,U6和U7,U8和U9)级联;U2~U9的并行数据输出端接4个16×16点阵LED模块的64条列线。P1.2接所有74LS164的清0端,P1.3接锁存器的锁存控制端。设计完成的电路如图2所示[2-5]。
图1 8×8点阵 LED模块结构
图2 LED显示屏控制电路
2 工作原理
本电路利用串行通信口工作于方式0,同时利用P1.0和P1.1模拟串行输出,来实现LED显示屏字符平滑移动显示。由于LED模块为16×16点阵,所以字符点阵也为16×16点阵,即每个字符由32个字节即16个字数据组成,每个字数据决定了每列LED点亮的情况。16×16点阵字符数据由字符点阵提取软件获得。
首先单片机P1.1串行输出一位二进制位“1”,经4组74LS164给4个16×16点阵LED模块的第1列送入一高电平,接着由P3.0串行输出4个16×16点阵LED模块的第1列行数据,即Y1,Y17,Y33,Y49列的行数据,经74LS373锁存后送LED显示屏的行线,此时每个LED模块第1列对应的LED点亮。每列的行数据为1个字数据,4列共4个字数据,每个字数据首字节在字符点阵数据表中的地址相差32,此时每个LED模块显示每个字符的第1列。接着P1.1串行输出一位二进制位“0”,经4组74LS164移位后给4个LED模块的第2列送入一高电平,再由P3.0串行输出4个16×16点阵LED模块的第2列行数据,即Y2,Y18,Y34,Y50列的行数据,经74LS373锁存后送LED显示屏的行线,此时每个LED模块第2列对应的LED点亮,即显示每个字符的第2列。如此循环,依次点亮每个LED模块每列对应的LED,直到点亮每个LED模块的第16列,即依次显示每个字符的各列。只要每列交替显示的时间适当,利用人眼的视觉暂留特性,看上去16列LED同时点亮,即看上去整个字符同时显示。然后再从第1列依次扫描显示至16列,如此循环多次,以确保显示出的字符具有足够的亮度[6]。
为实现字符平滑移动显示的效果,在上面实现的4个字符静态显示一定时间后,再次扫描显示时,每个LED模块的第1列从每个字符的第2列数据开始扫描显示,即第1个LED模块显示第1个字符的第2列、┑3列、……、┑16列和第2个字符的第1列,第2个LED模块显示第2个字符的第2列、第3列、……、┑16列和第3个字符的第1列、第2列、……。当┑谌次扫描显示时,每个LED模块的第1列从每个字符的第3列数据开始扫描显示,即第1个LED模块显示第1个字符的第3列、第4列、……、第16列和┑2个字符的┑1列、第2列,第2个LED模块显示┑2个字符的第3列、第4列、……、第16列和第3个字符的第1列、第2列、……。如此实现了字符的平滑移动显示[7]。
3 程序设计
根据以上电路设计及工作原理,绘制出本电路的控制程序流程图如图3所示[8]。按程序流程图编写出控制程序,用Wave或Keil软件调试通过后,产生目标代码文件。
图3 LED显示屏控制程序流程图
4 电路仿真
将目标代码文件加入用Proteus软件绘制的LED显示屏控制电路仿真图中的单片机中,仿真运行,运行结果如图4所示[9-10]。
图4 LED显示屏平滑移动显示
5 结 语
该LED显示屏控制电路用单片机作为控制器,采用串行移位输出方式,实现了一行字符的平滑移动显示,在实际应用时还应加上相关驱动电路。本电路可扩展实现由任意多个16×16点阵LED模块组成的LED显示屏显示控制。经实际应用表明,该电路稳定可靠,效果良好。
参考文献
[1]詹新生,张江伟.基于单片机的16×64 LED点阵显示屏的设计[J].电子元器件应用,2009,11(8):8-10.
[2]石长华,周杰.基于Proteus的单片机汉字点阵显示设计与仿真[J].景德镇高专学报,2007,22(4):1-3.
[3]郭柯娓,李淑琴.基于STC89C54RD+单片机的点阵LED显示屏的设计[J].辽宁大学学报:自然科学版,2008,35(1):28-31.
[4]陈君霞,黄跃华,甘文.大屏幕LED点阵显示系统[J].自动化技术与应用,2007,26(7):118-120.
[5]庞家成.多功能LED信息显示屏的设计[J].现代电子技术,2006,29(9):147-149.
[6]黎友盛,周菁菁.大屏幕LED显示屏的高速控制方案[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(9):48-50.
[7]张明波.基于单片机的点阵LED显示系统的设计[J].微计算机信息,2007,23(5):85-86.
篇6
我们正在经历一个显示器世代交替的时期,平面显示器以一定速度逐渐取代,未来进入电视、电脑一体化的数字时代后更会使显示技术迅猛发展。在显示技术的未来竞争中,尤其是中小尺寸的产品,谁会在竞争中胜出,取决于谁了解顾客的需求,顾客会选择可以展现生命力的显示器。而有源有机电致发光显示则具有终极显示器的特质,其相关的产业化工作正迅速展开。我国具有一定的机电致发光显示产业化基础,有机发光材料的制备技术也有良好的趋势,所以一定要充分利用显示市场,加大研发力度,全面实现产业化。
..........
第二章灰度控制原理及方式
2.1OLED的显示原理
电致发光,又称为电场发光,是自然界中一种普遍的物理现象,是光电变换中的一个基本步骤。对于电致发光物质而言,可以划分为有机电致发光和无机电致发光两种。其中有机电致发光又可以分为发光物质为高分子聚合物的聚合物发光和发光物质为小分子有机突光材料的小分子发光器件,OLED典型结构如图2.1所示。有机发光二极管的发光原理为当对元件施加正向偏压时,电子与空穴受电压能量的驱动分别由阴极与阳极注入到器件中,此时电子和空穴在运动中相遇并结合,就形成了电子一空穴对。而当分子受到外来能量激发后,若电子自旋和基态电子成对,则为単重激发态,那么所释放的光为突光;相反,若激发态电子和基态电子自旋不成对并且平行,则称作双重激发态,其所释放的光为磷光。
2.2OLED的工作特性
图2.4所示为OLED的电压一亮度关系曲线图。从图中可以看出OLED的电压和亮度属于非线性关系,不利于缓慢而稳定的控制亮度,因此如果用电压驱动控制法来控制显示屏的亮度,则需要有一定控制精度的驱动屯压。而电压控制法由于电阻的作用会导致不同像素点的开启电压也不尽相同,再加上面阵屏幕制备工艺的限制,会造成画面显示不均匀、图像质量低下等问题。图2.5所示为OLED器件中亮度与电流密度的关系。从图中可以看出OLED器件的亮度和电流之间保持着良好的线性特性,想要控制屏幕上各个二极管的亮度,只要能够很好的控制各个像素点电流就可以,所以像素电流能够保持稳定的恒定电流驱动是现阶段使用较为普遍的方式。釆用恒定电流驱动的方法可以解决OLED显示图像不均匀的问题,只是其缺点是不容易实现灰度等级较低的显示,但对于本论文中的设计,不构成影响。此外,OLED的老化属于库企型的,OLED器件的老化原因是驱动器件时产生的热效应,对于驱动OLED器件而言,器件寿命受电流密度的强度影响,电流密度越大寿命越短,电流密度越小寿命越长。尽可能减小OLED的驱动电流,可以尽量减小这种焦耳热的影响。
第三章灰度控制模块的设计....................14
3.1灰度扫描系统...................14> 3.2优化灰度扫描结构..................15
第四章面OLED阵显示系统设计...............24
4.1系统的硬件设计...............24
第五章实验结果及分析.....................35
5.1系统调试.................35
5.2实验结果分析................................36
第五章实验结果及分析
5.1系统调试
系统调试主要是电路方面的测试,对理论设计和实际操作之间出现的问题进行整改,最终使系统实现设计中所要求的功能。在设计阶段用绘制电路板,根据图制作电路板完成后,先进行简单的检查,主要是各个接口及各模块之间的连接。检查电路中元器件之间是否连接正确,各连线之间有无连接错误的情况;查看电路板在实际中布线位置是否合理,元器件之间有无短路;检查电源和各个元器件极性有无接反的情况,对地是否短路。经过基本的检查之后,接通电源,在通电情况下对电路板进行硬件调试:接通电路后检查各个器件及连线有无温度过高等异常现象;没有烧程序到时,使用万用表检测电位,以此判断系统是否正常工作;将程序烧录到中,检查各个接口是否正常驱动。系统调试完成后,通过计算机对进行操作,编写程序,在数据存储器中存储显示数据,通过向电路提供显示的行、列偏移信号和各种显示信号。控制信号到达显示面板的同时,产生显示所需的行列驱动信号,从而控制的显示区域、灰度等显示参数。
5.2实验结果分析
这里计算的只是单色显示时的时钟频率,对于高灰度的彩色屏,时钟要求也要相应的提高。显而易见,本方案的时钟频率与传统扫描方式的比较,具有明显的优势,并且这种差距随着灰度等级的提高和显示面积的增大而更加显着。相对静态图像显示而言,显示动画中的每帧图像时,首先需要更新缓存中的显示数据,同时驱动电路从接收显示所需的各种控制信号,从而达到动画图像显示的目的。在屏幕进行静态图像显示时,将显示数据从单片机的数据存储器中输出到缓存之后,显示屏通过驱动电路以的频率刷新。因此,对于动态图像显示和静态图像显示,前者要低于后者的刷新频率。
篇7
采用单片机控制系统对普通铣床进行数控化改造，可以提高机械加工工艺水平和产品质量，提高生产效率并减轻操作者的劳动强度。
1 设计方案和基本方案确定
（1）控制功能：X轴、Y轴、Z轴进给伺服运动；行程控制；键盘控制；报警电路、复位电路、隔离电路、功放电路等。（2）设计方案：综合考虑功率、技术难度、精度、成本因素，采用“步进电机+滚珠丝杠副”的开式伺服驱动控制模式。（3）基本方案：采用MCS-51单片机，并扩展两片2764芯片，一片6264芯片，三片8155可编程并行I/O等构成控制系统；采用软件环形分配器；由于铣床三个方向的三步进电机均为三相，所以直接与8155（2）的PA口再加上8155（3）的PA口相接，经光电耦合电路、功放电路驱动电机。
2 单片机扩展
（1）程序存储器EPROM的选择：芯片型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度、工作温度及容量。在确定容量内选择EPROM型号，主要考虑读取速度。根据CPU与EPROM的匹配要求，应满足8031能提供的读取时间大于EPROM所需的读取时间。应考虑在满足容量要求的同时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数。（2）数据存储器RAM的选择：选RAM是主要考虑因素是RAM的读写速度与CPU提供的读写时序的匹配要求，还应满足这样一个关系：即8031所能提供的读写时间应大于RAM所需求的读写时间，常用RAM主要有6116和6264两种。
3 地址分配及接线方法
（1）地址分配：8031所支持的存储系统其程序存储器与数据存储器独立编址，故EPROM和RAM的地址分配自由，不必考虑冲突问题。8031复位后从0000H单元开始执行程序，故程序存储器地址从0000H开始。只用EPROM，地址为0000H-1FFFH，扩展RAM与I/O口及设备实行统一编址。
（2）EPROM、RAM与8031连接方法：803不必加以驱动。EPROM、RAM与8031的连接：1）地址总线：将A0～A12与EPROM的A0～A12对应连接。A0～A12与RAM的A0～A12对应连接，其余地址经译码产生片选信号；2）数据总线：P01～P07分别与存储器D01～D07对应连接；3）地址总线：将A0～A12与EPROM的A0～A12对应连接，A0～A12与RAM的A0～A12对应连接，其余地址经译码产生片选信号；4）数据总线：P01～P07分别与存储器D01～D07对应连接。
4 接口电路及辅助电路设计
本系统接口电路包括键盘、数码显示器及步进电机接口电路，辅助电路包括复位电路及报警显示电路。
8031单片机的口P01可以作为I/O接口，为管理上述接口电路，还需要扩展接口电路，现在用8031的P01管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。
4.1 接口电路设计
8155内部RAM和I/O选择由引脚IO/M（__）控制，当IO/M（__）=0时，CPU访问RAM，RAM的低8位编制为：00H～FFH；IO/M（__）=1时，CPU访问IO口，8155的工作方式选择通过对8155内部命令，寄存器通过设定控制命令来实现。8155具有两种基本操作，即用8155中的256字节RAM及扩展I/O口使用，作RAM时与系统RAM无区别；作I/O口使用时，可通过工作方式以满足不同需要。8155有一个状态寄存器，锁存I/O口和定时器的当前状态，使CPU查询用。状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，只能读入，不能写入。CPU读地址时，做状态寄存器，读出时是当前I/O口和定时器的状态，而写时则作为命令寄存器写入命令。
篇8
1 设计思路及设计方案
1.1 设计思路
本系统使用八位单片机作为控制器件。当系统进行语音再生时，单片机控制语音合成电路中的语音芯片来读取其外接的存储器内部的语音信息，并合成语音信号，再通过语音输出电路，进行语音报站和提示。同时，单片机读取传感器返回的站台信息，将信息显示在液晶上。当系统进行语音录制时，语音信号通过语音录入电路送给语音合成电路中的语音芯片，由语音芯片进行数据处理，并将生成的数字语音信息存储到语音存储芯片中，从而建立语音库。
1.2 硬件电路设计
硬件电路包括控制器选型、红外反射模块电路设计、语音控制电路设计、按键电路、指示灯、电源电路设计等；其中控制器选择STC89C52--带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，红外反射模块电路以TCRT5000红外反射器为核心，工作电压：DC 3V～5.5V，推荐工作电压为5V，检测距离：1mm～8mm适用，焦点距离为2.5mm；语音控制电路设计以ISD1700芯片为核心，通过软件编程实现完成指定地址的放音工作，同时还能嵌入整个费额显示程序中。
1.3 软件设计
系统上电后，程序自动初始化，通过延时，电源指示灯闪烁，主控器读取语音芯片存储的地址及录音指针，进行复位，将语音置于第一段，完成语音芯片初始化，通过查看位置表是否小于9，来判断上行线，还是下行线。在LCD12864屏上显示。再通过红外传感器1号和2号轮流触发，指示灯亮，将得到的信号返回给主控器，再命令语音芯片播放当前站点信息，完成后语音地址自动加1。依次播放显示，直到最后一段语音播放完毕再返回第一段语音，循环播放。
包括主程序--包括初始化，读取语音芯片存储的地址及录音指针并正确判断当前站点以决定播放位置并正确播放站点站名等功能；红外线播站子程序--实现站点的正确播放，并顺序播放到达站点的站名等功能；录音操作子程序--实现站点录入及修改等功能。
2 电路功能调试
本设计主要有主控制板，LCD12864板，喇叭，电池盒，USB线，排线，共6部分，先将喇叭和LCD12864板与主控制板连接，再连接供电部分，红外反射器上方不得有物体遮挡。上电后若有问题可以按复位键进行初始化。经过静态及动态电路调试以及软件调试，所设计的公交车自动报站电路器实现了预期的功能。
3 结语
该系统实现了公交车自动报站功能。本系统功能强大，成本低，系统稳定，无需人工介入，语音音质好，很好的实现了车辆报站的自动化，具有很强的实用性。系统选用ISD1700语音芯片，它的录音数据被存放方法是通过ISD多级存储专利技术实现的，用声音和声频信号的自然形式直接存放在故态存储器，从而提供高质量回放语音的保真度，使得该系统与其他语音报站系统相比较，语音质量较好。另外，本设计仍然存在的许多的不足之处，比如它在报站时刻上不能十分的精确，存在一定的误差。这些问题都需要在今后的研究工作中加以改进，使系统更完善，更好的为人们服务。
参考文献
[1]张雅兰.公交车自动报站系统改进研究[J].广西工学院学报，2010（4）：22-25.
[2]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：79-81.
[3]王振红，李洋，郝承祥.ISD1700语音芯片的工作原理及其在智能控制系统中的应用[J].电子器件，2002，01：79-83.
[4]Kenneth K.ClarkeDonald T.hess：Analogy Circuit Analysis And Design （chapter11） Addison-Wesley pub.co.inc.1997：功率放大22-26
作者简介
段了然（1992-），女 ，现为新疆农业大学机械交通学院学生，所学专业：电气工程及其自动化。
李雪莲（1967-），女，四川省仪陇县人，硕士，副教授，研究方向为农业电气自动化。系本文通讯作者。
篇9
在无线通信技术领域中，GaN高电子迁移率晶体管作为最新的半导体功率器件，由于其本身具有宽禁带以及击穿场强高、功率密度高等特征优势，在高频以及高功率的功率器件中具有较为突出的适用性，在电子信息系统性能提升方面具有较为明显和突出的作用优势，在无线通信技术领域的应用比较广泛。针对这一情况，本文在进行射频功率放大器及其电路的设计中，专门采用ADS仿真软件对于射频功率放大器及其电路的设计进行研究分析，并对于仿真设计实现的射频功率放大器在无线通信技术领域中的应用和参数设置进行分析论述，以提高射频功率放大器的设计水平，促进在无线通信技术领域中的推广应用。
1 射频功率放大器的结构原理分析
结合功率放大器在无线通信系统中的功能作用以及对于无线通信技术的影响，在进行射频功率放大器的设计中，结合要进行设计实现的射频功率放大器的工作频带以及输出功率等特点要求，以满足射频功率放大器的设计与应用要求。在进行本文中的射频功率放大器设计中，主要通过分级设计与级联设置的方式，首先进行射频功率放大器的功率放大级以及驱动级设计实现，最终通过电路设计对于射频功率放大器的两个不同级进行连接，以在无线通信中实现其作用功能的发挥，完成对于射频功率放大器的设计。需要注意的是，在进行射频功率放大器的功率放大级结构模块设计中，主要应用GaN高电子迁移率晶体管进行射频功率放大器功率放大级结构模块的设计实现，同时在功率放大级结构模块的电路设计中，注重对于输出功率保障的设计；其次，在进行射频功率放大器的驱动级结构模块设计中，以C波段的功率放大模块设置为主，电路设计则以增益提升设计为主，并对于增益平坦度和输出输入驻波进行保障。如图1所示，即为射频功率放大器的功率放大级模块设计示意图。
2 射频功率放大器及其电路的设计分析
结合上述对于射频功率放大器的结构原理分析，在进行射频功率放大器的设计中，主要包括射频功率放大器的功率放大级设计和驱动级水，此外，对于射频功率放大器电路的设计，也需要结合两个结构模块的实际需求进行设计实现的。
2.1 射频功率放大器的功率放大级模块设计
在进行射频功率放大器的功率放大级模块设计中，主要采用GaN高电子迁移率晶体管进行该结构模块的设计实现，需要注意的是，在应用GaN高电子迁移率晶体管进行该结构模块的设计实现中，由于GaN高电子迁移率晶体管目前还不具有较大的信号模型，因此，在进行该结构模块设计中，注意结合实际设计需求进行选择应用。在进行射频功率放大器的功率放大级结构模块设计中，通过直流偏置仿真设计对于氮化镓管子的静态工作点进行确定，也就是实现氮化镓管子的漏极电流以及漏极偏置电压、栅极偏置电压等参数的确定，在对于上述氮化镓管子静态工作点进行确定后，通过ADS仿真软件实现场效应管直流的仿真设计，同时注意在仿真设计中进行二端口模型的添加，并结合上述GaN高电子迁移率晶体管的信号模型情况，进行S参数信号的编辑导入，同时进行直流偏置仿真控件的加入，进行相关数值的确定，以实现射频功率放大器的功率放大级设计。
此外，在进行射频功率放大器功率放大级负载阻抗的设计中，根据相关理论，在负载阻抗与网络匹配良好的情况下，负载阻抗的共轭复数与网络的输出阻抗值是相同的，因此，就可以通过计算对于射频功率放大器功率放大级负载阻抗值进行分析得出，实际上也就是它的共轭复数值。同时，在进行功率放大级设计中，结合封装参数输出端的阻抗模型，设计中为了实现场效应管输出电路匹配的优化，以为输出电路进行准确的负载阻抗提供，还需要在设计过程中将场效应管的封装参数在输出匹配电路中进行设计体现，因此就需要对于Cds参数值进行求取。
最后，在射频功率放大器功率放大级设计中，偏置电路主要是用于将直流供电结构模块中所提供的电压附加在功率放大器的栅极与漏极中，并实现射频信号以及滤波的隔离和电路稳定实现。在进行功率放大级的电路设计中，注意使用ADS软件工具对于微带线尺寸进行计算，病毒与全匹配电路进行微带线设计，同时通过栅极偏置电路与漏极馈电电路，以实现功率放大级的电路设计。此外，在进行功率放大级模块设计中，还应注意对于模块中的任意功率放大芯片，都需要进行相关的稳定性分析，以避免对于射频功率放大器的作用性能产生影响。
2.2 射频功率放大器的驱动级模块设计
在进行射频功率放大器的驱动级模块设计中，主要通过C波段功率放大模块进行该结构模块的设计应用。其中，在对于驱动级模块的参数设置中，对于输出、输入参数均以内匹配方式进行匹配获取。对于射频功率放大器的驱动级设计来讲，进行功率放大模块偏置电路的合理设计，是该部分设计的关键内容。
最后，在进行射频功率放大器的电路设计中，在进行功率放大模块电路设计中，GaN HEMT结构部分需要进行栅压的增加设置，并且需要注意栅压多为负压，在此基础上还需要进行漏压增加设置。值得注意的是，在进行射频功率放大器的偏置电路设计断开同时，对于栅压和漏压的断开顺序刚好相反，以避免对于功放管造成损坏。
3 结语
总之，射频功率放大器作为无线通信技术领域的重要器件，对于无线通信技术的发展以及通信质量提升都有重要作用和影响，进行射频功率放大器及其电路的设计分析，具有积极作用和价值意义。
参考文献
篇10
1引言
由于砷化镓微波固态功率放大器具有高频率、低噪声、大功率等一系列优点，因此被广泛应用在军用雷达、卫星通信、遥控等方面，本文根据砷化镓器件的自身特性对器件的加电保护电路进行了讨论。
2砷化镓器件特性
砷化镓器件主要工作原理是当栅极加反向偏压时，栅压（绝对值）越大，耗尽层越宽，则中型沟道越窄，沟道电导变小，在漏源电压一定的情况下，沟道电流变小，即通过栅极电压控制漏极电流的大小。
3MOS管的加电保护电路设计
MOS晶体管，是单极性晶体管，按导电沟道分为PMOS和NMOS，其具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动功率小等诸多优点，因此常作为砷化镓器件加电保护电路的开关使用。
4 NMOS管加电保护电路设计
如图1所示，NMOS管加电保护电路采用设计输出式串联型稳压开关电路，其包括开关电路、采样电路、基准电压电路、放大电路共四部分组成。
4.1开关电路
开关电路有晶体管、电阻、电容组成，当没有负电压输入时，晶体管处于饱和状态，MOS管的栅极为低电平，处于截止状态；当输入为负电压时，晶体管处于截止状态，MOS管的栅极为高电平，处于饱和或线性放大状态。
4.2采样电路
采样电路是由电阻和二极管组成的分压器将输出电压的一部分作为反馈电压送到放大电路。
4.3基准电压电路
基准电压电路由稳压管二极管和电阻组成，作为比较的基准。
4.4放大电路
放大电路是由晶体管构成的直流放大电路，它的基-射极电压是反馈电压和基准电压之差，用这个电压通过放大管去控制调整MOS管。
5 PMOS管开关设计
PMOS管的砷化镓加电保护电路原理图如图2所示，其主要由开关电路组成，其中输入正压通过PMOS管由源极输入，漏极输出，栅极控制漏源之间的导通，当MOS管栅源电压高于开启电平时，MOS管开启，否则MOS管截止，当负电压正常提供时MOS管栅极到地导通，大于开启电平，MOS管开启，正电压为砷化镓器件漏极提供偏置电压，当负电压开路或短路时，为零，MOS管截止，正电压无法通过。
6加电保护电路的适用范围
6.1 NMOS管加电保护电路适用范围
采用NMOS管的加电保护电路进行负压偏置时，其可以实现砷化镓器件的上电保护，即栅极负电压控制漏极偏压的通断，当栅极没有负压偏置时保证漏极没有正电压，由于其具有放大电路，故其适用于输出正压可稳压调整的偏置电路。
6.2 PMOS管加电保护电路适用范围
采用PMOS管的加电保护电路进行负压偏置时，亦可以实现砷化镓器件的上电保护，但由于其不具备放大电路，其输出不具有稳压功能，故其适用于输出正压不可调整的偏置电路。
7结语
本文介绍了基于MOS管的砷化镓器件加电保护电路的设计方法，并给出了PMOS管、NMOS管的加电保护电路设计实例，当然，用MOS管设计加电保护电路不止上述类型，但文中的原理和方法同样有助于其他方案的理解和分析。
参考文献
篇11
TN928-34
文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2012)05
-0099
-03
Design and simulation of BeiDou navigation receiver LNA
YU Zhi-xi, SU Kai-xiong, CHEN Jun, YANG Hua-wei
(Institute of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002， China)
Abstract：
In order to achieve the development of BeiDou navigation satellite receiver front-end，according to the system's requirements including the gain, noise figure, sensitivity and other key indicators, a LNA design based on ATF54143 is introduced. The design used two-stage structure and source transmission line negative feedback technology, input the best noise match and output conjugate matched design, performed simulation with ADS software to get 32 dB gain, 0.45 dB noise figure and1.5 input VSWR.
Keywords： BeiDou navigation; receiver; RF front-end; LNA
收稿日期：2011-10-24
基金项目：2010年福建省重大专项(2010HZ0004-1)；福州市市校科技合作项目(2011-G-105);福州大学科技发展基金(2011-XY-23)
0 引 言
北斗导航系统是我国独立研制开发的卫星导航定位通信系统，可以对我国领土、领海及周边地区的用户进行定位及定时授时，并且可以实现各用户之间、用户与中心控制站之间的简短报文通信［1］。
作为卫星定位导航接收机系统关键部分的射频模块，主要包含接收与发射两大部分。接收部分的主要功能是接收来自多颗卫星的微弱的S波段微波信号，并将其进行低噪声放大、滤波和下变频后形成中频信号，送给后端处理模块；发射部分则将本机的短信息经过调制、上变频和放大后形成大功率的L波段射频信号，再通过天线发送给卫星［2］。因此，射频模块的高性能、高可靠性是保证整机正常工作的前提。
本文根据系统指标要求，提出一种基于ATF54143的LNA设计方案，并用ADS软件进行了仿真。
1 接收机低噪声放大器指标要求
射频前端是所有无线电接收机中最关键的组成部分，射频前端的设计一直是无线电接收机中最关键的环节。“北斗”信号到达地面的最低功率为-127.6 dBm，正常时为-116.8 dBm，载波频率为2 491.75 MHz，带宽为8.16 MHz。设计的接收机要保证系统在大部分时间内都能对卫星信号进行有效地捕获，这样设定接收机的灵敏度为［3］-118 dBm。现在北斗接收机射频芯片的最低输入信号功率一般为［4］-100 dBm，所以LNA增益需要大于18 dB，考虑一定的余量，增益设计为［5］30 dB。为了实现正常的OQPSK解调，射频接收部分输出给基带部分的信噪比为-17 dB，根据北斗接收机的灵敏度要求，可以得到北斗接收机的最大噪声系数为［3］3.8 dB。前端低噪声放大器的指标要求如表1所示。
2 基于ATF54143的低噪声放大器设计
2.1 偏置电路设计
偏置电路是放大器不可缺少的电路单元，偏置的作用是在特定的工作条件下为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影响，从而保持恒定的工作特性。如果偏置电路设计不当，会影响电路的噪声系数及功率增益等参数。从ATF-54143手册可以看出，该放大管在源漏极电流20 mA静态工作点下，在2.4 GHz频点上的最大功率增益是16.5 dB，可以得到最小的噪声系数为0.4 dB。由于ATF54143的封装上有两个栅极，因此偏置电流ID设计为40 mA，通过计算可以得到偏置电阻R1=337 Ω，R2=38 Ω。
2.2 稳定性分析
放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频带内的稳定性，当一个射频放大器工作在不稳定区域时，该电路就无法完成正常的放大作用，反而会出现振荡信号。稳定性意味着反射系数的模小于1［6］，即：
一般晶体管的S11和S22参数的模小于1，S12不为0，不能把晶体管视为单向性元件，输入反射系数不仅和S11有关系，同时和负载反射系数ΓL有关，不合适的负载，有可能使Γin>1，导致输入端不稳定；同理，不合适的源反射系数ΓS，有可能使Γout>1，导致输出端不稳定。
在进行低噪声放大器稳定性分析时，需要在放大器的直流和交流通路之间添加射频扼流电路，它实质是一个无源低通电路，使直流偏置信号能传输到晶体管引脚，而晶体管的射频信号不能进入直流通路，这里先用村田电感模型进行仿真，再加上旁路电容。同时，直流偏置信号不能传到两端的Term端口，需要加隔直电容。
通过仿真，得出在2.49 GHz工作频率下的稳定性系数为0.968。由晶体管放大器理论可知，该放大器电路不稳定，为了使系统稳定，最常用的方法就是添加负反馈。本次设计中，采用在源极添加一小段短路传输线作为负反馈，加上偏置电路和反馈后的电路如图1所示，仿真结果如图2所示。由图可以看出，在整个频带下都是稳定的。
2.3 噪声分析
对许多射频放大器来说，在低噪声前提下对信号进行放大是系统的基本要求，可惜放大器的低噪声要求与其他参数，如稳定性、增益等相冲突［7］。图3是等噪声系数圆和等增益系数圆的仿真结果。m2是最大增益时的输入阻抗;m3和m4是最小噪声时的输入阻抗。从仿真结果中可以看出,最小噪声特性和最大增益是不能同时实现的，为了得到较小的噪声系数，必然会减小LNA的增益，所以，噪声和增益必须择中选取。一般LNA的设计原则是把源阻抗匹配到最佳噪声源阻抗，牺牲一定的增益，此时的噪声系数为0.427 dB，增益为15.78 dB。
2.4 最佳噪声匹配电路设计
从等噪声系数圆的仿真结果可以看出，源阻抗需匹配到最佳噪声源阻抗(23.65-j*21.1) Ω，在设计输入匹配电路时，需把最佳源阻抗的共轭(23.65+j*21.0) Ω变换为输入阻抗50 Ω。设计输出匹配电路时，先通过仿真工具得到晶体管的输出阻抗为(56.739-j*30.562) Ω，把50 Ω变换为该阻抗的共轭(56.739+j*30.562) Ω，输入、输出匹配电路设计如图4所示。
仿真结果如图5所示，可以看出已经是最低噪声匹配，此时的增益为15.740 dB。
2.5 两级放大器设计
为了达到30 dB的增益，需要采用两级结构，第一级放大器的噪声系数对系统的影响最大，因此第一级应用最小噪声系数匹配的原则来完成电路设计，第二级用共轭匹配设计，以达到增益最大化的要求。设计电路如图6所示，两级之间的连接应该采用共扼匹配设计，以防止回波损耗变大而使系统的性能变差。
同时为了使电源输入端更好的射频接地，需要在电源端并联三个电容，分别为1 μF，10 nF和10 pF，它们具有不同的自谐振频率，这样能使整个频带都具有较好的接地效果。由于较高的增益会使得输入驻波比变差，所以通过ADS自带的调谐功能，调整输出匹配电路，使得在增益和驻波比两个方面都达到一个比较理想的结果。
篇12
光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。
2光电二极管的工作模式与等效模型
2．1光电二极管的工作模式
光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。
一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
2．2光电二极管的等效电路模型
工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，IL为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。
由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管的偏置有关。
与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。
3电路设计
3．1主放大器设计
众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为A／D转换电路，所需电压幅值一般为2V。然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如图4所示。
该主放大器的放大倍数为A=l＋R2/R3，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。即有
3．2滤波器设计
为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如图5所示。图5中，f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：
B=f2-f1=f0/Q
式中，Q为品质因数，Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。
有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。本设计选用了去处放大器来进行设计。
本设计选用了去处放大器来进行设计。
图6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其滤波电路采用有源滤波器完成，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。
对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为fc，其传递函数为：
第二部分为高通滤波器，系统要求的高通截止频率为fc，其传递函数如下：
4完整的检测电路设计
篇13
1.引言
大多数运算放大器要求双电源供电，即用两个端电压大小相等、极性相反的电源分别与运算放大器的+VCC端子和-VEE端子相连，而公共端接地。运算放大器本身没有接地端子，任何接地的输入信号源也就自动以+VCC和-VEE之间的中点电压（地电位）为参考点，所以输出电压也自动以地电位为参考点。单电源供电则不同，电源的正负端分别与+VCC和-VEE相接，-VEE同时作为输入输出的接地点。单电源和双电源供电最大的不同是输出的动态范围，双电源供电的输出电压不可能低于-VEE，也不可能高于+VCC，因此输出动态范围是接近但小于从-VEE到+VCC的一个正负区间；而单电源供电的输出动态范围是接近但小于0V到+VCC的一个正值区间。单电源运放设计技术的复杂性，就在于除了要考虑输入输出之间的传输特性，如的同相、反相以及增益外，还要根据输入信号的变化范围设计适当的偏置电路，让输出信号的变化始终处在低于电源电压VCC的正值范围以内。要解决这个问题有时采用交流耦合可能会简单一些，但这会使带宽变窄，对于某些输出信号变化非常缓慢的传感器来说不适用。因此本文只讨论直流耦合单电源运放的设计技术。
实际上，因为运算放大器本身没有接地管脚，无论双电源供电的普通运放还是特意指明的单电源运放，只要+VCC和-VEE之间不超过最大额定电压，都可以双电源供电或单电源供电，但普通运放采用单电源供电做不到0V输入、0V输出，应用有一定的局限性。而特意指明的单电源运放，由于内部输入输出电路经过专门设计，既可以0V输入也可以0V输出，比如LM324的输出范围是0V至VCC-1.5V。特别是具有轨对轨（Rail-to-Rail）特性的单电源运放比如OPA2350、MAX4634、MAX492等，输出范围非常接近0V到VCC。再就是普通运放一般需要±10V以上的电压才具有良好的性能，改为单电源供电后需要20V以上，这对低压、低功耗的的便携设备是不太合适的。以下讨论都以具有轨对轨特性的单电源运放为基础。
2.设计思路
设计一个单电源供电的运放电路，如果已知输入电压从变化到时，对应的输出电压从变化到，那么根据线性关系，对于允许范围内任意的输入电压，相应的输出电压必然满足直线方程：
其中，
是电路的交流增益，是同相放大电路，是反相放大电路。是由偏置作用在输出电压上产生的偏移电压（表现为轴上的截距），可由任意一对已知的输入、输出电压求得：
通常它与输入电路上所加的一个固定偏置电压源存在如下比例关系：
是比例系数。对普通双电源运放总有，而单电源运放却不一定，而且可正、可负。综合上述、及与和的各种组合，可以得到表1列出六种情况，分别对应着一种类型的电路。因此，我们可以事先根据和的取值特征，以 作为传输特性设计出六种类型的通用电路，并给出和与电路元件之间的关系式。针对具体应用时，只要根据设计要求，任意给出两对输入输出电压，便可通过前边给出的公式计算出电路的交流增益和偏移电压，然后根据和的符号和取值选择相应类型的电路，并计算元件参数。
表1
3.不同类型的单电源运放电路
以下各个电路中略去了电源的连接。实际一概应为：电源的正端接运放的+VCC管脚，负端接-VEE管脚和地。
3-1 ， 无偏置同相放大电路
可以采用图1所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图1 ， 无偏置同相放大电路
对比 ，电路的交流增益为，。
3-2 ， 无偏置反相放大电路
可以采用图2所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图2 ， 无偏置反相放大电路
对比 ，电路的交流增益为，。
3-3 ， 正偏置同相放大电路
可以采用图3所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图3 ， 正偏置同相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路允许输入信号在正负之间变化，当时，输出动态范围最大。
如果让电路中，，则输出与输入的关系可以简化成：
电路的偏置系数，交流增益和偏移电压可以分别调整互不影响，而且只有两个电阻参数需要计算。此时，电路获得最大输出动态范围的条件是。
3-4 ， 正偏置反相放大电路
可以采用图4所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图4 ， 正偏置反相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路也允许输入信号在正负之间变化，且当时，输出动态范围最大。
让电路中，，则输出与输入的关系可以简化成：
电路的偏置系数，交流增益和偏移电压可以分别调整互不影响，而且只有两个电阻参数需要计算。此时，电路获得最大输出动态范围的条件是。
3-5 ， 负偏置同相放大电路
可以采用图5所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图5 ，负偏置同相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路只允许输入信号在某个正值区间变化（参见表1）。
3-6 ， 负偏置反相放大电路
可以采用图6所示的电路。输出与输入电压的关系为：
图6 ，负偏置反相放大电路
对比 ，以及，可知电路的交流增益和偏置系数分别为：
这种电路只允许输入信号在某个负值区间变化（参见表1）。
4.设计举例
某采用VCC=+5V单电源供电的便携仪器要求把磁通门传感器输出的-7V到+7V电压转变成为0到5V的电压，之后送给ADS1251 24位AD转换器。我们选用轨对轨输出的单电源运放MAX4634完成这个转换工作。首先用输入输出特性上的两个已知点（-7V，0V）和（7V，5V）计算要求的交流增益和输出偏移量：
因为，，所以选用图3所示的正偏置同相放大电路。同时让，，使输入输出关系式得以简化。根据前面的讨论，这时电路的偏移电压，交流增益=0.357，取，则。设计结果如图7所示。
图7 正偏置同相放大电路设计实例
本实例取自笔者开发的仪器，已应用多年。
参考文献：