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沈阳理工大学学士学位论文摘 要本设计介绍了用FPGA对信号发生器进行控制的函数发生器，然后经功率放大器使之产生固定要求的电磁场来清除水垢。水垢分解的常用方法是利用电磁场，电磁场吸附正负离子，使之分解。水垢处理的频率在2MHZ到20MHZ范围内。MAX038具有可调频率特性，其频率范围为1HZ到20MHZ。满足要求，其还具有占空比可调等优点。MAX038与FPGA的连接用X9313数控电位器。实现了数字与模拟的转换。因功放电路带宽等要求，功率放大器不能用集成来实现，所以用分立元器件搭建的电路。主要的电路部分是MAX038与FPGA连接的模块。其全部电路图均用DXP软件来做。功率放大部分，因为其没有专门的高频率高瓦数的集成元件，抗干扰差和其他不利因素等影响，就会使功率放大器失真。关键词：MAX038 ；X9313 ；DXP AbstractThis subject introduces signal Generator, function generator,The subject describes the function generator with the control of Signal Generator at FPGA. Through the Generated of the power amplifier ,we need a fixed magnetic field to Clear scale. There are several common methods of the Scale decomposition：The first is the use of electric field. The scale cans decomposition in Adsorption of positive and negative electromagnetic fields. the frequency of the scale cleaning 2MHZ to 20MHZ. MAX038 owes the features of adjustable frequency. The frequencys range is between 1HZ and 20MHZ. In order to meet the requirements, he has the advantage of adjustable duty cycle. Connect Digital power controller named X9313 with MAX038 and FPGA. It achieves the digital and analog conversion. Bandwidth requirements for power amplifier, power amplifier cannot be used to achieve integration, so the circuit built using discrete components. The major part of the circuit is connected with the FPGA module. All of its circuits are to do with the DXP software. There is no specific integration of high frequency high wattage components, so interference and other adverse factors such as poor impact; it will make power amplifier distortion.Key words: MAX038; X9511; DXP 目 录1 引 言11.1 科学意义和社会应用前景11.2 国内外研究概况、水平和发展趋势11.3 高频的基本原理22 总体设计原理42.1水垢生产的机理42.2 清除水垢方法42.3 设计原理53 高频信号发生器设计63.1 DXP软件介绍63.2 设计指标63.3 方案论证与比较73.4 MAX038芯片介绍83.4.1 MAX038简介83.4.2 芯片引脚83.4.3 MAX038 内部电路图93.5 频率、幅值及占空比控制103.6 芯片X9511介绍113.7 正弦波发生器设计133.8 正弦波电路PCB和示波器波形144 功率放大器设计174.1 常见功放种类174.2 功放的输出184.2.1 定阻式输出184.2.2 定压式输出184.3 功率放大器的组成184.4 功率放大器原理184.5 功率放大器电流的特点204.6 功率放大器术语214.6.1 工作范围214.6.2 传输增益214.6.3 输出功率214.7 功放设计214.7 功放电路及PCB224.8 功放仿真235 控制电路设计245.1 电路功能245.2 HDL仿真245.3.1 FPGA介绍245.3.2、设计流程25总 结26致 谢27参考文献28附录A 英文原文29附录B 英文翻译38附录C 电路图46461 引 言1.1 科学意义和社会应用前景 随着高科技工业的发展和生活水准的提高，各类水系统越来越广泛应用于工业生产及民用生活方面，如锅炉，热交换器，中央空调，循环冷却水系统等。但用水设备在使用过程中会出现结垢、锈蚀等现象，有的水路会出现滋生细菌，产生藻类物质，使水质败坏。如果用水设备不进行必要的防垢除垢处理，系统会出现传热效率下降，设备寿命缩短，管道堵塞，甚至爆炸。这样既浪费燃料，有存在安全隐患，造成人身财产损失。 用水设备的结垢，铁锈腐蚀，藻类滋生是目前水系统正常运行普遍存在的三大难题，也是世界性老大难问题。以往人们采用一些传统的化学水处理方法，如投药法、离子交换法、化学清洗法等来进行水处理，但都存在投资大，操作繁琐，收效甚微的问题，还造成二次循环污染。长期以来，人们渴望着一种投资省，运行方便，功能齐全，效果好的水处理设备，而高频电磁场水处理技术正是当今国际上最先进的现代水处理技术。它以其效果理想，节能节水，保护环境，节省投资，运行费用低廉，安装简单，使用方便等优点，尤其在与生产和生活相关的热能动力领域得到了迅速推广应用。它在火力发电，石油化工，钢铁冶金，生活用水和食品卫生等领域，打破了化学水处理技术一统天下的局面，摒弃了化学水处理的一切缺点，可满足任何水质硬度和流量的水处理情况，彻底解决了目前水处理系统的三大难题。进入二十一世纪以来，世界各国都面临着能源紧张，水资源短缺，生态环境恶化等重大课题，无疑，采用高频电磁场水处理技术，即物理技术，取代化学水处理技术，必将成为业内广大科技工作者普遍关注的问题。近几年来，又迎来了全国大中小城市无一例外的大规模进行着集中供热站的建设和改造，无论天时地利都为高频电磁场水处理技术提供了广阔的应用前景和发展机遇。1.2 国内外研究概况、水平和发展趋势 世界各国，特别是各工业国家的学者一直在努力研究探索，能有效地防止和清除用水设备结垢的方法。到目前为止，物理学水处理技术大体上经历了三个发展阶段，即永久磁场式、高压静电式和高频电磁场式水处理器，三代产品的防垢原理有相似之处，但性能差别很大。第一代永磁式水处理器主要利用磁场的洛伦兹力作用，使水中溶解的正、负离子相碰撞的概率增大，当正、负离子相遇，在其静电引力作用下，复合成“溶解状态的溶质分子”，即溶解度增大了。这样处理过的水，进入升温环境，随着溶质溶解度的下降，“溶解状态的溶质分子”在水中析出大量微小的结晶核，并不断长大成为颗粒状态的水垢。随着循环水流动，已失去与器壁吸附的能力，沉淀在设备的底部，通过定期排放污水即可清除水垢；第二代高压静电式水处理器原理与其相似，只是利用了静电场的库伦力作用，使水中溶解的正、负离子相碰撞的概率增大；第三代高频电磁场式水处理器，集以上两种水处理器的优点于一身，利用电场能和磁场能共存的特性，大大提高了正、负离子相碰撞的机会，防垢效果更有效、更充分，是当前国际上物理学水处理技术最新、最先进的研究成果。 1945年，比利时人T.Vermeiren的防垢磁水器取得了专利。1977年和1982年前苏联人维尹库斯发表了专著水的磁化处理的初版和增补版。以后的十年间，水的磁化处理以前苏联为中心，逐步扩大到欧美亚。如前苏联瓦依科夫工厂每年生产6.5万台“BIN”型内磁式磁化水装置，美国MGI公司的单极磁宝水处理器，日本制钢所（株）的“NSK”系列永磁除垢器，台湾台欧企业股份有限公司的“T-F”超磁能除垢装置，我国核工业部第二研究院研制的“FG”型组合式磁水器等，以上这些都是第一代产品。第二代代表性产品有，加拿大约克能源公司的“离子棒”（ION STICK），日本明电舍（株）的“静电式防垢装置”，我国南京格林水处理厂生产的“静电式防垢器”等。目前第三代产品国外均有生产，但所见资料不多。1.3 高频的基本原理高频及感应加热技术目前对金属材料加热效率最高、速度最快，且低耗环保。它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。它不但可以对工件整体加热，还能对工件局部的针对性加热；可实现工件的深层透热，也可只对其表面、表层集中加热；不但可对金属材料直接加热，也可对非金属材料进行间接式加热。等等。因此，感应加热技术必将在各行各业中应用越来越广泛。用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。20世纪30年代初，美国、苏联先后开始应用感应加热方法对零件进行表面淬火。随着工业的发展,感应加热热处理技术不断改进,应用范围也不断扩大。将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小, 这种现象称为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频 5类。1、超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。2、高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200300千赫,加热层深度为0.52毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。3、超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为2030千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布，粹火后使用性能较好。4、中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.510千赫,加热层深度为28毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火。5、工频感应加热热处理所用的电流频率为5060赫，加热层深度为1015毫米，可用于大型工件的表面淬火。2 总体设计原理2.1水垢生产的机理在下面三个条件同时存在时，则水中的溶质就必然在热交换设备的器件上析出结晶盐类水垢。1、水中溶解的溶质含有水垢成分：Ca，Mg，Fe等离子时。2、水中溶解的水垢成分以离子状态存在，由于离子电荷与金属器壁之间发生静电感应，在金属器壁上形成离子吸附层。3、在热量交换过程中，水温上升，水中溶质的溶解度下降，在加热区域会出现局部过饱和溶液，于是该区域金属壁上的吸附层，首先以结晶态析出，形成水垢。2.2 清除水垢方法根据磁场来源的不同，可以分为永磁场水处理技术，高频磁场水处理技术，低频高梯度磁场水处理和变频电磁场水处理技术。永磁场水处理技术主要是利用强磁性材料产生的几毫特斯拉倒几特斯拉的磁场进行水处理的一项技术，该技术最大的优点是不需要耗电，设备结构比较简单，加工制造比较容易；其缺点是磁场强度较小，除垢效果受水质的影响很大，并且会受到地球磁场的影响，并且磁场水处理设备的有效期只有半年左右，对于高硬度，大流量水系统的处理效果较差。高频电磁场水处理技术是在经典电阻发展起来的一种新型物理水处理技术。高频电磁场水处理设备一般由高频发生器和水处理器俩部分组成，其最大优点是利用高频电磁场中的电场能与磁场能可以共存这一特性，显著提高了正，负离子相互碰撞的几率。相相对与永磁场水处理设备而言，高频电磁场水处理设备更适用于高流量，高高硬度的循环水系统。低频高梯度磁场水处理技术是把铜线绕在螺旋线管上，并在螺旋管内放入导磁率很高的导磁刚毛，将线圈俩段接上低频电源，通过所产生的低频高梯度磁场进行水处理的方法。由于低频高梯度磁场水处理设备有占地面积小，操作简单，不产生二次污染等优点，因此在我国一些钢铁企业中得到了广泛的应用。变频电磁水处理技术是利用直流脉冲或交变磁场进行的一项新技术，及将变频技术应用于水垢处理过程，并通过微电脑进行自动变频，移频，扫频控制。该技术应用起来方便灵活，使用时将导线绕在热交换器的进水管上形成螺旋管，并将导线俩端接在变频磁场除垢仪的俩端，除垢仪输出的交变电流通过螺旋管，从而在进水管道呗产生交变的变频脉冲磁场，可实现杀菌，灭藻，除锈和防腐蚀等多重功能。2.3 设计原理FPGA是整个电路的控制端，可以进行频率，占空比等的控制。本毕设是数字对整个电路的控制。我做的是外围电路部分。下面对外围电路进行详细的讲解。图2.1 结构图如图 2.1 所示MAX038是信号发生器能，能产生0.1HZ到20MHZ的频率范围。X9313是数字电位器，它能精确调节输入信号电压大小，最小精度为0.05V。MAX038的输出为2V到-2V的正弦波。经功率放大器放大使其功率为100W，能满足除水垢的要求。3 高频信号发生器设计3.1 DXP软件介绍Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。Protel DXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。当前比较流行的Protel 98、Protel 99 SE，就是它的前期版本。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。与较早的版本Protel99相比，Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。3.2 设计指标信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形，输出信号频率在0.1Hz20MHz范围内可调，输出信号频率可分段调节：在0.1Hz1Hz范围内步步进间隔为0.11Hz，在1Hz10Hz范围内步进间隔为1Hz，在10Hz1KHz范围内步进间隔为10Hz；在1KHz20MHz范围内步进间隔为1KHz。输出信号频率值可通过输入信号设置；在100W负载条件下，输出信号波形无明显失真。3.3 方案论证与比较函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：方案一：用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。方案二：可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如8038等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300KHZ，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。方案三：利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了方案二中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。方案四：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。通过对以上四种方案的比较，我们可以看出几种方案的优缺点：方案一：结构很简单，制作容易，但是输出信号有频率线性度差、频率稳定度低、频率分辨率低、频率变换时间比较长，相位噪声大以及人机界面不友好等缺点。方案二：电路结构简单，但在频率分辨率、频率变换时间、相位噪声等方面都不如方案三。方案三：结构相对复杂，但具有输出频率稳定性高，频率输出线形度好、频率分辨度高、波形正确，频率变换时间小，相位噪声小、人机界面好、易于控制等优点、性能优良。方案四：能产生任意波形且达到很高的频率，但是成本较高。基于我们的选择标准在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。从上面的比较可以看出，方案一和方案二都有各自较大的缺点，难以达到理想的设计要求。而方案四虽然能达到很好的要求，但是从价格方面考虑我们还是选择方案三较好。3.4 MAX038芯片介绍3.4.1 MAX038简介MAX038是美国MAXIM（马克希姆）公司应市场的需求而研制的单片集成高频精密函数发生器，具有较高的频率特性、频率范围很宽、功能较全、单片集成化、外围电路简单、使用方便灵活等特点。内有主振荡器、波形变换电路、波形选择多路开关、2.5V基准电压源、相位检测器、同步脉冲输出及波形输出驱动电路等。其主要优点有：1、 能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波信号。2、 频率范围从0.1Hz20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V3、 占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是1090。4、 波形失真小，正弦波失真度小于0.75，占空比调节时非线性度低于2。5、 采用5V双电源供电，允许有5变化范围，电源电流为80mA，典型功耗400mW，工作温度范围为070。6、 低温度漂移：200 PPM。7、 低阻抗输出缓冲器：0.1；8、 内设2.5V电压基准，可利用该电压设定FADJ、DADJ的电压值，实现频率微调和占空比调节。3.4.2 芯片引脚图3.1 MAX038引脚图表3.1 MAX038引脚名称及功能引脚号名 称功 能1REF2.50 V带隙基准电压输出端2GND地3A0波形选择输入端，TTLCMOS兼容4A1波形选择输入端，TTLCMOS兼容5COSC外部电容连接端6GND地7DADJ占空比调整输入端8FADJ频率调整输入端9GND地10Iin用于频率控制的电流输入端11GND地12PDO相位检波器输出端。如果不用相位检波器则接地13PDI相位检波器基准时钟输入端。如果不用相位检波器则接地14SYNCTTLCMOS兼容的同步输出端，可由DGND至DV+间的电压作为基准15DGND数字地。让他开路使SYNC无效，或是SYNC不用16DV+数字+5 V电源。如果SYNC不用则让他开路17V+5 V电源18GND地19OUT正弦波、方波或三角波输出端20V-5 V电源3.4.3 MAX038 内部电路图MAX038内部还有正弦整形电路、比较器、复用器以及鉴相器电路，它们共同实现了正弦波、三角波、锯齿波、矩形波和脉冲波的生成。鉴相器是作为锁相环的备用单元，为异或门电路结构，输入信号一路来自内部差动矩形波OSCA和OSCB，另外一路来自外部引脚PDI。鉴相器的输出信号为电流，由PDO引脚输出平均值变化范围为。当两路输入信号的相位差为时，输出电流的占空比为50%，平均值为。如果构成锁相环路，则PDO和FADJ相连，并且对地连接一个电阻，同时并联一个电容。决定鉴相器的灵敏度，用于滤除电流中的高频成分。图3.2 内部电路图3.5 频率、幅值及占空比控制MAX038的核心部分是一个电流控制的振荡器，通过恒定电流对外部电容CF充电和放电，获得三角波、方波和正弦波信号输出。充放电电流由流进MAX038的IIN引脚的电流控制，由加在引脚DADJ、FADJ上的电压调整。电路的振荡频率为： （3.1）波形的占空比为： （3.2）当时，IIN可设为时，可设为，对应中心频率为350：1的变化；当时，调制频偏为70%。控制外部电容充、放电电流的比值，当时，波形的占空比为50%；当，占空比为10%90%。在FADJ和DADJ端口的内部，设置了的下拉电源流，可简化外部电路设计，仅用电阻（连接引脚FADJ和基准电压的可变电阻）和（连接引脚DADJ和基准电压的可变电阻）就可以对频偏和占空比进行调整。IIN引脚由内部的运放强制为虚地，故仅用电阻就能调整输入电流，实现中心频率的调节。的基准电压源主要用于提供电流和、电压，其温度系数典型值为20ppm/，负载电流小于。通过控制8选1模拟开关CD4051来选择的电容量，从而确定频率范围。本系统共有8个频段供切换，输出频率范围与的对应关系如下表3.2所示。MAX038内部有一个的基准电压源，由REF引脚输出。基准电压源由两个LF353及电阻电容组成，分别组成放大倍数为1和1的缓冲器，因而得到的基准电源。这个电压源对整机的性能很重要，因为各控制电路均需要该参考输入。在应用中，MAX038通常可以单独承担函数信号输出的功能，通过外部的电阻和电容的调节，完成特定频率和幅值的信号输出。表3.2 输出频率范围与的对应关系波段电容值频率范围120pF2MHz20MHz2100pF200kHz2MHz31000pF20kHz200KHz40.01F2KHz20KHz50.1F200Hz2KHz61F20Hz200Hz710F2Hz20Hz8100F0.1Hz2Hz3.6 芯片X9511介绍数字电位器在我国还是近几年出现的新型器件。该器件一出现，就以其调节准确方便，使用寿命长，受物理环境影响小，性能稳定等特点，而被广大电子工程技术人员所接受。但数字电位器本身能够承受的电流和电压有限，因而需要扩展。同时在实际应用中，数字电位器的阻值范围及分辨率也需要扩展。本文介绍的扩展方案适用于各种型号的数字电位器。数字电位器是可用数字信号控制电位器滑动端位置的新型器件。一般分按钮控制和串行信号控制两种。X9511就是XICOR公司生产的理想按键式数字电位器。它内含31个串联电阻阵列和 32个抽头。抽头位置由两个按键控制，并且可K的X9511Z和X9511W两种规格。X9511内部由计数器、存储器、译码器、模拟开关和电阻阵列等电路组成。其中计数器是 5位可逆计数器，可用于对控制信号PU（或PD）进行加（或减）计数，计数器的计数值可以在ASE的控制下储存在非易失性存储器中，数字电位器的数字经过32选1译码器译码后可用于控制模拟开关。32个模拟开关相当于电位器的 32个抽头。电阻阵列由采用集成电路工艺制作的31个串联在一起的电阻构成。电阻两端分别连接模拟开关的一端，而模拟开关的另一端连接在一起构成数字电位器的 滑动端 （VW）。译码器的输出端可控制模拟开关的通断，从而实现滑动抽头位置的变化。以被储存在一个时重新调用，并自动恢复抽头位置。9511X的计数器电路具有以下特点：1、输入端具有内部上拉电阻和消除开关抖动的抗扰电路，当输入脉冲宽度小于40时，计数器将其视为干扰信号而不进行计数。2、PU和PD引脚可直接连接一个按钮开关到地，当按钮按下时，在PU或PD端产生一个负脉冲，使计数器行加（按PD键）或减（按PD键）计数。3、能将计数值储存在非易失性存储器E2PROM中长期保存；的数据恢复到计数器中。4、计数器计数到最大值“31”时，PU按键失效，而计数到最小值“0”时，PD按键失效，从而避免循环计数，保证电位器调到最大位置时不会跳到零位，或从零位跳到最大位置。5、有慢速和快速计数选择。当输入负脉冲宽度小于250ms时为慢速计数方式，此时按一下按键计数器将执行加1（或减1）操作。当脉冲宽度大于250ms时，计数器为快速（连续）计数方式，此时在1秒钟以内，电路将以250ms的速率连续计数。若按键按下的时间大于1秒，计数器将以50ms的速率递增或递减，直到滑动端滑到最高或最低抽头位置。当按键一释放后，计数器立即停止计数，电路返回到等待状态。X9511的管脚功能见表3.3列，基本应用电路如图3.3示。图3.3用X9511组成的05V可调分压电路。图中，VH端接+5V，VL端接地，从VW端输出05V可调电压。按动开关看K1，输出电压增大，最大为5V。按动K2时，电压减小，最小为0V。按下按键K3后再释放即完成一次手动的滑动端位置储存，这样即可将当前的滑动端位置储存到E2PR0M中以作为滑动端下一次上电时的初位置。图3.3分压电路表3.3管脚及功能引脚号符号说明功能1PU控制端“加”计数输入端，用来增大滑动端的位置，用一个按键开关接地，输入一个逻辑低电平。2PD控制端“减” 计数输入端，用来减小滑动端的位置，用一个按键开关接地，输入一个逻辑低电平。3VH高端电位器的“高”固定端，可在PU信号下，使滑动端向该端移动4VSS地电源地5VW滑动端电位器的滑动端，可在PU或PD信号的控制下，使滑动端向电位器的高端或低端移动6VL地端电位器的“低”固定端，可在PD信号下，使滑动端向该端移动7ASE存储使能端该端接一个负脉冲或低电平，可把计数器的内容存储到E2PROM中8VCC电源工作电源端口3.7 正弦波发生器设计在MAX038中，波形的选择由A0和A1两个输入引脚的逻辑电平设定：当A0=0或1、A1=1时为正弦波；当A0=0、A1=0时输出矩形波；当A0=1、A1=0时输出三角波。在本设计中，利用软件编程实现FPGA对I/0口控制达到对A0、A1的控制，从而改变波形信号类型的输出。MAX038的输出频率f0由IIN引脚的电流，FADJ端电压和主振荡器COSC的外接对地电容量CF三者共同确定。当UFADJ=0时，输出频率由公式f0=IIN/CF给出。式中， f0是输出频率，单位MHz；IIN是管脚输入电流，单位A；CF是决定输出频率的串入电容值，单位pF。当UFADJ0V时，输出频率：f0=f（10.2915UFADJ） （3.3） 在本设计中，MAX038的频率控制电压由12位X9511提供，经Rin20k的电阻进入IIN引脚，电路连接设IIN输入端电压为Vin，串接电阻为Rin，则有公式：F0Vin/（RinCF） （3.4）式中，F0是输出频率，单位MHz；Vin是输入端电压，单位V；Rin是串接电阻，单位；CF是决定输出频率的串入电容值，单位pF。由Rin50k，我们设定Vin的范围0.55V，这样针对某一电容的选择就可确定输出频率范围，即频段。本设计中应用拨码开关选通不同的CF值，要想得到各个频率段内的频率，就可以拨动开关选择相配电容启动频段。为简化电路，各种波形的占空比固定为50，这已能满足多数场合的使用要求。为此将MAX038的脚7DADJ端接地。3.8 正弦波电路PCB和示波器波形根据以上对芯片等介绍，用DXP进行电路图连接，本设计实现双控制，既用FPGA控制还可以用按键开关进行控制，图3.4。由电路图经过手工绘制成PCB，如图3.5和3.6经过示波器仿真出来的波形如图3.7所示。（详细见附录C）图3.4电路图图3.5 顶层PCB图3.6 整体PCB下图是用示波器仿真的电路图图 3.7 示波器波形4 功率放大器设计4.1 常见功放种类按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）。甲类功放是指在信号的整个周期内（正弦波的正负两个半周），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器。甲类放大器工作时会产生高热，效率很低，但固有的优点是不存在交越失真。单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。甲乙类功放界于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此获得了极为广泛的应用。丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。按功放输出级放大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对信号正负两个半周的放大。单端放大机器只能采取甲类工作状态。推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。按功放中功放管的类型不同，可以分为胆机和石机。胆机是使用电子管的功放。石机是使用晶体管的功放。4.2 功放的输出功率放大器的输出特性有两种：一种是定阻式输出，另一种是定压式输出。4.2.1 定阻式输出变压器耦合的功率放大器为定阻式输出特性，在这种输出式电路中要求负载阻抗固定不变，在功率放大器输出级电路中的输出变压器一次侧和二次侧匝数确定后，扬声器的阻抗便不能改变。4.2.2 定压式输出所谓定压式输出是指负载阻抗大小在一定范围内变化时，功率放大器输出端的输出信号电压不随负载阻抗的变化而变化，但是负载所获得的功率将随负载阻抗不同而有所变化。OTL、OCL、BTL功放电路具有定压式输出特性。4.3 功率放大器的组成射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。 射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。除此之外，输出中的谐波分量还应该尽可能地小，以避免对其他频道产生干扰。4.4 功率放大器原理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360o，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180o；丙类放大器电流的流通角则小于180o。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 20000 Hz，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（5351605 kHz的频段范围）的频带宽度为 10 kHz，如中心频率取为 1000 kHz，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。4.5 功率放大器电流的特点对功放电路的了解或评价，主要从输出功率、效率和失真这三方面考虑。 1、为得到需要的输出功率，电路须选集电极功耗足够大的三极管，功放管的工作电流和集电极电压也较高。电路设计使用中首先要考虑怎样充分地发挥三极管功能而又不损坏三极管。由于电路中功放管工作状态常接近极限值，所以功放电流调整和使用时要小心，不宜超限使用。 2、从能耗方面考虑，功放输出的功率最终是由电源提供的，例如收音机中功放耗电要占整机的2/3，因此要十分注意提高电路效率，即输出功率与耗电功率的比值。 3、功放电路的输入信号已经几级放大，有足够强度，这会使功放管工作点大幅度移动，所以要求功放电路有较大的动态范围。功放管的工作点选择不当，输出会有严重失真。4.6 功率放大器术语4.6.1 工作范围工作范围是指功率放大器在规定的失真度和额定输出功率条件下的工作频带宽度，即功率放大器的最低工作频率至最高工作频率之间的范围，单位Hz（赫兹）。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。4.6.2 传输增益 指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用“dB”（分贝）来表示。功率放大器的输出增益随输入信号频率的变化而提升或衰减。这项指标是考核功率放大器品质优劣的最为重要的一项依据。该分贝值越小，说明功率放大器的频率响应曲线越平坦，失真越小，信号的还原度和再现能力越强。4.6.3 输出功率 功率放大器的功率指标严格来讲又有标称输出功率和最大瞬间输出功率之分。前者就是额定输出功率，它可以解释为谐波失真在标准范围内变化、能长时间安全工作时输出功率的最大值；后者是指功率放大器的“峰值”输出功率，它解释为功率放大器接受电信号输入时，在保证信号不受损坏的前提下瞬间所能承受的输出功率最大值。4.7 功放设计对功率放大器电路的要求主要是根据负载的需求，提供足够的输出功率。因此，功率放大器的电路输出电压和电流都应该有足够大的变化量。功率放大电路中三极管通常工作在大信号状态，使得管子特性曲线的非线性问题充分暴露出来。一般来说，功放电路的输出波形的非线性失真比之小信号放大电路要严重的多。在实际的功率放大电路中，根据负载的要求，尽量设法减小输出波形的非线性失真。4.7 功放电路及PCB功放电路是推挽式功放。一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。如图4.1经过DXP软件仿真后，手工绘制的PCB如图4.2。图 4.1 功放原理图图4.2 PCB图4.8 功放仿真功放仿真有的是DXP软件输入2V到-2V正弦波，输出60V到-60V正弦波，输入电流30mA放大到180mA，增益为60db。波形如图4.3。图 4.3 波形仿真图5 控制电路设计5.1 电路功能FPGA是现场可编程门阵列，编程下载到FPGA中进行对外围电路的控制，本设计是双控制，即可利用FPGA控制，也可以用外围的开关控制。对频率的控制，主要是控制电流，因为在上面已经介绍过电流的大小直接影响到频率的范围。X9511的输出是电压，精确控制可达到0.05V。电压经过电阻转换为电流。对幅值和占空比的控制，进过X9511输出的电压直接控制。软件可以直接控制X9511，已达到控制MAX038。5.2 HDL仿真用Quartus II 软件进行的仿真具体波形如图5.1图 5.1 仿真结果5.3 设计实现5.3.1 FPGA介绍 FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。一般来说，FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块与片内外组