驱动电路设计

驱动电路设计（精选12篇）

驱动电路设计 篇1

有机发光显示器(OLED)具有对比度高、亮度高、能耗低、视角宽、响应快、工艺简单、小薄轻、全彩坚固等优点,是当今平板显示领域研究的热点。OLED在手机、掌上PDA、数码产品、车载设备、电视以及军事仪器仪表等方面的高质量显示中应用前景广泛。

OLED通过包含R,G,B三基色的OLED亚像素组成基本彩色像素单元。OLED显示器的驱动方式分为无源驱动(Passive Matrix, PM)和有源驱动(Active Matrix, AM)。PM-OLED结构简、成本小、价格低主要用于低质要求的简单信息显示。AM-OLED适用于信息含量大、分辨率高的全彩色高品质画面显示设备。AM-OLED显示屏应用多晶硅薄膜晶体管(p-Si TFT)将外围驱动电路集成在其周边,使每一个像素都保持选通并由TFT驱动点亮,又称TFT-OLED[1]。

虽然TFT-OLED显示技术在相关器件的稳定性和可靠性方面取得了一些成绩,但其配套驱动电路的开发还相对较少,市场的专用驱动芯片品牌稀少,品种单一,价格昂贵。因此如何基于现有较为成熟完善的TFT-LCD驱动芯片进行改进设计,并将其运用于TFT-OLED的驱动现实中具有重要的现实意义。

本文设计了基于FPGA和TFT-LCD芯片的外围驱动电路,实现了AM-OLED的64×3×80显示屏的彩色图像显示。

1 AM-LCD驱动原理

LCD的工作机理是: LCD加载外电场时,液晶分子方向布局的改变引起通透光透过率的变化,其外部表现为显示屏的亮度变化。图1是AM-LCD像素驱动电路原理。扫描线端口输入高电平启动开关管T,与此同时,数据线端口同步输入相应的数据电压信号,驱动点亮像素并向电容C充电。当扫描线端口换接低电压时T截止,像素靠电容C放电维持透光[2]。TFT-LCD矩阵采用逐行扫描方式工作。

2 AM-OLED驱动原理

图2所示为AM-OLED像素驱动原理图。与图1相比,图2中多了一个晶体管T2,扫描线端口输入高电平启动开关管T1,与此同时,数据线端口同步输入相应的数据电压信号,一方面向电容C充电,另一方面控制流过T2的电流的大小。当扫描线端口换接低电压、T1截止时,由电容C为T2管提供栅极电压,通过控制T2的漏极电流,可以维持像素发光并调节亮度[1]。

R,G,B三基色OLED像素需要进行白平衡亮度调节来实现彩色显示[3]。表1中是白平衡时实测的3种颜色OLED的工作范围和驱动电路数据线的输入电压范围。

OLED被施加外电压负荷时,从“+”“-”极进入的电子与空穴相遇并激发发光分子,经辐射弛豫发出可见光。图3为OLED的R像素的V-L(电压-亮度)和V-J(电压-电流密度)关系曲线,从中可以看出,OLED中L-V不呈线性比例,因此在图像数据编码时不能通过调节电压来改变其发光亮度。但是OLED作为一种电流型半导体发光器件,它随电流变化较为稳定,L-J大致成正比例关系。通过控制流过OLED的电流可以改变OLED像素的亮度,从而实现彩色AM-OLED显示[4]。

3 OLED驱动电路设计

3.1 显示屏驱动原理

AM-OLED显示屏显示方式为逐行扫描,通过把行、列扫描驱动电路集成到AM-OLED显示屏周边,达到精简结构、减少引线的目的。AM-OLED显示屏原理如图4所示。驱动电路在行、列扫描有效时为各个像素提供相应的驱动电压,即产生行、列驱动移位脉冲和移位起始脉冲[5]。

3.2 驱动芯片选择[2]

用LCD驱动芯片实现OLED的驱动,必须满足以下要求:LCD显示屏和OLED显示屏的驱动原理相似;LCD驱动芯片的驱动能力符合OLED显示屏对驱动电路的要求。图1和图2表明LCD和OLED显示屏都是有源矩阵结构,采用逐行扫描的动态驱动,驱动原理类似。LCD的驱动芯片常用的是SUMSUNG公司开发的行驱动芯片S6C0655和列驱动芯片S6C0671,这两种芯片的相关参数均能满足OLED显示屏对驱动电路的要求。

3.2.1 列驱动芯片S6C0671

图5是列驱动芯片S6C0671的内部逻辑结构。该芯片主要由64 bit移位寄存器、数据控制器、数据寄存器、数据锁存器、D/A转换器、数据输出缓冲器组成。

Y001-Y384为输出驱动端口,每个管脚输出64级灰度。每个彩色像素由3个R、G、B子像素组成,每个子像素由一个管脚单独控制,每个像素有256级灰度,这样,可显示16 777 216种颜色;SHL控制数据位移方向,当其为高电平时,DIO1为初始脉冲输入端,DIO2为初始脉冲输出端,输入数据方向由Y001 向Y384。当其为低电平时则相反;POL是极性输入端口,当其为低电平时,所有奇数列输出电压范围是VGMA1～VGMA9,所有偶数列输出电压范围是VGMA10～VGMA18 ,当其为高电平时,奇偶数列情况颠倒;CLK1脉冲用于锁存数据;CLK2脉冲用于将数据输入到数据存储器中;VDD1用于逻辑电压的输入;VDD2用于驱动电压的输入。

3.2.2 行驱动芯片S6C0655

S6C0655是SUMSUNG公司开发的TFT液晶显示器行驱动芯片,内部逻辑结构如图6所示。该芯片由128 bit移位寄存器、输出端状态控制器、输出缓冲器组成。

S6C0655有2种输出模式,当120/128端为低电平时,芯片为128路输出模式;当120/128口为高电平时,芯片为120路输出模式(其中G061～G68空置)。U/D是移位方向控制端,当端口为高电平时,移位方向是:初始脉冲→DI/O→G001→G002→…→G127→G128→DO/I;当端口为低电平时则相反。CPV是移位时钟输入端,移位寄存器由CPV上升沿触发。

3.3 驱动电路设计

OLED驱动电路的基本原理是:当行选通信号处于使能状态期间,列驱动芯片S6C0671中的数据线块依次呈选通状态,在此期间外部不同的电压水平数据轮番施加在各个OLED像素电路上,从而导致流过OLED的电流也呈现波动状态,最终实现显示屏亮度显示差异。

基于以上论述,选用FPGA控制器、驱动芯片S6C0671和S6C0655、外围电路(由译码器、锁存器等组成)构成AM-OLED驱动电路,其原理图如图7所示[6]。

在图7驱动电路原理图中,FPGA控制器是电路的核心,提供E2PROM,外围电路,S6C0655和S6C0671所需的控制信号,并完成数据的传输,工作流程如图8所示。

电路工作时,FPGA从E2PROM中读取X字节数据经外围电路传给S6C0671,S6C0671芯片将数据存储在数据寄存器中,FPGA控制S6C0655发出行扫描信号和Block信号,并给S6C0671输人CLK1, CLK1上升前沿到来,数据寄存器中数据被锁存并经D/A转换后经输出缓冲器传输给显示屏,即完成了一帧的显示,这个过程周而复始即形成了连续的显示画面[7]。

4 结语

本文基于OLED的应用情况,对AM-LCD和AM-OLED的驱动原理进行了深入的阐述,并结合理论进行了基于TFT-LCD芯片的AM-OLED驱动电路设计。本文对基于现有成熟完善的TFT-LCD驱动芯片进行改进应用于TFT-OLED的电路驱动设计方面具有一定的参考价值。

通过本文的分析研究,TFT-LCD驱动芯片经以少许改动后可以方便的应用于AM-OLED显示屏的驱动电路中。实际应用中还有许多方法可以实现此类设计目的,本文中的阐述仅是这方面应用的一个简单举例,希望能够起到抛砖引玉的作用。

摘要：基于OLED的应用对AM-LCD和AM-OLED的驱动原理进行了深入的阐述,并结合理论进行TFT-LCD芯片的改进设计,将其应用到AM-OLED的驱动电路当中。对基于现有TFT-LCD驱动芯片在OLED驱动电路中的改进应用具有一定的参考价值。

关键词：LCD,OLED,驱动电路

参考文献

[1]李震梅,董传岱.AM-OLED像素驱动电路的研究[J].电视技术,2004,28(12):49-54.

[2]程加力,司玉娟,李春星,等.用液晶驱动芯片驱动有机发光显示屏的设计[J].发光学报,2004,25(5):597-601.

[3]才华,司玉娟,郎六琪,等.彩色有源OLED显示屏上像素仿真及外围驱动电路设计[J].发光学报,2006,27(4):618-623.

[4]郑方,陈章进.高灰度级彩色OLED驱动电路的研究[J].电视技术,2006,30(8):47-50.

[5]朱艳菊,唐宁,骆扬.AMOLED屏上驱动电路的设计[J].电视技术,2011,35(7):66-67.

[6]程加力.有机发光显示屏驱动电路的设计[D].吉林:吉林大学,2004.

[7]张辉,李黎国,赵志超.基于FPGA的OLED真彩色显示的实现[J].电子科技,2012,25(5):4-7.

驱动电路设计 篇2

关键词：ccd 驱动时序 放大器

1引言

电荷耦合器件(ccd)是20世纪60年代末期出现的新型半导体器件。目前随着ccd器件性能不断提高。ccd驱动器有两种：一种是在脉冲作用下ccd器件输出模拟信号，经后端增益调整电路进行电压或功率放大再送给用户：另一种是在此基础上还包含将其模拟量按一定的输出格式进行数字化的部分，然后将数字信息传输给用户，通常的线阵ccd摄像机就指后者，外加机械扫描装置即可成像[1]。所以根据不同应用领域和技术指标要求。选择不同型号的线阵ccd器件，设计方便灵活的驱动电路与之匹配是ccd应用中的关键技术之一。

2ccd工作原理

ccd是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到ccd的光敏面时，ccd首先完成光电转换，即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。ccd的工作原理是被摄物体反射光线到ccd器件上，ccd根据光的强弱积聚相应的电荷，产生与光电荷量成正比的弱电压信号，经过滤波、放大处理，通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号或标准的视频信号。基于上述将一维光学信息转变为电信息输出的原理，线阵ccd可以实现图像传感和尺寸测量的功能。

3驱动电路的实现

图像传感器tcd1501c的主要技术指标如下：像敏单元数为5 000；像元尺寸为7μm×7μm；像元中心距为7μm；像元总长为35mm；光谱响应范围为400nm-1000nm．光谱响应峰值波长为550nm，灵敏度为10.4v／lx.s～15.6v／lx.s。使ccd芯片正常工作的驱动电路主要有两大功能：一是产生ccd工作所需的多路时序脉冲；二是对ccd输出的原始模拟信号进行处理，包括增益放大、差分信号到单端信号的转换[2]。最后驱动器输出用户所需的模拟或视频信息。

3.1 基于vhdl的驱动时序设计

本部分的设计是基于xilinx公司的cpld xc9572一pc44-10，在ise6.1环境下开发实现的。ccd器件需要复杂的三相或四相交叠驱动脉冲，多数面阵ccd都是三相或四相驱动，多数线阵ccd都是二相驱动。ccd为容性负载，工作频率高时有一定的功耗，因此需要对cpld输出的复位脉冲rs、移位脉冲(又称光积分脉冲)sh、箝位脉冲cp、采样脉冲sp，以及二相时钟脉冲φ1e、φ2e等各路驱动脉冲采用74hc14进行整形和驱动能力的放大，然后再送至tcd1501c器件的相应输入端，在ccd的模拟信号输出端将得到信号0s和补偿信号dos。tcdl501c正常工作时要有76个哑像元输出，一个扫描行周期内至少应包含有5 076个时钟脉冲，即tsh=5076×φ1e0.1μs，在本设计中tsh=5200×φ1e。由此可见，改变时钟脉冲频率或增加光积分脉冲周期内的时钟脉冲数，可以改变光积分周期，通常φ1e的频率设置为可调节的，这样可以根据ccd器件的实际应用环境灵活运用ccd器件的优点以改变光积分时间。只要条件允许，为降低ccd的电荷转移损失率。ccd驱动脉冲的频率应尽可能小。驱动脉冲的频率降低时，可以在示波器上观察到ccd输出信号幅值明显增强。

3.2 基于ad623的ccd输出信号差分驱动设计

ccd在驱动脉冲的作用下，经移位寄存器顺序输出视频信号，复位脉冲rs每复位一次，ccd输出一个光脉冲信号。差分信号测量电路里差模和共模电压，vdiff是信号差模电压，vcm是信号共模电压，信号输出vout=r2/r1·vdiff=g·vdiff理想状态下，一般差模增益g≥1，而共模增益(％mismatch／100)×g／(g+1)接近于零，因此可以看出共模增益主要是电阻不匹配的函数，在实际测量电路中可能会由于电阻值的微小不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致，而使电路的直流共模增益不为零。共模抑制比(cmrr)就是差模增益g与共模增益的比值[3]。用对数形式表示：201g[(100／％mismatch)×(g+1)]。实际工程应用中，电路工作在一个很大的噪声源中，如50hz交流电源线的噪声、设备的开关噪声、无线信号的传输噪声，这些干扰信号作用在差分输入端，将会在输出端产生一个共模信号，因此差分信号处理除了要求有高的dc cmrr．还要有高的ac cmrr。

图2 ccd的os端和dos端输出波形

在电路设计中选用了adi公司的仪器仪表放大器ad623。ad623集成了3路运放，将视频信号及其补偿输出分别送至ad623的反相和同相输入端．在ad623的输出端接一级射极跟随器以增强信号的驱动能力。选用该器件可消除采用普通运放和外围电阻所引起的输出信号的温度漂移。

4结束语

设计驱动纺织业 篇3

大赛与产业集群的结合正在变得越来越紧密，许多纺织产业集群的地方政府表现出越来越高的热情度。盛泽就是其中典型代表。

日前，盛泽镇党委副书记、中国东方丝绸市场党工委副书记、管委会副主任、服务业发展局局长钟永林欣然畅谈起这一大赛与盛泽纺织业的创新理念。

他说，盛泽发展至今，已有2300多家纺织企业，市场交易额达820亿元。是中国纺织业快速发展的缩影。在竞争越来越激烈的纺织业，引领本地纺织企业创新发展，已成为盛泽的工作重心。

在具体措施上，包括不断引导商户企业创建自主研发团队、连续三年鼓励企业报选面料入围中国流行面料工程、组织企业走向国外、重视对企业研发人员进行培训、通过本地的协会组织引导企业互动交流共同进步等。

而在创新推动工作上，首先，与协会合作大赛是盛泽的一个工作重点，今年年初就已将这一活动列入计划。

其次，继续对中国流行面料工程入围企业进行奖励。

第三，注重与专业院校的合作。积极组织企业与东华大学等院校对接，盛泽本地就有好几个企业与东华建立了长期合作关系。

第四，加大纺织设计、服装设计的引进力度。这些年，盛泽通过公共服务平台建设，形成对产业的强大支撑。如中国绸都网指数发布、纺织创意园的织物分析、国家检测中心与福华集团联合建立检测中心。

第五，注重对市场商户的引导。有的设计落后、营销乏力，需要推动他们更新换代、开拓市场。

第六，加强现有平台管理，拓展其功能。在全球绿色环保潮流下，联合会流通分会曾组织了日本白名单的内容培训。

传统纺织业如何实现产业升级？盛泽与中国国际面料设计大赛等项目的合作，正在推动着盛泽纺织业的创新之路。

基于EMCCD的驱动电路设计 篇4

(1)直接数字电路驱动法。

这种方法原理简单,容易实现。但是逻辑设计较复杂,调试非常困难,而且在实际电路中因使用芯片较多,为整个系统带来不可靠性。

(2)MCU驱动法。

该方法是通过编程MCU的I/O端口来获得CCD驱动脉冲信号的。这种方法的灵活性好,精度也可以很高,对不同的CCD器件只需要修改程序即可。由于CCD的驱动频率为MHz级,使得选用MCU器件的工作频率必须很高(提高了硬件成本),同时因频繁的中断和任务调度使MCU效率很低。

(3)EPROM驱动法。

这种驱动电路一般由晶体震荡器、计数电路和EPROM存储器构成。这种驱动时序产生方法,结构简单、明确,调试容易,缺点是结构尺寸太大,对于实现复杂的驱动时序有较大困难。

(4)专用IC驱动方法。

这种方法就是利用专用IC来产生时序,集成度高,功能强,使用方便。对摄像机等视频领域应用的CCD或三元彩色CCD,这种驱动方法是首选。一般由相应的CCD厂家提供。

另一种更有效的方法就是使用CPLD,FPGA等大规模可编程逻辑器件实现。通过对该逻辑器件的编程,能实现任意复杂的时序逻辑,且调试方便,只使用一片集成电路以及少数外围器件,故可靠性高。本文即采用这种方法,实现了CCD97所需的12路驱动时序。

1 CCD97简介

CCD97是E2V公司的背照式低照度CCD图像传感器,有效像素512×512,像素大小16μm×16μm,它是帧转移型CCD,芯片采用反向输出模式抑制暗电流,其灵敏度高,噪声控制方面精益求精,由于采用新的输出放大电路,使它能在11 MHz的像素读出速率下,以低于1电子/像素的超低噪声工作,其量子效率高达92.5%。它获取图像速度快,具有正常CCD和EMCCD双读出模式。在微光成像系统中更具有优越性,能实现真正意义上的24 h实时监控。

2 驱动电路的设计

2.1 CCD97驱动电路的要求

成像区向存储区的转移波形如图1所示。

信号电荷在增益寄存器中的转移波形如图2所示。图2为信号电荷在增益寄存器中的转移波形,转移脉冲RФ2HV的高电平必须先于RФ1和RФ2到达,同时RФ1和RФ2需要交替变化。

帧转移时序如下:

IФ与SФ为帧转移脉冲,RФ1,2,3为行转移脉冲。IФ与SФ的典型工作频率为1 MHz,RФ的工作频率为11 MHz。

在IΥ1,2和IΥ3,4反向时序下,将成像区图像信号逐行转移至存储区。需要转移的行数为518+8+8=528。

行转移时序图:

与帧转移结束,在转移时序RΦ1,2,3以及RΦHV的时序作用下,存储区的图像以行为单位进行转移,逐像素通过移位寄存器组,然后从读出放大器读出(EMCCD读出模式),其操作时序如图3所示。

CCD97所需的电压和波形如表1所示。

由CPLD,FPGA等可编程器件发生的时序逻辑冒充为TTL型,要想它能驱动CCD97工作,必须按照表1进行电平转换。

2.2 驱动电路的设计

该系统选用的FPGA芯片为Altera公司Cyclone系列的FPGAEP1C3T100,其有100个管脚封装,I/O的电源为3.3 V,内核电压为1.5 V,有1个锁相环(PLL),2个专用全局时钟输入管脚CLK0、CLK1,5个双重用途时钟管脚DPCLK。EP1C3T100是SRAM型的可编程逻辑器件,本身并不能固化程序,因此需要通过一片FLASH结构的配置芯片来存储逻辑配置信息。从Altera公司提供的数据手册,可知Cyclone系列的FPGA仅支持EPCS1,EPCS4以及EPCS16。而选用的EP1C3T100中,其原始二进制文件大小为627 376 b,使用EPCS1(1 048 576 b)的配置芯片。使用EPCS配置芯片在主动串行模式(AS)下(MSEL[0..1]置地),即可实现上电后,将存储器件中的数据传送到EP1C3T100中。系统通过ARM加载驱动程序实现对FPGA的配置,驱动FPGA产生CCD的工作时序。本系统选用Atmel公司的AT91RM9200的处理器。它是基于ARM920T内核,主频为180 MHz,运行性能可达200 MIPS,拥有独立的16 KB指令和数据Cache,并配备有16 KB的SRAM以及128 KB的ROM。

EP1C3T100芯片内含1个PLL,外接40 MHz有源晶振为PLL提供时钟。时钟模块通过QuartusⅡ的megafunctions下的altpll配置生成。采用非补偿模式,输入/输出时钟比为5∶1,输出的2路时钟c0,c1均为200 MHz。其中c0为clk_gen模块提供基础时钟。同时c1产生相位需要调整的RФ2HV,用以满足CCD97增益寄存器转移过程中的严格时序要求。

在FPGA时序发生设计中,依照CCD97工作的流程,进行逆序设计。从最高频率的像素移位读出时钟到行转移时钟最后到帧转移这样的流程进行设计。框图如图4所示。

2.2.1 IФ,SФ,RФ驱动设计

在设计IФ,SФ以及RФ驱动电路时,统一采用Elantec半导体公司的EL7457。它是高速四通道CMOS驱动器,能工作在40 MHz,并提供2 A的峰值驱动能力,以及超低的等效阻抗(3Ψ),它具有3态输出,并通过OE控制,这对于CCD的驱动来说,容易实现灵活的电源管理。为了简化设计,固定RФ2HV的电压幅值为典型值。在组成IФ和SФ的驱动电路时必须考虑CCD97驱动端的等效电容和电阻,如表2所示。

电路的时间常数:

又因为上升时间与时间常数的关系为:

为了满足最佳上升时间(200 ns)的要求,必须在EL7457驱动输出端串上一个小电阻,原理如图6所示。

图6中,FPGA_CLKI1,FPGA_CLKI2,FPGA _CLKI3,FPGA_CLKI4为FPGA产生的TTL时序。ARM_IOE为ARM核产生的门控信号,用来控制驱动脉冲IФ1,2,3,4的开关。由于理论与实际计算的误差,输出串接电阻R9,R10,R13,R14将通过硬件调试过程确定,以产生驱动CC97工作的最佳波形。同理,FPGA_CLKS1,FPGA_CLKS2,FPGA _CLKS3,FPGA_CLKS4为FPGA产生的TTL时序。ARM_SOE为ARM产生的门控信号,输出串接电阻待定。

在RФ1,2,3产生电路中,因为其电压摆幅要求为0~12 V,故给它加以12 V的电源(见图7)。

它的驱动频率为11 MHz,输出的上升时间不需要串接电阻调节,可达10 ns。同理,FPGA_CLKR1,FP-GA_CLKR2,FPGA CLKR3为FPGA产生的10 MHz的驱动时序,ARM_ROE为ARM产生的门控信号。这里还产生了一路控制行数据丢弃DG(Dump Gate)门控信号。该信号的摆幅同RФ1,2,3。以上电路的连接均通过Multisim仿真,仿真波形如图8、图9所示。

2.2.2 RФ2HV高压倍增驱动设计

RФ2HV的幅值决定着倍增倍数,是EMCCD的一项重要可调参数,必须在指定范围内可调以满足不同场合的应用。在设计RФ2HV时,由于其驱动电压摆幅高,现有的专用驱动芯片不能满足其高压驱动要求,必须采用特殊方法实现。根据E2V的文档,RФ2HV的波形即可以是正弦波,也可以是方波。如果为方波,则其高电平要先于RФ1变高,如果为正弦波,则要求其波峰要在RФ1下降时到达。

如果采用方波脉冲,因为RФ2HV为11 MHz,根据计算,其系统值将达2 W,CCD97上的功耗也将达到1 W;如果采用正弦波形式,可使CCD97上的功耗降到100 mW。在此,采用正弦波方式产生RФ2HV。

周期矩形脉冲信号用傅里叶级数展开后,除了基波外,只有奇次谐波,在通过一个低通滤波器后,便能转化成正弦波。因为FPGA只能产生TTL时序,这里通过先将TTL的方波转化成正弦波,即可通过一个7阶的巴特沃斯滤波器,将20 MHz以后的高频分量衰减,保留基频。在得到10 MHz的正弦信号后,通过第一级放大,这里采用National Semiconductor公司生产的LM6172来构成。LM6172为双通道高速、低失真、低功耗的电压反馈型放大器。通过将LM6172的双放大器组合起来形成双端输入/双端输出以增加带负载能力。

在设计中,把基本的放大参数预设为使输入正弦信号放大到21 V,这样产生的双端信号经过一个初次级电阻,比为1∶4的高频变换器达到输出高电平为45 V、低电平为4 V的驱动脉冲,供电电源为正负18 V的供电电源。为了使CCD97的增益可通过软件控制调节,这里使用了MAXIN公司生产的数字电位计MAX5429,预设目标是电压在40~50 V可调节。通过计算,反馈电阻参数如图10所示。其中,MAX5429为10 KB,其有32个可编程节点,上电后自动设置为节点16。在硬件电路设计完毕时,可通过ARM RCS(片选信号),ARM RUD(节点控制信号)来调节输出电压,如图10所示。这样通过对ARM的对应I/O口编程就能实现对CCD97的增益调节。但是因为这里选用了并联法,故调节时增益是非线性变化的。图11为正弦信号输入(经滤波器输出)经LM6172以及高频变换器后输出的仿真波形。

2.2.3 CCD97外围电路

CCD97除了需要外部的各种高摆幅转移脉冲,还需要各种幅值的控制信号输入。

在该系统中,为了简化设计,固定ABD(抗曝光),ФRL、ФRH high(视频信号复位端),DG high(行丢弃控制信号),DD(电源),OD(输出放大器电源开光),RD(复位上电电源)的值为典型值,分别为18 V,0 V,10 V,18 V,24 V,28 V,17 V。ФRL,ФRH的典型脉冲宽度为10 ns,这里仍然采用EL7457来产生。信号OG为控制CCD97输出的门控信号,它同时控制两种模式的输出,而ODH,ODL分别为控制CCD模式和EMCCD模式放大器输出的电源开关。系统要求ODH和ODL可控,在需要时关闭,这样就要求通过模拟的开关来控制ODH,ODL的电压是+28 V还是接地。这里采用ADI公司的ADG453,它的VDD到GND端的输入电压可达32 V,模拟输入/输出值为VDD+2 V,达到这里控制ODH,ODL的通断要求(28 V)。其中CCD和EMCCD端口分别为该CCD的视频信号输出。其输出需要外接5 kΩ的负载。

3 结语

提出了一种新型的CCD驱动电路,不仅可以达到几十兆赫兹的驱动频率,而且编程方便,硬件电路简单,根据用户需求,只要更换晶振或适当修改程序就能实现特定目的,具有很强的灵活性。通过仿真及实验验证,该方法切实可行,性价比高,不仅适用于CCD驱动电路设计,对于其他需要多种逻辑信号的场合也同样适用。

摘要：提出了一种高速EMCCD图像传感器CCD97时序驱动电路的设计方法。采用FPGA进行时序逻辑设计,利用EL7457集成器件对标准时钟进行电平转换。分立电路对快速高压(电子增益)时钟进行电平转换,从而建立EMCCD工作环境。仿真与实验结果表明,该方法能提供多路驱动时序,驱动频率高,硬件电路简单,编程方便,具有较好的性价比及应用推广价值,已用于CCD图像采集系统的研制。

关键词：EMCCD,时序驱动电路,FPGA,电荷耦合器件

参考文献

[1]杨少华,郭明安,李斌康.高速图像传感器CCD60驱动电路设计[J].传感技术学报,2009,22(6):898-900.

[2]张灿林,陈钱,尹丽菊.电子倍增CCD倍增要件研究[J].光子学报,2009,38(11):2771-2774.

[3]韩露,熊平.EMCCD工作原理及性能分析[J].传感器世界,2009(5):24-28.

[4]徐富新,申冬玲,吴承德,等.图像传感器的数据采集及其电路设计[J].湖南师范大学:自然科学学报,2007,30(2):51-55.

[5]陈闽,杨剩杰.电子倍增CCD微光传感器件性能及其应用分析[J].电光与控制,2009,16(1):47-50.

[6]杨少华,郭明安,李斌康,等.高速高灵敏光纤传输EMCCD相机设计[J].光电工程,2009,36(6):135-140.

[7]龚德铸,王立,卢欣.微光探测EMCCD在高灵敏度星敏感期中的应用初探[J].红外与激光工程,2007,36(5):534-539.

[8]李佳.ARM系列处理器应用技术完全手册[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[9]米本和也.CCD/CMOS图像传感器基础与应用[M].陈榕庭,彭美桂,译.北京:科学出版社,2006.

led灯具电源驱动方案设计 篇5

方案是从目的、要求、方式、方法、进度等都部署具体、周密，并有很强可操作性的计划。有关灯具的电源驱动方案设计，欢迎大家一起来借鉴一下！

一、项目基本情况

1.1 项目建设需求

多功能礼堂舞台演出显示系统分为主屏、辅屏和会标屏3个部分。主屏建设需求是建设大幅面、高清晰度的大屏幕，显示多个计算机数字信号、本会场摄像、远程监视或异地会商的视频信号等，实现摄像、讲解资料、视频会议等画面的显示，同时还要兼顾舞台演出背景；辅屏建设需求是显示一个标清信号，实现会议辅助内容的显示，也可用作演出时的报幕、字幕等；会标屏则需要显示多种颜色的文字。

礼堂舞台部分宽20m、深17m、高18m， 台口处宽15m、高7.8m ；舞台上方安装灯光、幕布等舞台机械装置；台口两侧耳墙距地面3m，宽8m，高6m。设计主屏显示面积至少72㎡（12m×6m），屏前是主席台会议和演出的场所，屏后则是演员通过和维护空间，第一排观众距屏至少17m ；辅屏在耳墙上，显示面积至少12㎡（4m×3m）。

二、影响室内LED显示屏质量的关键技术

室内LED显示屏在设计屏体时，要考虑显示内容、场地空间条件、显示屏尺寸或像素大三个重要因素，同时要确保生产工艺、技术指标等适合室内实际应用需求，再结合项目造价，进行合理设计。

2.1 LED显示屏点间距

视觉颗粒感主要来自人眼有一定的分辨力，在一定距离观看两点，当两点紧密到一定程度时，人眼将无法分辨。近两年随着LED显示屏制造技术的提高，小间距LED显示屏体分辨率不断提升，室内显示设计已从初始选择最小的点距规格方案提升到选择合适的点距规格方案。

表1 将比较典型的联诚发室内LED显示屏规格对比，P1.6、P2、P2.5、P3、P4、P5为室内常用规格，“P3”表示像素点距为3mm，最小视距为人眼分辨不出像素点颗粒的距离，但这个距离长时间观看会损伤视力，最佳视距为观看屏幕舒适的距离，也是最清晰的距离。

通过表1 对比可以看出，P1.6、P2、P2.5 三种规格，最小视距和最佳视距非常接近大平板电视的观看要求，整屏分辨率高达4800×2400，在同样的屏体上可以显示更清晰的画面，但在12m宽的屏幕上显示一个高清信号需要放大3～4倍，显示两个高清画面需要放大2 倍；同时高分辨率显示需要高性能的图像处理设备，系统的整体造价会很高。P4、P5 两种规格在12m 宽的屏幕上无法同时显示两个高清画面，不能满足高清会议电视画面显示要求。P3 即可满足同时显示两个高清画面的要求。根据显示屏幕大小，最终选定性价比较高的P3 作为项目主屏和辅屏的显示点距，选定P4 作为会标屏的显示点距。

2.2 封装技术

决定LED品质的一个因素是主要材料，如芯片、支架、胶水（环氧树脂）、金线等，另一个因素是封装工艺。像素封装技术关系到整个显示屏的色彩饱和度、视角等显示效果和生产成本、质量稳定性等，是选择LED显示屏非常关键的指标之一。

室内LED主流封装技术主要有表贴SMD、直插DIP模式。表贴是指将封装好的发光管粘贴在电路板上，然后进行集成电路焊接工艺加工成屏体。它散热性好、色彩均匀，整个显示屏可以正面维护，大大减小了维护成本和难度；同时，在封装过程中进行填充金属化合物，混色效果好，发光柔和，更适合室内应用。直插模块是将发光管封装成长方型，然后把红绿兰3 个管拼在一起做成一个像素点模块，直接安插在PCB 板上焊接，工艺相对简单、成本较低，坏点率高，主要应用于户外显示屏。

室内屏的像素结构有表贴三合一和表贴三拼一（分离表贴）两种方式。

三合一表贴是指红绿蓝3 个发光点封装合成在同一个发光管里面，近看是一点， 放大看就是3 个发光点分离的一条线，对生产环节的材料和工艺要求高，主要用于小间距、高密度高端LED显示屏的生产。

三并一表贴（分离表贴）是指红绿蓝3 个发光点是分开封装的，封装后排列成1 个像素点，再封装1 个面罩保护，能防尘、防划，并能保护发光晶片。三并一是分离表贴，三点分开供电，功耗小，且可实现单灯维修，成本较低。

一般来说，为了提升室内屏的显示效果，选用表贴三合一、黑灯技术、金线封装等。

2.3 LED控制电路的设计

LED控制部分是决定显示效果的核心部分，控制电路内置高性能单片微型控制芯片。控制器通过内部控制程序向LED驱动芯片发送控制信号和数据，LED驱动芯片接收到信号后，产生相应的动作，从而对每一路红、绿、蓝LED发光芯片实现单独控制。

2.3.1 驱动系统

LED驱动部分的功能是接收颜色数据并驱动LED显示屏按该数据所表示的亮度值显示，通常有恒流、稳压、恒压-恒流3 种方式。

恒流驱动电路输出的电流是恒定的，输出的直流电压随负载阻值变化而变化，整个电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。稳压电路输出固定电压，输出电流随负载的增减而变化，整个电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。先恒压再恒流方式是最理想的驱动电路，既要检测LED电流，又要控制LED电压，有利于提高LED寿命，减小功耗，一般用于高档LED产品中。

2.3.2 控制系统

LED的显示效果取决于通过它的电流与电压的大小、时间等，所以控制系统主要是控制LED的电源输出。目前，PWM（脉冲调制）控制方式设计的LED电源，转换效率高达80%～90%，且输出电压或电流十分稳定，属于高可靠性电源。

PWM可以控制LED开和关的时间比例，通过将时间比例划分为若干等级，使LED显示出相应数量的灰度等级（灰阶）。三基色的灰度等级的乘积，是显示屏理论上可以再现的颜色数量，一般为256 级，颜色数达到16.7M，就可显示24位真彩色的信息。

一般PWM 的频率大于100Hz，否则在观看时会有显示的闪烁和扫描线。现在灰度等级为10 位的大屏，刷新频率大多为800 ～ 1000 Hz， LED行业最高刷新率为6800Hz。在摄像机正常取景及转动下，LED屏体画面显示稳定无闪烁，而且在最高刷新率下灰阶过度顺滑，没有串色。

2.3.3 驱动系统与控制系统的组合

LED作为电路的负载，与驱动系统、控制系统的电路连接关系到整个显示屏的稳定性，一般有串联、并联、混联3种方式。串联方式是可靠性不高的连接方式，常用于低端产品中，在稳压驱动电路中，当某一颗LED发生短路时，分配在其他LED的电压将升高，容易造成更多损坏。

并联方式适用于电源电压较低的产品，恒流驱动电路中，当某一颗LED断开时，分配在其他LED的电流将增大，容易损坏电路上所有的LED。

目前为了提高产品的可靠性，一般采用混联方式，串、并联的LED数量平均分配，分组并联，再将每组串联在一起，这样分配在一串LED上的电压相同，通过每一颗LED的电流也基本相同，LED亮度一致，同时最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。

整个显示屏由多个模组单元拼接而成，为了保证供电和数据的可靠性，也必须采用混联方式，实现环路备份功能，当某一路电源出现异常故障时，其他电源会自动进行智能均流，从而不影响到系统的正常使用，更有效提升系统的无故障运行时间，减少故障维护时间。

2.4 会议摄像对屏体的特殊要求

虽然高刷新率能够保证即使在高速摄影机的拍摄下，大屏幕仍能及时响应，画面转换、过渡更平滑流畅 ；但在使用过程中会发现，当摄像机镜头对准 LED

显示屏时，偶尔会出现莫名其妙的水波一样的条纹和奇怪的.色彩，并且随着拍摄角度的变化、摄像机镜头焦距的调节，水波纹还会发生一些变化，十分影响直播和录制的显示效果，这就是电视摄像数字化带来的摩尔纹现象。

如果感光元件 CCD（或 CMOS）像素的空间频率与影像中（LED）条纹的空间频率接近，就会产生摩尔纹。既然摩尔纹现象是由 LED 显示屏的固有结构产生的，如果使摩尔纹产生的条件——LED 显示屏的网格结构或摄像机 CCD（CMOS）的网格结构的其中之一消失，理论上就可以完全消除摩尔纹干扰 〔3〕。国内公司在 LED 显示屏表面叠加一层光学处理幕，该幕由特定比例的特殊吸光材料与表面微珠透镜涂层组成，通过光学幕的使用，使 LED 屏幕从原来的网格状发光变为连续的面发光，通过对离散的 LED 像素点进行放大显示，最终在光学处理幕表面形成连续的高清晰图像，在提高对比度的同时，保留了较高的清晰度，而且消除了摩尔纹现象。

三、室内LED 显示屏室内安装设计

3.1 确定安装位置

主席台宽 15m，两边有侧台和侧幕，设定宽 12m、高 6.2m的显示屏，既不影响视频会议显示，又不影响演出背景显示，采用 P3.1规格的产品，可以显示 1 个满屏的全高清视频图像，也可以同时无损显示 4 个高清视频图像。

屏体的安装位置与最佳视距、视角有直接关系。GB50464-2008《视频显示系统工程技术规范》中数据和像素中心距公式H=k ？d。其中H 为最大视距 ；k 为视距系数，一般取 345；d为字符高度，字符为 16 点阵汉字。根据公式计算，理想视距H = 345×16×3.125 = 17.25m ；最小视距为= 1/2理想视距= 8.6m。综合两个距离，结合主席台的应用情况、会议区摄像及电视的摆放位置，建议第一排首长观看 LED 大屏幕的最佳距离为 18.3m。

根据人眼的视觉特性，人眼对垂直视角 15°、水平视角30°的长方体看得最清晰，不易疲劳。根据测算，第一排首长距离 LED 屏幕为18.3m，屏高6.2m，屏宽 12m，垂直视角α=16°，水平视角β 为 36.3°，效果比较理想。视觉计算如图 1、图 2 所示。

经测算，大屏幕安装在主席台上，屏后安装维护空间及通道 5m，屏前距主席台边沿 12m，屏体安装距地面 1.35m。

3.2 安装基础设计

LED大显示屏都是由若干个箱体组成，业界分为简易箱体和标准箱体（也叫防水箱体，有后盖）。户外的屏一般都用防水箱体，户内多用简易箱体。 LED芯片封装为像素后，按照一定规则排列在电路板上，封装并进行防水和加固处理，形成一个模组，模组分辨率一般为 64×48，多个模组组合封装在一个箱体中，就形成了箱体单元。每个箱体单元可作为独立的显示单元进行通电和数据显示测试，以某品牌产品 P3.1 为例，箱体单元的参数如下 ：尺寸 （W×H×D） 为0.4m×0.3m×0.1m，分辨率为 128×96，重量为 5kg（40 kg/㎡），平整 度 ≤ 0.2mm， 峰 值 功 耗 120W（1000W/㎡），平均 功 耗40W（330W/㎡）。

3.2.1 电源设计

礼堂属于重要场所，按二级负荷设计。该项目采用两路电源同时供电，当发生电力变压器故障或线路故障时，不致中断供电，另一路电源能负担全部负荷。根据《视频显示系统工程技术规范》，结合厂方设计参数，LED 显示屏满负荷用电功率，按每平方米 1000W 计算。主屏、辅屏和会标屏总负荷为 110kW，平均功率为 36.3kW。按照 LED 电源功耗设计安全规范，电源功率设计时要留有余量，一般电源的功率= LED 的功率 ×1.2，则项目中 LED 显示屏的总功耗为 132kW。

LED器件抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压的能力。在电源设计时，一是要设计智能配电箱，能够实时监测整个 LED 显示屏的负载运行情况，二是在配电前端安装UPS 或净化电源，三是对电源线进行合理的规划。项目的电源配置考虑到 UPS 的功率因数和最佳运行效率，UPS 额定功率为 132/0.8=165kV · A，电源型号为 GES-NT 160kV · A 模块化 UPS。在地下一层配电室安装 160 kV · A UPS 和蓄电池柜（后备时间 0.5h），从总配电汇流铜排压线引接 120m㎡4+1电缆至 UPS 输入输出配电柜 350A 空开，直接引接至 UPS 输入，UPS 输出引接至 UPS 输入输出配电柜 300A 空开，下引90m㎡4+1 电缆引接至 LED 大屏智能配电箱。

3.2.2 LED箱体安装

LED显示屏箱体有铁箱体、铝箱体和压铸铝箱体，3 种箱体应用于不同场合。压铸铝箱体主要用于高端和租赁，其特点是 ：模块化，连接简单，无风扇自然散热，超静音，效果较好，本项目采用的是压铸铝箱体。箱体安装维护支架为宽 12m、高 6.85m、深 0.8m，主屏箱体重量为 2976kg，箱体维护支架重量与箱体重量大致相同，整个屏体安装总重量为 6t，承重面积为 9.6㎡（12m×0.8m），每平方米要承受 625kg 的重量，因为舞台下面为没有支撑立柱的地下室，所以需要在LED 屏体下面安装一个 12m×1.2m 的承载基础，扩大承重面积。辅屏重量为 480kg， 耳墙中部有横梁，填充部分为空心砖，先在横梁上安装承重框架，而后把箱体固定到框架上。

LED显示屏钢结构架体应严格按照确认后的设计图纸、《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）及其他现行施工验收规范要求进行施工，框架、支撑架、显示屏箱体、控制器箱体等产品构件应安装牢固、结构稳定、边角过渡圆滑，无飞边、无毛刺，各种固定螺栓紧固，金属构件需接地良好。在北方，人体静电、电路静电都会给LED显示屏带来意外伤害，要可靠地实现工作接地，把数字电路等电位与大地相接，建立 LED显示屏系统静电荷泄放通道。

3.3 系统安装调试

LED显示屏发展到小间距、高密度 TV屏，物理像素间距已经不是制约其显示清晰度的主要因素，不能用高显示分辨率替代清晰度。显示屏的清晰度是人眼对显示屏分辨率、均匀性、亮度、对比度等多项因素综合的主观感受，而要达到主观感受的一致性，首先要LED各项性能参数一致。这就要在前期元器件筛选、LED参数细分的基础上，进行后续的精确校正。

3.3.1 屏体像素亮度、色度均匀性要求

在生产制造各环节，对LED参数的均一性会产生不同的影响，同时在故障板更换后，不进行调整会出现明显的亮区；为使各种显示图像平滑、色彩还原真实、亮度均匀，需要对特定区域特定像素进行逐点亮度、色度均匀性的调整。

3.3.2 色彩还原技术要求

目前各种LED显示技术尽管一般都采用 RGB作为三基色，但是三基色对应的色坐标是不完全相同的，部分产品存在色彩饱和度高和色域不完整的问题，需要严格按照色彩理论进行光强和色坐标校正，确保显示出理想纯净的颜色，实现显示屏的动态白平衡。

3.3.3 快速运动图像补偿技术

LED显示屏是按逐行方式进行显示的，而摄像机视频信号采用隔行扫描方式，在隔行向逐行转换中对静止画面和运动画面应采取不同处理方法才能既保证静止画面的清晰度，又能去除运动画面的拖尾现象。

3.3.4 单点校正技术

单模块亮度、色度校正技术可以实现对单个模块进行亮度和色度的校正，该技术很好地解决了屏体更换模块后，新模块与旧模块之间的色差问题。单点校正系统会对每个显示屏单元板中的每个像素进行单独控制，包括其亮度和颜色的控制，以获得前所未有的均匀度，生成最为清晰的图像。同时，为了提高色彩还原度，减小图像在处理与传输过程中的衰减和失真，选用性能可靠的图像处理器和光纤传输器也是很有必要的。

四、总结

基于项目驱动的课程设计 篇6

[关键词]高职；项目驱动；职业能力培养；学习情境；学习任务

[基金项目]山东省教育科学规划课题《高职计算机应用技术专业人才培养方法与模式的研究》，课题号2010GG250

[作者简介]王韶霞（1974-），女，汉族，烟台职业学院信息工程系软件教研室副主任，讲师，硕士，主要研究方向为计算机应用。

教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》提出：改革教学方法和手段，融“教学做”为一体，强化学生能力的培养。在教育过程中，目前大多数的高职院校的教学目标已经由过去的“知识为本位”转变为以“就业为导向”与“能力为本位”，教学目标的转变，意味着必须依据 “教学做”一体的载体--项目来实现，所以，在实践教学过程中的重中之重是：如何因地制宜的实施项目教学，培养学生思考、自主解决问题的主动性、解决问题的方式方法、团队合作等综合能力，突出职业能力的培养。下面以计算机应用专业的《面向对象程序设计（Java）》为例，谈谈自己的体会与经验。

一、项目选择

教学项目的选择，必须考虑到专业的定位，我们学院计算机应用专业的定位在面向环渤海地区中小企业的高职计算机应用技术人才的培养，中小企业需要具备一定的人力资源、生产、财务和营销等管理知识，同时具备信息管理技术、网络通讯技术、数据库技术的，具有很好的学习能力和二次应用开发能力复合型人才。项目的选择必须融合企业管理、数据库管理，同时为后续网站开发、ERP实施与二次开发等课程打好基础，《面向对象程序设计（Java）》课程的前导课为《C程序设计》，并行课为《数据库开发与维护》，考虑到学生的基础薄弱，项目的难度不宜过大，综合考虑选择《商场进销存管理系统》项目，以该项目为主线贯穿整个课程教学，项目设计由简单到难逐渐丰富，功能实现过程中融合基础知识的讲授，教学过程的完成即是项目模块的完成，综合实训为项目的完整实现。

二、项目分解

项目分解必须根据课程教学目标来完成。该课程的教学目标为：使学生掌握面向对象的基本概念；掌握面向对象编程工具的使用；能熟练地用JAVA语言进行程序设计，为学生以后从事更专业化的软件开发工作奠定基础。根据学生能力培养的要求，将项目分解为6个学习情境：商品信息管理初级开发、商品信息管理窗体开发、商品信息管理文件版开发、商品信息管理数据库版开发、商品信息管理网络版开发、MIS系统综合开发。

这六个学习情境，融合课程的所有要求的知识点，而且遵循由简单到复杂、由单一到完整的过程。例如第一个学习情境，任务的完成便是课程的基础知识的学习总结，仅仅由基础知识实现一个完整项目的一部分，这会让学生感到一种莫大的成就感，对他们继续学习带来极大的热情和鼓舞，后续学习情境让学生学到新专业知识的同时，也完成同一个模块功能的不同方法实现，模块的功能更加完善，设计更加合格，这样一步步循序渐进，学生每一步的基础都踏踏实实进行，为后续开发做好充足的准备。

三、项目实施

上面的6个学习情境需要分为若干个学习任务，以第一个学习情境“商品信息管理初级开发”为例，将其分解为9个教学单元：项目及模块功能分析、项目开发环境搭建及程序运行、用基本数据类型描述商品、主界面及商品管理界面设计、商品类的设计与实现、商品管理接口的设计与实现、商品信息输入、多个商品信息的存放与管理、商品信息管理模块整合实现。

在各个教学单元中，教师准备好项目指导教材、项目任务书、过程监控记录等书面材料和软件开发流程、规范和文档等指导性资源，按照软件行业的项目管理步骤进行教学，教学方法以项目驱动、职业环境陶冶和体验为主，培养学生初步的面向对象专业能力、能自主通过各种方式解决问题等方法能力、良好的团队合作沟通等社会能力。课堂操作流程为教师分析和演示功能模块实现，将各个教学单元再设计小案例进行专业知识讲解，学生根据教学单元中涉及的功能模块的需要，分组对其进行讨论，制定计划书，接着正式实施项目、演示项目结果，由学生阐述构造的机理，教师总结归纳，最后由教师评估分析，并进一步补充相关的拓展知识。这一过程可以让学生在掌握专业技术的同时，对面向对象编程有一个直观和更加感性的认识，让学生的编程思想进一步得到巩固。

在教学过程中，鼓励学生在教师讲解的基础上，自己通过查阅Java API 英文文档、网络搜索等方式自主学习，多方法完成项目，并比较多方法利弊，鼓励学生跟踪Java 新技术，参加技能类竞赛，锻炼他们的创新思维能力。本课程的教授，教师主要以对学生进行方法上的指导为主，进而放手让学生进行自主实践，在学生中培养“领头羊”，以一个队长带领一个组的全体成员，营造良好的学习氛围。

四、小结

采用项目驱动的方式进行课程教学，对教师的要求较高，教师必须注意以下三点：1.教师必须掌握Java核心语法，对Java技术具有深刻的理解。具有全面的软件开发相关知识；完成相关的教学资料（实训大纲、教学PPT、教学用书、教学案例等）的研发工作；参与课程的讲授、教学案例研发，带领、指导学生完成规定项目；有课程研发能力，能够将自己掌握的知识，结合教材开发出课程和讲义； 熟悉数据库相关技术，熟练掌握至少一种数据库开发工具；有强烈责任心，乐于与人分享经验和技术，语言表达流利。2.教师把握好每个教学单元难度、进度，根据学生整体完成情况灵活调整内容和时间安排。3.及时评价学生成果。实现项目模块功能的过程中或完成之后，教师应对学生完成的情况进行评价，评价可以是教师评价也可以是学生互评，肯定学生做得好的一面，分析存在的问题与难题，让学生更好地理解知识。项目驱动教学，能够较好的提高学生的学习兴趣，引导学生掌握各个知识点，提高参与实践的自主性，也有利于提高学生对Java 语言编程的应用能力。

[参考文献]

[1]赵志群.职业教育工学结合一体化课程开发指南[M]. 清华大学出版社,2009.

[2]符志强,张红.Java 语言课程案例教学改革研究[J].现代计算机.教学园地,2010,(10).

驱动电路设计 篇7

一、结合课程教学特点, 明确问题驱动目标

新课程背景下, 高中数学概念课教学活动需要摒弃满堂“灌输”的课堂教学模式, 教师需要结合《普通高中数学课程标准》中的相关教学内容, 明确课堂教学指导目标, 基于高中学生认知能力的数学概念课教学设计, 能够在充分激发学生数学学习兴趣的基础上, 使学生更好的理解数学概念, 为学生数学知识的深入学习奠定良好的基础.

以问导课, 设计驱动教学中, 教师需要可以将三维教学目标融入于其中, 关注学生学习的过程, 关注学生情感的体验. 例如在指导学生学习“曲线与方程”这一项内容中, 教师可以将课堂教学内容划分为四个层次, 其一为指导学生学习并理解曲线方程, 明确曲线方程的概念, 掌握特殊曲线和方程之间的互为表示关系. 其二为指导学生明确求曲线方程的基础步骤, 学会自主解答问题. 其三为通过不同的平面直角坐标系, 对同一曲线方程的影响进行分析, 能够合理建立平面直角坐标系. 其四为能够自主分析一些简单的曲线方程, 学会利用坐标法解答数学问题.

二、灵活设计数学问题, 组织学生合作探究

正所谓“兴趣是最好的老师”, 学生对所学习的数学概念产生兴趣, 便能够积极、主动的参与到课堂探究活动中, 使高中数学概念课教学产生“事半功倍”的教学效果.“以问导课, 设计驱动”问题驱动理念下的高中数学概念课教学设计, 可以结合学生的性格特点, 灵活设计数学问题, 教师可以将学生划分为若干个小组并为学生布置探究任务, 使学生能够通过小组合作探究的方式进行学习, 在营造良好课堂教学氛围的基础上, 也能够有效提升高中数学概念课教学的质量.

教师可以将前后座的4 名学生分为一个小组, 为学生布置各式各样的问题, 引导学生进行合作探究. 例如教师可以结合学生的实际生活提出问题, 如“你想邀请朋友到 × ×餐厅吃饭, 餐厅位置在兴华街北二路左侧20 米, 你该怎样叙述呢?”等问题, 学生可以通过建立直角坐标系的方式进行解答, 用点与坐标的对应关系来研究曲线与方程的关系.

再如教师也可以为学生布置“画出两坐标轴所成角在第一、三象限中的平分线m, 并写出方程; 画出函数y = 2x2 ( - 1≤x≤2) 的图像c”. 教师可以借助多媒体等信息技术软件, 为学生进行图像展示, 并组织学生借助信息技术进行操作或者在组内借助纸笔进行绘制 ( 详见图) . 在学生画完图像之后, 教师可以提出“对照抛物线的一部分C和方程, 如果符合某种条件的集合M与C分别和其他方程之间存在着怎样的联系?”学生可以与小组成员之间可以相互讨论和分析, 得出“如果M ( x0, y0) 是m上的任意一点, 那么它到两个坐标轴的距离是相等的, 即为x0= y0, 它的坐标 ( x0, y0) 即为方程x - y = 0 的解. 但是如果 ( x0, y0) 是方程x - y = 0 的解, 即为 ( x0, y0) , 以此为解的坐标点到两坐标轴的距离相同, 它则在平分线m上, 则可以将直线m和方程x - y = 0 相互联系. ”

三、注重教学语言应用, 培养学生数学思维能力

数学概念教学过程中, 教师需要在指导学生关注概念形成的同时, 指导学生重视知识之间的普遍联系, 培养学生形成一定的数学逻辑思维能力.

多种多样的数学问题有助于学生思维的启发, 在充分调动学生数学概念探究欲望的基础上, 教师可以通过适当的引申, 使学生能够感受到数学概念与数学概念之间的联系, 并能够逐渐形成较为完整的数学知识框架结构.

与此同时, 教师需要特别注重课堂教学中自身教学语言的应用. 相关心理学研究证明, 教师课堂教学中的语言将会直接影响学生的听课质量. 所以在高中数学概念教学活动中, 教师需要密切关注学生的表情变化, 给与学生更多的支持和鼓励, 教师需要多采用“请”、“谢谢”等话语, 尊重学生、关心学生.

结束语

新课程背景下, 高中数学概念课教学活动可以通过结合课程教学特点, 明确问题驱动目标; 灵活设计数学问题, 组织学生合作探究以及注重教学语言应用, 培养学生数学思维能力等方式, 不断提升高中数学课堂教学的质量, 促进学生多元智能的发展.

摘要：基于问题驱动理念下的高中数学概念课教学设计是高中数学教学模式创新的重要表现, 文章主要提出结合课程教学特点, 明确问题驱动目标;灵活设计数学问题, 组织学生合作探究以及注重教学语言应用, 培养学生数学思维能力等相关教学策略, 旨在不断提升高中数学概念课教学质量.

关键词：以问导课,问题驱动理念,高中数学概念课,教学设计

参考文献

[1]尹丽文.问题驱动理念下的高中数学概念课教学设计探析——以《曲线与方程》课为例[J].学周刊, 2013, 14:144-146.

[2]邵敏亚.提出一个问题, 生成一个平台究给出一串问题, 创设“生动”课堂[D].重庆师范大学, 2012.

高亮白光LED照明驱动电路设计 篇8

哥本哈根会议之后, 高效、节能、环保已成为各国关注的热点, 也是各行各业追求的目标, 具有无污染、长寿命、耐震动、抗冲击等特点的第四代绿色光源, 在照明行业引发了一场革命, 将产生深远影响。由于LED特定的U-I和φ-I特性, 决定了恒流驱动的效果明显好于恒压驱动, 并且能够有效保证照明系统的可靠性。Supertex公司开发的固定频率PWM控制器HV9931产品, 其引脚图如图1所示, 提供了简单无变压器恒流变换器解决方案, 并能够同时校正功率因素 (PFC) 。因而非常适用于LED照明电路。

2. LED的连接方式

LED灯珠选单颗1W高亮白光LED, 发光效率高达80lm/w是普通白炽灯的四倍, 只要采用适当散热措施就可以有效的控制PN结的温度和光衰, 能够保证长期稳定工作的可靠性。另外采用图2所示的交叉阵列结构进行连接。就可以有效控制LED品质不良带来的灯珠差别以及个别灯珠的短路和断路问题, 使整个灯在个别灯株发生问题时仍能正常工作。

3. HV9931引脚功能

1脚 (VIN) :该脚是输入高电压调节器, DC8V到450V;2脚 (CS1) 和7脚 (CS2) :用于对输入和输出电流的检测, 它们与内部比较器的反相端相连;3脚 (GND) :接地;4脚 (GATE) :该脚与外部N沟道MOSFET的栅极相连;5脚 (PWM) :该脚接地时, HV9931开关失效。该脚用于LED调光的时候;6脚 (VDD) :IC内部电路电源的供给端口, 一般与低ESR电容相连, 其典型值是7.5V;8脚 (RT) :与地间以电阻相连, 用于设置PWM关断时间。

AC输入电压经全波整流后加至HV9931芯片1脚, 经内部高压稳定器电路, 产生7.5V的VDD电压, 作为电流感测比较器的参考电压。只要6脚的电压低于6.5V, 内部稳压器欠压保护电路就会工作, HV9931就会关断。6脚所加的电压高于7.5V就可使HV9931工作, 此时, 内部线性稳压器将截止。

4. 驱动电路设计

本设计以HV9931为核心器件, 输入电压120V到240V, 具体电路如图3所示。输出电压uo=12.8V, Io=600mA, 输入Buck-boost级工作DCM模式, 转换效率为η1=0.85, 输出Buck工作CCM模式, 效率为η2=0.9, 总的效率为η=0.85×0.9=0.76。市电由输入端进入, 经整流滤波后加到Buck—boost—Buck变换器, 可以根据产品的需要添加EMI电路、压敏电阻输入保护环节。HV9931通过检测输入、输出电流, 以设定的频率控制MOSFET来实现Buck—boost—Buck变换器功能, 及有效进行调光。

4. 主要元器件选取

4.1 RT的选择

根据Suptex公司的HV9931实用手册, 设定固定关断时间Toff=8μs, 则由RT=25Toff-22, 计算出RT=178KΩ。

4.2 输出电感L2的选择

L2上的电流文波峰值ΔIL2, 随L2增大而减小, 对输出电流控制部分的干扰更敏感。一般ΔIL2取0.2到0.3Io, 取ΔIl2=0.2Io=0.2×0.6=0.12A。则, 取940μH。根据实际需要, 为减少输出电流纹波, 可以在输出端加个滤波电容Co, 取4.7μF/40V。L2中的峰值电流为:IL2 (Pk) =IL2+0.5×ΔIL2=0.6+0.5×0.12=0.66A。输出电感L2选用940μH, 饱和电流大于720mA的电感。

4.3 输入电感L1的选择

输入电感, 取570μH。为计算L1的电流峰值, 引入δ和占空比D, 计算公式如下。

在UAC=120V电压下, δmin=47.4, Dmax=0.25;在UAC=220V电压下, δ=159.2, D=0.146;在UAC=240V电压下, δmax=189.5, Dmin=0.135

在UAC=120V电压下, δmin=47.4, Dmax=0.25;在UAC=220V电压下, δ=159.2, D=0.146;在UAC=240V电压下, δmax=189.5, Dmin=0.135

输入电感L1的电流峰值为:

, 故输入电感选用570μH, 饱和电流大于1A的电感。

4.4 Rs1、Rs2、Rcs1、Rcs2的选择

Rs1、Rs2用于检测输入、输出的电流, 并通过Rcs1、Rref1和Rcs2、Rref2分别接地, 以分的电压共给内部反相端 (CS1和CS2) , 从而控制GATE的输出电平。当CS1、CS2为负电平时, GATE输出脉冲将停止, 直到下一个时钟脉冲GATE才恢复输出。设计中设置Rs2的功耗为0.2W, 则, Rs2可选用0.6Ω/0.25W的贴片电阻。取Rref2为50kΩ, 则取用2.7kΩ/0.25W。

若设定Rs1在UAC (min) 下的功耗为0.1W, 则由计算出Rs1=3.8Ω, 故选用3.5Ω/0.25W的贴片电阻。

将输入电流的峰值IL1 (pk) 限制在120%, 取用50KΩ的Rref1, 则根据, 计算出Rcs1=22.1KΩ, 故选用22KΩ/0.25W的贴片电阻。

4.5 开关管M1的选择

通过计算开关管的峰值电流为1.5A, 峰值电压为500V, 故选用IXTA2N80P, 800V、2A的贴片封装的N沟道MOSFET。

4.6 C1的选择

C1用于抑制电流的谐波, 容量由计算, 其中η2=0.9、δ=159.2、f为交流电的频率50Hz、K3为交流电三次谐波失真系数

为0.15、Uo=12.8, 则C2=10.4μF。C1上的峰值电压由计算得, Uc2max=105V, 故选用10.4μF/200V的电容。

4.7 其他元件的选择

电源输入端的整流桥采用IN4007二极管 (VR:≥1200V、IF:1.0A) , Cdd用4.7μF/10V的低ESR电容, CIN则选用0.1μF/400V的电解电容, 也可以需用电感作为滤波元件。D1选1A/600V的快速回复二极管, D2、D3则采用2A/100V的二极管。

5. 结语

HV9931是一种非隔离恒流IC控制器, 利用单级PFC Buck-boost-Buc电路, 不仅使得驱动系统的体积而减小了, 而且能满足电流谐波的限制要求, 同时功率因素接近1。彰显出独特的优势, 另需要指出的是, 在实际使用中还要注意灯珠的链接方式、整个电路和灯珠PN结的散热问题, 以便有效地控制住系统的光衰现象。

摘要：本文基于Supertex公司开开发的HV9931产品, 提出了一种非隔离固定频率开关单级PFCBuck-boost和Buck拓扑结构白光高亮LED的驱动电路系统, 并给出了主电路及电源输入、控制电路等外围电路的元器件的选择方案。

关键词：LED灯,驱动器,HV9931

参考文献

[1]Supertex, Inc.Hv9931 Data sheet[DB/Ol].http://www.supertex.com/pdf/datasheets/HV9931.pdf.2006.

LED驱动电源设计 篇9

1 LED驱动电源结构

LED驱动电源可以对电压进行调整, 确保LED灯内为直流低电压。LED驱动电源能够满足当前的电气需求,可以确保LED灯达到最理想的发光效果,降低可能出现的电网污染及电网影响,提升光源的质量。

1.1 LED驱动电源的结构选取

LED驱动电源主要包括交流供电方式与直流供电方式两种。直流供电LED驱动电源主要是电池、电瓶等,该电源在设计的过程中主要是依照直流电源特征选取的拓扑及控制结构为恒流电源。交流供电LED驱动电源主要是将交流电源转换成LED需要的直流电源,具有非常高的稳定性、安全性,可以明显提升电源的使用效率及使用质量。

1.2 PFC电路拓扑及控制方式

PFC指功率因数校正。该电路拓扑结构在使用的过程中要对储能元件进行合理应用, 通过对其自身的大电容及电感进行合理设置,加强对谐波的抑制效果。该种方法在使用的过程中要对有源开关及AC/DC整流电路正弦波状况进行控制,减少谐波成分。PFC电路拓扑在使用的过程中主要是输出稳定的直流电压,提升了变换器之后的变换效率。PFC装置在使用的过程中具有非常小的体积,控制精度较高。但是该种方法在使用的过程中无法适用于大功率场合。当前PFC电路拓扑主要包括以下几种变换器结构。

2开关电源原理

2.1 DC-DC转换电路拓扑结构及原理

当前DC-DC转换电路拓扑结构主要包括升压、降压及升降压三种变换器形式,可以依照电路要求及实际应用完成调节控制。

降压变换器又被成为三端开关型降压稳压器,主要通过串联方式进行开关电路控制,由晶体管与直流电源串联形成的稳定电源。升压型变换器又被成为三端开关型升压稳压器,主要是通过并联方式进行开关电路控制,由晶体管及电源之间并联形成的稳定电源。该变压器升降压型变换器是由升压型变压器与降压型变压器联合简化形成,可以有效改善当前电压电源稳定状况。该变换器在使用的过程中需要对二极管连接方式进行正反向转变,因此又被称为反号变换器。

2.2变换器工作原理

降压变换器在使用的过程中主要依照开关对控制模块、振荡器信号进行控制,完成开关导通及闭合控制。当基准电容电压达到规定值时,开关触发振荡器电路,完成导通操作。当电流达到峰值是完成触发动作,保持晶体开关管处于断开状态,完成降压变换操作。升压变换器在使用的过程中与降压变换器主体一致,也是依照上述原理完成控制操作。但是在该控制的过程中当电流达到峰值是要启动比较器电路,保证晶体管开关处于闭合状态。

升降压变换器控制模块可以明显加强导通控制。上述控制过程中,触发振荡器可以明显将电路启动进行合理控制,完成开关管导通信号传输。当达到峰值定值时,升降压变换器可以触发比较器电路, 完成晶体管的闭合控制,达到对脉宽调制控制功能。

3电路结构设计

3.1主电路结构

3.1.1开关电源

开关电源设计要对开关二极管、有源开关、电感、电容器进行合理使用。主电路电源设计时要合理应用半桥式转换器、单端正激式变换器等装置,依照设计要求选取主要原器件,通过脉冲宽度频率调制、 脉冲频率调制或脉冲宽度调制完成脉冲频率的调制及控制。

3.1.2反激电路

反激电路在设计的过程中要对电网中的输入电流进行控制,要对直流电压及电路保护形式进行全面分析。当前反激式电路主要包括幵关频率振荡电路、脉宽调制电路、驱动电路、比较放大电路、过压保护电路几部分。主要通过降低输出电压、 导通时间、高输出端口电压等控制因素或操作,完成储能补偿。

3.2电感、电容的计算值

在对电感、电容进行计算处理的过程中要对核心电路进行明确,依照电感线圈及电容状况,对电流比率及平滑直流回路电流状况进行明确。计算数据中显示但电感值越大,控制效果越好。

当电流在持续状态下为电感临界值时,设电网电压经过整流电路后电压在270~340V范围内,当输出电压最低为270V时,电感为7.59m H,电容为6.2u F。

4控制电路设计

电流反馈、电压反馈、PMN反馈及输出电压组成是当前控制电路的主要组成部分。上述内容在应用的过程中主要是通过对脉宽调节控制实现电压调节。其主要控制结构见图2

控制电路在设计的过程中要对以下几方面功能进行完善。第一,对控制电路进行设计,提升电压可控制输出效果。电路工作过程中要调节两个晶体管驱动脉冲宽度一致,保证正向与反向磁通量相同,防止产生偏离现象。要对限制脉冲宽度即软起动周期变化进行控制,降低直通。第二,要对输入信号及输出信号进行隔离,确保电压稳定性,完成各项电路的主体控制效果。

5总结

磁致伸缩换能器驱动电路设计 篇10

磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料及线圈组成的。磁致伸缩材料是一种新型功能材料, 具有比压电材料高数十至数百倍的磁致伸缩应变值, 并且有输出功率大、微秒量级响应速度、工作频带宽等优异特性, 因而广泛地应用于电子机械、办公自动化装置、仪器仪表、 减振降噪系统等领域。

用磁致伸缩材料制成的换能器具有以下优点: (1) 具有较高的能量转化效率, 在静磁场下, 磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩应变是镍的30倍或PZT (压电换能器) 的3-5倍, 在谐振的情况下, 比静态应变还要高出数倍; (2) 具有非常快的响应速度, 磁致伸缩材料响应时间小于1μs, 器件的响应时间主要取决于驱动电路信号的频率, 约为10μs左右; (3) 具有性能稳定特性, 一般说来磁致伸缩材料的居里温度较高, 不会出现高温极化现象, 而且使用磁致伸缩材料制作的换能器可以在较低电压下工作, 不容易出现PZT换能器的高压击穿故障; (4) 具有宽频带响应特性, 工作频率范围可以从几十赫兹到几十千赫兹。

由于磁致伸缩换能器具有以上特点, 因此在工业管道除垢领域得到了广泛应用。在国外磁致伸缩换能器驱动电路比较成熟, 特别是俄罗斯、日本及欧美已经广泛应用于工业除垢领域, 现阶段国内磁致伸缩换能器驱动电路主要存在功率小, 频率固定不可调等问题。文章设计的驱动电路解决了功率小, 频率不可调等问题, 与磁致伸缩换能器组成了工业管道除垢装置具有无污染、不需要拆卸、操作方便简单、可在线工作等优点, 具有广泛的应用前景。

2磁致伸缩换能器的驱动电路设计

2.1 STM32信号产生电路

文章驱动IGBT (绝缘栅型晶体管, Insulated Gate Bipolar Tran- sistor) 的信号是由STM32f103zet6来完成的, STM32f103zet6是意法半导体公司生产的一款32位单片机, 该芯片具有精度高, 成本低廉, 功耗小, 性价比高, 可以高达512K的数据存储能力, A/D转换速度更快更精确等优点。它具有72MHz的高速处理能力, 7个DMA控制器, 2个12位ADC, 多达16路的PWM (脉宽调制, Pulse-Width Modulation ) 输出等功能, 文章使用它产生两路互补带死区的PWM信号, 并且通过按键可以改变PWM信号的频率 (频率在5k-30k) , 数码管的作用是显示当前的频率。

2.2 IGBT的驱动

文章使用IGBT作为换能器驱动电路的功率元件, 是因为其具有耐高压及大电流特性, 高输出功率满足了换能器对大能量的要求。因为IGBT大多数情况下应用于高压、大功率场所, 所以整个控制电路与驱动电路在电位上需要完全隔离。隔离的方法一般有两种。第一种是采用光电耦合器进行隔离。优点是:体积小、结构简单、 应用方便、输出脉宽不受限制, 缺点是:共模干扰抑制差、响应时间较长、不适用于高频情况下, 并且辅助电源需要相互独立隔离。第二种是采用变压器进行隔离。优点是:响应时间短, 具有较好的共模干扰抑制效果, 缺点是:信号的传输会受到磁芯饱和特性的限制、制作工艺复杂。

文章设计的IGBT驱动电路采用第二种方方法, 其中Q1~Q4组成变压器初级驱动电路, 工作原理为Q1、Q4和Q2、Q3的轮流导通, 将驱动信号加至变压器T1的初级, 变压器的次级通过电阻R1、并联的二极管与IGBT的栅极相连, R1、R2的作用有两个: (1) 防止IGBT栅极开路。 (2) 提供充放电回路。为了提高IGBT的开关速度, 在R1上并联了加速二极管。过高的栅射电压可能导致击穿栅极, 因此在栅极端加了稳压管VS1、VS2, 目的是限制加在IGBT栅极电压。

2.3 IGBT半桥逆变

因为磁致伸缩换能器中的高频线圈需要通交流电, 所以文章需要将直流电转换成交流电来驱动换能器。文章采用了IGBT半桥逆变, 与IGBT全桥逆变相比具有电路简单, 成本低优点。电路的工作过程大体可分为三个阶段:第一阶段:IGBT-1导通, IGBT-2关断, 此时线圈两端的电压为母线电压的一半, 电流方向由A到B。第二极端:IGBT-1关断, IGBT-2关断, 此时没有电流。第三阶段:IGBT-2关断, IGBT-2导通, 此时线圈两端的电压基本上也为母线电压的一半, 电流方向由B到A, 通过三个阶段的工作把直流电转换为交流电。为了满足加载负载上的流过的正向电流和反向电流一样, 选择电容C1, C2时量满足C1=C2。

图1是流过负载L1的仿真波形图。从图中可知电流的峰值大约为0.48A, 其中直流电压VCC为200伏、C1和C2的值为220μF, L1为100Mh, 驱动信号的频率为10K。

2.4电源

文章所需要的电源有:STM32工作所需的3.3V直流电源, 驱动IGBT所需的30V直流电源和半桥逆变所需的200V直流电源。3.3V直流电、30V直流电及200V直流电都要经过变压器变压, 全桥整流和LC滤波。图2是产生直流200V的电路图。

3结束语

文章实现了应用于工业管道中的磁致伸缩换能器的电路设计, 输入电压为交流220V, 功率100W, 该装置具有输出功率大、驱动信号频带宽、适应性好 (频率可调) 等特点。由该驱动电路和磁致伸缩换能器组成的工业管道中除垢装置, 取得了良好的除垢效果。

参考文献

[1]王松, 祥模, 惠飞, 等.基于DSP的超磁致伸缩换能器驱动电源设计[J].电子设计工程, 2012, 20 (12) :96-102.

[2]薛淼.超磁致伸缩材料在换能器中的应用研究[D].内蒙古科技大学, 2007:23-28.

[3]曲双如, 丁克勤, 赵晶亮.四种超磁致伸缩材料特性测量方法的比较[J].电子测设, 2012, 3 (8) :16-19.

[4]徐爱群.超磁致伸缩换能器谐振频率自动跟踪方法[J].中国电机工程学报, 2009, 29 (21) :114-118.

[5]崔一惟, 贺伟.基于APD激光窄脉冲探测系统的研究[J].现代电子技术, 2015, 38 (4) :135-138.

[5]李国平, 林君焕, 潘晓彬.超磁致伸缩执行器的驱动电路及接口设计[J].航空精密制造技术, 2007, 43 (4) :32-34.

[7]曾任贤.基于稀土超磁致伸缩材料的惯性冲击式微电机驱动电源的设计[D].南昌大学, 2014:13-15.

IGBT驱动及短路保护电路研究 篇11

关键词：短路保护 驱动电路 IGBT

ICBT是一种具有良好的综合性能的功率开关器件，因此被广泛的应用在了各种变流装置中。由于以往的设计者往往只是对缓冲电路和主回路的设计比较关注，而将其短路保护电路以及IGBT驱动忽视了，这样就导致整机的可靠性在很大程度上受到了这些问题的影响。为了能够有效的解决上述的问题，本文论述了如何对短路保护电路和IGBT驱动进行选择和设计，笔者在此IGBT的驱动电路进行了分析，并对其短路保护功能进行了优化。

1 IGBT在保护和驱动电路方面的要求

1.1 IGBT及其dν/dt保护和短路保护分析

①IGBT的dν/dt保护主要指的是在如果具有过高的集射极间电压变化率，也就是具有较高的dν/dt，就有可能会导致出现IGBT发生动态锁定效应，在严重的情况下还会将IGBT击穿。不仅如此，因为级间等效电容的存在，如果dν/dt过大还会对IGBT造成进一步的影响，致使器件误导通的现象出现。针对这种情况可以使用缓慢降低栅极电压的方式以及对关断缓冲电路进行合理的设计，就能够使dν/dt得到有效降低[1]。②当短路发生时，在IGBT的还没有出现实质性损坏时就对其进行保护关断，就是所谓的IGBT的短路保护。同时在IGBT的短路安全工作区内对I一V在保护关断时的运行轨迹和短路电流进行限制。除了会导致产生热失效之外，器件的锁定效应和电压击穿等现象也与短路电流有着密切的关系。其主要原因在于IGBT的内部存在寄生晶闸管结构，当大于擎住电流的短路电流出现时，IGBT就会出现锁定效应，并丧失了栅控关断能力。采用对短路电流的幅值进行限制的方式就能够对锁定效应的发生起到有效的预防作用。

1.2 IGBT对驱动电路的基本要求分析

IGBT属于一种功率开关器件，因此整机的性能在很大程度上受到了IGBT的工作状态的影响。因此对合理的驱动电路进行选择或者设计就具有十分重要的作用，一般来说，理想的驱动电路必须要保证具备以下几项功能[2]。

①驱动电路必须要将正反向栅极电压VGE提供给IGBT。器件VCES会随着正向VGE的增高而逐渐的降低，这样对器件的通态损耗就会越为有利。然而为了能够对短路电流的幅值起到有效的限制作用，一般需要在20V的范围内对VGE进行控制[3]。②驱动电路必须能够有效的隔离输出和输入信号，而且对驱动电路内部的信号传输的延时进行控制，最好能够达到无延时[4]。③理想的驱动电路在出现过流故障或者短路故障的时候必须要具备短路保护的功能。

2 IGBT驱动和电路保护的措施

笔者以电路保护方案和IGBT驱动为基础，设计了IGBT驱动电路，其具有比较齐全的短路保护功能，具体情况见图1。

图1 IGBT驱动及短路保护电路方案

对输出和输入信号进行隔离的任务可以由其高速光藕6N137来完成，只有75ns的信号传输延时，因此在高频应用场合特别适用。动脉冲功率放大环节主要由V2、V3、V4共同构成。短路信号检测环节主要由D2、R6、Vl、R4等共同构成，快恢复二极管被应用在了其中的D2中，延时缓降栅压功能以及短路信号门限电压比较功能主要是Al、A2、V5等共同实现的，延时封锁输入信号功能主要是由CD4081、V7、LMC555以及V6等实现的[5]。

2.1 分析正常的工作状态

当高电平脉冲信号通过控制电路送来时，V3和光耦6N137可以对其导通，V2、V1进行截止，驱动电路将+l5V的栅极驱动信号提供给IGBT。如果控制电路将低电平脉冲信号送过来，光耦6N137关断，V2、V1进行导通，V4导通，驱动电路将-5V的栅极驱动信号提供给IGBT。

2.2 短路故障状态分析

当短路电流高于设定值时，就可以翻转A1，输出高电平。V5经过2.5μs的延时能够获得导通，从而缓慢的降低B点的位置。此时会有不断下降的栅极驱动电压出现在IGBT中，从而有效的延长了IGBT对短路电流的耐受时间，而延时缓降栅压功能就在这部分电路中实现了。

在成功的导通了V5之后，就可以截止V6，此时如果能够将短路信号进行7μs的维持，则可以翻转LMC555翻转，并输出高电平，从而成功的导通V7。在进行输出信号封锁时可以使用门4081，从而使IGBT的保护关断。如果LMC555在双稳定的工作状态下被翻转，就会将高电平输出，从而就会始终封锁输入信号，并使使用者感到强迫作用，并及时关机，采取有效的措施来排除短路故障。如果在翻转LMC555之前短路故障就已经解除了，则B点电位就会朝着+15V实现自动恢复。在关断IGBT的情况下Vl会导通，这样就使得IGBT导通状态与短路保护电路之间实现了同步。选择恢复二极管为D2主要是为了防止对IGBT进行关断时集电极上的高电压窜入驱动回路中。

高速电压比较器LM319在Al、A2中得到了应用，这样就能够使保护电路的反应速度得以提升；对VZl的稳压值进行调整能够对短路电流門限值进行调节；R9和C4是决定降栅压动作的延迟时间的主要参数；VZ5和C5是决定输入信号的封锁时间的主要参数；对缓降栅压斜率进行控制的电容器是C3，通过对C3参数的调整能够使栅极电压下降斜率得到有效改善。

目前在新开发的等离子喷涂电源中已经成功的运用了该电路，其在恶劣的环境下也具有良好的运行状态。

3 结语

①该驱动电路具有可靠和简单的特点，而且具有较小的输入输出信号传输延时，其选择了-5V以及+15V这两种方案。②其优点在于能够实现延时缓降栅压功能和输入信号的封锁功能，以及短路信号检测功能等，与此同时，其还可以调整封锁输入信号延迟时间、缓降栅压动作延迟时间以及引起保护电路动作的短路电流门限值。IGBT如果在大电流的情况下就可以配合使用LEM电流传感器以及短路保护电路。③该驱动电路需要配备较多的直流电源。

参考文献：

[1]姚文海，程善美，孙得金.大功率IGBT模块软关断短路保护策略[J].电气传动，2014（09）.

[2]陈永真.IGBT短路保护的控制策略分析[J].电气传动，2010（08）.

[3]刘革菊.二代大功率IGBT短路保护和有源钳位电路设计[J]. 山西电子技术，2013（01）.

[4]尹华，刘锐.PWM型DC/DC变换器过流/短路保护电路的设计[J].微电子学，2008（01）.

[5]余琳，黄康，王海军，王剑平，盖玲.绝缘栅双极晶体管串联关键技术[J].强激光与粒子束，2013（05）.

步进电机驱动电路设计与实现研究 篇12

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件,由于步进电机具有控制方便、体积小等特点,所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用,为步进电动机的应用开辟了广阔前景,使得以往用硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现,既降低了硬件成本又提高了控制的灵活性,可靠性及多功能性。市场上有很多现成的步进电机控制机构,但价格都偏高。应用SGS公司推出的L297和L298两芯片可方便的组成步进电机驱动器,并结合MCS-51单片机进行控制,即可以实现用相对便宜的价格组成一个性能不错的步进电机驱动电路。

1 工作原理

由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件,它不能直接接到交直流电源上,而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器。典型步进电机控制系统如图1所示:控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号,它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端,以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类:一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能,通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器,通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电机目的。

2 硬件电路组成

文中所控制的步进电机是四相单极式减速步进电动机。本文所设计的步进电机控制驱动器的框图如图2所示。它由MCS—51单片机、集成芯片L297和L298组成。

2.1 步进电机控制电路

本系统的控制电路采用单片机MCS-51进行控制。

在工业检测、控制中,许多场合都要用到计数或定时功能。例如,对外部脉冲进行计数、产生精确的定时时间等。MCS-51单片机内有两个可编程的定时器/计数器T1、T0,以满足这方面的需要。两个定时器/计数器都具有定时器和计数器两种工作模式。

2.1.1 计数器工作模式

计数器是对外来脉冲进行计数。MCS-51芯片有T0(P3.4)和T1(P3.5)两个输入引脚,分别是这两个计数器的输入端。每当计数器的输入引脚的脉冲发生负跳变时。计数器加1。

2.1.2 定时器工作模式

定时功能也是通过计数器的计数来实现的,不过此时的计数脉冲来自单片机的内部,即每个机器周期产生1个计数脉冲,也就是每经过1个机器周期的时间,计数器加1。如果MCS-51采用12MHz晶体,则计数频率为1MHz,即每过1μs的时间计数器加1。这样可以根据计数值计算出定时时间,也可根据定时时间的要求计算出计数器的初值。

2.2 步进电机驱动电路

驱动电路由L297和L298芯片组成。L297是步进电动机控制器(包括环形分配器),L298是双H桥式驱动器。它们所组成的微处理器至双桥式步进电动机的接口如图3所示。这种方式结合的优点是,需要的元件很少,从而使得装配成本低,可靠性高和占空间少。并且通过软件开发,可以简化和减轻微型计算机的负担。另外,L297和L298都是独立的芯片,所以应用是十分灵活的。

2.3 步进电机原理

①可以用数字信号直接进行开环控制,整个系统简单廉价。②位移与输入脉冲信号数相对应,步距误差不长期积累,可以组成结构较为简单又具有一定精度的开环控制系统,可在要求更高精度的组成闭环控制系统。③无刷,电动机本体部件少,可靠性高。④易于起动,停止,正反转及速度响应性好。⑤停止时可有自锁能力。⑥步距角可在大范围内选择,在小步距情况下,通常可以在超低转速下高转距稳定运行,通常可以不经减速器直接驱动负载。⑦速度可在相当宽范围内平滑调节,同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。⑧步进电动机带惯性负载能力较差。

3 软件设计

采用C语言编程

4 结论

本文创新点在于提出应用单片机和L297、1298集成电路构成步进电机控制驱动器。使之具有元件少,可靠性高、占空间少、装配成本低等优点。通过软件开发,可以简化和减轻微型计算机的负担。另外,在上面提出的在加减速程序中定时器的装载值用式子计算不精确,这两条赋值要执行不少的时间,具体做的时候,可直接把初值计算出来或把除号用相加来计算,以达到精确的目的。

参考文献

[1]刘宝廷.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.

[2]何立民.MSC-51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学,1990.

[3]用L287、L298组成步进电机驱动电路[J].仪器仪表学报,24,(4),2004:573-574.

[4]李玉梅.基于MCS-51系列单片机原理的应用设计[M].国防工业出版社,2006.

[5]金钰,胡祐德,李向春.伺服系统设计指导[M].北京理工大学出版社,2000:43-44.