【正文】 產(chǎn)的 AT89LS52 單片機(jī)， CMOS 電平，可以同AD9854直接相連，不用再設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，降低了硬件電路的復(fù)雜度。反饋電路一般有兩種方式：間接反饋和直接反饋。因?yàn)槭情g接測(cè)量，輸出電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速也不是嚴(yán)格的的線性關(guān)系，準(zhǔn)確度得不到保證，不適用于高精度場(chǎng)合。本方案選擇光電編碼器作為直接反饋組成反饋電路。以下比較詳細(xì)的介紹系統(tǒng)主要部分的方案選定過(guò)程。~180176。選取DDS芯片AD9854來(lái)產(chǎn)生兩路正余弦電流信號(hào)，作為超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，下面將對(duì) DDS 的工作原理和系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。在這一技術(shù)出現(xiàn)的初期，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和微電子工藝水平，其性能指標(biāo)尚不能與已有的技術(shù)相比，因而并沒(méi)有得到足夠的重視，隨著近年來(lái)現(xiàn)代集成工藝水平的高速發(fā)展，特別是在80年代末經(jīng)過(guò)深入研究認(rèn)識(shí)了DDS雜散成因及分布規(guī)律后，對(duì)DDS的相位累加器進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)ROM里的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，使用抖動(dòng)注入技術(shù)以及對(duì)DDS工藝結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使得DDS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。目前，用DDS方法產(chǎn)生正弦波、方波、三角波信號(hào)以及其他復(fù)雜波形信號(hào)的技術(shù)逐漸得到重視，AD公司、Qualrn公司和Stanford公司一系列優(yōu)良的 DDS器件不斷出現(xiàn)。 DDS 工作原理DDS 基本原理是利用奈奎斯特采樣定律，經(jīng)過(guò)查表后把一系列的數(shù)字量信號(hào)通過(guò)DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出，其基本的原理結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。波形存儲(chǔ)器是一個(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM），存儲(chǔ)的是以相位為地址的一個(gè)周期波的數(shù)字幅度信息，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)于正弦波中0176。范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。 DDS器件的選擇 由緒論列舉的幾種驅(qū)動(dòng)方案以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，再根據(jù)我們系統(tǒng)提出的具體要求來(lái)選擇方案，選擇基于 DDS 技術(shù)的驅(qū)動(dòng)方案作為我們的最終方案。比較常見(jiàn)的方案大致有兩種，一是采用專用的DDS器件，二是采用通用的可編程邏輯器件如CPLD、FPGA 等。此外專用DDS器件的生產(chǎn)廠商都是國(guó)際上著名的半導(dǎo)體廠商，其強(qiáng)大的制造工藝和數(shù)?；旌想娐吩O(shè)計(jì)能力能夠保證輸出波形的純凈，精度和對(duì)噪聲的抑制，擁有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，從這個(gè)方面講，采用專用的DDS器件更有優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)際上生產(chǎn)專用DDS芯片的半導(dǎo)體廠商主要有美國(guó)的ADI、Qualm、Sciteq、Standford、Harris及Synegy等公司以及法國(guó)Omerga 、Dassault公司等。 濾波電路方案選擇AD9854產(chǎn)生的信號(hào)直接由器件內(nèi)部的正余弦DAC輸出，內(nèi)部不含濾波器，其輸出信號(hào)含有大量的高頻噪聲，該噪聲可以分為兩類：一類為DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的階梯波分量及其高次諧波；另一類為AD9854內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘及其高次諧波，故信號(hào)輸出端口需外接濾波器抑制噪聲干擾，要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時(shí)間要短。 濾波器的原理與分類濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，濾波器有下列幾種不同的分類。（2）按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。無(wú)源濾波器：僅由無(wú)源元件（R、L和C）組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率變化而變化的原理構(gòu)成的。有源濾波器：所謂有源即含有放大器件之類的元器件，即由無(wú)源元件（一般為電容電阻）和有源器件（如集成運(yùn)算放大器）組成。（4）按傳遞函數(shù)分為巴特沃茲（Butterworth）濾波器，切比雪夫（Chebyshev）濾波器，橢圓函數(shù)濾波器，貝塞爾（Bessel）濾波器，高斯濾波器等巴特沃茲濾波器：濾波器阻帶通帶平坦，在幅度平坦前提下，帶寬最寬，故又稱最大平坦幅度濾波器。切比雪夫?yàn)V波器通帶內(nèi)有等波紋起伏，阻帶平坦，又稱通帶等波紋濾波器。在對(duì)衰減特性要求較高，且相位要求不嚴(yán)的情況下，可以選取切比雪夫?yàn)V波器。優(yōu)點(diǎn)是截止特性比其他濾波器都好，可以產(chǎn)生比Butterworth、Chebyshev 或Bessel 濾波器更陡峭的截止，不過(guò)卻在通帶和止帶入內(nèi)容復(fù)雜的紋波，并造成高度的非線性相位響應(yīng)，對(duì)器件要求嚴(yán)格。貝塞爾濾波器通帶內(nèi)延時(shí)特性最平坦，相位特性好，同廣泛應(yīng)用的 Buterworth 濾波器相比，具有最佳的線性響應(yīng)，因而這種濾波器能夠無(wú)失真的傳送諸如方波、三角波等頻譜很寬的信號(hào)，但其截止特性相當(dāng)差。高斯濾波器在特性上與貝塞爾濾波器非常相似，但高斯型濾波器的群延遲特性不如貝塞爾濾波器的群延遲特性平坦。此外，截止特性也不好。第一種方法設(shè)計(jì)方便靈活，但電路元件較多，參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜，而且雜散電容會(huì)影響濾波器的性能[16]，設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算比較麻煩，一般采用查濾波器設(shè)計(jì)手冊(cè)的辦法進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)槭遣捎梅至⒃哪M電路，所以各個(gè)元件之間參數(shù)性能的一致性和對(duì)稱性得不到保證，故電路的可靠性不高，對(duì)噪聲的抑制效果也不好，所以不適用于高速高精的場(chǎng)合。通用濾波器通常單片集成數(shù)個(gè)獨(dú)立的二階有源濾波器，通過(guò)外接電阻的方式組成 Butterworth、Chebyshev、橢圓函數(shù)、Bessel帶通或低通濾波器，其中心頻率、轉(zhuǎn)折頻率、Q 值、放大倍數(shù)等均可由外接電阻值加以確足，參數(shù)調(diào)整十分方便，通過(guò)簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)使單片濾波器芯片形成多階濾波器，另外，一般還備有專用濾波器設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真，大大減小了設(shè)計(jì)的工作量。基于以上分析，選用通用濾波器作為濾波器設(shè)計(jì)方案。相對(duì)于MAXIM公司豐富的產(chǎn)品線而言，BurrBrown 公司可供選擇的范圍比較窄，頻率范圍也比較有限，比較常見(jiàn)的型號(hào)為 UAF42 等，表 列舉了這幾種器件的主要參數(shù)。由MAX274輔助設(shè)計(jì)軟件 274SOFT計(jì)算可知，當(dāng)設(shè)計(jì)通帶截止頻率為45KHz~100KHz，阻帶最小衰減為20dB，通帶最大衰減為3dB時(shí)，Butterworth 濾波器最少為6階，按照三者階數(shù)計(jì)算，MAX274 只需要1片，MAX275需要2片，UAF42則需要4片，如果選擇MAX275和UAF42，無(wú)疑會(huì)增加硬件的復(fù)雜度，另外，由濾波器的基本知識(shí)可知，有源濾波器的階數(shù)越高，濾波得到的信號(hào)噪聲越小，而系統(tǒng)對(duì)噪聲和精度的要求是越高越好，MAX274可以設(shè)計(jì)高達(dá)8階的Butterworth濾波器，且MAX274在精確度方面絲毫不遜色于其他兩者，故綜合考慮以上因素，選擇單片階數(shù)最高、精度極高的MAX274作為電路的濾波器芯片。根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性能要求及電路各部分間的關(guān)系可得到放大電路的功能要求：輸入電壓：0~ 連續(xù)可調(diào)（峰峰值）輸出電壓：0~400V 連續(xù)可調(diào)（峰峰值）頻率要求：45KHz~100KHz （正弦波） 其電壓放大倍數(shù)為800。5V（峰值），第二級(jí)為功率放大電路，使輸出電壓和功率達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓的要求，下面介紹功率放大電路的方案設(shè)計(jì)。15V，最高可達(dá)幾十伏，允許輸出的電壓值比電源值略低，而電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為電壓峰峰值高達(dá) 400V 的高壓信號(hào)，所以普通的功放電路在電壓方面不能滿足要求，通常的做法有兩種，一是采用高電流輸出運(yùn)放（如 OPA541），在電路后面加變壓器來(lái)升高電壓[12]；一是在電路后面加額外的高壓增益級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。后者一般使用功率場(chǎng)效應(yīng)管搭建分立電路實(shí)現(xiàn)，元件的一致性和對(duì)稱性得不到保證，故電路的可靠性不高，提高增益與相位滯后會(huì)增加放大器的噪聲并降低其偏置特性，從而危及電路的穩(wěn)定性。 目前國(guó)外已出現(xiàn)比較成熟的專用高壓集成運(yùn)算放大器，而且應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，其中尤以 APEX微電子技術(shù)公司的PA系列高壓功率放大器最為著名。該類放大器內(nèi)部采用共射共基放大輸入電路結(jié)構(gòu)，具有共模瞬態(tài)抑制功能和過(guò)壓保護(hù)功能，這使得該類放大器具有高精度的特點(diǎn)。而且放大器集運(yùn)算放大電路、功率放大電路、保護(hù)電路于一體，使電路集成度大大提高，減小了體積，提高了電路的可靠性[18]。超聲焊接的鋁線使其內(nèi)部連接非?？煽?，在常溫下，外殼封裝使其得到很好的密封和電絕緣[19]。 高壓集成運(yùn)算放大器的選定根據(jù)放大電路的性能要求可計(jì)算出所需放大器的參數(shù)：（1）最高輸出電壓：400Vpp（2）頻率要求：0~100KHz（3）根據(jù)最高頻率和最大電壓波動(dòng)范圍計(jì)算所需轉(zhuǎn)換速率 .；表 PA85 的主要參數(shù)從上表可以看出PA85的最大輸入失調(diào)電壓為2mV，對(duì)于分辨率要求較高的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源來(lái)說(shuō)，這個(gè)輸入特性不能滿足要求，在該電源的線性放大部分，采用高精度高速集成運(yùn)放和PA85組成復(fù)合放大器，集成運(yùn)放作為電路的前置放大器，由輸入失調(diào)電壓較小的前置放大器決定放大電路的輸入失調(diào)電壓以達(dá)到輸入特性要求[15]。13V（峰值），故初步設(shè)計(jì)前置放大器輸出電壓為177。圖 功率放大電路原理圖 前置放大器型號(hào)選擇因?yàn)樾盘?hào)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(dá)到信號(hào)放大要求。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。3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) DDS 波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 在這部分電路中，單片機(jī)是整個(gè)控制電路的核心，AD9854 的初始化和控制字寫(xiě)入、反饋信號(hào)采集、輸出信號(hào)的控制等任務(wù)都是通過(guò)單片機(jī)來(lái)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(jī)和 AD9854的外圍電路設(shè)計(jì)就顯得非常的重要。 COMS 電平，與 AD9854完全匹配。 晶振，通過(guò)電容補(bǔ)償，單片機(jī)的機(jī)器周期能很好的保持為lus，便于程序的編寫(xiě)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]。ISP 有并行和串行兩種方式。~、VCC、GND、RST 六個(gè)引腳，占用資源少，簡(jiǎn)單易用，應(yīng)用廣泛，技術(shù)較為成熟，而且有很多專門(mén)的通信軟件實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，故在設(shè)計(jì)時(shí)采用了串行在系統(tǒng)編程，圖 中JP1就是單片機(jī)的ISP接口。圖 單片機(jī)系統(tǒng)電路 ，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)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(gè)寄存器。在 UD CLK、WR 管腳分別接了一個(gè)發(fā)光二極管，目的是在數(shù)據(jù)更新和寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)能夠有一個(gè)視覺(jué)體驗(yàn)，便于以后調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。AT89LS52可以通過(guò)串口通信電路與PC機(jī)通信，通過(guò)PC機(jī)來(lái)設(shè)置系統(tǒng)輸出信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)，還可以讀出單片機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)和信息。 串行通訊也會(huì)出現(xiàn)電平匹配的問(wèn)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]。工作頻率最高300MHz，輸出頻率最高可達(dá) 120MHz；② 提供了1個(gè)4～20倍可編程倍頻器，最低使用15MHz外部時(shí)鐘即可產(chǎn)生300MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，減小了電路設(shè)計(jì)難度，降低了器件成本[24]；③ 精度高。幅值精度可達(dá) ；④ 功能強(qiáng)大，具有FM、AM、PM、FSK、PSK、BPSK、CHIRP等信號(hào)調(diào)制功能；⑤ 信號(hào)更新速度快且相位連續(xù)。要實(shí)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?yàn)镽EFCLK相位邊沿的任何誤差都會(huì)使輸出信號(hào)上有一個(gè)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(shí)鐘輸入形式：差分輸入和單端輸入。為了優(yōu)化性能，AD9854的參考時(shí)鐘信號(hào)采用差分形式，且REFCLK上升/下降時(shí)間不能低于1ns。 所示[18]。在整個(gè)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(shí)也可降低對(duì)其它電路的干擾。圖 REFCLK 和多片 DDS 推薦布局及錯(cuò)誤布局示意圖在AD9854工作過(guò)程中，UPDATE信號(hào)起著非常重要的作用[12]。UPDATE信號(hào)可由用戶通過(guò)第20引腳I/0 UD CLK 提供，也可由AD9854內(nèi)部更新時(shí)鐘器產(chǎn)生。更新時(shí)鐘由內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)，其重復(fù)周期由用戶編程設(shè)置。I/0 UD CLK為雙向頻率更新信號(hào)線，由控制寄存器設(shè)定其輸入輸出方向，作為輸入時(shí)，在時(shí)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(shí)，如果輸出8個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的脈沖（低到高），表明內(nèi)部頻率已經(jīng)更新。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(shí)鐘（REFCLK）和外部更新時(shí)鐘（UPDATE CLK）的時(shí)序，使所有的 DDS 芯片工作于相同的系統(tǒng)時(shí)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(shí)間關(guān)系。 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(lái)決定，二者關(guān)系由公式3－1確定。WR/SCLK引腳在并行方式時(shí)，為AD9854寫(xiě)信號(hào)控制線，控制單片機(jī)寫(xiě)并行數(shù)據(jù)到AD9854內(nèi)部的緩存器，當(dāng)使用串行編程時(shí)提供串行時(shí)鐘。FSK/BPSK/HOLD 引腳在不同模式下有不同功能。 引腳相連。為了很好的隔離噪聲，獲得更好的輸出信號(hào)性能，防止數(shù)字噪聲耦合到模擬部分，必須對(duì)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。對(duì)數(shù)字地和模擬地也進(jìn)行了分離，分別對(duì)應(yīng)GND和AGND。圖 顯示的是一路 AD9854 電路原理圖。當(dāng)外接電阻有1%公差時(shí)可能產(chǎn)生2%的極點(diǎn)頻率誤差[17]。 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。5V。 所示。使用MAX274 Software設(shè)計(jì)濾波器具體步驟如下： 步驟 1 由濾波器的指標(biāo)確定極點(diǎn)、Q 值和零點(diǎn) 這一步主要根據(jù)濾波器所需達(dá)到的性能指標(biāo)，迅速算出經(jīng)典的 Butterworth、Bessel、Chebyshev 和Elliptic濾波器的極點(diǎn)、階數(shù)和Q值。對(duì)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)。在這一步完成之后，可以瀏覽設(shè)計(jì)好的濾波器幅度及相位響應(yīng)，保存設(shè)計(jì)進(jìn)入第二步。 首先導(dǎo)入第一步完成的設(shè)計(jì)模型。 打開(kāi)軟件，參數(shù)設(shè)置如