【正文】 相位 移位寄存器 ， 自帶 單路 FSK 和 BPSK 數(shù)據(jù)接口，易 于 產(chǎn)生單路線性或非線性調(diào)頻信號。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn) 時鐘源 時， AD9852 可產(chǎn)生高穩(wěn)定 性 的 ， 頻率、 幅度 、 相位 可編程的正、余弦輸出 信號 ，可用 于制作 變頻本地振蕩器 以及 各種波形 發(fā)生 器。 AD9852 提供了高達 48 位的頻率分辨率， 其 相位量化 達 到 14 位， 能夠 保證 極高頻率分辨率和相位分辯率， 具有 極好的動態(tài)性能。其頻率轉(zhuǎn)換速度可 以 達 到 每秒 100106 個頻率點。 在時鐘方面， AD9852 芯片內(nèi)部時鐘輸入端 含有 4～ 20 倍可編程 的 參考時鐘鎖相 倍頻 電路， 在芯片 外部只需輸入 一 低頻參考時鐘 （如 60MHz） ，通過 調(diào)用 AD9852芯片內(nèi)部的倍頻 就 可 以 獲得 300MHz 內(nèi)部時鐘 。另外， 300MHz 的外部時鐘也可以 使用 單端 輸入 或差分輸入 的 方式直接作為 時鐘源 。 由于 AD9852 采用＋ ， 其器件 功耗 也相對較低 。 在此次設(shè)計中選用 AD9852 芯片作為 DDS 芯片的原因主要是在于， AD9852 芯片具有 120MHz 的最高輸出頻率，滿足探頭激發(fā)的 5565MHz 頻率要求，同時輸出頻率分辨率為 1Hz，且該芯片輸出信號幅度可控，使得射頻功放的輸入可控，從而能夠達到控制功放輸出功率的目的。 橢圓 低通 濾波器 橢圓濾波器又稱為 考爾濾波器（ Cauer filter），是在通帶和阻帶等波紋的一種濾波器。橢圓濾波器與其他類型的濾波器相比，其在階數(shù)相同的條件下具有最小的通帶和阻帶波動。它在通帶和阻帶的波動相同 ，這一點區(qū)別于在通帶和阻帶都平坦的巴特沃斯濾波器，以及通帶平坦、阻帶等波紋或是通帶等波紋、阻帶平坦的切比雪夫濾波器。與其他類型的濾波器相比，橢圓濾波器具有最為陡峭的過渡帶。橢圓濾波器的特性是我選擇它作為低通濾波器的原因。 本次設(shè)計中 使用濾波器設(shè)計軟件 Filter Solution 輔助完成設(shè)計。設(shè)計參數(shù)如圖 所示。其具有 70MHz 的阻帶頻率， 的通帶衰減值，和 100Ω的輸入阻抗。 根據(jù)軟件的參數(shù)設(shè)置，自動生成電路設(shè)計圖如圖 所示。在圖中所給出的電壓正極輸入信號，由電壓負(fù)極輸出信號，即可完成信號的低通濾波。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 23 圖 軟件參數(shù)設(shè)置 圖 三階橢圓低通濾波器電路設(shè)計 根據(jù)軟件分析，該電路在 10MHz 至 100MHz 的頻率范圍內(nèi)具有如圖 所示的響應(yīng)曲線。根據(jù)曲線分析，該電路可以很好的濾除干擾波 。 圖 低通濾波器頻率響應(yīng)曲線 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 24 射頻功放電路 根據(jù)電路設(shè)計需求，本設(shè)計中的射頻功放電路使用小信號高頻管和射頻 NMOS功放管組成，設(shè)計功率增益在頻率范圍 5565MHz 范圍內(nèi) 計劃在 30dBm 以上 。 通過查找選型資料，決定選用 MRF136 型 N 溝道增強型射頻功放管。 在實際應(yīng)用中， MRF136 作為射頻信號發(fā)生電路的負(fù)載，其測量范圍的輸出信號電壓約為，輸出功率約為 20dBm，而 MRF136 的功率增益可達 16dBm，因而最后 MRF136輸出的信號約為 3536dBm，滿足設(shè)計需求 [1920]。 如圖 所示為使用 ADS 仿真軟件進行模擬所得到的 MRF136 功放管的靜態(tài)特性。圖中顯示出了在將 VDS 設(shè)定為 24V 時 IDS 和 VGS 的關(guān)系。為了獲得良好的線性關(guān)系，將靜態(tài)柵極電壓設(shè)定為 5V，同時能夠從圖中顯示出來的 IDS 約為 500mA。 圖 MRF136 功放管靜態(tài)特性圖 如圖 所示為考慮了 MRF136 在工作頻率不穩(wěn)定等因素后設(shè)計出的一個 RF功放電路，其中加入了一個 RLC反饋回路電路以穩(wěn)定 MRF136 功放管。另外還添加了一個輸入匹配網(wǎng)絡(luò)電路，以對輸入和輸出阻抗進行匹配。 圖 RF 功放電路 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 25 圖 所示為使用 ADS 軟件進行模擬的結(jié)果，顯示出了系統(tǒng)的匹配結(jié)果和匹配后的 S 參數(shù)模擬。根據(jù)仿真，系統(tǒng)此時擁有較好的匹配效果。圖 所示為所設(shè)計的射頻功率放大器在時間域的放大效果模擬圖。 圖 系統(tǒng)匹配結(jié)果及 S 參數(shù)匹配仿真 圖 RF 功放在時間域的放大模擬 射頻功率控制電路 設(shè)計中，射頻功率控制由高頻峰值檢波和衰減器進行控制。首先由高頻峰值檢波檢測輸出的峰值電壓，之后經(jīng)過衰減器衰減返回到模擬版主控 MSP430F149 單片機， 單片機對上位主控傳輸來的應(yīng)輸出電壓進行比較后調(diào)整 DDS 的輸出電壓，進而對射頻功率加以控制。 在衰減器的設(shè)計中，單純使用單一 PIN 二極管會有比較大的局限性，雖然這樣設(shè)計比較簡便，但是二極管的阻抗會隨著偏置電壓的變化而改變。因而，為解決此問題，本設(shè)計中使用多個 PIN 二極管組成兩條支路，以達到不變的阻抗特性。如圖 是一個設(shè)計范例，該示例中包含了一組濾波器和改良后的二極管衰減器。在該示例中，通過選擇合適的二極管偏執(zhí)電流，能夠使上下兩條支路的阻抗從始中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 26 端看進去時始終保持在 50 歐姆左右，從而大大降低了阻抗失調(diào)的影響 。 圖 改良后的二極管衰減器 抗干擾設(shè)計 概要 Overhauser質(zhì)子磁力儀要求具有很高的精度，因而對其電路抗干擾能力就有了很高的要求，是電路設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。 抗干擾設(shè)計的要點是找到電磁干擾的三要素：騷擾源、傳播途徑、敏感器件，對其分別采取措施來降低電磁干擾。 本系統(tǒng)中的干擾 源主要是各個放大器和電源。由于各個 放大器 的輸出頻率較高，對外會有較強的無用 信號發(fā)射，形成干擾 源。電源采用的是開關(guān)電源，其開關(guān)管在開關(guān)狀態(tài)下會產(chǎn)生 比較強烈的脈沖干擾，而且由于射頻功率還會 受到外部控制脈沖的調(diào)制， 在其 調(diào)制過程 中 也會產(chǎn)生頻譜范圍很寬的無線 信號發(fā)射，形成干擾源 。所以各個功放在設(shè)計上 應(yīng) 充分考慮對無用發(fā)射的控制，各個功放 要自成體系，各自隔離，做到對干擾 源的有效抑制。 干擾的傳播途徑主要是輻射、采樣信號線傳導(dǎo)、 電源線傳導(dǎo) 等三種方式。輻射可以通過進行屏蔽和良好接地、消除或者減弱干擾 耦合進行限制，通過信號線和電源線 進行傳播的干擾 信號，要通過濾波和隔離措施加以濾除和隔離，切斷 其傳播途徑。 敏感器件集中在控制單元部分，主要有控制單元、 數(shù)字合成器 (DDS)和射頻功放?？刂茊卧?數(shù)字合成器 (DDS)的控制電壓相對較低，比較容易受到干擾，造成程序跑飛、控制失效，導(dǎo)致輸出波形畸變。射頻 功放的增益較高，如果受到干擾，會造成功放輸出波形的惡化甚至自激震蕩，對器件造成損害。 電路在設(shè)計之初， 應(yīng)當(dāng)就 考慮到抗干擾措施，從元器件布局到安裝，均 應(yīng) 遵中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 27 循電磁 兼容理論。經(jīng)過查找設(shè)計資料，考慮后得出如下抗干擾設(shè)計思路： ? 對向外發(fā)射電磁干擾的 干擾源的所有入口和出口全都采用有效的電磁屏蔽措施，防止有害的電磁干擾 。 ? 在電路板上 加裝去耦濾波電容， 這種電容可以 對高、低頻干 擾信號產(chǎn)生 很強的抑制能力。 ? 對從末級功放進入到激勵器中的每一路信息，在進入到 功能單元之 前 要 先 在母板上經(jīng)過 π 型濾波器濾波， 以 有效的隔離外界騷擾源。 ? 對工作頻率高、邏輯電壓低的 數(shù)字合成器 (DDS)單 元使用多層 布線 方式 ， 利用中間地線層隔離電源層和元件層， 這樣能夠 有效的隔離電源層騷擾。 ? 必須盡可能的 控制關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的走線長度， 以 減小傳輸線效應(yīng)。 ? 所有進出射頻場的 線路 ， 要全部經(jīng)過穿心電容進出，以阻斷射頻信號干擾 的傳播途徑。 ? 為避免傳輸線上的無用信號發(fā)射干擾 ，印制板走線 應(yīng)盡量 避免轉(zhuǎn)直角彎，所有轉(zhuǎn)彎處要全部轉(zhuǎn)圓弧或者 45度角線。 ? 從控制單元到每個可控衰減器的控制口之間的連線全部采用帶屏蔽的電纜連接。 ? 對易受 干 擾的敏感器件，要 加 裝屏蔽盒，隔離外界騷擾源。 檢波放大 系統(tǒng) 設(shè)計概述 根據(jù)資料，質(zhì)子磁力儀探頭輸出的拉莫爾頻率信號較為微弱，為 uV級信號，難以進行檢測，因而應(yīng)設(shè)計一個放大器對該信號進行放大。為此，設(shè)計放大倍數(shù)約為 10萬倍，通帶頻率范圍為 8003400Hz的低噪聲放大器，將探頭輸出的信號進行放大濾波，放大后的信號通過全波整流信號檢波電路后，即為拉莫爾頻率信號的峰值電壓，之后再檢測該信號，得到測量數(shù)據(jù)。 檢波放 大系統(tǒng)的電路設(shè)計框圖如圖 。 圖 放大檢波系統(tǒng)設(shè)計框圖 由于磁力儀對于噪聲水平要求較高，故在放大部分采用專用儀器儀表放大器進行信號放大。因為信號要求獲取 8003400Hz的通帶頻率，因此設(shè)計帶通濾波器，并進行前置、后置二級濾波對信號進行濾波以獲得有用信號，提高信噪比。之后進行信號全波整流檢波，獲得正電壓信號，再經(jīng) CPLD等精度測頻測得信號頻率，中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 28 計算得到磁場數(shù)值。 運算放大電路 一個具有可靠測量能力的質(zhì)子磁力儀，其放大電路應(yīng)該滿足以下要求：低噪聲、高阻抗、低失調(diào)電流。經(jīng)過考慮，決定使用專用儀器儀表放大器 AMP01完成運算放大的功能，因為，與使用通用運算放大器相比，使用專用儀器儀表放大器可以更好的使參數(shù)得到優(yōu)化，特別是能更好的控制 CMRR、線性增益和噪聲等方面，使儀器的精度更高 [2123]。 圖 AMP01運算放大芯片的簡化電路框圖。而圖 AMP01芯片增益工作在從 。如圖所示，增益是由自定義電阻 和 的比值設(shè)定的，增益大小遵循以下公式： 20 (41) 利用這種形式，我們可以方便的控制增益。 圖 AMP01運算放大芯片簡化結(jié)構(gòu)電路圖 圖 AMP01在增益從 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 29 參照圖 ，我們將 AMP01運算放大器的工作描述如下。 首先在兩個輸入端之間加入一個差分信號使得通過 和 的電流不平衡， 通過不平衡的 和 以相反的方向?qū)Υ似鸱磻?yīng)以恢復(fù)在它自身輸入端的平衡條件 。 通過經(jīng)由 3對底部晶體對加上一個合適的驅(qū)動以達到這一點，所需的驅(qū)動量決定于比值 ，以及輸入差的大小。這個驅(qū)動形成了 IA的輸出。 表 AMP01運算放大器的主要特性。 表 AMP01運算放大器主要特性 失調(diào)電壓 15uV 失調(diào)電壓漂移 ℃ 噪聲 ? （ ） 輸出驅(qū)動 177。 10V@177。 50mA 容性負(fù)載穩(wěn)定性 到 1uF 增益范圍 線性 16bit（在 G=1000V/V） 140dB（在 G=1000V/V） 偏置電流 1nA 通過分析 AMP01運算放大器的特性可以看出，該放大器完全滿足儀器的設(shè)計要求，其噪聲較低，具有較高的增益。但是，其增益最大可達 10000V/V，無法滿足 10萬倍的放大要求，因而需要額外增加一個 10倍增益的 二級放大模塊。 探頭輸出的信號為一個差分信號，在經(jīng)過 AMP01放大的時候由該模塊將差分信號轉(zhuǎn)換為一單端信號輸出，因此，在選擇二階放大模塊時，應(yīng)考慮此問題。 二級模塊依然使用 AMP01運算放大器設(shè)計，將一級放大模塊輸出的單端信號由 AMP01的正輸入端輸入，將 AMP01的負(fù)輸出端接入地作為參考級，這樣就能夠保證對輸入的信號無干擾。 如上所述，由兩片 AMP01運算放大器組成了放大模塊。該模塊可以很方便的調(diào)整放大倍數(shù)和輸入阻抗，能夠很好的應(yīng)用于儀器設(shè)計當(dāng)中。 濾波電路 根據(jù)設(shè)計要求，濾波電路要能夠獲得 8003400Hz的帶通濾波，且電路穩(wěn)定、抗干擾能力強。 如圖 ，使用 RCL元器件搭建一 K型帶通濾波器進行信號的帶通濾波 [24]。如圖所示 的結(jié)構(gòu)由一個串聯(lián)諧振電路 L C1和一個并聯(lián)諧振電路 L C2組成，其中，串聯(lián)諧振電路在諧振頻率時只有很小的信號衰減。并聯(lián)諧振電路具有最大的阻塞作用。這兩個電路都調(diào)諧在通頻帶的中間頻率。圖中所使用的各個元件通過以下式子計算得到： 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 30 ? 2 (42) 1 （ ? ） (43) （ ? ） (44) （ ? ） 4 (45) 式中： L L2單位為亨（ H）； C C2單位為法（ F）； Z0為額定的外接電阻，單位為歐姆（Ω）； f f2分別為下截止頻率和上截至頻率，其單位為赫茲（ Hz）。 圖 帶通濾波電路 1 也可搭建如圖 K型帶通濾波器，其串聯(lián)臂由兩個 L C1串聯(lián)諧振電路所替代。 L C2形成并聯(lián)諧振回路。 L1除以 2， C1乘以 2。 圖 帶通濾波電路 2 如圖 ，得到其參數(shù)： ? 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