时间：2022-02-28 15:10:54
序论：在您撰写电路设计论文时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
1.1电路振荡原理介绍弛豫振荡器电路如图1所示。假设节点Vswitch和Clock＿out输出是低电平，那么N4处于关闭状态，由P4和N5组成的反相器给电容C1充电，使节点Vramp电压升高。同时，N1的源极电位也成比例升高，也就是节点VR1电位升高，并产生了一个流过电阻R1的电流IR1，该电流同样流过N1。随着电流IR1的升高，由于恒流源P1的电流是一定值，造成流过N3的电流减少。N3将栅极和漏极短接，将流过的电流转换成电压。将N3设置工作在亚阈值区，则N3漏极电流与栅极及漏极电压的关系可以由亚阈值区电流公式决定［8］。随着电流的减少，N3的栅极和漏极电位降低，导致N2管关闭，电流源P2对节点Vswitch充电，并使其升至高电平。此时，电路达到另一个输出状态，缓冲器输出Clock＿out变成高电平，N4管导通，将节点VR1瞬间下拉，UR1为0。由于此时N5，N6不能将节点Vramp的电荷立即全部泄放，所以N1的栅极电位还很高，N1的VGS达到最大值，由P1产生的恒定电流全部流过N1，N4支路。N5，N6以恒定速度对电容C1放电，Vramp线性下降，电路处于稳定状态。随着N1的VGS的下降，流过其电流减小，流过N3的电流增加，使N3的栅极和漏极电位升高。当Vcompare升高到打开N2时，Vswitch降低到0V电位，电路达到另一个输出状态，Clock＿out跳变成低电位，完成循环。
1.2影响振荡器输出频率的因素标签工作的环境温度具有较大的变化范围，可能从负几十摄氏度到近一百摄氏度。根据第2．1节的推导，振荡器输出周期由电容和电阻决定。由于电容和电阻易受温度影响，尤其是CMOS工艺的电阻温度系数一般较大，因此，在设计电路时需考虑电容和电阻随温度的变化。参考文献［9，10］中所提及的温度补偿方法可以在理论上完全消除温度变化对输出的影响，达到由电阻和电容随温度偏移造成的频率温漂为0。但是，通常情况下，MOS管的工作特性会随温度变化，所以，在电路设计时，电阻的选择需综合考虑。标签芯片在向阅读器发送数据进行反向散射调制时，会在一段时间内接收不到电磁能量，时长从1μs到37．5μs。不同的无能量时段长度对芯片造成的影响不同，小到几个微秒的断电不会使电源管理模块提供给振荡器的电压源VDD发生波动。但是，最大37．5μs的断电时长则会造成振荡器工作电压VDD的下降，当标签再次获得能量时，振荡器工作电压恢复正常，造成电源电压抖动。同时，振荡器所用偏置电流也会发生波动。根据ISO／IEC18000－6C协议，通信过程中标签解码以及反向散射编码对时钟精度要求较严格，而RFID系统的基带数字部分可通过采用相对比值解码和区间分段分频控制方法对反向编码的通信速率进行控制，解决对基带时钟精度要求严格的问题。如前文所述，控制好温度等因素对电容值和电阻值的影响，即可解决振荡器输出频率不准的问题。换言之，输出频率可以偏离理想值，且在变化范围较小情况下，数字基带仍然可以正常工作。但是在设计模拟前端时，应当尽量减小振荡器的输出偏差。
2仿真结果及说明
采用SMIC0．18μmCMOS工艺模型，使用Cadence工具对电路进行设计，并采用Spectre仿真器模拟电路性能。仿真中，在理想电压源为1V，理想偏置电流为100nA，室温为25℃时，电源上电时间为5μs，瞬态仿真时长为300μs。振荡器频率为1．925MHz，功耗为0．9μW。图2所示为理想条件下的仿真输出波形和对其进行freq函数处理后的频率曲线，输出是稳定的周期方波，频率为1．925MHz。
2.1输出频率随温度的变化标签芯片需在宽范围环境温度下工作。图3所示为在理想电源电压和电流基准下电路输出频率随温度的变化曲线。
2.2频率随电源电压的变化由于工艺角的影响，电源管理模块输出给振荡器工作的电压源VDD可能会产生一些偏差，不是理想的1V。当标签芯片距离阅读器较远时，芯片获得能量较少，也可能出现VDD偏低的情况。图4给出了在室温下，偏置电流无偏移时，振荡器输出频率随电源电压变化的曲线。可以看出，VDD低于0．95V时，输出频率随VDD降低快速升高，VDD＝0．75V时，输出频率为1．978MHz；VDD＝0．95V时，输出频率出现最小值，为1．923MHz；VDD超过0．95V时，输出频率呈上升趋势，当VDD到达1．3V时，输出频率达到1．941MHz。该条件下，振荡器在0．75～1．3V电源电压下偏离理想频率小于3％。
2.3频率随输入偏置电流的变化与电压产生偏移的原因一样，偏置电流也会产生一定的偏移而影响振荡器的输出频率。图5给出了输出频率随偏置电流变化的曲线。仿真结果显示，偏置电流减少到90nA时，输出频偏小于目标3％以上；偏置电流增大到110nA时，输出频偏接近3％。
2.4电源电压与偏置电流纹波对输出频率的影响反向调制造成标签芯片接收不到能量的最大时间长度为37．5μs，这会使电源管理模块提供给振荡器的电压源和电流源产生相同频率的纹波，而输出频率的波动对数字基带的影响要大于稳定的频率偏差所带来的影响。当电压源降低100mV，偏置电流降低10nA时，得到了如图6所示的振荡器输出频率波动波形。图6中，输出频率的波谷是在电源电压和偏置电流都降低10％时产生的，最小值是1．864MHz；波形的最大值是1．926MHz，是电源电压和输入电流正常时的输出频率。此时，输出频率的相对误差为1．64％。
2.5仿真结果说明采用温度补偿方法只是将电阻和电容的温度特性考虑在内，但并没有综合考虑受温度影响的MOS管的工作特性。图3中显示曲线的频率随温度变化很小，满足标签芯片在不同温度下工作的要求。振荡器采用弛豫结构的目的之一是尽量避免电源电压值对振荡频率的影响，图4中的结果显示，该振荡器允许VDD从0．75V到1．3V变化。VDD小于0．75V时，频率明显增加，主要是P2产生的电流对节点Vswitch充电时Vswitch的电压变化幅度减小，导致充电过程缩短、电路循环周期变短、频率增加。为了满足低功耗要求，电路中各条支路的电流都设置得较小，因此，在偏置电流变化时，由P1，P2，P3产生的电流对各个节点的充电过程会明显变化。电流变大时，充电过程加快；电流变小时，充电过程变长。在低功耗时，偏置电流的影响大于工作电压。工作电压和偏置电流的波动和它们发生稳定偏移对输出频率的影响是不同的。由于此系统中数字基带可以处理时钟频率小偏移所产生的问题，但是不能处理时钟波动引发的误差，所以，振荡器对输出频率的波动要求很严格。在本文3．4小节所提到的条件下，该弛豫振荡器输出频率的相对波动很小，小于系统要求的2．5％。
在学生愿意主动来到课堂学习的前提下，吸引学生的学习兴趣更为重要。为了可以让学生兴趣盎然地参与到教学过程中来，教师在能讲述知识的前提下，还要能激发学生的学习动机，唤起学生的求知欲望。在这方面，教师可以结合实际应用，讲述一些射频集成电路在日常生活中的应用。比如，美国半导体产业协会（SIA）总裁兼执行长BrianToohey曾指出：“从物联网、智能汽车、智能家居等市场都可以看出，半导体普遍出现在每一种产品类型中，而且正变得无处不在。”仅仅在我们每天使用的智能手机中就包含RF收发器、功率放大器、天线开关模块、前端模块、双工器、滤波器及合成器等关键射频元件。而且有报告指出，2011年这些射频器件的市场规模为36亿美元，预计2011~2015年的年复合增长率为5.6%，到2016年主要的射频器件市场将达47亿美元。此外，目前应用比较广泛的WiFi及物联网都与射频集成电路有着密切的关系。这些切实应用由于与学生的生活以及将来的就业息息相关，因此，相关内容的讲述能够有效地激发学生的学习热情。
二、如何让学生成为课堂的主人
“以教师为中心”“以灌输为主要形式”的传统教学方式已经无法适应新时代的需求。如果教师仅根据教材对内容进行枯燥的讲解，无法抓住学生的注意力，学生很容易溜号，影响课堂教学质量。因此可以通过引进研究型教学模式、师生互动来活跃课堂气氛。所谓“研究型教学模式”即将教师由知识的传授者转变为学习的指导者，将学生由被动的学习转变为主动的学习。如何使学生成为课堂的主人，在教学实践中发现培养学生的问题意识是课堂教学的有效手段，教师可以通过创设开放的问题情景，引导学生进入主动探求知识的过程，使学生围绕某类主体调查搜索、加工、处理应用相关信息，回答或解决现实问题。比如，以射频技术在物联网中的应用为开放课题，学生通过查资料，分析整理，更深刻体会了射频技术在智能家居、交通物流、儿童防盗等方面的应用，使学生在学习过程中主动把“自我”融入到课程中，敢于承担责任，善于解决问题。
三、让学生走上讲台
学生是课堂的主人，因此，可以改变以往教师在讲台上讲、学生坐在下面听的传统教学模式。让学生走上讲台可以将传统的讲授方式转换为专题研讨的教学模式。教师可以提前布置专题内容，如射频器件模型、射频电路设计、射频技术发展、射频技术的应用及未来发展趋势等。有个专题内容作为核心，学生可以在老师的指导下通过检索资料，组织分析资料，最终走上讲台向老师和其他学生讲述相关的内容。通过几年的实践，发现这样可以增加学生学习的主动性和自觉性、同时也能使学生对相关的问题发表各自的观点，形成对问题各抒己见、取长补短的研讨学习方式，大大拓宽学生的知识面以及综合表述能力。
四、通过实践教学加深理解理论教学内容
理论教学是掌握一门技术的基础，但实践教学也是必不可少的。学生在掌握一定的基础理论的同时，须要通过设计实践来强化巩固。实践教学的引入，不仅能够加深学生对理论知识的深入理解，洞悉细节，提高学生的动手能力，还可以培养学生创新思维及科研能力。因此，教师可以通过设置几个开放的课程设计内容来让学生主动研究探索。在本课程的教学中，本人已经有计划地进行了实践教学活动，例如，在实践教学中，曾经给学生布置了“用于GPS的低噪放电路设计”的实践设计。在该设计过程中，学生须要深入理解多方面知识，比如明确GPS的频段、确定低噪放的电路结构，并有效评估电路性能等。为了课程设计的顺利进行，学生须要进行查阅分析资料、软件安装、软件学习、电路设计、课程论文撰写等几个环节的分析设计工作，并最终在实践中系统深刻地理解掌握课程的理论内容，为以后的工作及深造打下坚实的基础。
五、鼓励学生参与科研项目
采用介电润湿机理操控微液滴技术，系统的功耗极低，因此微液滴操控电路的设计对电流无要求；但考虑电流过大会导致介电层被击穿发生电解以及加剧微液滴的蒸发，所以要求控制电路输出电流应尽量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接触角的余弦值与外加电压的平方成正比［7］，为了使接触角大范围内连续变化，要求电压幅值大范围可调；另外，微液滴输运与分离所需电压幅值相差很大，也要求电压幅值大范围可调［8］。根据项目需求，使用的数字微流控芯片包含128个驱动电极，每个电极最高承受电压为200V。因此，设计的驱动电路需要满足以下指标：1）电路由单一5V2A直流电源供电，输出有128路，每路可独立输出方波。2）每路输出电压幅值为0～200V，频率为10～1000Hz，电压幅值和频率均可调，并且输出电压精度为±0．5V。3）人机界面采用计算机控制，并与驱动电路使用USB2．0接口通信，计算机向驱动电路发送各路输出电压幅值和频率信息。
2设计方案
2.1总体方案根据系统要求，所设计的驱动电路应具有将5V电压升至200V的能力，实践中常采用拓扑结构为DC－DC升压变换器的电路以实现升压［9－10］，但对于复杂的数字微流控系统采用该方式会导致驱动电路的体积过于庞大。为缩小电路体积以节省实验空间，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驱动电路，电路结构如图3所示。计算机通过由软件LabVIEW搭建的窗口界面向驱动电路中的单片机发送128路方波输出的电压幅度和频率信息，单片机对计算机发送的指令进行解析，然后以特定时间间隔向32通道D／A芯片发送相应的方波电压信息，进而实现指定频率和幅度的方波输出。
2.2单片机设计的电路中所使用的单片机为PIC24H，该系列单片机是美国微芯科技公司推出的十六位精简指令集微控制器，具有高速度、低工作电压、低功耗等特点，以及较大的输出驱动能力和较强的计算能力。PIC24H的主要任务为：接收由计算机输入的电压幅值与频率信息，根据频率计算出方波周期，然后每半个周期时间向D／A芯片分别发送输出方波最大和最小电压幅值指令，进而实现特定电压幅值和频率的方波输出。电路连接时，将USB芯片输出端口D0～D7，以及RD、WR、TXE和RXF分别与单片机任意I／O口相连接，实现从USB芯片并行I／O接口的数据读取；将D／A芯片输入端口SCLK、DIN、SYNC分别与单片机其他空余I／O口相连接，实现单片机对D／A芯片输出的控制，电路连接原理框图如图4所示。驱动电路使用USB接口芯片可实现完成USB串行总线和8位并行FIFO接口之间的相互协议转换。其优点在于，对于开发者只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。
2.3USB接口芯片的设计驱动电路中的USB接口芯片选用FT245R，该芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，与其他芯片相比，应用FT245R芯片进行USB外设开发，只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。此外，FT245R支持USB2．0规范，满足项目需求。FT245R芯片可实现USB接口与并行I／O接口之间数据的传输。USB收发器从计算机接受USB串行数据后，由串行接口引擎将数据转换成并行数据，储存在FIFO接收缓冲区，当读取信号为低时，就将接收缓冲区的数据送到并行输出数据线上。考虑电磁兼容性设计，在USB接口的电源端连接一个磁珠，以减少设备的噪声和USB电缆辐射对芯片产生的电磁干扰。
2.4D／A的配置及电源设计电路中使用的32通道D／A芯片最高输出电压为200V，精度为14bit，满足每路输出电压幅值和精度的要求。电路的128通道输出可由4片A／D芯片实现。A／D芯片的输出电压由单片机控制，由于单片机PIC24H与A／D芯片都支持SPI协议，因此本电路使用SPI接口传输完成单片机和A／D之间的通信。A／D芯片要实现0～200V范围内的电压输出，需要配置－5V、4．096V、5V和200V，而电路只有5V直流供电，因此需将5V转换为－5V、4．096V和200V。设计的电路中分别选用相应的升压芯片完成电压的转换。
3电路制作
根据上述设计方案，选取合适的芯片，制作完成该驱动电路，电路如图5所示。向该电路输入相应的输出电压指令，测得在0～180V的范围内，实际输出电压和期望输入电压之间的误差基本小于0．1V，满足设计要求。所设计的电路在15V、50V、75V、125V、175V这5个采样点上相应的输入－输出数据如表1所示。在0～180V的输出范围内，等间隔的选择180个点，获得输入指令和输出电压之间的关系曲线如图6所示，电路的输出电压在0～200V范围内均与输入电压指令相符。实验中的数字微流控芯片需要实现对液滴的基本操作，其方法为对液滴移动路线上的电极依次通电，所加电压为交流电压。交流电压可以通过在指定时刻对D／A芯片输入相关输出电压信息，从而获得所需交流电压输出。经过实验验证，所制作的电路可以实现对数字微流控芯片上液滴的控制。液滴移动如图7所示。
4结论
电路设计尤其是超声波信号的收发处理采用诸如TX734激励电路、MAX2038回波放大处理电路等专用IC效果固然理想，但考虑到研发专用设备仅需小批量试制的因素，故在电路方案选型设计时遵循简单实用、器件易于采购的原则，尽量选用通用元器件实现，系统电路主要由超声波发射激励和电源变换单元、超声波回波信号处理单元、时间差测量单元、单片机控制和数据处理单元组成。排版布线亦尽量参照IC生产厂商的DEMO方案，采用贴片元件的双面PCB设计制作，以提高样机研发的一次性成功率。
1.1超声波收发电路由于检测装置工作于井下，井口只为其提供了一路＋24V直流电源，各单元电路的工作电源需要依靠DC／DC变换电路获得。控制系统和信号处理系统使用的＋5V和±12V电源由LM2596－5．0承担，其主路输出＋5V／2A电源供单片机等数字系统使用，将其储能电感改用5026－47μH环形功率电感，并在其上增加两个辅助绕组，经整流、滤波和LM78（79）L12三端稳压IC后产生±12V／0．1A直流电源供信号处理系统使用；超声波发射采用了高压脉冲激励方式，＋200～300V激励电压由＋24V供电电压经简单的Boost升压电路获得，利用单片机送来的1ms周期、5μs脉宽脉冲信号控制MOSFET开关管实现对超声波发射探头的激励，储能电感选用TDK－NL565050T－822J－PF（8．2mH）贴片电感，NMOS开关管选用2N60即可。超声波激励及电源变换电路如图2所示。经实测，激励脉冲会在接收探头中产生一个较大的谐振频率为5MHz、大约5个周期的串扰信号，为此，接收电路设计了一个对发射激励脉冲延迟6μs、持续30μs的使能控制信号，控制接收放大处理电路仅在使能信号有效期间实现回波信号的放大和输出，使之能够在钢管内壁和外壁反射的一次、二次回波信号到来之前有效地消除激励脉冲串扰的影响，使能控制信号时序关系见图3。检测装置中用于时间差测量的TDC－GP2的典型应用是作为超声波流量计、激光测距仪的时间间隔测量、频率和相位信号分析等高精度测试领域。在这些应用中输入信号一般都较强，经简单处理后即可作为TDC－GP2的START、STOP控制信号使用，而该检测装置的超声波回波信号尤其是多次反射回波信号非常微弱且杂波较大（实测回波信号大约在mV数量级），必须经高增益宽带放大器放大和滤波、检波、整形处理后才能胜任。宽带放大器由AD604承担，可获得6～54dB的增益并可由VGN端电压连续控制，可较好地满足超声波回波信号高速高增益放大的要求［2］。考虑到仅需将回波信号放大处理后形成STOP控制脉冲即可，故电路仅利用可调电阻对2．5V基准电压（由TL431产生）分压获得的VGN电压进行增益设定，但设计电路亦有预留接口可用于接受经单片机和DAC输出的AGC控制电压，实现增益的闭环控制。AD604前级放大电路如图4所示。带通滤波器选用由MAX4104构成，设计中心频率为5MHz，带宽约为1MHz；钳位和检波由AD8036完成，具有卓越的钳位性能和精度高、恢复时间短、非线性范围小、频带宽的特点；检波输出信号的整形处理由MAX9141负责，这是一款具有锁存使能和器件关断功能的高速比较器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和满摆幅输入特性等，回波信号经其整形处理后可获得理想的脉冲前沿，并便于与TTL逻辑电平接口，还可以方便地实现回波信号输出的使能控制。信号调理电路如图5所示。
1.2时间差测量电路回波信号时差测量选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC－GP2。TDC－GP2采用44脚TQFP封装，内含TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RLC测量单元及与8位处理器的接口单元和温度补偿单元等主要功能模块，利用内部ALU单元计算出时间间隔，并送入结果寄存器保存。TDC－GP2基于内部的硬件电路测量“传输延时”，以信号通过内部门电路的传输延迟来实现高精度时间间隔测量，测量分辨率可达pS数量级，可以很好满足项目测量的要求。单片机在给超声波传感器提供发射激励脉冲的同时给TDC－GP2提供START信号指令使之开始计时工作，超声波接收头接收到的反射回波信号经放大、处理后作为STOP指令信号，由TDC－GP2完成两次反射波时间间隔的测量。由前述可知，STOP与START信号的时间差大约在6～40μS之间，时差测量分辨率约为0．07μs，为此，设定TDC－GP2工作于“测量模式2”，在该模式下芯片仅使用通道1，可允许4个脉冲输入，实现STOP1与START信号之间的时间差测量，测量范围在60ns～200ms，然后，由TDC－GP2计算出各回波信号间的时间差Δt＝tB－tS＝tn－tn－1。测量原理如下：在输入START信号指令后，芯片内部测量出该信号前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc1；之后，计数器开始工作，得到predivider的工作周期数，并标记为Cc；这时，重新激活芯片内部测量单元，测量出输入的STOP1信号的第一个脉冲（一次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc2，将STOP1信号的第二个脉冲（二次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差标记为Fc3，……；Cal1和Cal2分别表示一个和两个时钟周期。
1.3单片机接口电路实现系统控制和数据处理的单片机选择余地较大，项目结合TI公司中国大学计划选用了美国德州仪器公司生产的MSP43016位单片机，具有16位总线、带FLASH的微处理器和功耗低、可靠性高、抗强电干扰性能好、适应工业级运行环境的特点，很适合于作现场测试设备的控制和数据处理使用［4］。TDC－GP2其与单片机的通信方式为四线串行通信（SPI），利用MSP430的4个P2．x和P4．2I／O口实现GP2的选通、中断和开始、结束使能以及复位等控制功能。MSP430除用来对GP2控制和数据处理外，还可以留出一些资源实现设备其他电路和动作机构的控制使用。单片机接口电路原理和程序流程分别如图8和图9所示。
2结束语
对于守时系统而言首先要保证系统硬件部分具有良好的稳定性与可靠性，并且生存能力优秀。经由守时系统得到的标准时间可满足授时相关标准，同时我国守时系统需要与国际标准时间匹配结合，在开发过程中应当汲取国外授时系统的优缺点从而得到具备特色的自主守时系统。在系统计算过程中要保持时间尺度均匀并使其处于稳定态，同时使UTC可被精确控制。另外需要构建出专门性的性能测试平台，使对比试验可正常开展。总之，守时系统无论是在工业发展还是经济发展过程中均发挥了重要的作用，它也受愈来愈受到国家重视。
2守时电路设计分析
在本研究中借助GPS体系作为基本授时体系，因此需要在系统中置入GPS接收机。GPS接收机的功能主要体现于两方面，首先它可以对精确时间进行有效输出，另外得到相关的时间质量信息，同时可获取标准时间信号。通常情况下将GPS位置精度设置为10m，将时间精度设定为1us，而速度精度则设定为0.1m/s，更新频率为1HZ。另外热开机时间可设定为1s，暖开机时间为38s，冷开机时间为42s。工作电压按照实际要求进行匹配。
在系统中加入晶振（MV180），该晶振标准频率为10MHZ，稳定性低于1*10^-10，工作电压为12V，外部工作电压为0至5V，参考电压为5V，工作温度范围为-10至60℃，稳定性为±2*10^-10，老化率为±3*10^-8/y，预热时间精度低于±1*10^-8（25℃以下），预热阶段峰值电流消耗应低于700mA，静态电流消耗应低于250mA（25℃以下）。另外置入特定芯片使守时电路工作得到进一步优化，芯片选取DAC7512，该芯片电压需求较低且功耗较小，通常情况下采取施密特触发输入，可对缓冲电压进行数模转换并可对寄存器写操作进行有效控制。
芯片本身可对数据进行放大并进行缓冲，这样便可保证信号输出的质量，使其能够完整输出。由于该芯片可将输出端断开并断开缓冲放大器，将固定电阻接入其中使精度输出放大器可采取轨对轨的模式进行输出，利用串行接口使得作为通信接口连接，在工作过程中其时钟速率可达30MHz。为了使守时电路工作完善化可在整个守时系统中置入FPGA器件。植入该集成电路芯片可使得系统的灵活性大大增强，由于FPGA具备了高度集成化的特点，规模大、体积小，具有较低的功耗，且处理迅速，可进行反复编程，因此将其置入系统当中可有效控制系统功耗并降低系统应用成本。另外FPGA具备了逻辑单元与嵌入式储存器、乘法器以及高速手法器等，可提供多种协议保证其适用范围。在FPGA实际应用过程中开发软件先将硬件描述语言及原理图输入其中，再编译为数据流，并通过随机储存来确认设计电路的逻辑关系。当出现断电情况后随机储存将会消失，此时FPGA也就变成了白片，那么可结合随机储存器中的差异来得到不同的设计电路逻辑关系从而得到可编程特性。
3结语
由于CRT显示器和液晶屏具有不同的显示特性,两者的显示信号参数也不同,因此在计算机(或MCU)和液晶屏之间设计液晶显示器的驱动电路是必需的,其主要功能是通过调制输出到LCD电极上的电位信号、峰值、频率等参数来建立交流驱动电场。
本文实现了将VGA接口信号转换到模拟液晶屏上显示的驱动电路,采用ADI公司的高性能DSP芯片ADSP—21160来实现驱动电路的主要功能。
硬件电路设计
AD9883A是高性能的三通道视频ADC可以同时实现对RGB三色信号的实时采样。系统采用32位浮点芯片ADSP-21160来处理数据,能实时完成伽玛校正、时基校正,图像优化等处理,且满足了系统的各项性能需求。ADSP-21160有6个独立的高速8位并行链路口,分别连接ADSP-21160前端的模数转换芯片AD9883A和后端的数模转换芯片ADV7125。ADSP-21160具有超级哈佛结构,支持单指令多操作数(SIMD)模式,采用高效的汇编语言编程能实现对视频信号的实时处理,不会因为处理数据时间长而出现延迟。
系统硬件原理框图如图1所示。系统采用不同的链路口完成输入和输出,可以避免采用总线可能产生的通道冲突。模拟视频信号由AD9883A完成模数转换。AD9883A是个三通道的ADC,因此系统可以完成单色的视频信号处理,也可以完成彩色的视频信号处理。采样所得视频数字信号经链路口输入到ADSP-21160,完成处理后由不同的链路口输出到ADV7125,完成数模转换。ADV7125是三通道的DAC,同样也可以用于处理彩色信号。输出视频信号到灰度电压产生电路,得到驱动液晶屏所需要的驱动电压。ADSP-21160还有通用可编程I/O标志脚,可用于接受外部控制信号,给系统及其模块发送控制信息,以使整个系统稳定有序地工作。例如,ADSP-21160为灰度电压产生电路和液晶屏提供必要的控制信号。另外,系统还设置了一些LED灯,用于直观的指示系统硬件及DSP内部程序各模块的工作状态。
本设计采用从闪存引导的方式加载DSP的程序文件,闪存具有很高的性价比,体积小,功耗低。由于本系统中的闪
存既要存储DSP程序,又要保存对应于不同的伽玛值的查找表数据以及部分预设的显示数据,故选择ST公司的容量较大的M29W641DL,既能保存程序代码,又能保存必要的数据信息。
图2为DSP与闪存的接口电路。因为采用8位闪存引导方式,所以ADSP-21160地址线应使用A20-A0,数据线为D39—32,读、写和片选信号分别接到闪存相应引脚上。
系统功能及实现
本设计采用ADSP-21160完成伽玛校正、时基校正、时钟发生2S、图像优化和控制信号的产生等功能。
1伽玛校正原理
在LCD中,驱动IC/LSI的DAC图像数据信号线性变化,而液晶的电光特性是非线性,所以要调节对液晶所加的外加电压,使其满足液晶显示亮度的线性,即伽玛(Y)校正。Y校正是一个实现图像能够尽可能真实地反映原物体或原图像视觉信息的重要过程。利用查找表来补偿液晶电光特性的Y校正方法能使液晶显示系统具有理想的传输函数。未校正时液晶显示系统的输入输出曲线呈S形。伽玛表的作用就是通过对ADC进来的信号进行反S形的非线性变换,最终使液晶显示系统的输入输出曲线满足实际要求。
LCD的Y校正图形如图3所示,左图是LCD的电光特性曲线图,右图是LCD亮度特性曲线和电压的模数转换图。
2伽玛校正的实现
本文采用较科学的Y校正处理技术,对数字三基信号分别进行数字Y校正(也可以对模拟三基信号分别进行Y校正)。在完成v校正的同时,并不损失灰度层次,使全彩色显示屏图像更鲜艳,更逼真,更清晰。
某单色光Y调整过程如图4所示,其他二色与此相同。以单色光v调整为例:ADSP-21160首先根据外部提供的一组控制信号,进行第一次查表,得到Y调整系数(Y值)。然后根据该Y值和输入的显示数据进行第二次查表,得到经校正后的显示数据。第一次查表的Y值是通过外部的控制信号输入到控制模块进行第一次查表得到的。8位显示数据信号可查表数字0～255种灰度级显示数据(Y校正后)。
3图像优化
为了提高图像质量,ADSP-21160内部还设计了图像效果优化及特技模块,许多在模拟处理中无法进行的工作可以在数字处理中进行,例如,二维数字滤波、轮廓校正,细节补偿频率微调、准确的彩色矩阵(线性矩阵电路),黑斑校正、g校正、孔阑校正、增益调整、黑电平控制及杂散光补偿、对比度调节等,这些处理都提高了图像质量。
数字特技是对视频信号本身进行尺寸、位置变化和亮,色信号变化的数字化处理,它能使图像变成各种形状,在屏幕上任意放缩,旋转等,这些是模拟特技无法实现的。还可以设计滤波器来滤除一些干扰信号和噪声信号等,使图像的清晰度更高,更好地再现原始图像。所有的信号和数据都是存储在DSP内部,由它内部产生的时钟模块和控制模块实现的。
4时基校正及系统控制
由于ADSP-21160内部各个模块的功能和处理时间不同,各模块之间存在一定延时,故需要进行数字时基校正,使存储器最终输出的数据能严格对齐,而不会出现信息的重叠或不连续。数字时基校正主要用于校正视频信号中的行,场同步信号的时基误差。首先,将被校正的信号以它的时基信号为基准写入存储器,然后,以TFT-LCD的时基信号为基准读出,即可得到时基误差较小的视频信号。同时它还附加了其他功能,可以对视频信号的色度、亮度、饱和度进行调节,同时对行、场相位、负载波相位进行调节,并具有时钟台标的功能。
控制模块主要负责控制时序驱动逻辑电路以管理和操作各功能模块,如显示数据存储器的管理和操作,负责将显示数据和指令参数传输到位,负责将参数寄存器的内容转换成相应的显示功能逻辑。内部的信号发生器产生控制信号及地址,根据水平和垂直显示及消隐计数器的值产生控制信号。此外,它还可以接收外部控制信号,以实现人机交互,从而使该电路的功能更加强大,更加灵活。
此外,ADSP21160的内部还设计了I2C总线控制模块,模拟FC总线的工作,为外部的具有I2C接口的器件提供SCLK(串行时钟信号)和SDA(双向串行数据信号)。模拟I2C工作状态如图5和图6所示。
系统软件实现
在软件设计如图7所示,采用Matlab软件计算出校正值,并以查找表的文件形式存储,供时序的调用。系统上电
开始,首先要完成ADSP-21160的一系列寄存器的设置,以使DSP能正确有效地工作。当ADSP-21160接收到有效的视频信号以后,根据外部控制信息确定Y值。为适应不同TFT-LCD屏对视频信号的显示,系统可以通过调整Y值,以调节显示效果到最佳。再如图4所示,对先前预存的文件进行查表,得到所需的矫正后的值,然后暂存等待下一步处理。系统还可以根据视频信号特点和用户需要完成一些图像的优化和特技,如二维数字滤波、轮廓校正、增益调整、对比度调节等。这些操作可由用户需求选择性使用。利用ADSP-21160还可以实现图像翻转、停滞等特技。最后进行数字时基校正,主要用于校正视频信号中的行、场同步信号的时基误差,使存储器最终输出的数据能严格对齐,而不会出现信息的重叠或不连续。除了以上所述的主要功能以外,ADSP-21160还根据时序控制信号,为灰度电压产生电路和TFT-LCD屏提供必要的控制信号。另外,ADSP-21160还能设置驱动通用I/O脚配置的LED灯,显示系统工作状态。
1.1放大器非线性模型当放大器工作在非线性区时，采用Taylor级数模型，放大器的输出信号与输入信号可表述。若k1和k3符号相反，输出信号的增益会随着输入信号功率的增大而减小，即增益压缩（AM－AM效应）。同时，输出信号的相位会随着输入功率变化而变化，即相位失真（AM－PM效应）［6］。对于固态放大器，k3＜0，其非线性特性是增益压缩，相位扩张。预失真的基本原理即通过二极管或其它电路结构产生与功放相反的非线性特性，从而抵消因功放非线性引起的幅度与相位失真，达到改善功率放大器线性度的目的，其原理如图2所示。由于2ω1－ω2、2ω2－ω1两个频率分量（三阶交调分量）通常落在带内难以消除，会对系统产生严重的干扰，因此是衡量放大器非线性的一项重要指标。
1.2电路设计在图1中，输入信号通过2个3dBLange桥后，分别送入两个放大器；一般情况下，两路信号功率相差15dB以上，可保证A1工作在线性状态。设放大器的线性增益为G0，放大器1和2的输出分别为。为了准确地拟合主放大器的非线性特性，放大后的误差信号应与主功放的非线性分量相等，即非线性工作的放大器应与主放大器工作在相同的功率回退状态。功分器和耦合器1均采用相同的3dBLange桥实现（δ1＝δ2＝0．707），整个预失真电路的增益应为0，可以满足上述要求。结合（7）、（9）、（10）三式，可以确定耦合器的耦合度和各个衰减器的大小。通过调节延时线的长度和微调衰减器的大小，得到对主放大器线性度较好的改善效果。采用ADS进行仿真，G0＝25．5dB，衰减器1的衰减量为22dB，衰减器2的衰减量为5．4dB，定向耦合器的耦合度为－16．7dB。耦合器2也选择Lange桥，不仅简化了电路的设计，同时也节约了版图面积。
2测试结果
本设计采用0．15μmGaAs工艺实现，芯片面积为1．9mm×3．0mm，芯片结构如图3所示。该预失真单片的中心频率为21GHz，采用5V电压供电，直流功耗0．8W。采用矢量网络分析仪测试该预失真电路的增益和相位特性，设置中心频率为21GHz，输入功率扫描范围为－20～14dBm。测试结果如图4所示。该预失真电路可以提供3dB的增益扩张，以及20°以上的相位压缩。验证了该芯片可以产生预失真信号后，将其与功率放大器级联，测试其对功率放大器线性度的改善情况。测试结果表明，加入预失真电路后，功率放大器的P－1从22．2dBm提升至22．8dBm，相位误差从P－1处20°以上减小至3°以内，如图5所示。虽然增益波动最大为－0．4dB，但是该预失真电路修正了绝大部分的相位误差，同时一定程度上提高1 dB压缩点。为了验证该预失真电路的线性化效果，进一步测试采用中心频率为21GHz、间隔为10MHz的双音信号作为输入信号，比较相同的输出功率下，加入预失真芯片前后三阶交调指标改善情况，如图6所示。测试结果表明，该预失真芯片对功率放大器三阶交调最高可有27dBc的改善，在功率回退3dB时，可有5dBc的改善。在对功率放大器三阶交调为－30dBc的抑制条件下，驱动放大器输出功率从13dBm提高至17．5dBm。但是，五阶分量在回退过程中会有一定程度的恶化，如图7所示。由于流片过程中采用的电容比设计电容小20％，预失真电路中功放的特性出现了一定的偏差，导致了幅度修正不平坦、三阶分量在回退至小功率时改善效果不明显，也是五阶分量恶化的主要原因。对五阶分量改善不好的另一原因是要对高阶分量有很好的抑制，需要精确地产生预失真信号，而产生该信号非常困难，通常的做法是预失真系统中包含某种反馈以实现自适应，而这会使电路的复杂程度增大。为了验证该预失真电路的通用性，将该芯片与一高功率放大器（HPA）级联，进行了双音信号测试，结果如图8所示。在功率回退的整个过程中，IM3均有不同程度的改善，在输出29dBm时可改善15dBc以上，同时五阶分量并不会恶化。在－30dBc的抑制条件下，HPA输出功率可从28dBm提高至33dBm。
3结论
