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高效率宽频正弦电磁场发生器的研究

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标签: 正弦电磁场发生

产生正弦电磁场的研究在地球物理勘测、国防等领域占有重要的地位。正弦电磁场发生器是人工产生的电磁场场源,发射天线为电感线圈,要求发射电磁场的频率范围(0.1-100KHz)稳定性好(十万分之一),电感线圈电流大。目前高科技水平的研制正弦电磁场发生器先进技术被少数发达国家的知名公司所垄断。本文正弦电磁场发生器是基于DDS来产生稳定宽频的方波信号,通过放大器放大后进入串联谐振电路产生正弦电流,从而将正弦电磁场发射出去。

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的研究 学 生: 学 号: 指导教师: 专 业:电气工程与自动化 重庆大学电气工程学院 2009 年 6 月 Graduation Design(Thesis) of Chongqing University Broadband High-efficiency Generator Sinusoidal Electromagnetic Field Research Undergraduate: Supervisor: Major: Electrical Engineering and Automation College of Electrical Engineering Chongqing University June 2009 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 中文摘要 摘要 本篇论文介绍的是一种高效率宽频正弦电磁场发生器。 产生正弦电磁场的研究在地球物理勘测、国防等领域占有重要的地位。正弦 电磁场发生器是人工产生的电磁场场源,发射天线为电感线圈,要求发射电磁场 的频率范围(0.1-100KHz)稳定性好(十万分之一),电感线圈电流大。目前高科 技水平的研制正弦电磁场发生器先进技术被少数发达国家的知名公司所垄断。本 文正弦电磁场发生器是基于 DDS 来产生稳定宽频的方波信号,通过放大器放大后 进入串联谐振电路产生正弦电流,从而将正弦电磁场发射出去。 本文根据毕业设计任务的要求,应用电路原理、电子技术、电力电子技术、 频率合成技术对正弦电磁场发生器进行研究和设计,完成了高稳定信号产生和控 制,功率放大和计算机仿真,解决了发射频率稳定性,电感电流随频率变化而变 化的难题。 关键词:正弦电磁场,DDS,数字合成,串联谐振 I 重庆大学本科学生毕业设计(论文) ABSTRACT ABSTRACT This paper introduced a high-efficiency broadband sinusoidal electromagnetic field generator. Sinusoidal electromagnetic fields generated to study the geophysical survey, the areas of national defense played an important role. Sinusoidal electromagnetic field generator is a field of artificial electromagnetic fields generated by the source of transmission antennas for the inductor coil, requested the launch of the frequency range of electromagnetic field (0.1-100KHz) is stable (one hundred thousandth), large inductance coil current. The current level of development of high-tech generator sinusoidal electromagnetic fields of advanced technology developed by a handful of well-known company a monopoly. In this paper, sinusoidal electromagnetic field generator is based on the DDS to generate a stable square-wave broadband signal through the amplifier into the series resonant circuit have a sinusoidal current, which will launch out of sinusoidal electromagnetic fields. In this paper, the design tasks in accordance with the requirements of graduation, the application of circuit theory, electronics, power electronics, frequency synthesis generator of sinusoidal electromagnetic fields to conduct research and design, completed a high stability signal generator and control, power amplifier and computer simulation to solve the launch frequency stability, the inductor current changes with the frequency of problems. Key words: Sinusoidal Electromagnetic Fields, DDS, Digital Synthesis, Series Resonant II 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 目录 目录 中文摘要 ................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT .............................................................................................. Ⅱ 1 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................................................................................................ 2 2 正弦电磁场发生器基本工作原理......................................................... 3 2.1 种类...................................................................................................... 3 2.1.1RC 正弦波振荡电路 ............................................................................. 3 2.1.2LC 正弦波振荡电路 ............................................................................. 4 2.1.3 石英晶体正弦波振荡电路 .................................................................... 7 2.2 信号发生器新技术.................................................................................... 8 3 高效率宽频正弦电磁场发生器设计任务、设计方案 ...................... 12 3.1 方案选择 ............................................................................................. 12 3.2 原理方框图............................................................................................ 14 3.3 系统设计............................................................................................... 14 3.3.1 信号源............................................................................................ 14 3.3.2 功率放大器...................................................................................... 18 3.3.3 串联谐振电路................................................................................... 21 3.3.4 控制开关......................................................................................... 23 4 仿真研究 ............................................................................................... 25 4.1 仿真软件............................................................................................... 25 4.2 仿真结果............................................................................................... 25 4.2.1 半桥串联谐振电路及仿真 ................................................................... 25 4.2.2 全桥串联谐振电路及仿真 ................................................................... 31 4.3 仿真结论............................................................................................... 37 5 结论 ....................................................................................................... 38 5.1 实验说明............................................................................................... 38 5.1.1MOSFET ............................................................................................ 38 5.1.2 4 个频点......................................................................................... 38 5.1.3 死区............................................................................................... 38 III 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 目录 5.2 总结..................................................................................................... 39 参考文献 ................................................................................................... 40 IV 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 1 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 绪论 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 4500—5000V 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 V 生数量级达106 A 的脉冲开关电流。国内已研制出 达 4000—4800V 和 2000 DRM 10 —3000V 的 RSD。对于ф40mm 的 RSD,峰值电流可达 4 A,而 di/dt 可高达 103 A/μs。 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。 2 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: ① 则不可能振荡; ② 振荡,但输出波形明显失真; ③ 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: 频率为: 。它的振荡 3 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 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。 4 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 电路的导纳为: 正弦电磁场发生器基本工作原理 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。 5 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 ① 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。 ② 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 6 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 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 ③ 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。 7 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 晶体振荡器特点:在振荡频率上,闭合回路的相移为 2nπ。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102 量级开始,直到现在已可达到优于105 -106 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104 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。 8 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 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: ① 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); ② 频率切换速度快,可达 μs 量级; ③ 频率切换时相位连续; ④ 可以输出宽带正交信号; ⑤ 输出相位噪声低,对参考频率源的相位噪声有改善作用; ⑥ 可以产生任意波形; ⑦ 全数字化便于集成,体积小,重量轻。 9 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 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 0~ 360°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 l 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 fo 为参考时钟频率为 fc ,则 DDS 系统输出 信号的频率为 f o = K 2L fc 由奈奎斯特采样定理可知,DDS 输出的最大频率为 fo = fc 2 则可得频率控制字 K= fo 2l 。 fc 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 48 /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 10 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 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1µHZ),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。 11 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 12 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 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: ① 脉冲控制环 ② 数字环 ③ 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 1KHz~10KHz 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, 13 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 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 → 正弦电磁场 路 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: ① 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。 ② 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、 14 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 稳定度等指标,主要取决于测量的特性和要求。 ③ 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。 ④ 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 1μs。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: ⑴ 含有 300MHz 的内部时钟; ⑵ 具有集成化 12 位 D/A 输出; ⑶ 超高速、每秒抖动偏差仅有 3RMS; ⑷ 具有良好的动态性能:在 100MHz 输出时仍具有 80dB SFDR; ⑸ 内含 4~20 倍可编程参考时钟倍乘器; ⑹ 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; ⑺ 具有 12 位振幅调谐和可编程的 Shaped On/off Keying 功能; ⑻ 具有 FSK 和 PSK 数据接口; ⑼ HOLD 引脚具有线性或非线性 FM 线性调功能; ⑽ FSK 的线性频率在时钟发生模式下的总编差小于 25ps RMS; ⑾ 可自动进行双向频率扫描; ⑿ 可进行 sin(x)/x 校正; ⒀ 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; ⒁ 采用 3.3V 供电; ⒂ 具有多路低功耗性能; ⒃ 可采用单端或差分参考时钟输入; ⒄ 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 15 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 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 16 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 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 400μs,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。 17 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 3.3.2 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 β 倍,β 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 β 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 β 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: ① 具有很高的效率,通常能够达到 85%以上。 ② 体积小,可以比模拟的放大电路节省很大的空间。 ③ 无裂噪声接通。 ④ 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 18 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 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:① 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。② 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”。③ 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:① 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 5000-15000Ω,数值越大表示抗 干扰能力越强;② 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;③ 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 19 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 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 (535-1605KHz 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 20 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 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 ωL 或容 抗 1/ωC 为特性阻抗 ρ,特 性阻抗 ρ 与电阻 R 的比值为品质因数 Q,即 。 21 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 谐振时,电路的阻抗最小。当端口电压 U 一定时,电路的电流达到最大值(图 3-9),该值的大小仅与电阻的阻值有关,与电感和电容的值无关;谐振时电感电 压与电容电压有效值相等,相位相反。电抗电压为零,电阻电压等于总电压,电 感或电容电压是总电压的 Q 倍,即 RLC 串联电路的电流是电源频率的函数,即 在电路的 L、C 和信号源电压 US 不变的情况下,不同的 R 值得到不同的 Q 值。 对应不同 Q 值的电流幅频特性曲线如图 3-10(a)所示。为了研究电路参数对谐振 特性的影响,通常采用通用谐振曲线。对上式两边同除以 I0 作归一化处理,得到 通用频率特性与此对应的曲线称为通用谐振曲线。该曲线的形状只与 Q 值有关。 Q 值相同的任何 R、L、C 串联谐振电路只有一条曲线与之对应。图 3-10(b)绘 出了对应不同 Q 值的通用谐振曲线。 22 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 通用谐振曲线的形状越尖锐,表明电路的选频性能越好。定义通用谐振曲线 幅值下降至峰值的 0.707 倍时对应的频率为截止频率 fC。幅值大于峰值的 0.707 倍所对应的频率范围称为通带宽。理论推导可得: 由上式可知,通带宽与品质因数成反比。 3.3.4 控制开关 为了能够对电路的进行快速的开通和关断控制,且要求能通过较大的电流以 产生大功率的电磁场,电路采用功率 MOSFET 作为控制开关。 MOSFET 是英文 metal-oxide-semiconductor field effect transistor 的缩写,意即 “金属氧化物半导体场效应晶体管”。小信号 MOSFET 主要用于模拟电路的信号 放大和阻抗变换,但也可应用于开关或斩波。功率 MOSFET 除少数应用于音频功 率放大器,工作于线性范围,大多数用作开关和驱动器,工作于开关状态,耐压 从几十伏到上千伏,工作电流可达几安培到几十安培。功率 MOSFET 都是增强型 MOSFET,它具有优良的开关特性。 功率 MOSFET 可分成两类:P 沟道及 N 沟道。MOSFET 是由电压控制型器件, 输入栅极电压 VG 控制着漏极电流 ID,即一定条件下,漏极电流 ID 取决于栅极电压 VG。增强型功率 MOSFET 具有下述主要特点:输人阻抗极高,最高可达 1015Ω; 噪声低;没有少数载流子存储效应,因而作为开关时不会因存储效应而引起开关 时间的延迟,开关速度高;没有偏置残余电压,在作斩波器时可提高斩波电路的 性能;可用作双向开关电路;在 VGS=0 时,VDS=0,在导通时其导通电阻很小(目 前可做到几个毫欧).损耗小,是较理想的开关;由于损耗小,可在小尺寸封装时 输出较大的开关电流,而无需加散热片。 23 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 MOSFET 其驱动通常要求:触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度;②开 通时以低电阻力栅极电容充电,关断时为栅极提供低电阻放电回路,以提高功率 MOSFET 的开关速度;③为了使功率 MOSFET 可靠触发导通,触发脉冲电压应 高于管子的开启电压,为了防止误导通,在其截止时应提供负的栅源电压;④功 率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流,功率管极间电容越大, 所需电流越大,即带负载能力越大。 MOSFET 的开通时间是影响驱动信号振荡幅值的主要因素,呈反比例关系。 若适当增大器件的开通时间,即可在很大程度上减小振荡幅值,因此考虑在驱动 芯片与 MOSFET 栅极间加设缓冲电路,即人为串接驱动电阻,在 MOSFET 栅源极 间并联电容以延长栅极电容的充电时间,降低电压变化率。而 MOSFET 的关断时 间与开通时间存在着一定的矛盾,若单纯增大开通时间,必然也增大了关断时间, 而从减小死区时间角度,希望关断时间短一些,因此考虑调整 MOSFET 的开通和 关断时间,在驱动电阻上反并联快恢复二极管,改变 MOSFET 开通和关断的时间 常数,在开通时为减小 dv/dt 的应力,增加栅极的充电时间,而关断时间应短一些, 以使用较短的死区时间减小输出波形的谐波含量。 小结: 本节介绍了正弦电磁场发生器的几种方案,阐述了串联谐振电路产生正弦电 磁场的基本原理,以及对系统各个部分设计(信号源、串联谐振电路、驱动电路 等)。 24 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 仿真研究 4 仿真研究 4.1 仿真软件 Multisim 是加拿大图像交互技术公司(Interactive Image Technoligics 简称 IIT 公司)推出的以 Windows 为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设 计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰 富的仿真分析能力。 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图,并对电路行为进行仿 真。Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。 通过 Multisim 和虚拟仪器技术,PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从 理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 4.2 仿真结果 采用半桥和全桥对串联谐振电路进行仿真分析,分别取 4 个频点。 4.2.1 半桥串联谐振电路及仿真(上为电流波形,下为电压波形) 10KHz 电路图 25 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 10KHz 初始波形图 仿真研究 10KHz 稳定波形图 26 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 40KHz 电路图 40 KH z 初 始 波 形 图 40 KH 仿真研究 27 重庆大学本科学生毕业设计(论文) z 稳定波形图 50KHz 电路图 仿真研究 50KHz 初始波形图 50 KH z 稳 定 波 形 图 28 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 仿真研究 100KHz 电路图 29 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 100KHz 初始波形图 仿真研究 100KHz 稳定波形图 4.2.2 全桥串联谐振电路及仿真(上为电流波形,下为电压波形) 10KHz 电路图 30 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 仿真研究 10KHz 初始波形图 31 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 10KHz 稳定波形图 仿真研究 40KHz 电路图 40KHz 初始波形图 32 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 40KHz 稳定波形图 仿真研究 50KHz 电路图 33 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 50KHz 初始波形图 仿真研究 50KHz 稳定波形图 34 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 100KHz 电路图 仿真研究 100KHz 初始波形图 35 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 100KHz 稳定波形图 仿真研究 4.3 仿真结论 从半桥仿真波形图可以得出,10HKz 和 100KHz 达到稳定波形的时间相对于 40HKz 和 50KHz 要快;从全桥仿真波形图可以得出,频率越高,达到稳定波形的 时间越快。产生的正弦电磁场波形较好,没有出现明显的死区和波形畸变。 根据公式 计算品质因素,谐振时,电路的阻抗最小。当端口电压 U 一定时,电路的电 流达到最大值,该值的大小仅与电阻的阻值有关,与电感和电容的值无关;谐振 时电感电压与电容电压有效值相等,相位相反。电抗电压为零,电阻电压等于总 电压,电感或电容电压是总电压的 Q 倍,即 从仿真结果看,基本达到的波形质量要求,完成了设计任务。 36 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 仿真研究 37 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 结论 5 结论 5.1 实验说明 5.1.1 MOSFET 仿真软件中的功率 MOSFET 管往往是理想状态的,即没有考虑到寄生二极管 和寄生电容。下面是有关功率 MOSFET 寄生二极管和寄生电容的简单分析。 实际的功率 MOSFET 可用三个结电容,三个沟道电阻,和一个内部二极管及 一个理想 MOSFET 来等效。三个结电容均与结电压的大小有关,而门极的沟道电 阻一般很小,漏极和源极的两个沟道电阻之和即为 MOSFET 饱和时的通态电阻。 MOSFET 结构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力。通常用单次雪崩能力和 重复雪崩能力来表达。当反向 di/dt 很大时,二极管会承受一个速度非常快的脉冲 尖刺,它有可能进入雪崩区,一旦超越其雪崩能力就有可能将器件打坏。作为任 一种 PN 结二极管来说,仔细研究时其动态特性是相当复杂的。它们和我们一般理 解 PN 结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同。当电流迅速下降时,二极管 有一阶段失去反向阻断能力,即所谓反向恢复时间。PN 结要求迅速导通时,也会 有一段时间并不显示很低的电阻。在功率 MOSFET 中一旦二极管有正向注入,所 注入的少数载流子也会增加作为多子器件的 MOSFET 的复杂性。 5.1.2 4 个频点 关于仿真实验中的四个频点,由于仿真软件中没有 DDS,所以只能用假象信 号源代替。根据公式 选择仿真的频点,然后根据 f 反过来计算 LC 的值,然后进行选择。同时要考 虑品质因数 Q,和 LC 紧密相关。 5.1.3 死区 由于功率器件都存在一定的结电容,所以会造成器件导通关断的延迟现象。 一般在设计电路时已尽量降低该影响,比如尽量提高控制极驱动电压电流,设置 结电容释放回路等。为了使功率器件工作可靠,避免由于关断延迟效应造成上下 38 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 结论 桥臂直通,有必要设置死区时间,也就是上下桥臂同时关断时间。死区时间可有 效地避免延迟效应所造成的一个桥臂未完全关断,而另一桥臂又处于导通状态。 死区时间大,模块工作更加可靠,但会带来输出波形的失真及降低输出效率。死 区时间小,输出波形要好一些,只是会降低可靠性,一般为 us 级。由于仿真是理 想状态,故在试验中基本没有出现死区的情况。 5.2 总结 通过对产生正弦电磁场理论的基本了解,对产生正弦电磁场几种电路的学习, 设计完成了利用 MOSFET 进行半桥和全桥电路产生高频率正弦电磁场,并利用 Multisim 软件对设计电路进行仿真分析,基本完成了设计任务要求。 39 重庆大学本科学生毕业设计(论文) 参考文献 参考文献 [1] 孟庆宗.国内外电力电子器件发展现状.电力设备,2003 年 4 月,第四卷第二期. [2] (英)克罗帕(V.F.Kroupa).频率合成理论、设计和应用.北京:国防工业出版社,1979. [3] 林夕伟.基于 DDS 数控信号发生器.浙江:浙江教育学院学报, 2008 年 7 月第四期. [4] 俞集辉.电磁场原理.重庆: 重庆大学出版社, 2007. [5] 周守昌.电路原理.北京:高等教育出版社,1998. [6] 张立.现代电力电子技术基础.北京: 高等教育出版社,1999. [7] 程智宾.基于 AD9852 的正弦信号发生器设计与实现.福建:福建信息职业技术学院. [8] 金芳,张森,李忱. 基于 AD9852 的正弦信号发生器设计. 海军工程大学. [9] 刘芳.直接数字频率合成器 AD9852 及应用.国外电子元器件,2001 年第 3 期. [10] Analog Devices 公司的芯片 AD9850、AD9851、AD9852、AD9954 的芯片规格(英文 PDF 文档).来源 http://www.2lic.com 芯片资料搜索下载. [11] 功率放大器.来源 http://baike.baidu.com/view/70018.htm 资料搜索下载. 40
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