時(shí)間：2022-02-28 15:10:54
序論：在您撰寫電路設(shè)計(jì)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
1.1電路振蕩原理介紹弛豫振蕩器電路如圖1所示。假設(shè)節(jié)點(diǎn)Vswitch和Clock＿out輸出是低電平，那么N4處于關(guān)閉狀態(tài)，由P4和N5組成的反相器給電容C1充電，使節(jié)點(diǎn)Vramp電壓升高。同時(shí)，N1的源極電位也成比例升高，也就是節(jié)點(diǎn)VR1電位升高，并產(chǎn)生了一個(gè)流過電阻R1的電流IR1，該電流同樣流過N1。隨著電流IR1的升高，由于恒流源P1的電流是一定值，造成流過N3的電流減少。N3將柵極和漏極短接，將流過的電流轉(zhuǎn)換成電壓。將N3設(shè)置工作在亞閾值區(qū)，則N3漏極電流與柵極及漏極電壓的關(guān)系可以由亞閾值區(qū)電流公式?jīng)Q定［8］。隨著電流的減少，N3的柵極和漏極電位降低，導(dǎo)致N2管關(guān)閉，電流源P2對(duì)節(jié)點(diǎn)Vswitch充電，并使其升至高電平。此時(shí)，電路達(dá)到另一個(gè)輸出狀態(tài)，緩沖器輸出Clock＿out變成高電平，N4管導(dǎo)通，將節(jié)點(diǎn)VR1瞬間下拉，UR1為0。由于此時(shí)N5，N6不能將節(jié)點(diǎn)Vramp的電荷立即全部泄放，所以N1的柵極電位還很高，N1的VGS達(dá)到最大值，由P1產(chǎn)生的恒定電流全部流過N1，N4支路。N5，N6以恒定速度對(duì)電容C1放電，Vramp線性下降，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著N1的VGS的下降，流過其電流減小，流過N3的電流增加，使N3的柵極和漏極電位升高。當(dāng)Vcompare升高到打開N2時(shí)，Vswitch降低到0V電位，電路達(dá)到另一個(gè)輸出狀態(tài)，Clock＿out跳變成低電位，完成循環(huán)。
1.2影響振蕩器輸出頻率的因素標(biāo)簽工作的環(huán)境溫度具有較大的變化范圍，可能從負(fù)幾十?dāng)z氏度到近一百攝氏度。根據(jù)第2．1節(jié)的推導(dǎo)，振蕩器輸出周期由電容和電阻決定。由于電容和電阻易受溫度影響，尤其是CMOS工藝的電阻溫度系數(shù)一般較大，因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需考慮電容和電阻隨溫度的變化。參考文獻(xiàn)［9，10］中所提及的溫度補(bǔ)償方法可以在理論上完全消除溫度變化對(duì)輸出的影響，達(dá)到由電阻和電容隨溫度偏移造成的頻率溫漂為0。但是，通常情況下，MOS管的工作特性會(huì)隨溫度變化，所以，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，電阻的選擇需綜合考慮。標(biāo)簽芯片在向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行反向散射調(diào)制時(shí)，會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)接收不到電磁能量，時(shí)長(zhǎng)從1μs到37．5μs。不同的無(wú)能量時(shí)段長(zhǎng)度對(duì)芯片造成的影響不同，小到幾個(gè)微秒的斷電不會(huì)使電源管理模塊提供給振蕩器的電壓源VDD發(fā)生波動(dòng)。但是，最大37．5μs的斷電時(shí)長(zhǎng)則會(huì)造成振蕩器工作電壓VDD的下降，當(dāng)標(biāo)簽再次獲得能量時(shí)，振蕩器工作電壓恢復(fù)正常，造成電源電壓抖動(dòng)。同時(shí)，振蕩器所用偏置電流也會(huì)發(fā)生波動(dòng)。根據(jù)ISO／IEC18000－6C協(xié)議，通信過程中標(biāo)簽解碼以及反向散射編碼對(duì)時(shí)鐘精度要求較嚴(yán)格，而RFID系統(tǒng)的基帶數(shù)字部分可通過采用相對(duì)比值解碼和區(qū)間分段分頻控制方法對(duì)反向編碼的通信速率進(jìn)行控制，解決對(duì)基帶時(shí)鐘精度要求嚴(yán)格的問題。如前文所述，控制好溫度等因素對(duì)電容值和電阻值的影響，即可解決振蕩器輸出頻率不準(zhǔn)的問題。換言之，輸出頻率可以偏離理想值，且在變化范圍較小情況下，數(shù)字基帶仍然可以正常工作。但是在設(shè)計(jì)模擬前端時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量減小振蕩器的輸出偏差。
2仿真結(jié)果及說明
采用SMIC0．18μmCMOS工藝模型，使用Cadence工具對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用Spectre仿真器模擬電路性能。仿真中，在理想電壓源為1V，理想偏置電流為100nA，室溫為25℃時(shí)，電源上電時(shí)間為5μs，瞬態(tài)仿真時(shí)長(zhǎng)為300μs。振蕩器頻率為1．925MHz，功耗為0．9μW。圖2所示為理想條件下的仿真輸出波形和對(duì)其進(jìn)行freq函數(shù)處理后的頻率曲線，輸出是穩(wěn)定的周期方波，頻率為1．925MHz。
2.1輸出頻率隨溫度的變化標(biāo)簽芯片需在寬范圍環(huán)境溫度下工作。圖3所示為在理想電源電壓和電流基準(zhǔn)下電路輸出頻率隨溫度的變化曲線。
2.2頻率隨電源電壓的變化由于工藝角的影響，電源管理模塊輸出給振蕩器工作的電壓源VDD可能會(huì)產(chǎn)生一些偏差，不是理想的1V。當(dāng)標(biāo)簽芯片距離閱讀器較遠(yuǎn)時(shí)，芯片獲得能量較少，也可能出現(xiàn)VDD偏低的情況。圖4給出了在室溫下，偏置電流無(wú)偏移時(shí)，振蕩器輸出頻率隨電源電壓變化的曲線?？梢钥闯?，VDD低于0．95V時(shí)，輸出頻率隨VDD降低快速升高，VDD＝0．75V時(shí)，輸出頻率為1．978MHz；VDD＝0．95V時(shí)，輸出頻率出現(xiàn)最小值，為1．923MHz；VDD超過0．95V時(shí)，輸出頻率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)VDD到達(dá)1．3V時(shí)，輸出頻率達(dá)到1．941MHz。該條件下，振蕩器在0．75～1．3V電源電壓下偏離理想頻率小于3％。
2.3頻率隨輸入偏置電流的變化與電壓產(chǎn)生偏移的原因一樣，偏置電流也會(huì)產(chǎn)生一定的偏移而影響振蕩器的輸出頻率。圖5給出了輸出頻率隨偏置電流變化的曲線。仿真結(jié)果顯示，偏置電流減少到90nA時(shí)，輸出頻偏小于目標(biāo)3％以上；偏置電流增大到110nA時(shí)，輸出頻偏接近3％。
2.4電源電壓與偏置電流紋波對(duì)輸出頻率的影響反向調(diào)制造成標(biāo)簽芯片接收不到能量的最大時(shí)間長(zhǎng)度為37．5μs，這會(huì)使電源管理模塊提供給振蕩器的電壓源和電流源產(chǎn)生相同頻率的紋波，而輸出頻率的波動(dòng)對(duì)數(shù)字基帶的影響要大于穩(wěn)定的頻率偏差所帶來(lái)的影響。當(dāng)電壓源降低100mV，偏置電流降低10nA時(shí)，得到了如圖6所示的振蕩器輸出頻率波動(dòng)波形。圖6中，輸出頻率的波谷是在電源電壓和偏置電流都降低10％時(shí)產(chǎn)生的，最小值是1．864MHz；波形的最大值是1．926MHz，是電源電壓和輸入電流正常時(shí)的輸出頻率。此時(shí)，輸出頻率的相對(duì)誤差為1．64％。
2.5仿真結(jié)果說明采用溫度補(bǔ)償方法只是將電阻和電容的溫度特性考慮在內(nèi)，但并沒有綜合考慮受溫度影響的MOS管的工作特性。圖3中顯示曲線的頻率隨溫度變化很小，滿足標(biāo)簽芯片在不同溫度下工作的要求。振蕩器采用弛豫結(jié)構(gòu)的目的之一是盡量避免電源電壓值對(duì)振蕩頻率的影響，圖4中的結(jié)果顯示，該振蕩器允許VDD從0．75V到1．3V變化。VDD小于0．75V時(shí)，頻率明顯增加，主要是P2產(chǎn)生的電流對(duì)節(jié)點(diǎn)Vswitch充電時(shí)Vswitch的電壓變化幅度減小，導(dǎo)致充電過程縮短、電路循環(huán)周期變短、頻率增加。為了滿足低功耗要求，電路中各條支路的電流都設(shè)置得較小，因此，在偏置電流變化時(shí)，由P1，P2，P3產(chǎn)生的電流對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的充電過程會(huì)明顯變化。電流變大時(shí)，充電過程加快；電流變小時(shí)，充電過程變長(zhǎng)。在低功耗時(shí)，偏置電流的影響大于工作電壓。工作電壓和偏置電流的波動(dòng)和它們發(fā)生穩(wěn)定偏移對(duì)輸出頻率的影響是不同的。由于此系統(tǒng)中數(shù)字基帶可以處理時(shí)鐘頻率小偏移所產(chǎn)生的問題，但是不能處理時(shí)鐘波動(dòng)引發(fā)的誤差，所以，振蕩器對(duì)輸出頻率的波動(dòng)要求很嚴(yán)格。在本文3．4小節(jié)所提到的條件下，該弛豫振蕩器輸出頻率的相對(duì)波動(dòng)很小，小于系統(tǒng)要求的2．5％。
在學(xué)生愿意主動(dòng)來(lái)到課堂學(xué)習(xí)的前提下，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣更為重要。為了可以讓學(xué)生興趣盎然地參與到教學(xué)過程中來(lái)，教師在能講述知識(shí)的前提下，還要能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，喚起學(xué)生的求知欲望。在這方面，教師可以結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，講述一些射頻集成電路在日常生活中的應(yīng)用。比如，美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）總裁兼執(zhí)行長(zhǎng)BrianToohey曾指出：“從物聯(lián)網(wǎng)、智能汽車、智能家居等市場(chǎng)都可以看出，半導(dǎo)體普遍出現(xiàn)在每一種產(chǎn)品類型中，而且正變得無(wú)處不在?！眱H僅在我們每天使用的智能手機(jī)中就包含RF收發(fā)器、功率放大器、天線開關(guān)模塊、前端模塊、雙工器、濾波器及合成器等關(guān)鍵射頻元件。而且有報(bào)告指出，2011年這些射頻器件的市場(chǎng)規(guī)模為36億美元，預(yù)計(jì)2011~2015年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.6%，到2016年主要的射頻器件市場(chǎng)將達(dá)47億美元。此外，目前應(yīng)用比較廣泛的WiFi及物聯(lián)網(wǎng)都與射頻集成電路有著密切的關(guān)系。這些切實(shí)應(yīng)用由于與學(xué)生的生活以及將來(lái)的就業(yè)息息相關(guān)，因此，相關(guān)內(nèi)容的講述能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
二、如何讓學(xué)生成為課堂的主人
“以教師為中心”“以灌輸為主要形式”的傳統(tǒng)教學(xué)方式已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)新時(shí)代的需求。如果教師僅根據(jù)教材對(duì)內(nèi)容進(jìn)行枯燥的講解，無(wú)法抓住學(xué)生的注意力，學(xué)生很容易溜號(hào)，影響課堂教學(xué)質(zhì)量。因此可以通過引進(jìn)研究型教學(xué)模式、師生互動(dòng)來(lái)活躍課堂氣氛。所謂“研究型教學(xué)模式”即將教師由知識(shí)的傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，將學(xué)生由被動(dòng)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的學(xué)習(xí)。如何使學(xué)生成為課堂的主人，在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)是課堂教學(xué)的有效手段，教師可以通過創(chuàng)設(shè)開放的問題情景，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入主動(dòng)探求知識(shí)的過程，使學(xué)生圍繞某類主體調(diào)查搜索、加工、處理應(yīng)用相關(guān)信息，回答或解決現(xiàn)實(shí)問題。比如，以射頻技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用為開放課題，學(xué)生通過查資料，分析整理，更深刻體會(huì)了射頻技術(shù)在智能家居、交通物流、兒童防盜等方面的應(yīng)用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中主動(dòng)把“自我”融入到課程中，敢于承擔(dān)責(zé)任，善于解決問題。
三、讓學(xué)生走上講臺(tái)
學(xué)生是課堂的主人，因此，可以改變以往教師在講臺(tái)上講、學(xué)生坐在下面聽的傳統(tǒng)教學(xué)模式。讓學(xué)生走上講臺(tái)可以將傳統(tǒng)的講授方式轉(zhuǎn)換為專題研討的教學(xué)模式。教師可以提前布置專題內(nèi)容，如射頻器件模型、射頻電路設(shè)計(jì)、射頻技術(shù)發(fā)展、射頻技術(shù)的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等。有個(gè)專題內(nèi)容作為核心，學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下通過檢索資料，組織分析資料，最終走上講臺(tái)向老師和其他學(xué)生講述相關(guān)的內(nèi)容。通過幾年的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)這樣可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和自覺性、同時(shí)也能使學(xué)生對(duì)相關(guān)的問題發(fā)表各自的觀點(diǎn)，形成對(duì)問題各抒己見、取長(zhǎng)補(bǔ)短的研討學(xué)習(xí)方式，大大拓寬學(xué)生的知識(shí)面以及綜合表述能力。
四、通過實(shí)踐教學(xué)加深理解理論教學(xué)內(nèi)容
理論教學(xué)是掌握一門技術(shù)的基礎(chǔ)，但實(shí)踐教學(xué)也是必不可少的。學(xué)生在掌握一定的基礎(chǔ)理論的同時(shí)，須要通過設(shè)計(jì)實(shí)踐來(lái)強(qiáng)化鞏固。實(shí)踐教學(xué)的引入，不僅能夠加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解，洞悉細(xì)節(jié)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維及科研能力。因此，教師可以通過設(shè)置幾個(gè)開放的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容來(lái)讓學(xué)生主動(dòng)研究探索。在本課程的教學(xué)中，本人已經(jīng)有計(jì)劃地進(jìn)行了實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，例如，在實(shí)踐教學(xué)中，曾經(jīng)給學(xué)生布置了“用于GPS的低噪放電路設(shè)計(jì)”的實(shí)踐設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生須要深入理解多方面知識(shí)，比如明確GPS的頻段、確定低噪放的電路結(jié)構(gòu)，并有效評(píng)估電路性能等。為了課程設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，學(xué)生須要進(jìn)行查閱分析資料、軟件安裝、軟件學(xué)習(xí)、電路設(shè)計(jì)、課程論文撰寫等幾個(gè)環(huán)節(jié)的分析設(shè)計(jì)工作，并最終在實(shí)踐中系統(tǒng)深刻地理解掌握課程的理論內(nèi)容，為以后的工作及深造打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
五、鼓勵(lì)學(xué)生參與科研項(xiàng)目
采用介電潤(rùn)濕機(jī)理操控微液滴技術(shù)，系統(tǒng)的功耗極低，因此微液滴操控電路的設(shè)計(jì)對(duì)電流無(wú)要求；但考慮電流過大會(huì)導(dǎo)致介電層被擊穿發(fā)生電解以及加劇微液滴的蒸發(fā)，所以要求控制電路輸出電流應(yīng)盡量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接觸角的余弦值與外加電壓的平方成正比［7］，為了使接觸角大范圍內(nèi)連續(xù)變化，要求電壓幅值大范圍可調(diào)；另外，微液滴輸運(yùn)與分離所需電壓幅值相差很大，也要求電壓幅值大范圍可調(diào)［8］。根據(jù)項(xiàng)目需求，使用的數(shù)字微流控芯片包含128個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，每個(gè)電極最高承受電壓為200V。因此，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路需要滿足以下指標(biāo)：1）電路由單一5V2A直流電源供電，輸出有128路，每路可獨(dú)立輸出方波。2）每路輸出電壓幅值為0～200V，頻率為10～1000Hz，電壓幅值和頻率均可調(diào)，并且輸出電壓精度為±0．5V。3）人機(jī)界面采用計(jì)算機(jī)控制，并與驅(qū)動(dòng)電路使用USB2．0接口通信，計(jì)算機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送各路輸出電壓幅值和頻率信息。
2設(shè)計(jì)方案
2.1總體方案根據(jù)系統(tǒng)要求，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有將5V電壓升至200V的能力，實(shí)踐中常采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為DC－DC升壓變換器的電路以實(shí)現(xiàn)升壓［9－10］，但對(duì)于復(fù)雜的數(shù)字微流控系統(tǒng)采用該方式會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路的體積過于龐大。為縮小電路體積以節(jié)省實(shí)驗(yàn)空間，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驅(qū)動(dòng)電路，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。計(jì)算機(jī)通過由軟件LabVIEW搭建的窗口界面向驅(qū)動(dòng)電路中的單片機(jī)發(fā)送128路方波輸出的電壓幅度和頻率信息，單片機(jī)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令進(jìn)行解析，然后以特定時(shí)間間隔向32通道D／A芯片發(fā)送相應(yīng)的方波電壓信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)指定頻率和幅度的方波輸出。
2.2單片機(jī)設(shè)計(jì)的電路中所使用的單片機(jī)為PIC24H，該系列單片機(jī)是美國(guó)微芯科技公司推出的十六位精簡(jiǎn)指令集微控制器，具有高速度、低工作電壓、低功耗等特點(diǎn)，以及較大的輸出驅(qū)動(dòng)能力和較強(qiáng)的計(jì)算能力。PIC24H的主要任務(wù)為：接收由計(jì)算機(jī)輸入的電壓幅值與頻率信息，根據(jù)頻率計(jì)算出方波周期，然后每半個(gè)周期時(shí)間向D／A芯片分別發(fā)送輸出方波最大和最小電壓幅值指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定電壓幅值和頻率的方波輸出。電路連接時(shí)，將USB芯片輸出端口D0～D7，以及RD、WR、TXE和RXF分別與單片機(jī)任意I／O口相連接，實(shí)現(xiàn)從USB芯片并行I／O接口的數(shù)據(jù)讀??；將D／A芯片輸入端口SCLK、DIN、SYNC分別與單片機(jī)其他空余I／O口相連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)D／A芯片輸出的控制，電路連接原理框圖如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電路使用USB接口芯片可實(shí)現(xiàn)完成USB串行總線和8位并行FIFO接口之間的相互協(xié)議轉(zhuǎn)換。其優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于開發(fā)者只需熟悉單片機(jī)編程及簡(jiǎn)單的VC編程，而無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫，從而能大大縮短USB外設(shè)產(chǎn)品的開發(fā)周期。
2.3USB接口芯片的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路中的USB接口芯片選用FT245R，該芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，與其他芯片相比，應(yīng)用FT245R芯片進(jìn)行USB外設(shè)開發(fā)，只需熟悉單片機(jī)編程及簡(jiǎn)單的VC編程，而無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫，從而能大大縮短USB外設(shè)產(chǎn)品的開發(fā)周期。此外，F(xiàn)T245R支持USB2．0規(guī)范，滿足項(xiàng)目需求。FT245R芯片可實(shí)現(xiàn)USB接口與并行I／O接口之間數(shù)據(jù)的傳輸。USB收發(fā)器從計(jì)算機(jī)接受USB串行數(shù)據(jù)后，由串行接口引擎將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存在FIFO接收緩沖區(qū)，當(dāng)讀取信號(hào)為低時(shí)，就將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送到并行輸出數(shù)據(jù)線上。考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)，在USB接口的電源端連接一個(gè)磁珠，以減少設(shè)備的噪聲和USB電纜輻射對(duì)芯片產(chǎn)生的電磁干擾。
2.4D／A的配置及電源設(shè)計(jì)電路中使用的32通道D／A芯片最高輸出電壓為200V，精度為14bit，滿足每路輸出電壓幅值和精度的要求。電路的128通道輸出可由4片A／D芯片實(shí)現(xiàn)。A／D芯片的輸出電壓由單片機(jī)控制，由于單片機(jī)PIC24H與A／D芯片都支持SPI協(xié)議，因此本電路使用SPI接口傳輸完成單片機(jī)和A／D之間的通信。A／D芯片要實(shí)現(xiàn)0～200V范圍內(nèi)的電壓輸出，需要配置－5V、4．096V、5V和200V，而電路只有5V直流供電，因此需將5V轉(zhuǎn)換為－5V、4．096V和200V。設(shè)計(jì)的電路中分別選用相應(yīng)的升壓芯片完成電壓的轉(zhuǎn)換。
3電路制作
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，選取合適的芯片，制作完成該驅(qū)動(dòng)電路，電路如圖5所示。向該電路輸入相應(yīng)的輸出電壓指令，測(cè)得在0～180V的范圍內(nèi)，實(shí)際輸出電壓和期望輸入電壓之間的誤差基本小于0．1V，滿足設(shè)計(jì)要求。所設(shè)計(jì)的電路在15V、50V、75V、125V、175V這5個(gè)采樣點(diǎn)上相應(yīng)的輸入－輸出數(shù)據(jù)如表1所示。在0～180V的輸出范圍內(nèi)，等間隔的選擇180個(gè)點(diǎn)，獲得輸入指令和輸出電壓之間的關(guān)系曲線如圖6所示，電路的輸出電壓在0～200V范圍內(nèi)均與輸入電壓指令相符。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)字微流控芯片需要實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的基本操作，其方法為對(duì)液滴移動(dòng)路線上的電極依次通電，所加電壓為交流電壓。交流電壓可以通過在指定時(shí)刻對(duì)D／A芯片輸入相關(guān)輸出電壓信息，從而獲得所需交流電壓輸出。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所制作的電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字微流控芯片上液滴的控制。液滴移動(dòng)如圖7所示。
4結(jié)論
電路設(shè)計(jì)尤其是超聲波信號(hào)的收發(fā)處理采用諸如TX734激勵(lì)電路、MAX2038回波放大處理電路等專用IC效果固然理想，但考慮到研發(fā)專用設(shè)備僅需小批量試制的因素，故在電路方案選型設(shè)計(jì)時(shí)遵循簡(jiǎn)單實(shí)用、器件易于采購(gòu)的原則，盡量選用通用元器件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)電路主要由超聲波發(fā)射激勵(lì)和電源變換單元、超聲波回波信號(hào)處理單元、時(shí)間差測(cè)量單元、單片機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理單元組成。排版布線亦盡量參照IC生產(chǎn)廠商的DEMO方案，采用貼片元件的雙面PCB設(shè)計(jì)制作，以提高樣機(jī)研發(fā)的一次性成功率。
1.1超聲波收發(fā)電路由于檢測(cè)裝置工作于井下，井口只為其提供了一路＋24V直流電源，各單元電路的工作電源需要依靠DC／DC變換電路獲得?？刂葡到y(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)使用的＋5V和±12V電源由LM2596－5．0承擔(dān)，其主路輸出＋5V／2A電源供單片機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)使用，將其儲(chǔ)能電感改用5026－47μH環(huán)形功率電感，并在其上增加兩個(gè)輔助繞組，經(jīng)整流、濾波和LM78（79）L12三端穩(wěn)壓IC后產(chǎn)生±12V／0．1A直流電源供信號(hào)處理系統(tǒng)使用；超聲波發(fā)射采用了高壓脈沖激勵(lì)方式，＋200～300V激勵(lì)電壓由＋24V供電電壓經(jīng)簡(jiǎn)單的Boost升壓電路獲得，利用單片機(jī)送來(lái)的1ms周期、5μs脈寬脈沖信號(hào)控制MOSFET開關(guān)管實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射探頭的激勵(lì)，儲(chǔ)能電感選用TDK－NL565050T－822J－PF（8．2mH）貼片電感，NMOS開關(guān)管選用2N60即可。超聲波激勵(lì)及電源變換電路如圖2所示。經(jīng)實(shí)測(cè)，激勵(lì)脈沖會(huì)在接收探頭中產(chǎn)生一個(gè)較大的諧振頻率為5MHz、大約5個(gè)周期的串?dāng)_信號(hào)，為此，接收電路設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)發(fā)射激勵(lì)脈沖延遲6μs、持續(xù)30μs的使能控制信號(hào)，控制接收放大處理電路僅在使能信號(hào)有效期間實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的放大和輸出，使之能夠在鋼管內(nèi)壁和外壁反射的一次、二次回波信號(hào)到來(lái)之前有效地消除激勵(lì)脈沖串?dāng)_的影響，使能控制信號(hào)時(shí)序關(guān)系見圖3。檢測(cè)裝置中用于時(shí)間差測(cè)量的TDC－GP2的典型應(yīng)用是作為超聲波流量計(jì)、激光測(cè)距儀的時(shí)間間隔測(cè)量、頻率和相位信號(hào)分析等高精度測(cè)試領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中輸入信號(hào)一般都較強(qiáng)，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后即可作為TDC－GP2的START、STOP控制信號(hào)使用，而該檢測(cè)裝置的超聲波回波信號(hào)尤其是多次反射回波信號(hào)非常微弱且雜波較大（實(shí)測(cè)回波信號(hào)大約在mV數(shù)量級(jí)），必須經(jīng)高增益寬帶放大器放大和濾波、檢波、整形處理后才能勝任。寬帶放大器由AD604承擔(dān)，可獲得6～54dB的增益并可由VGN端電壓連續(xù)控制，可較好地滿足超聲波回波信號(hào)高速高增益放大的要求［2］?？紤]到僅需將回波信號(hào)放大處理后形成STOP控制脈沖即可，故電路僅利用可調(diào)電阻對(duì)2．5V基準(zhǔn)電壓（由TL431產(chǎn)生）分壓獲得的VGN電壓進(jìn)行增益設(shè)定，但設(shè)計(jì)電路亦有預(yù)留接口可用于接受經(jīng)單片機(jī)和DAC輸出的AGC控制電壓，實(shí)現(xiàn)增益的閉環(huán)控制。AD604前級(jí)放大電路如圖4所示。帶通濾波器選用由MAX4104構(gòu)成，設(shè)計(jì)中心頻率為5MHz，帶寬約為1MHz；鉗位和檢波由AD8036完成，具有卓越的鉗位性能和精度高、恢復(fù)時(shí)間短、非線性范圍小、頻帶寬的特點(diǎn)；檢波輸出信號(hào)的整形處理由MAX9141負(fù)責(zé)，這是一款具有鎖存使能和器件關(guān)斷功能的高速比較器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和滿擺幅輸入特性等，回波信號(hào)經(jīng)其整形處理后可獲得理想的脈沖前沿，并便于與TTL邏輯電平接口，還可以方便地實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)輸出的使能控制。信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。
1.2時(shí)間差測(cè)量電路回波信號(hào)時(shí)差測(cè)量選用了德國(guó)ACAM公司的高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC－GP2。TDC－GP2采用44腳TQFP封裝，內(nèi)含TDC測(cè)量單元、16位算術(shù)邏輯單元、RLC測(cè)量單元及與8位處理器的接口單元和溫度補(bǔ)償單元等主要功能模塊，利用內(nèi)部ALU單元計(jì)算出時(shí)間間隔，并送入結(jié)果寄存器保存。TDC－GP2基于內(nèi)部的硬件電路測(cè)量“傳輸延時(shí)”，以信號(hào)通過內(nèi)部門電路的傳輸延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間間隔測(cè)量，測(cè)量分辨率可達(dá)pS數(shù)量級(jí)，可以很好滿足項(xiàng)目測(cè)量的要求。單片機(jī)在給超聲波傳感器提供發(fā)射激勵(lì)脈沖的同時(shí)給TDC－GP2提供START信號(hào)指令使之開始計(jì)時(shí)工作，超聲波接收頭接收到的反射回波信號(hào)經(jīng)放大、處理后作為STOP指令信號(hào)，由TDC－GP2完成兩次反射波時(shí)間間隔的測(cè)量。由前述可知，STOP與START信號(hào)的時(shí)間差大約在6～40μS之間，時(shí)差測(cè)量分辨率約為0．07μs，為此，設(shè)定TDC－GP2工作于“測(cè)量模式2”，在該模式下芯片僅使用通道1，可允許4個(gè)脈沖輸入，實(shí)現(xiàn)STOP1與START信號(hào)之間的時(shí)間差測(cè)量，測(cè)量范圍在60ns～200ms，然后，由TDC－GP2計(jì)算出各回波信號(hào)間的時(shí)間差Δt＝tB－tS＝tn－tn－1。測(cè)量原理如下：在輸入START信號(hào)指令后，芯片內(nèi)部測(cè)量出該信號(hào)前沿與下一時(shí)鐘上升沿的時(shí)差，標(biāo)記為Fc1；之后，計(jì)數(shù)器開始工作，得到predivider的工作周期數(shù)，并標(biāo)記為Cc；這時(shí)，重新激活芯片內(nèi)部測(cè)量單元，測(cè)量出輸入的STOP1信號(hào)的第一個(gè)脈沖（一次反射回波）前沿與下一時(shí)鐘上升沿的時(shí)差，標(biāo)記為Fc2，將STOP1信號(hào)的第二個(gè)脈沖（二次反射回波）前沿與下一時(shí)鐘上升沿的時(shí)差標(biāo)記為Fc3，……；Cal1和Cal2分別表示一個(gè)和兩個(gè)時(shí)鐘周期。
1.3單片機(jī)接口電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)選擇余地較大，項(xiàng)目結(jié)合TI公司中國(guó)大學(xué)計(jì)劃選用了美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的MSP43016位單片機(jī)，具有16位總線、帶FLASH的微處理器和功耗低、可靠性高、抗強(qiáng)電干擾性能好、適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，很適合于作現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)處理使用［4］。TDC－GP2其與單片機(jī)的通信方式為四線串行通信（SPI），利用MSP430的4個(gè)P2．x和P4．2I／O口實(shí)現(xiàn)GP2的選通、中斷和開始、結(jié)束使能以及復(fù)位等控制功能。MSP430除用來(lái)對(duì)GP2控制和數(shù)據(jù)處理外，還可以留出一些資源實(shí)現(xiàn)設(shè)備其他電路和動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制使用。單片機(jī)接口電路原理和程序流程分別如圖8和圖9所示。
2結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于守時(shí)系統(tǒng)而言首先要保證系統(tǒng)硬件部分具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，并且生存能力優(yōu)秀。經(jīng)由守時(shí)系統(tǒng)得到的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間可滿足授時(shí)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)我國(guó)守時(shí)系統(tǒng)需要與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間匹配結(jié)合，在開發(fā)過程中應(yīng)當(dāng)汲取國(guó)外授時(shí)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)從而得到具備特色的自主守時(shí)系統(tǒng)。在系統(tǒng)計(jì)算過程中要保持時(shí)間尺度均勻并使其處于穩(wěn)定態(tài)，同時(shí)使UTC可被精確控制。另外需要構(gòu)建出專門性的性能測(cè)試平臺(tái)，使對(duì)比試驗(yàn)可正常開展?？傊?，守時(shí)系統(tǒng)無(wú)論是在工業(yè)發(fā)展還是經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中均發(fā)揮了重要的作用，它也受愈來(lái)愈受到國(guó)家重視。
2守時(shí)電路設(shè)計(jì)分析
在本研究中借助GPS體系作為基本授時(shí)體系，因此需要在系統(tǒng)中置入GPS接收機(jī)。GPS接收機(jī)的功能主要體現(xiàn)于兩方面，首先它可以對(duì)精確時(shí)間進(jìn)行有效輸出，另外得到相關(guān)的時(shí)間質(zhì)量信息，同時(shí)可獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。通常情況下將GPS位置精度設(shè)置為10m，將時(shí)間精度設(shè)定為1us，而速度精度則設(shè)定為0.1m/s，更新頻率為1HZ。另外熱開機(jī)時(shí)間可設(shè)定為1s，暖開機(jī)時(shí)間為38s，冷開機(jī)時(shí)間為42s。工作電壓按照實(shí)際要求進(jìn)行匹配。
在系統(tǒng)中加入晶振（MV180），該晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率為10MHZ，穩(wěn)定性低于1*10^-10，工作電壓為12V，外部工作電壓為0至5V，參考電壓為5V，工作溫度范圍為-10至60℃，穩(wěn)定性為±2*10^-10，老化率為±3*10^-8/y，預(yù)熱時(shí)間精度低于±1*10^-8（25℃以下），預(yù)熱階段峰值電流消耗應(yīng)低于700mA，靜態(tài)電流消耗應(yīng)低于250mA（25℃以下）。另外置入特定芯片使守時(shí)電路工作得到進(jìn)一步優(yōu)化，芯片選取DAC7512，該芯片電壓需求較低且功耗較小，通常情況下采取施密特觸發(fā)輸入，可對(duì)緩沖電壓進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并可對(duì)寄存器寫操作進(jìn)行有效控制。
芯片本身可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大并進(jìn)行緩沖，這樣便可保證信號(hào)輸出的質(zhì)量，使其能夠完整輸出。由于該芯片可將輸出端斷開并斷開緩沖放大器，將固定電阻接入其中使精度輸出放大器可采取軌對(duì)軌的模式進(jìn)行輸出，利用串行接口使得作為通信接口連接，在工作過程中其時(shí)鐘速率可達(dá)30MHz。為了使守時(shí)電路工作完善化可在整個(gè)守時(shí)系統(tǒng)中置入FPGA器件。植入該集成電路芯片可使得系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)，由于FPGA具備了高度集成化的特點(diǎn)，規(guī)模大、體積小，具有較低的功耗，且處理迅速，可進(jìn)行反復(fù)編程，因此將其置入系統(tǒng)當(dāng)中可有效控制系統(tǒng)功耗并降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。另外FPGA具備了邏輯單元與嵌入式儲(chǔ)存器、乘法器以及高速手法器等，可提供多種協(xié)議保證其適用范圍。在FPGA實(shí)際應(yīng)用過程中開發(fā)軟件先將硬件描述語(yǔ)言及原理圖輸入其中，再編譯為數(shù)據(jù)流，并通過隨機(jī)儲(chǔ)存來(lái)確認(rèn)設(shè)計(jì)電路的邏輯關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)斷電情況后隨機(jī)儲(chǔ)存將會(huì)消失，此時(shí)FPGA也就變成了白片，那么可結(jié)合隨機(jī)儲(chǔ)存器中的差異來(lái)得到不同的設(shè)計(jì)電路邏輯關(guān)系從而得到可編程特性。
3結(jié)語(yǔ)
由于CRT顯示器和液晶屏具有不同的顯示特性,兩者的顯示信號(hào)參數(shù)也不同,因此在計(jì)算機(jī)(或MCU)和液晶屏之間設(shè)計(jì)液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)電路是必需的,其主要功能是通過調(diào)制輸出到LCD電極上的電位信號(hào)、峰值、頻率等參數(shù)來(lái)建立交流驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)。
本文實(shí)現(xiàn)了將VGA接口信號(hào)轉(zhuǎn)換到模擬液晶屏上顯示的驅(qū)動(dòng)電路,采用ADI公司的高性能DSP芯片ADSP—21160來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的主要功能。
硬件電路設(shè)計(jì)
AD9883A是高性能的三通道視頻ADC可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)RGB三色信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣。系統(tǒng)采用32位浮點(diǎn)芯片ADSP-21160來(lái)處理數(shù)據(jù),能實(shí)時(shí)完成伽瑪校正、時(shí)基校正,圖像優(yōu)化等處理,且滿足了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能需求。ADSP-21160有6個(gè)獨(dú)立的高速8位并行鏈路口,分別連接ADSP-21160前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9883A和后端的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7125。ADSP-21160具有超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu),支持單指令多操作數(shù)(SIMD)模式,采用高效的匯編語(yǔ)言編程能實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理,不會(huì)因?yàn)樘幚頂?shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)而出現(xiàn)延遲。
系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用不同的鏈路口完成輸入和輸出,可以避免采用總線可能產(chǎn)生的通道沖突。模擬視頻信號(hào)由AD9883A完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9883A是個(gè)三通道的ADC,因此系統(tǒng)可以完成單色的視頻信號(hào)處理,也可以完成彩色的視頻信號(hào)處理。采樣所得視頻數(shù)字信號(hào)經(jīng)鏈路口輸入到ADSP-21160,完成處理后由不同的鏈路口輸出到ADV7125,完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADV7125是三通道的DAC,同樣也可以用于處理彩色信號(hào)。輸出視頻信號(hào)到灰度電壓產(chǎn)生電路,得到驅(qū)動(dòng)液晶屏所需要的驅(qū)動(dòng)電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標(biāo)志腳,可用于接受外部控制信號(hào),給系統(tǒng)及其模塊發(fā)送控制信息,以使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定有序地工作。例如,ADSP-21160為灰度電壓產(chǎn)生電路和液晶屏提供必要的控制信號(hào)。另外,系統(tǒng)還設(shè)置了一些LED燈,用于直觀的指示系統(tǒng)硬件及DSP內(nèi)部程序各模塊的工作狀態(tài)。
本設(shè)計(jì)采用從閃存引導(dǎo)的方式加載DSP的程序文件,閃存具有很高的性價(jià)比,體積小,功耗低。由于本系統(tǒng)中的閃
存既要存儲(chǔ)DSP程序,又要保存對(duì)應(yīng)于不同的伽瑪值的查找表數(shù)據(jù)以及部分預(yù)設(shè)的顯示數(shù)據(jù),故選擇ST公司的容量較大的M29W641DL,既能保存程序代碼,又能保存必要的數(shù)據(jù)信息。
圖2為DSP與閃存的接口電路。因?yàn)椴捎?位閃存引導(dǎo)方式,所以ADSP-21160地址線應(yīng)使用A20-A0,數(shù)據(jù)線為D39—32,讀、寫和片選信號(hào)分別接到閃存相應(yīng)引腳上。
系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)采用ADSP-21160完成伽瑪校正、時(shí)基校正、時(shí)鐘發(fā)生2S、圖像優(yōu)化和控制信號(hào)的產(chǎn)生等功能。
1伽瑪校正原理
在LCD中,驅(qū)動(dòng)IC/LSI的DAC圖像數(shù)據(jù)信號(hào)線性變化,而液晶的電光特性是非線性,所以要調(diào)節(jié)對(duì)液晶所加的外加電壓,使其滿足液晶顯示亮度的線性,即伽瑪(Y)校正。Y校正是一個(gè)實(shí)現(xiàn)圖像能夠盡可能真實(shí)地反映原物體或原圖像視覺信息的重要過程。利用查找表來(lái)補(bǔ)償液晶電光特性的Y校正方法能使液晶顯示系統(tǒng)具有理想的傳輸函數(shù)。未校正時(shí)液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線呈S形。伽瑪表的作用就是通過對(duì)ADC進(jìn)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行反S形的非線性變換,最終使液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線滿足實(shí)際要求。
LCD的Y校正圖形如圖3所示,左圖是LCD的電光特性曲線圖,右圖是LCD亮度特性曲線和電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換圖。
2伽瑪校正的實(shí)現(xiàn)
本文采用較科學(xué)的Y校正處理技術(shù),對(duì)數(shù)字三基信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字Y校正(也可以對(duì)模擬三基信號(hào)分別進(jìn)行Y校正)。在完成v校正的同時(shí),并不損失灰度層次,使全彩色顯示屏圖像更鮮艷,更逼真,更清晰。
某單色光Y調(diào)整過程如圖4所示,其他二色與此相同。以單色光v調(diào)整為例:ADSP-21160首先根據(jù)外部提供的一組控制信號(hào),進(jìn)行第一次查表,得到Y(jié)調(diào)整系數(shù)(Y值)。然后根據(jù)該Y值和輸入的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次查表,得到經(jīng)校正后的顯示數(shù)據(jù)。第一次查表的Y值是通過外部的控制信號(hào)輸入到控制模塊進(jìn)行第一次查表得到的。8位顯示數(shù)據(jù)信號(hào)可查表數(shù)字0～255種灰度級(jí)顯示數(shù)據(jù)(Y校正后)。
3圖像優(yōu)化
為了提高圖像質(zhì)量,ADSP-21160內(nèi)部還設(shè)計(jì)了圖像效果優(yōu)化及特技模塊,許多在模擬處理中無(wú)法進(jìn)行的工作可以在數(shù)字處理中進(jìn)行,例如,二維數(shù)字濾波、輪廓校正,細(xì)節(jié)補(bǔ)償頻率微調(diào)、準(zhǔn)確的彩色矩陣(線性矩陣電路),黑斑校正、g校正、孔闌校正、增益調(diào)整、黑電平控制及雜散光補(bǔ)償、對(duì)比度調(diào)節(jié)等,這些處理都提高了圖像質(zhì)量。
數(shù)字特技是對(duì)視頻信號(hào)本身進(jìn)行尺寸、位置變化和亮,色信號(hào)變化的數(shù)字化處理,它能使圖像變成各種形狀,在屏幕上任意放縮,旋轉(zhuǎn)等,這些是模擬特技無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。還可以設(shè)計(jì)濾波器來(lái)濾除一些干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)等,使圖像的清晰度更高,更好地再現(xiàn)原始圖像。所有的信號(hào)和數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部,由它內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘模塊和控制模塊實(shí)現(xiàn)的。
4時(shí)基校正及系統(tǒng)控制
由于ADSP-21160內(nèi)部各個(gè)模塊的功能和處理時(shí)間不同,各模塊之間存在一定延時(shí),故需要進(jìn)行數(shù)字時(shí)基校正,使存儲(chǔ)器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴(yán)格對(duì)齊,而不會(huì)出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。數(shù)字時(shí)基校正主要用于校正視頻信號(hào)中的行,場(chǎng)同步信號(hào)的時(shí)基誤差。首先,將被校正的信號(hào)以它的時(shí)基信號(hào)為基準(zhǔn)寫入存儲(chǔ)器,然后,以TFT-LCD的時(shí)基信號(hào)為基準(zhǔn)讀出,即可得到時(shí)基誤差較小的視頻信號(hào)。同時(shí)它還附加了其他功能,可以對(duì)視頻信號(hào)的色度、亮度、飽和度進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)對(duì)行、場(chǎng)相位、負(fù)載波相位進(jìn)行調(diào)節(jié),并具有時(shí)鐘臺(tái)標(biāo)的功能。
控制模塊主要負(fù)責(zé)控制時(shí)序驅(qū)動(dòng)邏輯電路以管理和操作各功能模塊,如顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的管理和操作,負(fù)責(zé)將顯示數(shù)據(jù)和指令參數(shù)傳輸?shù)轿?負(fù)責(zé)將參數(shù)寄存器的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的顯示功能邏輯。內(nèi)部的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)及地址,根據(jù)水平和垂直顯示及消隱計(jì)數(shù)器的值產(chǎn)生控制信號(hào)。此外,它還可以接收外部控制信號(hào),以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,從而使該電路的功能更加強(qiáng)大,更加靈活。
此外,ADSP21160的內(nèi)部還設(shè)計(jì)了I2C總線控制模塊,模擬FC總線的工作,為外部的具有I2C接口的器件提供SCLK(串行時(shí)鐘信號(hào))和SDA(雙向串行數(shù)據(jù)信號(hào))。模擬I2C工作狀態(tài)如圖5和圖6所示。
系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
在軟件設(shè)計(jì)如圖7所示,采用Matlab軟件計(jì)算出校正值,并以查找表的文件形式存儲(chǔ),供時(shí)序的調(diào)用。系統(tǒng)上電
開始,首先要完成ADSP-21160的一系列寄存器的設(shè)置,以使DSP能正確有效地工作。當(dāng)ADSP-21160接收到有效的視頻信號(hào)以后,根據(jù)外部控制信息確定Y值。為適應(yīng)不同TFT-LCD屏對(duì)視頻信號(hào)的顯示,系統(tǒng)可以通過調(diào)整Y值,以調(diào)節(jié)顯示效果到最佳。再如圖4所示,對(duì)先前預(yù)存的文件進(jìn)行查表,得到所需的矯正后的值,然后暫存等待下一步處理。系統(tǒng)還可以根據(jù)視頻信號(hào)特點(diǎn)和用戶需要完成一些圖像的優(yōu)化和特技,如二維數(shù)字濾波、輪廓校正、增益調(diào)整、對(duì)比度調(diào)節(jié)等。這些操作可由用戶需求選擇性使用。利用ADSP-21160還可以實(shí)現(xiàn)圖像翻轉(zhuǎn)、停滯等特技。最后進(jìn)行數(shù)字時(shí)基校正,主要用于校正視頻信號(hào)中的行、場(chǎng)同步信號(hào)的時(shí)基誤差,使存儲(chǔ)器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴(yán)格對(duì)齊,而不會(huì)出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。除了以上所述的主要功能以外,ADSP-21160還根據(jù)時(shí)序控制信號(hào),為灰度電壓產(chǎn)生電路和TFT-LCD屏提供必要的控制信號(hào)。另外,ADSP-21160還能設(shè)置驅(qū)動(dòng)通用I/O腳配置的LED燈,顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。
1.1放大器非線性模型當(dāng)放大器工作在非線性區(qū)時(shí)，采用Taylor級(jí)數(shù)模型，放大器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)可表述。若k1和k3符號(hào)相反，輸出信號(hào)的增益會(huì)隨著輸入信號(hào)功率的增大而減小，即增益壓縮（AM－AM效應(yīng)）。同時(shí)，輸出信號(hào)的相位會(huì)隨著輸入功率變化而變化，即相位失真（AM－PM效應(yīng)）［6］。對(duì)于固態(tài)放大器，k3＜0，其非線性特性是增益壓縮，相位擴(kuò)張。預(yù)失真的基本原理即通過二極管或其它電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與功放相反的非線性特性，從而抵消因功放非線性引起的幅度與相位失真，達(dá)到改善功率放大器線性度的目的，其原理如圖2所示。由于2ω1－ω2、2ω2－ω1兩個(gè)頻率分量（三階交調(diào)分量）通常落在帶內(nèi)難以消除，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，因此是衡量放大器非線性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
1.2電路設(shè)計(jì)在圖1中，輸入信號(hào)通過2個(gè)3dBLange橋后，分別送入兩個(gè)放大器；一般情況下，兩路信號(hào)功率相差15dB以上，可保證A1工作在線性狀態(tài)。設(shè)放大器的線性增益為G0，放大器1和2的輸出分別為。為了準(zhǔn)確地?cái)M合主放大器的非線性特性，放大后的誤差信號(hào)應(yīng)與主功放的非線性分量相等，即非線性工作的放大器應(yīng)與主放大器工作在相同的功率回退狀態(tài)。功分器和耦合器1均采用相同的3dBLange橋?qū)崿F(xiàn)（δ1＝δ2＝0．707），整個(gè)預(yù)失真電路的增益應(yīng)為0，可以滿足上述要求。結(jié)合（7）、（9）、（10）三式，可以確定耦合器的耦合度和各個(gè)衰減器的大小。通過調(diào)節(jié)延時(shí)線的長(zhǎng)度和微調(diào)衰減器的大小，得到對(duì)主放大器線性度較好的改善效果。采用ADS進(jìn)行仿真，G0＝25．5dB，衰減器1的衰減量為22dB，衰減器2的衰減量為5．4dB，定向耦合器的耦合度為－16．7dB。耦合器2也選擇Lange橋，不僅簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也節(jié)約了版圖面積。
2測(cè)試結(jié)果
本設(shè)計(jì)采用0．15μmGaAs工藝實(shí)現(xiàn)，芯片面積為1．9mm×3．0mm，芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。該預(yù)失真單片的中心頻率為21GHz，采用5V電壓供電，直流功耗0．8W。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試該預(yù)失真電路的增益和相位特性，設(shè)置中心頻率為21GHz，輸入功率掃描范圍為－20～14dBm。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。該預(yù)失真電路可以提供3dB的增益擴(kuò)張，以及20°以上的相位壓縮。驗(yàn)證了該芯片可以產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)后，將其與功率放大器級(jí)聯(lián)，測(cè)試其對(duì)功率放大器線性度的改善情況。測(cè)試結(jié)果表明，加入預(yù)失真電路后，功率放大器的P－1從22．2dBm提升至22．8dBm，相位誤差從P－1處20°以上減小至3°以內(nèi)，如圖5所示。雖然增益波動(dòng)最大為－0．4dB，但是該預(yù)失真電路修正了絕大部分的相位誤差，同時(shí)一定程度上提高1 dB壓縮點(diǎn)。為了驗(yàn)證該預(yù)失真電路的線性化效果，進(jìn)一步測(cè)試采用中心頻率為21GHz、間隔為10MHz的雙音信號(hào)作為輸入信號(hào)，比較相同的輸出功率下，加入預(yù)失真芯片前后三階交調(diào)指標(biāo)改善情況，如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明，該預(yù)失真芯片對(duì)功率放大器三階交調(diào)最高可有27dBc的改善，在功率回退3dB時(shí)，可有5dBc的改善。在對(duì)功率放大器三階交調(diào)為－30dBc的抑制條件下，驅(qū)動(dòng)放大器輸出功率從13dBm提高至17．5dBm。但是，五階分量在回退過程中會(huì)有一定程度的惡化，如圖7所示。由于流片過程中采用的電容比設(shè)計(jì)電容小20％，預(yù)失真電路中功放的特性出現(xiàn)了一定的偏差，導(dǎo)致了幅度修正不平坦、三階分量在回退至小功率時(shí)改善效果不明顯，也是五階分量惡化的主要原因。對(duì)五階分量改善不好的另一原因是要對(duì)高階分量有很好的抑制，需要精確地產(chǎn)生預(yù)失真信號(hào)，而產(chǎn)生該信號(hào)非常困難，通常的做法是預(yù)失真系統(tǒng)中包含某種反饋以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，而這會(huì)使電路的復(fù)雜程度增大。為了驗(yàn)證該預(yù)失真電路的通用性，將該芯片與一高功率放大器（HPA）級(jí)聯(lián)，進(jìn)行了雙音信號(hào)測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。在功率回退的整個(gè)過程中，IM3均有不同程度的改善，在輸出29dBm時(shí)可改善15dBc以上，同時(shí)五階分量并不會(huì)惡化。在－30dBc的抑制條件下，HPA輸出功率可從28dBm提高至33dBm。
3結(jié)論
