【正文】 為使負(fù)載得到最大功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共扼關(guān)系，即電阻成份相等，電抗成份只是數(shù)值相等而符號(hào)相反。在這個(gè)條件下，從信號(hào)源到負(fù)載傳輸?shù)哪芰孔畲?。阻抗匹配時(shí)，傳輸不會(huì)產(chǎn)生反射，這表明所有能量都被負(fù)載吸收了，反之，則在傳輸中有能量損失。本實(shí)驗(yàn)所用激勵(lì)源內(nèi)阻測(cè)量方法如圖35所示：圖35 激勵(lì)源內(nèi)阻測(cè)量方法在探頭電路中串入阻值為1K的電阻，打開脈沖激勵(lì)源，用示波器測(cè)量UR，U，計(jì)算出信號(hào)調(diào)理電路激勵(lì)源（既探頭輸出）的內(nèi)阻r，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算過程如下：這樣在信號(hào)調(diào)理電路中串入一個(gè)與激勵(lì)源內(nèi)阻r=689歐的電阻既可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無限個(gè)正弦波疊加而成。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做濾波電路。分離元件電容和電感都具有頻率選擇特性，因此都可以作為濾波器組成部件使用，常用的是電容。電阻，電容和運(yùn)放結(jié)合可以構(gòu)成二，三，高階濾波器。若濾波電路元件僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放）組成，則稱為有源濾波電路。 有源濾波電路的負(fù)載不影響濾波特性，因此常用于信號(hào)處理要求高的場(chǎng)合。但電路的組成和設(shè)計(jì)也較復(fù)雜。 為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，節(jié)約成本，本實(shí)驗(yàn)將采用無源高通濾波，濾波電路如下：圖36 無源高通濾波原理電路圖此時(shí)，濾波器的截止頻率為：衰減由于實(shí)驗(yàn)所用模擬器是小型平行板有界波模擬器，空間電場(chǎng)大約在50000V/m，由偶極子傳感器感應(yīng)出的電壓信號(hào)大約為30V（示波器測(cè)得），而所用后續(xù)高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍為177。4V，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)衰減倍數(shù)約為10的衰減環(huán)節(jié)。對(duì)高速模擬信號(hào)的放大和衰減過程中，對(duì)運(yùn)算放大器指標(biāo)的首要要求就是其帶寬，常用的高頻運(yùn)算放大器分為電流反饋型和電壓反饋型。但是由于電壓反饋運(yùn)算放大器的帶寬，隨著增益的增加而降低，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)范圍有限，所以本電路不適合帶寬很高的信號(hào)調(diào)理電路。電流反饋放大器不受基本增益帶寬積的限制，隨著信號(hào)幅度的增加，帶寬的損失非常小。電流反饋放大器在很寬的增益范圍上維持其大部分帶寬不變。根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，選用analog devices公司的AD8009。s，上升時(shí)間僅為545 ps，因而非常適合用作脈沖放大器。其引腳配置如圖37：圖37 AD8009引腳配置傳統(tǒng)的用運(yùn)算放大器組成的反相衰減器如圖38所示：圖38 傳統(tǒng)反相衰減器在電路中R2要小于R1。經(jīng)改良的方法是用圖39的電路。對(duì)于表中沒有的阻值，可以用以下的公式計(jì)算R3＝(Vo/Vin)/(22(Vo/Vin))如果表中有值，按以下方法處理：為Rf和Rin在1K到100K之間選擇一個(gè)值，該值作為基礎(chǔ)值。將基礎(chǔ)值分別乘以1 或者2 就得到了Rf、Rin1 和Rin2。比如，如果Rf是20K，RinA和RinB都是10K，－3dB的衰減。當(dāng)然我們?cè)谶@里談的則是另一種情況，我們只是讓其分隔，但卻沒有相離。在電子電路中主電路和控制電路要進(jìn)行電氣隔離，一是為了安全，因?yàn)橹骰芈泛涂刂苹芈饭ぷ麟妷旱燃?jí)不一樣、電流大小也不一樣，各有各的過流保護(hù)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用變壓器隔離，隔離變壓器的原理和普通變壓器的原理是一樣的。隔離變壓器一般是指1：1的變壓器。一般變壓器原、副繞組之間雖也有隔離電路的作用，但在頻率較高的情況下，兩繞組之間的電容仍會(huì)使兩側(cè)電路之間出現(xiàn)靜電干擾。隔離變壓器的主要作用是：使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，也使該回路隔離。用隔離變壓器使二次對(duì)地懸浮。還有一個(gè)很重要的作用就是保護(hù)人身安全，隔離危險(xiǎn)電壓。本實(shí)驗(yàn)最大的難點(diǎn)在于系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)為瞬態(tài)信號(hào)，前沿只有20ns。經(jīng)過大量資料的收集與比較，最終選定加拿大AlazarTech公司的高速數(shù)據(jù)采集卡ATS9350。40mV到177。 ATS9350的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖311 ATS9350的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ATS9350硬件系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）為核心，由高速A／D轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DDR2 SDRAM、PCI接口等一系列外圍電路組成。CH A和CH B為兩個(gè)模擬輸入通道。AUX I/O為輔助輸入輸出通道。 FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。系統(tǒng)通過FPGA來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩存及邏輯控制。 本章小結(jié)本章對(duì)空間電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究與設(shè)計(jì)，包括電場(chǎng)探頭的原理研究，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，高速采集卡的選型和ATS9350的簡(jiǎn)單介紹。第四章 信號(hào)調(diào)理電路的PSpice仿真 OrCAD/PSpice軟件的構(gòu)成OrCAD/PSpice是一個(gè)通用電路仿真軟件，不但可對(duì)模擬電路、數(shù)字電路和模/數(shù)混合進(jìn)行模擬，而且具有優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能。PSpice軟件的構(gòu)成以及OrCAD軟件包中與PSpice運(yùn)行有關(guān)的模塊之間的關(guān)系如圖41所示。同時(shí)說明分析類型、設(shè)置分析參數(shù)。（Stimulus Editor）該程序?yàn)樾盘?hào)源編輯程序。該程序可以交互方式生成電路模擬中需要的各激勵(lì)信號(hào)波形。（Model Editor）仿真軟件中，電路元器件模型參數(shù)的精度很大程度上決定著電路的分析精度。ModelEd軟件的主要功能是從器件特性中提取模型參數(shù)，利用廠家提供的元器件手冊(cè)中給出的有源器件及集成電路的特性參數(shù)，采用曲線擬合等優(yōu)化算法，計(jì)算并確定相應(yīng)的模型參數(shù)，得到參數(shù)的最優(yōu)解．建立有源器件的PSpice模型及集成電路的PSpice宏模型。該程序?yàn)殡娐纺M計(jì)算程序，是PSpice軟件的核心部分。PSpice不僅可對(duì)模擬電路進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析，而且可對(duì)數(shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。它可以起到萬用表、示波器和掃頻儀的作用，把運(yùn)行結(jié)果以波形曲線的形式非常直觀地在屏幕上顯示出來，顯示方式也是多種多樣的?？筛鶕?jù)需要在電路圖中修改設(shè)計(jì)，再重新進(jìn)行電路模擬，顯示信號(hào)波形，直到電路設(shè)計(jì)滿足要求為止。Probe可對(duì)顯示的波形進(jìn)行多種數(shù)學(xué)分析，提取特征參數(shù)（例如帶寬等），并可進(jìn)一步得到這些特征參數(shù)與電路中元器件的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化。在顯示邏輯模擬結(jié)果波形時(shí)，Probe可檢測(cè)出電路中存在的冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)、時(shí)序錯(cuò)誤等問題，并可以將出錯(cuò)位置標(biāo)在電路中。它根據(jù)用戶規(guī)定的電路特性約束條件，通過大量的計(jì)算自動(dòng)調(diào)整電路元件的參數(shù)，以達(dá)到某一電路指標(biāo)要求。圖42 電路模擬的基本過程建設(shè)計(jì)項(xiàng)目ProjectProject是用來管理相關(guān)文件及屬性的。項(xiàng)目管理器包含3大類文件：(1) 電路設(shè)計(jì)文件（Design Resouces）(2) 結(jié)果輸出文件（Outputs）(3) 與PSpice運(yùn)行有關(guān)的文件（PSpice Resources）啟動(dòng)Capture軟件后，執(zhí)行File/New/Project子命令。使用Capture CIS還可以讓您通過Internet到Cadence的數(shù)據(jù)庫(kù)（包含1萬多個(gè)器件信息）里查找器件。為了保證互連線與元器件引線的準(zhǔn)確對(duì)接，應(yīng)選擇“Snap To Grid”按鈕。(4) 放置電源和地(place power or ground)Capture符號(hào)庫(kù)中有兩類電源符號(hào)：一種是CAPSYM庫(kù)中提供的電源符號(hào)，這種符號(hào)只表示該處要連接的是一種電源，它們本身不具備任何電壓值；另一種是SOURCE庫(kù)中提供的，這些符號(hào)真正代表激勵(lì)電源，通過設(shè)置可給它們賦予一定的電平值。(5) 放置階層及階層管腳對(duì)于一張大的原理圖來說，通常都是把它分割成多個(gè)模塊，再對(duì)子模塊進(jìn)行組合。(6) 原理圖繪制后續(xù)處理原理圖繪制好之后，還要對(duì)電路圖進(jìn)行以下處理：a、元器件統(tǒng)一編號(hào)：通常，設(shè)計(jì)者都需要對(duì)器件編號(hào)進(jìn)行從新排序。c、生成網(wǎng)絡(luò)表：網(wǎng)絡(luò)表是電路圖與電路仿真、PCB設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系。設(shè)置仿真參數(shù)生成電路圖后，根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求確定要仿真的類型并設(shè)置仿真參數(shù)。每種分析包括溫度特性分析、參數(shù)掃描、蒙托卡諾統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等。運(yùn)行仿真設(shè)置好仿真類型和仿真參數(shù)后，即可調(diào)用PSpice對(duì)電路進(jìn)行仿真。完成電路模擬分析后，可通過Probe顯示仿真結(jié)果的波形（.dat文件）或查閱文本輸出（.out文件）。應(yīng)根據(jù)出錯(cuò)信息采取相關(guān)措施，然后重新進(jìn)行仿真。(4) 必須有激勵(lì)源。電路優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于模擬電路，可以在模擬電路的基礎(chǔ)上調(diào)用PSpice中的優(yōu)化模塊Optimiter，進(jìn)一步對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)結(jié)果輸出經(jīng)過上述幾個(gè)階段，得到符合要求的電路設(shè)計(jì)后，輸出設(shè)計(jì)方案。給場(chǎng)效應(yīng)管IRF840的柵極提供高頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V3來控制右半回路的通斷，從而控制電容C2的充放電。如此，通過合理的設(shè)定各器件的各參數(shù)便可得到實(shí)驗(yàn)所需雙指數(shù)波。所以經(jīng)過多次模擬，仿真，最終確定各器件參數(shù)如圖44所示，仿真顯示的信號(hào)波形如下圖：(a)(b)(c)圖44 激勵(lì)源信號(hào)仿真波形 整體電路設(shè)計(jì)及仿真電路圖見附錄1，仿真結(jié)果如下：圖45 信號(hào)調(diào)理電路仿真結(jié)果由圖45可知，紅線為濾波后的信號(hào)，濾去了直流分量和部分噪聲；藍(lán)線和黃線幾乎重合，分別是經(jīng)衰減后變壓器兩次側(cè)的波形；輸出波幅值形基本為輸入波形幅值的十分之一。 本章小結(jié)本章對(duì)OrCAD/PSpice軟件的構(gòu)成及使用進(jìn)行了說明，并對(duì)本實(shí)驗(yàn)所使用的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行了電路的繪制與仿真，得出了符合要求的仿真波形?？?結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)師我作為一名大學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的最后一次作業(yè)，他既是對(duì)學(xué)校所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會(huì)操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好開端，畢業(yè)設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué)只是理論的檢驗(yàn)與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析和解決問題的能力，是我在校期間向?qū)W校所交的最后一份綜合性作業(yè)。雖然在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中不可避免的遇到了很多問題，但是在老師和同學(xué)的幫助下以及自己的努力，那些問題都一一得到解決，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在不斷的努力下我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。通過本次課題的設(shè)計(jì)，我還初步掌握了OrCAD/PSpice軟件使用。總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的，在這歷時(shí)兩個(gè)多月的時(shí)間里，我終于做完了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，有種如釋重負(fù)的感覺。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)會(huì)了很多，學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。其次我要感謝同組同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)，沒有他們的幫助和提供資料，沒有他們的鼓勵(lì)和加油，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)就不會(huì)如此的順利完成。俗話說的好，“磨刀不誤砍柴工”，當(dāng)每次遇到不懂得問題時(shí)，我都會(huì)第一時(shí)間記在本子上面，然后等答疑的時(shí)候問老師，老師對(duì)于我提出來的問題都一一解答，從來都不會(huì)因?yàn)槲业膯栴}稍過簡(jiǎn)單加以責(zé)備，而是一再的告誡我做設(shè)計(jì)該注意的地方，從課題的選擇到設(shè)計(jì)電路的最終完成，老師始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，他們真正起到了“傳道授業(yè)解疑惑”的作用，讓人油然而生的敬佩。感謝我的母校安徽工業(yè)大學(xué)工商學(xué)院四年來對(duì)我的栽培，老師們的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和孜孜不倦的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。參考文獻(xiàn)[1] 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