吳集輝，鄭姚生，湯勇明

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

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基于PSpice的通用顯示驅(qū)動(dòng)電路的建模與仿真

吳集輝，鄭姚生，湯勇明*

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096）

摘要：對(duì)通用顯示驅(qū)動(dòng)電路利用PSPice進(jìn)行建模和仿真。通過(guò)對(duì)多種顯示器件所需驅(qū)動(dòng)波形的分析，總結(jié)了通用顯示驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備的波形發(fā)生功能，并確定了通用顯示驅(qū)動(dòng)電路的基本組成。接著，對(duì)該電路系統(tǒng)進(jìn)行了PSpice建模。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)波形的脈沖最小脈寬為2 μs、斜波上升時(shí)間為8 μs~1 ms，幅值在15 V~300 V之間。通過(guò)建模仿真參數(shù)的調(diào)整可以指導(dǎo)不同應(yīng)用場(chǎng)合中的電路參數(shù)調(diào)整。

關(guān)鍵詞：顯示驅(qū)動(dòng)；PSPice仿真；建模

近幾十年來(lái)，各種新型顯示器層出不窮，與之相隨的是顯示器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求和復(fù)雜程度也不斷增加，為了滿足不同的驅(qū)動(dòng)需求，以及減少對(duì)資源的浪費(fèi)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)該盡量滿足通用性和可擴(kuò)展性。但是在實(shí)際的電路調(diào)試中由于成本高、靈活性差、耗時(shí)長(zhǎng)等不利因素所以有必要對(duì)電路系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模和仿真。

1　通用顯示驅(qū)動(dòng)電路

顯示器通常也被稱為監(jiān)視器，常見(jiàn)的有PDP、LCD、FED等多種。它們的驅(qū)動(dòng)方式多種多樣，但是對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的要求卻有相似之處。本文從多個(gè)顯示系統(tǒng)對(duì)其驅(qū)動(dòng)波形需求分析出發(fā)，提出通用顯示驅(qū)動(dòng)電路的波形功能要求，進(jìn)而確定通用顯示電路的硬件組成，最后對(duì)其建模并仿真。

1.1PDP對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的設(shè)計(jì)要求

PDP有多種驅(qū)動(dòng)方法，其中最常用的一種是尋址顯示分離技術(shù)（ADS）［1］。其驅(qū)動(dòng)波形從功能上劃分大致可以分為3種，包括復(fù)位（擦除和初始化）、尋址和維持波形。其波形如圖1所示。

1個(gè)1TV場(chǎng)被劃分成8~11子場(chǎng)，每個(gè)子場(chǎng)又被分成3個(gè)周期，分別是復(fù)位、尋址和維持周期。圖1所示為寫尋址驅(qū)動(dòng)方式，在復(fù)位周期首先給X電極加1個(gè)全屏寫脈沖Ve中和X、Y和A電極的壁電荷。進(jìn)入尋址周期，X電極加Ve順序掃描Y電極。在維持期，上半周期X電極加0 V，Y電極加維持脈沖Vs；下半周期X電極加維持脈沖Vs，Y電極加0 V。

圖1　Voltage waveforms applied to X and Y electrodes in ADS method during 1 TV-field［2-3］

PDP的驅(qū)動(dòng)波形由積分波、三角波、正負(fù)交替脈沖等組合而成，方波脈沖典型頻率在100 kHz左右，典型幅值在30 V～200 V之間［4-6］。

1.2LCD對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的設(shè)計(jì)要求

LCD驅(qū)動(dòng)方式包括靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式2種。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)其驅(qū)動(dòng)波形如圖2所示。

圖2　LCD靜態(tài)驅(qū)動(dòng)波形

圖2引源自http：//www.51c51.com/yejin/lcdfiles/lcdqudong.htm

筆段波形與公用波形同相或者反相。同相時(shí)液晶上無(wú)電場(chǎng)，LCD處于非選通狀態(tài)。反相時(shí)，液晶上施加了一矩形波。當(dāng)矩形波的電壓比液晶閾值高很多時(shí)，LCD處于選通狀態(tài)。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)波形如圖3所示。

掃描電極和選通電極同步輸入選通波形和非選通波形來(lái)控制象素的顯示狀態(tài)。

LCD的驅(qū)動(dòng)波形由正負(fù)交替的方波組合而成，驅(qū)動(dòng)波形的頻率一般在60 Hz～100 Hz之間，幅值一般在幾伏到幾十伏之間。

圖3　LCD動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)波形

1.3FED對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的設(shè)計(jì)要求

FED驅(qū)動(dòng)方式采用行列掃描的方式，分別驅(qū)動(dòng)FED顯示屏的柵極電極和陰極電極。其驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示（以3X3點(diǎn)陣為例）。

圖4　FED驅(qū)動(dòng)波形［7］

該驅(qū)動(dòng)方法是使行和列驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)電壓只有驅(qū)動(dòng)電壓Vdrv的一半。行（Gate）的輸出在0 或+1/2 Vdrv；列（Cathode）的輸出在0或-1/2 Vdrv。這就在行列之間形成3種電壓差：Vdrv，1/2 Vdrv和0。當(dāng)在行列間電壓為Vdrv時(shí)像素發(fā)光。

FED驅(qū)動(dòng)波形多由方波組合而成，列驅(qū)動(dòng)電壓脈沖幅度：50 V～100 V；行驅(qū)動(dòng)電壓脈沖幅度：100 V~ 200 V［7-8］。

1.4通用顯示驅(qū)動(dòng)波形功能及電路組成

PDP、LCD、FED的驅(qū)動(dòng)波形均可看作是由積分波、三角波、方波、正負(fù)脈沖進(jìn)行不同的組合而成，幅值的范圍在幾伏到200 V之間，頻率在50 Hz到100 kHz之間。因此本文研究的通用顯示驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能產(chǎn)生積分波、三角波、方波、正負(fù)脈沖并能實(shí)現(xiàn)不同電壓之間的快速跳變，而且具有波形頻率可調(diào)的功能?；谏鲜龇治觯掘?qū)動(dòng)系統(tǒng)由7個(gè)模塊組成，分別實(shí)現(xiàn)兩級(jí)正負(fù)電壓的跳變和斜率變化、電壓回零（斜波下降至-VS、跳變下降至-VS、斜波下降至-VADD、跳變下降至-VADD、跳變至GND、跳變至+VS、斜波上升至+VSET，此處設(shè)定電壓值大小關(guān)系為+VSET>+VS>0>-VADD>-VS）；各個(gè)模塊通過(guò)不同的數(shù)字邏輯信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能，模塊之間由隔離模塊實(shí)現(xiàn)電壓隔離功能。等效模型及簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)示意框圖如圖5所示。

圖5　等效模型及簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)示意框圖

2　PSpice建模和聯(lián)合調(diào)試的結(jié)果

2.1PSpice建模軟件

PSpice（Personal Spice）軟件不僅具有很強(qiáng)的電路分析能力和圖形顯示處理能力，而且還可對(duì)模擬電路、數(shù)字電路和模數(shù)混合電路等進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和仿真［9］。

OrCAD軟件是一個(gè)電路設(shè)計(jì)、仿真分析的集成環(huán)境，本研究課題主要用到的程序模塊有：Orcad Capture、PSpice A/D、Stimulus Editor、Model Editor等［9］。

2.2各模塊的PSpice建模過(guò)程和方法

Pspice建模主要有3種方式：描點(diǎn)法建模、編程描述建模、宏模型建模［9］。

（1）描點(diǎn)法建模法是先利用物理法或黑箱法構(gòu)建出不同復(fù)雜程度的等效電路，然后通過(guò)公式演算，得出這類半導(dǎo)體器件的參數(shù)。在使用過(guò)程中，遇到該類器件，就可以通過(guò)直接設(shè)置參數(shù)值實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)元器件建模，省去重復(fù)構(gòu)建等效電路和繁瑣的方程式推導(dǎo)過(guò)程。本系統(tǒng)中對(duì)于二極管、三極管均采用該種方式，對(duì)照所用元件的datasheet運(yùn)用Model Editor進(jìn)入模型特性參數(shù)設(shè)置窗口將所需建立模型的元件模型特性數(shù)據(jù)輸入相應(yīng)的窗口中進(jìn)行描點(diǎn)建模［10-12］。

（2）編程描述建模，元器件模型參數(shù)還可以采用文本形式進(jìn)行編輯設(shè)置，用描述語(yǔ)言輸入元件模型參數(shù)。本系統(tǒng)中所用MOS管均采用該方式建模。圖6所示為stw45nm50的建模代碼。

（3）宏模型建模，宏模型是指在一定精度范圍內(nèi)，電子系統(tǒng)的端口輸入輸出特性的簡(jiǎn)化等效模型。本系統(tǒng)中的光耦模塊和DC-DC模塊均采用該方式建模。

對(duì)于光耦隔離電路，光耦器件的建模是該電路的關(guān)鍵，光耦器件屬于特殊器件在本系統(tǒng)電路中我們按照宏模型的建模方式來(lái)建模。在本系統(tǒng)中選用的是HCPL_0314型號(hào)的光耦器件，參考該器件的datasheet我們用分段線性電源器件給光耦器件建模，設(shè)置相應(yīng)的高低輸出電平和延遲時(shí)間。

對(duì)于DC-DC模塊其為功能模塊提供相應(yīng)的懸浮參考地電壓，我們采用的是DCM15S-15型號(hào)的芯片，參考其datasheet我們用理想直流電壓源為其建模。

圖6　stw45nm50編程建模

2.3仿真電路的搭建

2.3.1仿真電路的電路連接結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)一共7個(gè)子電路模塊，分別實(shí)現(xiàn)：斜波下降至-VS、跳變下降至-VS、斜波下降至-VADD、跳變下降至-VADD、跳變至GND、跳變至+VS、斜波上升至+VSET。

7個(gè)子電路結(jié)構(gòu)類似，首先由數(shù)字邏輯信號(hào)通過(guò)光耦模塊，再通過(guò)功能模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)子電路所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，最后通過(guò)由數(shù)字邏輯信號(hào)控制的隔離模塊將波形輸送到輸出線上。圖7為RAMP_UP_+ VSET（斜波上升至+VSET）子電路的仿真電路的搭建框圖。

圖7　RAMP_UP_+VSET子電路的仿真電路框圖

2.3.2仿真電路的邏輯控制時(shí)序設(shè)計(jì)

在實(shí)際電路中，所有功能模塊中的MOS管開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)均由FPGA產(chǎn)生，不同的控制信號(hào)的有效組合就能通過(guò)功能模塊產(chǎn)生不同的波形組合，實(shí)現(xiàn)不同顯示器的驅(qū)動(dòng)波形的需求［1］。表2為一種控制信號(hào)的組合產(chǎn)生所需的PDP驅(qū)動(dòng)波形需求（以SM-PDP為例）：

表1　模塊序號(hào)說(shuō)明

表2　一種PDP驅(qū)動(dòng)波形控制信號(hào)組合　μs

2.3.3仿真波形的分析

（1）功能波形的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)控制數(shù)字邏輯信號(hào)的時(shí)序和有效時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)模型的波形發(fā)生功能驗(yàn)證。積分波、三角波、方波、正負(fù)脈沖等波形均順利由本電路模型實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8　模型仿真實(shí)現(xiàn)的功能波形示意圖

（2）波形調(diào)整的實(shí)現(xiàn)

另外，通過(guò)對(duì)該模型中多個(gè)電路參數(shù)的設(shè)置調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)不同斜率波形發(fā)生要求，以下舉例說(shuō)明。本電路模型中用到的積分電路為MOS管構(gòu)成的米勒積分電路，如圖9所示。

通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R3可以實(shí)現(xiàn)不同斜率波形的產(chǎn)生，并影響整個(gè)驅(qū)動(dòng)波形的頻率［13-14］。由表2控制信號(hào)的時(shí)序組合仿真產(chǎn)生的波形如圖10~圖13所示。

調(diào)節(jié)RAMP_DN_-VS模塊電位器R=5 kΩ實(shí)現(xiàn)斜率下降至-VS的斜率；調(diào)節(jié)RAMP_DN_-VADD模塊電位器R=1.4 kΩ實(shí)現(xiàn)斜波下降至-VADD的斜率；調(diào)節(jié)RAMP_UP_+VSET模塊電位器R=0.15 kΩ實(shí)現(xiàn)斜波上升至+VSET的斜率。實(shí)現(xiàn)如圖10所示波形。

調(diào)整RAMP_DN_-VS模塊電位器R=1 kΩ改變斜率下降至-VS的斜率如圖11所示。

調(diào)整RAMP_DN_-VADD模塊電位器R=0.5 kΩ改變斜率下降至-VADD的斜率如圖12所示。

調(diào)整RAMP_UP_+VSET電位器R=0.05 kΩ改變斜率上升至+VSET的斜率如圖13所示。

圖9　米勒積分電路

圖10　一種參考仿真波形

圖11　RAMP_DN_-VS斜率調(diào)整波形

圖12　RAMP_DN_-VADD斜率調(diào)整波形

圖13　RAMP_UP_+VSET斜率調(diào)整波形

通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的數(shù)字邏輯信號(hào)的控制時(shí)序，可以得到滿足各種顯示器的驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)需要的波形組合。如圖10~圖13所示，該仿真電路可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)正負(fù)電平的切換、斜率的改變、波形的疊加等功能。

本課題研究的基于PSpice的通用顯示驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)仿真能準(zhǔn)確接收數(shù)字邏輯的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的高壓波形受控發(fā)生功能，可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)正負(fù)電壓之間的轉(zhuǎn)換、方波、斜波之間的切換，及實(shí)現(xiàn)波形、頻率可調(diào)整的功能。該通用顯示驅(qū)動(dòng)電路可以通過(guò)上位機(jī)來(lái)設(shè)置所需的波形組合、頻率，既可以實(shí)現(xiàn)PDP對(duì)斜率的高要求又能滿足LCD、FED等對(duì)驅(qū)動(dòng)波形維持時(shí)間的高效調(diào)整的要求。

3　總結(jié)與展望

本文主要通過(guò)討論不同顯示屏對(duì)驅(qū)動(dòng)波形的要求分析出其基本組成波形，進(jìn)而討論通用驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)功能和電路構(gòu)成并進(jìn)行PSpice建模。通過(guò)對(duì)通用模型的仿真和調(diào)試可以很快確定需要調(diào)整的參數(shù)以指導(dǎo)實(shí)際電路的設(shè)計(jì)，從而為工程實(shí)踐提供設(shè)計(jì)思路和方向，節(jié)約系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間和成本。本模型系統(tǒng)仿真可以實(shí)現(xiàn)二階幅值電壓波形的產(chǎn)生，頻率、斜率均可通過(guò)控制信號(hào)和相關(guān)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，脈沖寬度最小可達(dá)2 μs、斜波持續(xù)時(shí)間最小達(dá)8 μs（從0 V上升到250 V）。仿真結(jié)果表明，本模型可實(shí)現(xiàn)必要的波形發(fā)生功能并為后續(xù)不同的新型顯示器件驅(qū)動(dòng)波形需求提供所需的設(shè)計(jì)調(diào)整指導(dǎo)。

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吳集輝（1990-），男，漢族，江西九江人，東南大學(xué)碩士在讀，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)研究與應(yīng)用，jhw_seu@163.com；

湯勇明（1973-），男，漢族，江蘇省江都市人，東南大學(xué)研究員，主要研究方向?yàn)轱@示電子學(xué)、光電測(cè)試與評(píng)估，tym@seu.edu.cn。

Design and Implementation of the Teleindication Unit of Distribution Terminal*

LIAO Xiaoqun，QIN Jing*，MA Li

（Xi’an University of Science & Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract:A design of teleindication unit based on dual MPU with ARM9 and Cortex-M3 was discussed. It provid?ed total structure of hardware based on chip i.MX287 and STM32F103VE.The design method of hardware in teleindication input circuit was introduced in detail. The material design and development of software in teleindica?tion unit and a communication unit are elaborated.The whole teleindication unit’s functions，such as teleindication acquisition，data conservation and uploading，SOE，time setting，communication are actualized in accordance with IEC60870-5-104 power protocol. Experiment results showed that the design of teleindication unit meets the needs for the provisions，and it has a certain value.

Key words:dual MPU；distribution terminal；IEC60870-5-104 power protocol；teleindication unit；SOE

doi：EEACC：6210J10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.022

收稿日期：2015-04-07修改日期：2015-05-04

中圖分類號(hào)：TN710

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0098-06