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中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0019-02
1 前言
近年來，步進電機在多個領域得到了開發和應用，并取得了良好的使用效果。步進電機是一種常見的執行元件無論是結構還是操作方法，都比較簡單，其性能也與工業生產控制要求相適應，在工業技術中對其進行應用，已是一種既定的趨勢。步進電動機以其顯著的特點，在數字化制造時揮著重大的用途。與此同時步進電機調控也發生了相應的升級和轉變，本文對單片機和步進電機進行同步應用，以控制軟、硬件，不斷提高步進電機工作效率。
2 單片機的應用意義及原則
2.1 單片機的應用意義
單片機與步進電機進行同步應用，既能夠滿足工業生產要求，又是步進電機電路設計過程中的基本訴求。單片機的性質是集成電路芯片，以具體技術為依托，對中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、中斷系統和定時器等子系統功能進行實現。它能夠對數據信息進行收集、分析和處理，在步進電機控制系統中極具應用優勢，達到良好的應用效果。
首先，提高步進電機性能。依據實際情況，對反應式、永磁式和混合式等步進電機類型進行合理選擇，充分發揮它的設計功能，適應社會需要。如果對該三種反應原理進行單一應用，步進機將喪失其整體性能，也會對步進電機的工作質量產生不同程度的影響，使它的應用效果大打折扣。單片機能夠依據步進電機的工作環境、運動特性、控制性能和實際功用等，對它進行局部性的優化和升級，以補強步進電機控制系統整體，實現步進電機結構層面上的一體化，充分發揮它的使用性能，為工業生產提供物質及技術支持。
其次，降低步進電機維護及保養成本，節省資金。步進電機的材質一般比較昂貴。接收電信號脈沖之后，長期工作周期背景下，運動軌跡會發生明顯變動。對步進電機的使用效果和結構產生直接性影響，產生裂紋或在記錄過程中出現失誤，使步進電機維護更加困難。在實際應用中需要在特定周期內，對步進電機進行維護和保養，確保其具備良好的應用效果及安全性。單片機能夠從結構和功能上對步進電機進行協調，使電機不再受局部區域干擾，避免出現運動差錯，對步進電機的維護和保養成本進行有效控制，實現資源節約。
2.2 單片機在步進電機電路中的實用性原則
設計單片機步進電機控制系統的時候，需要考慮資金要素，要依實際情況，對設計成本進行有效控制，減少不必要的資金浪費，使單片機在步進電機電路中得到充分應用。
3 步進電機概述
3.1 步進電機發展
步進電機別名階躍電動機或脈沖電動機，它能夠對脈沖信號進行轉換，使其成為角位移或直線位移電機，也使它的分析過程更加便利。該種步進電機發展較早，無論是位移量與脈沖數，還是位移速度與脈沖頻率都呈現正相關。
步進電機的最初研發時間是上世紀二十年代，距今已有很長年限。上世紀五十年代，人們開始在步進電機上對晶體管技術進行應用，實現了對步進電機的數字化控制，使其控制過程更加快捷便利。此后，研究人員再次對步進電機性能進行升級和改善，使其具備分解性、響應性、精度性和可依賴性等多方面優勢。加之，微電子技術和計算機技術的發展，自動化控制系統中開始對步進電機進行頻繁應用，使其逐漸成為機電一體化中的重要執行元素。步進電機的優勢非常明顯，它既能夠提升工作效率，實現自動化，也能夠使位置控制更加快捷、準確，不斷提高生產效率，實現經濟效益最大化[1]。
步進電機廣泛應用在生產實踐的各個領域。它最大的應用是在數控機床的制造中，因為步進電機不需要A/D轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化成為角位移，所以被認為是理想的數控機床的執行元件。早期的步進電機輸出轉矩比較小，無法滿足需要，在使用中和液壓扭矩放大器一同組成液壓脈沖馬達。隨著步進電動機技術的發展，步進電動機已經能夠單獨在系統上進行使用，成為了不可替代的執行元件。比如步進電動機用作數控銑床進給伺服機構的驅動電動機，在這個應用中，步進電動機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息。步進電機也可以作為數控蝸桿砂輪磨邊機同步系統的驅動電動機。除了在數控機床上的應用，步進電機也可以并用在其他的機械上，比如作為自動送料機中的馬達，作為通用的軟盤驅動器的馬達，也可以應用在打印機和繪圖儀中等等。
3.2 步進電機的工作原理
定子和轉子是步進電機的主要元件。正常工作狀態下，如果有電流經過，定子繞組會產生一個矢量磁場，繼而對轉子產生帶動，使其在具體作用下旋轉，轉子和定子的磁極磁場方向會發生偏差，形成相應的角度。步進電機主要對通過定子繞組的電流進行支配，實現轉子旋轉角度控制。一旦輸入脈沖信號，轉子即發生偏轉，即步距角。完成脈沖信號給出規律設定之后，電流的通過將會更具規律性，而轉子也會有規律的進行持續轉動，對電機進行帶動，使步進電機實現工作。如圖1所示，步進電機結構。
傳統電動機的轉動具有持續性特征，控制難度相對較大。當前的步進電動的驅動方式是數字信號，能夠依據實際情況，對它的定位和運轉等使用狀態進行有效調節。我們對輸入脈沖的電機繞組通電順序、頻率和數量等進行合理調整，對步進電機接受脈沖信號而旋轉指定的角度進行科學合理的指揮，使其滿足最初訴求。如今，步進電機的正常運行得益于脈沖信號。如果沒有輸入脈沖信號，步進電機將處于定位狀態。單片機能夠對步進電機這一特性進行有效控制。對單片機和步進電機進行同步應用，有助于提高其生產效率。傳統電動機的主要功用是能量轉換，而步進電機則作為電路控制元件存在，極具精確性，對人們日常生產和生活具有正向性影響。
4 基于單片機控制步進電機電路的設計
步進電機可以以硬件系統實現控制。但是，基于市場因素考慮，硬件系統不具備經濟性，而它的各項功能也不具備適用性。一旦發生設計變更，則需要對硬件電路進行整體性修改，加大了工作負擔，很難實現便利性。單片機具備可直接編程優勢，能夠對運算功能進行有效執行，在具體應用過程中，可對步進電機進行適應性控制，對具體的轉向、步數和速度等進行合理調節。借助軟件的更改，能夠滿足不同設計訴求。設計人員對顯示電路和鍵盤電路進行有效結合，能夠進行人機交換，最大程度降低外部干擾，使其更加可靠、高效。
4.1 系統硬件設計
4.1.1 單片機最小系統
電路設計中離不開單片機最小系統設計，它是步進電機電路的起始部分。主要功能是生成步進電機轉動需要的脈沖，并對其加以控制。我們可以借助單片機的軟件編程功能，對步進電機所需要的信號進行輸出，使單片機輸出脈沖數與步進電機旋轉角度呈現正相關，單片機輸出脈沖頻率與步進電機轉動速度也呈現正相關。同時，單片機也能夠對電流值進行有效處理，并借助數碼管明確顯示電機的轉速和方向。
單片機的主要模塊有復位電路和晶體振蕩電路。如圖2所示，單片機最小系統線路圖。
P0口主要對數碼管顯示情況進行控制，使其顯示結果更加明確，且極具準確度；P1口著重控制步進電機中單片機的編程，使芯片處于良好的讀寫狀態；P2口作為數碼管位選，對公共端工作進行有效控制。同時，它也能夠對掃描電路鍵盤工作情況進行合理控制。P3口著力于模數轉化成芯片的工作控制[2]。
4.1.2 數碼管顯示電路
數碼管顯示模塊的主要顯示內容有步進電機選擇速度、旋轉方向、步進電機電流通過情況。該設計中，借助數碼管對設計進行顯示，直接點亮數碼管，實現位選部分，對單片機控制端的地輸出電壓問題進行有效控制。因而，需要將輔助三極管添加到位選和單片機控制端。
4.1.3 串口通信模塊
串口通信模塊的應用原理是對計算機和單片機進行連接，實現二者之間的信息交互和流通。它的應用原理是借助計算機對程序進行編程，然后對程序進行復制，在單片機芯片中對其進行應用。
4.1.4 電機驅動模塊
步進電機的信號功率比較小，很難對電機進行驅動，使其運行。因此要添加電機驅動模塊，使步進電機信功率不斷放大。集成的驅動芯片價格比較低，控制難度相對較小，可以將其作為核心元件應用到電機驅動電路設計中。
如圖3所示，該電機驅動電路中，電機驅動核心由驅動芯片L298和其周圍的電路組成，L298N的管腳IN1，IN2，IN3，IN4和ENA，ENB與單片機的I/O端口P1口的六個管腳依次連接相連，接收脈沖信號。L298N的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機的一相。其中IN1，IN2，IN3，IN4管腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉。而控制步進電機的運行速度只要控制系統發出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。該種連接模式和驅動芯片與單片機和步進電機之間的串聯模式相符合，使電路控制和操作更加簡單和便利。
4.1.5 獨立按鍵電路
內部電路中的按鍵是獨立的，在單片機端口上對其進行連接。將其作為外部性按鍵，使內部各項模塊具有較好的中斷功能，以對步進電機旋轉方向進行科學合理的選擇，并對它的速度進行科學調控，使其電流呈現良好的現實狀態，對步進電機進行合理控制。它屬于步進電機電路設計中的輔裝置，具有不可或缺的重要作用。
4.2 系統軟件設計
軟件系統主要為硬件系統電路設計提供依托和支持。依據單片機本身的性質和特點，對系統軟件進行合理編程和讀寫，以充分體現出設計功能，并對其進行合理更改，實現電路控制。系統軟件設計與硬件系統電路設計具有緊密相關性。軟、硬件中的任一設計模塊都直接關乎最終設計效果和步進電機電路的整體運行狀態。因而，需對系統軟件設計進行合理把控，以提升其整體性能。
4.2.1 紅外線編碼
遙控器編碼形式是32位二進制碼組，前16位是用戶識別碼，能夠對不同的電器設備進行有效區分，避免不同機種遙控編碼相互干擾。該芯片用戶識別碼固定高8位地址和低8位地址分別為OBFH和40H，后16位則是8位操作碼和它的反碼。單片機接收紅外線之后，可按以下方式開展解碼工作：中斷信號產生-EA清零-延時短-等待高電平-延時不足4.5ms-再次等待高電平-延時0.84ms-P3.2腳電平值讀取，對32位代碼進行依次讀取，前16位是識別碼，后18位中，數據碼和數據反碼均為8位[3]。
4.2.2 步進電機程序
步進電機程序設計的基本訴求是對旋轉方向進行判斷，再依據正確的順序，將其傳送給控制脈沖，繼而對所需控制步數進行判定，觀察其具體傳動情況，直至將要求控制步數傳送完畢。分別將步進電機和單片機作為具體執行元件和控制器，并將檢測元件定義為光敏電阻傳感元件背景下的傳感器。而手動輸入信號則是手動按鈕，以紅外遙控裝置開展遙控操作，對時鐘控制和狀態顯示的步進電機控制系統進行綜合限定輔助，使步進電機的手動、自動和遙控多功能操作更加便利，保障其可靠性。
5 程序原理分析
5.1 程序設計思路
依據電路設計，單片機的輸入和輸出分別為P1口的前6個管腳和P1口的后2個管腳及P2口的前4個管腳。首先，主程序部分向驅動電路輸出4路高電平，停轉電機。繼而對定時器T0的具體工作模式和允許中斷位置高電平進行合理設置，將“停轉”狀態顯示點亮，然后進行按鍵掃描，按下按鍵之后，實現程序段跳轉。如果沒有按下按鍵，即會回歸到程序的初始部分。正轉部分需對正轉狀態指示進行點亮，然后執行起始脈沖輸出，繼而對按鍵進行掃描，并對不同狀態下的執行情況進行合理判斷，調配到定時器T0賦初始值子程序，對累加器A中的數值進行累加。幾經循環，使步進電機處于正轉狀態。反轉部分的設計過程亦是如此。加速和減速中，對定時時間進行改變，即可實現定時器定時初始值更改。
5.2 設定定時器計數初始值
程序設計中對定時器T0的定時中斷進行選用，以實現步進電機細部性時間控制。對T0的定時時間進行更改，即可改變步進電機轉速。假定步進電機的步距角為7.5°，轉一圈耗費的脈沖數量為48。將轉速假設為N（r/min），而每一分鐘脈沖數據輸送數量為48N，每送一個脈沖信號需要花費的時間為s。
定時器T0的技術初值為。將步進電機最低轉速假定為20r/min，最高轉速為100r/min，速度級的界定為5r，共17級。
6 結語
步進電機在應用層面極具優越性，在工業設備中已經得到了廣泛應用，有助于提高生產質量及效率。我們要結合具體操作背景，對單片機的優越性進行重點分析，在步進電機電路控制系統中對它進行全面應用，使步進電機工作性能得到充分提升。伴隨著不同的數字化技術的發展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。
參考文獻
[1]洪新華，陳建鋒，等.基于單片機的步進電機控制系統的設計[J].湛江師范學院學報，2010，（06）：84-87.
[2]令朝霞.基于單片機的遙控步進電機控制的設計[J].自動化技術與應用，2012，（04）：78-80+91.
本次設計采用選擇PHILIPS半導體公司帶手動復位功能的產品MAX708。MAX708還可以監視第二個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預警功能，利用此功能，系統可在電源跌落時到復位前執行某些安全操作，保存參數，發送警報信號或切換后備電池等。
另外，系統還擴展了可編程外圍芯片PSD303。由于系統的 I/O口數量與實際所需數量還有很大的差距，故系統又擴展了兩片8255A，一片用于接鍵盤和顯示電路，一片用于接觸發信號、緊急停車信號等。
一、鍵盤與顯示電路
在本次設計中，設置了一個9按鍵的操作電路，以代替實際現場的操作按鈕。6位的LED顯示電路用于顯示轉速、電流、以及調試時的相關項的顯示。
另外，為了便于現場工作之便，設置了5×4的矩陣式鍵盤，用于當系統軟件等出現錯誤，而又不便直接對程序進行修改時的調試之用。
二、變頻系統設計
現代變頻技術中主要有兩種變頻技術：交-直-交變頻技術和交-交變頻技術。交-直-交變頻技術為交-直-交變頻調速系統提供變頻電源。交-直-交變頻的組成電路有整流電路和逆變電路兩部分，整流電路將工頻交流電整流成直流電，逆變電路再將直流電逆變為頻率可調的交流電。根據變頻電源的性質可分為電壓型和電流型變頻。
本次設計用交-交變頻電路是不通過中間直流環節，而把電網固定頻率的交流電直接變換成不同頻率的交流電的變頻電路。這種變頻電路廣泛應用于大功率交流電動機調速傳動系統，實際使用的主要是三相輸出交-交變頻電路。這種電路的特點：（1）因為是直接變換，沒有中間環節，所以比一般的變頻器效率要高；（2）有與其交流輸出電壓是直接由交流輸入電壓波的某些部分包絡所構成，因而其輸出頻率比輸入交流電源的頻率低，輸出波形也好；（3）因受電網頻率限制，通常輸出電壓的頻率較低，為電網頻率的三分之一左右；（4）功率因數較低，特別是在低速運行時更低，需要適當補償。
三相變頻電路就較單相復雜，其電路接線方式主要有公共交流母線進線方式和輸出型聯結方式。具體說來，其主電路型式有：3脈波零式電路、6脈波分離負載橋式電路、6脈波非分離負載橋式電路、12脈波橋式電路、3脈波帶中點三角形負載電路、3脈波環形電路。
本次設計選用較為簡單的一種—3脈波零式電路。
三、同步電路設計
同步電路的功能是，在對應的晶閘管承受正向陽極電壓的初始點（即控制角α的起算點）發出一個CPU能識別是哪一相同步信號的中斷脈沖Utpi和要求的α角進行延時控制，輸出相應的觸發脈沖。三相同步電壓信號經同步變壓器、濾波、穩壓、放大和光電隔離后分別接至單片機的P2.5、P2.6和P2.7管腳。另外，由于此處直流電源和觸發電路中所用的電源不能共用，且光電耦合器輸入輸出端的地端亦不能共用，為了以示區別，它們的符號均有不同。
Ua、Ub、Uc 與可控硅組件的三相交流電壓同相位。Ua、Ub、Uc經R3，C3濾波電路波形變換光耦隔離整形電路后輸出三相方波電壓，記為 KA、KB、KC，三相方波分別送給 80C196單片機的P2口的 P2.5、P2.6、P2.7端。CPU根據KA、KB、KC的值判斷三相交流電源的相位。
四、觸發電路
在設計中，三相電路中每相均有正反兩組晶閘管，每組均采用三相半波式接法，即每組用三個管子，所以一共有18個晶閘管，這樣，觸發脈沖也應有18路。三極管V為輸出級功率放大晶體管；電容C為加速電容，與R構成微分電路，可提高脈沖前沿的陡度；為兼顧抗干擾能力和脈沖前沿陡度，一般取C為0.1μF。為保護脈沖變壓器，在脈沖變壓器兩端并聯電阻R和二極管D的串聯電路，一般R阻值取為1K。電阻R為假性電阻負載。另外，為了隔離輸入輸出信號，加入了光電耦合器，考慮到應有足夠的脈沖強度使晶閘管導通，輸出極電壓設為15V。在出發電路中，為了得到足夠的脈沖寬度，而且使脈沖前沿盡量陡，后沿下降快，故采用了脈沖變壓器T～T。另外，為了達到電氣隔離作用，亦加入了光電偶合器。再者，為便于單片機對觸發電路的控制，在同步變壓器1~18的輸入端，分別引入了緊急封鎖信號（由HSO.0 引入）和 555 定時器構成的多諧振蕩器信號，而多諧振蕩器的控制信號則由單片機的HSO.1 控制。這樣，當電機輸入緊急停車信號時，單片機通過其 HSO.0 輸出高電平，這樣就使得觸發電路輸入端口的或非門被封鎖，也即封鎖了變頻裝置的觸發脈沖，使電機快速停車。
五、保護電路設計
為了提高控制系統的可靠性和安全性，在交流電力系統的設計和運行中，都必須考慮到有發生故障和不正常工作情況的可能性。在三相交流電力系統中，最常見和最危險的故障是各種形式的短路，其中包括三相短路、兩相短路、一相接地短路以及電機和變壓器一相繞組上的匝間短路，當然也有其它形式的保護措施。具體保護形式有：電流型保護，電壓型保護等。為簡單起見，這里僅采用電流型保護中的短路保護和過電流保護，并在每個電機的定子輸入端均接入了正反向交流接觸器。另外，為防止意外情況的發生，引入了緊急停車信號，當按下緊急停車按鍵時單片機通過中間繼電器關斷接觸器 KM2-KM8。
六、反饋環節設計
本系統中引入了電流反饋。電流反饋采用三相交流互感器，經三相橋式整流電路及濾波電路，最后經限流、濾波及限幅電路反饋回單片機的 P0.1口。 【參考文獻】
[1]方榮惠，鄧先明，上官璇峰．電機原理及拖動基礎[M]．中國礦業大學出版社，2001．
[2]余發山，鄭征，王清靈，李輝，王玉中．自動控制系統[M]．中國礦業大學出版社，2005．
關鍵詞 步進電機控制系統 插補算法 變頻調速 軟硬件協同仿真
中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：A
1引言
步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的控制電機，其位移速度與脈沖頻率成正比，位移量與脈沖數成正比。步進電機在結構上也是由定子和轉子組成，可以對旋轉角度和轉動速度進行高精度控制。當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場，該矢量場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁極磁場方向與定子的磁場方向一著該磁場旋轉一個角度。因此，控制電機轉子旋轉實際上就是以一定的規律控制定子繞組的電流來產生旋轉的磁場。每來一個脈沖電壓，轉子就旋轉一個步距角，稱為一步。根據電壓脈沖的分配方式，步進電機各相繞組的電流輪流切換，在供給連續脈沖時，就能一步一步地連續轉動，從而使電機旋轉。步進電機每轉一周的步數相同，在不丟步的情況下運行，其步距誤差不會長期積累。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，同時步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高，步進電動機可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現調速、快速起停、正反轉控制等，這是步進電動機最突出的優點。
2硬件設計要求及原理
2.1 設計要求
（1）供電電源：10V～40VDC容量0.03KVA。（2）輸出電流：共分0.9A、1.2A、1.5A、1.8A、2.1A、2.4A、2.7A、3.0A8檔可選，以配合不同電機使用。（3）驅動方式：恒相流PWM控制。（4）細分選擇：整步、半步、4細分、8細分、16細分、32細分、64細分的七種細分模式可選。（5）自動半電流：若上位機在半秒中內沒有發出步進脈沖，驅動器自動進入節電的半電流運行模式。
2.2 電氣接口要求
2.2.1 輸入信號
脈沖信號輸入：脈沖信號，5mA～12mA，高電平+5V電平，脈沖信號，最高頻率為70KHz。方向信號輸入：高、低電平，5mA～12mA，高電平+5V。脫機信號輸入：高、低電平，5mA～12mA，高電平+5V。公共端輸入：+5V電源。
2.2.2 輸出信號
兩相步進電機繞組接口：繞組A接：A+，A-;繞組B接：B+，B-。
2.3 硬件設計原理
系統采用TSC87C51單片機接收命令，并將輸入命令進行綜合處理，控制二相步進電機正反轉、運行速度、單次運行線位移、以及啟停等的控制;既可由鍵盤輸入，也可通過與上位機的串行通信口由上位機設置。單片機主要功能是輸出EEPROM中存儲的細分電流控制信號進行D/A轉換。根據轉換精度的要求，本控制系統選用的是8位雙通道的TCL7528轉換器。
單片機接收的信號有上位機的命令信號、手動輸入細分模式編碼信號。輸出信號有電流細分控制信號，步進電機運行控制信號。細分模式編碼由撥碼開關S1的1，2，3開關人工設定，共有8種細分模式可選，單片機P1口為細分模式編碼輸入I/O口。上位機的命令信號由單片機的中斷INT0、INT1和P3.4接收。其中INT0與脈沖信號對應，INT1與方向信號對應，P3.4與脫機信號對應。單片機P0口輸出8位數據是與細分電流相對應的。P0口8位數據輸出給D/A轉換器TLC7528數據輸入端，對工作電流進行分割，以控制每級細分電流大小。
3軟件設計
3.1 控制脈沖的設計
根據PX243四拍驅動時序圖，得P0.0～P0.3引腳輸出控制脈沖時序圖。任一連續四個脈沖組成一個周期時間為T，其中一個脈沖的時間為ts，步進電機轉過1.8度。改變脈沖輸出順序即可改變電機的轉向，改變ts即可改變其轉速。
本次設計是利用AT89C51內部的定時器0來對ts實現精確控制，并且采用中斷方式提高了單片機的工作效率。該設計為循環中斷過程，每進入一次中斷：
P0賦值一次，即可改變脈沖一次;TH0，TL0賦值，即可改變ts值，從而精確控制電機轉速;這邊引入變量i，可看成是脈沖數。200個脈沖為一圈，給i賦值即可控制電機轉的圈數;判斷dir的值，給P0賦不同的值，可控制電機轉向。
3.2 定時中斷子程序編寫
單片機開發中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變為CPU可以執行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變為機器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發技術的不斷發展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發，單片機的開發軟件也在不斷發展，Keil軟件是目前最流行開發MCS-51系列單片機的軟件。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。
4結語
本文提出并實現的步進電機均勻細分驅動器，最高細分達到64，能適應大多數中小微型步進電機的可變細分控制、較高細分步距角精度、及平滑運行等要求。細分驅動器的系統功能完善，大量新型元器件的采用，使所設計的驅動器具有體積小、細分精度高、運行功耗低、可靠性高、可維護性強等特點。系統軟件功能豐富，通用性強，從而使控制系統更加靈活，具有很高的推廣價值和廣闊的應用前景。
關鍵詞： 單片機；計價器；電路設計
Key words： single chip microcomputer；meter；the design of circuit
中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2012）32-0224-02
0 引言
計價器在人們日常生活中應用的比較廣泛，特別是在出租車行業中應用的最為普遍，汽車最早的計價是通過直接顯示里程來人工計算的，后來又發展了模擬控制進行計價，采用模擬電路整體電路所器件多，電路較復雜，造成故障率高，難調試，模式的切換用到的機械開關，會造成接觸不良，功能不易實現等。單片機計價器隨著單片機的應用而不斷得到發展，采用了單片機進行設計，功能強大，用較少的硬件和適當的軟件相互配合可以很容易的實現設計要求，靈活性強，且可以通過軟件編程來完成更多的附加功能。
本設計選擇以89S51單片機為中心單元、用A44E霍爾傳感器進行距離測量，可實現對出租車計價統計，采用AT24C02，保證在系統掉電的時候保存單價和系統時間等信息，輸出采用8段數碼顯示管。利用本電路設計的計價器不但能實現基本的計價，而且還能根據白天、黑夜、中途等待來調節單價，同時在不計價的時候還能作為時鐘為司機同志提供方便。
1 設計方案
1.1 本設計主要用單片機進行控制 利用單片機豐富的I/O接口以及控制的靈活性，實現基本的里程計價功能以及其他功能。其基本原理如圖1所示。
1.2 系統的基本組成 本系統組成主要由以下幾個部件組成：AT89S51單片機、鍵盤控制部件、里程計算單元、液晶顯示等。其基本結構如圖2所示。
1.3 霍爾傳感器計價原理 在出租車車輪上安裝一塊永久磁鐵，在適當位置安裝霍爾開關傳感器，當車輪轉動一圈，霍爾傳感器產生一個脈沖，用計數器計數，計數器的值乘上車輪的周長，就是出租車的行程，將其轉換成公里數，公里數乘以每一公里的價格，就是總價。其原理圖如3所示。
1.4 顯示模塊及指示燈模塊電路 該計價器采用7斷LED數碼管來顯示所計價錢，用8位共陽極數碼管，其原理圖及接法如圖4所示。
1.5 計價單元電路設計 計算里程是通過安裝在車輪上的霍爾傳感器檢測到的信號，傳輸到單片機，經過單片機的運算，再傳輸給顯示單元。其原理如圖5所示。
由于開關型的霍爾器件的輸出的信號符合TTL電平標準，可以直接接到單片機的I/O口上，而且其最高檢測頻率可達到1MHz。使用了P3.2口作為信號的輸入端，內部采用外部中斷0，車輪每轉一圈（設車輪的周長是1m），霍爾開關就檢測并輸出信號，引起單片機中斷，對脈沖計數，當計數達到1000次時，也就是1Km，單片機就控制將金額自動增加，其計算公式：當前單價*公里數=金額。
2 計價器整體電路設計
本設計以AT89S51單片機為核心，采用LED數碼管實時顯示實際得的價錢，以紅外發射接收管作為基本行程信息的采集工具。此系統硬件設計簡單，主要通過軟件編程，實現工作狀態的定義。系統另外還留有P1.2-P1.7，以及P2.3-P2.7口的全部資源，使得系統具有一定的可升級性和擴展性。計價器整體電路如圖6所示。
3 軟件系統設計
3.1 初始化程序設計 系統上電時，初始化程序將R1-R5存儲單元清零。
3.2 主程序設計 主程序通過循環判斷是否等待計價和車輪計數進行總體計價的實現。在等待計價中，調用等待計價子程序，每4秒調用數字計價子程序對計數器加1，在車輪計數中，車輪每轉過1周調用計數子程序對計數器加1。通過計數器中的累加值，判斷數值并調用顯示。計數子程序是通過對工作寄存器的循環累加實現的。秒定時自程序通過2000循環調用定時器的2毫秒定時實現，對應調用相應子程序。數碼管顯示子程序通過動態掃描實現。毫秒定時是通過軟件延時來實現的。系統初始化后，判斷P1.1口，是等待計價。若是則進入等待計價處理，若否，則進入下一步，判斷是否進行車輪計數，若沒有進行車輪計數則返回等待計價處理，若進行車輪計數，則由計數器加1，然后判斷計數器是否加到100，若不到100，則由數碼管顯示，若到100則由相應方式處理，最后由數碼管顯示計算出的價錢。主程序流程圖如圖7所示。
在主程序模塊中，還需要完成對各接口芯片的初始化、出租車起價和單價的初始化、中斷向量的設計以及開中斷、循環等待工作。另外在主程序模塊中，還需要設置啟動/清除標志寄存器、里程寄存器和價格寄存器，并對它們進行初始化。其中斷服務程序流程圖如圖8所示。
4 結論
本設計電路，初步解決出租車計算價錢的問題，利用本電路設計的計價器不但能實現基本的計價，而且還能分時間段進行調整單價，同時在不計價的時候還能作為時鐘為司機同志提供方便。與相應的軟件系統相配套使用，得到了較好的效果。
參考文獻：
[1]范力旻.單片機原理及應用技術[M].北京.電子工業出版社，2009.
1.2OLED驅動電路研究的意義
我們正在經歷一個顯示器世代交替的時期,平面顯示器以一定速度逐漸取代,未來進入電視、電腦一體化的數字時代后更會使顯示技術迅猛發展。在顯示技術的未來競爭中,尤其是中小尺寸的產品,誰會在競爭中勝出,取決于誰了解顧客的需求,顧客會選擇可以展現生命力的顯示器。而有源有機電致發光顯示則具有終極顯示器的特質,其相關的產業化工作正迅速展開。我國具有一定的機電致發光顯示產業化基礎,有機發光材料的制備技術也有良好的趨勢,所以一定要充分利用顯示市場,加大研發力度,全面實現產業化。
..........
第二章灰度控制原理及方式
2.1OLED的顯示原理
電致發光,又稱為電場發光,是自然界中一種普遍的物理現象,是光電變換中的一個基本步驟。對于電致發光物質而言,可以劃分為有機電致發光和無機電致發光兩種。其中有機電致發光又可以分為發光物質為高分子聚合物的聚合物發光和發光物質為小分子有機突光材料的小分子發光器件,OLED典型結構如圖2.1所示。有機發光二極管的發光原理為當對元件施加正向偏壓時,電子與空穴受電壓能量的驅動分別由陰極與陽極注入到器件中,此時電子和空穴在運動中相遇并結合,就形成了電子一空穴對。而當分子受到外來能量激發后,若電子自旋和基態電子成對,則為単重激發態,那么所釋放的光為突光;相反,若激發態電子和基態電子自旋不成對并且平行,則稱作雙重激發態,其所釋放的光為磷光。
2.2OLED的工作特性
圖2.4所示為OLED的電壓一亮度關系曲線圖。從圖中可以看出OLED的電壓和亮度屬于非線性關系,不利于緩慢而穩定的控制亮度,因此如果用電壓驅動控制法來控制顯示屏的亮度,則需要有一定控制精度的驅動屯壓。而電壓控制法由于電阻的作用會導致不同像素點的開啟電壓也不盡相同,再加上面陣屏幕制備工藝的限制,會造成畫面顯示不均勻、圖像質量低下等問題。圖2.5所示為OLED器件中亮度與電流密度的關系。從圖中可以看出OLED器件的亮度和電流之間保持著良好的線性特性,想要控制屏幕上各個二極管的亮度,只要能夠很好的控制各個像素點電流就可以,所以像素電流能夠保持穩定的恒定電流驅動是現階段使用較為普遍的方式。釆用恒定電流驅動的方法可以解決OLED顯示圖像不均勻的問題,只是其缺點是不容易實現灰度等級較低的顯示,但對于本論文中的設計,不構成影響。此外,OLED的老化屬于庫企型的,OLED器件的老化原因是驅動器件時產生的熱效應,對于驅動OLED器件而言,器件壽命受電流密度的強度影響,電流密度越大壽命越短,電流密度越小壽命越長。盡可能減小OLED的驅動電流,可以盡量減小這種焦耳熱的影響。
第三章灰度控制模塊的設計....................14
3.1灰度掃描系統...................14> 3.2優化灰度掃描結構..................15
第四章面OLED陣顯示系統設計...............24
4.1系統的硬件設計...............24
第五章實驗結果及分析.....................35
5.1系統調試.................35
5.2實驗結果分析................................36
第五章實驗結果及分析
5.1系統調試
系統調試主要是電路方面的測試,對理論設計和實際操作之間出現的問題進行整改,最終使系統實現設計中所要求的功能。在設計階段用繪制電路板,根據圖制作電路板完成后,先進行簡單的檢查,主要是各個接口及各模塊之間的連接。檢查電路中元器件之間是否連接正確,各連線之間有無連接錯誤的情況;查看電路板在實際中布線位置是否合理,元器件之間有無短路;檢查電源和各個元器件極性有無接反的情況,對地是否短路。經過基本的檢查之后,接通電源,在通電情況下對電路板進行硬件調試:接通電路后檢查各個器件及連線有無溫度過高等異常現象;沒有燒程序到時,使用萬用表檢測電位,以此判斷系統是否正常工作;將程序燒錄到中,檢查各個接口是否正常驅動。系統調試完成后,通過計算機對進行操作,編寫程序,在數據存儲器中存儲顯示數據,通過向電路提供顯示的行、列偏移信號和各種顯示信號。控制信號到達顯示面板的同時,產生顯示所需的行列驅動信號,從而控制的顯示區域、灰度等顯示參數。
5.2實驗結果分析
這里計算的只是單色顯示時的時鐘頻率,對于高灰度的彩色屏,時鐘要求也要相應的提高。顯而易見,本方案的時鐘頻率與傳統掃描方式的比較,具有明顯的優勢,并且這種差距隨著灰度等級的提高和顯示面積的增大而更加顯著。相對靜態圖像顯示而言,顯示動畫中的每幀圖像時,首先需要更新緩存中的顯示數據,同時驅動電路從接收顯示所需的各種控制信號,從而達到動畫圖像顯示的目的。在屏幕進行靜態圖像顯示時,將顯示數據從單片機的數據存儲器中輸出到緩存之后,顯示屏通過驅動電路以的頻率刷新。因此,對于動態圖像顯示和靜態圖像顯示,前者要低于后者的刷新頻率。
1概述
AM-OLED顯示驅動芯片是AM-OLED平板顯示屏的關重件，具有重要經濟價值。顯示驅動芯片內部集成了行列驅動電路、圖像SRAM、電荷泵、LDO、伽馬校正和多種輸入輸出接口。內置圖像SRAM最高可支持到WVGA分辨率，可顯示16.77兆色的顯示屏；片內的低功耗電源管理技術增強了手持設備的電池續航能力。該芯片具有高集成度、低成本、低功耗的特點，可運用于中小尺寸AM-OLED顯示屏模塊，包括智能手機、數碼相機等電子產品。
本文通過分析AM-OLED驅動控制芯片的測試需求，并結合該芯片的多功能模塊結構特點，提出了一種AM-OLED驅動芯片的測試電路設計方案。該方案對AM-OLED驅動控制芯片的各項指標測試非常有效。該文的研究成果已經應用于我們研發的AM-OLED驅動控制芯片彩屏手機中。
2需求分析
圖1所示為AM-OLED驅動控制芯片的組成框圖。GateDriver行驅動、Source Driver列驅動分別用來驅動AM-OLED的行和列。電源模塊由三個電荷泵、兩個LDO以及一個上電檢測電源組成，用來向伽馬校正、行驅動、列驅動以及SRAM模塊提供所需要的驅動電壓。內置SRAM用來存儲需要顯示的圖像數據。OSC振蕩器主要是作為片內時鐘源，可以通過倍頻、分頻、調整占空比等方式，結合各需求模塊的具體需求，產生高精度的時鐘頻率。數字控制模塊由Command decoder和TCON模塊組成，主要實現1）不同分辨率顯示，2）不同顯示模式顯示，3）低功耗模式控制，4）不同控制和數據接口兼容5）行列驅動電路控制以及伽馬校正，6）接口譯碼功能。使各模塊能協調按序工作。
針對以上驅動芯片，需要對他的各項功能模塊和整體性能進行有指標的測試，常用測試項目如下：
1）電源模塊測試，測定芯片內基準、電荷泵、LDO等電源的電壓、電流指標要求。
2）聯動測試，包括上電，啟動復位、省電、睡眠等各模式之間的切換。
3）動態電流和平均電流測試，用于統計芯片的平均功耗和瞬時功耗。
4）列驅動Source Driver輸出固定電平測試、建立時間、DNL、INL、DVO測試。
5）通過SPI口對集成在芯片內的SRAM進行測試，測試基本的存儲功能是否正確。
6）伽馬電路測試，需要分步進行，先對其內部各個模擬電路進行測試，確定參考電壓產生是否正確，然后再和列驅動連接進行聯合測試。比對顯示效果，可調整電壓誤差范圍。
7）
數字控制模塊的測試，主要在接口之間的兼容，可在線調試，寄存器可配等特點來提高芯片的可測試性。
3測試方案
針對以32AM-OLED驅動控制芯片的結構特點，下面給出了一種測試電路的設計方案。為了提高各個功能模塊的可觀測性和可控制性，以便全方位驗證芯片的總體性能指標提供電路結構支持。圖2是AM-OLED驅動控制芯片測試系統框圖。主要有屏、驅動芯片、FPC軟板、電源板、FPGA板組成。其中屏和驅動芯片以實際應用為出發點，在測試階段已經焊接在一起，有了屏就可以直觀顯示有關行列的驅動和使能（排除屏上壞點），同時對于芯片的Gamma校正，色階等可以直觀顯示，并且可以在線調試變化過程；然后屏和顯示控制系統通過FPC軟板連接，在軟板上預留屏電壓和控制信號測試點；電源模塊實現屏上的行和列提供顯示驅動電壓，以及驅動芯片電源總輸入；FPGA板是整個測試電路的控制核心，設計和存儲一些特定的顯示效果圖像。
4具體電路
測試的電路結構是在上面所介紹的芯片結構的基礎上，參考其測試需求而設計的，其重點是電源板和FPGA板，一個提供整個測試系統的電源流，為各功能模塊提供充足的各種閾值的需求，同時預留測試點以監測驅動芯片的各項交直流參數指標。另一個是提供測試系統的控制和數據流，控制各個功能模塊的動作，并且可以獨立制作特定的顯示數據，以驗證驅動芯片的顯示效果。
首先是電源板，如圖3所示，系統的電源分四部分：第一部分是FPGA系統所需的多路電源管理VIN+5V，由TPS5450產生，第二部分，驅動芯片輸入電壓，由LDO降壓后產生核電壓和10電壓VDDAB、VDDI；第三部分是AM-OLED需要的正負的高電壓，ELVDD、ELVSS，都由TPS5450產生，TPS5450的特點是根據電感的接法不同，既可以產生正電壓，也可以產生負電壓，第四部分，電平轉換電源所需電壓通過TPS65131實現，其中AM-OLED的RGB行列供電的電源要在4.6V到6.5V之間可調，使用寬范圍的電位器來靈活調節。
中圖分類號：TP368.1文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)2202204
Design of LCD Control Circuit Based on AT89S52
CHEN Jingpei，XU Yongmei
(Huaian Broadcasting and Television University,Huaian,223005,China)
Abstract：The liquid crystal display is the widespread application function in present monolithic integrated circuit technology.The design uses powerful AT89S52 single chip computer and programming software Visual C + +,designs a new type of LCD control circuit.From the AT89S52 and DMC20261 liquid crystal display monitor′s performance characteristics,according to experience,it introduces between two connection technology,contains the mature hardware electric circuit and the software design.The experimental resultsindicate that,this design is simple,convenient,stable and reliable,it is widely applied in the intellectualized instrument measuring appliance and each kind of sounding board,provids high nimble,high performance solution for embedded control system.
Keywords：AT89S52 single chip computer;DMC20261 LCD;hardware interface;software design
1 AT89S52單片機簡介
1.1 芯片主要特性
AT89S52單片機是Atmel公司新近推出的高檔、增強型產品。它是一個低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內含通用8位中央處理器和ISP FLASH存儲單元，8 kB ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1 000次的FLASH只讀程序存儲器，片上FLASH允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程FLASH，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、高性價比的解決方案。
1.2 AT89S52管腳排列
AT89S52單片機有PDIP,PLCC和TQFP等3種封裝形式（常見的PDIP排列見圖1）。
2 DMC20261型液晶顯示屏
DMC20261型液晶顯示模塊內部由3部份組成：LCD控制器、驅動器、顯示器。如圖2所示。
目前大部分LCD液晶顯示器的控制器都有采用型號為HD44780的集成控制器。HD44780是集控制器、驅動器于一體，專用于字符顯示控制驅動集成電路。HD44780是字符型液晶顯示控制器的代表電路。其主要特點是：
HD44780不僅作為控制器而且具有驅動40×16點陣液晶像素的能力，且驅動能力可通過外接驅動器擴展360列驅動；顯示緩沖區及用戶自定義的字符發生器CGRAM全部內藏在芯片內；具有適用于M6800系列MPU的接口，并且接口數據傳輸可為8位數據和4位數據傳輸2種方式；具有簡單而功能較強的指令集，可實現字符移動，閃爍等顯示功能（見表1）；由于HD44780的DDRAM容量所限，HD44780可控制的字符高達每行80個字，也就是5×80=400點，內藏有16路行驅動器和40路列驅動器，所以HD44780本身就具驅動有16×40點陣LCD能力（即單行16個字符2行8個字符）；內藏的字符發生存儲器（CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形（見圖3），比如數字“1”的代碼是00110001B（31H），又如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H）。
2.1 液晶屏控制器的指令
字符LCD的指令共有11條，詳細功能和用法見表1。
2.2 字符圖形代碼
字符圖形代碼（如圖3所示）。
3 液晶顯示屏與AT89S52接口的設計
3.1 硬件電路設計
在實際應用中，液晶模塊與單片機的連接方式很多。從占用I/O口線的多少來分有串行方式和并行方式，其中串行方式速度較慢、占用的I/O口少，并行方式分為4線和8線、速度較快、占用的I/O口多，實際應用中以并行方式居多。目前51系列單片機是國內外應用最廣泛的一類，下面介紹筆者設計成功的接口電路供大家參考。
單片機的P0口和P3口的部份引腳與DMC20261型液晶顯示連接電路如圖4所示。
3.2 軟件設計
由DMC20261字符圖形代碼及控制器的指令特點編寫一個簡單的顯示程序“淮安市高職院”。其中P35為命令/字符、P36為讀/寫、P37為脈沖引腳，P0口為數據端，每個漢字占5列8行點陣，兩行最多可編16字。主程序流程圖如圖5所示。后面附上用調整軟件Dev C++IDE編寫并調試成功的程序。
注：*表示可以為0或1。
控制系統實用程序如下：
#include
#include
#define RS P35//定義P35為命令/數據引腳//
#define RW P36//定義P36為讀寫//
#define E P37//定義P37為脈沖//
unsigned char count,sec,min,hr;
void delay(unsigned int duration) //延遲函數//
{
while (duration--!=0);
}
void store() //脈沖函數//
{
E=1;
delay(300);
E=0;
delay(300);
}
void LCD_init()//顯示器初始化函數//
{
RS=0;
RW=0;
P0=0X38; //定義顯示器為兩行//
store();
P0=0X0C;//顯示光標//
store();
P0=0X06;//屏不移動//
store();
P0=0X01;//清除命令//
store();
P0=0X02;//返回原位置//
store();
}
void LCD_print(unsigned char k) //輸送數據到顯示器//
{
P0=k;
RS=1;
RW=0;
store();
}
void LCD_command(unsigned char m)//輸送命令到顯示器//
{
P0=m;
RS=0;
RW=0;
store( );
}
void display_chinese()
{
LCD_command(0x40); //“淮”，字符存儲器開始地址為40H，占5列8行//
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x0f);
LCD_print(0x1a);
LCD_print(0x0f);
LCD_command(0x48); //“安”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0a);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x0a);
LCD_command(0x50); //“市” //
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x00);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0x58); //“高”//
LCD_print(0x04);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x0e);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x11);
LCD_command(0x60); //“職”//
LCD_print(0x1e);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x14);
LCD_print(0x1f);
LCD_print(0x04);
LCD_command(0x68); //“院”//
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x17);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1A);
LCD_print(0x12);
LCD_print(0x15);
LCD_print(0x1D);
LCD_print(0x15);
LCD_command(0xC5); //顯示字符于第二行//
LCD_print(0);
LCD_print(1);
LCD_print(2);
LCD_print(3);
LCD_print(4);
LCD_print(5);}
void main(){
LCD_init();//顯示器初始化//
display_chinese(); //顯示漢字//
for(;;);}
4 結 語
本文介紹液晶顯示屏與AT89S52單片機接口的設計方法，硬件電路與軟件實現簡單易行。AT89S52高性能單片機功耗低、兼容性強、具有可反復擦寫1 000次的ISP FLASH在系統可編程單元。
DMC20261型液晶顯示屏具有簡單而功能較強的指令集，可實現字符滾動、閃爍等顯示功能，且文字清晰準確，廣泛應用于智能化儀器儀表及各種宣傳場所，為嵌入式控制系統提供高靈活、高性價比的解決方案。
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中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（c）-0087-02
在無線通信技術領域中，GaN高電子遷移率晶體管作為最新的半導體功率器件，由于其本身具有寬禁帶以及擊穿場強高、功率密度高等特征優勢，在高頻以及高功率的功率器件中具有較為突出的適用性，在電子信息系統性能提升方面具有較為明顯和突出的作用優勢，在無線通信技術領域的應用比較廣泛。針對這一情況，本文在進行射頻功率放大器及其電路的設計中，專門采用ADS仿真軟件對于射頻功率放大器及其電路的設計進行研究分析，并對于仿真設計實現的射頻功率放大器在無線通信技術領域中的應用和參數設置進行分析論述，以提高射頻功率放大器的設計水平，促進在無線通信技術領域中的推廣應用。
1 射頻功率放大器的結構原理分析
結合功率放大器在無線通信系統中的功能作用以及對于無線通信技術的影響，在進行射頻功率放大器的設計中，結合要進行設計實現的射頻功率放大器的工作頻帶以及輸出功率等特點要求，以滿足射頻功率放大器的設計與應用要求。在進行本文中的射頻功率放大器設計中，主要通過分級設計與級聯設置的方式，首先進行射頻功率放大器的功率放大級以及驅動級設計實現，最終通過電路設計對于射頻功率放大器的兩個不同級進行連接，以在無線通信中實現其作用功能的發揮，完成對于射頻功率放大器的設計。需要注意的是，在進行射頻功率放大器的功率放大級結構模塊設計中，主要應用GaN高電子遷移率晶體管進行射頻功率放大器功率放大級結構模塊的設計實現，同時在功率放大級結構模塊的電路設計中，注重對于輸出功率保障的設計；其次，在進行射頻功率放大器的驅動級結構模塊設計中，以C波段的功率放大模塊設置為主，電路設計則以增益提升設計為主，并對于增益平坦度和輸出輸入駐波進行保障。如圖1所示，即為射頻功率放大器的功率放大級模塊設計示意圖。
2 射頻功率放大器及其電路的設計分析
結合上述對于射頻功率放大器的結構原理分析，在進行射頻功率放大器的設計中，主要包括射頻功率放大器的功率放大級設計和驅動級水，此外，對于射頻功率放大器電路的設計，也需要結合兩個結構模塊的實際需求進行設計實現的。
2.1 射頻功率放大器的功率放大級模塊設計
在進行射頻功率放大器的功率放大級模塊設計中，主要采用GaN高電子遷移率晶體管進行該結構模塊的設計實現，需要注意的是，在應用GaN高電子遷移率晶體管進行該結構模塊的設計實現中，由于GaN高電子遷移率晶體管目前還不具有較大的信號模型，因此，在進行該結構模塊設計中，注意結合實際設計需求進行選擇應用。在進行射頻功率放大器的功率放大級結構模塊設計中，通過直流偏置仿真設計對于氮化鎵管子的靜態工作點進行確定，也就是實現氮化鎵管子的漏極電流以及漏極偏置電壓、柵極偏置電壓等參數的確定，在對于上述氮化鎵管子靜態工作點進行確定后，通過ADS仿真軟件實現場效應管直流的仿真設計，同時注意在仿真設計中進行二端口模型的添加，并結合上述GaN高電子遷移率晶體管的信號模型情況，進行S參數信號的編輯導入，同時進行直流偏置仿真控件的加入，進行相關數值的確定，以實現射頻功率放大器的功率放大級設計。
此外，在進行射頻功率放大器功率放大級負載阻抗的設計中，根據相關理論，在負載阻抗與網絡匹配良好的情況下，負載阻抗的共軛復數與網絡的輸出阻抗值是相同的，因此，就可以通過計算對于射頻功率放大器功率放大級負載阻抗值進行分析得出，實際上也就是它的共軛復數值。同時，在進行功率放大級設計中，結合封裝參數輸出端的阻抗模型，設計中為了實現場效應管輸出電路匹配的優化，以為輸出電路進行準確的負載阻抗提供，還需要在設計過程中將場效應管的封裝參數在輸出匹配電路中進行設計體現，因此就需要對于Cds參數值進行求取。
最后，在射頻功率放大器功率放大級設計中，偏置電路主要是用于將直流供電結構模塊中所提供的電壓附加在功率放大器的柵極與漏極中，并實現射頻信號以及濾波的隔離和電路穩定實現。在進行功率放大級的電路設計中，注意使用ADS軟件工具對于微帶線尺寸進行計算，病毒與全匹配電路進行微帶線設計，同時通過柵極偏置電路與漏極饋電電路，以實現功率放大級的電路設計。此外，在進行功率放大級模塊設計中，還應注意對于模塊中的任意功率放大芯片，都需要進行相關的穩定性分析，以避免對于射頻功率放大器的作用性能產生影響。
2.2 射頻功率放大器的驅動級模塊設計
在進行射頻功率放大器的驅動級模塊設計中，主要通過C波段功率放大模塊進行該結構模塊的設計應用。其中，在對于驅動級模塊的參數設置中，對于輸出、輸入參數均以內匹配方式進行匹配獲取。對于射頻功率放大器的驅動級設計來講，進行功率放大模塊偏置電路的合理設計，是該部分設計的關鍵內容。
最后，在進行射頻功率放大器的電路設計中，在進行功率放大模塊電路設計中，GaN HEMT結構部分需要進行柵壓的增加設置，并且需要注意柵壓多為負壓，在此基礎上還需要進行漏壓增加設置。值得注意的是，在進行射頻功率放大器的偏置電路設計斷開同時，對于柵壓和漏壓的斷開順序剛好相反，以避免對于功放管造成損壞。
3 結語
總之，射頻功率放大器作為無線通信技術領域的重要器件，對于無線通信技術的發展以及通信質量提升都有重要作用和影響，進行射頻功率放大器及其電路的設計分析，具有積極作用和價值意義。
參考文獻
1 前言
比較器是一種帶有反相和同相兩個輸入端以及一個輸出端的器件，該輸出端的輸出電壓范圍一般在供電的軌到軌之間，運算放大器亦是如此。
比較器具有低偏置電壓、高增益和高共模抑制的特點。運算放大器亦是如此。
運算放大器有如此多相似之處，但我們卻不能忽略他們的細微差別。
比較器擁有邏輯輸出端，可顯示兩個輸入端中哪個電位更高。如果其輸出端可兼容TTL或CMOS，則比較器的輸出始終為正負電源的軌之一，或者在兩軌間進行快速變遷。比較器設計用于開環系統，用于驅動邏輯電路，用于高速工作，即使過載亦是如此。
運算放大器有一個模擬輸出端，但輸出電壓不靠近兩個供電軌，而是位于兩者之間。這種器件設計用于各種閉環應用，來自輸出端的反饋進入輸入端。其偏置電流通常低于比較器，而且成本更低。運算放大器設計用于閉環系統，用于驅動簡單的電阻性或電抗性負載，而且不能過載至飽和狀態。
正是這些細微差別，比較器和運算放大器大多數時候會被區別對待，分別實現不同的功能。但若稍作改變，利用他們的相似之處，又可以解決一些實際問題。文章就運放OPA699同時作為運算放大器和電壓比較器進行接收電路設計，討論，并通過試驗結果進行現象分析。
2 光電探測電路原理
如圖1所示為光電探測電路原理圖，光電探測器通過偏置電路將接收到的光脈沖信號轉換為電壓脈沖信號，輸入到放大電路，經過一級放大和整形等操作，輸入到信號處理單元。
圖1 光電探測電路原理框圖
3 電路各部分設計及功能實現
3.1 光電探測器及偏置電路設計
光電探測器將光信號轉換為電信號，一般在設計中主要考慮響應度，響應時間，光譜響應范圍等參數。此設計中采用普通的硅PIN光電二極管，反向偏置電壓為5v，其在反偏電壓下工作電路如圖2：
圖2 光電探測器及偏置電路
3.2 放大電路設計及功能實現
3.2.1 放大電路設計
經光電二極管接收、轉換的信號，其幅度和信號比不足以滿足信號處理的要求，為了得到足夠的放大倍數和更高的信噪比，還需要進行信號的再放大。放大電路如圖3所示：
放大電路放大經光電二極管光電轉換之后的電信號，考慮到運算放大器的放大倍數基本由電阻決定，受溫度影響較小，在放大電路中選取TI生產的電壓反饋限幅運算放大器OPA699的組成所需的放大電路。OPA699的-3dB帶寬為1000MHz，壓擺率為1400v/？滋S，噪聲為4.1nV/，是一款高速低噪聲運算放大器，滿足基本的脈沖信號的放大需求。
運算放大器是一種雙電源器件，因而必須通過采用外部元件的某種偏置將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，對于給定電源電壓，這種方法可實現最大輸入和輸出電壓擺幅。也就是說，為了避免削波現象，需使輸出電壓偏置到電源電壓的一半附近。但是若通過簡單的分壓器將同相引腳偏置到電源電壓的一半，極易引入低頻寄生振蕩或其他形式的不穩定現象。
該放大電路采用同相比例運算電路，進行單電源固定增益的放大，增益系數由R30/R29決定，本設計中設定放大倍數為5。
本設計中通過電容C34在分壓器的抽頭點設置旁路，用以處理交流信號。電阻R26為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。在本電路中，采用R27和R28組成的分壓器，該網絡的-3dB帶寬由R27、R28和C34構成，如設定R27/R28為2.4kHz/2.4kHz，C34電容值為0.1uF，則：
此設計對于1.33kHz以下的電源上存在的噪聲信號可以抑制掉。對于電容C34，若取值足夠大，能夠對分壓器電路通帶帶寬內所有頻率起到旁路的功能。該網絡設置有效法則是將極點設為-3dB輸入帶寬的十分之一。
3.2.2 放大電路功能實現情況
輸入脈寬為10ns的激光脈沖信號后，放大電路輸入信號和輸出信號情況如圖4所示。
由圖4可以看到，此電路能正常實現信號放大的，完全起到了放大高速微弱信號的作用。
3.3 閾值比較電路及電路實現情況
3.3.1 閾值比較電路
本設計中，閾值比較電路通過電壓反饋運算放大器OPA699作為電壓比較器實現，具體電路設計如圖5所示：
高輸入阻抗運算放大器OPA699作為比較器亦通過單電源實現，R33和R35實現將運算放大器的輸出電壓偏置到供電電壓的位置，R34則提供閾值電壓參考值，根據實際需要，此處設置閾值為200mV。電阻R32為基準電壓提供直流回路，同時設定電路（交流）輸入阻抗。
3.3.2 閾值比較電路工作情況
窄脈沖激光信號經放大輸出進入比較器，經閾值比較后輸出TTL脈沖信號，通過判別前沿獲取時間信息，放大電路輸出和閾值比較電路輸出的輸出波形如圖6所示：
由圖6可以看到，實現閾值比較功能的運算放大器OPA699能夠對脈寬為10ns的快速信號進行閾值判別，完全能夠滿足實際應用需要。
4 結束語
該電路中，單電源供電方式設計的放大電路有效解決了信號放大的問題，方便后續電路的處理；閾值比較電路能進一步得到足夠放大倍數的信號，有效地去除噪聲，提高信噪比，為后續進行信號處理提供了保證，也就是說，此類應用中，尤其對供電方式要求單一的應用中，將運算放大器用作比較器是一種可行的設計選擇。
運算放大器不但有單運放封裝，同時提供雙運放或四運放型號，這類雙核和四核型號比兩個或四個獨立運算器便宜，而且占用電路板面積更小，進一步節省了成本。另外，比較器專門針對干凈快速的切換而設計，因此其直流參數往往趕不上許多運算放大器。因而，在要求低輸入失調電壓和低輸入偏置電流等的應用中，將運算放大器用作比較器可能比較方便。
但是用作比較器的運算放大器沒有負反饋，因此其開環增益非常高。躍變期間，哪怕是極少量的正反饋也可能激發振蕩。反饋可能來自輸出與同相輸入之間的雜散電容，也可能來自共地阻抗中存在的輸出電流。雖然通過設計布局降低雜散電容等方法進行補償，但不穩定性的確是隱形存在的“不定時炸彈”。另外，將運算放大器用作比較器時，受飽和影響，其反應速度低于期望水平，如果高速非常重要，將運算放大器用作比較器可能達不到預期效果。
總之，文章提供了一種可行的光電探測電路的設計手段，在實際應用時，必須了解相關知識，以確保所選運算放大器能達到要求的性能。
參考文獻
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引言
低噪聲放大器是射頻接收前端的主要部分。它位于接收機的最前端，這就要求它的噪聲系數越小越好，為了抑制后面各級噪聲對系統的影響，要求它有一定的增益。由于噪聲指標和增益指標此消彼長，設計時需要根據具體用途來選擇合適的指標。本文用安捷倫科技有限公司的ADS仿真軟件給出一種設計方法，可以使噪聲和增益指標最佳化。
1.設計指標
2. 管芯及材料的選擇
本文設計的低噪聲放大器工作在：2.4GHz-2.48GHz頻段，由于頻段較高，本設計中介質基板選擇高端PCB廠商Arlon公司的DiClad527介質板材，介電常數為2.55，厚度為1.016mm，銅皮厚度0.1mm，損耗因子0.0022。根據本設計中低噪聲放大器的預期指標，在滿足一定增益的同時還要有較低的噪聲系數，管芯選擇安捷倫公司的型號為ATF-34143的增強模式PHEMT（Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor）其性能參數和封裝形式如圖1 ：
3. 電路穩定性設計
電路設計前要確保電路的絕對穩定，這里的穩定不單指在工作頻段能穩定，更重要的是在全頻段內穩定。在ADS中：K=stab_fact（S）， stab_fact（S）函數返回Rollett穩定因子。K>1 時電路絕對穩定。用ADS在1GHz-10GHz掃描，圖5.6為ATF-34143在1GHz-10GHz內的穩定性圖，由圖可以看出1GHz-5GHz，管芯的K<1，電路不穩定，容易自激。需額外加入穩定電路。穩定電路如圖5.7。對該電路的電阻，電容和電感進行調諧，使電路在整個頻帶內絕對穩定（K>1）。圖5.8給出穩定電路的仿真結果。可以看到穩定電路在0GHz-18GHz內絕對穩定。
4. 偏置網絡設計
偏置網絡的設計是影響低噪聲放大器性能的一個重要因素，很多電路最后設計的性能不良往往歸結于直流偏置網絡設計的不當。參考ATF-34143的相關資料，選定直流工作狀態： ，在該工作狀態下，管子的噪聲最小，而增益較高。首先選用ph模型設置偏置電路，采用自偏壓電路，設計電路圖：圖中優化電阻R1、R2、R3設定2個優化目標，名稱分別為：VC和IC.IDS.i。
5 .輸入輸出端口的匹配網絡設計
用，時的S參數模型替換直流仿真時的ph模型。對于LNA，如果輸入口有一定的失配，反而可以調整器件內部各種噪聲之間的相位關系，從而降低噪聲系數。為了獲得最小的噪聲系數，有個最佳值，此時LNA達到最小噪聲系數，即達到最佳噪聲匹配狀態。其中是最佳信源反射系數，當匹配狀態偏離最佳時，LNA的噪聲系數將增大。可以從器件的Datasheet文件中獲得。為最小噪聲的最優匹配系數。這個系數可以進行輸入匹配電路的設計，該系數可以利用軟件仿真獲得。經仿真得 = 0.564/-87.2。輸入反射系數S[1，1]設置為的共軛，用來進行50Ω匹配。調諧得到C1=8.2pF，L=27nH。根據噪聲最小原則設計輸入匹配電路。
6. 低噪聲放大器的整體優化
以上完成了管芯選擇、穩定性設計、輸入輸出端的電路匹配，此時需要進一步優化，設定優化目標，得最終電路原理圖。低噪聲放大器在0GHz-4GHz頻帶內絕對穩定。和均小于-15 dB，增益>14dB，噪聲系數NF<0.7dB。增益平坦度≤±1dB，完全滿足設計指標的要求。
參考文獻
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1光電檢測電路的基本構成
光電探測器所接收到的信號一般都非常微弱，而且光探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中，因此，要對這樣的微弱信號進行處理，一般都要先進行預處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號放大到后續處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。其光電檢測模塊的組成框圖如圖1所示。
2光電二極管的工作模式與等效模型
2．1光電二極管的工作模式
光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導模式時，光電二極管可實現較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。事實上，在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個很小的電流(叫做暗電流或無照電流1。而在零偏置時則沒有暗電流，這時二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時，由于導電產生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設計光電二極管電路的過程中，通常是針對光伏或光導兩種模式之一進行最優化設計，而不是對兩種模式都進行最優化設計［4］。
一般來說，在光電精密測量中，被測信號都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設計由于所討論的待檢測信號也是十分微弱的信號，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務，所以，設計時采用光伏模式。
2．2光電二極管的等效電路模型
工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個被輻射光激發的電流源、一個理想的二極管、結電容和寄生串聯及并聯電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯電阻。
由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路的頻率穩定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產生的。耗盡層越窄，結電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會表現出較寬的頻譜響應。硅二極管結電容的數值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD(也稱作"分流"電阻或"暗"電阻)，則與光電二極管的偏置有關。
與光伏電壓方式相反，光導方式中的光電二極管則有一個反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當此電壓加至光檢測器件時，耗盡層的寬度會增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線性度和失調誤差尚未最優化。這個問題的折衷設計將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。
3電路設計
3．1主放大器設計
眾多需要檢瀏的微弱光信號通常都是通過各種傳感器來進行非電量的轉換，從而使檢測對象轉變為電量(電流或電壓)。由于所測對象本身為微弱量，同時受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號，一般不能直接用于采樣處理。本設計中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉電壓的作用，但后續電路一般為A／D轉換電路，所需電壓幅值一般為2V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號一般還需要繼續放大幾百倍，因此還需應用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。
該主放大器的放大倍數為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續電路的正常工作，設計時需要設定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有
3．2濾波器設計
為使電路設計簡潔并具有良好的信噪比,設計時還需要用帶通濾波器對信號進行處理。為保證測量的精確性，本設計在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號頻帶以外的噪聲，包括環境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內的信號，而抑制該頻段以外的信號。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：
B=f2-f1=f0/Q
式中，Q為品質因數，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因為中心頻率一定時，Q值越大，所通過的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。
有源濾波器是一種含有半導體三極管、集成運算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對于無源濾波器的特點是體積小、重量輕、價格低、結構牢固、可以集成。由于運算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開環增益和良好的穩定性，且構成簡單而且性能優良。本設計選用了去處放大器來進行設計。
本設計選用了去處放大器來進行設計。
圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(VCVS)帶通濾波器，其濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。
對于第一部分，即低通濾波器，系統要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函數為：
第二部分為高通濾波器，系統要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函數如下：
4完整的檢測電路設計