【正文】 負(fù)載電流的突然變化可能會(huì)在輸出上出現(xiàn)一個(gè)很大的返回式電壓峰值，以致?lián)p壞輸出級(jí)，故應(yīng)加保護(hù)二極管。實(shí)際應(yīng)用中，高耐壓 NPO 電容不易買(mǎi)到，故實(shí)際使用的是耐壓 3KV的磁片電容。外部補(bǔ)償電容CC的耐壓值至少要為 500V，有條件的話，應(yīng)當(dāng)盡可能地選取溫度穩(wěn)定性較好的電容（象 NPO 電容等）；由于大部分電壓將加在 CC上，RC上的電壓很小或者為零，因此 RC一般選取標(biāo)準(zhǔn)的1/ 8W 的金屬膜電阻就可以了。PA85 的閉環(huán)放大倍數(shù)為 ，增益為 ，根據(jù) PA85 的數(shù)據(jù)資料，這個(gè)增益與 20dB 較接近，由此確定相位補(bǔ)償電容和電阻值：RC=330Ω，CC=10pF。通常采用輸入端和輸出端外接 RC 補(bǔ)償元件進(jìn)行相位補(bǔ)償。 （2） 電流限制電流限制最主要的功能是使放大器工作在安全工作區(qū)（SOA）內(nèi)。放大器不能工作在過(guò)壓狀態(tài)下，工作條件下應(yīng)保護(hù)反極向電源接入。不充分的電源旁路會(huì)導(dǎo)致放大器電路振蕩。 225V。系統(tǒng)要輸出177。由于 PA85 高壓功率放大器的電源電壓幅值較高，因此在應(yīng)用中需注意以下幾方面（1）電源旁路和過(guò)壓保護(hù)[18]PA85 具有靈活的電源連接方式，電源電壓連接可為一個(gè)相等的雙電源（如：177。 10V（峰值），PA85 將電壓放大到177。圖 帶通 Butterworth 濾波器電路原理圖 功率放大電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)放大電路分為兩級(jí)（見(jiàn) 節(jié)），第一級(jí)放大電路為普通運(yùn)放反相放大電路，在此不做介紹。 顯示電阻均采用 E24 系列后的阻值。 之后進(jìn)入步驟2，設(shè)置總增益Q，對(duì)電阻阻值標(biāo)準(zhǔn)化處理而得到最終結(jié)果。在這一部分，可以具體觀看每一個(gè)二階濾波器的外接電阻值及電路的連接情況，并且允許對(duì)每個(gè)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以通過(guò)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(jì)。圖 由濾波器的指標(biāo)確定極點(diǎn)、零點(diǎn)和 Q 值界面 步驟 2 針對(duì) MAX274/5 完成濾波電路設(shè)計(jì) 這一步任務(wù)是計(jì)算出各外接電阻的數(shù)值，然后進(jìn)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。分別輸入濾波器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成初步設(shè)計(jì)。啟動(dòng)軟件，進(jìn)入軟件主界面，選擇“Determine Poles/Qs/Zeros based on filter requirements”進(jìn)入到圖 所示的設(shè)計(jì)界面，首先選擇所要設(shè)計(jì)的濾波器的類型（LOWPASS、HIGHPASS、BANDPASS、NOTCH）。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(jì)公式計(jì)算比較復(fù)雜，MAXIM 提供了濾波器設(shè)計(jì)專用軟件MAX274 Software，可以完成階數(shù)、極點(diǎn)、Q 的計(jì)算，仿真Gain和Phase 的響應(yīng)曲線，并可以計(jì)算外接電阻的值，使得濾波器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，可以節(jié)省大量時(shí)間，也避免了人為計(jì)算錯(cuò)誤[18]。 MAX274 內(nèi)部集成的四個(gè)二階濾波單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相同的，包含4個(gè)放大器、2個(gè)電容和5個(gè)電阻，通過(guò)改變外接4個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn)各種頻率的帶通或低通濾波器。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。另外，MAXIM公司還提供了專用的濾波器設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真。圖 一路 AD9854 電路原理圖 帶通濾波電路設(shè)計(jì) MAX274 是連續(xù)時(shí)間有源濾波器，比開(kāi)關(guān)型濾波器噪聲低，動(dòng)態(tài)特性好，并且不需要時(shí)鐘，沒(méi)有時(shí)鐘噪聲，由 4 個(gè)獨(dú)立的二階有源濾波單元組成，通過(guò)級(jí)聯(lián)最多可構(gòu)成一個(gè)8階濾波器，每個(gè)濾波單元只需外接4個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn) Butterworth、Bessel、Chebyshev和Elliptic帶通或低通濾波器。通過(guò)以上分析，同時(shí)參考 AD9854 的數(shù)據(jù)手冊(cè)上給出的評(píng)估板原理圖，設(shè)計(jì) AD9854的外圍電路圖。在本設(shè)計(jì)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。以上對(duì)AD9854的重要引腳的連接作了詳細(xì)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。FSK 模式時(shí)，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(shí)，邏輯低選擇相位1，邏輯高選擇相位2；CHIRP 模式時(shí)，邏輯高時(shí)啟動(dòng)HOLD功能，使頻率累加器暫停掃頻，保持當(dāng)前頻率，邏輯低時(shí)，繼續(xù)線性掃頻。RD/CS 引腳在并行方式時(shí)，為AD9854的讀信號(hào)控制線，可控制單片機(jī)讀取AD9854內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，當(dāng)使用串行編程時(shí)為片選功能，用作串口數(shù)據(jù)總線片選。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(shí)AD9854有最好的SFDR性能[16]。AD9854數(shù)據(jù)手冊(cè)上有 REFCLK 差分輸入時(shí)，旁路倍頻器和不旁路倍頻器情況下推薦的二者之間的時(shí)間關(guān)系，編程時(shí)參數(shù)的設(shè)置需要以此作為參考。本設(shè)計(jì)中將它設(shè)置為輸入口，當(dāng)完成對(duì)AD9854所有編程后。 本系統(tǒng)采用用戶提供更新時(shí)鐘的方式。用戶提供更新時(shí)鐘，易使編程與更新時(shí)鐘同步，可以防止因數(shù)據(jù)建立和保持時(shí)間的原因而出現(xiàn)的編程信息傳輸錯(cuò)亂。從AT89LS52送來(lái)的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在I/O緩存中，在UPDATE信號(hào)的上升沿，數(shù)據(jù)才送入DDS核心。圖 AD9854 參考時(shí)鐘電路 對(duì)于REFCLK和兩片AD9854布局也有一定的位置要求，通常按照?qǐng)D 所示的最優(yōu)布局進(jìn)行布局。由于時(shí)鐘電路的性能關(guān)系到最后的信號(hào)精度，所以在布線時(shí)，應(yīng)保證從晶振到時(shí)鐘輸入腳距離盡量短，時(shí)鐘電路與其它數(shù)字電路盡量隔離。本設(shè)計(jì)采用了Motorola公司的低壓差分接收芯片MC100LVEL16。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?yàn)楣材Ｒ种坪陀行мD(zhuǎn)換速率的倍乘提高了參考時(shí)鐘的特性[37]，電路中兩片 AD9854 需要輸出相位嚴(yán)格相關(guān)的兩路正弦波，而相關(guān)性和參考時(shí)鐘有很大關(guān)系，因此要求參考時(shí)鐘質(zhì)量高且相位噪聲低。AD9854八位并行編程頻率可達(dá)100MHz；要實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)精確的速度控制和位置控制，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩路正弦波幅度、頻率、相位差精度極為精確并且有嚴(yán)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(jì)電路和PCB時(shí)必須預(yù)先認(rèn)真考慮各種可能因素以保證輸出波形能達(dá)到精確驅(qū)動(dòng)的要求。可知，當(dāng)fc=300MHz時(shí)，信號(hào)頻率精度可達(dá) 106Hz，相位精度可達(dá) 176。圖 串行通信電路 AD9854 外圍電路設(shè)計(jì) AD9854 功能強(qiáng)大，其主要特點(diǎn)如下[17]：① 輸出頻率高。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(gè)完整的RS232C接口共需22根線，采用標(biāo)準(zhǔn)的25芯接口，在串行異步通信中只需要9根即可，而最簡(jiǎn)便的連接方法只需要三根線，本設(shè)計(jì)即采用的三線異步通信的方法。另外在單片機(jī)電源端也接了一個(gè)發(fā)光二極管作為電源指示燈使用。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(xiě)數(shù)據(jù)等。 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(gè)單片機(jī)的最小系統(tǒng)。并行方式電路比較復(fù)雜，需要占用很多資源，實(shí)際應(yīng)用中不太常見(jiàn)。 AT89LS52 有在系統(tǒng)可編程功能（ISP），無(wú)需專用燒錄器，不用頻繁插拔單片機(jī)，方便簡(jiǎn)單。因?yàn)锳T89LS52的片上資源豐富，在本設(shè)計(jì)中不需要外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所以將單片機(jī)的EA/VP管腳接高電平，讓單片機(jī)運(yùn)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器內(nèi)的代碼。 AT89LS52 外圍電路設(shè)計(jì) 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(chǔ)器。為了使電路簡(jiǎn)單，器件容易購(gòu)買(mǎi)，故第一級(jí)放大電路也選擇OP37作為放大器件。S . R. =2πfV(1106) =2π10000010(1106) = /μS根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇ADI公司的OP37作為前置放大器。1 0V。同時(shí)，前置放大器也能承擔(dān)一部分信號(hào)放大任務(wù)，因?yàn)橐话慵蛇\(yùn)放的輸出電壓不超過(guò)177。對(duì)比幾種方案，考慮到電機(jī)對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的精度要求較高，故選擇 PA 系列高壓集成運(yùn)算放大器作為放大電路的核心。在制造工藝方面，放大器內(nèi)部混合集成電路結(jié)構(gòu)采用氧化鈹襯底厚膜電路、陶瓷電容和半導(dǎo)體芯片使其可靠性得到大大地提高。放大器具有很高的電源電壓抑制比，可降低對(duì)高壓穩(wěn)壓電路的要求。PA 系列高壓功率放大器有很寬的電源電壓范圍（14V~1200V），具有低漂移、低噪聲特性，高轉(zhuǎn)換率等特點(diǎn)。另外，因?yàn)楣β势骷l(fā)熱比較大，要考慮散熱的問(wèn)題，增加了電路的復(fù)雜度。前者因?yàn)樽儔浩黧w積較大，對(duì)電路的電磁干擾也很大，導(dǎo)致電路輸出信號(hào)出現(xiàn)噪聲和失真。 放大電路要求及電路初步設(shè)計(jì) 一般的功放電路輸出功率能達(dá)到幾十瓦，在功率方面能滿足電機(jī)要求，但電路中一般采用的是集成運(yùn)算放大器，其典型電源電壓值為177。這個(gè)比率很大，故在設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩級(jí)放大電路，第一級(jí)放大20倍，使用運(yùn)算放大器把電壓升高到177。 放大電路方案選擇 AD9854 輸出為單極性電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾掉了直流成分，變成了雙極性信號(hào)，輸出電流典型值為10mA，最大為20mA，通過(guò)一阻值為50歐的電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，（峰峰值），輸出電流和電壓都不能滿足系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，需要采用放大電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大。表 幾種常見(jiàn)濾波器芯片主要參數(shù)比較三種濾波器芯片可以看出，在截止頻率范圍方面三者都能滿足要求，MAX27和MAX275在寬帶增益積和諧波失真方面要比UAF42明顯高一個(gè)數(shù)量級(jí)，故在精確度方面要比UAF42表現(xiàn)優(yōu)異。 目前比較著名的通用濾波器生產(chǎn)廠商為MAXIM和BurrBrown（TI 旗下公司），MAXIM公司濾波器芯片產(chǎn)品線豐富，頻域覆蓋從直流到300KHz，單片級(jí)聯(lián)最高可達(dá)8階，可供選擇的范圍很廣，常用的型號(hào)為MAX27MAX275。通用濾波器是單片集成結(jié)構(gòu)，高頻工作時(shí)基本不受雜散電容的影響；對(duì)電阻誤差也不敏感[17]。專用濾波器是固定階數(shù)，固定傳遞函數(shù)類型的濾波器，一般有 Butterworth 濾波器，Chebyshev 濾波器，橢圓函數(shù)濾波器，Bessel濾波器幾種，階數(shù)一般為四階、六階或八階，有連續(xù)時(shí)間和開(kāi)關(guān)電容兩種類型，一般在程序控制下設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)、濾波器工作方式等參數(shù)，缺點(diǎn)是形式比較固定，在設(shè)計(jì)時(shí)有很多約束，器件選擇方面也受限制。 濾波器件選擇 設(shè)計(jì)有源濾波器設(shè)計(jì)大致有三種方案，一是采用集成運(yùn)放用經(jīng)典的計(jì)算方法設(shè)計(jì)濾波器，二是采用專用濾波器，三是采用通用濾波器。貝塞爾濾波器在進(jìn)入阻帶區(qū)以后才開(kāi)始迅速趨近于零值的，而高斯濾波器的延時(shí)特性曲線則是在通帶內(nèi)就開(kāi)始緩慢變化，并且趨近于零值的速度較慢。高斯濾波器通帶內(nèi)的相位是等波紋變化的，用于決定頻譜分析儀帶寬的濾波器中。如果只對(duì)衰減特性有要求，可以選取橢圓函數(shù)濾波器。橢圓函數(shù)濾波器阻帶通帶都有波動(dòng)，稱為通帶阻帶等波紋濾波器。優(yōu)點(diǎn)是截止特性特別好，缺點(diǎn)是相位特性和群延時(shí)特性不太好。最大的優(yōu)點(diǎn)是最易于設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種濾波器通帶阻帶內(nèi)特性最為平坦，截止特性和相位特性都不錯(cuò)，對(duì)構(gòu)成濾波器的器件要求也不嚴(yán)格，易于得到符合設(shè)計(jì)值的特性，故設(shè)計(jì)之初不知道哪種好時(shí)，一般選用巴特沃思。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多階級(jí)聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽（由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件（如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感 L 較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。低通濾波器：允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲；高通濾波器：允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量；帶通濾波器：允許一定頻段信號(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲 ；帶阻濾波器：抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)；圖 低通、高通，帶通、帶阻濾波器衰減特性示意圖（3） 按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。（1）按所處理的信號(hào)類型分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。下面介紹濾波電路的方案設(shè)計(jì)。Qualm 公司推出了DDS系列Q22Q22Q233Q22Q2368 等，其中Q2368 始終頻率為130MHz，分辨率0. 03Hz，雜散76dBc，；Sciteq 公司推出的系列化DDS產(chǎn)品，其中的ADS 431，時(shí)鐘頻率1. 6GHz，可正交輸出，分辨率 1Hz，雜散 45dBc，變頻時(shí)間 30ns；ADI 公司推出的 DDS 系列，AD9850～AD985AD9951～AD995AD9858等輸出覆蓋0～1GHz范圍，而且全部?jī)?nèi)置了D/ A轉(zhuǎn)換器，稱為Complete DDS，是目前市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛、性價(jià)比較高的DDS器件[15]，ADI 公司在中國(guó)有廣泛的銷(xiāo)售渠道，購(gòu)買(mǎi)比較容易，考慮以上因素，再根據(jù)我們提出的具體要求，根據(jù)性能夠用，注重成本的原則，我們最終選擇ADI公司生產(chǎn)的AD9854作為DDS器件。綜合考慮以上各種因素，我們選擇專用DDS芯片作為系統(tǒng)波形產(chǎn)生方法。前者在硬件搭建上要比后者復(fù)雜，需要DSP或者單片機(jī)作為微控制器，而且要為DDS芯片和DSP或單片機(jī)設(shè)計(jì)很多外圍電路，但其優(yōu)點(diǎn)也很明顯，這種方案一般是由微控制