超声波电机驱动控制器毕业设计

摘 要 超声波电机（USM）具有调频、调相、调幅三种驱动控制方式，驱动电路的设计很大程度上决定了电机的性能，国内目前现有的驱动系统大多控制方式单一且精度较低，达不到精确控制的要求，因此设计精度高、响应迅速、定位准确的超声波电机驱动系统，具有重要的现实意义。 本文分析了当前国内外相关超声波电机驱动技术，针对驱动系统的设计要求，研究开发了基于直接数字频率合成（DDS）技术的超声波电机驱动系统。在分析研究 DDS工作原理和基本结构的基础上，介绍了超声波电机驱动系统方案设计过程，完成了超声波电机驱动系统硬件设计。系统以单片机 AT89LS52 为控制器，两片 AD9854 产生两路相位、幅度、频率均连续可调的正余弦信号，采用 MAX274 设计八阶巴特沃斯带通滤波器去除信号噪声，两级放大电路实现 800 倍电压放大，其中第二级以高压运算放大器PA85 为核心，实现功率放大，光电编码器作为反馈装置实现系统闭环控制。在完成电路原理设计的基础之上，完成了印刷电路设计以及电路板调试工作。采用 KEIL C 编程语言完成了系统软件设计，实现了调频、调幅、调相、键控频移、二进制键控相移等多种信号调制方式，可以分别采用调频、调幅、调相方式对电机进行精确调速。系统调试与分析的结果表明，本文开发的系统满足课题设计要求。关键词：超声波电机 直接数字频率合成技术(DDS) 驱动与控制 AD9854 PA8Abstract Ultrasonic Motor(USM) has three control methods: frequency modulation, voltage modulation 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, which cant reach the precise control requirments. It is of great practical significance to design a high-performance, accurate, rapid response driving system. A diving system of USM based on 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 finished 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 photoelectric encoder as the feedback equipment. Secondly, the system software has been designed, which can realize several signal modulation mode such as FM, AM, PM, FSK, BPSK. Three ways of speed regulation are realized including frequency modulation, voltage modulation and phase difference modulation. It has been proved that the system meets the design specifications after the systems debug and analysis. The research presented in the thesis offers help to the current study of drive and control system.Keyword: Ultrasonic Motor(USM)，Direct Digital Frequency Synthesis(DDS)，Drive and Control，AD9854，PA81 绪 论11.1 超声波电机概述11.2 超声波电机驱动技术现状21.2.1 超声波电机控制方法21.2.2 驱动技术的发展21.3 驱动电路的设计要求52 驱动控制器总体方案设计52.1 系统总体方案简介52.2 DDS 技术工作原理及方案选择72.2.1 DDS 技术概述72.2.2 DDS 工作原理82.2.3 DDS器件的选择92.3 滤波电路方案选择102.3.1 滤波器的原理与分类102.3.2 滤波器件选择122.4 放大电路方案选择132.4.1 放大电路要求及电路初步设计142.4.2 高压集成运算放大器的选定152.4.3 前置放大器型号选择163 硬件电路设计与实现163.1 DDS 波形产生电路设计163.1.1 AT89LS52 外围电路设计163.1.2 AD9854 外围电路设计183.2 带通滤波电路设计223.3 功率放大电路设计253.4 系统电源电路设计294 软件设计与系统调试314.1 系统软件基本结构314.2 波形产生软件设计314.2.1 AD9854 的工作模式314.2.2 AD9854 的使用34致 谢37参考文献381 绪论1.1 超声波电机概述 超声波电机（Ultrasonic Motor，简称 USM）的基本结构及工作原理完全不同于传统的电磁电机，它不是以电磁作用传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动（频率20kHz），然后通过定、转子之间的接触和摩擦力将交变的振动转化成旋转运动或直线运动，实现从电能到机械能的能量转换1。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等2-4。可以说，超声波电机技术是当今世界极有发展前途的技术之一 。 目前 USM 产业化和实用化正在快速发展，在一定程度上开始取代某些小型电磁电机。国外在上世纪 90 年代开始进入超声波电机的实用化、商品化开发阶段。如日本已将超声波电机广泛用于照相机镜头的自动聚焦系统5；三星公司将微型超声波电机用于手机摄像头；美国JPL实验室研制的用于宇宙飞船船体检测的爬壁机器人驱动装置6；Akihiro 公司将其用于高档手表的振动报时；高档汽车中应更加广泛：座椅调整、方向盘位置调整、后视镜角度调整、以及应用于门窗、雨刮器、刹车传动装置等；此外办公设备、家电和 PC 机、平板振子输送纸机构、X-Y 绘图仪、直角坐标自动定位装置等也有所应用，体现了超声波电机广阔的应用前景7。日本在该领域的研究处于世界领先地位，几乎拥有大部分有关超声波电机的发明专利，并且个别种类的超声波电机已经实现产业化，在国民经济中发挥着重要作用8。我国在这方面的研究虽起步较晚（90 年代初），但也取得了一些突破性成果，如南京航空航天大学研究已经取得了原创性和先进性的成果，成功研制出十余种旋转型行波与驻波超声波电机，并且达到了小批量的产业化和商品化；清华大学已研制出直径1mm的弯曲旋转超声波电机；哈尔滨工业大学研制出的三维接触驱动式超声波电机、无轴承新型超声波电机、双定子单转子式超声波电机等。1.2 超声波电机驱动技术现状1.2.1 超声波电机控制方法根据超声波电机的运行机理，比较常用的控制方式如表1.1所示表 1.1 几种常用控制方法比较几种控制方法各自的优缺点决定了各自的应用场合:调频调速相应快，易于实现精确控制，对超声波电机最合适，但工作时谐振频率的漂移要求有自动跟踪频率电路;调相调速换向平滑，适用于需要频繁正反向换向的场合;调幅调速调节范围有限，电压过低压电元件会不起振，过高又会接近压电元件的工作极限，较高的电压对应用面也有限制，一般不太采用;脉宽调幅调速因为调节比较复杂一般也很少使用。1.2.2 驱动技术的发展超声波电机结构确定以后，其性能不仅取决于电机本身，在很大程度上取决于驱动控制系统设计的好坏。与普通电机不同的是：超声波电机属于容性负载，具有强烈的非线性特征，而且目前还没有没有适合于控制的数学模型9，这就决定了其驱动控制器的设计有别于普通电磁型电机感性负载的情况。因此，如何设计一个既满足性能要求又具有结构简单、实用、响应迅速、定位准确、精确度高等特点的 USM 的驱动控制系统，则是 USM 进一步小型化、产品化和实用化所首先需要解决的问题。下面对几种常见的驱动方案做一下简单介绍。（1）典型的超声波电机驱动系统 基本的驱动电路框图如图 1.1 所示，由高频信号发生器产生基准的方波信号，经移相器分成两路相位差 90的超声波电机所需频率的两相方波，再经过逆变升压电路，得到电机所需的驱动信号10。频率跟踪电路测得电机的电压信号来判断电机的是否工作在谐振频率点上，以此来调整高频信号发生器的输出信号。其中高频信号发生器经常采用的器件为LM 555、LM 565、4046等；逆变升压电路一般采用推挽式功放电路，用4个功率场效应管阵列，通过变压器耦合，与超声波电机的压电陶瓷组成谐振回路，如Panasonic公司、Shinsei 公司的马达都采用了场效应管阵列作为功放。图 1.1 典型的超声波电机驱动系统原理框图 目前这种方法使用比较广泛，只是因为变压器必须与不同型号的超声波电机匹配，通用性差，而且变压器的存在极大阻碍了电源装置的小型化，影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。当产品要求体积小、重量轻（如照相机、便携设备等）时，使用变压器的超声波电机驱动装置几乎是不可能的。 近年来，随着 FPGA/CPLD、单片机和 DSP 技术的发展，逐渐抛弃了使用分离元件搭建驱动电路的方法，将信号发生、分频移相以及控制电路等整合到大规模集成电路中，提高了信号的精度与稳定性，同时也使驱动系统小型化成为可能11。（2）基于直接数字频率合成技术（DDS）的驱动电路 传统的超声波电机驱动电路普遍存在体积大、性能单一等问题，难以利用计算机进行电机的控制特性研究。近年来发展起来的直接数字频率合成技术可以较好地解决上述问题。应用DDS技术搭建的驱动电路如图1.2所示，主要由 DDS 信号发生单元、信号功率放大单元构成。工作过程如下：控制器控制DDS信号发生单元产生两路独立的正弦信号，两路信号间的相位差可以在0360范围内任意调节；两路信号分别经低通滤波器、高压运放进行放大，用于驱动超声波电机。将直接数字频率合成器作为信号发生单元，可以方便地实现调频、调相和调压，使电机运转在最佳状态10。图 1.2 基于 DDS 技术的驱动电路（3）采用 LLCC 谐振技术的驱动电源 在绝大多数传统驱动方式中，两相电路的品质因数不同且随时间变化，这将引起电压增益的严重畸变，导致两相正弦输出电压不稳定。因此，超声波电动机的动态性能很差。为解决这个问题，国外学者提出了利用高阶逆变器改进传统电路的方法，通常的做法是采用四阶LLCC型逆变器。与传统的驱动电路相比，该逆变器仅在每相电路中多加了两个电抗元件。它包含了三阶LCC型和LLC型逆变器的优点，所以运用LLCC型两相高频电压逆变器驱动超声波电动机，将会使电动机的工作性能更加优良。通过四个电抗元件之间的参数调节，可以使该电路工作在谐振频率下，此时输出电压的幅值和相位便不会因为品质因数的波动而受到影响。图 1.3 传统驱动电路（A）与采用 LLCC 技术的驱动电路（B）的构成示意图1.3 驱动电路的设计要求根据超声波电机的结构特点和运动机理，对驱动电路的设计提出如下要求11：（1） 提供在超声频段内具有一定功率的两相正交的同频、等幅的正弦交流电压；（2）为满足定子共振条件并产生行波，要求具有变频功能和鉴相功能；（3）由于驱动电压值较高，电路应进行电器隔离式设计；（4）超声波电机具有容性负载特性，需要设计匹配电路，以实现功率匹配、滤 波和谐振升压的功能；（5）为保证超声波电机正常的运行，应在驱动电路中设计相关对频率、电压等 量的限制电路以及启动电路；（6）根据电机的运动机理和应用要求，选择调压、调频或调相中的一种方式或 混合方式进行调速和定位控制；（7）为了满足超声波电机输出性能的稳定性，需要对电机的驱动、振动、运转 等状态进行监测；（8）系统应具有正、反转控制功能，同时为了弥补相同条件下正反转速度不一 致的弊端，还应能实现正反转速度平衡控制；（9）由于超声波电机的非线性，难以建立其数学模型。为了实现超声波电机快 速、准确、稳定的控制，系统应选择合适的反馈信号和控制信号，并设计 相关的控制算法。2 驱动控制器总体方案设计2.1 系统总体方案简介超声波电机种类繁多，每种电机对于驱动的要求有很大不同。本课题研究的超声波电机类型为环形行波超声波电机，无特殊说明，下文提到的超声波电机均为此类型。在超声波电机驱动系统中，微控制器一般会选择信号处理速度快的DSP，但考虑到实际性能需要，微控制器主要作用是向DDS器件发送控制字，接收反馈信号，运行信号处理程序，以及和上位机通信，对于速度要求并不是很高，单片机即能满足要求，另外，使用单片机作为微控制器还有控制简单，开发周期短、成本低等优点，故在方案中选择单片机作为微控制器。 本系统设计最重要的部分是DDS信号产生电路，经过比较，我们最终选定 AD9854专用DDS芯片作为信号产生器件，系统其他部分电路设计围绕 AD9854 进行。在单片机选型中一个比较重要的问题，就是单片机同AD9854的电平匹配问题。AD9854采用3.3V 电源供电，为3.3V CMOS电平，而一般常用的51系列单片机都为5V供电，使用5V TTL电平，如果直接驱动AD9854，由于驱动电压过高，将会对AD9854造成不可恢复的损害，因此，在方案设计的时候，应选择3.3V供电，使用3.3V CMOS 电平的单片机。ATMEL 公司是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，其生产的 51 系列的单片机型号丰富，性能优良，占有极大的市场分额。在本设计中选用了ATMEL公司生产的 AT89LS52 单片机，它采用3.3V电源供电，3.3V CMOS 电平，可以同AD9854直接相连，不用再设计电平转换电路，降低了硬件电路的复杂度。超声波电机速度特性具有严重的非线性，目前还没有建立精确的数学模型，导致其速度控制成为一个难点，在实际应用中必须加反馈电路，形成闭环控制以实现精确的速度控制。反馈电路一般有两种方式：间接反馈和直接反馈。超声波电机提供了一个孤极反馈，利用压电材料的压电效应，输出与电机转速成一定线性关系的电压信号，可以用此来控制驱动电路的波形产生芯片，形成闭环驱动电路。因为是间接测量，输出电压与电机转速也不是严格的的线性关系，准确度得不到保证，不适用于高精度场合。直接反馈一般是在电机轴上安装测速装置，如光电编码器，直接测出电机转速信息反馈给单片机，测量精确，有成熟的信号处理电路。本方案选择光电编码器作为直接反馈组成反馈电路。综合以上几节内容，驱动电路最终方案的原理图如图 2.1 所示。以下比较详细的介绍系统主要部分的方案选定过程。图 2.1 驱动电路方案原理图2.2 DDS 技术工作原理及方案选择为了实现超声波电机精确的位置和速度控制，需要产生两路正弦波，并使其频率在35100KHz，振幅在0140V，相位差在-180180之间均能连续可调，还要保证信号的精确度和稳定度，直接数字频率合成技术（DDS）能够满足系统要求，故基于DDS技术设计了本方案。选取DDS芯片AD9854来产生两路正余弦电流信号，作为超声波电机的驱动信号，下面将对 DDS 的工作原理和系统的总体设计进行介绍。2.2.1 DDS 技术概述 DDS或DDFS是Direct Digital Frequency Synthesis的简称，这个概念在1971 年由J. Tierney 和C. M. Tader等人在“A Digital Frequency Synthesis”一文种首次提出的12，被视为继直接合成，锁相频率合成技术之后的第三代频率合成技术13，它突破了前两种频率合成方法的局限性，从“相位”的概念出发进行频率合成，这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。在这一技术出现的初期，限于当时的技术和微电子工艺水平，其性能指标尚不能与已有的技术相比，因而并没有得到足够的重视，随着近年来现代集成工艺水平的高速发展，特别是在80年代末经过深入研究认识了DDS杂散成因及分布规律后，对DDS的相位累加器进行了改进，对ROM里的波形数据进行了压缩，使用抖动注入技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进，使得DDS技术得到了飞速的发展。目前它广泛应用于传统上需要信号频率源的各个场合，例如在雷达领域的捷变频雷达、有源相控阵雷达、低截获概率雷达，通信领域内的跳频通信、扩频通信，电子对抗领域的干扰和反干扰，仪器仪表领域的各种合成信号，医学领域等方面14。目前，用DDS方法产生正弦波、方波、三角波信号以及其他复杂波形信号的技术逐渐得到重视，AD公司、Qualcomrn公司和Stanford公司一系列优良的 DDS器件不断出现。通过数控电路能对DDS输出波形的频率，相位，幅度进行精确的控制，而且正在向高速高精方向发展，现在最先进的DDS芯片的参考时钟频率已可达到1GHz以上，可以输出从直流到400MHz之间的任意频率的信号。2.2.2 DDS 工作原理DDS 基本原理是利用奈奎斯特采样定律，经过查表后把一系列的数字量信号通过DAC 转换成模拟量信号输出，其基本的原理结构图如图 2.2 所示。图 2.2 DDS 基本原理图 DDS 系统的核心是相位累加器，它由一个加法器与一个N 位相位寄存器构成，每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制字与相位寄存器输出的相位数据相加，再把相加后的结果送至相位寄存器的输入端，使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制字相加，这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是输出的信号频率。波形存储器是一个可编程只读存储器（PROM），存储的是以相位为地址的一个周期波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0360范围的一个相位点。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波形存储器进行寻址，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，输出频谱纯净的正弦波信号。2.2.3 DDS器件的选择 由绪论列举的几种驱动方案以及各自的优缺点，再根据我们系统提出的具体要求来选择方案，选择基于 DDS 技术的驱动方案作为我们的最终方案。DDS 技术的具体实现形式有很多，最简单的方案是E2PROM内存储一个周期的相位幅值信息作为波形存储器，微控制器（一般是单片机）访问E2PROM产生相应的波形，这种方案实现简单，成本较低，但因为单片机要不断访问 E2PROM，而单片机的频率本身不是很高，不适合产生高频信号，而且通常单片机同时要运行其他程序，接收和处理其他信号，所以也不能保证产生信号的稳定性，故这种方案性能比较差，在实际应用中比较罕见。比较常见的方案大致有两种，一是采用专用的DDS器件，二是采用通用的可编程逻辑器件如CPLD、FPGA 等。前者在硬件搭建上要比后者复杂，需要DSP或者单片机作为微控制器，而且要为DDS芯片和DSP或单片机设计很多外围电路，但其优点也很明显，这种方案一般是由微控制器直接发频率控制字K、相位控制字P和幅度控制字A给 DDS器件，不用考虑如何存储波形，如何实现相位累加器，如何访问波形存储器，如何产生系统时钟，如何减小相位噪声等复杂问题，因此在软件编程上前比后者要简单的多，可以采用汇编或者C语言编程，对于大多数熟悉这些编程语言的人而言，上手容易，开发周期短，而对于后者，可编程逻辑器件要同时作为微控制器和DDS器件，直接产生所需要的波形，采用软件编程（一般是VHDL 语言）组合与或非等基本门电路的方法实现特定的波形输出，所以必须考虑底层的硬件问题，对于没有此类经验的人来说，上手比较困难，开发周期比较长。此外专用DDS器件的生产厂商都是国际上著名的半导体厂商，其强大的制造工艺和数模混合电路设计能力能够保证输出波形的纯净，精度和对噪声的抑制，拥有优异的动态性能，从这个方面讲，采用专用的DDS器件更有优势。综合考虑以上各种因素，我们选择专用DDS芯片作为系统波形产生方法。目前国际上生产专用DDS芯片的半导体厂商主要有美国的ADI、Qualcomm、Sciteq、Standford、Harris及Synegy等公司以及法国Omerga 、Dassault公司等。Qualcomm 公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368 等，其中Q2368 始终频率为130MHz，分辨率0. 03Hz，杂散-76dBc，变频时间0.1s；Sciteq 公司推出的系列化DDS产品，其中的ADS - 431，时钟频率1. 6GHz，可正交输出，分辨率 1Hz，杂散- 45dBc，变频时间 30ns；ADI 公司推出的 DDS 系列，AD9850AD9854、AD9951AD9954、AD9858等输出覆盖01GHz范围，而且全部内置了D/ A转换器，称为Complete- DDS，是目前市场上应用广泛、性价比较高的DDS器件15，ADI 公司在中国有广泛的销售渠道，购买比较容易，考虑以上因素，再根据我们提出的具体要求，根据性能够用，注重成本的原则，我们最终选择ADI公司生产的AD9854作为DDS器件。2.3 滤波电路方案选择AD9854产生的信号直接由器件内部的正余弦DAC输出，内部不含滤波器，其输出信号含有大量的高频噪声，该噪声可以分为两类：一类为DAC数模转换所带来的阶梯波分量及其高次谐波；另一类为AD9854内部系统时钟及其高次谐波，故信号输出端口需外接滤波器抑制噪声干扰，要求滤波器的衰减特性要陡直，延迟时间要短。下面介绍滤波电路的方案设计。2.3.1 滤波器的原理与分类滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。按照不同的分类标准，滤波器有下列几种不同的分类。（1）按所处理的信号类型分为模拟滤波器和数字滤波器两种。（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；高通滤波器：允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；带通滤波器：允许一定频段信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声 ；带阻滤波器：抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过；图 2.3 低通、高通，带通、带阻滤波器衰减特性示意图（3） 按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。无源滤波器：仅由无源元件（R、L和C）组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感 L 较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。有源滤波器：所谓有源即含有放大器件之类的元器件，即由无源元件（一般为电容电阻）和有源器件（如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多阶级联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。（4）按传递函数分为巴特沃兹（Butterworth）滤波器，切比雪夫（Chebyshev）滤波器，椭圆函数滤波器，贝塞尔（Bessel）滤波器，高斯滤波器等巴特沃兹滤波器：滤波器阻带通带平坦，在幅度平坦前提下，带宽最宽，故又称最大平坦幅度滤波器。最大的优点是最易于设计，因为这种滤波器通带阻带内特性最为平坦，截止特性和相位特性都不错，对构成滤波器的器件要求也不严格，易于得到符合设计值的特性，故设计之初不知道哪种好时，一般选用巴特沃思。切比雪夫滤波器通带内有等波纹起伏，阻带平坦，又称通带等波纹滤波器。优点是截止特性特别好，缺点是相位特性和群延时特性不太好。在对衰减特性要求较高，且相位要求不严的情况下，可以选取切比雪夫滤波器。椭圆函数滤波器阻带通带都有波动，称为通带阻带等波纹滤波器。优点是截止特性比其他滤波器都好，可以产生比Butterworth、Chebyshev 或Bessel 滤波器更陡峭的截止，不过却在通带和止带入内容复杂的纹波，并造成高度的非线性相位响应，对器件要求严格。如果只对衰减特性有要求，可以选取椭圆函数滤波器。贝塞尔滤波器通带内延时特性最平坦，相位特性好，同广泛应用的 Buterworth 滤波器相比，具有最佳的线性响应，因而这种滤波器能够无失真的传送诸如方波、三角波等频谱很宽的信号，但其截止特性相当差。高斯滤波器通带内的相位是等波纹变化的，用于决定频谱分析仪带宽的滤波器中。高斯滤波器在特性上与贝塞尔滤波器非常相似，但高斯型滤波器的群延迟特性不如贝塞尔滤波器的群延迟特性平坦。贝塞尔滤波器在进入阻带区以后才开始迅速趋近于零值的，而高斯滤波器的延时特性曲线则是在通带内就开始缓慢变化，并且趋近于零值的速度较慢。此外，截止特性也不好。2.3.2 滤波器件选择 设计有源滤波器设计大致有三种方案，一是采用集成运放用经典的计算方法设计滤波器，二是采用专用滤波器，三是采用通用滤波器。第一种方法设计方便灵活，但电路元件较多，参数调节复杂，而且杂散电容会影响滤波器的性能16，设计时计算比较麻烦，一般采用查滤波器设计手册的办法进行设计，因为是采用分立元件的模拟电路，所以各个元件之间参数性能的一致性和对称性得不到保证，故电路的可靠性不高，对噪声的抑制效果也不好，所以不适用于高速高精的场合。专用滤波器是固定阶数，固定传递函数类型的滤波器，一般有 Butterworth 滤波器，Chebyshev 滤波器，椭圆函数滤波器，Bessel滤波器几种，阶数一般为四阶、六阶或八阶，有连续时间和开关电容两种类型，一般在程序控制下设置中心频率、品质因数、滤波器工作方式等参数，缺点是形式比较固定，在设计时有很多约束，器件选择方面也受限制。通用滤波器通常单片集成数个独立的二阶有源滤波器，通过外接电阻的方式组成 Butterworth、Chebyshev、椭圆函数、Bessel带通或低通滤波器，其中心频率、转折频率、Q 值、放大倍数等均可由外接电阻值加以确足，参数调整十分方便，通过简单的级联使单片滤波器芯片形成多阶滤波器，另外，一般还备有专用滤波器设计软件进行辅助设计和仿真，大大减小了设计的工作量。通用滤波器是单片集成结构，高频工作时基本不受杂散电容的影响；对电阻误差也不敏感17。基于以上分析，选用通用滤波器作为滤波器设计方案。 目前比较著名的通用滤波器生产厂商为MAXIM和Burr-Brown（TI 旗下公司），MAXIM公司滤波器芯片产品线丰富，频域覆盖从直流到300KHz，单片级联最高可达8阶，可供选择的范围很广，常用的型号为MAX274、MAX275。相对于MAXIM公司丰富的产品线而言，Burr-Brown 公司可供选择的范围比较窄，频率范围也比较有限，比较常见的型号为 UAF42 等，表 2.1 列举了这几种器件的主要参数。表 2.1 几种常见滤波器芯片主要参数比较三种滤波器芯片可以看出，在截止频率范围方面三者都能满足要求，MAX27和MAX275在宽带增益积和谐波失真方面要比UAF42明显高一个数量级，故在精确度方面要比UAF42表现优异。由MAX274辅助设计软件 274SOFT计算可知，当设计通带截止频率为45KHz100KHz，阻带最小衰减为20dB，通带最大衰减为3dB时，Butterworth 滤波器最少为6阶，按照三者阶数计算，MAX274 只需要1片，MAX275需要2片，UAF42则需要4片，如果选择MAX275和UAF42，无疑会增加硬件的复杂度，另外，由滤波器的基本知识可知，有源滤波器的阶数越高，滤波得到的信号噪声越小，而系统对噪声和精度的要求是越高越好，MAX274可以设计高达8阶的Butterworth滤波器，且MAX274在精确度方面丝毫不逊色于其他两者，故综合考虑以上因素，选择单片阶数最高、精度极高的MAX274作为电路的滤波器芯片。2.4 放大电路方案选择 AD9854 输出为单极性电流信号，经过带通滤波器滤掉了直流成分，变成了双极性信号，输出电流典型值为10mA，最大为20mA，通过一阻值为50欧的电阻转化为电压信号，信号幅度典型值为0.5V（峰峰值），输出电流和电压都不能满足系统对驱动信号的要求，需要采用放大电路对输出信号进行功率放大。根据电机驱动信号的性能要求及电路各部分间的关系可得到放大电路的功能要求：输入电压：00.5V 连续可调（峰峰值）输出电压：0400V 连续可调（峰峰值）频率要求：45KHz100KHz （正弦波） 其电压放大倍数为800。这个比率很大，故在设计时采用了两级放大电路，第一级放大20倍，使用运算放大器把电压升高到5V（峰值），第二级为功率放大电路，使输出电压和功率达到驱动电压的要求，下面介绍功率放大电路的方案设计。2.4.1 放大电路要求及电路初步设计 一般的功放电路输出功率能达到几十瓦，在功率方面能满足电机要求，但电路中一般采用的是集成运算放大器，其典型电源电压值为15V，最高可达几十伏，允许输出的电压值比电源值略低，而电机需要的驱动信号为电压峰峰值高达 400V 的高压信号，所以普通的功放电路在电压方面不能满足要求，通常的做法有两种，一是采用高电流输出运放（如 OPA541），在电路后面加变压器来升高电压12；一是在电路后面加额外的高压增益级来实现。前者因为变压器体积较大，对电路的电磁干扰也很大，导致电路输出信号出现噪声和失真。后者一般使用功率场效应管搭建分立电路实现，元件的一致性和对称性得不到保证，故电路的可靠性不高，提高增益与相位滞后会增加放大器的噪声并降低其偏置特性，从而危及电路的稳定性。另外，因为功率器件发热比较大，要考虑散热的问题，增加了电路的复杂度。 目前国外已出现比较成熟的专用高压集成运算放大器，而且应用已经比较广泛，其中尤以 APEX微电子技术公司的PA系列高压功率放大器最为著名。PA 系列高压功率放大器有很宽的电源电压范围（14V1200V），具有低漂移、低噪声特性，高转换率等特点。该类放大器内部采用共射共基放大输入电路结构，具有共模瞬态抑制功能和过压保护功能，这使得该类放大器具有高精度的特点。放大器具有很高的电源电压抑制比，可降低对高压稳压电路的要求。而且放大器集运算放大电路、功率放大电路、保护电路于一体，使电路集成度大大提高，减小了体积，提高了电路的可靠性18。在制造工艺方面，放大器内部混合集成电路结构采用氧化铍衬底厚膜电路、陶瓷电容和半导体芯片使其可靠性得到大大地提高。超声焊接的铝线使其内部连接非常可靠，在常温下，外壳封装使其得到很好的密封和电绝缘19。对比几种方案，考虑到电机对于驱动信号的精度要求较高，故选择 PA 系列高压集成运算放大器作为放大电路的核心。2.4.2 高压集成运算放大器的选定根据放大电路的性能要求可计算出所需放大器的参数：（1）最高输出电压：400Vp-p（2）频率要求：0100KHz（3）根据最高频率和最大电压波动范围计算所需转换速率 S.R.；表 2.2 PA85 的主要参数从上表可以看出PA85的最大输入失调电压为2mV，对于分辨率要求较高的超声波电机驱动电源来说，这个输入特性不能满足要求，在该电源的线性放大部分，采用高精度高速集成运放和PA85组成复合放大器，集成运放作为电路的前置放大器，由输入失调电压较小的前置放大器决定放大电路的输入失调电压以达到输入特性要求15。同时，前置放大器也能承担一部分信号放大任务，因为一般集成运放的输出电压不超过13V（峰值），故初步设计前置放大器输出电压为1 0V。电路原理图如图2.5所示。图 2.5 功率放大电路原理图2.4.3 前置放大器型号选择因为信号频率比较高，所以前置放大器不仅要求输入失调电压小，而且转换速度要能够达到信号放大要求。S . R. =2fV(110-6) =210000010(110-6) =6.28V /S根据计算结果，选择ADI公司的OP37作为前置放大器。其偏置电压最小为 10s，转换速度17 V /s，能够满足系统要求。为了使电路简单，器件容易购买，故第一级放大电路也选择OP37作为放大器件。3 硬件电路设计与实现3.1 DDS 波形产生电路设计 在这部分电路中，单片机是整个控制电路的核心，AD9854 的初始化和控制字写入、反馈信号采集、输出信号的控制等任务都是通过单片机来管理和协调的；而 AD9854 是电路重要组成部分，直接决定了两路正弦波的精确度和相关度，因此单片机和 AD9854的外围电路设计就显得非常的重要。3.1.1 AT89LS52 外围电路设计 AT89LS52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。当电源电压为3.3V时，输出为标准3.3V COMS 电平，与 AD9854完全匹配。因为AT89LS52的片上资源丰富，在本设计中不需要外扩程序存储器和数据存储器，所以将单片机的EA/VP管脚接高电平，让单片机运行片内程序存储器内的代码。选用11.0592MHz 晶振，通过电容补偿，单片机的机器周期能很好的保持为lus，便于程序的编写调试，电源则由三端稳压电源芯片 REG1117-3.3V供电，将5V输入电压稳压至 3.3V输出16。 AT89LS52 有在系统可编程功能（ISP），无需专用烧录器，不用频繁插拔单片机，方便简单。ISP 有并行和串行两种方式。并行方式电路比较复杂，需要占用很多资源，实际应用中不太常见。串行方式只需要使用P1.5P1.7、VCC、GND、RST 六个引脚，占用资源少，简单易用，应用广泛，技术较为成熟，而且有很多专门的通信软件实现在系统编程，故在设计时采用了串行在系统编程，图 3.1 中JP1就是单片机的ISP接口。 AT89LS52 的主要外围电路如图 3.1 所示，包括电源电路，复位电路、晶振电路和ISP 接口，构成一个单片机的最小系统。图 3.1 单片机系统电路 在图3.1中，网络标号D0D7是数据总线，连接到 AD9854相应的并行编程数据线上,A0AA5A、A0BA5B 分别是A片、B片 AD9854 的六位并行地址线，寻址AD9854内部40个寄存器。RESET、UD CLK、MODE、SHAPED、WR、RD 是两片 AD9854的控制线，分别连接到其相应的管脚，控制 AD9854 的初始化、模式切换、数据更新、读写数据等。在 UD CLK、WR 管脚分别接了一个发光二极管，目的是在数据更新和写入数据时能够有一个视觉体验，便于以后调试和实验。另外在单片机电源端也接了一个发光二极管作为电源指示灯使用。AT89LS52可以通过串口通信电路与PC机通信，通过PC机来设置系统输出信号各项参数，还可以读出单片机当前工作状态和信息。本系统中使用的是目前最常用的串行通讯总线接口RS-232C，一个完整的RS-232C接口共需22根线，采用标准的25芯接口，在串行异步通信中只需要9根即可，而最简便的连接方法只需要三根线，本设计即采用的三线异步通信的方法。 串行通讯也会出现电平匹配的问题，本系统中选用了能转换3.3V CMOS 电平和EIA/TIA-232-E电平的MAX3232作为232通信芯片，电路原理图如图3. 2所示22。图 3.2 串行通信电路3.1.2 AD9854 外围电路设计 AD9854 功能强大，其主要特点如下17： 输出频率高。工作频率最高300MHz，输出频率最高可达 120MHz； 提供了1个420倍可编程倍频器，最低使用15MHz外部时钟即可产生300MHz系统时钟，减小了电路设计难度，降低了器件成本24； 精度高。可知，当fc=300MHz时，信号频率精度可达 1.06610-6Hz，相位精度可达 0.022，幅值精度可达 0.12mV； 功能强大，具有FM、AM、PM、FSK、PSK、BPSK、CHIRP等信号调制功能； 信号更新速度快且相位连续。AD9854八位并行编程频率可达100MHz；要实现超声波电机精确的速度控制和位置控制，要求驱动电机的两路正弦波幅度、频率、相位差精度极为精确并且有严格的相关性，这就要求两片 AD9854 要有极高的同步性，在设计电路和PCB时必须预先认真考虑各种可能因素以保证输出波形能达到精确驱动的要求。要实现有效的同步，首先要保证两片AD9854芯片的REFCLK有最小的相位误差，因为REFCLK相位边沿的任何误差都会使输出信号上有一个相应的比例误差，故两片AD9854芯片工作于同一REFCLK下，AD9854有两种参考时钟输入形式：差分输入和单端输入。在合理布线的情况下，差分输入拥有比单端输入更好的噪声性能，这主要是因为共模抑制和有效转换速率的倍乘提高了参考时钟的特性37，电路中两片 AD9854 需要输出相位严格相关的两路正弦波，而相关性和参考时钟有很大关系，因此要求参考时钟质量高且相位噪声低。为了优化性能，AD9854的参考时钟信号采用差分形式，且REFCLK上升/下降时间不能低于1ns。本设计采用了Motorola公司的低压差分接收芯片MC100LVEL16。参考时钟电路如图3.3 所示18。由于时钟电路的性能关系到最后的信号精度，所以在布线时，应保证从晶振到时钟输入脚距离尽量短，时钟电路与其它数字电路尽量隔离。在整个采样电路下应大面积铺铜接地，以降低可能受到的电磁干扰，同时也可降低对其它电路的干扰。图 3.3 AD9854 参考时钟电路 对于REFCLK和两片AD9854布局也有一定的位置要求，通常按照图 3.4 所示的最优布局进行布局。图 3.4 REFCLK 和多片 DDS 推荐布局及错误布局示意图在AD9854工作过程中，UPDATE信号起着非常重要的作用12。从AT89LS52送来的数据先存储在I/O缓存中，在UPDATE信号的上升沿，数据才送入DDS核心。UPDATE信号可由用户通过第20引脚I/0 UD CLK 提供，也可由AD9854内部更新时钟器产生。用户提供更新时钟，易使编程与更新时钟同步，可以防止因数据建立和保持时间的原因而出现的编程信息传输错乱。更新时钟由内部产生时，其重复周期由用户编程设置。 本系统采用用户提供更新时钟的方式。将AT89LS52的P2.7引脚和I/0 UD CLK相连提供更新信号。I/0 UD CLK为双向频率更新信号线，由控制寄存器设定其输入输出方向，作为输入时，在时钟的上升沿将I/O缓存器数据传送到程序寄存器；作为输出时，如果输出8个系统时钟周期的脉冲（低到高），表明内部频率已经更新。本设计中将它设置为输入口，当完成对AD9854所有编程后，由P2.7引脚送出一个更新脉冲实现信号更新。UPDATE CLK 将数据从缓存器中传送到程序寄存器中，并使其生效，为了有效同步，两片AD9854外部UPDATE CLK 上升沿要同步，而且使用者必须控制参考时钟（REFCLK）和外部更新时钟（UPDATE CLK）的时序，使所有的 DDS 芯片工作于相同的系统时钟下，彼此之间不要发生偏离，另外，REFCLK和UPDATE CLK要有特定的时间关系。AD9854数据手册上有 REFCLK 差分输入时，旁路倍频器和不旁路倍频器情况下推荐的二者之间的时间关系，编程时参数的设置需要以此作为参考。 AD9854为单极性电流输出，共有四路输出I，OUT1 ， IOUTB ， IOUT2 和 IOUT2B，电流的最大输出幅值由管脚56（RSET）连接的电阻来决定，二者关系由公式31确定。RSET = 39.9/IOUT（3-1） 电阻的调节范围为8k（IOUT=5mA） 2K（IOUT=20mA），典型值为3. 9K，AD9854 的输出电流限制在10mA，此时AD9854有最好的SFDR性能16。WR/SCLK引脚在并行方式时，为AD9854写信号控制线，控制单片机写并行数据到AD9854内部的缓存器，当使用串行编程时提供串行时钟。RD/CS 引脚在并行方式时，为AD9854的读信号控制线，可控制单片机读取AD9854内部寄存器的数据，当使用串行编程时为片选功能，用作串口数据总线片选。FSK/BPSK/HOLD 引脚在不同模式下有不同功能。FSK 模式时，逻辑低选择频率寄存器1（F1），逻辑高选择频率寄存器2（F2）；BPSK 模式时，逻辑低选择相位1，逻辑高选择相位2；CHIRP 模式时，逻辑高时启动HOLD功能，使频率累加器暂停扫频，保持当前频率，逻辑低时，继续线性扫频。本设计中将此管脚与单片机P1.6 引脚相连。以上对AD9854的重要引脚的连接作了详细的介绍，除此之外，剩下的管脚分别为数字3.3V电源（DVDD）输入端，模拟3.3V电源（AVDD）输入端，数字地（DGND）接地端和模拟地（AGND）接地端。为了很好的隔离噪声，获得更好的输出信号性能，防止数字噪声耦合到模拟部分，必须对AD9854 模拟3. 3V 和数字 3. 3V 电源分别供电，必须分离数字地和模拟地。在本设计中，选用了两片REG1117-3.3V 三端稳压芯片为AD9854 分别提供数字3. 3V电源和模拟3. 3V电源，该芯片将5V系统输入电压转变为3. 3V，最大提供800mA 的电流满足AD9854 的要求。对数字地和模拟地也进行了分离，分别对应GND和AGND。通过以上分析，同时参考 AD9854 的数据手册上给出的评估板原理图，设计 AD9854的外围电路图。图 3.5 显示的是一路 AD9854 电路原理图。图 3.5 一路 AD9854 电路原理图3.2 带通滤波电路设计 MAX274 是连续时间有源滤波器，比开关型滤波器噪声低，动态特性好，并且不需要时钟，没有时钟噪声，由 4 个独立的二阶有源滤波单元组成，通过级联最多可构成一个8阶滤波器，每个滤波单元只需外接4个电阻即可实现 Butterworth、Bessel、Chebyshev和Elliptic带通或低通滤波器。当外接电阻有1%公差时可能产生2%的极点频率误差17。另外，MAXIM公司还提供了专用的滤波器设计软件进行辅助设计和仿真。 其主要特性参数如下： （1）最大工作频率为 10MHz； （2）中心频率范围是 100Hz150kHz； （3）中心频率的精度为1%； （4）中心频率的温度系数（FO /T）为-28ppm /； （5）工作电压为+ 5V 或5V。 MAX274 内部集成的四个二阶滤波单元内部结构是相同的，包含4个放大器、2个电容和5个电阻，通过改变外接4个电阻即可实现各种频率的带通或低通滤波器。其内部单元结构和外部接口图如图3.6 所示。图 3.6 MAX274 内部单元结构图 高阶滤彼器用滤波器的设计公式计算比较复杂，MAXIM 提供了滤波器设计专用软件MAX274 Software，可以完成阶数、极点、Q 的计算，仿真Gain和Phase 的响应曲线，并可以计算外接电阻的值，使得滤波器设计简单方便，可以节省大量时间，也避免了人为计算错误18。使用MAX274 Software设计滤波器具体步骤如下： 步骤 1 由滤波器的指标确定极点、Q 值和零点 这一步主要根据滤波器所需达到的性能指标，迅速算出经典的 Butterworth、Bessel、Chebyshev 和Elliptic滤波器的极点、阶数和Q值。启动软件，进入软件主界面，选择“Determine Poles/Qs/Zeros based on filter requirements”进入到图 3.7 所示的设计界面，首先选择所要设计的滤波器的类型（LOWPASS、HIGHPASS、BANDPASS、NOTCH）。对于带通滤波器，Amax 为通带内最大衰减，Amin为阻带内最小衰减，Fc 为通带中心频率，Fbw为通带带宽，Fsw为阻带带宽，Order 为滤波器阶数。分别输入滤波器的各项设计指标，完成初步设计。在这一步完成之后，可以浏览设计好的滤波器幅度及相位响应，保存设计进入第二步。图 3.7 由滤波器的指标确定极点、零点和 Q 值界面 步骤 2 针对 MAX274/5 完成滤波电路设计 这一步任务是计算出各外接电阻