（機(jī)械設(shè)計及理論專業(yè)論文）基于dsp的液晶材料電特性測試系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn).pdf

摘要 摘要 針對目前常用的阻抗灞試儀無法滿足液晶動態(tài)性能測試的要求，研制了 種基于d s p 技術(shù)的液晶特性專用測試系統(tǒng)。 論文首先對液晶材料相關(guān)知識、系統(tǒng)性能指標(biāo)及噪聲影響下信號幅值及栩 位的測量原理進(jìn)行了理論闡述，提出了采用數(shù)字信號處理技術(shù)與信號頻域分析 的設(shè)計方案。然后著重闡述了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。在硬件方面，整體電路 按功能分為凡大模塊進(jìn)行設(shè)計。由于要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，電路采用公司 的r m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 乍為核心部件，且利用其片上事件捕獲單元、快速a 1 ) 轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了頻率實時測量與數(shù)據(jù)實時采樣。除此之外，還輔以信號源、 放大電路、調(diào)理電路、輸入輸出電路等來滿足系統(tǒng)智能他的要求。在軟傳方麗： 依據(jù)硬件電路的功能模塊，采用c 語言編寫所有程序，完成了鍵盤掃描、液晶 顯示、頻率瀏量、數(shù)據(jù)實時采樣與處理的任務(wù)。另外。鑒于本系統(tǒng)輸入信呼頻 率實時可調(diào)，硬件上采用數(shù)字鎖相技術(shù)難度非常大，我 f 】采用軟件同步采樣法， 以消除頻譜泄漏的影響；采用實輸入數(shù)據(jù)的基2 f f t 算法，以提高系統(tǒng)的實時性。 最后我們對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析弗采用最小二乘曲面擬合法進(jìn)行了開路零 點(diǎn)實時跟蹤校正，來提高系統(tǒng)的測試精度。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)的各項指標(biāo) 滿足設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，基2 快速傅立葉變換。軟件同步采樣，曲面擬舍 開路零點(diǎn)跟蹤 a b s t r a c i a b s t r a c t as p e c i a lm e a s u r i n gs y s t e mf o rl i q u i d c r y s t a lp e r f o r m a n c eb a s e do nd s p t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e di nv i e wo ft h ef a c tt h a te x i s t i n gi m p e d a n c en l e t e r sc a l l t m e a s u r ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fl i q u i dc r y s t a lm a t e r i a l s ， i nt h et h e s i s ，f i r s t l y , t h ed e s i g ni d e af o rh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i l i g t e c h n o l o g ya n ds i g n a lf r e q u e n c ya n a l y s i si sp r e s e n t e da c c o r d i n g t or e l a t e dk n o w ! e d g e a b o u tl i q u i dc r y s t a lm a t e r i a l s ，s y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e x e sa n dt h em e a s u r i n g t h e o r i e sf o rs i g n a la m p l i t u d ea n dp h a s eu n d e rn o i s ei n f l u e n c e s t h e n ，t h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rt h es y s t e mi sd i s c u s s e d i nr e s p e c to f h a r d w a r e ，i n t e g r a lc i r c u i ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nm o d u l e ah i g h s p e e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da st h ec o r e p a r t f o r n l u s s c a l c u l a t i o n b yu s i n gi t sc a p t u r eu n i ta n da d cm o d u l e ，t h es i g n a l r e a l - t i m e f r e q u e n c ya n ds a m p l i n gi sa c h i e v e d b e s i d e s ，s i g n a lg e n e r a t o r , a m p l i f i e r ，a d j n s t i n g c i r c u i t ，i n p u t - o u t p u tc i r c u i ta n d o t h e rc i r c u i t sa r ei n e l u d e dt om a k et h ew h o l es y s t e m s i m p l ea n di n t e l l i g e n t i nr e s p e c to fs o f t w a r e ，t h ep r o g r a mi sa l s od e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ef i m c t i o nm o d u l ea n dw r i t t e ni ncl a n g u a g e ，w h i c hr e a l i z e sas e r i e so f m a n a g e m e n tt a s ki n c l u d i n gk e y b o a r ds c a n n i n g ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y i n g ，f r e q u e n c 3 m e a s u r i n g ，d a t as a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g m o r e o v e r ，b e c a u s es y s t e mf r e q u e n c yv a r i e s w i t h t i m ea n dp h u s e l o c k e dt e c h n o l ye a n n tb er e a l i z e di nt h eh a r e w a r ed e s i g n s o f t w a r e s y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n g i s a d o p t e d t oe l i m i n a t e s p e c t r u m - l e a k a g e i n f l u e n c e s an e wa l g o r i t h mo fd i t - f f fa i m e da tr e a ll i s ti sp u tf o r w a r dt oi n c r e a s e t h ep e r t b r m a n c eo fs y s t e m a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t a sa r ea n l y s i s e da n dan e wl e a s t s q u a r ef i t t i n g c u r v e df a c ea l g o r i t h mi sa p p l i e dt ot i m e l yo p e n c i r c u i tz e r ot r a c i n g t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ei n d e x e so f t h es y s t e ma r es a t i s l y i n g k e yw o r d s ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，d i t - f f t , s o f t w a r es y n c h r o n i z a t i o ns m n p ! i n g c u r v e d f i c ef i t t i n g o p e n c i r c u i tz e r ot r a c i n g 獨(dú)創(chuàng)性聲明 y 簿囂馘8 7 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為 獲得石家莊鐵道學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示了謝意。 簽名：雌日期：業(yè) 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解石家莊鐵道學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 即：學(xué)院有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校 可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手 段保存論文。 f 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：婢導(dǎo)師簽名：鹽日期：也 第一章緒論 1 1 選題的目的和意義 第一章緒論 近年來，隨著社會信息蒙韻增加和信息交換的頻繁，顯示技術(shù)及顯示器件 已成為人們工作與生活中不可缺少的部分。皺然目前c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 仍 是顯示技術(shù)中的主流產(chǎn)品，但液晶顯示器件獨(dú)具的低壓、微功耗、無輻射特性 必將使其在未來的市場中獨(dú)樹一幟。液晶顯示器件的基本材料是液晶，它是在 某溫度范圍內(nèi)兼有液體和晶體二者特性的物質(zhì)，它的任何一項性能和參數(shù)都會 影響甚至決定液晶顯示器件的性能和參數(shù)，有些還會影響液晶顯示器件的工藝、 制造i i oj 。在外電場作用，滾晶材料可等效為電阻、電容相并聯(lián)的阻容器件，其 阻抗值的大小能夠反映蹬液晶材料介電性能，所以研究者鬻遽過測試液晶的阻 抗值，以獲得液晶材料某些重要特性?，F(xiàn)用的阻抗測試儀雖然操作簡便、測試 精度商，但只局限于定頻、定匿條件下的測量，無法得到在連續(xù)電壓和頻率變 化情況下材料的響應(yīng)特性，不能滿足液露動態(tài)性能測試需要，也無法得材料 在較高電壓情況下的特性參數(shù)。因此，隨著新型液晶材料不斷涌現(xiàn)以及其應(yīng)用 領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，研制一種集實時測量、控制和逶信等功能于體的液晶材料 電特性測試系統(tǒng)，對于推動液晶顯示器件的發(fā)展其有重要意義。 1 2 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài) 1 2 1液晶盛示應(yīng)用技術(shù)圈虎外現(xiàn)狀 液晶的發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生可以追述到1 9 世紀(jì)【l ，2 j 。早在1 8 8 8 年奧地利植物學(xué)家策 尼茨爾發(fā)現(xiàn)了膽甾醇鮑苯甲酸脂和醋酸魔的液晶性。1 8 8 9 年德冒物理學(xué)家策曼 將其命名為“液晶”這一學(xué)術(shù)名稱。以后，各國學(xué)者對液晶理論、結(jié)構(gòu)、性質(zhì) 以及應(yīng)用等諸方面進(jìn)行了夫薰研究，但并來繪人類帶來多少好處。磨到1 9 6 3 年， 美國無線電公司的藏廉斯發(fā)現(xiàn)在向列型液晶層上加上愈壓會使其變漏濁，1 9 6 8 年，海爾梅耳對此現(xiàn)象進(jìn)一步研究，并研制成了液晶平板盈示器件，開刨了液 晶顯示應(yīng)用的新紀(jì)元。7 0 年代以蠡，液晶顯示得到飛速發(fā)展，先后實現(xiàn)了液晶 一1 一 第一章緒論 大屏幕顯示、液晶彩色顯示、激光尋址液晶光閥鄆便攜式液晶電視1 3 j 。 由于液晶顯示技術(shù)涉及多學(xué)科、高科技以及我國在大規(guī)模集成電路發(fā)展的 落后，我國在液晶顯示應(yīng)用技術(shù)上還不盡人意。我國內(nèi)地液晶顯示技術(shù)的基礎(chǔ) 和應(yīng)用性研究從2 0 世紀(jì)6 0 年代就已經(jīng)開始，包括清華大學(xué)物理系及化學(xué)系、 長春物理所、北京化學(xué)所等單位都投入了大量的精力，從事這方面的研究工作。 之后北京大學(xué)微電子所、南殲大學(xué)、華中理工大學(xué)、南京五十五所等單位也相 繼介入這方面的研究。這些基礎(chǔ)和應(yīng)用性的研究和開發(fā)工作，雖然由于資金投 入較小，沒有世界級大的倒新性成果，但在產(chǎn)、韭發(fā)展中也發(fā)揮了積極的作嗣。 在大學(xué)和研究所背景下成立的清華液晶中心、北方液晶中心也是專門從事液晶 顯示技術(shù)研發(fā)的單位，一些大的集團(tuán)如京東方、上廣電、t c l 等企業(yè)的研究機(jī) 構(gòu)也在從事這方面的工作。北方液晶中心側(cè)重s t n l c d 液晶器件參數(shù)測試儀方 謝的研究和開發(fā)工作。清華液晶中心側(cè)重s t n 工程化技術(shù)研究，相變液晶、寬 視角等一些個性化的器件開發(fā)和導(dǎo)波技術(shù)在液晶中的應(yīng)甩研究，以及模式設(shè)計 等一些基礎(chǔ)性的研究。南京五十五所則在s t n 、t f t 及b t n 液晶顯示器件等方 面開展工作。經(jīng)過多年來各方努力，我國內(nèi)她已能生產(chǎn)部分l c d 測試儀器。測 試儀器以高校和研究所為主，如清華大學(xué)、長春物理所都開發(fā)生產(chǎn)了如液晶盒 厚測量儀、液晶光電參數(shù)測試儀等測試設(shè)備。專業(yè)生產(chǎn)液晶設(shè)備的j 家有北京 京城清達(dá)、太原二所、深圳虎神、深圳瀾正、深圳航通、深堋保全等公司。但 我國內(nèi)地液晶設(shè)備就其規(guī)模和水平來看與l c d 器件和相關(guān)材料比，仍顯得滯 屆一些，與日本、韓圈相比，仍有相當(dāng)?shù)木嚯x1 ”。 1 2 2 數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 在本世紀(jì)六十年代以前，對信號的處理絕大多數(shù)情況是甩模擬方法實現(xiàn)韻， 但直到六十年代，隨著計算機(jī)和信息學(xué)科的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用 而生并迅速發(fā)展 5 】。數(shù)字信號處理就是用數(shù)字或符號的序列采表示信號，利用計 算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備去處理這些序列，提取其中有用的信息。它側(cè)鶯于理論分析、 算法確定及軟件實現(xiàn)，如快速傅立時變換、卷積、數(shù)字濾波等。凡是用數(shù)字形 式對信號進(jìn)行濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識別等都是數(shù)字信號處理的研究對象。 與傳統(tǒng)的模擬方法相比，數(shù)字信號處理有明顯的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、靈活性強(qiáng)， 可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難達(dá)到舶指標(biāo)和特性。另外，它還具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共 同優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾強(qiáng)、便于大規(guī)模集成等。1 9 6 5 年庫利一圖基( c o o l e y - - t u k e 3 ) ， 第章緒論 提出的快速傅立葉交換( f f t ) 是數(shù)字信號處理學(xué)科的開端?？焖俑盗⑷~變換方法 和一些高效算法的提出和發(fā)耀，促進(jìn)了專用處理硬件的發(fā)展。因為要實現(xiàn)這些 算法，特別是要實時地完成某種算法，就需要有特殊的硬件支持。這就是數(shù)字 信號處理器( d s p ) 。 世界上第個d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的s 2 8 11 ，1 9 7 9 年美國 n t e t 公司發(fā)布的商用可編程期間2 9 2 0 是d s p 芯片的一個主要里程碑，這兩種芯片內(nèi) 部都沒有現(xiàn)代d s p 芯片所必須的單周期芯片。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的 g p d 7 7 2 0 是第一個具有乘法器的商用d s p 芯片。第一個采用c m o s 工藝生產(chǎn)浮 點(diǎn)d s p 芯片的是日本的h i m c h i 公司，它于1 9 8 2 年推出了浮點(diǎn)d s p ：卷片。1 9 8 3 年，f ：；= i 本的f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期為1 2 0 n s ，且具有雙內(nèi)部 總線，從而處理的吞吐量發(fā)生了一個大的飛躍。第一個高性能的浮點(diǎn)d s p 芯片 應(yīng)是a 1 譴t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 ，在這么多的d s p 芯片種類巾，最成 功的是美國德克薩斯儀器公司( t e x a si n s t r t t m e n t s ，簡稱t i ) 的系列產(chǎn)品。t i 公 司于1 9 8 2 年成功推出啟迪一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列產(chǎn)品t m s 3 2 0 1 1 、 t m s 3 2 0 c 】o c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相繼推出了第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、 t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ，第四代d s p 芯 片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的 改進(jìn)型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多個d s p 芯片于一體的高性能d s p 芯片f m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代1 m s 3 2 0 e 6 2 x ，c 6 7 x 等d s p 芯片。t i 將常用的d s i ， 芯片歸納為三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x ) 、 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 ( t m s 3 2 0 c 6 2 ) 【，c 6 7 x ) 1 6 1 。 經(jīng)過近2 0 年的飛速發(fā)展，目前d s p 芯片的價格越來越低，運(yùn)算速度和集成 度日益提高，其應(yīng)用面也從起初的軍工、航天等領(lǐng)域，擴(kuò)展到了今天的通用數(shù) 字信號處理、通信、語音、雷像處理、控制、儀器儀表、醫(yī)學(xué)電子、家用電器 等諸多電子行業(yè)和滑費(fèi)類電子產(chǎn)品中。 1 23 阻抗測試儀現(xiàn)狀及水平 出于現(xiàn)有阻抗測試儀只局限于測量被測對象在交漉電壓為扶特量級、有限 頻點(diǎn)情況下的阻抗參數(shù)，無法得到電壓和頻率連續(xù)變化情況時液晶材料動態(tài)m 抗參數(shù)，從而無法分析材料的動態(tài)響應(yīng)特性及其在離電壓時的擊穿特性與失效 一3 ， 第一章緒論 機(jī)理。另外，雖然國內(nèi)外有多種l c d 測試儀器產(chǎn)品，但用于如上實時液晶阻抗 動態(tài)測試的應(yīng)用系統(tǒng)目前還無廠家生產(chǎn)。 1 3 論文研究的主要內(nèi)容 ( 1 ) 了解液晶材料的相關(guān)知識，并根據(jù)頻域分析含噪信號幅值與相位的測精 原理，確定系統(tǒng)總體研制方案。 ( 2 ) 熟悉t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片的結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)計以它為核心的液晶 材料電特性測試系統(tǒng)的硬件電路。 ( 3 ) 熟悉t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的集成開發(fā)環(huán)境( c c s ) ，采用模塊化方式編寫 系統(tǒng)軟件。 ( 4 ) 實驗數(shù)據(jù)分析、開路零點(diǎn)實時跟蹤校正與系統(tǒng)模擬運(yùn)行a 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 本系統(tǒng)專為測量液晶材料的電特性而設(shè)計，日的是通過測_ 薰液晶材料的動 態(tài)阻抗值來獲得反映其性能的主要電參數(shù)：介電常數(shù)、電阻率及其與外加電壓 和頻率的關(guān)系曲線，因此在制定系統(tǒng)方案之前弄清液晶材料的相關(guān)知識非常必 要。 2 1 液晶材料梧關(guān)知識 2 1 1 液晶分子結(jié)構(gòu)及龜特性 液晶分子一般都是剛性的棒狀分子，由于分子頭尾、側(cè)面所接的分子集團(tuán) 不同，使其在長軸和短軸兩個方向上具有不同的特性，成為極性分子。由于分 子力學(xué)作用，使液晶分子集合在一起，處予自然狀態(tài)下的分子長軸總是互相平 行，而分子重心則呈自由狀態(tài)，從宏觀上觀察，液晶沿分子長軸有序方向和短 軸有序方向上的宏觀物理性質(zhì)出現(xiàn)不同?？梢姡壕э@示出各向異性是由它細(xì) 長的分予結(jié)構(gòu)所決定的。由予液晶的各向異性，以及其彈性系數(shù)又很小，燃此 在外場的作用下，分子的攤列極易發(fā)生變化。倒如在外電場和外磁場作用下， 液晶的指向矢即會沿外電場和外磁場的方向薰新排列。 如果以s 。表示平行于長軸的介電常數(shù)，s 表示垂直于長軸方向的介電常數(shù)， 那么長軸方向的介電常數(shù)與短軸方向的介電常數(shù)之差稱為液晶的介電各向異髑： 即s = 占，一占。a 占 o 為p 型液晶，s 0 為r t 型液晶。g 的正負(fù)主要國 液晶分子的極化率、永久偶磁矩及液晶分子長軸方向的夾角所決定。s 。和s 取 決于施加電壓的頻率，在低頻時占，一般大于s ，此時a s 為正；高頻時s 可能會 小于占，此時s 為負(fù)?？梢?，介電常數(shù)是液晶材料的最基本豹電參數(shù)，是決定 液晶分子在電場中行為的主要參數(shù)。 液晶電阻率是單位橫藏西積、單位長度的液晶的電阻，是評價液晶純攫的 重要指標(biāo)。由于液晶是各向異性材料，所以其電鼴率也是各向異性的。 一5 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 2 。1 2 液晶阻抗的溯試原理 在外電場作用，液晶材料可等效為屯阻、電容相并聯(lián)的阻容器件，其阻抗 值大小能夠反映出液晶材料的電特性，液晶介電常數(shù)s 與q 的關(guān)系式為： s ：垡( 2 i ) s 式中，d 是盒的間隙，s 是兩片基板電極重疊部分面積。 前節(jié)分析知占與驅(qū)動信號的頻率有關(guān)，顯然液晶阻抗參數(shù)也會隨信號頻率的 變化而變化。所以常將液晶置于交流外電場中，通過測量液晶在不同頻率下的 阻抗值來推導(dǎo)出液晶材料的電特性曲線，從而實現(xiàn)對液晶多種物理、化學(xué)現(xiàn)象 的研究。 2 1 3 液晶電阻電撓的計算公式 設(shè)液晶兩端施加的信號為純正弦，頻率為，則液 晶阻抗測量等效電路如圖2 1 所示。其中驢；u 么吼， ，= i z l 9 0 , ，妒= 純一仍。根據(jù)電路基本理論，可推導(dǎo)出液 晶電壓、電流的關(guān)系式 圈2 - 1 液晶測囊等效電路 j = ( 7 ( + ，2 孵- ) ( 2 - 2 1 從而 ，+ ，2 夠廣吉( c o s 妒一塒n 糾 進(jìn)一步化簡式( 2 3 ) ，可求得液晶的阻抗參數(shù)r l 、c l 分別為 r ：竺 1 + c o s o 22 系統(tǒng)性能指標(biāo) c ，= 警 2 - 3 ) ( 2 4 ) 2 5 ) ( 1 ) 信號源要求。輸出波形類型為正弦波、方波：輸出頻率檔位為1 0 1 t z 1 0 0 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 h z ，1 0 0 h z 1 k h z 輸出電壓幅值( 峰一峰值) 檔位為o 7 0 7 v 、o 7 0 7 v 。 ( 2 ) 測量功能。用戶通過簡單鍵盤操作隨時變換內(nèi)部測試信號源的輸出波形 類型、頻率及輸出電壓的檔位；在每一檔位輸出頻率、電壓連續(xù)可調(diào)；測試信 號源的輸出波形類型、輸出頻率及電壓均能實時數(shù)字顯示：實時計算并顯示被 測對象的某一瞬時電阻分璧和電抗分量。 ( 3 ) 測量精度為1 0 級。 2 3 數(shù)據(jù)處理算法研究 由式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知，當(dāng)液晶兩端施加的信號為純正弦時，只要測出待測 液晶電壓、電流信號的幅值與相位差，即可計算出液晶在此頻率下的阻抗參數(shù)。 雖然信號源可產(chǎn)生低失真度的正弦信號，但信號在傳輸過程中不可避免地會受 電路的溫漂、嗓聲、干擾的影響，此時若采用時域中的半波積分法來計算其幅 值可能會產(chǎn)生很大的誤差。另外，當(dāng)測試信號為方波時，我 f ：需要測量液晶在 各次諧波下的阻抗參數(shù)。鑒于上述原因，本系統(tǒng)從頻域出發(fā)計算信號各次諧波 的幅值與相位，以提高系統(tǒng)測量的精度和穩(wěn)定性。 2 3 1 連續(xù)傅立葉分析 由數(shù)學(xué)理論可知，一個非正弦的時間周期函數(shù)，可用傅立葉級數(shù)表示為 y ( f ) = + ks i n ( k o ) t + i l k ) = + 2 【略c o 文耐) + 圾s i n ( k o p t ) ( 2 6 ) t l t i 那么當(dāng)液晶電壓、電流含有次諧波，且都是周期時間函數(shù)，則可用傅，血： i 葉級數(shù)表示為 l ? “( ，) = 砜+ 。s i n ( k o d t + 峨) = + 2 溆c o s ( k o j t ) + b s i n ( k o ) t ) 2 7 1 - lj = l lf f ( f ) = 厶+ ks i r t ( k o j t + 3 k ) = c 1 。+ 2 hc o s ( 女捌) + 甌s i n ( k c o t ) ( 2 _ 8 ) 式中川“2 2 廳玎；噥2 a r c t a n 囂確，= 2 廳麗 第二二章系統(tǒng)設(shè)計方案 一 成= a r c t a j l 粵 以 若七= 1 是基波分量，七是其它值時對應(yīng)著不同的諧波分量；u k 。餅+ 是次 諧波電壓的幅值和初相角：k ，、羼是七次諧波電流的幅值和初相角；u o 、，。是 電壓和電流的直流分量?？梢姡灰蟪鰍 、魂、c 、破，就能求出第女次諧 波的幅值和相位，從而使問題得到解決。 若k 次諧波的頻率已知，根據(jù)傅立葉級數(shù)理論，有 令 曠亭勢) c o s ( 冽r 礬= 毒息椰) s i n ( 七耐燦 = 亭照c ，燦 c o = 亭紛棚 l u ( k ) = q 一，吼 【( t ) = o 一、越 根據(jù)e 計“= c o s k o o t j s i n k e o t ，得 叭臚亭媛擴(kuò)4 恤 地) = 亭竣靜) e - i a u d ， 式( 2 1 3 ) 恰好是h ( f ) 、f ( f ) 的傅立葉變換公式，由( 2 1 2 ) 式可得 f 2 1 m ( 2 1 1 ) f 2 - 1 2 1 ( 2 一1 3 ) = 螂 州 畿職+ 。一r。一r 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 唧：；( 們) + u + ( ) ) 甌= ；( u ( 七) 一( ，( 七) ) q = ；( ，( 走) + ，( 七) ) d k ：三( ，( ) 一廠( 七) ) 由此可見，確定略、0 、哦的關(guān)鍵在于傅立葉變換的求解。 2 32 離散傅立時分析 f 2 1 4 1 ( 2 15 、 由于計算機(jī)只能進(jìn)行離散的數(shù)值計算，必須對連續(xù)函數(shù)進(jìn)行離散化?，F(xiàn)以 電壓信號“( ，) 為例進(jìn)行分析，對( 2 9 ) 式離散化得 式中，n 為u ( t ) 一個周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。 令 f ( ， 女) = c 一慨 舊e - ，爭s ( 等n ) - j s i n ( - 等”) 啦。17 則 吣) 2 專丟“哪” ( 2 。8 ) 式( 2 1 8 ) r 日為可在計算機(jī)實現(xiàn)韻信號“) 豹離散傅立葉變換( d f t ) ，且存在如 下關(guān)系式 諱諱 r厶守厶 第：章系統(tǒng)設(shè)計方案 ”吣m h2 吉( ) _ 礦( 蝴 ( 2 1 9 1 從而求得 卜= 2 如隊n 叭拶 卜扣卅叭 ， 2 之 需要說明的是由于采用的d f r r 算法通常只給出了諧波相對于纂波的大小， 故將( 2 1 8 ) 式中的嗇常被省略。因此在實際用d f t 算法求解吼、q 、c i 時 應(yīng)將其因子考慮進(jìn)去。 由以上分析可知，連續(xù)周期函數(shù)經(jīng)過籌間隔的采樣之后，其采樣序列經(jīng)離 散傅立葉變換( d f t ) 能夠求出各次諧波的輻值和相位。 2 3 3 快速傅立葉變換( f f t ) 離散傅立葉變換( d f t ) 是信號處理中最基本、最常用的算法，在信號的頻譜 分析、系統(tǒng)的分析、設(shè)計與實現(xiàn)中得到了廣泛的應(yīng)用i 7 】，但是詫算法包含有大量 的重復(fù)運(yùn)算，且計算量隨采樣點(diǎn)的增加面增大，不適于需要高速運(yùn)行的嵌入 式控制系統(tǒng)的采用。因此為減少d f t 的計算量，縮短運(yùn)算時聞，引入了快速傅 立葉交換( f f t ) 算法。其基本愚想是把長序列逐次分解成一系列短序列，并充分 利用d f t 計算式中旋轉(zhuǎn)因子蛾”的對稱性和周期性，進(jìn)而求出這些綴序列相應(yīng) 的d f t ，著進(jìn)行適當(dāng)組合，最終達(dá)到測除重笈計算，減少乘法運(yùn)算，提高速度 的目的。f f t 算法很多，本系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求( 每個周期采2 5 6 點(diǎn)) ，選用了基2 阡1 、 算法。 2 33 1 萋2 f f t 算法 設(shè)n 點(diǎn)輸入序列h ) ，n 為偶數(shù)，且n = 2 m ( m 為正整數(shù)) ，將x ( ) 按奇、 偶分解成兩個( n 2 ) 點(diǎn)序弼來計算坦硒，于是 1 0 - 第二：章系統(tǒng)設(shè)計方案 x ( t ) = x ( 刪嘴” ( 肛o ，1 ，1 ) 月卸 u 一i 毗一 = 羔x ( 2 r ) ( 嚼) “訓(xùn)窆x ( 2 r + 1 ) ( 嚼) “( 2 - 2 1 ) r = 01 = o 式中，嚴(yán)o ，1 ，n 2 l 。 根據(jù)峨：b 可2 = e 。臻帥) ，式( 2 2 1 ) 可化為 x ( k ) = g ( 女) + 哎h ( 七) ( 2 - 2 2 ) a ，i”；一1 式中，k = o ，l ，一l ；g ( 女) = x ( 2 ，) 愛；( ) = 藝x ( 2 r + 1 ) 彬奠。 r # 【l 7 r d ) 。 式( 2 2 2 ) 中g(shù) ( 螂和俄蛉部是n 2 點(diǎn)序列的d f t ，第一個和式是r ( 2 r ) 的a ，2 點(diǎn)d f 3 ，第二個和式是x ( 2 r + 1 ) 的n 2 點(diǎn)d f t 。雖然式中膏= o “1 一n 1 ，但是 因為g ( 協(xié)手口礬玲靜是周期為n 1 2 的k 的周期函數(shù)，所以每一個和式只需計算k 取 0 至( 5 2 ) 1 之間值的d f t 后，再代入式( 2 2 2 ) 中即得到n 點(diǎn)序列的d l ? i 豫札 將上述推導(dǎo)繼續(xù)進(jìn)行，即再把兩個3 # 2 點(diǎn)d f t 分成艘個n 4 點(diǎn)d f t ，進(jìn)而八個 v 7 8 點(diǎn)d f t ，直到n 1 2 個兩點(diǎn)的d f f 。每分一次，稱為一“綴”運(yùn)算，當(dāng)n = 2 ” 時，則有肘級運(yùn)算，如圖2 2 所示。圖中n = 8 ，因此m = 3 ，從左至右，依次為 r t l = l 級，m = 2 級，m = 3 級。 心耶、 擁j - i郴，一 孓枷，粵啪， 郴，鄉(xiāng)鄉(xiāng)叉螂，j ：y 卿， ： ”1 w ： 番2 - 28 點(diǎn)基2 f f t 算涪信號流靄 瑚 琊 郴 批 耶 郴 椰 o 4 2 6 ， 5 3 門 唧 蚴 刪 州 姻 蚋 刪 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 由圖2 2 可見：對于n = 2 ”點(diǎn)做基2 f f t 計算時，包含有m = l 0 9 2 n 級蝶式運(yùn) 算，每級有n 2 個蝶形運(yùn)算，因此整個運(yùn)算有( n 2 ) l 0 9 2 n 令蝶形運(yùn)算構(gòu)成，總的 復(fù)數(shù)乘法次數(shù)為( n f 2 ) l 0 9 2 n ，復(fù)數(shù)加法次數(shù)n l 0 9 2 n ，而喜接計算d f t 的復(fù)數(shù)乘 法次數(shù)為爐，復(fù)數(shù)加法為n ( n - 1 ) ，當(dāng)n 1 時，n 2 ( n 2 ) l 0 9 2 n ，故基2f f t 算 法的運(yùn)算量比直接算法大大減少。 2 3 3 2 實序列的基2 f f t 算法 由前面分析可知，f f t 算法所處理的數(shù)據(jù)是復(fù)序列，而本系統(tǒng)所采集的電流、 電壓數(shù)據(jù)均是實序列，雖然可以把實序列視為一個虛部為零的復(fù)序列進(jìn)行運(yùn)算， 但其效率顯然不高。若用一個點(diǎn)f f t 同時計算兩個點(diǎn)實序歹 的d f f ，一個 做實部，另一個做虛部，計算完后，再把結(jié)果轉(zhuǎn)換為實部、虛部序列的變換結(jié) 果，將是一種很有效的方法。 設(shè)系統(tǒng)實際采集到的電壓、電流序列分別為： “( ，t ) 、 f ( ) ，將兩序列構(gòu) 造成復(fù)序列 x ( n ) l ， = o ，1 ，2 、( 一1 ) ，即 x ( ”) = ! f ( h ) + j i ( n ) ( 二2 3 ) 對復(fù)序列 x ( n ) 傲f f t 變換，則 x ( k ) = u ( 女) + ( ) ( 2 - 2 4 ) 式中，k = o ，l ，2 ，( 一1 ) 從而得 式中，x 。( i ) 、x i ( 女) 分別表示( i ) 的實部和虛部。 進(jìn)而得 f q = 圭【鼻。( 女) + x 。( 一七) 】 h = j 1 【吲v 叫- x i ( 叫 - 1 2 ( 2 - 2 6 1 囂 糾 由 肛 m m 盼 腳 ：燈r 磚卜 靠 啪 m 峨 舢 妒扣 一 一 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 q = 魚五( ) + x ，( 一) 】 鞏= 爭“女) 一妊( 一七) 】 2 3 4 應(yīng)用d f t 存在的聞題及改進(jìn)措施 r 2 2 7 ) 由上= 述理論推導(dǎo)可知，采用任一周期信號通過f f t 可計算出各次諧波的幅 值和相位，但這些值與真值是有差別的。這是因為應(yīng)用d f t 使數(shù)據(jù)截短會出現(xiàn) 頻率混疊、襁欄效應(yīng)和泄漏現(xiàn)象。 ( 1 ) 混疊現(xiàn)象。由奈查斯特定理可知，只有當(dāng)采樣頻率( 大予信號的最高頻 率f 兩倍時，即疋 2 c 才能防止混疊即一”，否則f f t 運(yùn)算將出現(xiàn)頻域混疊現(xiàn) 象，形成頻譜失真，使之不能反映原來的信號。因此，在工程應(yīng)用中，般把f 取得商一些，但也不宣過高，函為采樣頻率過高，則一定的時聞墨采樣點(diǎn)數(shù)過 多，造成對計算機(jī)存儲量的需要過大和計算時問太長。通常，疋取為( 4 1 0 l ，。 ( 2 ) 信號截斷與頻譜泄漏。在實際中遇到的序列x ( n 1 ，其長度往往是很長， 甚至是無限長的。采用f f 3 對其進(jìn)行譜分析時，必須將它截斷成長度為的有 限長序列，相當(dāng)于將序列乘以個窗函數(shù)w ( 珂) 。時域中x ( ，2 ) x 紓名( ”l ，頻域中, v 肖( 8 l 與暇，p 4 l 相卷積。根據(jù)頻域卷積定理，結(jié)果是以實際頻率值為中心， 以窗函數(shù)頻譜波形的形狀向兩側(cè)擴(kuò)散，產(chǎn)生“頻譜泄漏”，由于信號頻譜中各譜 線之問相互影響，頻譜泄漏會使鍘量結(jié)果僚離實際值，同時在譜線兩側(cè)其它頻 點(diǎn)處出現(xiàn)一些幅值較小的假譜，嚴(yán)重時強(qiáng)信號譜的旁瓣可能淹滅弱信號的主譜 線，或者把強(qiáng)信號譜的旁瓣誤認(rèn)為另一信號的譜線，因此必須進(jìn)行抑制。 產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象的根本原因是采樣頻率與信號頻率不同步，造成周期采樣信 號的相位在始端和終端的相位不連續(xù)。為了抑制頻譜泄漏，是通過窗函數(shù)加 權(quán)使確限長度的輸入信號周期延拓后在邊界上盡量減少不連續(xù)程度。二是同步 采樣，使采樣頻率與信號頻率嚴(yán)格同步。其中對數(shù)據(jù)加窗能有效地克服泄漏誤 差造成的幅值估計誤差，但對相位估計誤差無直觀的改善；同步采樣通過使采 樣頻率和信號頻率的嚴(yán)格同步來消除頻譜泄漏誤差，特j ； 楚相位估計誤差。 ( 3 ) 柵欄效應(yīng)。n 點(diǎn)f f t 是在頻域區(qū)闖f 0 ，2 羽上對信號的頻譜進(jìn)行點(diǎn)等間 隔采樣，得到個離散點(diǎn)x ( k 1 ，且它們只限制為基頻的整倍數(shù)，而不可能將頻 譜視為一連續(xù)函數(shù)。這就好像在柵欄的邊通過縫隙看另一邊的景象樣，只 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 能在離散點(diǎn)的地方看到真實的景象，其余部分頻譜成分被遮攔，所以稱之為柵 欄效應(yīng)。為了減少柵欄效應(yīng)，可以采用原序列尾部補(bǔ)零或增加序列長度的方法， 從而在保持原來頻譜形式不變的情況下，使譜線交密，也就使頻域采樣點(diǎn)增加， 原來漏掉的某些頻譜分量就有可能被檢測出來。 2 4 系統(tǒng)設(shè)計方案 液晶電特性測試系統(tǒng)設(shè)計包括硬件與軟件兩部分，且均采用模塊化的設(shè)計 方案，即根據(jù)系統(tǒng)功能，把硬件和軟件分成若干模塊，分別進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試， 然后兩者聯(lián)調(diào)。系統(tǒng)原理框圖如圖2 3 所示。首先由信號發(fā)生器產(chǎn)生波形類型、 頻率均可調(diào)的波形信號，經(jīng)幅值電位器送入低失真高壓功放電路，以產(chǎn)生電壓 幅度連續(xù)可調(diào)的液磊測試信號。然后測試信號施舾在待測液晶兩端，液晶 乜壓 信號經(jīng)分壓、放大后路送入1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行電壓信號采 樣，另一路做為測頻輸入信號送入瀏頻電路進(jìn)行實時頻率測量，間祥被測波晶 的電流信號經(jīng)轉(zhuǎn)換電路及信號放大后送入t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行電 流信號采樣。電壓、電流采樣數(shù)據(jù)在定時中斷服務(wù)程序中被送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)， 直至采夠一個整周期后，1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ac p u 對所采電壓、電流數(shù)字序列進(jìn)行 處理，得到電壓、電流及硒者的相位差，并進(jìn)一步計算出液晶的阻抗值，在l c d 上實時顯示。 圖2 - 3 液霸電特性潮試聚鏡蘸理框圖 另外，為了更好地達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)，我們在軟件方麗采取了系列措施： 應(yīng)用算術(shù)平均濾波法用于信號頻率實時測量，以消除外界隨機(jī)干擾信號的影響， 提高頻率測量的精度；鑒予本系統(tǒng)輸入信號頻率實時可凋，硬件上采用數(shù)字鎖 1 4 第二章系統(tǒng)設(shè)計方案 相技術(shù)難度非常大，采用軟件同步采樣法，保證了信號的整周期采樣，以消除 頻譜泄漏的影響；為了避免混疊現(xiàn)象及減少柵欄效應(yīng)，我們設(shè)計采樣速率為基 頻的2 5 6 倍；采用實輸入數(shù)據(jù)的基2 f f t 算法，通過對一個點(diǎn)f f t 運(yùn)算同時 計算出兩個點(diǎn)實序列( 電壓、電流) 的各次諧波參數(shù)，以縮短系統(tǒng)運(yùn)算的時矧， 更好地滿足系統(tǒng)實時性的要求。 第三章系統(tǒng)硬件 殳計 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 根據(jù)圖2 3 所示的液晶電特性測試系統(tǒng)原理圖及模塊化設(shè)計恩想，系統(tǒng)整體 硬件電路具體按功能可分為：c p u 模塊；輸入輸出模塊；待測液晶驅(qū)動信號發(fā) 生電路：待測液晶電壓、電流響應(yīng)信號調(diào)理電路、測頻電路、數(shù)據(jù)采集模塊、 串行通信接口、電源模塊。下面對各功能模塊的實現(xiàn)電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。 3 1c p u 模塊 該模塊是整個測試系統(tǒng)的核心，它負(fù)賁數(shù)據(jù)的采集、計算、處理、存儲等 功能，另外，還負(fù)責(zé)各功能模塊的控制與切換。主要芯片采用美國7 i i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 。 3 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 介紹 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 是美國r i 公司為實時信號處理麗設(shè)計的新代定點(diǎn) 數(shù)字處理器產(chǎn)品，它將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng) 應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。 311 1 芯片的基本結(jié)構(gòu) 作為高性能數(shù)字信號處理器，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片的基本結(jié)構(gòu)包括f 6 1 ： ( 1 ) 哈佛結(jié)構(gòu)。啥佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾依曼( v o nn e u m a n n ) 結(jié)構(gòu)的并 行體系結(jié)構(gòu)。其主要的特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同韻存儲空間中，即程序 存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨(dú)立的存儲器，每個存儲器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪 閑。與之對應(yīng)系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從麗使數(shù)據(jù)的吞吐 量提高了一倍。 ( 2 ) 流水線。與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，d s p 芯片支持流水線操作，以減少指令的執(zhí) 行時間，從而增強(qiáng)了處理器韻處理能力。處理器可以并行處理2 4 條指令，每 條指令處于流水線的不同階段，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可重疊執(zhí)行。 ( 3 ) 專用的硬件乘法器。逯用處理器是靠一系列加法來實現(xiàn)乘法運(yùn)算，麗d s p 1 6 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 芯片則采用專用的硬件乘法器，使運(yùn)算速度大大提高，乘法運(yùn)算可在一個指令 周期內(nèi)完成。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令。 ( 5 ) 快速的指令周期。 3 1 1 2 芯片的蓁本特性 ( 1 ) 采用高性能靜態(tài)c m o s 技術(shù)，使得供電電匿降為3 3 v ，減小了控制器的 功耗。 ( 2 ) 4 0 m i p s 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，從而保證了控制 器的實時控制能力。 ( 3 1 基于7 f m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保證了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代 碼和t m s 3 2 0 系列d s p 代碼兼容。 ( 4 ) 片內(nèi)高達(dá)3 2 k 字的f l a s t t 程序存儲器，高達(dá)2 5 k 字的數(shù)據(jù)程序r a m ， 5 4 4 字的雙口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的單口r a m ( s a r a m ) ；可擴(kuò)展的外部存 儲器總共1 9 2 k 字空間：6 4 k 字程序存儲器空間；6 4 k 字的數(shù)據(jù)存儲器空間；6 4 k 字i 0 空間。 ( 5 ) 兩個事件管理器模塊e v a 和e v b ，每個包括：2 個1 6 位的通用定瞳器、 8 個1 6 位的脈寬調(diào)制( p w m l 通道、3 個捕獲單元。 ( 6 ) 看門狗定時器模塊( w d t ) 。 ( 7 ) 1 0 位a d c 轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時聞為5 0 0 n s ，可選擇由誘個事件管理器來 觸發(fā)兩個8 通道輸入a d 轉(zhuǎn)換器或一個1 6 通道輸入a m 轉(zhuǎn)換器。 f 8 ) 控制器局域網(wǎng)絡(luò)( c a n ) 模塊。 ( 9 ) 串行通信接n ( s o ) 模塊；1 6 位串行外設(shè)接口( s p l ) 模塊：基于錟相環(huán)( p u ，) 的時鐘發(fā)生器。 ( 1 0 ) 高達(dá)4 1 個可單獨(dú)編程或復(fù)用輸入輸出引腳( g p r o ) 。 ( 1 1 ) 5 個外部中斷處理。 ( 1 2 1 電源管理，具有3 種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗l ：作 模式。 3 1 13 芯片的縮構(gòu)框圖 i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖3 一l 所示。 第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計 d ( 15 - 0 a r i5 0 d a t a r a mb o o t r o m p m g r a mf l a s h i e v e n tm a n a g e rae v e n tm a n a g e lb 2 5 kw o r d s2 5 6w o r d s3 2 k w o r d s 2 f i m e r s2t i m e s t十 5c o m p a r e s 5c o m p a l e s 8 p w mo u t p u t s8 p w mo u t n u t s t， d e a db a n dl o 豇c d e a db a n dl o z i c p m g r a n l ，d a t a f i ob u s e s