中北大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲波電機(jī)（USM）具有調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅三種驅(qū)動(dòng)控制方式，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)很大程度上決定了電機(jī)的性能，國內(nèi)目前現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大多控制方式單一且精度較低，達(dá)不到精確控制的要求，因此設(shè)計(jì)精度高、響應(yīng)迅速、定位準(zhǔn)確的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 </p><p>　　本文分析了當(dāng)前國內(nèi)外相

2、關(guān)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，針對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，研究開發(fā)了基于直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在分析研究 DDS工作原理和基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過程，完成了超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以單片機(jī) AT89LS52 為控制器，兩片 AD9854 產(chǎn)生兩路相位、幅度、頻率均連續(xù)可調(diào)的正余弦信號，采用 MAX274 設(shè)計(jì)八階巴特沃斯帶通濾波器去除信號噪聲，兩級放大電路實(shí)現(xiàn) 800 倍電壓放大，其

3、中第二級以高壓運(yùn)算放大器PA85 為核心，實(shí)現(xiàn)功率放大，光電編碼器作為反饋裝置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。在完成電路原理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，完成了印刷電路設(shè)計(jì)以及電路板調(diào)試工作。采用 KEIL C 編程語言完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相、鍵控頻移、二進(jìn)制鍵控相移等多種信號調(diào)制方式，可以分別采用調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相方式對電機(jī)進(jìn)行精確調(diào)速。</p><p>　　系統(tǒng)調(diào)試與分析的結(jié)果表明，本文開發(fā)的系統(tǒng)滿足課題設(shè)計(jì)要求。&l

4、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī) 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS) 驅(qū)動(dòng)與控制 AD9854 PA8</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Ultrasonic Motor(USM) has three control methods: frequency modulation, voltage mo

5、dulation and phase difference modulation, and the driving system is very important to the performance of the motor, most of existing driving systems at current domestic have single function and low calculation precision,

6、 which can't reach the precise control requirments. It is of great practical significance to design a high-performance, accurate, rapid response driving system. </p><p>　　A diving system of USM based on

7、 Direct Digital Frequency Synthesis(DDS) technique has been developed to the dirving desire of the USM after researching the current drving technique at home and abroad. Firstly, the system hardware design has been fini

8、shed after presenting the principle and characteristics of DDS, which takes AT89LS52 as the controller, two-piece of AD9854 as the signal generator, MAX274 as the filter, PA85 as the core of the power amplification and p

9、hotoelectric encoder as the </p><p>　　It has been proved that the system meets the design specifications after the system’s debug and analysis. The research presented in the thesis offers help to the cur

10、rent study of drive and control system.</p><p>　　Keyword: Ultrasonic Motor(USM)，Direct Digital Frequency </p><p>　　Synthesis(DDS)，Drive and Control，AD9854，PA8</p><p>　　1 緒 論

11、1</p><p>　　1.1 超聲波電機(jī)概述1</p><p>　　1.2 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 超聲波電機(jī)控制方法2</p><p>　　1.2.2 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展2</p><p>　　1.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求5</p><p>　

12、　2 驅(qū)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體方案簡介5</p><p>　　2.2 DDS 技術(shù)工作原理及方案選擇7</p><p>　　2.2.1 DDS 技術(shù)概述7</p><p>　　2.2.2 DDS 工作原理8</p><p>　　2.2.3 DDS器件的選擇9<

13、;/p><p>　　2.3 濾波電路方案選擇13</p><p>　　2.3.1 濾波器的原理與分類14</p><p>　　2.3.2 濾波器件選擇16</p><p>　　2.4 放大電路方案選擇17</p><p>　　2.4.1 放大電路要求及電路初步設(shè)計(jì)18</p><p&

14、gt;　　2.4.2 高壓集成運(yùn)算放大器的選定18</p><p>　　2.4.3 前置放大器型號選擇19</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)20</p><p>　　3.1 DDS 波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.1.1 AT89LS52 外圍電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　3

15、.1.2 AD9854 外圍電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.2 帶通濾波電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.3 功率放大電路設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.4 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)29</p><p>　　4 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試34</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)34</

16、p><p>　　4.2 波形產(chǎn)生軟件設(shè)計(jì)35</p><p>　　4.2.1 AD9854 的工作模式35</p><p>　　4.2.2 AD9854 的使用38</p><p><b>　　致 謝1</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)1</b>&l

17、t;/p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 超聲波電機(jī)概述</p><p>　　超聲波電機(jī)（Ultrasonic Motor，簡稱 USM）的基本結(jié)構(gòu)及工作原理完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，它不是以電磁作用傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動(dòng)（頻率≥20kHz），然后通過定、轉(zhuǎn)子之間的接觸和摩擦力將交

18、變的振動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從電能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換[1]。由于超聲波電機(jī)特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性能，如低速大轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕、功率密度大、響應(yīng)速度快、微位移、不受電磁場的影響、掉電自保護(hù)、設(shè)計(jì)自由度大、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等[2-4]。可以說，超聲波電機(jī)技術(shù)是當(dāng)今世界極有發(fā)展前途的技術(shù)之一 。</p><p>　　目前 USM 產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化正在快速發(fā)展，在一定程度上開始取

19、代某些小型電磁電機(jī)。國外在上世紀(jì) 90 年代開始進(jìn)入超聲波電機(jī)的實(shí)用化、商品化開發(fā)階段。如日本已將超聲波電機(jī)廣泛用于照相機(jī)鏡頭的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)[5]；三星公司將微型超聲波電機(jī)用于手機(jī)攝像頭；美國JPL實(shí)驗(yàn)室研制的用于宇宙飛船船體檢測的爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置[6]；Akihiro 公司將其用于高檔手表的振動(dòng)報(bào)時(shí)；高檔汽車中應(yīng)更加廣泛：座椅調(diào)整、方向盤位置調(diào)整、后視鏡角度調(diào)整、以及應(yīng)用于門窗、雨刮器、剎車傳動(dòng)裝置等；此外辦公設(shè)備、家電和 PC 機(jī)

20、、平板振子輸送紙機(jī)構(gòu)、X-Y 繪圖儀、直角坐標(biāo)自動(dòng)定位裝置等也有所應(yīng)用，體現(xiàn)了超聲波電機(jī)廣闊的應(yīng)用前景[7]。日本在該領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位，幾乎擁有大部分有關(guān)超聲波電機(jī)的發(fā)明專利，并且個(gè)別種類的超聲波電機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用[8]。我國在這方面的研究雖起步較晚（90 年代初），但也取得了一些突破性成果，如南京航空航天大學(xué)研究已經(jīng)取得了原創(chuàng)性和先進(jìn)性的成果，成功研制出十余種旋轉(zhuǎn)型行波與駐波超聲波電機(jī)，并且達(dá)到了

21、小批量的產(chǎn)業(yè)化和商品化；清華大學(xué)已研制出直徑1mm的彎曲旋轉(zhuǎn)</p><p>　　1.2 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 超聲波電機(jī)控制方法</p><p>　　根據(jù)超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，比較常用的控制方式如表1.1所示</p><p>　　表 1.1 幾種常用控制方法比較</p><p>

22、;　　幾種控制方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)決定了各自的應(yīng)用場合:調(diào)頻調(diào)速相應(yīng)快，易于實(shí)現(xiàn)精確控制，對超聲波電機(jī)最合適，但工作時(shí)諧振頻率的漂移要求有自動(dòng)跟蹤頻率電路;調(diào)相調(diào)速換向平滑，適用于需要頻繁正反向換向的場合;調(diào)幅調(diào)速調(diào)節(jié)范圍有限，電壓過低壓電元件會不起振，過高又會接近壓電元件的工作極限，較高的電壓對應(yīng)用面也有限制，一般不太采用;脈寬調(diào)幅調(diào)速因?yàn)檎{(diào)節(jié)比較復(fù)雜一般也很少使用。</p><p>　　1.2.2 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)

23、展</p><p>　　超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)確定以后，其性能不僅取決于電機(jī)本身，在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞。與普通電機(jī)不同的是：超聲波電機(jī)屬于容性負(fù)載，具有強(qiáng)烈的非線性特征，而且目前還沒有沒有適合于控制的數(shù)學(xué)模型[9]，這就決定了其驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)有別于普通電磁型電機(jī)感性負(fù)載的情況。因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)既滿足性能要求又具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、響應(yīng)迅速、定位準(zhǔn)確、精確度高等特點(diǎn)的 USM 的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，則是 U

24、SM 進(jìn)一步小型化、產(chǎn)品化和實(shí)用化所首先需要解決的問題。下面對幾種常見的驅(qū)動(dòng)方案做一下簡單介紹。</p><p>　?。?）典型的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　基本的驅(qū)動(dòng)電路框圖如圖 1.1 所示，由高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)的方波信號，經(jīng)移相器分成兩路相位差 90°的超聲波電機(jī)所需頻率的兩相方波，再經(jīng)過逆變升壓電路，得到電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)信號[10]。頻率跟蹤電路測得電機(jī)的電

25、壓信號來判斷電機(jī)的是否工作在諧振頻率點(diǎn)上，以此來調(diào)整高頻信號發(fā)生器的輸出信號。其中高頻信號發(fā)生器經(jīng)常采用的器件為LM 555、LM 565、4046等；逆變升壓電路一般采用推挽式功放電路，用4個(gè)功率場效應(yīng)管陣列，通過變壓器耦合，與超聲波電機(jī)的壓電陶瓷組成諧振回路，如Panasonic公司、Shinsei 公司的馬達(dá)都采用了場效應(yīng)管陣列作為功放。</p><p>　　圖 1.1 典型的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理框圖&l

26、t;/p><p>　　目前這種方法使用比較廣泛，只是因?yàn)樽儔浩鞅仨毰c不同型號的超聲波電機(jī)匹配，通用性差，而且變壓器的存在極大阻礙了電源裝置的小型化，影響超聲波電機(jī)在特定場合的應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)。當(dāng)產(chǎn)品要求體積小、重量輕（如照相機(jī)、便攜設(shè)備等）時(shí)，使用變壓器的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置幾乎是不可能的。</p><p>　　近年來，隨著 FPGA/CPLD、單片機(jī)和 DSP 技術(shù)的發(fā)展，逐漸拋棄了使用分離元件

27、搭建驅(qū)動(dòng)電路的方法，將信號發(fā)生、分頻移相以及控制電路等整合到大規(guī)模集成電路中，提高了信號的精度與穩(wěn)定性，同時(shí)也使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小型化成為可能[11]。</p><p>　?。?）基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　傳統(tǒng)的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路普遍存在體積大、性能單一等問題，難以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電機(jī)的控制特性研究。近年來發(fā)展起來的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)可以較好地解決上述問題。

28、應(yīng)用DDS技術(shù)搭建的驅(qū)動(dòng)電路如圖1.2所示，主要由 DDS 信號發(fā)生單元、信號功率放大單元構(gòu)成。工作過程如下：控制器控制DDS信號發(fā)生單元產(chǎn)生兩路獨(dú)立的正弦信號，兩路信號間的相位差可以在0°～360°范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；兩路信號分別經(jīng)低通濾波器、高壓運(yùn)放進(jìn)行放大，用于驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)。將直接數(shù)字頻率合成器作為信號發(fā)生單元，可以方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)[10]。</p><p>

29、;　　圖 1.2 基于 DDS 技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　（3）采用 LLCC 諧振技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電源</p><p>　　在絕大多數(shù)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式中，兩相電路的品質(zhì)因數(shù)不同且隨時(shí)間變化，這將引起電壓增益的嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致兩相正弦輸出電壓不穩(wěn)定。因此，超聲波電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能很差。為解決這個(gè)問題，國外學(xué)者提出了利用高階逆變器改進(jìn)傳統(tǒng)電路的方法，通常的做法是采用四階LLCC型逆變器。與傳統(tǒng)

30、的驅(qū)動(dòng)電路相比，該逆變器僅在每相電路中多加了兩個(gè)電抗元件。它包含了三階LCC型和LLC型逆變器的優(yōu)點(diǎn)，所以運(yùn)用LLCC型兩相高頻電壓逆變器驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)，將會使電動(dòng)機(jī)的工作性能更加優(yōu)良。通過四個(gè)電抗元件之間的參數(shù)調(diào)節(jié)，可以使該電路工作在諧振頻率下，此時(shí)輸出電壓的幅值和相位便不會因?yàn)槠焚|(zhì)因數(shù)的波動(dòng)而受到影響。</p><p>　　圖 1.3 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路（A）與采用 LLCC 技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路（B）的構(gòu)成示意圖&

31、lt;/p><p>　　1.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　根據(jù)超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，對驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出如下要求[11]：</p><p>　?。?） 提供在超聲頻段內(nèi)具有一定功率的兩相正交的同頻、等幅的正弦交流電壓；（2）為滿足定子共振條件并產(chǎn)生行波，要求具有變頻功能和鑒相功能；</p><p>　　（3）由于驅(qū)動(dòng)電壓

32、值較高，電路應(yīng)進(jìn)行電器隔離式設(shè)計(jì)；</p><p>　　（4）超聲波電機(jī)具有容性負(fù)載特性，需要設(shè)計(jì)匹配電路，以實(shí)現(xiàn)功率匹配、濾 波和諧振升壓的功能；</p><p>　?。?）為保證超聲波電機(jī)正常的運(yùn)行，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)計(jì)相關(guān)對頻率、電壓等 量的限制電路以及啟動(dòng)電路；</p><p>　?。?）根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和應(yīng)用要求，選擇調(diào)壓、調(diào)頻或調(diào)相中

33、的一種方式或 混合方式進(jìn)行調(diào)速和定位控制；</p><p>　?。?）為了滿足超聲波電機(jī)輸出性能的穩(wěn)定性，需要對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、振動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn) 等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；</p><p>　　（8）系統(tǒng)應(yīng)具有正、反轉(zhuǎn)控制功能，同時(shí)為了彌補(bǔ)相同條件下正反轉(zhuǎn)速度不一 致的弊端，還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)速度平衡控制；</p><p>　?。?）由于超聲波電機(jī)的非線性，

34、難以建立其數(shù)學(xué)模型。為了實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)快 速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制，系統(tǒng)應(yīng)選擇合適的反饋信號和控制信號，并設(shè)計(jì) 相關(guān)的控制算法。</p><p>　　2 驅(qū)動(dòng)控制器總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體方案簡介</p><p>　　超聲波電機(jī)種類繁多，每種電機(jī)對于驅(qū)動(dòng)的要求有很大不同。本課題研究的超聲波電機(jī)類型為環(huán)形行波超聲波電機(jī)，無

35、特殊說明，下文提到的超聲波電機(jī)均為此類型。在超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，微控制器一般會選擇信號處理速度快的DSP，但考慮到實(shí)際性能需要，微控制器主要作用是向DDS器件發(fā)送控制字，接收反饋信號，運(yùn)行信號處理程序，以及和上位機(jī)通信，對于速度要求并不是很高，單片機(jī)即能滿足要求，另外，使用單片機(jī)作為微控制器還有控制簡單，開發(fā)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故在方案中選擇單片機(jī)作為微控制器。 </p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的部分是

36、DDS信號產(chǎn)生電路，經(jīng)過比較，我們最終選定 AD9854專用DDS芯片作為信號產(chǎn)生器件，系統(tǒng)其他部分電路設(shè)計(jì)圍繞 AD9854 進(jìn)行。在單片機(jī)選型中一個(gè)比較重要的問題，就是單片機(jī)同AD9854的電平匹配問題。AD9854采用3.3V 電源供電，為3.3V CMOS電平，而一般常用的51系列單片機(jī)都為5V供電，使用5V TTL電平，如果直接驅(qū)動(dòng)AD9854，由于驅(qū)動(dòng)電壓過高，將會對AD9854造成不可恢復(fù)的損害，因此，在方案設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)

37、選擇3.3V供電，使用3.3V CMOS 電平的單片機(jī)。ATMEL 公司是世界上高級半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和行銷的領(lǐng)先者，其生產(chǎn)的 51 系列的單片機(jī)型號豐富，性能優(yōu)良，占有極大的市場分額。在本設(shè)計(jì)中選用了ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89LS52 單片機(jī)，它采用3.3V電源供電，3.3V 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。超聲波電機(jī)速度特性具有嚴(yán)重的非線性，目前還沒有建立精確的數(shù)學(xué)模

38、型，導(dǎo)致其速度控制成為一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中必須加反饋電路，形成閉環(huán)控制以實(shí)現(xiàn)精確的速度控制。反</p><p>　　綜合以上幾節(jié)內(nèi)容，驅(qū)動(dòng)電路最終方案的原理圖如圖 2.1 所示。以下比較詳細(xì)的介紹系統(tǒng)主要部分的方案選定過程。</p><p>　　圖 2.1 驅(qū)動(dòng)電路方案原理圖</p><p>　　2.2 DDS 技術(shù)工作原理及方案選擇</p>&l

39、t;p>　　為了實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)精確的位置和速度控制，需要產(chǎn)生兩路正弦波，并使其頻率在35~100KHz，振幅在0~140V，相位差在-180°~180°之間均能連續(xù)可調(diào)，還要保證信號的精確度和穩(wěn)定度，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）能夠滿足系統(tǒng)要求，故基于DDS技術(shù)設(shè)計(jì)了本方案。選取DDS芯片AD9854來產(chǎn)生兩路正余弦電流信號，作為超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號，下面將對 DDS 的工作原理和系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。&l

40、t;/p><p>　　2.2.1 DDS 技術(shù)概述</p><p>　　DDS或DDFS是Direct Digital Frequency Synthesis的簡稱，這個(gè)概念在1971 年由J. Tierney 和C. M. Tader等人在“A Digital Frequency Synthesis”一文種首次提出的[12]，被視為繼直接合成，鎖相頻率合成技術(shù)之后的第三代頻率合成技術(shù)[13]

41、，它突破了前兩種頻率合成方法的局限性，從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成，這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。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，因而并沒有得到足夠的重視，隨著近年來現(xiàn)代集成工藝水平的高速發(fā)展，特別是在80年代末經(jīng)過深入研究認(rèn)識了DDS雜散成因及分布規(guī)律后，對DDS的相位累加器進(jìn)行了改進(jìn)，對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

42、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。目前它廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)上需要信號頻率源的各個(gè)場合，例如在雷達(dá)領(lǐng)域的捷變頻雷達(dá)、有源相控陣?yán)走_(dá)、低截獲概率雷達(dá)，通信領(lǐng)域內(nèi)的跳頻通信、擴(kuò)頻通信，電子對抗領(lǐng)域的干擾和反干擾，</p><p>　　目前，用DDS方法產(chǎn)生正弦波、方波、三角波信號以及其他復(fù)雜波形信號的技術(shù)逐漸得到重視，AD公司、Qualcomrn公司和Stanford公司一系列優(yōu)良的 DD

43、S器件不斷出現(xiàn)。通過數(shù)控電路能對DDS輸出波形的頻率，相位，幅度進(jìn)行精確的控制，而且正在向高速高精方向發(fā)展，現(xiàn)在最先進(jìn)的DDS芯片的參考時(shí)鐘頻率已可達(dá)到1GHz以上，可以輸出從直流到400MHz之間的任意頻率的信號。</p><p>　　2.2.2 DDS 工作原理</p><p>　　DDS 基本原理是利用奈奎斯特采樣定律，經(jīng)過查表后把一系列的數(shù)字量信號通過DAC 轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出，

44、其基本的原理結(jié)構(gòu)圖如圖 2.2 所示。</p><p>　　圖 2.2 DDS 基本原理圖</p><p>　　DDS 系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器與一個(gè)N 位相位寄存器構(gòu)成，每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器將頻率控制字與相位寄存器輸出的相位數(shù)據(jù)相加，再把相加后的結(jié)果送至相位寄存器的輸入端，使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加，這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線性相位

45、累加，當(dāng)相位累加器累加滿量時(shí)就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是DDS合成信號的一個(gè)頻率周期，累加器的溢出頻率就是輸出的信號頻率。</p><p>　　波形存儲器是一個(gè)可編程只讀存儲器（PROM），存儲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)地址對應(yīng)于正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數(shù)據(jù)作為一個(gè)地址對波形存儲器進(jìn)行尋址，查

46、詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動(dòng) DAC，輸出模擬信號，低通濾波器濾除不需要的取樣分量，輸出頻譜純凈的正弦波信號。</p><p>　　2.2.3 DDS器件的選擇</p><p>　　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。</p><p>　　DDS

47、 技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)形式有很多，最簡單的方案是E2PROM內(nèi)存儲一個(gè)周期的相位幅值信息作為波形存儲器，微控制器（一般是單片機(jī)）訪問E2PROM產(chǎn)生相應(yīng)的波形，這種方案實(shí)現(xiàn)簡單，成本較低，但因?yàn)閱纹瑱C(jī)要不斷訪問 E2PROM，而單片機(jī)的頻率本身不是很高，不適合產(chǎn)生高頻信號，而且通常單片機(jī)同時(shí)要運(yùn)行其他程序，接收和處理其他信號，所以也不能保證產(chǎn)生信號的穩(wěn)定性，故這種方案性能比較差，在實(shí)際應(yīng)用中比較罕見。比較常見的方案大致有兩種，一是采用專用的D

48、DS器件，二是采用通用的可編程邏輯器件如CPLD、FPGA 等。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器直接發(fā)頻率控制字K、相位控制字P和幅度控制字A給 DDS器件，不用考慮如何存儲波形，如何實(shí)現(xiàn)相位累加器，如何訪問波形存儲器，如何產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，如何減小相位噪聲等復(fù)雜問題，因此在軟件編程上前比后者要簡單的多，可以采用匯編

49、或者C語言編程，對于大多數(shù)熟悉這些編程語言的人而言，上手容易，開發(fā)周期短，而對于后者，可編程邏輯器件要同時(shí)作為微控</p><p>　　目前國際上生產(chǎn)專用DDS芯片的半導(dǎo)體廠商主要有美國的ADI、Qualcomm、Sciteq、Standford、Harris及Synegy等公司以及法國Omerga 、Dassault公司等。Qualcomm 公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q

50、2368 等，其中Q2368 始終頻率為130MHz，分辨率0. 03Hz，雜散-76dBc，變頻時(shí)間0.1μs；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～AD9854、AD9951～AD9954、AD9858等輸出覆蓋0～1GHz范圍，而且全部內(nèi)置了D/ A轉(zhuǎn)換器，稱為C

51、omplete- DDS，是目前市場上應(yīng)用廣泛、性價(jià)比較高的DDS器件[15]，ADI 公司在中國有廣泛的銷售渠道，購買比較容易，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。</p><p>　　2.3 濾波電路方案選擇</p><p>　　AD9854產(chǎn)生的信號直接由器件內(nèi)部的正余弦DAC輸出，內(nèi)部不含濾

52、波器，其輸出信號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。下面介紹濾波電路的方案設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.3.1 濾波器的原理與分類</p><p>　　濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過

53、，而極大地衰減其他頻率成分。在測試裝置中，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。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，濾波器有下列幾種不同的分類。</p><p>　　（1）按所處理的信號類型分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。（2）按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲；高通濾波器：允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量；

54、帶通濾波器：允許一定頻段信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲 ；帶阻濾波器：抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過；</p><p>　　圖 2.3 低通、高通，帶通、帶阻濾波器衰減特性示意圖</p><p>　　按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。</p><p>　　無源濾波器：僅由無源元件（R、L和C）組成的濾波器，它是利用電容和電

55、感元件的電抗隨頻率變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡單，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。</p><p>　　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。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信

56、號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多階級聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(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，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。</p><p>　?。?）按傳遞函數(shù)分為巴特沃茲（Butterworth）濾波器，切比雪夫（Cheb

57、yshev）濾波器，橢圓函數(shù)濾波器，貝塞爾（Bessel）濾波器，高斯濾波器等</p><p>　　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。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。</p><p&

58、gt;　　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。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。在對衰減特性要求較高，且相位要求不嚴(yán)的情況下，可以選取切比雪夫?yàn)V波器。</p><p>　　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，不過卻在通帶

59、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)，對器件要求嚴(yán)格。如果只對衰減特性有要求，可以選取橢圓函數(shù)濾波器。</p><p>　　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失真的傳送諸如方波、三角波等頻譜很寬的信號，但其截止特性相當(dāng)差。</p><p>　　高斯濾波器通帶內(nèi)的相位是等波紋變化

60、的，用于決定頻譜分析儀帶寬的濾波器中。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。貝塞爾濾波器在進(jìn)入阻帶區(qū)以后才開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)就開始緩慢變化，并且趨近于零值的速度較慢。此外，截止特性也不好。</p><p>　　2.3.2 濾波器件選擇</p><p>　　設(shè)計(jì)有源濾波器設(shè)計(jì)大致有三種

61、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。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)性能的一致性和對稱性得不到保證，故電路的可靠性不高，對噪聲的抑制效果也不好，所以不適用于高速高精的場合。專用濾波器是固定階數(shù)，固定傳遞函數(shù)類型的濾

62、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。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，通過外接電阻的方式組成 Butterworth、Chebyshev、橢圓函數(shù)、Bessel帶通或

63、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</p><p>　　目前比較著名的通用濾波器生產(chǎn)廠商為MAXIM和Burr-Brown（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，單片級聯(lián)最高可達(dá)8階，可供選擇的范圍很廣，常用的型號為MAX274、MAX275。相對于MAXIM公司豐富的產(chǎn)品線而言，Burr-Brown 公司可供

64、選擇的范圍比較窄，頻率范圍也比較有限，比較常見的型號為 UAF42 等，表 2.1 列舉了這幾種器件的主要參數(shù)。</p><p>　　表 2.1 幾種常見濾波器芯片主要參數(shù)</p><p>　　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，故在精確度方面要比UAF42表現(xiàn)優(yōu)異。</p

65、><p>　　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，無疑會增加硬件的復(fù)雜度，另外，由濾波器的基本知識可知，有源濾波器的階數(shù)越高，濾波得到的信號噪聲越

66、小，而系統(tǒng)對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。</p><p>　　2.4 放大電路方案選擇</p><p>　　AD9854 輸出為單極性電流信號，經(jīng)過帶通濾波器濾掉了直流成分，變成了雙極性信號，輸出電流

67、典型值為10mA，最大為20mA，通過一阻值為50歐的電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，信號幅度典型值為0.5V（峰峰值），輸出電流和電壓都不能滿足系統(tǒng)對驅(qū)動(dòng)信號的要求，需要采用放大電路對輸出信號進(jìn)行功率放大。根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號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：</p><p>　　輸入電壓：0~0.5V 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

68、（正弦波） 其電壓放大倍數(shù)為800。這個(gè)比率很大，故在設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩級放大電路，第一級放大20倍，使用運(yùn)算放大器把電壓升高到±5V（峰值），第二級為功率放大電路，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)。</p><p>　　2.4.1 放大電路要求及電路初步設(shè)計(jì)</p><p>　　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，

69、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±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)信號為電壓峰峰值高達(dá) 400V 的高壓信號，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升高電壓[12]；一是在電路后面加額外的高壓增益級來實(shí)現(xiàn)。前者因?yàn)樽儔浩黧w積較大，對電路的電磁干擾也很大，導(dǎo)致電路輸出信號出現(xiàn)噪聲和失真

70、。后者一般使用功率場效應(yīng)管搭建分立電路實(shí)現(xiàn)，元件的一致性和對稱性得不到保證，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。另外，因?yàn)楣β势骷l(fā)熱比較大，要考慮散熱的問題，增加了電路的復(fù)雜度。</p><p>　　目前國外已出現(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。PA 系列高壓功率

71、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)。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)抑制功能和過壓保護(hù)功能，這使得該類放大器具有高精度的特點(diǎn)。放大器具有很高的電源電壓抑制比，可降低對高壓穩(wěn)壓電路的要求。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]。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

72、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。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]。</p><p>　　對比幾種方案，考慮到電機(jī)對于驅(qū)動(dòng)信號的精度要求較高，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。</p><p>　　2.4.2 高壓集成運(yùn)算放大器的選定</p><p>　　根據(jù)放大電路

73、的性能要求可計(jì)算出所需放大器的參數(shù)：</p><p>　?。?）最高輸出電壓：400Vp-p（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 S.R.；</p><p>　　表 2.2 PA85 的主要參數(shù)</p><p>　　從上表可以看出PA85的最大輸入失調(diào)電壓為2mV，對于分辨率要求較高的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源來說，這個(gè)輸入特

74、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]。同時(shí)，前置放大器也能承擔(dān)一部分信號放大任務(wù)，因?yàn)橐话慵蛇\(yùn)放的輸出電壓不超過±13V（峰值），故初步設(shè)計(jì)前置放大器輸出電壓為</p><p>　　±1 0V。電路原理圖如圖2.5所示。</

75、p><p>　　圖 2.5 功率放大電路原理圖</p><p>　　2.4.3 前置放大器型號選擇</p><p>　　因?yàn)樾盘栴l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)到信號放大要求。</p><p>　　S . R. =2πfV(1×10-6) =2π×100000×10×

76、;(1×10-6) =6.28V /μS根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇ADI公司的OP37作為前置放大器。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。為了使電路簡單，器件容易購買，故第一級放大電路也選擇OP37作為放大器件。</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　3.1 DDS 波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)</p><p>

77、　　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入、反饋信號采集、輸出信號的控制等任務(wù)都是通過單片機(jī)來管理和協(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。</p><p>　　3.1.1 AT89LS52 外圍電路設(shè)計(jì)</p><p>　　AT89LS52是一種低

78、功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。當(dāng)電源電壓為3.3V時(shí)，輸出為標(biāo)準(zhǔn)3.3V COMS 電平，與 AD9854完全匹配。因?yàn)锳T89LS52的片上資源豐富，在本設(shè)計(jì)中不需要外擴(kuò)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，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)程序存儲器內(nèi)的代碼。選用11.0592MHz 晶振，通過電容補(bǔ)償，單片機(jī)的機(jī)器周期能很好的保持為lus，便于程序的編寫調(diào)試，電源則由三端穩(wěn)壓電源芯片

79、 REG1117-3.3V供電，將5V輸入電壓穩(wěn)壓至 3.3V輸出[16]。</p><p>　　AT89LS52 有在系統(tǒng)可編程功能（ISP），無需專用燒錄器，不用頻繁插拔單片機(jī)，方便簡單。ISP 有并行和串行兩種方式。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。串行方式只需要使用P1.5~P1.7、VCC、GND、RST 六個(gè)引腳，占用資源少，簡單易用，應(yīng)用廣泛，技術(shù)較為成熟，而且有很多專門的

80、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 3.1 中JP1就是單片機(jī)的ISP接口。</p><p>　　AT89LS52 的主要外圍電路如圖 3.1 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)。</p><p>　　圖 3.1 單片機(jī)系統(tǒng)電路</p><p>　　在圖3.1中，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號D0~D7是數(shù)據(jù)總線，連接

81、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。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、讀寫數(shù)據(jù)等。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)更新和寫入數(shù)據(jù)時(shí)能夠有一個(gè)視覺體驗(yàn)，便于

82、以后調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。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。AT89LS52可以通過串口通信電路與PC機(jī)通信，通過PC機(jī)來設(shè)置系統(tǒng)輸出信號各項(xiàng)參數(shù)，還可以讀出單片機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)和信息。本系統(tǒng)中使用的是目前最常用的串行通訊總線接口RS-232C，一個(gè)完整的RS-232C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。</p>

83、<p>　　串行通訊也會出現(xiàn)電平匹配的問題，本系統(tǒng)中選用了能轉(zhuǎn)換3.3V CMOS 電平和EIA/TIA-232-E電平的MAX3232作為232通信芯片，電路原理圖如圖3. 2所示[22]。</p><p>　　圖 3.2 串行通信電路</p><p>　　3.1.2 AD9854 外圍電路設(shè)計(jì)</p><p>　　AD9854 功能強(qiáng)大，其主要特

84、點(diǎn)如下[17]：</p><p>　?、?輸出頻率高。工作頻率最高300MHz，輸出頻率最高可達(dá) 120MHz；</p><p>　?、?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]；</p><p>　?、?精度高。可知，當(dāng)fc=300MHz時(shí)，信號頻率精度可達(dá) 1.06

85、6×10-6Hz，相位精度可達(dá) 0.022°，幅值精度可達(dá) 0.12mV；</p><p>　?、?功能強(qiáng)大，具有FM、AM、PM、FSK、PSK、BPSK、CHIRP等信號調(diào)制功能；</p><p>　　⑤ 信號更新速度快且相位連續(xù)。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

86、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。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使輸出信號上有一個(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。在合理布線的情況下，差分

87、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。為了優(yōu)化性能，AD9854的參考時(shí)鐘信號采用差分形式，且REFCLK上升/下降時(shí)間不能低于1ns。本設(shè)計(jì)采用了Motorola公司的低壓差分接收芯片MC100LVEL</p><p>　

88、　圖 3.3 AD9854 參考時(shí)鐘電路</p><p>　　對于REFCLK和兩片AD9854布局也有一定的位置要求，通常按照圖 3.4 所示的最優(yōu)布局進(jìn)行布局。</p><p>　　圖 3.4 REFCLK 和多片 DDS 推薦布局及錯(cuò)誤布局示意圖</p><p>　　在AD9854工作過程中，UPDATE信號起著非常重要的作用[12]。從AT89LS52送來&

89、lt;/p><p>　　的數(shù)據(jù)先存儲在I/O緩存中，在UPDATE信號的上升沿，數(shù)據(jù)才送入DDS核心。UPDATE信號可由用戶通過第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。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。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。</p><p>　　本系統(tǒng)采用用戶提供

90、更新時(shí)鐘的方式。將AT89LS52的P2.7引腳和I/0 UD CLK相連提供更新信號。I/0 UD CLK為雙向頻率更新信號線，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。本設(shè)計(jì)中將它設(shè)置為輸入口，當(dāng)完成對AD9854所有編程后，由P2.7引腳送出一個(gè)更新脈沖實(shí)現(xiàn)信號更新。UPDATE CLK 將數(shù)據(jù)從緩

91、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數(shù)據(jù)手冊上有 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

92、時(shí)參數(shù)的設(shè)置需要以此作為參考。</p><p>　　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）連接的電阻來決定，二者關(guān)系由公式3－1確定。</p><p>　　RSET = 39.9/IOUT…………………………………………………………（3-1）</p><p>

93、　　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]。</p><p>　　WR/SCLK引腳在并行方式時(shí)，為AD9854寫信號控制線，控制單片機(jī)寫并行數(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。RD/CS 引腳在并行方式時(shí)，為AD9854的讀信號控制線，可控制單

94、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。</p><p>　　FSK/BPSK/HOLD 引腳在不同模式下有不同功能。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。本設(shè)計(jì)中將

95、此管腳與單片機(jī)P1.6 引腳相連。</p><p>　　以上對AD9854的重要引腳的連接作了詳細(xì)的介紹，除此之外，剩下的管腳分別為數(shù)字3.3V電源（DVDD）輸入端，模擬3.3V電源（AVDD）輸入端，數(shù)字地（DGND）接地端和模擬地（AGND）接地端。為了很好的隔離噪聲，獲得更好的輸出信號性能，防止數(shù)字噪聲耦合到模擬部分，必須對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

96、擬地。在本設(shè)計(jì)中，選用了兩片REG1117-3.3V 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。對數(shù)字地和模擬地也進(jìn)行了分離，分別對應(yīng)GND和AGND。</p><p>　　通過以上分析，同時(shí)參考 AD9854 的數(shù)據(jù)手冊上給出的評估板原理圖，設(shè)計(jì) AD9854的外圍電路圖。圖 3.5

97、顯示的是一路 AD9854 電路原理圖。</p><p>　　圖 3.5 一路 AD9854 電路原理圖</p><p>　　3.2 帶通濾波電路設(shè)計(jì) </p><p>　　MAX274 是連續(xù)時(shí)間有源濾波器，比開關(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，通過級聯(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

98、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。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]。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。</p><p>　　其主要特性參數(shù)如下： </p><p>　　（1）最大工作頻率為 10MHz； </p><p>　　（2）

99、中心頻率范圍是 100Hz～150kHz； </p><p>　?。?）中心頻率的精度為±1%； </p><p>　?。?）中心頻率的溫度系數(shù)（ΔFO /ΔT）為-28ppm /℃； </p><p>　　（5）工作電壓為+ 5V 或±5V。</p><p>　　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，

100、包含4個(gè)放大器、2個(gè)電容和5個(gè)電阻，通過改變外接4個(gè)電阻即可實(shí)現(xiàn)各種頻率的帶通或低通濾波器。其內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)和外部接口圖如圖3.6 所示。</p><p>　　圖 3.6 MAX274 內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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

101、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]。使用MAX274 Software設(shè)計(jì)濾波器具體步驟如下： </p><p>　　步驟 1 由濾波器的指標(biāo)確定極點(diǎn)、Q 值和零點(diǎn) </p><p>　　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

102、波器的極點(diǎn)、階數(shù)和Q值。</p><p>　　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 3.7 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）。對于帶通濾波器，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

103、，F(xiàn)bw為通帶帶寬，F(xiàn)sw為阻帶帶寬，Order 為濾波器階數(shù)。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)。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。</p><p>　　圖 3.7 由濾波器的指標(biāo)確定極點(diǎn)、零點(diǎn)和 Q 值界面</p><p>　　步驟 2 針對 MAX274/5 完成濾波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　這一步任務(wù)

104、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。</p><p>　　首先導(dǎo)入第一步完成的設(shè)計(jì)模型。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，并且允許對每個(gè)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以通過相應(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)。 </p><p>　　打開軟件，參數(shù)設(shè)置如下：中心頻率 Fc＝59

105、.16KHz（對于帶通濾波器，F(xiàn)C =），F(xiàn)bw＝65KHz，F(xiàn)sw＝130KHz（如果不確定是多少，通?？啥?Fbw的兩倍即可），Amax＝3dB，對于Amin 而言，此時(shí)有兩種選擇，要么在 Order 欄輸入想要的濾波階數(shù)，更新 Amin，查看 Amin 上的衰減是否達(dá)到要求；要么直接輸入需要達(dá)到的Amin值，這時(shí)所有4 種濾波器都會更新 Order 和 Amin 的值；為了使輸出波形盡可能平滑，在設(shè)計(jì)時(shí)直接輸入 MAX27