【正文】 下降。 其他電路設(shè)計 為了滿足人機交互的需要，還設(shè)計了鍵盤和圖形 LCD顯示器。 40段式 LCD控制驅(qū)動器，但是這顯然無法滿足儀器顯示的要求，故另外設(shè)計液晶顯示控制器。 8 K SRAM顯存； GPS采用 GPS15L OEM產(chǎn)品，通過主控 MCU串口接受時間和位置信息 ；另外擴展 64MB的 EEPROM存儲器作為擴展存儲，以滿足數(shù)據(jù)存儲需要。片外存儲卡擴展則由 MCU串口擴展而成。驅(qū)動程序以子函數(shù)形式由主控 CPU調(diào)用，主要為測量控制、外圍器件接口控制等；操作菜單主 要包括測量模式設(shè)定、數(shù)據(jù)查詢與處理、儀器設(shè)置、關(guān)機等部分，還可以根據(jù)需要的功能另外編寫； PC上位機控制程序為 數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、以及儀器固件更新等部分。 本章小結(jié) Overhauser磁力儀傳感器探頭產(chǎn)生射頻磁場所需的能量很小，只有質(zhì)子磁力儀的 1／ 4，并且射頻磁場頻率位于進動信號頻率之外，從而最大程度地消除了噪聲。 儀器采用了意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的 STM32L152RB ARM芯片產(chǎn)品作為儀器主控 ，使儀器整體功耗降低，穩(wěn)定性增強 ，功能更加全面多樣化 。另外，設(shè)計了 GPS接口、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、 PC通訊接口及上位機程序，使得整機功能得到了大大加強。 中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 18 第四章 激發(fā) 接收 系統(tǒng)設(shè)計 激發(fā)接收電路是此次設(shè)計的主題，也是 Overhauser質(zhì)子磁力儀的重要組成部分。 本章首先從整體上對激發(fā)接收系統(tǒng)進行 設(shè)計，確定了設(shè)計框架與功能的實現(xiàn)過程，之后分別對激發(fā)系統(tǒng)和接收系統(tǒng)進行了較為詳細(xì)的設(shè)計與介紹。 針對部分模塊進行了電路設(shè)計，并完成了電路仿真以驗證其功能優(yōu)良可靠。 圖 激發(fā)接收系統(tǒng)設(shè)計框圖 系統(tǒng)工作過程 該系統(tǒng)工作過程可以分為如下三個階段：第一階段，主控系統(tǒng)控制可控射頻功率信號源產(chǎn)生高頻信號對探頭進行激發(fā)；第二階段，主 控系統(tǒng)控制可控射頻功率信號源停止射頻信號輸出，同時控制位于模擬板 上的控制電路產(chǎn)生直流脈沖信號；第三階段，直流脈沖結(jié)束，探頭輸出拉莫爾頻率信號，延時 3050ms，利用模擬板 上檢波放大系統(tǒng)對信號進行處理，由主控系統(tǒng)中的 A/D采集處理后信號，將其中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 19 存入數(shù)據(jù)存儲器并在 LCD顯示頻上實時顯示數(shù)據(jù)并畫出相應(yīng)的圖形。 圖 激發(fā)接收系統(tǒng)工作時序圖 主控系統(tǒng)設(shè)計簡述 主控系統(tǒng)主要由 意法半導(dǎo)體 公司的 超低功耗 ARM芯片 STM32L152RB組成，芯片內(nèi)部 12位 A/D用于采集檢波后的電壓值；除此之外，主控板上還包含 額外擴展的 串行 EEPROM存儲 器，鍵盤、顯示接口、 USB接口 和存儲卡接口 ，分別用作數(shù)據(jù)存 儲、人機交互、實時曲線顯示、 PC通信 和額外存儲擴展 。 激發(fā)電路 的 設(shè)計 概要 上文中提到，激發(fā) 接收系統(tǒng)的工作過程有三個階段，其中的前兩個階段是探頭激發(fā)的過程。因而，激發(fā)電路的設(shè)計應(yīng)該分為兩個部 分，一是可控射頻功率信號源的設(shè)計，二是直流信號發(fā)生電路的設(shè)計。 接收電路的設(shè)計概要 對于接收電路，在第三章中已經(jīng)有所介紹。因此，在設(shè)計中我采用了多級放大和前置、后置兩級濾波，以在滿足信號具有優(yōu)良的信噪比的同時能夠有較好的信號強度。 根據(jù)系統(tǒng) 需求 ， 該可控信號源 設(shè)計實現(xiàn)如下功能：其 在 5565MHz頻率范圍內(nèi)輸出頻率 可以以 1Hz精度步進微調(diào) ， 并且 輸出功率 和時間長短可控。 ? 單片機將測到的電壓值與上位機傳遞過來的正確 輸出電壓值進行比較，然后對DDS的輸出電壓做調(diào)整， 最終使功放輸出電壓峰值等于需要輸出電壓峰值。 其 DDS芯片采用 AD9852，其最高輸出頻率可達 120MHz，同時輸出頻率分辨力為 1Hz，且該芯片 的 輸出信號幅度可控，進而 使得射頻功放的輸入可控， 最終 達 到控制功放輸出功率的目的。 圖 可控射頻功率信號源設(shè)計框圖 MSP430F149 單片機簡 述 用單片機對 DDS進行控制，再加上其他的外圍器件所構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)，是采用中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 21 比較多的監(jiān)控方案。 MSP430F149是德州儀器公司生產(chǎn)的一種 具有 16位總線的 FLASH型單片機，它具有功耗低、性能強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，其性價比也很高，因而在單片機控制系統(tǒng)設(shè)計中被大量采用 。 除此之外，它還具有豐富的片上外圍模塊：其 片內(nèi) 自帶 精密硬件乘法器、 兩路 USART通信端口、 6路 P口、 有 兩個 16位定時器、一個 12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、一個比較器、一個 DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘， 能夠 支持 8MHz的時鐘。 它 采用 16位 流水線 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 ，具有豐富的尋址方式；它擁有 簡潔的 27條內(nèi)核指令，以及大量的模擬指令 ，這些都使其具備了較強的運算和數(shù)據(jù)處理能力 。另外，利用計算機可以在線對單片機進行調(diào)試和程序下載 ， 而且使用自帶的 JTAG口 能 直接和 FET(Flash Emulation Tool)相連， 也即無需另外的仿真工具，方便實用。但這種做法所產(chǎn)生的信號 的頻率精度和穩(wěn)定度都很差；后來使用了鎖相環(huán)技術(shù)，盡管可以使信號的頻率精度大大提高，但這種方法工藝復(fù)雜、分辨率不高、 頻率變換和實現(xiàn)計算機程控不方便。近年來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的 佼佼者 ，是一種全數(shù)字的頻率合成技術(shù)。近年來各種專用和通用的 DDS芯片也不斷上市，有的甚至做 成了小型系統(tǒng) [1718]。 ? 無過渡過程：采用數(shù)字方法，頻率轉(zhuǎn)換時過渡的時間極短 ，為 納秒數(shù)量級，其 信號相位和幅度 是 真正連續(xù)無畸變，特別適合 于 動態(tài)特性的設(shè)計。 ? 頻率精度高：目前常見的 DDS芯片的頻率分辨率可 達到參考頻率的 1／ 232，中南大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 22 具有非常高的精度。 ? 易于控制：目前新上市的 DDS芯片大多都帶有微控制器， 大大方便了設(shè)計者進行設(shè)計，無需過多的外圍器件就可以制成信號發(fā)生器，從很大程度上降低了成本。 AD9852 是近年推出的高速芯片， 它 具有小型的 80管腳表貼封裝形式，其 時鐘頻率 為 300MHz，并帶有兩個 12 位 的 高速正交 D/A 轉(zhuǎn)換器 、兩個 48 位可編程 的 頻率 寄存器 、 具有 12位幅度調(diào)制器和可編程的波形開關(guān)鍵功能 ，此外還具有 兩個 14位可編程 的 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。 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。 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 。 由于 AD9852 采用＋ ， 其器件 功耗 也相對較低 。 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。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。橢圓濾波器的特性是我選擇它作為低通濾波器的原因。設(shè)計參數(shù)如圖 所示。 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。 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。 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 。 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]。圖中顯示出了在將 VDS 設(shè)定為 24V 時 IDS 和 VGS 的關(guān)系。 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。 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。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。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。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。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 。 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。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。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。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?？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。 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。 ? 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。 ? 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。 ? 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。 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。 檢波放 大系統(tǒng)的電路設(shè)計框圖如圖 。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。 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。 圖 AMP01運算放大芯片的簡化電路框圖。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。 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 。這個驅(qū)動形成了 IA的輸出。 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。 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。 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。 如上所述，由兩片 AMP01運算放大器組成了放大模塊。 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。這兩個電路都調(diào)諧在通頻帶的中間頻率。 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。 L1除以 2， C1乘以