偏置电路设计汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇偏置电路设计范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0003-02

在现实的生活中，电源类产品在出厂前，必须经过性能测试，合格后才能投入市场。在以往，通常采用静态负载，如电阻箱等可变阻值的电阻来模拟负载，但其测试精度低，方法不易操作，给电源的测试带来了困难。为了解决这个问题，人们设计了一种电子负载设备，可以有效改良电源测试的方法。电子负载主要依靠电子元器件吸收并消耗电能，其体积较小，一般采用功率半导体器件作为载体，使得负载易于调节和控制，并能达到很高的精度和稳定性。本文在系统设计中采用TI公司的单片机MSP430，该单片机工作电流低，能有效降低功耗，具有16位数据的处理能力，且内置硬件乘法器，乘除法运算都为单周期指令，运行速度更快，片内集成资源丰富，为系统设计提供了可能。同时通过测量电路实时监控被测电源的相关数据，并通过LCD显示屏，显示测得的数据。本文设计简单易行，系统运行稳定可靠。

1 系统设计的基本原理

1.1 系统设计方案

系统设计利用单片机MSP430作为核心控制器，以44矩阵键盘设定单片机输出电流值，单片机将相应的数字信号输出给D/A芯片处理，将键盘设定输出的电流值从数字电压信号转换为模拟电压信号，再经恒流控制和电流放大，将产生的信号接入被测电源的输入端（电源的正极）。被测电源的实际输出电流（电源的负极）再经过采样电阻形成电压信号经过A/D信号转换和电压检测，将数字信号输入单片机进行相应的程序处理，再经LCD液晶屏显示。

在电路的设计过程中，为减少误操作给系统硬件带来的破坏，我们也设计了空载和过载报警电路。当系统中没有接入被测电源或者检测的电流值超出一定范围，通过蜂鸣器报警和高亮LED的闪烁，引起使用者足够的注意。以上功能设计的系统框图如图1所示。

1.2 系统硬件设计的实现

电路设计中，D/A转换器我们采用的是8位的数模转换芯片DAC0832，其引脚结构如图2所示。

DAC0832内部含有两级输入寄存器，使其具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适用于多种电路设计需要。D/A转换结果采用电流形式输出，再通过选用合适的线性运算放大器实现模拟信号的放大，满足相应的设计需要。同时运放的反馈电阻可通过Rfb引脚端引用片内固有电阻，也可以根据设计需要外接反馈电阻。该芯片的典型应用如图3所示。

本文系统设计的控制芯片采用的是MSP430，反馈电阻采用的是外接电阻，经D/A转换后输出的电流连入集成运算放大器LM324的输入端，进行模拟信号的放大，再经过反馈电路，将相应的模拟信号进行数据处理。而反馈电路运行的稳定性，直接影响着系统工作的精度，作者采用了如图4的硬件设计方式实现反馈电路的功能。

受控电流源采用普通三极管SS8050和大功率三极管3DD15D相结合，通过控制流入大功率三极管3DD15D的基极偏置电压，间接控制输出到负载上的电流大小。在系统的设计调试过程中，我们采用15V电源和负载电阻来替代实际的被测电源，进行相关的参数研究。实际使用中，我们可以去除负载电阻，在15V电源和GND接线处连接被测电源。设计中，我们还需考虑到输入到单片机的电压是经过A/D变换的数字信号，这样才可以实现与MSP430的接口连接，由核心控制器来进行数据的处理。由于MSP430内置A/D转换器，可以完成模拟信号向数字信号的转换，因此降低了系统硬件电路设计的复杂性，有利的节约了开发成本。

实现空载和过载报警电路的方法是测量负载两端电压，由于这两点电压比较高，因此需分压后送A/D测量，分压电阻取值需要较大，以减小对输出电流的影响，当超过额定值时通过主控制器软件程序判断是空载或者过载，电路设计如图5所示。

2 系统设计的软件功能原理

在系统硬件设计的基础上，作者完成了相应的软件程序设计，其程序流程图如图6所示。

在整个硬件系统上电后，首先进行系统初始化，保证各硬件系统运行正常。空载或者过载部分的程序编写可以有效减少因误操作对系统的硬件造成的破坏，在这部分程序中，以容错技术为主，包括：空载报警提示、负载电压过大报警。当电流源没有外接负载或者外接负载超过系统设计的参数极限时，产生相应中断程序，调用声光报警程序和液晶显示程序，提示系统的操作者。

除此之外，程序流程图中的按键扫描程序是重要组成部分，实现的相应功能的子程序较多，其中实现的按键功能有加1键，减1键，退格键，取消键，确定键，保存键和基本的数字功能键。键码的分析中涉及到键盘扫描和编码技术，其中键盘扫描的方式一般有三种：主动查询方式、键盘中断方式和定时中断方式。键盘编码的方式常见的有三种：特征编码法、顺序编码法和反转查表法。本次设计采用主动查询方式对键盘进行扫描，采用反转查表法对键盘编码。

主程序示例。在主程序中，包括基本的头文件和主函数，由于整体程序的复杂性，在本文中我们针对主要的功能函数进行简单说明

3 结语

该简易直流电子负载电流可以在100mA～1000mA范围内进行设定，并且以10mA的步进值，对输出电流大小进行微调，因而可实际应用于检测小功率恒流源的稳定性。在恒流（CC）工作模式下，当电子负载两端电压变化10V时，显示电流值变化小于1%。电子负载还可以检测被测电源的电压与电流，达到设计要求。

作者在接下来的系统研究中，将进一步通过提升硬件性能，改善硬件设计的合理性，提升软件程序的运行效率，提高电流的输出精度，达到更稳定的测试性能。

参考文献

[1] 蒋益飞，周杏鹏.基于 STM32 直流电子负载的设计与实现[J]，仪器仪表用户，2012.03/

篇（2）

中图分类号： TN911?34； TM42 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）14?0149?03

Design of microcontroller?based control circuit for steel fiber sorting device

HUANG Jie

（Hunan Railway Professional Technology College， Zhuzhou 412005， China）

Abstract： A control circuit of steel fiber sorting device taking MCS?51 microcontroller as control core was designed. It generates a PWM control signal by microcontroller to control the size of the sort magnetic field according to the feed quantity. The problems of low efficiency and heating generation of the steel sorting circuit were solved effectively. The intelligent control of the magnetic field and feed speed， and high reliability of the system were realized. The control circuit designed in this paper improved the efficiency of steel fiber sorting packing.

Keywords： AT89C51； steel fiber； PWM control； steel sortingcircuit

0 引 言

钢纤维是混凝土理想的增强材料，在混凝土中均匀地按比例掺入钢纤维，可以使混凝土在抗拉、抗冲击、抗裂、抗剪、抗耐磨、抗疲劳强度、抗冻融性能上比普通混凝土有很大提高。国外有研究表明，在混凝土中加入0.75%～1%的钢纤维，可以大大提高高强度混凝土柱的弹性和延展性[1]。

国内外对钢纤维在混凝土制作方面的应用研究较多[1?2]，但是在钢纤维的包装技术方面的研究基本还是空白。钢纤维的有序包装不只是影响到钢纤维的运输，还直接影响到钢纤维的使用效果。采用人工排序的方式效率很低，自动化的钢纤维排序设备研究具有重要的意义。本文设计的钢纤维排序设备利用单片机进行智能控制，采用电磁排序法进行钢纤维排序。

1 系统总体方案设计

电磁排序法的工作原理是在同一表面内设计有平行磁力线N、S极，同时设计有垂直N、S极磁力线。纸箱坐落在电磁铁中心，通电后被磁力线包围，采用圆筒振动筛均匀布料，钢纤维在从振动筛落入包装箱的过程中，受到磁力线的作用，从而依据磁力线方向，在箱内直接有序排列。系统控制电路结构如图1所示。

图1 钢纤维排序设备控制电路结构图

来料速度检测模块采用无接触式速度传感器检测振动筛电机的转速，从而得到振动筛的振动速度和振动筛的给料速度。

根据给料速度的大小，单片机控制排序励磁电路励磁电流的大小，从而控制排序磁场强度的大小，使得排序整齐而电流不过大，限制电路发热量。料满检测模块采用红外传感器，检测包装箱内装料的量，当装料快满的时候，发出料满信号，溢料保护模块发出报警信号，如果包装箱一直没有更换，则当料满以后，系统停止工作，防止溢料。系统启动以后，散热控制模块启动散热装置，当过热保护模块的温度传感器检测温度高于设定的安全温度时，系统停机。

2 系统硬件设计

2.1 MSC?51单片机控制模块设计

AT89C51是一种带4 KB闪烁可编程可擦除只读存储器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory，FPEROM）的低电压，8位高性能CMOS微处理器。该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS?51指令集和输出管脚相兼容[3]。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，Atmel的AT89C51是一种高效微控制器。

单片机的P1.0～P1.4作为来料速度数据输入口，过热信号、料满信号通过中断0和中断1，即P3.2，P3.3口输入，P2.0～P2.4分别为排序励磁PWM控制信号、退磁控制信号、过热报警控制信号、料满报警控制信号输出口。

2.2 排序励磁驱动与保护电路

排序励磁开关管的驱动与保护电路如图2所示，单片机输出的PWM信号从P2.0引出后，经过74LS08整形，消除信号抖动造成的干扰。然后通过光耦TLP250进行隔离，将钢钎排序设备的控制电路与主电路隔离，避免主电路对控制信号的干扰。

图2 排序励磁驱动与保护电路原理图

励磁电路开关管驱动选用专用驱动芯片IR2113进行驱动，IR2113是高可靠性、大电压、高速、两路触发的大功率MOSFET或IGBT的驱动器[4?6]。

内部电路如图3所示。其控制输入信号使相应输出端有触发信号输出。低压侧输出（L0）取决于VCC，高压侧输出（H0）取决于浮点值VBS。两路输出间的耐压值为500 V。低压侧输出和高压侧输出与对应输入信号同步，两路输出都受SD控制。高电平时无输出，只有SD为低电平时，输入信号的上升沿才能触发输出。图3 IR2113内部结构图

IR2113可以输出两路输出，但是本设计主电路只有1个开关管，只用L0单独输出。从TLP250引入的PWM信号与IR2113D的LIN端子相连，LO与主电路开关管的控制极相连，COM端与开关管的阴极相连。

电路过热信号与SD端子相连，当主电路过热后，通过SD关闭开关管出发信号输出，从而使主电路断电起到保护的作用。VZ1为稳压二极管，防止电压过大损坏开关管。

3 系统软件设计

主电路中采用直流斩波技术来调节励磁电流的大小，利用单片机内部定时器功能产生PWM控制信号来控制斩波电路开关管，控制系统的控制流程图如图4所示。

图4 控制系统工作流程图

系统启动后，首先开启散热风机，然后检测包装箱是否已经装满，装满的话开启溢料保护，输出溢料报警，等待更换包装箱。没装满的话则检测系统是否过热，过热的话则启动过热保护，正常的话则读取振动筛速度，根据振动筛速度，决定输出励磁PWM信号的占空比，从而控制主电路中直流斩波电路输出电压的大小，进而控制排序电磁力的大小。

当包装箱即将装满时，输出退磁信号，对箱内钢纤维进行一次性整体退磁。包装箱没满的话，继续检测振动筛速度，根据振动筛速度实时调整励磁控制信号。实现排序电磁里的足够大，同时避免磁场的过度饱和而严重发热。

4 结 语

本文设计的钢钎排序设备主电路采用直流斩波器调节排序励磁的大小，控制线路以MCS?51单片机为控制核心进行设计，系统成本大大降低，降低成本的同时，实现了励磁磁场与进料速度的智能控制，同时，提供了溢料保护，过热保护，实现了系统的高可靠性。该系统成本低，智能化，大大的提高了钢纤维的排序包装效率。

参考文献

[1] TOKGOZ S， DUNDAR C， TANRIKULU A K. Experimental behaviour of steel fiber high strength reinforced concrete and composite columns [J]. Journal of Constructional Steel Research， 2012 （74）： 98?107.

[2] LEE Hyun?Ho. Shear strength and behavior of steel fiber reinforced concrete columns under seismic loading [J]. Engineering Structures， 2007 （29） ： 1253?1262.

[3] 曹冬，尹成群，何玉钧.基于AT89S51的新型打铃器的研制[J].现代电子技术，2005，28（10）：79?81.

[4] 王华彪，陈亚宁.IGBT和MOSFET器件的隔离驱动技术[J].电源世界，2006（7）：56?58.

[5] 田颖，陈培红，聂圣芳，等.功率MOSFET驱动保护电路设计与应用[J].电力电子技术，2005，39（1）：73?74.

[6] 王超.MOSFET/IGBT半桥驱动芯片IR2111的应用研究[J].机电工程技术，2008，37（8）：57?59.

[7] 王秀丽.用PWM芯片实现全桥移相ZVS隔离DC/DC变换器的研究[J].现代电子技术，2012，35（2）：188?190.

[8] 马帅，赵仁德，许强.三相IGBT全桥隔离驱动电源设计[J].现代电子技术，2011，34（14）：199?201.

[9] 白向东.IR2132驱动器及其在三相逆变器中的应用[J].现代电子技术，2010，33（13）：51?53.

篇（3）

本次设计采用选择PHILIPS半导体公司带手动复位功能的产品MAX708。MAX708还可以监视第二个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能，利用此功能，系统可在电源跌落时到复位前执行某些安全操作，保存参数，发送警报信号或切换后备电池等。

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）

1.2 授时系统的分类

下面简要的介绍这几种授时方法:(1)短波授时是由美国首先提出的,其根本方式是利用无线电台发播时间信号(简称时号),而用户则用无线电接收机回收时号,继而进行本地对时,对于同步时钟误差要求在 1ms 左右的用户比较适合采用短波授时方法。(2)长波授时是我国授时中心主要的授时方法,是采用长波(低频)进行时间频率的传送与校准,是一种覆盖能力比短波强,校准准确度更高的授时方式,可以完全弥补短波授时接收载波频率高的缺点。

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第二章 守时系统设计原理

2.1 守时系统中的基本概念

守时的概念是指在外部授时信号受到阻碍的情况下,本地时钟通过某种校准方式可以自主运行,并做为标准时间使用,以便保持全系统的时间不中断[7]。那么通过一套完整的软硬件系统进而实现系统内部或者是各个系统之间的时间的统一就称为守时系统[8-12]。就完整的守时定义上来说,主要包含三个方面的内容:(1)怎样选取适合的时钟信号,使之能够产生稳定的时间尺度。(2)选择具有国际标准的时间信号。(3)如何使全球不同地区的不同时钟统一到国际的标准时间上。从上面的概念中我们可以看出守时在整个时间工作中占有重要的地位,可以满足人类在生产生活以及科学实验中的各种需求,它的职责是产生并保持高精度的时间基准[13]。作为守时系统依据的频率源的性能好坏,准确度的问题和怎样对时间误差偏差进行相应的处理和创新,这才是守时技术的关键环节,此中最重要的指标就是守时精度,其定义则是时钟与标准时间的误差与时钟的运行时间的比。随着我国复杂多变的国际形式,精密时间作为军事精确打击的基础,我国对新一代的守时系统也提出了相应的要求[14]:(1)守时系统的硬件部分必须是稳定可靠的,同时还要求具备较强的生存能力。(2)守时系统产生的标准时间必须可以满足我国各大领域的授时要求和标准。(3)我国的守时系统应该可以与国际标准时间结合,并借鉴国外各类守时系统的优缺点,开发出适合我国的守时系统。

2.2 GPS 接收机

天线则主要是由 BNC 接口,SMA 接口,MCX 接口,MMCX 接口和吸盘天线构成。其结构图如图 2.1 所示。

GPS 接收模块主要由两个作用,一是可以输出精确的时间,从秒、分、时、日、月、到最后的年;另一种作用是可以给出时间的质量信息,并给出标准的时间信号[17]。M-87 是一种超小型 GPS 接收模块,选用 MTK 主芯片,可同时接收 32 颗卫星,接收码为 L1,C/A 码,灵敏度可达 159dBm,同时 M-87 的接口为串口 TTL 电平,若要与计算机的串口连接要将TTL电平转换成RS232的电平。GPS模块使用时先把GPS的 5 米吸盘天线 MMCX 一端扣到模块的天线底座上,另外务必把 GPS 天线放置于室外开阔处,以便接受 GPS 信号[18]。M-87 的接线定义如图 2.2 所示。

第三章 守时系统................................... 14

3.1 单片机模块.................................................... 14

3.1.1 单片机选型.................................................................. 14

3.1.2 单片机的电路及作用.......... 14

第四章 守时系统的调相处理.....................................25

4.1 FPGA 介绍 ................................................... 25

4.1.1 FPGA 简介及选型 ................................................ 25

4.1.2 FPGA 基本结构 ..................................... 26

第五章 守时系统的软件说明...............................................38

5.1 Quartus II 软件及 verilog 语言 .................. 38

5.1.1 Quartus II 软件的介绍 ................................. 38

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中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)25-1563-03

Design of LCD/Voice Control Circuits Based on 51 Single-Chip Microcomputer

YU Xiao-long1,ZHANG Zhen1,2

(1. Information Engineering Institue, Information Engineering University, Zhengzhou 450002, China;2. Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract: This paper introduces a control circuits's design of LCD/Voice based on 51-SCM and programmable peripheral interface 82C55A. It detailed analyse the design of hardware and software. Throughing the programme of SCM, it control the working of 82C55A ,accordingly arrive at the use ofLCD/Voice circuits.

Key words: SCM; Programmable; 82C55A; LCD

当前，有很多商业场所及嵌入式产品中都用到了显示输出模块，在这些电路中，有很大一部分是通过单片机进行控制的。本文提出了一种典型控制液晶显示及语音的电路，通过51单片机AT89C55和并行接口芯片82C55A实现了对图形液晶显示模块NYG12864及语音的控制。

1 硬件电路设计

1.1 主控制电路设计

在主控制电路中，选用Atmel公司的AT89C55芯片。AT89C55是一款低功耗、高性能8位CMOS微控制器，内含20KB可循环1000次写入/擦除的闪速存储器(Flash)，具有256*8位内部随机数据存储器(RAM)，32条可编程I/O口线，8个中断源和2个优先级的中断结构，器件兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容工业标准89C51和89C52芯片，采用全双工串行通道及通用编程方式，适用于程序容量大、控制较为复杂的嵌入式应用系统中。电路工作方式控制芯片选用82C55A，它是一款可编程并行接口芯片，其工作方式有三种，三种工作方式是由其控制命令字来设定的。控制命令字有两种，一种是方式选择控制字，另一种是C口按位置位/复位控制字，通过写入不同命令控制字可分别实现对其内部A口、B口和C口的单独控制操作。

在电路设计上，考虑到所编写程序的容量，增加了一片AT28C64，它是一款低功耗，最快读访问时间可达120ns的64K CMOS型的 E2PROM，这样整个电路足以满足通常编程时对程序空间的要求。完整的电路图如图1所示。其中，AT89C55选用12M的晶振，其引脚P27直接控制LCD的使能信号E，P25、P26分别连接AT28C64及82C55A的片选引脚。引脚PSEN和RD相与后连接到AT28C64的OE端，这样AT28C64既可以作为程序存储器也可作为数据存储器使用了。

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图1 主控制电路

1.2 液晶显示及语音控制电路的设计

本设计中液晶显示模块选用图形液晶显示模块NYG12864，它的所有控制器、扫描电路和显示RAM集成于液晶屏背面，并可选用LED背光，采用单电源供电。该模块由大规模点阵式显示控制器KS0107、液晶屏阵列驱动电路KS0108B、显示存储器和液晶屏等4部分组成。其中控制器是整个显示系统核心，它提供了一套完整的指令系统，与单片机连接后，能较方便的实现对数据的读写等控制作用。NYG12864引脚定义如表1所示。

表1 液晶模块NYG12864引脚定义

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在控制液晶电路中，将82C55A的PC3、PC2、PC1和PC0分别和液晶的D/I、R/W、CS2和CS1相连，以达到通过82C55A对液晶的控制。单片机的8位端口P0和液晶的8位数据线DB0~DB7相连，用于读写时传送的数据。电路中还有诸如电位器R2其作用是调节液晶显示的对比度，完整的电路图如图2所示。

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图2 液晶显示电路

对于语音电路，选用API8108芯片，它能够存储10秒的语音信息，当然根据实际需要，可以选用其他的芯片以满足要求。因受输出功率影响，在API8108的输出端接有为低电压应用设计的音频功率放大器LM386，其输入带宽可达300KHz，通过合理连接，能得到的电压增益最大可达200dB，输出音频功率0.5W。它们和82C55A之间具体连接图如图3所示。

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图3 语音控制电路

2 软件设计

软件设计中难点在于如何控制液晶显示器的显示，对于语音芯片的控制可通过单片机中断方式进行判断调用。在液晶显示模块NYG12864中，只有驱动电路KS0108B和单片机打交道。它有7种指令：显示开/关指令、显示起始行设置命令、页设置指令、列地址设置指令、读状态指令、写数据指令以及读数据指令。其中，CS1、CS2决定进行左右显示区的选择，R/W、D/I及数据内容决定指令的类型。首先要对液晶清屏和初始化操作，设置起始行及为显示状态；其次读取液晶状态，此时R/W=1，D/I=0，若液晶准备好接收数据则使R/W=0，读取液晶页号（0~7），列显示地址（0~63）值，这样就唯一确定了显示RAM中的一个单元，接下来就可以用读、写指令向该单元写进一个字节数据或者读出该单元中的内容。在主程序中可以调用液晶的初始化、读/写子函数，主程序流程图如图4所示。

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图4 主程序流程

3 结束语

本文介绍了一种基于51单片机控制液晶显示及语音的电路，设计思想和方法具有一定的典型性和代表性，对电路稍加修改就能应用于其他场合，如在主控电路中再加入几片82C55A就能实现更加复杂的电路控制，这些都是笔者在实践过程中得来的，相信能对单片机系统的开发人员有一定的启发。

参考文献：

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1.2OLED驱动电路研究的意义

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。

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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。

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德国FEST0公司发明并推广的“阀岛技术”得到了广泛运用，从德国传入中国以后开始应用于许多行业。阀岛是一类功能强大的系统控制单元，它含有控制器、气动电磁阀以及电输入输出等部件，连接电源以后能进行各式各样的整合，使用者可以自由调节气动和电气功能，连接起气动结构和电磁阀输出口，通过操作计算机页面来完成自动化控制活动，而这个过程只需要执行简单的编程即可完成。AT89C95单片机具有强大的数据处理功能，运用于阀岛控制系统中来实现8位气动阀岛，通过8个电控换向阀来实现集中接线目标，而嵌入单片机部件使控制系统电路更加安全可靠，实现对系统的有效控制。

1、阀岛控制系统中的按键输入电路以及检测电路

按键电路是阀岛应急控制系统中的重要部分，负责通信中断的应急处理，按键可直接解决控制单片机系统中断或阀岛上位机故障的问题。左右三排的小按键构成按键结构，为了有效的控制阀岛内部不同通道的通断情况，设置了Pl输入的方式，整个阀岛的通断与否都受到P1输入的控制。按键输入电路内涵8个二极管、8个阀，阀和二极管是平行对应的关系。当启动1号阀时相对应的1号二极管会马上发亮，如果启动1、2、3号阀，那1、2、3号二极管也会相继亮起，关闭阀则代表着二极管关闭，不会发出亮光，出现单片机输出低电平的情况下二极管会立即亮起。系统设置了第九个按键，它肩负着检测电路的责任，开启九号按键其余八个二极管亮起则代表阀岛电路运行正常，出现未亮的情况则代表阀岛电路出错。

2、阀岛控制系统中的输出电路

运行正常的阀岛输入一般都是P1.0，—旦出现串行的情况则会马上转换到方式0空间内，使得其使用窜出的输出端口，74LSl64同步移位寄存器会负责并行输出工作，并且执行外接的8位串行输入活动。为了快速、有效的判断阀岛内部不同通道的运行情况，设立相对应的发光二极管来作为判断标准十分有效，发亮则达标通道正常，发暗则代表出现故障，电路信号不断放大到规定区域，达到标准程度后阀岛通道会进行通断处理，使得低电平能顺畅输出，未达到标准则不能启动通道通断处理功能，如图1所示为阀岛输出电路。

3、阀岛控制系统中的RS232接口电路

RS232接口电路构建起了单片机和Pc之间的桥梁，实现了串行通信的目标。一般情况TPC、终端之间都会采取传统的并行通讯方式，或者使用方便快速的串行通讯模式。数据传送依靠串行通讯模式可以进一步降低传输成本，不会产生许多复杂无序的线路，在面对远程数据传输问题时也解决了线路特性迥异的问题，完成线路和特性之间的有效对接。异步串行是RS232数据传递过程中常用的方式，它允许数据传递装置信号发生一定的相位差，对系统不会产生任何影响，而MAX232是RS232的核心电平转换芯片，它能快速的转换在RS232和TTL之间，利用驱动器、接收器和电压发生器来完成以上一系列活动。

4、阀岛控制系统中的复位电路

可编程电路X5045嵌入阀岛控制系统中具有诸多优势，它充分挖掘了系统本身的电压监控功能，且能嵌入自身串行EEPROM功能，随时监控系统运行情况，降低了使用电路板的数量，减少了系统负担。阀岛控制系统依靠X5045得以获得稳固的屏障，监控时间段的设置和改变权利附着于X5045上，可根据实际情况进行调整。当总线设置不存在任何操作时，X5045会发出相应信息，控制RESET输出高电平信号，此时C2、R3微分电路会自动输入正脉冲，帮助CPU操作复位行动。CPU通过Watchdo昏人工、上电三类复位信号来完成有效控制，RESET端会自动处理该信号，同时能将低电压因素排除在外，保证系统的正常运行。出现正常值大于电源电压的情况时系统会维持该值，进一步完成复位工作。

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1 AD9852和TMS320C6701简介

该系统选用的直接频率合成器是AD公司生产的AD9852，它能产生频率、相位、幅度可编程控制的高稳定的模拟信号。在最高系统时钟300MHz时，输出频率的范围可达DC-120MHz，精度可达1.066μHz，频率转换速度可达每秒1×10 8个频率点；具有14位数控调相和12位数控调幅功能；具有相移键控（PSK）、扫频功能（CHIRP）和频移键控（FSK）功能。

该系统选用的数字信号处理芯片（DSP）是TI公司生产的高速浮点TMS320C6701，其内部CPU集成了8个并行功能单元，配有32个32位通用寄存器，它在6ns周期时间里最多可同时执行8条32位指令，其运算能力可达1G FLOPS；存储器寻址空间为32位，可寻址8/16/32位数据；有4个自加载的DMA传输通道。

2 TMS320C6701与AD9852接口电路

TMS320C6701是本系统的控制中心，其主要功能是将控制信号和信号波形参数发送到AD9852内部相应的控制寄存器，二者的接口电路原理框图如图1所示。

    对AD9852内部控制寄存器可以进行并口或串口的读写操作。因为AD9852的串口传输速率最大仅为10MHz，而并口传输速率可达高达100MHz，为了提高DSP对AD9852的控制速度，本系统采用了并行接口方式，三片AD9852的8位数据总线同时占用DSP数据总线的D0～D7位，它们的6位地址总线同时点用DSP地址总线的A2～A7位。由于AD9852器件没有片选输入信号。需要利用DSP的写信号/AWR、片选信号/CE0和高位地址数据线的第A21～A20位，并由EPLD对其进行译码要成WRB NO.1、WRB NO.2和WRB NO.3写信号，分别控制三片AD9852器件的写信号WRB，该写信号负责把数据总线上的数据写入到AD9852的I/O缓冲寄存器中数据总线上数据写入到AD9852的I/O缓冲寄存器中进行缓存，这样就实现了片选不同AD9852芯片目的。

TMS320C6701还控制EPLD产生三片AD9852需要的复位信号RESET和外部更新时钟EXT I/O UPDATECLK。为了使三片AD9852和EPLD之间系统时钟同步，它们的外部参考时钟REFCLK由同一个50MHz的温补晶振提供。

3 三片AD9852同步工作的关键技术

为了实现三片AD9852输出信号波形相位同步，必须保证所有的AD9852芯片在同一个系统时钟节拍下工作，每个AD9852的系统时钟之间的相位误差应该最大不超过一个周期。AD9852内部系统时钟形成原理图如图2所示。AD9852有关分或单端两种参考时钟形式，它们既可以直接形成系统时钟，又可以通过参考时钟倍频器倍频后形成系统时钟，选择哪种参考时钟和是否通过参考时钟倍频器倍频可由用户根据需要自行设置；异步的外部更新时钟经过边沿检测电路后与系统时钟同步，形成上升沿，触内部控制寄存器更新内容。从上述分析中可以看出，只有三处AD9852芯片参考时钟同步，才能避免它们系统时钟彼此之间不同步。下面介绍影响三片AD9852芯片同步工作的几个关键信号。

3.1 参考时钟信号

实现多片AD9852芯片同步的首要要求是每个AD9852的输入参考时钟之间必须有最小的相位差。本系统要求用一个时钟信号源产生四路相干时钟分别分配给EPLD和三片AD9852，这给保证时钟信号的驱动能力和信号完整性带来了难度。本系统的解决办法是将温补晶振产生的信号首先传送到一个零延迟时钟驱动芯片CY2305的输入端，再由该芯片输出四路同步时钟信号，其中一路时钟直接供给EPLD，其它三路时钟分别输入给三个MAX9371芯片，此芯片把输入的单端LVTTL电平时钟转化成差分LVPECL电平时钟后，再分别输入给三片AD9852芯片。为了使输入到每个AD9852的参考时钟信号的延迟时间保持一致，需要采用蛇形差分对的走线方法精心布线，使参考时钟PCB走线距离相同。本系统AD9852的参考时钟之所以采用差分输入模式，是因为它不仅可以抑制时钟信号上的共模噪声，而且它还具有最小的率和更短的上升和下降时间（小于1ns）。

3.2 更新时钟信号

在对AD9852进行控制编程时，写入AD9852的数据首先被缓存在内部的I/O缓冲寄存器中，不会影响到AD9852的工作状态；只有当AD9852的更新时钟信号的上升沿到来时，触发I/O缓冲寄存器把数据传送给内部控制寄存器以后才改变AD9852的工作状态。更新时钟信号的产生有两种方式，一种是由AD9852芯片内部自动地产生，用户可以对更新时钟的频率进行编程来产生固定周期的内部更新时钟；另一种是由用户提供外部更新时钟，此时AD9852 I/O UD引脚为输入引脚，由外部控制器提供信号。

在同时定改三片AD9852内部的频率和相痊控制寄存器的过程中，为了防止因数据建立和保持时间的原因而出现编程信息传输错乱，使AD9852的输出信号失去同步，本系统使用由EPLD提供的同一个外部更新时钟信号。若使用AD9852内部更新模式，尽管可以简化系统设计，但因为AD9852内部时钟频率较高，会受到AD8952接口速率的限制，使AD9852的控制时序不易控制。对外部更新时钟信号的PCB布线同参考时钟的要求一样，必须使它的上升沿同时到达每片AD9852.

3.3 复位信号

该系统三片AD9852使用同一个复位信号，它在系统上电后和发送控制数据之间由EPLD产生，对AD9852的所有寄存器进行初始化，使相位累加器的状态被设置为初始零 相位，使三片AD9852输出信号相位同步有个参考起始点；它也可以控制AD9852内部的14位相位调整控制寄存器，根据实际需要使它们输出的模拟信号之间保持一定相位差，它调整相位的精度可达到0.022°。

3.4 参考时钟信号倍频

输出频率较低的温补晶振性价比较高，当使用它产生参考时钟信号时，需要使用AD9852片内参考时钟倍频器的锁相环电路，实现4～20倍频后才成为系统时钟信号，这使多片AD9852芯片同步工作的问题变得复杂了，这是因为AD9852内部的锁相环工作有两个状态；锁定状态和获得锁定状态。在锁定状态，系统时钟信号和输入的参考时钟信号可以保持同步。但当给AD9852发送控制指令时，其参考时钟倍频器工作后的一小段时间内，锁相环不能立刻锁定，它工作在获得锁定状态，此时传送到AD9852的相位累加器的系统时钟周期个数是不可控的，直接导致三片AD9852输出的信号之间相位不能同步，因此一定要等待锁相环工作在锁定状态以后，再更新AD9852内部频率或相位等控制字。AD9852片内锁相环锁定典型时间约为400μs，由于每个AD9852的锁定时间不尽相同，建议至少留出1ms时间给锁相环锁定。

    3.5 数据总线和地址总线信号

TMS320C6701的数据总线和地址总线需要同时与EPLD和三片AD9852相连接，为了提高总线的驱动能力，DSP输出的总线需要通过TI公司的SN74LVTH162245芯片进行驱动后才能与这些异步接口的器件相连接。但是，这样直接加上驱动的数字总线和地址部被三片AD9852分时复位会带来另一个潜在的问题，即复用的总线给多片AD9852之间提供了一个互相耦合电气通道，使它们的模拟输出信号之间的隔离度可能达不到60dB的系统指标要求，故需要进一步改进。本系统采用的方法是使被复用的TMS320C6701总线上的每一路信号首先驱动SN74LVTH162245上的四个输入端，这样就可以从它的输出端得到四个被相互隔离的四路相同信号，然后再各自加端接匹配电阻，对每路信号进行匹配后再接到各自的终端。这样不仅解决了信号隔离问题，还很好地解决了一路信号线因驱动多路终端所引起的传输阻抗不匹配的问题。

4 AD9852的操作控制时序

（1）给系统上电，DSP控制EPLD产生复位信号RESET，此信号需要至少保持10个参考时钟周期的高电平；

（2）依次给每个AD9852发送控制字，使每个AD9852工作状态由缺省的内部更新时钟模式改变成外部时钟更新模式；

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中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0087-02

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

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关键词：医用诊断设备；光电检测；前置放大电路；AD8034

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.2.006

引言

在用于临床检验科室的医用体外诊断设备中，大量应用光学信号的变化来分析血液、尿液和脑脊液等体液成分，因此光电检测电路设计被广泛应用于该类设备。医用光电检测电路根据光学信号变化情况可以分为两大类，第一类是用于检测近似静止或者光学信号的缓慢变化，如应用比色法进行检测的生化分析仪和血凝仪等的低频光电检测电路，第二类是用于检测光学信号的快速变化，如用于血液细胞分析仪和流式细胞仪的高频光电检测电路。

本文介绍一种用于上文中第二类光学信号检测的高频光电检测模拟电路设计，该前置放大电路作为一个独立PCB板设计，封装为用于光电转换的前置放大器，整个系统的电气性能主要由该模块决定。本设计的检测对象是波长为535nm附近的绿光信号，该信号是由快速经过光照区的细胞所引发的散射光信号，根据细胞经过光照区的速度，散射光信号变化频率在1MHz～1.8MHz之间。

1 系统方案

由于散射光信号的光功率很低，为了减少信号转换中引入的干扰，同时适合医用设备的光学应用场景，本设计采用了传感器偏置模块、带宽补偿模块、I/V转换模块和信号调理输出模块的系统设计方案，如图 1所示实现完整的光学检测前置放大电路设计。

前置放大电路包含光电转换传感器、带宽补偿电路、I/V转换电路和信号调理电路，将光信号转换为电压脉冲信号输出给后续仪器处理电路，该光电检测电路封装为用于光电转换的前置放大器，本文重点介绍该电路的设计实现。

2 传感器偏置设计

前置放大模块的电路性能是本设计的关键，需精心进行设计和调试。根据系统光信号特点，选用日本滨松公司的S1223型光电二极管作为光电转换传感器。S1223的有效接收面积为2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置电压的条件下，可以提供25MHz的信号频率响应，在400～1000nm波长范围内具有良好的光电转换性能，能够满足光信号转换的要求。

如图3光电二极管S1223使用VB=-12V偏置，为了防止电流过大损坏光电二极管，反偏电路中加入了20kΩ的限流电阻，此时的反偏电压不小于10V，由图 2可知S1223中存在约50pA暗电流，通过I/V转换之后产生的电压在uV级水平，对电路性能没有影响。

3 带宽补偿设计

由于引入限流电阻将导致电路在高频信号下，光电流大部分以电荷形式储存在光电二极管的结电容中，流出的电流很小，简单说就是造成信号带宽下降，具体如下式所示：

其中C1=0.1μF。当C1>>Cs时（一般10倍以上），就可以保证光电流基本无损的经过后续I/V转换电路，实现带宽补偿。

4 I/V转换设计

光电二极管输出的电流信号难以被电路直接放大，一般都是先经过I/ V转换电路转变为电压信号。本设计I/V转换电路采用成熟的跨阻放大器来实现，基本电路模型如图 5所示。

通常I/V转换电路使用FET型输入的运算放大器实现，应选择偏置电流小，输入电容低和失调电压温漂系数低的高开环增益运放，此外需着重关注电流噪声、电压噪声、输入电容、增益带宽积等参数。在本设计中，I/V转换部分信号带宽最小取3MHz，运放的增益带宽积选择由反馈电阻Rf、总输入电容Ci和信号带宽共同决定。总输入电容Ci为二极管电容与运放输入电容之和。

通常运放的输入电容为几个pF，S1223在反向偏置时的结电容为20pF，估算走线电容为2pF，运放的输入电容取8pF，因此取Ci=30pF计算。图5中的电路在45°相位裕度的时候有下面的公式关系，其中f2表示带宽高限频率，此处即3MHz，ft表示运放的最小单位增益带宽。

根据系统光信号在光电二极管S1223上的电流范围、板卡输出电压信号峰峰值确定I/V变换电路的反馈电阻取R2 =6.2kΩ，根据上面公式得I/V变换的运放增益带宽积必须大于10.5MHz。综合上述考虑，本设计采用ADI公司的AD8034实现，其增益带宽积为80MHz。

另外在I/V变换电路中，为了使电路稳定，需要在反馈电阻上并联一个电容，以减少电路的不稳定性，即图5中的Cf。根据下面信号带宽计算公式

2.56MHz，通带增益为1。根据放大倍数、带宽和增益带宽积间的简单关系，同样选择ADI公司的AD8034。同时，为了去除低频信号的干扰，电路中引入一级由RC电路组成的高通电路，截止频率根据R2、C2值可简单计算得到高通截止频率为16Hz。

6 信号带宽分析

分析各级电路模块的信号带宽，可以计算得到整个电路的信号带宽：

1）光电二极管S1223的带宽：25MHz；

2） I/V转换级的带宽：为1阶低通模型，可知低通截止频率为5.1MHz；

3）1阶高通模型的带宽：为1阶高通模型，可知高通截止频率为16Hz；

4）固定增益环节的带宽：为1阶低通模型，可知低通截止频率为3.18MHz；

5）2阶巴特沃兹低通滤波器的带宽：低通截止频率为2.56MHz。

综上，根据多级放大电路频响的上限截止频率计算公式

计算可得，整个光电检测前置放大电路的信号通带范围为（16 Hz～2.07M Hz），带宽约为fH=2.07M Hz，满足光学信号的设计需求。

7 噪声分析

根据多级放大电路的原理，本文介绍的光电检测前置放大电路的噪声主要决定于I/V转换电路引入的噪声。对用于高速光电信号转换的I/V转换电路，该级噪声主要为运放的电压噪声和Rf的电阻热噪声。由于整个电路的的信号带宽为fH=2.07MHz，取等效噪声带宽变换因子为1.57，同时后级放大级增益为G=10，则结合图5所示的I/V转换等效电路模型，整个电路的噪声计算如下：

结语

本文介绍的医用光电检测前置放大电路设计，在研制过程中经历多次试验，结果表明满足开发的临床诊断设备应用需求，且具有电路形式简单、噪声性能良好、稳定性高等优点，可以在同类医用诊断设备的设计应用中加以推广，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]刘斌，张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003，27（3）：194-196

[2]宋涛，张斌，罗倩倩.光电转换电路的设计与优化[J].光电技术应用，2010，25（6）：46～48