驱动电路设计论文

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1驱动电路

采纳介电润湿机理操控微液滴技术，系统的功耗极低，所以微液滴操

控电路的设计对电流无要求；但考虑电流过大会导致介电层被击穿发

生电解以及加剧微液滴的蒸发，所以要求操纵电路输出电流应尽量小。由Ｙｏｕｎｇ－Ｌｉｐｐｍａｎ方程可知，微液滴接触角的余弦值与

外加电压的平方成正比［７］，为了使接触角大范围内连续变化，要

求电压幅值大范围可调；另外，微液滴输运与分离所需电压幅值相差

很大，也要求电压幅值大范围可调［８］。根据项目需求，使用的数

字微流控芯片包含１２８个驱动电极，每个电极最高承受电压为２０

０Ｖ。所以，设计的驱动电路需要满足以下指标：１）电路由单一５

Ｖ２Ａ直流电源供电，输出有１２８路，每路可独立输出方波。２）

每路输出电压幅值为０～２００Ｖ，频率为１０～１０００Ｈｚ，电

压幅值和频率均可调，并且输出电压精度为±０．５Ｖ。３）人机界

面采纳计算机操纵，并与驱动电路使用ＵＳＢ２．０接口通信，计算

机向驱动电路发送各路输出电压幅值和频率信息。

2.1总体方案根据系统要求，所设计的驱动电路应具有将５Ｖ电压升至２００Ｖ的水平，实践中常采纳拓扑结构为ＤＣ－ＤＣ升压变换器的

电路以实现升压［９－１０］，但对于复杂的数字微流控系统采纳该

方式会导致驱动电路的体积过于庞大。为缩小电路体积以节省实验空间，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驱动电路，电路结构如图

３所示。计算机通过由软件ＬａｂＶＩＥＷ搭建的窗口界面向驱动电

路中的单片机发送１２８路方波输出的电压幅度和频率信息，单片机

对计算机发送的指令实行解析，然后以特定时间间隔向３２通道Ｄ／

Ａ芯片发送相对应的方波电压信息，进而实现指定频率和幅度的方波

输出。

2.2单片机设计的电路中所使用的单片机为ＰＩＣ２４Ｈ，该系列单

片机是美国微芯科技公司推出的十六位精简指令集微操纵器，具有高

速度、低工作电压、低功耗等特点，以及较大的输出驱动水平和较强的计算水平。ＰＩＣ２４Ｈ的主要任务为：接收由计算机输入的电压幅值与频率信息，根据频率计算出方波周期，然后每半个周期时间向Ｄ／Ａ芯片分别发送输出方波最大和最小电压幅值指令，进而实现特定电压幅值和频率的方波输出。电路连接时，将ＵＳＢ芯片输出端口Ｄ０～Ｄ７，以及ＲＤ、ＷＲ、ＴＸＥ和ＲＸＦ分别与单片机任意Ｉ／Ｏ口相连接，实现从ＵＳＢ芯片并行Ｉ／Ｏ接口的数据读取；将Ｄ／Ａ芯片输入端口ＳＣＬＫ、ＤＩＮ、ＳＹＮＣ分别与单片机其他空余Ｉ／Ｏ口相连接，实现单片机对Ｄ／Ａ芯片输出的操纵，电路连接原理框图如图４所示。驱动电路使用ＵＳＢ接口芯片可实现完成ＵＳＢ串行总线和８位并行ＦＩＦＯ接口之间的相互协议转换。其优点在于，对于开发者只需熟悉单片机编程及简单的ＶＣ编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短ＵＳＢ外设产品的开发周期。

2.3ＵＳＢ接口芯片的设计驱动电路中的ＵＳＢ接口芯片选用ＦＴ２４５Ｒ，该芯片是由ＦＴＤＩ公司推出的第二代ＵＳＢ接口芯片，与其他芯片相比，应用ＦＴ２４５Ｒ芯片实行ＵＳＢ外设开发，只需熟悉单片机编程及简单的ＶＣ编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短ＵＳＢ外设产品的开发周期。此外，ＦＴ２４５Ｒ支持ＵＳＢ２．０规范，满足项目需求。ＦＴ２４５Ｒ芯片可实现ＵＳＢ接口与并行Ｉ／Ｏ接口之间数据的传输。ＵＳＢ收发器从计算机接受ＵＳＢ串行数据后，由串行接口引擎将数据转换成并行数据，储存有ＦＩＦＯ接收缓冲区，当读取信号为低时，就将接收缓冲区的数据送到并行输出数据线上。考虑电磁兼容性设计，在ＵＳＢ接口的电源端连接一个磁珠，以减少设备的噪声和ＵＳＢ电缆辐射对芯片产生的电磁干扰。

2.4Ｄ／Ａ的配置及电源设计电路中使用的３２通道Ｄ／Ａ芯片最高输出电压为２００Ｖ，精度为１４ｂｉｔ，满足每路输出电压幅值和精度的要求。电路的１２８通道输出可由４片Ａ／Ｄ芯片实现。Ａ／Ｄ芯片的输出电压由单片机操纵，因为单片机ＰＩＣ２４Ｈ与Ａ／Ｄ

芯片都支持ＳＰＩ协议，所以本电路使用ＳＰＩ接口传输完成单片机

和Ａ／Ｄ之间的通信。Ａ／Ｄ芯片要实现０～２００Ｖ范围内的电压

输出，需要配置－５Ｖ、４．０９６Ｖ、５Ｖ和２００Ｖ，而电路只

有５Ｖ直流供电，所以需将５Ｖ转换为－５Ｖ、４．０９６Ｖ和２０

０Ｖ。设计的电路中分别选用相对应的升压芯片完成电压的转换。

根据上述设计方案，选择合适的芯片，制作完成该驱动电路，电路如

图５所示。向该电路输入相对应的输出电压指令，测得在０～１８０

Ｖ的范围内，实际输出电压和期望输入电压之间的误差基本小于

０．１Ｖ，满足设计要求。所设计的电路在１５Ｖ、５０Ｖ、７５Ｖ、１２５Ｖ、１７５Ｖ这５个采样点上相对应的输入－输出数据如表１

所示。在０～１８０Ｖ的输出范围内，等间隔的选择１８０个点，获

得输入指令和输出电压之间的关系曲线如图６所示，电路的输出电压

在０～２００Ｖ范围内均与输入电压指令相符。实验中的数字微流控

芯片需要实现对液滴的基本操作，其方法为对液滴移动路线上的电极

依次通电，所加电压为交流电压。交流电压能够通过在指定时刻对Ｄ

／Ａ芯片输入相关输出电压信息，从而获得所需交流电压输出。经过

实验验证，所制作的电路能够实现对数字微流控芯片上液滴的操纵。

液滴移动如图７所示。

4结论

根据实际数字微流控芯片的需求，设计了具有１２８通道方波输出的

高度集成化驱动电路，在最低限度占用空间的前提下，实现了每路都

能够独立操纵输出方波的频率和幅值，所设计的电路能够满足实际需求。提出的驱动电路设计思想能够应用于更为复杂的数字微流控芯片，在多电极数字微流控芯片驱动电路的制作方面具有借鉴意义。

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