【正文】 采用 AVR 單片機(jī) ATmega128 作為主控制器。因此 ATmega128 控制芯片能很好的滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。 在本系統(tǒng)中主控 需要完成鍵盤(pán)掃描、液晶顯示、兩塊 D/A 和一塊A/D 的工作，任務(wù)比較多。所以在此系統(tǒng)中，采用了 AVR 單片機(jī) ATmega128 作為控制核心，選用 第四種 方案。 LM317 作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使 用方便、應(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。因此達(dá)不到本題驅(qū)動(dòng)大功率功放的要求，故不采用此方案。與線性電源相比， PWM 開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò) “斬波 ”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的 脈沖電壓 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。 綜合考慮功率和功耗兩個(gè)因素，為了能夠提供更大的功率，同時(shí)產(chǎn)生更少的熱量，本題采用方案二。常用于小功率發(fā)射機(jī)的發(fā)射管，效率大于 50%。 方案二：采用硅 MOSFET 功率晶體管 RD15HVF1 RD15HVF1 是射頻 MOSFET 功率晶體管，當(dāng) Vdd=， f=175MHz 時(shí) Pout15W， Gp14dB。常用于大功率發(fā)射機(jī)、射頻功放等。顯然 選用 RD15HVF1 作為射頻功放管 ，比較容易滿足要求，故采用方案二。 通過(guò)按鍵將頻率和功率值輸入到單片機(jī)，單片機(jī)再通過(guò) TLV5638 D/A 模塊 分別 控制 壓控振蕩器產(chǎn)生信號(hào)的頻率和 VGA 壓控放大器 ADL5330 的放大倍數(shù)。 單片機(jī)控制顯示模塊 12864 實(shí)時(shí)顯示頻率和功率。 ② 改變尋址的步長(zhǎng)來(lái)改變輸出信號(hào)的頻率 .DDS 即采用此法。 (3)D/A 輸出的階梯形波形，經(jīng)低通 （ 帶通 ） 濾波，成為質(zhì)量符合需要的模擬波形 正弦輸出的 DDS 原理圖如圖 所示。 DDS 系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)位相位寄存器組成，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘，相位寄存器以步長(zhǎng)增加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。查詢表把輸入的地址相位信息 映射成正弦波幅度的數(shù)字量信號(hào)，驅(qū)動(dòng) DAC，輸出模擬量。輸出正弦波周期為 MTTNco 2?? （ 23） 頻率控制字與輸出信號(hào)頻率和參考時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系為： cNoutffM 2?? 120 ??? NM （ 24） 其中 N 是相位累加器的字長(zhǎng)。 通常用頻率增量來(lái)表示頻率合成器的分辨率， DDS 的最小分辨率為 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè)，共 79 頁(yè) Nco ff 2min?? （ 25） 與 PLL 不同， DDS 的輸出頻率可以瞬時(shí)地改變 ， 即可以實(shí)現(xiàn)跳頻，這是 DDS的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，用于掃頻測(cè)量和數(shù)字通訊中，十分方便。 AD9858 是 AD 公司于 2020 年推出的 一款高性能 DDS 芯片，其工作頻率高達(dá) 1GHz， 內(nèi)置一個(gè) 10 位 DAC，雜散性能指標(biāo)更高于以前的產(chǎn)品 。 AD9858 專為提供快速跳頻和精密調(diào)諧分辨率（ 32 位頻率調(diào)諧字）而設(shè)計(jì)。該器件內(nèi)置一個(gè)集成式電荷泵 （ CP） 和相位頻率檢波器 （ PFD） ，適合同時(shí)要求高速 DDS 與鎖相環(huán)功能的頻率合成應(yīng)用。 AD9858 的時(shí)鐘輸入上還具有二分頻特性，使外部時(shí)鐘速率可以高達(dá) 2 GHz。C至 +85176。 AD9858 憑借優(yōu)良的性能可廣泛應(yīng)用于甚高頻／超高頻本振合成器、雷達(dá)、蜂窩基站跳頻合成器等許多領(lǐng)域。 AD9858 是具有 32 位的相位累加器，本系統(tǒng)所用的外部振蕩源是 50MHz的晶振。 輸出信號(hào)頻率的計(jì)算公式為： 3225 0 0 0 0 0 0 0 kF T Wf out ??? 204,2 31 ???? kkM 為倍頻數(shù)， （ 26） 從上式可以看出，頻率步進(jìn)最小可以達(dá)到 Hzf s t e p ~ )20~4(5 0 0 0 0 0 0 0 32 ??? （ 27） 這個(gè)設(shè)計(jì)中用 5 倍頻，算得 Hzfs te p 550000000 32 ???是題目所要求的南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè)，共 79 頁(yè) 步進(jìn)量的 3883 倍 。時(shí)鐘信號(hào)由晶振產(chǎn)生，它的頻穩(wěn)度優(yōu)于 106。即由 DDS 的相位累加器的字寬和 ROM 函數(shù)表決定。所以說(shuō) DDS 可達(dá)到很高的頻率分辨率。失真與雜波的成分可分為以下幾個(gè)部分： ① 采樣信號(hào)的鏡像頻率分量。所以存在著以采樣頻率為折疊頻率的一系列鏡像頻率分量。 ③ 相位累加器截?cái)嘣斐傻碾s波。通過(guò)提高時(shí)鐘頻率或采用插值的方法增加每個(gè)周期中的點(diǎn)數(shù)（ 過(guò)采樣），可以減少這些雜波分量。這些雜波分量的幅度較小。 D/A 后面的低通濾波器可以濾去鏡像頻率分量和諧波分量，可以濾去帶外的高頻雜散分量，但是，無(wú)法濾去落在低通帶內(nèi)的雜散分量。 采用單電源 V到 V供電，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 。同時(shí)也具有 很低的 固有 輸出 噪聲（ ?150 dBm /Hz 900MHz）。 可作為單端輸入單端輸出型器件使用，也可作為差分輸入差分 輸出 型使用。 圖 ADL5330 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè)，共 79 頁(yè) 圖 ADL5330 頻率 增益曲線圖 如圖 可知，頻率 f=500MHz，可得 ， ? 當(dāng) VGain= ， Gain=32dB； ? 當(dāng) VGain= ， Gain=24dB； ? 當(dāng) VGain= ， Gain=14dB； ? 當(dāng) VGain= ， Gain=4dB； ? 當(dāng) VGain= ， Gain=6dB； ? 當(dāng) VGain= ， Gain=16dB； ? 當(dāng) VGain= ， Gain=22dB。 壓控放大器電路設(shè)計(jì) 壓控放大器電路原理圖如圖 所示，采用 5V單電源供電， P3 接口用于接D/A 輸出， VCO 產(chǎn)生的射頻信號(hào)由射頻輸入端 P2 輸入， 經(jīng)放大后由 輸出端 P6輸出 接下一級(jí)放大器 。電路中 CC C C C C C1 C1 C1 C15 是去耦電容，減少電源中的交流成分經(jīng)電源流入放大器產(chǎn)生的影響。 C C C1 C16 是耦合電容，交流信號(hào)經(jīng)耦合電容輸入輸出 ， 隔離直流分量。前三級(jí) 和壓控放大器一起 為最后一級(jí)提供驅(qū)動(dòng)，最后一級(jí)為主要功放級(jí)。因?yàn)閴嚎?振蕩器 的輸出功率 非常 小，所以驅(qū)動(dòng)級(jí)的設(shè)計(jì)主要是考慮在保持線性的條件下獲得盡可能高的增益。一般末級(jí)功率放大器在要求高效率的情況下，很難獲得所要求的高增益。 驅(qū)動(dòng)級(jí)由 2SC3356構(gòu)成的射級(jí)跟隨器、 三極管 2SC3356構(gòu)成的共射級(jí)放大器、高頻管 AH101構(gòu)成的射頻放大 器和壓控放大器一起 組成，承擔(dān)了與前級(jí)匹配并驅(qū)動(dòng)末級(jí)功放的任務(wù) ，如圖 。 圖 電路 PCB 圖 (1) 直流偏置電路的設(shè)計(jì) 在器件的技術(shù)參數(shù)中，半導(dǎo)體廠家通常會(huì) 給出放大器的直流工作電壓和電流。 直流工作點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)直流偏置電路。本功放采取先對(duì)直流供電并聯(lián)不同值的濾波電容用以濾除供電電壓中不同頻率的紋波，再通過(guò)射頻扼流圈把直流電壓饋入大器。 (2) 2SC3356 簡(jiǎn)介 2SC3356 硅超高頻低噪聲功率管是一種基于 N 型外延層的晶體管。主要應(yīng)用于超高頻低噪南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁(yè)，共 79 頁(yè) 聲功率管主要應(yīng)用于 VHJF， UHF， CATV高頻寬帶低噪聲放大器。 電性能參數(shù)（ TA=25℃ ）：擊穿電壓 :V（ BR） CEO=12V， V（ BR） CBO=20， V（ BR） EBO= ； 直流放大系數(shù) hFE:50~300 ； 集電極 基極截止電流ICBO:100nA（ 最大值 ） ； 發(fā)射極 基極截止電流 IEBO:100nA（ 最大值 ） ； 特征頻率 fT:； 封裝： SOT23； 功率特性：中功率 ； 集電極允許電流： （ A） ； 集電極最大允許耗散功率： （ W） 。單電源供電和無(wú)條件穩(wěn)定內(nèi)部匹配裝置的結(jié)合 ， 使同時(shí)完美適用于窄帶和寬帶。 平均無(wú)故障時(shí)間大于 100 年。 圖 AH101 的 封裝和引腳功能 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè)，共 79 頁(yè) 表 AH101 的電學(xué)參數(shù) 由 圖 率與增益關(guān)系可見(jiàn)在 50MHz到 1000MHz范圍內(nèi)增益 在 14dB到13dB， 減小在 1dB范圍以內(nèi) 。 圖 頻率 增益關(guān)系圖 圖 頻率 噪聲關(guān)系圖 圖 是 AH101 芯片資料上提供的參考電路，用作 驅(qū)動(dòng) RF 功放 ，采用 100pF電容作為輸入輸出耦合 電容， 56pF、 100pF 和 的電容作為電源濾波電容，470uF 的電感作為扼流電感。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè)，共 79 頁(yè) 圖 參考電路 圖 參考 PCB 驅(qū)動(dòng)級(jí)電路 仿真 為了進(jìn)一步研究功放驅(qū)動(dòng)電路的增益、頻響特性、相頻特性 、輸出失真情況、功率、輸入阻抗等參數(shù)，對(duì)功放 驅(qū)動(dòng)級(jí) 電路進(jìn)行仿真。最后得到 仿真電路 如圖 所示 。 FV C C1 3 . 8 VXFG1XSC1A BE x t T r i g++__+_C21 . 0 181。由波形圖可以觀測(cè)到：（ 1）輸出波形與輸入波形形狀完全一樣， 幅值大概是輸入的南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 22 頁(yè)，共 79 頁(yè) 6 倍左右，結(jié)果與式 210 相符。（ 3）輸出波形光滑無(wú)毛刺，可見(jiàn)該電路的噪聲系數(shù)很小。 圖 根據(jù)示波器制作的圖表 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 23 頁(yè)，共 79 頁(yè) 提取圖 中的頻譜分析儀的圖形得到圖 幅頻特性曲線 和圖 相頻特性曲線。由圖 可以看到， 在 200MHz~1GHz 的范圍內(nèi) 電路的相移固定為180 度。 2 S C 3 3 5 62 s c 3 3 5 6 aR1220ΩR2470ΩR3390ΩR456ΩR533ΩC11 . 0 181。 FXWM1V IXMM1XMM2 圖 輸入阻抗和功率測(cè)試電路 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 24 頁(yè)，共 79 頁(yè) 圖 功率計(jì)讀數(shù) 由圖 功率計(jì)讀數(shù) 可知功率 P=，由圖 可知交流 電流表 讀數(shù)I=,交流 電壓表讀數(shù) V=。 絕對(duì)最大額定參數(shù)如表 所示， 由表可見(jiàn) VDSS額定值可達(dá) 30V，直流電壓的額定值高達(dá) 4A，額定功率更是高達(dá) 48W，從而保證了 我們 射頻大功率的要求。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 25 頁(yè)，共 79 頁(yè) 表 絕對(duì)最大額定參數(shù) 阻抗原圖是用于描述某一電路或元件高頻阻抗特性的圖表，通過(guò) 觀察阻抗原圖就可以準(zhǔn)確地分析其阻抗特性。在表中可以看到當(dāng)輸入 的信號(hào)、輸出 15W、電源 時(shí)，輸入阻抗為，輸出阻抗 +。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁(yè)，共 79 頁(yè) 表 典型輸入輸出阻抗值 RD15HVF1 功放電路設(shè)計(jì) RD15HVF1 功放電路 如圖 所示， R R1 R14 為 Q3 柵 極 提供直流 電壓 VDS， 是 Q3 溝道打開(kāi)以保證正常工作。 C C5 為電位器 R13 消抖。 直流等效電路如 圖 所示。 R R1 R12 構(gòu)成輸入的電阻匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。 C2 為78L09 輸出濾波，減小輸出電壓紋波。小電感電容 L C C3 構(gòu)成 LC網(wǎng)絡(luò)大大提高功放的高頻特性， C3 同時(shí)充當(dāng)輸出耦合電容。由圖 可以看到 PCB 電路中使用了許多尺 寸微小的貼片封裝，增加電路高頻特性。此外，對(duì)電路進(jìn)行了大 面積 的 雙面 覆地 并規(guī)律的加了很多過(guò)孔 ，減小了經(jīng)地線的串?dāng)_。輸入輸出都使用同軸線連接，極大的避免了射頻干擾。 元件布局如圖 所示。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 29 頁(yè)，共 79 頁(yè) 圖 RD15HVF1 功放 直流等效 電路 功 放電路仿真 根據(jù)功放電路原理圖畫(huà)出仿真電路如圖 ， 設(shè)置圖中信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)如圖 所示，輸入信號(hào)為 450MHz， 1V的 射頻信號(hào)。所以求的增益 A=6。 圖 頻譜分析儀輸出波形 輸入阻抗和功率測(cè)試電路 如圖 所示，其中 XWM1 和 XWM2 為功率計(jì)，XMM1 為電壓表， XMM2 為電流