（检测技术与自动化装置专业论文）自动阻抗匹配器检测电路设计及匹配算法研究.pdf

摘要 摘要 自动阻抗匹配器是射频耦合等离子体设备系统中关键部件之一，衡量自动阻 抗匹配器性能好坏的主要技术指标是其匹配速度和匹配精度。已有的研究工作表 明，在仅检测射频电源入射功率和反射功率幅值的基础上，增加两者之间相位差 信息的检测，可以更快、更好地实现匹配功能，因此，开展与之相关的研究开发 工作具有较好的实际应用价值。 在实验室已有工作的基础上，本论文工作主要体现在以下几方面： 1 提出了能实时给出反射系数幅值和相位信息的信号检测方案。调研分析 表明，仅仅利用反射系数检测电路检测出的幅值信息进行阻抗的自动匹 配，其匹配算法的复杂度较高，从而影响其匹配速度和效果，若增加相 位信息，则可以大大地改善。 2 针对已有的阻抗匹配器硬件系统，设计了两种可以检测反射系数幅值和 相位的电路，一种是使用模拟乘法器直接下变频检测电路，另一种是使 用高速模拟开关的正交检波电路，具体进行了硬件电路的设计、制作与 调试实验。理论分析及实验结果表明，正交检波方案具有噪声抑制能力 强、线性度好、动态范围宽等方面的优点。此外，为控制模拟开关，设 计了2 相信号发生电路及d d s 信号发生器。 3 作为对已有匹配方案的一种补充，提出t n 用匹配元件阵列组成匹配网 络、使用继电器阵列作为切换开关的自动阻抗匹配方案，这个方案有着 便携性好、拓展性佳等优点，但也有着输入功率低和预期成本高等不足。 4 在已知反射系数幅值和相位信息的基础上，研究了与之相对应的阻抗匹 配算法，研究结果表明：加入相位信息可以大大减少阻抗匹配算法的调 节步数，进而缩短阻抗匹配时间。 关键字：信号检测；正交检波；自动阻抗匹配器；阻抗匹配算法 a b s t r a c t a bs t r a c t a u t o m a t i ci m p e n d a n c em a t c h i n g a p p a r a t u s ( a i m a ) i so n eo ft h ek e y c o m p o n e n t si nr fc o u p l e dp l a s m ad e v i c e a n dm a t c h i n gs p e e da n dp r e c i s i o na l et h e m a i ni n d i c a t o r so fa i m a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta d d i n gt h ed e t e c t i o no f p h a s e d i f f e r e n c eo fi n c i d e n ta n dr e f l e c t e ds i g n a l sc a na c h i e v et h ei m p e d a n c em a t c h i n g f a s t e ra n dm o r ep r e c i s et h a nj u s td e t e c t i n gt h ea m p l i t u d e c o n s e q u e n t l y , i ti sv a l u a b l e t oc o n d u c tr e l a t i v er e s e a r c hi np r a c t i c a la p p l i c a t i o n o nt h ef o u n d a t i o no ft h ep r e v i o u sw o r k ，t h i st h e s i sc o n d u c t sw o r ka sf o l l o w s ： 1 p r o p o s ed e t e c t i n gp l a nw h i c hc a l lg i v eo u tt h er e a l t i m ea m p l i t u d ea n dp h a s e i n f o r m a t i o no fr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t r e s e a r c ha n d a n a l y s i ss h o w st h a ti tw i l l c a u s eh i g h e rc o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h mo n l yu s i n gt h ed e t e c t e da m p l i t u d e i n f o r m a t i o nt oc o n d u c ta u t o m a t i ci m p e d a n c em a t c h i n g ，a n dt h e r e f o r ea f f e c t s t h es p e e da n de f f e c to f m a t c h i n g a n da d d i n gp h a s ei n f o r m a t i o nc a l li m p r o v e t h ep r o c e s sal o t 2 a i m i n ga te x i s t i n ga i m ah a r d w a r ep l a t f o r m ，d e s i g n2c i r c u i t st h a tc a l l d e t e c ta m p l i t u d ea n dp h a s ei n f o r m a t i o no fr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n t o n ei s d i r e c tc o n v e r s i o nd e t e c t i n gc i r c u i tu s i n ga n a l o gm u l t i p l i e r , a n o t h e ri s q u a d r a t u r ed e t e c t i o nu s i n gm u l t i p l e x e r , c o n d u c t i n gt h ed e s i g no ft h e h a r d w a r ea n dh a r d w a r ed e b u g g i n g t h e o r e t i c a la n a l y s e sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a d r a t u r ed e t e c t i o nh a sa d v a n t a g e sa sh i g hc a p a b i l i t y o nn o i s es u p p r e s s i o n ，w e l ll i n e a r i t ya n dw i d ed y n a m i cr a n g e f u r t h e r m o r e ， d e s i g n2p h a s es i g n a lg e n e r a t i n gc i r c u i ta n dd d ss i g n a lg e n e r a t o r 3 p r o p o s eas u p p l e m e n tp l a nu s i n gi m p e d a n c eu n i t sa r r a yt oc o m p o s e i m p e d a n c en e t w o r ka n tr e l a ya r r a ya sc o n t r o ls w i t c h t h ep l a n h a s a d v a n t a g e sa se x c e l l e n tp o r t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y h o w e v e r , i ta l s oh a s s h o r t c o m i n g sl i k el o wi n p u tp o w e ra n dh i g hc o s t i n g 4 o nt h ef o u n d a t i o no fk n o w na m p l i t u d ea n dp h a s e ，i n v e s t i g a t er e l e v a n t m a t c h i n ga l g o r i t h m t h er e s u l ts h o w st h a ta d d i n gp h a s ei n f o r m a t i o nc a n r e d u c et h es t e p so fi m p e d a n c ea l g o r i t h m ，a n dt h e r e f o r es h o r t e ni m p e d a n c e m a t c h i n gt i m e k e yw o r d s ：s i g n a ld e t e c t i o n ；q u a d r a t u r ed e t e c t i o n ；a i ma p p a t u s ；i m p e n d a n c e m a t c h i n ga l g o r i t h m i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：邋 签字日期乙蚪 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 醯丞开口保密( 年) 作者签名：圭蜱 签字日期：五蝉 导师签名： 签字日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究意义 等离子体( p l a s m a ) 是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态， 广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”， 也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。 等离子体刻蚀( 也称干法刻蚀) 是集成电路制造中的关键工艺之一，其目的 是完整地将掩膜图形复制到硅片表面，其范围涵盖前端c m o s 栅极( g a t e ) 大 小的控制，以及后端金属铝的刻蚀及v i a 和t r e n c h 的刻蚀。感应耦合等离子体 系统既可以产生高浓度等离子体，使得等离子体刻蚀和沉积的速度加快；也能够 实现在低气压环境下进行反应，保证等离子体较好的选择性和各向异性 1 【2 】。 在今天没有一个集成电路芯片能在缺乏等离子体刻蚀技术情况下完成。刻蚀 设备的投资在整个芯片厂的设备投资中约占1 0 0 o - - - 1 2 比重。随着集成电路集成 度不断提高，尺寸不断减小，对刻蚀设备的要求也逐渐增高。除了要求高质量的 刻蚀性能外，还要求设备在大规模量产中能保证极高的稳定性和极低的缺陷率。 因此，等离子体刻蚀的工艺水平直接影响生产技术的先进性和最终产品的质量。 高能量射频源常用于等离子体沉积和光刻过程中。由于等离子体室阻抗在各 种各样的生产过程中的变化十分复杂，所以等离子体在工作期间需要保证均匀稳 定，以提升集成电路的制作品质。有关实验证明，系统输入功率可以直接影响到 等离子体的压力和浓度。所以，在等离子体工业应用过程中必须要稳定系统的输 入功率。简而言之，必须使得来自射频源的功率完全被等离子体发生室吸收 【3 1 4 5 1 。 ，7 当传输线特性阻抗二c 与负载阻抗z c 不相等时，传输线上除了出现入射波 外，还会出现反射波，反射波的存在意味着传输效率的降低，这是因为传送到传 输线终端的功率不能全部为负载所吸收。不仅如此，阻抗不匹配还会导致其它的 一些不良影响： ( 1 ) 在存在反射波的情况下，从传输线始端向传输线看输入的阻抗都将随着 频率而变化。当用来传输含有若干频率的信号时，将使信号产生失真。 ( 2 ) 在行波和驻波同时存在的情况下，电流波腹点附近的电流振幅也高于正 常值，产生的热量也比较大，附近的绝缘易被烧坏。 ( 3 ) 传输线上同时存在着行波和驻波，若信号电压比较高，则在电压波腹点 容易产生介质击穿的现象。如欲避免击穿，势必采用尺寸较大和耐压较高的传输 线，从而加大了投资。 为避免射频传输线上反射的发生和优化射频源的工作效能，可以将阻抗匹配 第1 章绪论 器应用于感应耦合等离子体系统中，以保证整个系统的稳定性。因为工业上使用 的射频源的频率绝大多数是1 3 5 6 m h z ，故也称为射频阻抗匹配器。射频自动阻 抗匹配器则是能够通过现代测控技术及时跟踪负载阻抗的变化，实现实时的阻抗 匹配，来保证稳定的功率传输，从而确保感应耦合等离子体系统的应用。 阻抗匹配匹配有多种方法。使用变压器是一种常用的方法。然而，使用变压 器进行阻抗匹配，对于工作频率在1 m h z 以上的应用中并不适合。在标准射频源 工作在1 3 5 6 m h z 下的半导体工业中，通常做法是在源和负载之间插入一个无源 网络来实现阻抗匹配的。这种无源网络通常被称为匹配网络。事实上，许多实际 的匹配网络除了减少功率损耗功能外还有其他功能，比如提高频率响应的线性 度、提高功率容量及减小噪声干扰等。因此，它们的功能并不仅限于为实现理想 功率传输而在源和负载之间进行阻抗匹配。通常认为，匹配网络的用途就是将给 定的阻抗值变换成其它更适合的阻抗值，就是实现阻抗变换。 通过及时跟踪等离子体负载复杂的阻抗变化，自动阻抗匹配器能够保证负载 和源之间阻抗匹配，从而保证从射频源输出的功能都能被等离子体负载全部吸 收，进而提高半导体加工的工艺水平。 1 2 国内外发展现状和趋势 在国外，早在七十年代就有人提出自动阻抗匹配器的理论 6 】。自动阻抗匹 配器的出现使得使用等离子体高精度加工工艺来加工半导体应用成为了可能，但 是由于当时软硬件条件的限制，自动阻抗匹配器并不能在工业应用中得到实现。 随着自动化技术、通信技术和计算机技术的高速发展，再加上以数字信号处理器、 微控制器和微处理器为核心的智能仪器和设备的广泛出现，自动阻抗匹配器才逐 渐的由一种美好的想法变为现实。 现在，国内生产的绝大多阻抗匹配器都是手动调节的，它们需要使用者完全 依靠经验和现场观测进行匹配网络的调节，这就导致了匹配时间长、匹配精度低 等缺点，此外随着周围各种环境因素( 如温度) 的影响，系统负载特性会发生很 大的改变【7 】，手动调节由于无法快速而且及时地阻抗匹配，等离子体的特性就 很可能会发生波动，如果这种情况发生在等离子体应用于高精度半导体加工工艺 中，这种不及时匹配而造成的波动往往是致命的，很可能会导致最终加工失败 f 8 1 。从上面的分析可以看出，手动阻抗匹配器的不足之处限制了低温等离子体 在工业生产中应用水平的提高。 而对于自动匹配算法和自动匹配网络，国外很早就有人开始研究。有人提出 只使用反射系数的模来进行阻抗匹配网络调节的方法，还有人提出用反射系数的 模和相位信息来自动调节阻抗匹配网络。两者的相似点是都利用了模的梯度信 2 第1 章绪论 息，使用某种匹配算法搜索，使反射系数达到匹配条件下设定的反射系数阀值， 从而实现自动阻抗匹配的 9 1 0 1 。另外，还有一些科研人员使用遗传算法及神经 网络等人工智能算法，同样获得了相对比较理想的自动阻抗匹配结果 1 l 】【1 2 】。 由于自动阻抗匹配器广泛应用于工业医疗等领域，很多国外的先进生产工艺 控制设备供应商都可以生产自动阻抗匹配的全系列设备。比如美国的t r a z a r 公司生产的a m u 2 1 产品，反射系数能够达n o 0 1 。韩国n e wp o w e rp l a s m a 公 司生产的n p m 系列。美国的m k s 生产的m w h 系列产品，能够实现5 秒内使 反射系数 0 0 5 ，等等。而国内只有少数几家生产射频源的科研单位能够生产手 动匹配器。 从国外自动阻抗匹配器及其相似类别产品的分类来看，用户定制模式是自动 阻抗匹配器的发展趋势。其中的主要原因是使用工业环境不相同，负载特性的变 化方式和范围也不相同，而自动阻抗匹配网络的阻抗匹配范围是根据网络中分布 元件可调范围及网络的结构的变化而变化的。简而言之，不存在一种匹配网络能 够将任意阻抗变换到合适阻抗。所以，在本文第四章，提出了一种比较灵活的自 动阻抗匹配网络组成方式。根据指定应用，分析指定应用负载对象的阻抗变化特 点，搭建适合的匹配网络平台，寻找适合的电子元件，根据负载阻抗的变化特性 来选择合适的阻抗匹配算法，是现今自动阻抗匹配器生产开发的主要模式，也只 有在这样一种模式下，才能够根据具体应用快速准确的完成阻抗匹配功能，满足 工业生产应用的要求。 由于自动阻抗匹配器常用在强辐射、高压、大电流的场合，出于对操作人员 安全的考虑及应用的便捷性考虑，自动阻抗匹配器应该具有远程操作、全生命周 期产品监测及在线故障检测等实用功能。 1 3 本文主要研究内容 本文首先介绍基本的阻抗匹配理论和阻抗匹配网络的相关知识，并介绍自动 阻抗匹配器的硬件结构。自动阻抗匹配器主要由以下模块组成，人机界面模块、 电容的调节和检测模块、反射系数检测模块。 人机界面是操作员和阻抗匹配器交互的唯一途径。本文主要讨论如何实现 l c d 液晶屏的控制及如何将l c d 液晶屏连接到中央处理单元上。 由于是系统实现阻抗匹配的唯一控制手段，因此电容的调节的精度和时间将 直接影响自动匹配器的主要指标。本文通过电机驱动和位置检测反馈这一经典的 闭环控制系统调节电容，改变匹配网络的参数，实现阻抗匹配。 反射系数是自动阻抗匹配器进行调节搜索的依据。在高压和射频环境下，入 射和反射电压自身含有高频干扰信号，空间耦合进来的干扰信号也会影响信号采 第1 章绪论 集。因此需要通过数字滤波、模拟滤波、隔离等一系列手段，才能得到精确的数 据，有效地克服干扰的影响。 根据实验室实际测试的分析，系统的性能瓶颈在反射系数检测。所以，本文 的重点放在检测电路的设计，针对实际检测环境需要，提出了三种方案，整流检 测方案、使用模拟乘法器直接下变频检测方案以及使用高速模拟开关正交检波方 案。通过试验分析比较，确定使用高速模拟开关方案作为自动阻抗匹配器的检测 方案，并通过实际试验验证其准确性与有效性。 此外，由于用户定制模式是自动阻抗匹配器的发展方向，根据实验室阻抗匹 配器存在的体积较大和电机调节时间较长等不足提出了使用继电器开关阵列控 制电容电感组成匹配网络的方法，对该方法进行了简要的分析，给出了其优点与 不足。使用继电器开关阵列组成匹配网络的方法可以作为自动阻抗匹配器后续设 计的一个备选方案。 最后对阻抗匹配算法进行简要研究，首先分析了变量轮换法和最速下降法， 对模拟退火算法做了简要介绍。并利用正交检波可以检测相位的特性，使用最速 下降法进行了仿真。 4 第2 章阻抗匹配理论和自动阻抗匹配器硬件结构 第2 章阻抗匹配理论和自动阻抗匹配器硬件结构 2 1 阻抗匹配原理 在射频电路中，最重要的事情之一就是射频源阻抗与传输线及负载阻抗要匹 配。根据射频电路相关知识，阻抗匹配有两种形式，一是负载阻抗等于信源内阻 抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。 二是负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时 在负载阻抗上可以得到最大功率。这种匹配条件称为共轭匹配。如果信源内阻抗 和负载阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的。在工业中，阻抗匹配的目的 大多是为了获得功率的最大传输，所以，采用的是第二种匹配定义，即负载阻抗 与信源内阻抗共轭匹配。 基于三星a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 的自动阻抗匹配器结构图如图2 1 所示， 它主要由反射系数检测模块，中央处理模块，电机控制模块和可调匹配网络组成 【1 3 1 。 l 图2 1 自动阻抗匹配器结构图 在实际应用中，中央处理模块将采集到的检测信号进行计算，再应用自动阻 抗匹配算法，得到两个可变电容的调节量，然后使用p w m 信号控制电机对c 1 ， c 2 进行调节，调节后得到新的反射系数，与原反射系数进行对比，若小于原系 数，则保留本次状态，然后重复此过程，若某一次反射系数小于设定值，则认为 达到阻抗匹配状态，扫描停止。 2 2 阻抗匹配网络 要将一个负载连接到一个纯阻性射频源上，一般的情况是在射频源与负载之 间构造一个阻抗匹配网络。其中匹配网络的阻抗与负载的复阻抗相等。其中有多 第2 章阻抗匹配理论和自动阻抗匹配器硬件结构 种匹配网络可供选择，常见的包括l 型网络，兀型网络及1 1 型网络0 4 1 5 。后 文分别介绍型和r 型阻抗匹配网络，着重介绍在实验室实际应用中采用的伽马 型网络。 2 2 1 型阻抗匹配网络 形网络( 如图2 2 所示) 是用来把高阻抗源和低阻抗负载相匹配的电路。 它常用于高源阻抗的真空管射频功率放大器和低阻抗的天线之间的匹配。 v 门 l 。 1 l l i 目z l j 叠 o 尘 与 c 2 夥l i l b 彳l i _ 、 ， 1 z 17 2 f z ： 图2 2 而型阻抗匹配网络 图2 2 中，z l 表示负载等效阻抗，r s 是射频源等效内阻，一般为5 0 q 或7 5 q 。从射频源到负载不同阶段的等效阻抗用z 1 、z 2 、z 3 表示。为达到阻抗匹配 要求，即使传输功率最大，z 3 和z l 需满足共轭关系。 此外，从图中可以看出，阻抗匹配的条件是 z 加= r s ( 2 1 ) 对于这个条件，可以采用反射系数r 进行表征。它可以表示为 r ：v - - ：垃 v + r + 乙 门，、 、“， 当射频源阻抗k s 和负载的阻抗厶i n 相等时，反射系数为o ，阻抗完全匹配， 负载可以获得最大功率：当两者不等时，反射系数不为0 ，能量不能被负载完全 吸收，在这种情况下，若负载端开路或短路，即乞i n 为无穷大或0 ，反射系数达 到最大，功率被全反射，极易损坏射频源，应该避免这种情况的发生。 2 2 2f 型阻抗匹配网络 6 第2 章阻抗匹配理论和自动阻抗匹配器硬件结构 r 型阻抗匹配网络如图2 3 所示 mi 彳i er毫 l c 1 c 2 z 17 2z 图2 3i 型阻抗匹配网络 同上图一样， z l 表示负载等效阻抗，r 。是射频源等效内阻。 在射频源源端看过去输入阻抗为 厶= i + j j w l c 2 一z ( 2 3 )、， 其中 z = 亡+ j c o l + 乙 ( 2 4 ) ，c 扎i 在系统达到阻抗匹配时，匹配状态从电路任意一点向两边看过去都可以成 立。比如从在负载端看，负载阻抗和输出阻抗匹配；射频源源端看，输出阻抗和 输入阻抗匹配。对于r 型阻抗匹配网络，可以通过这一条件具体地研究其各方面 的性质。根据戴维南定理【16 】，可将负载左侧电路等效为串联的内阻和电压源， 由图2 3 可见，z ，为从负载端看过去的射频源输出阻抗；z ，和负载z 上在系统达 到阻抗匹配状态时共轭相等。因此匹配网络可匹配的负载范围可以通过研究阻抗 匹配网络参数对z ，的影响来获得，进而可以确定匹配网络是否满足系统要求。 阻抗匹配条件，输入阻抗厶和射频源内阻尼相等，可以通过阻抗匹配网络 调节网络参数来达到，进而实现系统的最大功率传输状态。此外由无源器件组成 的阻抗匹配网络自身不消耗功率。由此可见阻抗匹配网络在没有牺牲电路的性能 的情况下保证了负载获得最大传输功率。 根据图( 2 3 ) z l = 1 + j 竺( _ o l c 2 r , = 口+ 够 ( 2 t 5 ) 可得 扣赢2 22 ( 2 固 1 + 乙， 、 7 第2 章阻抗匹配理论和自动阻抗匹配器硬件结构 忙蒜2 22 1 + 国乙，【。 ( 2 7 ) 做进一步方程运算得到 ”争2 + 6 2 = ( 争2 ( 2 8 ) 取射频源的输出阻抗r ，= 5 0 q 。a 的范围可以通过将c ，的变化范围代入方程组得 到，即a 1 口 6 0 m q ) ，可以保证 低噪声及最小失真。并且该仪表放大器外围元件少，性能稳定。 i n a l 6 3 的原理图如下所示。 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 v o v 0 2 v +v 一 图3 1 4i n a l 6 3 原理图 模拟开关的开关频率控制信号通过信号发生器接双d 触发器构成的2 相正 交信号发生电路来实现。 二相信号发生电路是在数字系统中经常使用的电路，所谓二相信号指各个变 化点不同的两个信号，主要在时钟发生电路中使用。观察图3 1 5 的时序图可以 更清楚的分析其动作。关注最初q l 的h 部分，它和q 的h 错开一个时钟周期； 且蜴下面的h 也同样错开了一个时钟周期，这样的动作看起来好像输出的h 每 隔一个时钟错位移动一样，因此通过组合这样的信号可作出所需系统的时钟。 似nf f 门门f n 门n 几 ；l g 阳i 广 厂 ；! q 2 im | 厂 厂 i ；l i；!；! 磊阳| 阳厂 厂 iji ； 磊 i 厂 厂 厂 图3 1 5 二相信号发生电路时序图 这种二相信号发生电路特征在于信号的变化点每隔一个时钟周期就会错位， 因此观察时间上相邻的两个信号时，必然会有重叠的部分，也就是说使用这些输 第3 章自动阻抗匹配嚣检测电路设计 出组台门电路，可作出完全避免拖尾发生的电路。 在本系统中，需要的是两路正交的信号来控制模拟开关，所以二相信号发生 电路可满足要求。实际设计中使用d d s 信号发生器接双d 触发器7 4 a c 7 4 构成 的2 相信号发生电路来控制高速模拟开关。 7 4 a c 7 4 是o ns e m i c o n d u c t o r 公司出产的双d 触发器，输入在时钟脉冲的上 升沿被触发。一旦超过时钟脉冲输入门限值，输入数据被锁住，直到下一个时钟 脉冲输入上升沿到来，数据才有可能被改变 2 9 。7 4 a c 7 4 真值表如下图所示。 表3 07 4 a c 7 4 真值表 s dc o c pd q q hxxhl lxxl h l x xl h h工 hhl h 工 llh hlx q o 矾 整个方案采用差分输八，噪声极低，少量高次噪声能够通过简单的一阶巴特 沃斯低通滤波器滤除。堕垒垫方案的电路原理图如图31 6 所示 3 4d d s 信号发生器 34 1d d s 简介 图3 1 6 正交检波电路原理囤 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 在频率合成领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数 分频锁相环( f r a c t i o n a l n p l ls y n t h e s i s ) 等，直接数字合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s - - d d s ) 是近年来新的频率合成技术。单片集成的d d s 产品是一种可代替锁相环 的快速频率合成器件。d d s 是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的 优先选用技术。d d s 以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器 和数字信号处理，通过高速d a 变换器产生所需的数字波形( 通常是正弦波形) ， 这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图3 1 7 所示， 通过高速d a c 产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟 正弦波信号，最后该模拟正弦波与- i 1 限进行比较得到方波时钟信号。 图3 1 7 d d s 原理图 d d s 系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处 理频率和相位。除此之外，d d s 的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨 率( 频率的可控范围达l ah z 级，相位控制小于o 0 9 。) ，能够进行快速的信号变 换( 输出d a c 的转换速率3 0 0 百万次秒) 。这些特性使d d s 在军事雷达和通 信系统中应用日益广泛。 其实，以前d d s 价格昂贵、功耗大( 以前的功耗达w a t t 级) 、d a c 器件 转换速率不高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和 半导体工业的发展，d d s 芯片能集成包括高速d a c 器件在内的部件，其功耗降 低到m w 级( a d 9 8 5 l 在3 3 v 时功耗为6 5 0 m w ) ，功能增加了，价格便宜。因 此，d d s 也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、p c s p c n 系统、雷达、卫星通信。 3 4 2d d s 基本原理及性能特点 d d s 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。d d s 的结构有很 多种，其基本的电路原理可用图3 1 8 来表示。 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 频率控 字k 图3 1 8 d d s 电路示意图 相位累加器由n 位加法器与n 位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲 z ，加法器将频率控制字k 与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后 的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作 用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲 的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率 控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时， 把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加 器的溢出频率就是d d s 输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存 储器( r o m ) 的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值( 二 进制编码) 经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到d a 转换器，d a 转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形 式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信 号。d d s 在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及 集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为 系统提供了以下优于模拟信号源的性能。 ( 1 ) 频率分辨率极高 若时钟疋的频率不变，d d s 的频率分辨率就由相位累加器的位数n 决定。 只要增加相位累加器的位数n 即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数d d s 的分辨率在1 h z 数量级，许多小于l m h z 甚至更小。 ( 2 ) 输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为5 0 f , ( 理论值) 。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度 以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到4 0 f ，。 ( 3 ) 相位变化连续 改变d d s 输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函 数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号 相位的连续性。 ( 4 ) 输出波形的灵活性 只要在d d s 内部加上相应控制如调频控制f m 、调相控制p m 和调幅控制 a m ，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生f s k 、p s k 、a s k 和 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 m s k 等信号。另外，只要在d d s 的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现 各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当d d s 的波形 存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 ( 5 ) 频率转换时间短 d d s 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得d d s 的频率转换 时间极短。事实上，在d d s 的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后 按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率 控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。 d d s 的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个 数量级。 ( 6 ) 其他优点 由于d d s 中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、 重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 3 4 3 采用d d s 的a d 9 8 5 1 本系统采用了美国模拟器件公司采用先进d d s 直接数字频率合成技术生产 的高集成度产品a d 9 8 5 1 芯片。a d 9 8 5 1 是在a d 9 8 5 0 的基础上，做了一些改进 以后生成的具有新功能的d d s 芯片。a d 9 8 5 1 相对于a d 9 8 5 0 的内部结构，只 是多了一个6 倍参考时钟倍乘器，当系统时钟为1 8 0 m h z 时，在参考时钟输入 端，只需输入3 0 m h z 的参考时钟即可。如图3 1 9 ( a d 9 8 5 1 内部结构) 所示， a d 9 8 5 1 是由数据输入寄存器、频率相位寄存器、具有6 倍参考时钟倍乘器的 d d s 芯片、1 0 位的模数转换器和内部高速比较器这几个部分组成。其中具有6 倍参考时钟倍乘器的d d s 芯片是由3 2 位相位累加器、正弦函数功能查找表、 d a 变换器以及低通滤波器集成到一起。这个高速d d s 芯片时钟频率可达 1 8 0 m h z ，输出频率可达7 0m h z ，分辨率为0 0 4 h z 。 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 r e f c l o c k i n 栩a s t e r r e $ e l f r e o u e n c y u p d a t e ；d a t a r e g l s t e r r e s e t v 0 r 0l 0 d c l o c k + v s g n b ，b i tx 4 0l o a d s 8 b i t sx 5 l o a d s d a c r s e r a n a l o u - f a n 朋o g j n c l o c ko l i t 口蕊o u t f r e q u e n c y p h a s e a n dc o n t r o ld a t ai n p u t 图3 1 9 a d 9 8 5 1 结构图 a d 9 8 5 1 可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制且稳定性很好的 模拟正弦波，这个正弦波能够直接作为基准信号源，或通过其内部高速比较器转 换成标准方波输出，作为灵敏时钟发生器来使用。 a d 9 8 5 1 的各引脚功能如下。引脚排列，如图3 2 0 ： p i nco n f i g u r a t i o n d 3 d 2 0 1 l s b d o p g n 0 p v c c wc l k f o _ u d r e f c l o c k a g n d a v d d r s e t v o u t n v o u t p 一 a d 9 8 5 1 t o p v f e w ( n o tt os c a l e d 4 d s d 6 d 7m s b ，s e r i a ll o a d d g n d d v d d r e s e t l o u t i o u t b a g n d a v d d d a c b p v 嘲p v i n n 图3 2 0a d 9 8 5 1 引脚图 d 0 - d 7 ：8 位数据输入口，可给内部寄存器装入4 0 位控制数据。 p g n d ：6 倍参考时钟倍乘器地。 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 p v c c ：6 倍参考时钟倍乘器电源。 w - c l k ：字装入信号，上升沿有效。 f q u d ：频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效。 f r e f c l o c k ：外部参考时钟输入。 c m o s t t l ：脉冲序列可直接或间接地加到6 倍参考时钟倍乘器上。在直 接方式中，输入频率即是系统时钟；在6 倍参考时钟倍乘器方式，系统时钟为 倍乘器输出。 a g n d ：模拟地。 a v d d ：模拟电源( + 5 v o d g n d ：数字地。 d v d d ：数字电源( + 5v ) 。 r s e t 、d a c ：外部复位连接端。 v o u t n ：内部比较器负向输出端。 v o u t p ：内部比较器正向输出端。 v i n n ：内部比较器的负向输入端。 v i n p ：内部比较器的正向输入端。 d a c b p ：d a c 旁路连接端。 i o u t b ：“互补”d a c 输出。 i o u t ：内部d a c 输出端。 r e s e t ：复位端。低电平清除d d s 累加器和相位延迟器为0 h z 和0 相位， 同时置数据输入为串行模式以及禁止6 倍参考时钟倍乘器工作。 为了能够完成调频、调幅、调相的各种功能，要向a d 9 8 5 1 输入频率相位 控制字，这是通过a d 9 8 5 1 和微处理器相连接来实现。可以和a d 9 8 5 1 的数据 线直接相连接的单片机类型很多，本文中选用的是a t m e l 公司生产的单片机 a t 8 9 s 5 1 ，滤波器选用二阶型l c 巴特沃斯低通滤波器；锁相环频率合成部分 选用m c l 4 5 1 5 1 芯片，它可以进行稳定度较高的锁相环频率合成来为d d s 芯片 提供基准信号；压控振荡器( v c o ) 选用电容三点式分立元件的压控振荡器，它 与m c l 4 5 1 5 1 芯片构成锁相环，为使a d 9 8 5 1 可以经6 倍频后输出最高频率， v c o 必须控制在3 0 m h z 。由于d d s 信号发生器设计不是本文重点，具体细节 可以参照芯片数据手册及相关文献1 3 0 1 3 1 。 3 5 延迟线 由于d d s 作为信号源输出波形的频率有限，如果要输出较高频率的正弦波， 成本上会有较大的提升，所以在本系统中也考虑可以使用延迟线将1 3 5 6 m h z 射 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 频信号延迟四分之一个周期，以得到两路正交的射频信号，用以控制模拟开关。 用于将电信号延迟一段时间的元件或器件称为延迟线。延迟线应在通带内有 平坦的幅频特性和一定的相移特性( 或延时频率特性) ，要有适当的匹配阻抗，衰 减要小。广泛应用于雷达较精密的示波器、彩色电视、电子计算机等领域。 延迟线可分为两大类：即电磁延迟线和超声波延迟线，本系统中采用同轴电 缆制成的电磁延迟线。 电磁延迟线指利用阻抗匹配的均匀传输线作为延迟线。电波在典型同轴电缆 传输线传播速度约每米为0 0 0 5 1 t s ，若要获得0 5 9 s 的时延则需1 0 0 米长同轴传输 线。在实用上因体积大而感不便，此类同轴电缆传输线只适合在微波范围内作移 相器或延迟线之用。根据时延公式延时时间等于l c 的开方( l 及c 为传输线的 等效电感电容，分别用微亨和微法作单位) ，由此可知若要增大时延t ，只需加 大电感和电容便可达到目的。以同轴电缆传输线为例，如欲改变该延迟时间则必 可知须改变该线的基本结构。同轴线的直线形内导体用螺旋形线圈来取替，并将 高导磁率铁粉芯插入该线圈中，以增大其电感，适量减少绝缘介质厚度便螺旋线 与外导体稍紧密相靠，以适量增大电容量，这样该线的延迟时间便大大增长。同 时根据公式阻抗的l c 的开方，其特性阻抗也提高了。高阻抗螺旋型传输延迟线 在大部份应用场合均比较低阻抗同轴电榄传输延迟线有利。至于延迟线其他特 性，如截止频率、上升时间、失真、衰耗、体积等也十分重要，上述延迟线均属 非平衡型，在某些特殊电路中特别需要用平衡型延迟线。双股螺旋型延迟线便是 这类平衡延迟线，它除了具有非平衡型延迟线的高截止频率及低损失( 衰耗) 等 优点外，并可增进稳定度。能运用在宽频带放大器内( 例如在3 0 m i - i z 1 0 0 m h z 宽频带同步示波器或数千m h z 取样示波器的垂直放大系统内) ，能大大简化调整 过程。由集中参数的电感和电容所组成的网络也能获得所需要时延。由于同样时 延条件下体积较分布参数小及设计时取材容易，所以亦非常广泛应用在各种电路 中。 在本系统中，根据波长和信号在同轴电缆中近似传输速度2 x 1 0 8 r r d s ，估算 1 3 5 6 m h z 信号的四分之一波长为3 6 9 m ，实际测试移向9 0 。的同轴电缆传输线 线长要更短，大致在2 5 m 左右微调，可以完成将1 3 5 6 m h z 信号移向9 0 。的任 务。 以下是使用t e k t r o n i xa f g 3 2 5 2 函数信号发生器实测的1 3 5 6 m h z 正弦信号 和方波信号使用延迟线移向9 0 。后得到的两路正交信号波形。 第3 章自动阻抗匹配器检测电路设计 圈3 , 2 1 1 35 6 m h z 正弦波使用延迟线移向9 0 。 可e 王看出，1 35 6 m h z 正弦信号移向9 0 。后幅值几乎衰减一半。 从上面测试看出同轴电缆作为延迟线虽然在理论分析上可以完成生成控制 模拟开关的两路正交信号，但是在实际环境测试中表现不够理想，所以本系统中