【文章內(nèi)容簡介】 功率放大電路原理圖 前置放大器型號選擇因為信號頻率比較高，所以前置放大器不僅要求輸入失調(diào)電壓小，而且轉(zhuǎn)換速度要能夠達到信號放大要求。S . R. =2πfV(1106) =2π10000010(1106) = /μS根據(jù)計算結(jié)果，選擇ADI公司的OP37作為前置放大器。其偏置電壓最小為 10μs，轉(zhuǎn)換速度17 V /μs，能夠滿足系統(tǒng)要求。為了使電路簡單，器件容易購買，故第一級放大電路也選擇OP37作為放大器件。3 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn) DDS 波形產(chǎn)生電路設(shè)計 在這部分電路中，單片機是整個控制電路的核心，AD9854 的初始化和控制字寫入、反饋信號采集、輸出信號的控制等任務(wù)都是通過單片機來管理和協(xié)調(diào)的；而 AD9854 是電路重要組成部分，直接決定了兩路正弦波的精確度和相關(guān)度，因此單片機和 AD9854的外圍電路設(shè)計就顯得非常的重要。 AT89LS52 外圍電路設(shè)計 AT89LS52是一種低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。， COMS 電平，與 AD9854完全匹配。因為AT89LS52的片上資源豐富，在本設(shè)計中不需要外擴程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，所以將單片機的EA/VP管腳接高電平，讓單片機運行片內(nèi)程序存儲器內(nèi)的代碼。 晶振，通過電容補償，單片機的機器周期能很好的保持為lus，便于程序的編寫調(diào)試，電源則由三端穩(wěn)壓電源芯片 ，將5V輸入電壓穩(wěn)壓至 [16]。 AT89LS52 有在系統(tǒng)可編程功能（ISP），無需專用燒錄器，不用頻繁插拔單片機，方便簡單。ISP 有并行和串行兩種方式。并行方式電路比較復(fù)雜，需要占用很多資源，實際應(yīng)用中不太常見。~、VCC、GND、RST 六個引腳，占用資源少，簡單易用，應(yīng)用廣泛，技術(shù)較為成熟，而且有很多專門的通信軟件實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，故在設(shè)計時采用了串行在系統(tǒng)編程，圖 中JP1就是單片機的ISP接口。 AT89LS52 的主要外圍電路如圖 所示，包括電源電路，復(fù)位電路、晶振電路和ISP 接口，構(gòu)成一個單片機的最小系統(tǒng)。圖 單片機系統(tǒng)電路 ，網(wǎng)絡(luò)標號D0~D7是數(shù)據(jù)總線，連接到 AD9854相應(yīng)的并行編程數(shù)據(jù)線上,A0A~A5A、A0B~A5B 分別是A片、B片 AD9854 的六位并行地址線，尋址AD9854內(nèi)部40個寄存器。RESET、UD CLK、MODE、SHAPED、WR、RD 是兩片 AD9854的控制線，分別連接到其相應(yīng)的管腳，控制 AD9854 的初始化、模式切換、數(shù)據(jù)更新、讀寫數(shù)據(jù)等。在 UD CLK、WR 管腳分別接了一個發(fā)光二極管，目的是在數(shù)據(jù)更新和寫入數(shù)據(jù)時能夠有一個視覺體驗，便于以后調(diào)試和實驗。另外在單片機電源端也接了一個發(fā)光二極管作為電源指示燈使用。AT89LS52可以通過串口通信電路與PC機通信，通過PC機來設(shè)置系統(tǒng)輸出信號各項參數(shù)，還可以讀出單片機當前工作狀態(tài)和信息。本系統(tǒng)中使用的是目前最常用的串行通訊總線接口RS232C，一個完整的RS232C接口共需22根線，采用標準的25芯接口，在串行異步通信中只需要9根即可，而最簡便的連接方法只需要三根線，本設(shè)計即采用的三線異步通信的方法。 串行通訊也會出現(xiàn)電平匹配的問題， CMOS 電平和EIA/TIA232E電平的MAX3232作為232通信芯片，電路原理圖如圖3. 2所示[22]。圖 串行通信電路 AD9854 外圍電路設(shè)計 AD9854 功能強大，其主要特點如下[17]：① 輸出頻率高。工作頻率最高300MHz，輸出頻率最高可達 120MHz；② 提供了1個4～20倍可編程倍頻器，最低使用15MHz外部時鐘即可產(chǎn)生300MHz系統(tǒng)時鐘，減小了電路設(shè)計難度，降低了器件成本[24]；③ 精度高。可知，當fc=300MHz時，信號頻率精度可達 106Hz，相位精度可達 176。，幅值精度可達 ；④ 功能強大，具有FM、AM、PM、FSK、PSK、BPSK、CHIRP等信號調(diào)制功能；⑤ 信號更新速度快且相位連續(xù)。AD9854八位并行編程頻率可達100MHz；要實現(xiàn)超聲波電機精確的速度控制和位置控制，要求驅(qū)動電機的兩路正弦波幅度、頻率、相位差精度極為精確并且有嚴格的相關(guān)性，這就要求兩片 AD9854 要有極高的同步性，在設(shè)計電路和PCB時必須預(yù)先認真考慮各種可能因素以保證輸出波形能達到精確驅(qū)動的要求。要實現(xiàn)有效的同步，首先要保證兩片AD9854芯片的REFCLK有最小的相位誤差，因為REFCLK相位邊沿的任何誤差都會使輸出信號上有一個相應(yīng)的比例誤差，故兩片AD9854芯片工作于同一REFCLK下，AD9854有兩種參考時鐘輸入形式：差分輸入和單端輸入。在合理布線的情況下，差分輸入擁有比單端輸入更好的噪聲性能，這主要是因為共模抑制和有效轉(zhuǎn)換速率的倍乘提高了參考時鐘的特性[37]，電路中兩片 AD9854 需要輸出相位嚴格相關(guān)的兩路正弦波，而相關(guān)性和參考時鐘有很大關(guān)系，因此要求參考時鐘質(zhì)量高且相位噪聲低。為了優(yōu)化性能，AD9854的參考時鐘信號采用差分形式，且REFCLK上升/下降時間不能低于1ns。本設(shè)計采用了Motorola公司的低壓差分接收芯片MC100LVEL16。 所示[18]。由于時鐘電路的性能關(guān)系到最后的信號精度，所以在布線時，應(yīng)保證從晶振到時鐘輸入腳距離盡量短，時鐘電路與其它數(shù)字電路盡量隔離。在整個采樣電路下應(yīng)大面積鋪銅接地，以降低可能受到的電磁干擾，同時也可降低對其它電路的干擾。圖 AD9854 參考時鐘電路 對于REFCLK和兩片AD9854布局也有一定的位置要求，通常按照圖 所示的最優(yōu)布局進行布局。圖 REFCLK 和多片 DDS 推薦布局及錯誤布局示意圖在AD9854工作過程中，UPDATE信號起著非常重要的作用[12]。從AT89LS52送來的數(shù)據(jù)先存儲在I/O緩存中，在UPDATE信號的上升沿，數(shù)據(jù)才送入DDS核心。UPDATE信號可由用戶通過第20引腳I/0 UD CLK 提供，也可由AD9854內(nèi)部更新時鐘器產(chǎn)生。用戶提供更新時鐘，易使編程與更新時鐘同步，可以防止因數(shù)據(jù)建立和保持時間的原因而出現(xiàn)的編程信息傳輸錯亂。更新時鐘由內(nèi)部產(chǎn)生時，其重復(fù)周期由用戶編程設(shè)置。 本系統(tǒng)采用用戶提供更新時鐘的方式。I/0 UD CLK為雙向頻率更新信號線，由控制寄存器設(shè)定其輸入輸出方向，作為輸入時，在時鐘的上升沿將I/O緩存器數(shù)據(jù)傳送到程序寄存器；作為輸出時，如果輸出8個系統(tǒng)時鐘周期的脈沖（低到高），表明內(nèi)部頻率已經(jīng)更新。本設(shè)計中將它設(shè)置為輸入口，當完成對AD9854所有編程后。UPDATE CLK 將數(shù)據(jù)從緩存器中傳送到程序寄存器中，并使其生效，為了有效同步，兩片AD9854外部UPDATE CLK 上升沿要同步，而且使用者必須控制參考時鐘（REFCLK）和外部更新時鐘（UPDATE CLK）的時序，使所有的 DDS 芯片工作于相同的系統(tǒng)時鐘下，彼此之間不要發(fā)生偏離，另外，REFCLK和UPDATE CLK要有特定的時間關(guān)系。AD9854數(shù)據(jù)手冊上有 REFCLK 差分輸入時，旁路倍頻器和不旁路倍頻器情況下推薦的二者之間的時間關(guān)系，編程時參數(shù)的設(shè)置需要以此作為參考。 AD9854為單極性電流輸出，共有四路輸出I，OUT1 ， IOUTB ， IOUT2 和 IOUT2B，電流的最大輸出幅值由管腳56（RSET）連接的電阻來決定，二者關(guān)系由公式3－1確定。RSET = …………………………………………………………（31） 電阻的調(diào)節(jié)范圍為8kΩ（IOUT=5mA）~ 2KΩ（IOUT=20mA），典型值為3. 9KΩ，AD9854 的輸出電流限制在10mA，此時AD9854有最好的SFDR性能[16]。WR/SCLK引腳在并行方式時，為AD9854寫信號控制線，控制單片機寫并行數(shù)據(jù)到AD9854內(nèi)部的緩存器，當使用串行編程時提供串行時鐘。RD/CS 引腳在并行方式時，為AD9854的讀信號控制線，可控制單片機讀取AD9854內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，當使用串行編程時為片選功能，用作串口數(shù)據(jù)總線片選。FSK/BPSK/HOLD 引腳在不同模式下有不同功能。FSK 模式時，邏輯低選擇頻率寄存器1（F1），邏輯高選擇頻率寄存器2（F2）；BPSK 模式時，邏輯低選擇相位1，邏輯高選擇相位2；CHIRP 模式時，邏輯高時啟動HOLD功能，使頻率累加器暫停掃頻，保持當前頻率，邏輯低時，繼續(xù)線性掃頻。 引腳相連。以上對AD9854的重要引腳的連接作了詳細的介紹，除此之外，（DVDD）輸入端，（AVDD）輸入端，數(shù)字地（DGND）接地端和模擬地（AGND）接地端。為了很好的隔離噪聲，獲得更好的輸出信號性能，防止數(shù)字噪聲耦合到模擬部分，必須對AD9854 模擬3. 3V 和數(shù)字 3. 3V 電源分別供電，必須分離數(shù)字地和模擬地。在本設(shè)計中， 三端穩(wěn)壓芯片為AD9854 分別提供數(shù)字3. 3V電源和模擬3. 3V電源，該芯片將5V系統(tǒng)輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?. 3V，最大提供800mA 的電流滿足AD9854 的要求。對數(shù)字地和模擬地也進行了分離，分別對應(yīng)GND和AGND。通過以上分析，同時參考 AD9854 的數(shù)據(jù)手冊上給出的評估板原理圖，設(shè)計 AD9854的外圍電路圖。圖 顯示的是一路 AD9854 電路原理圖。圖 一路 AD9854 電路原理圖 帶通濾波電路設(shè)計 MAX274 是連續(xù)時間有源濾波器，比開關(guān)型濾波器噪聲低，動態(tài)特性好，并且不需要時鐘，沒有時鐘噪聲，由 4 個獨立的二階有源濾波單元組成，通過級聯(lián)最多可構(gòu)成一個8階濾波器，每個濾波單元只需外接4個電阻即可實現(xiàn) Butterworth、Bessel、Chebyshev和Elliptic帶通或低通濾波器。當外接電阻有1%公差時可能產(chǎn)生2%的極點頻率誤差[17]。另外，MAXIM公司還提供了專用的濾波器設(shè)計軟件進行輔助設(shè)計和仿真。 其主要特性參數(shù)如下： （1）最大工作頻率為 10MHz； （2）中心頻率范圍是 100Hz～150kHz； （3）中心頻率的精度為177。1%； （4）中心頻率的溫度系數(shù)（ΔFO /ΔT）為28ppm /℃； （5）工作電壓為+ 5V 或177。5V。 MAX274 內(nèi)部集成的四個二階濾波單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相同的，包含4個放大器、2個電容和5個電阻，通過改變外接4個電阻即可實現(xiàn)各種頻率的帶通或低通濾波器。 所示。圖 MAX274 內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)圖 高階濾彼器用濾波器的設(shè)計公式計算比較復(fù)雜，MAXIM 提供了濾波器設(shè)計專用軟件MAX274 Software，可以完成階數(shù)、極點、Q 的計算，仿真Gain和Phase 的響應(yīng)曲線，并可以計算外接電阻的值，使得濾波器設(shè)計簡單方便，可以節(jié)省大量時間，也避免了人為計算錯誤[18]。使用MAX274 Software設(shè)計濾波器具體步驟如下： 步驟 1 由濾波器的指標確定極點、Q 值和零點 這一步主要根據(jù)濾波器所需達到的性能指標，迅速算出經(jīng)典的 Butterworth、Bessel、Chebyshev 和Elliptic濾波器的極點、階數(shù)和Q值。啟動軟件，進入軟件主界面，選擇“Determine Poles/Qs/Zeros based on filter requirements”進入到圖 所示的設(shè)計界面，首先選擇所要設(shè)計的濾波器的類型（LOWPASS、HIGHPASS、BANDPASS、NOTCH）。對于帶通濾波器，Amax 為通帶內(nèi)最大衰減，Amin為阻帶內(nèi)最小衰減，F(xiàn)c 為通帶中心頻率，F(xiàn)bw為通帶帶寬，F(xiàn)sw為阻帶帶寬，Order 為濾波器階數(shù)。分別輸入濾波器的各項設(shè)計指標，完成初步設(shè)計。在這一步完成之后，可以瀏覽設(shè)計好的濾波器幅度及相位響應(yīng)，保存設(shè)計進入第二步。圖 由濾波器的指標確定極點、零點和 Q 值界面 步驟 2 針對 MAX274/5 完成濾波電路設(shè)計 這一步任務(wù)是計算出各外接電阻的數(shù)值，然后進行仿真獲得傳輸特性曲線，包括增益、相位和群延遲等內(nèi)容，并打印出結(jié)果。 首先導(dǎo)入第一步完成的設(shè)計模型。在這一部分，可以具體觀看每一個二階濾波器的外接電阻值及電路的連接情況，并且允許對每個電阻進行調(diào)節(jié)，可以通過相應(yīng)的命令觀察各二階節(jié)以及濾波器的整體幅頻特性，從而完成電路設(shè)計。 打開軟件，參數(shù)設(shè)置如下：中心頻率 Fc＝（對于帶通濾波器，F(xiàn)C =），F(xiàn)bw＝65KHz，F(xiàn)sw＝130KHz（如果不確定是多少，通常可定為 Fbw的兩倍即可），Amax＝3dB，對于Amin 而言，此時有兩種選擇，要么在 Order 欄輸入想要的濾波階數(shù)，更新 Amin，查看 Amin 上的衰減是否達到要求；要么直接輸入需要達到的Amin值，這時所有4 種濾波器都會更新 Order 和 Amin 的值；為了使輸出波形盡可能平滑，在設(shè)計時直接輸入 MAX274 最大階數(shù) 8，此時Butterworth 濾波器Amin＝，滿足系統(tǒng)需要。 之后進入步驟2，設(shè)置總增益Q，對電阻阻值標準化處理而得到最終結(jié)果。設(shè)計時需要注意，我們所能買到的電阻阻值通常為 E245%系列，與標準化結(jié)果（E961%系列）之間有一定的誤差，因此要對電阻值進行取舍，一般只要誤差不超過5% ，電阻值對濾波器階躍波形的影響就不大，所得到的階躍波形就可以滿足要求了[29]。 顯示電阻均采用 E24 系列后的阻值。表 濾波器設(shè)計結(jié)果（電阻標準化后）為簡化設(shè)計，MAX274 采用5V單一電源供電（電路見 MAX274 用戶手冊）,最終的濾波器電路原理圖如圖 所示。圖 帶通 Butterworth 濾波器電路原理圖 功率放大電路設(shè)計 系統(tǒng)放大電路分為兩級（見 節(jié)），第一級放大電路為普通運放反相放大電路，在此不做介紹。第二級為功率放大，用 OP37 作為前置放大器補償 PA85 的失調(diào)電壓，同時起到前置放大的作用，將電壓升到177。 10V（峰值），PA85 將電壓放大到177。 200V，放大倍數(shù)為 20 倍，根據(jù)公式 2