高效率宽频正弦电磁场发生器的研究毕业设计.doc

重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录高效率宽频正弦电磁场发生器的研究毕业设计目 录中文摘要ABSTRACT1绪论1 1.1高效率宽频正弦电磁场发生器用途1 1.2国内发展水平1 1.3研究意义22正弦电磁场发生器基本工作原理3 2.1种类32.1.1RC正弦波振荡电路32.1.2LC正弦波振荡电路42.1.3石英晶体正弦波振荡电路7 2.2信号发生器新技术83 高效率宽频正弦电磁场发生器设计任务、设计方案123.1方案选择 12 3.2原理方框图14 3.3系统设计143.3.1信号源143.3.2功率放大器183.3.3串联谐振电路213.3.4控制开关234 仿真研究254.1仿真软件254.2仿真结果254.2.1半桥串联谐振电路及仿真254.2.2全桥串联谐振电路及仿真314.3仿真结论375 结论38 5.1实验说明385.1.1MOSFET385.1.2 4个频点385.1.3死区38 5.2总结39参考文献40 0重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论1 绪论1.1 高效率宽频正弦电磁场发生器用途随着现代电子技术的发展，正弦电磁场在军事、医学、通讯、雷达、宇航、电视广播、遥控遥测、电子测量、地质勘察等领域得到了广泛的应用。雷达侦测、研制新型相控雷达、军事通信、电磁炮等新型武器研制和开发；细胞增殖与分化、促进细胞愈合、抗癌、超声波以及防治骨质疏松；钻孔在线检测、示波器、抗电磁干扰。正弦信号源在线性系统测试中应用十分广泛，例如，电子放大器增益的测量、相位差的测量、非线性失真的测量、以及系统频域特性的测量等等，都需要正弦信号源。具有频率稳定度很高的正弦信号源还可以作为标准频率源来与其它各种频率源进行对比。载波频率可调的已调波（包括调幅的或调频的、脉冲调制的）信号源，对于接受设备的调试、维修则是不可缺少的。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用，时变场中的大块导体内将产生涡流及集肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是正弦电磁场的直接应用。各类信号源虽然都能输出正弦波，但是由于频率不同，其结构原理是不同的。通常，低频和视频正弦信号源产生正弦信号，而高频和超高频信号源，除了有纯正弦波（载波）输出外，还有调制波形的输出，习惯上成为信号发生器。1.2 国内外发展水平光触发晶闸管的主体结构与一般电触发晶闸管没有什么区别。其门极区对光敏感,在光缆传送过来的光信号作用下产生载流子注入,导致晶闸管被触发,从阻断状态转人导通状态。以上是传统概念的光触发晶闸管。几年前,Eupec公司研制出有自保护功能的光触发晶闸管,方法是在制作晶闸管的同一硅片上,集成一个转折二极管（BOD）,并将该BOD的转折电压设计得低于晶闸管的正向转折电压 ,从而实现BOD对晶闸管遭遇到过电压时的保护作用。公司开发的带BOD保护二极管的LTT,几年前已成功应用于西门子公司在北美承建的一个电力系统。GTO是上个世纪60年代初问世的,在此后的三四十年内得到了很大的发展 ,至今仍是重要的电力半导体器件。为了改善关断特性,器件均采用多个子器件并联的方式,即在同一硅片上,制作成千上万个细小的子器件，他们有共同的门极电极，而阴极则是相互分开独立的 采用适当的封装结构，将这些子器件并联在一起 ,器件外观和大功率普通 晶闸管完全一样。传统GTO器件存在固有的缺陷。特别是在关断过程中，各子器件关断不均匀，很可能造成关断过程拖尾时间长，电流甚至集中在某些子器件上，这种电流局部集中现象电流丝化现象，将导致局部热点的产生，严重时会使器件被烧毁。绝缘栅双极晶体管（IGBT）是电力半导体与微电子精细工艺相结合的产物。IGBT器件一经问世，即得到飞速发展。它除了具有MOS器件输入阻抗高、控制功率小的优点以外，更重要的是它同时具备双极器件通态压降低的特点，从而受到电力电子工程师的青睐。1988年第一代IGBT进入市场，5年后第三代IGBT问世。上世界90年代后期，1200A，2000V以下的IGBT已实现工业规模生产，并开发出45005000V的高压IGBT，与此同时，外形与普通高压大电流晶闸管类似的1000A，2500V平板型IGBT也研制成功。反向开关4层2端晶闸管（RSD），它是前苏联科学家在上世界80年代中期研制成功的。RSD由同意硅片上成千上万个晶闸管和晶体管交替排列组合而成，每一单元的特征尺寸小于N型长基区的宽度。RSD基本工作原理是，晶闸管和晶体管共用的集电结阻断外电压，当此电压极性反转时。晶体管及相邻的晶闸管的n基区内形成等离子体。由于交替分布的晶体管、晶闸管的尺寸比n基区的宽度还小，上述等离子体相互交叉重叠，从而在n基区内形成非常均匀的等离子区。当控制电流脉冲结束且外电压极性复员以后，外电场将把基区内的载流子归荡出去。接下来便引发两边发射极的少子注入，导致器件在整个面积上均匀地通过，能产生数量级达A的脉冲开关电流。国内已研制出达40004800V和20003000V的RSD。对于40mm的RSD，峰值电流可达A，而di/dt可高达A/s。1.3 研究意义 由于正弦电磁场在各个领域的重要作用，目前，对正弦电磁场的研究日益引起国内外学术界和产业部门的极大重视。我国也在正弦电磁场领域的研究取得了一定的成就。由于我国的电力电子科学研究开始得比较晚，很多技术和国外还有一定的差距，主要是在各种电子器件及芯片上的制造工艺较落后。各种仪器在性能上不如国外。随着人们对电磁波的应用越来越深入，对电磁波的要求也越来越高，如频率越来越高，功率越来越大，波形还要尽量不变形。本课题研究的意义在于利用DDS合成技术（AD9852芯片），设计一种高效率宽频正弦电磁场发生器，使得产生的正弦电磁场在质量上得到保证并且效率高，功耗小。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 正弦电磁场发生器基本工作原理2 正弦电磁场发生器基本工作原理2.1 种类正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般是在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路；反馈网络；选频网络；稳幅电路四个部分我们在分析正弦振荡电路时，先要判断电路是否振荡。方法是： 是否满足相位条件，即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡；放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；是否满足幅度条件，检验，若： 则不可能振荡； 振荡，但输出波形明显失真； 产生振荡。振荡稳定后。此种情况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小。按选频网络的元件类型，把正弦振荡电路分为：RC正弦波振荡电路；LC正弦波振荡电路；石英晶体正弦波振荡电路。2.1.1 RC正弦波振荡电路常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振串并联网络在此作为选频和反馈网络。它的电路图如图2-1所示：它的起振条件为： 。它的振荡频率为：它主要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC正弦波振荡电路。它的振荡频率为：石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定，它常用于振荡频率高度稳定的的场合。2.1.2 LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相同的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路。LC正弦波振荡电路中的选频网络采用LC并联网络，如图所示。图2-2为理想电路，无损耗，谐振频率为在信号频率较低时，电容的容抗()很大，网络呈感性；在信号频率较高时，电感的感抗( )很大，网络呈容性；只有当f=f0时，网络才呈纯阻性，且阻抗最大。这时电路产生电流谐振，电容的电场能转换成磁场能，而电感的磁场能又转换成电场能，两种能量相互转换。 实际的LC并联网络总是有损耗的，各种损耗等效成电阻R，如图2-3所示。电路的导纳为：回路的品质因数上式表明，选频网络的损耗愈小，谐振频率相同时，电容容量愈小，电感数值愈大，品质因数愈大，将使得选频特性愈好。当f=f0时，电抗当网络的输入电流为I0时，电容和电感的电流约为QIo。根据式可得适用于频率从零到无穷大时LC并联网络电抗的表达式Z=1/Y，其频率特性如图2-4所示。Q值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载，如图2-5所示，则电路的电压放大倍数根据LC并联网络的频率特性，当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移（原因）。对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称之为选频放大电路。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路。根据引入反馈的方式不同，LC正弦波振荡电路分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种电路。 变压器反馈式振荡电路（图2-6）引入正反馈最简单的方法是采用变压器反馈方式，用反馈电压取代输入电压，得到变压器反馈式振荡电路。变压器反馈式振荡电路中放大电路的输入电阻是放大电路负载的一部分，一般情况下，只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数比以及其它电路参数，电路很容易满足幅值条件。变压器反馈式振荡电路易于产生振荡，输出电压的波形失真不大，应用范围广泛。但是由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而耦合不紧密，损耗较大。并且振荡频率的稳定性不高。 电感反馈式振荡电路（图2-7）为了克服变压器反馈式振荡电路中变压器原边线圈和副边线圈耦合不紧密的缺点，可将变压器反馈式振荡电路的N1和N2合并为一个线圈，为了加强谐振效果，将电容C跨接在整个线圈两端，便得到电感反馈式振荡电路。电感反馈式振荡电路中N2与N1之间耦合紧密，振幅大，易起振；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高振荡频率可达几十MHz。由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，反馈信号中含有较多的高次谐波分量，输出电压波形不好 电容反馈式震荡器（图2-8）为了获得较好的输出电压波形，若将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感，电感换成电容，并在转换后将两个电容的公共端接地，且增加集电极电阻Rc，就可得到电容反馈式振荡电路，示。因为两个电容的三个端分别接在晶体管的三个极，故也称为电容三点式电路。电容反馈式振荡电路的输出电压波形好，但若用改变电容的方法来调节振荡频率，则会影响电路的反馈系数和起振条件；而若用改变电感的方法来调节振荡频率，则比较困难；常用在固定振荡频率的场合。2.1.3 石英晶体正弦波振荡电路图2-9是经过简化的电路图并表明了石英晶体振荡器的基本组成元件。石英晶体振荡器中的放大器由至少一个驱动设备，偏压电阻并且可能包含其他用来限制带宽，阻抗匹配和增益控制的元件组成。反馈网络由石英晶体谐振器，和其他元件比如用来协调的可变电容等组成。晶体振荡器特点：在振荡频率上，闭合回路的相移为2n。当开始加电时，电路中唯一的信号是噪声；满足振荡相位条件的频率噪声分量以增大的幅度在回路中传输，增大的速率由附加分量，即小信号，回路益增和晶体网络的带宽决定；幅度继续增大，直到放大器增益因有源器件（自限幅）的非线性而减小或者由于某一自动电平控制而被减小；在稳定状态下，闭合回路的增益为1。2.2 信号发生器新技术一个正弦信号源的频率准确度是由主振级振荡器的频率稳定度来保证的，所以频率稳定度是一个信号源的重要工作特性。一般，振荡器的频率稳定度（实际上是频率不稳定度）应比所要求的准确度高1-2个数量级。一个频率连续可调的正弦信号源，其输出频率准确度还将受到频率读出装置所产生的刻度误差的限制，其中齿轮传动装置的位差是引起刻度误差的主要原因。经过了一个很长的发展阶段，频率连续可调的正弦信号源的频率准确度，从三十年代只能达到量级开始，直到现在已可达到优于-量级，甚至粳稻的水平。但是，采用普通谐振法（例如LC振荡器）若要获得这样高的准确度，无论是在电路上或是在工艺上都是困难的。所以，一般由频率可变的LC或RC振荡器作为主振级的信号源，由于其频率稳定度只能做到量级左右，故输出频率准确度的提高将受到限制。利用频率合成技术，即由一个基准频率（一般用高稳定的石英振荡器产生）通过基本代数运算（加、减、乘、除）产生一系列所需的频率，其稳定度可达到基准频率相同的量级。这样，可把信号源的频率稳定度提高2-3个量级。目前，在信号源中广泛采用锁相环技术来完成频率合成。为了保证精确地读出输出频率，必须装备有高质量的精密机械齿轮驱动装置和胶带频率刻度盘。而且，为了获得所需的准确度，每台信号发生器的胶带频率刻度盘必须个别地进行定标，这就导致仪器的机构复杂和价格昂贵。近来，由于大规模集成技术的发展，制造出了体积小、重量轻、耗电小（仅几十毫瓦）的集成电路计数器，这就有可能用频率计数器替代机械驱动的频率刻度，使连续可调信号源的输出频率准确度达到一个新的水平。频率稳定度和频率准确度有关系但并不相同。如果以信号源具有良好的频率稳定度，但准确度不高，这就是说其频率可保持恒定，但有频率误差。这种信号源的频率准确度可用更为准确的仪表如技术区对它进行监视，通过适当调整来补偿。另一方面，频率稳定度不佳的信号源，不论用多少时间调整都不能达到良好的频率准确度。这种信号源只有瞬间停留在正确的频率，很快就会漂移。在现代通信、雷达和电子测量技术的应用中，频率合成技术的研究日趋成熟。传统的直接模拟合成方法被逐渐淘汰，单靠锁相环（PLL）来实现又常常达不到现代通信设备的要求，而直接数字合成法则是较常见的方法，应用也最广。频率合成技术起源于二十世纪30年代，至今已有七十多年的历史。频率合成方法大致可分为直接合成法和间接合成法。早期的频率合成方法是直接频率合成 (direct frequency synthesis)。直接频率合成是利用混频、倍频、分频的方法由参考源频率经加、减、乘、除运算直接组合出所需要的频率的频率合成方法。它的优点是频率捷变速度快，相位 噪声低，但直接式频率合成器杂散多，体积大，结构复杂，成本及功耗也大，故该方案已基本被淘汰。 在直接频率合成之后出现了间接频率合成(Indirect Frequency Synthesis) ，间接频率合成包括模拟间接频率合成(注入锁相、模拟环路锁相、取样锁相)，锁相环频率合成，数字锁相频率合成。这种方法主要是将相位反馈理论和锁相技术运用于频率合成领域，它的主要代表是锁相环PLL（Phase-Locked Loop）频率合成被称为第二代频率合成技术。现在最常用的结构是数模混合的锁相环，即数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式。当环路锁定后，可变分频器的输出频率,fn=fr(fr是参考分频器频率)，而fn=f0/N(f0是输出频率)，所以f0=Nfr，由此可看出，通过频率 选择开关改变分频比N,VCO的输出频率将控制在不同的频道上，因此要想得到多的频率且频率间隔小，只有减小fr，增大N。它的优点是因为fr小，即鉴相 频率低，锁定时的频率变化小，所以具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制干扰能力，大量节省了滤波器。但是缺点是正因为fr小，输出频率范围小，要扩大输出频率范围，必须增大fr和N，频率间隔就会变大，频率转换速度慢，频率分辨率低。 现在锁相环频率合成器仍以其相位噪声低、杂散抑制好、输出频率高、价格便宜等优点在频率合成领域占有重要地位。目前已有许多性能优良的单片PLL频率合成器面世，典型的有Motorola公司的MC145191,Qualcomm公司的Q3236, National Semiconductor的LMX2325, LMX2326, LMX2330。这极大地推动了PLL频率合成方式的应用。基于DDS信号发生器有如下优点： 频率分辨率高，输出频点多，可达N个频点(N为相位累加器位数)； 频率切换速度快，可达s量级； 频率切换时相位连续； 可以输出宽带正交信号； 输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用； 可以产生任意波形； 全数字化便于集成，体积小，重量轻。DDS的核心部件是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似一个简单的计数器。每来一个时钟脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS的输出频率。正弦查询表是一种可编程只读存储器(PROM)，存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值和包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0360范围中的一个相位点。将相位寄存器的输出与相位控制字相加，得到的数据，作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动DAC，输出模拟信号。低通滤波器滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优越性。对于计数容量为2的相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为K,输出信号频率为参考时钟频率为，则DDS系统输出信号的频率为=由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为=则可得频率控制字K=。当外部参考时钟频率为50MHz，输出频率需要为1MHz时，系统时钟经过6倍频，使得变为300MHz，这样就可利用以上公式计算出DDS的需要设定的频率控制字K=1*2/300。直接数字合成法的研究通常表现在提高频率分辨率、缩短频率转换时间和提高输出频率的相对带宽以及改善频率合成的效率等一些重要参数中，利用现代EDA技术，这些技术已不是问题，而且可以将这些优点集成在一块芯片上，不断改进外围电路，性能就更加稳定可靠了。直接数字频率合成(DDS)可以把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态:不但能输出各种波形，而且可对输出电平进行调节。克服了与DDS 和PLL技术有关的所有问题，能够设定精确的输出频率，提高了频率分辨率(可达到1HZ)，具有更高的频率稳定度;相位噪声低，变频相位连续;可实现理想的正交输出，系统参数和输出频率不随时间改变;同时可以方便地实现与计算机的控制接口，通过软件和硬件对系统进行各种补偿。因此，它是当前应用最广泛的性能较好的信号源。与传统的频率合成器相比，正是由于DDS具有分辨率高，转换速度快、相位噪声小的优点，在频率改变与调频时，DDS器件能够保持相位的连续，很容易实现频率，相位和幅度调制。并且可以利用DDS技术实现通信的载波信号源，在一些需要高频分辨率、设置转换度的应用场合，尤其是雷达及通信系统中的跳频信号源中，其具有其它频率合成方法无法比拟的优势，是一种很有发展前途的技术。小结:本节介绍了正弦电磁场发生器的基本原理，以及对RC、LC、石英晶体正弦波振荡器和信号源发生器新技术的简单介绍。37重庆大学本科学生毕业设计（论文） 高效率宽频正弦电磁场发生器设计任务、设计方案3 高效率宽频正弦电磁场发生器设计任务、设计方案3.1 方案选择设计一种高效率宽频正弦电磁场发生器，正弦波发生器是设计的核心部分：方案一：采用集成函数发生器产生的波形。利用函数发生器如图3-1，产生频率可变的正弦波、方波、三角波。此方案实现电路复杂，难于调试，实现波形难度大,且要保证技术指标困难，故采用此方案不理想。方案二：采用传统的直接频率法直接合成。利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。但采用了大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量难于达到较高的频谱纯度。方案三：采用间接合成法（PLL）。间接合成法亦称锁相合成法，它是通过锁相环来完成频率的加、减、乘、除运算的。在锁相式频率合成器中，利用锁相环把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，同样可以利用一个基准频率通过不同的锁相环合成所需的频率。锁相环是指由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）组成的闭合环路。鉴相器用来比较两个输入信号的相位，其输出电压正比利于两个输入信号的相位差，叫“误差电压”。压控振荡器的振荡频率可用电压控制，一般都利用变容二极管作为回路电容。这样，改变容变管的反向偏压，其结电容将改变，从而使振荡频率随反向偏压而变故名“压控”振荡器。环路滤波器实际上是一个低通滤波器，用来滤掉鉴相器输出的高频成分和噪声，以达到稳定环路工作和改善环路性能的目的。在锁相合成法中，锁相环的输入频率fi=fr。锁相环开路工作时，VCO的固有输出信号频率fo(即开环时的VCO自由振荡频率)总是不等于基准信号频率fr，即存在固有频率差f=fo-fr，则两个信号ui和uo之间的相位差将随时间而变化。鉴相器将这个相位差变化鉴出，即输出与之相应的电压，后者通过环路滤波器加到VCO上。VCO受误差电压控制，其输出频率朝着减小fo与fr之间固有频差的方向变化，即fo向fr靠拢，这叫“频率牵引”现象。在一定条件下，环路通过频率牵引，fo越来越接近fr，直到fo=fr，环路进入“锁定”状态。环路从失锁状态进入锁定状态的过程，被称为锁相环的捕捉过程。锁相环处于锁定状态的一个基本特征是输入信号ui和VCO输出信号uo之间只存在一个稳定相位差，而不存在频率差。锁相合成法正是利用锁相环这一特征,把VCO的输出频率稳定在基准频率上。由此可见，所需的输出频率fo虽然间接取自VCO，但是，只要环路处于锁定状态，就有fo=fr，这样VCO的输出频率稳定度就可提高奥基准频率同一量级，这就是锁相合成法的基本原理。早期的锁相式频率合成采用模拟锁相环，进而在环路中加入了数字可控分频器，但其本质还是属于模拟环，它与后来出现的全数字锁相环有本质差别。目前，带有模拟锁相环的频率合成技术无论在理论上或是在制作上都已达到成熟阶段，而且实现了集成化，在设计上也已广泛地使用计算机辅助设计。由于锁相式频率合成具有极宽的频率范围和十分良好的寄生信号抑制特性，从而输出频谱纯度很高（寄生输出可优于-140dB），而且输出频率易于用微机控制。锁相技术在频率合成器中的应用至今仍占主导地位。70年代初开始出现的直接数字频率合成（DDFS），标志着频率合成技术进入到又一阶段，DDFS主要特点是采用计算技术和微计算机参与频率合成，DDFS的优点是极易实现频率和相位控制，且切换时间快，尤其适用于合成任意波形。锁相环的几种基本形式： 脉冲控制环 数字环 混频环 采用锁相环间接合成（PLL）虽然具有工作批频率高、宽带、频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间长。另外由模拟方法合成的正弦波的参数（如幅度频率和相位等）都很难控制，而且要实现1KHz10KHz大范围的频率变化相当困难，不易实现。方案四：采用直接数字式频率合成（简称DDS）。在数字信号处理器飞速发展的今天，微处理器的应用已主领着电子技术领域的潮流，先进的数字信号处理技术，能实现各种复杂的功能。对正弦波信号发生器而言，数字DDS技术的诞生，使波形发生器技术有了进一步的飞跃。就数字DDS波形发生器和模拟振荡器对比而言，具有输出频率精度高，波形失真小，可由单片机或DSP微处理器对其进行通讯控制其输出频率，从而实现用数控方式来精确控制其输出频率，以适应高精度仪表或智能化系统信号发生器应用，从而克服传统方式通过模拟振荡带来的频率调整分辨率低，稳定性较差，无法实现和微处理器接口的智能化的缺点。基于该芯片能实现很宽范围的输出频率和可输出任何波形的特点。用随机读/写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按不同的频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据。经D/A转换和幅度控制，再滤波就可以得到所需要波形。由于DDS具有相对带宽，频率转换时间极短（可小于20uf）,频率分辩率高，全数字化结构便于集成等优点，以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，因此，可以完全满足本题的要求。3.2 原理方框图本课题任务是利用DDS合成技术（AD9852芯片），设计一种高效率宽频正弦电磁场发生器。信号源功率放大器串联谐振电路正弦电磁场由上面原理方框图可知，先由信号发生器产生稳定频率的方波信号，然后通过功率放大器对该信号进行放大，放大后的方波信号最后进入谐振电路，转变成所需的正弦电流，从而产生正弦电磁场。3.3 系统设计3.3.1 信号源无论是模拟通信系统，还是数字通信系统，都必须用信号源来激励。正弦脉冲信号源，产生模拟信号，它主要用来测量模拟通信设备的特性。对这类测量信号源的基本要求是： 能输出指定的波形，即输出信号的波形参数是已知的。对于正弦信号源而言，波形参数是指：幅度、谐波含量、调幅系数、频偏、扫频范围等。对于脉冲信号源而言，是指其有前沿上升时间、后沿下降时间。脉冲宽度、以及评定下降等指标。 输出信号的重复频率已知，能在一定的范围内调节。频率范围及其准确度、稳定度等指标，主要取决于测量的特性和要求。 输出信号的幅度已知，能在一定的范围内调节，调节可以是步进的，也可以是连续的，并且具有一定的稳定度。 输出阻抗已知。通常高频信号源输出阻抗为50欧，低频信号源输出阻抗为600欧。AD9852是美国AD公司生产的新型DDS器件。系统最高时钟可达300MHz,输出频率可达120MHz,频率转化速度小于1s。内部有12bitD/A转化器、48bit可编程频率寄存器和14 bit可编程相位寄存器,具有12bit振幅调谐功能,能产生频率、相位、幅度可编程控制的高稳定模拟信号。AD9852强大的功能,使其被广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。AD9852的主要性能如下： 含有300MHz的内部时钟； 具有集成化12位D/A输出； 超高速、每秒抖动偏差仅有3RMS； 具有良好的动态性能：在100MHz输出时仍具有80dB SFDR； 内含420倍可编程参考时钟倍乘器； 带有双向48位可编程频率寄存器和双向14位可编程相位寄存器； 具有12位振幅调谐和可编程的Shaped On/off Keying功能； 具有FSK和PSK数据接口； HOLD引脚具有线性或非线性FM线性调功能； FSK的线性频率在时钟发生模式下的总编差小于25ps RMS； 可自动进行双向频率扫描； 可进行sin(x)/x校正； 有简化的控制接口；10MHz的串行两线或三线外围接口；100MHz的8位并行程序设计接口； 采用3.3V供电； 具有多路低功耗性能； 可采用单端或差分参考时钟输入； 采用小型80引脚LQFP（14x14x1.4mm）封装形式。AD9852由外部控制逻辑输入数据和地址,并通过读、写程序寄存器置值来控制DDS的工作模式；同，参考时钟频率通过可编程参考时钟倍乘器、DDS、反向正弦滤波器、计数倍乘器、两个300MHz的12位数模转换器来输出模拟信号并以选定的工作模式进行工作。AD9852的串行通信周期分为2个阶段, SCLK的前8个上升沿对应于指令周期, 在指令周期中,用户向AD9852的串口控制器发送命令字来控制随后进行的串行数据传输。数据传输周期从SCLK的第9个上升沿开始,输入数据在时钟上升沿写入,输出的数据则在时钟的下降沿读出。由串口传送的数据首先被写入I/O缓存寄存器中,当系统接收到有效的更新信号时,才将这些数据写入内部控制寄存器组, 完成相应的功能。当完成了通信周期后,AD9852的串口控制器认为接下来的8个系统时钟的上升沿对应的是下一个通信周期的指令字。实现2片AD9852输出信号波形相位同步的关键是使他们工作在相同的系统时钟下, 每个AD9852的系统时钟之间的相位误差最大不能超过1个周期。AD9852的系统时钟可由参考时钟直接提供,或将参考时钟通过内部的时钟倍频器放大而成。异步的更新时钟经过AD9852内部的边沿检测电路后与系统时钟同步,形成上升沿,触发内部控制寄存器更新内容。因此,要实现2片AD9852的同步,必须使其参考时钟与更新信号的上升沿同步。下面是确保2片AD9852同步工作需要注意的一些要点。AD9852的参考时钟有差分输入和单端输入2种形式,由于差分时钟在脉冲边沿具有更短的上升和下降时间以及最小的抖动率,可以有效地降低2片AD9852参考时钟间的相位误差,因此本系统采用了参考信号差分输入的方式。对于差分输入方式,输入端信号可以是方波或正弦波,推荐使用MAXIM公司的MAX9371,他可以将普通时钟信号转化成系统所需的差分时钟信号。为了实现参考时钟同步,令2片AD9852合用一个晶振,晶振输出的信号先分别传给两个差分时钟生成器,经过转化后输入2片AD9852。为了使每片AD9852参考时钟信号在传输过程中的延迟时间一致,PCB布线时必须确保时钟信号走线距离相同。在对AD9852进行编程时,串行输入的数据被缓存在内部的I/O缓冲寄存器中, 不会影响到AD9852的工作状态;在更新时钟信号的上升沿到来后,触发I/O缓冲寄存器把数据传送给内部控制寄存器,这时才能完成相应功能,实现对输出信号的控制。更新时钟信号的产生有2种方式,一种是由AD9852芯片内部自动产生,用户可以对更新时钟的频率进行编程来产生固定周期的内部更新时钟;另一种是由用户提供外部更新时钟,此时AD9852 I/OUD引脚为输入引脚,由外部控制器提供信号。要实现2片AD9852同步,必须确保他们的更新时钟信号的上升沿同时来临,因此系统采取外部时钟更新的方式。使用DSP的一个I/O端口与AD9852的I/O UD相连接,可以通过软件的方式实现对更新时钟信号上升沿的精确控制。对外部更新时钟信号的布线要求同参考时钟一样。AD9852的工作时钟高达300 MHz,为了降低时钟信号的干扰,系统应采用低频时钟信号源,然后通过AD9852片内的参考时钟倍频器,对外部参考时钟实现4-20倍频。参考时钟倍频器的锁相环电路有2个工作状态:锁定状态和获得锁定状态。在锁定状态,系统时钟信号和参考时钟信号可以保持同步。但当给AD9852发送控制指令时,在其参考时钟倍频器工作后的短暂时间内,锁相环不能立刻锁定,仍然工作在获得锁定状态。而此时传送到AD9852相位累加器的系统时钟周期的个数是不可控的,这可能导致2片AD9852的输出信号之间相位不同步,因此系统初始化以后,一定要先确保锁相环进入锁定状态,然后才能更新AD9852内部的各种控制字。AD9852片内锁相环锁定的典型时间约为400s,建议至少留出1 ms时间使锁相环进入锁定状态。下图为DDS波形发生电路。3.3.2 功率放大器利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放大。A类放大器的主要特点是：放大器的工作点Q设定在负载线的中点附近,晶体管在输入信号的整个周期内均导通。放大器可单管工作，也可以推挽工作。由于放大器工作在特性曲线的线性范围内，所以瞬态失真和交替失真较小。电路简单，调试方便。但效率较低，晶体管功耗大，功率的理论最大值仅有25，且有较大的非线性失真。 由于效率比较低 现在设计基本上不在再使用。B类放大器的主要特点是：放大器的静态点在(VCC，0)处，当没有信号输入时，输出端几乎不消耗功率。在Vi的正半周期内，Q1导通Q2截止，输出端正半周正弦波；同理，当Vi为负半波正弦波(如图虚线部分所示)，所以必须用两管推挽工作。其特点是效率较高(78%)，但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。即当信号在-0.6V-0.6V之间时，Q1 Q2都无法导通而引起的。所以这类放大器也逐渐被设计师摒弃。AB类放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作。可以避免交越失真。交替失真较大，可以抵消偶次谐波失真。有效率较高，晶体管功耗较小的特点。D类(数字音频功率)放大器是一种将输入模拟音频信号或PCM数字信息变换成PWM(脉冲宽度调制)或PDM(脉冲密度调制)的脉冲信号,然后用PWM或PDM的脉冲信号去控制大功率开关器件通/断音频功率放大器，也称为开关放大器。具有效率高的突出优点.数字音频功率放大器也看上去成是一个一比特的功率数模变换器.放大器由输入信号处理电路、开关信号形成电路、大功率开关电路(半桥式和全桥式)和低通滤波器(LC)等四部分组成。D类放大或数字式放大器。系利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号的： 具有很高的效率，通常能够达到85%以上。 体积小，可以比模拟的放大电路节省很大的空间。 无裂噪声接通。 低失真，频率响应曲线好。外围元器件少，便于设计调试。A类、B类和AB类放大器是模拟放大器，D类放大器是数字放大器。B类和AB类推挽放大器比A类放大器效率高、失真较小，功放晶体管功耗较小，散热好，但B类放大器在晶体管导通与截止状态的转换过程中会因其开关特性不佳或因电路参数选择不当而产生交替失真。而D类放大器具有效率高低失真，频率响应曲线好。外围元器件少优点。AB类放大器和D类放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式。T类功率放大器的功率输出电路和脉宽调制D类功率放大器相同，功率晶体管也是工作在开关状态，效率和D类功率放大器相当。但它和普通D类功率放大器不同的是： 它不是使用脉冲调宽的方法，Tripath公司发明了一种称作数码功率放大器处理器“Digital Power Processing （DPP）”的数字功率技术，它是T类功率放大器的核心。它把通信技术中处理小信号的适应算法及预测算法用到这里。输入的音频信号和进入扬声器的电流经过DPP数字处理后，用于控制功率晶体管的导通关闭。从而使音质达到高保真线性放大。 它的功率晶体管的切换频率不是固定的，无用分量的功率谱并不是集中在载频两侧狭窄的频带内，而是散布在很宽的频带上。使声音的细节在整个频带上都清晰可“闻”。 此外，T类功率放大器的动态范围更宽，频率响应平坦。DDP的出现，把数字时代的功率放大器推到一个新的高度。在高保真方面，线性度与传统AB类功放相比有过之而无不及。选择功率放大器的时候，首先要注意它的一些技术指标： 输入阻抗：通常表示功率放大器的抗干扰能力的大小，一般会在5000-15000，数值越大表示抗干扰能力越强； 失真度：指输出信号同输入信号相比的失真程度，数值越小质量越好，一般在0.05以下； 信噪比：是指输出信号当中音乐信号和噪音信号之间的比例，数值越大代表声音越干净。高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可 以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为360，适用于小信号低功率 放大。乙类放大器电流的流通角约等于180；丙类放大器电流的流通角则小于180。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自20至20000Hz，高低频率之比达1000倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百KHz一直到几百、几千甚至几万MHz），但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（5351605KHz的频段范围）的频带宽度为10KHz，如中心频率取为1000KHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类）。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高； 它们的不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同fc的繁琐调谐。通常工作于甲类状态。3.3.3 串联谐振电路由电感L和电容C组成的，可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，统称为谐振电路。在电子和无线电工程中，经常要从许多电信号中选取出我们所需要的电信号，而同时把我们不需要的电信号加以抑制或滤出，为此就需要有一个选择电路，即谐振电路。另一方面，在电力工程中，有可能由于电路中出现谐振而产生某些危害，例如过电压或过电流。所以，对谐振电路的研究，无论是从利用方面，或是从限制其危害方面来看，都有重要意义。由电感和电容元件串联组成的一端口网络如图3-8所示。该网络的等效阻抗是电源频率的函数。当该网络发生谐振时，其端口电压与电流同相位。即得到谐振角频率定义谐振时的感抗L或容 抗1/C为特性阻抗，特性阻抗与电