本科畢業(yè)論文--超聲水處理系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究

PAGE本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文課題名稱超聲水處理系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEII畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書I、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：超聲水處理系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究II、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容（從綜合運(yùn)用知識(shí)、研究方案的設(shè)計(jì)、研究方法和手段的運(yùn)用、應(yīng)用文獻(xiàn)資料、數(shù)據(jù)分析處理、圖紙質(zhì)量、技術(shù)或觀點(diǎn)創(chuàng)新等方面詳細(xì)說明）：本文從可行性的角度出發(fā)對(duì)超聲水處理系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)水質(zhì)檢測(cè)到污水處理，無線數(shù)據(jù)收集到依賴因特網(wǎng)信息發(fā)布的功能。課題可分解為流量監(jiān)測(cè)裝置、水質(zhì)檢測(cè)裝置、污水處理裝置、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)核心控制系統(tǒng)以及WEB服務(wù)器等子課題進(jìn)行研究和開發(fā)。本課題及其子課題需要涉及傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)、超聲流量檢測(cè)、大功率超聲換能器驅(qū)動(dòng)、嵌入式軟件開發(fā)等眾多技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)課題研究的側(cè)重性，本文將對(duì)大功率超聲換能器驅(qū)動(dòng)部分所涉及頻率合成、功率放大器、換能器調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，以及系統(tǒng)核心控制系統(tǒng)所涉及的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)展開重點(diǎn)研究。本設(shè)計(jì)中，多為模塊化的設(shè)計(jì)和對(duì)比，整個(gè)設(shè)計(jì)牽涉到了ATMEGA16單片機(jī)、CPLD、ARM9、DDS、MOS管驅(qū)動(dòng)芯片等多種集成IC。內(nèi)容涵蓋了數(shù)字電路、模擬電路、EDA技術(shù)、.NET編程以及單片機(jī)等多門課程，是對(duì)大學(xué)本科所學(xué)知識(shí)的總結(jié)和檢驗(yàn)。III、進(jìn)度安排：第1周：定題，查閱資料，分析重難點(diǎn)；第2周：整理規(guī)劃設(shè)計(jì)；第3～4周：學(xué)習(xí)嵌入式Linux相關(guān)知識(shí)，移植嵌入式Liunx和數(shù)據(jù)庫SQLite；第5周：學(xué)習(xí)并移植WindowsCE，進(jìn)行串口軟件開發(fā)；第6周：設(shè)計(jì)基于PLL的倍頻電路；第7周：編寫基于PLL的倍頻電路程序和相關(guān)實(shí)驗(yàn)；第8周：學(xué)習(xí)阻抗匹配的理論知識(shí)；第9周：設(shè)計(jì)匹配電路；第10周：設(shè)計(jì)基于DDS波形發(fā)生電路的；第11周：設(shè)計(jì)基于CPLD波形發(fā)生電路的；第12周：設(shè)計(jì)基于MOS驅(qū)動(dòng)芯片和脈沖變壓器的功率放大器電路；第13周：設(shè)計(jì)基于半橋驅(qū)動(dòng)芯片的功率放大器電路；第14周：整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建論文框架；第15～16周：總結(jié)并撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。IV、主要參考資料：[1].馮若，超聲手冊(cè)，南京大學(xué)出版社[2].鈴木雅臣，晶體管電路設(shè)計(jì)，科學(xué)出版社[3].MarkI.Montrose，電磁兼容和印刷電路板理論、設(shè)計(jì)和布線，人民郵電出版社出版社[4].郭建中，林書玉，郭勇亮，壓電換能器匹配電路的優(yōu)化[5].邱小平，WindowsCE6開發(fā)經(jīng)典，電子工業(yè)出版社指導(dǎo)教師：朱昌平，2010年6月9日學(xué)生姓名：李響，專業(yè)年級(jí)：06級(jí)電子信息工程系負(fù)責(zé)人審核意見（從選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、是否結(jié)合科研或工程實(shí)際、綜合訓(xùn)練程度、內(nèi)容難度及工作量等方面加以審核）：系負(fù)責(zé)人：，年月日

摘要本課題來源于國家自然科技基金項(xiàng)目：超聲、臭氧、紫外協(xié)同處理廢水的機(jī)理與參數(shù)優(yōu)化研究(批準(zhǔn)編號(hào)：10974044)和超聲水處理反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化及機(jī)理研究（批準(zhǔn)編號(hào)：10574038）。隨著世界范圍內(nèi)水污染現(xiàn)狀的日趨嚴(yán)重，超聲水處理技術(shù)作為一種無二次污染、極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦退幚砑夹g(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。本文以超聲水處理為最核心技術(shù)，基于作者所在課題組的前期工作，對(duì)超聲水處理系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并根據(jù)技術(shù)領(lǐng)域的不同將其分解若干子題目。 論文實(shí)現(xiàn)用于超聲水處理的功率源，要求輸出電功率最大可達(dá)100W且可調(diào)，頻率可調(diào)范圍為200kHz～500kHz，頻率可調(diào)步進(jìn)為當(dāng)前工作頻率的1%。本文通過多種設(shè)計(jì)方案的理論分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，最終確定了采用CPLD的波形產(chǎn)生電路和半橋驅(qū)動(dòng)芯片組成的D類功放為設(shè)計(jì)方案。論文還設(shè)計(jì)了易于實(shí)現(xiàn)的調(diào)諧匹配電路，以提高功放驅(qū)動(dòng)壓電超聲換能器的效率。論文兼顧作者所在畢業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)涉足較少的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了學(xué)習(xí)，通過多種方案論證研究，確定采用WindowsCE作為課題核心控制部分的平臺(tái)，并完成了該操作系統(tǒng)的移植。論文由八章組成。第一章闡述了課題研究方向的重要性，第二章介紹了課題的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)，提出了課題關(guān)鍵技術(shù)，第三章、第四章分別設(shè)計(jì)了多種超聲功率源的信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器電路，并通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出各自的特點(diǎn)。第五章介紹了超聲換能器的調(diào)諧匹配設(shè)計(jì)。第六章針對(duì)印刷電路板中的干擾問題，用電磁兼容(EMC)理論分析了導(dǎo)致不穩(wěn)定的原因，并在實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)了干擾的處理方法。第七章選用并移植了嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE。第八章，總結(jié)了設(shè)計(jì)過程中的心得體會(huì)，并對(duì)系統(tǒng)的功能拓展進(jìn)行了展望?！娟P(guān)鍵詞】超聲水處理D類功放阻抗匹配電磁兼容性嵌入式操作系統(tǒng)

ABSTRACTThesubjectissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina,Ultrasonicreactorforwatertreatment,mechanismofparameteroptimization(ApprovedID:10974044)andUltrasonicreactorforwatertreatmentandmechanismofparameteroptimization(ApprovedID:10574038).Withtheworldwidewaterpollutionbecomingmoreandmoreserious,asapotentialnewtechnology,thetechnologyofwatertreatmentbyultrasonicarousedextensiveattentionbecauseofitsnosecondarypollution.Thepaperwhichusedultrasonictreatmentasthecoretechnology,hasplanedanddesignedtheultrasonicwatertreatmentsystem,someresearchofwhicharebasedonauthor’sandotherspreviouswork.Thesystemhasbeendividedintosomesub-projectsinaccordancewithdifferenttechnologyfields.Ultrasonicpowersourcehasbeendesignedandcanoutputthemostoutputpowerof100Wandadjustable,thefrequency200~500kHz,thefrequencycanadjuststepatabout1%oftheworkingfrequency.Throughcomparingdifferenttheoryanalysisandexperiments,classDpoweramplifierwhichmadeupofthesignalcircuitgeneratedbyCPLDandhalf-bridgedriverICisfinallyconfirmed.Theeasyfeasibletuningmatchingcircuithasbeendesignedtoimprovepiezoelectrictransducerefficiency.Theauthorlearnstheembeddedsystemwhichfewmembersofteamsetfootinit.Byvariousschemedemonstrated,WindowsCEhasbeentransplantedsuccessfullyasthecorecontrolpartoftheplatformissue.Thereareeightchaptersinthepaper.Thefirstchapterdescribestheimportanceofsubjectresearchdirection;thesecondchapterintroducesthesubjectgeneralplanningandputsforwardsomekeytechnology.ChapterIII,IVdesignvarioussignalgeneratedcircuitsofultrasonicpowersourceandpoweramplifiedcircuitsrespectivelyandsummarizetheirowncharacteristicsbyexperiments.ChapterVintroducesthetuningmatchdesignofultrasonictransducer.ChapterVIanalyzestheproblemaboutprintedcircuitboardintheinterferencebyEMC(electromagneticcompatibility)theoryandsummarizesmethodsofinterferencetreatmentbasedonpractice.ChapterVIItransplantstheembeddedsystemWindowsCE.ChapterVIIIsummarizestheexperienceduringthedesigningprocessandputsforwardtheextensiontothesystem.【Keywords】Ultrasonicwastewatertreatment;ClassDpoweramplifier;Impedancematching;EMC;EmbeddedSystem

目錄TOC\o"2-3"\h\z\u\t"標(biāo)題1,1"第一章緒論 -1-第一節(jié)國內(nèi)水污染狀況及治理 -1-第二節(jié)課題簡介 -2-一、課題來源與背景 -2-二、課題的主要工作 -3-第二章超聲水處理系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì) -4-第一節(jié)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃 -4-第二節(jié)課題子題目分解 -5-一、流量測(cè)量裝置設(shè)計(jì) -5-二、無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì) -6-三、污水處理裝置設(shè)計(jì) -6-四、控制中心設(shè)計(jì) -7-五、控制室其他電子設(shè)備設(shè)計(jì) -8-第三節(jié)關(guān)鍵及核心技術(shù) -8-第三章超聲功率源波形發(fā)生器設(shè)計(jì) -10-第一節(jié)波形參數(shù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn) -10-第二節(jié)單片機(jī)及倍頻電路設(shè)計(jì)方案 -10-一、鎖相環(huán)原理及倍頻電路分析 -12-二、基于鎖相環(huán)74HC4046倍頻電路硬件設(shè)計(jì) -14-三、基于鎖相環(huán)74HC4046倍頻電路軟件設(shè)計(jì) -16-第三節(jié)單片機(jī)及DDS設(shè)計(jì)方案 -17-一、 DDS原理 -17-二、基于AD9850電路硬件設(shè)計(jì) -18-三、基于AD9850電路軟件設(shè)計(jì) -20-第四節(jié)CPLD設(shè)計(jì)方案 -23-一、CPLD選型 -23-二、基于EPM570的硬件設(shè)計(jì) -24-三、基于EPM570的軟件設(shè)計(jì) -25-第五節(jié)設(shè)計(jì)方案對(duì)比 -28-第四章功率放大器設(shè)計(jì) -29-第一節(jié)功率和頻率需求 -29-第二節(jié)各類功放特點(diǎn) -29-第三節(jié)D類功放設(shè)計(jì)方案 -31-一、MOS驅(qū)動(dòng)芯片及脈沖變壓器設(shè)計(jì)方案 -33-二、半橋驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)方案 -35-三、設(shè)計(jì)方案對(duì)比 -41-第五章超聲換能器調(diào)諧匹配設(shè)計(jì) -43-第一節(jié)超聲換能器結(jié)構(gòu)分析 -43-第二節(jié)阻抗匹配理論分析 -44-第三節(jié)匹配電路設(shè)計(jì) -46-第六章電路板抗干擾設(shè)計(jì) -48-第一節(jié)電磁兼容基本原理 -48-第二節(jié)元件工作特性分析 -49-一、電阻 -49-二、電容 -50-三、電感 -50-四、變壓器 -51-第三節(jié)提高PCB電磁兼容能力 -52-一、抑制噪聲源 -52-二、消除傳輸路徑 -53-三、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 -54-第七章系統(tǒng)核心控制部分設(shè)計(jì) -55-第一節(jié)操作系統(tǒng)的選取和移植 -55-一、主流的嵌入式操作系統(tǒng)介紹和選取 -55-二、移植WindowsCE -58-第二節(jié)嵌入式數(shù)據(jù)庫的選取 -59-第八章總結(jié)與展望 -61-參考文獻(xiàn) -63-致謝 -66-附錄 -67-一、英文原文 -67-二、英文翻譯 -71-三、采用DDS方案的整機(jī)設(shè)計(jì)原理圖和PCB -75-四、采用DDS方案的整機(jī)PCB板和效果圖 -76-五、鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)K -77-六、H橋驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K -78-七、攻讀學(xué)士學(xué)位期間主要工作與成果 -7979-第一章緒論第一節(jié)國內(nèi)水污染狀況及治理多年以來，水資源不足、水污染以及洪水災(zāi)害制約了中國很多地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，影響了公眾健康和福利。華北已經(jīng)是水稀缺地區(qū)，而整個(gè)中國也很快會(huì)成為世界上水資源緊缺的國家之一。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長的持續(xù)，以及快速的工業(yè)化和城市化使中國水資源承受的壓力進(jìn)一步加大。用水需求與有限供給之間差距擴(kuò)大，以及大面積的污染造成的水質(zhì)惡化，有可能會(huì)在中國引發(fā)一場(chǎng)嚴(yán)重的缺水危機(jī)。中國領(lǐng)導(dǎo)人已經(jīng)意識(shí)到水資源問題的嚴(yán)峻性，正在致力把中國建設(shè)為一個(gè)節(jié)水型社會(huì)。“十一五”規(guī)劃(2006～2010年)確定了水資源管理的一系列政策目標(biāo)和重點(diǎn)，如采用更加統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理體制，從供給管理向需求管理轉(zhuǎn)變，將流域管理與區(qū)域管理相結(jié)，初步建立水權(quán)交易制度等。在過去三十年里，盡管中國為控制污染作出了很大努力，但水污染依然日益加劇，從沿海向內(nèi)陸地區(qū)、從地表水向地下水蔓延。2006年，中國污水排放總量上升到了537億噸。從2000年開始，生活污水排放超過工業(yè)污水排放，成為最大的污染源。水污染事件也構(gòu)成嚴(yán)重威脅。頻繁發(fā)生的水污染事件加大了對(duì)本已相當(dāng)脆弱的水環(huán)境的壓力，導(dǎo)致下游地區(qū)數(shù)百萬人口飲用水受污染，嚴(yán)重威脅公眾身體健康和生活質(zhì)量。由于長期持續(xù)的污染，中國大多數(shù)水體的水質(zhì)普遍惡化。2004年，在745個(gè)監(jiān)控河段中，28％的水質(zhì)屬于劣五類(即用于任何目的都不安全)，32％屬于四類和五類(只可用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉)；在監(jiān)控的27個(gè)主要湖泊和水庫中，48％的水質(zhì)屬于劣五類，23％屬于四類和五類，只有29％達(dá)到二類和三類標(biāo)準(zhǔn)(經(jīng)處理后可供人類使用)。根據(jù)世界銀行的一份研究報(bào)告，水危機(jī)導(dǎo)致的損失已經(jīng)占到中國GDP的約2．3％。隨著工業(yè)的發(fā)展，大量含有毒有害的、難降解的有機(jī)廢水被直接排放到自然界中，造成了江河湖泊的嚴(yán)重污染。與此同時(shí)，包括江蘇太湖、安徽巢湖和云南滇池在內(nèi)的國內(nèi)三大湖泊也正飽受藍(lán)藻泛濫的威脅。因此尋找一種高效率、低成本、無二次污染的廢水處理技術(shù)已迫在眉睫[1]。超聲學(xué)作為聲學(xué)中最活躍、滲透性最強(qiáng)的一個(gè)分支，近年來隨著電子技術(shù)和超聲工程材料的發(fā)展，在國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)、人民生活以及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。利用功率超聲輻照溶液時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)對(duì)水體中的污染物進(jìn)行處理研究始于20世紀(jì)90年代初。本世紀(jì)以來，隨著水環(huán)境的惡化和水資源的緊張，國內(nèi)外越來越多的專家學(xué)者參與到這項(xiàng)新技術(shù)的研究工作中[2-5]。第二節(jié)課題簡介一、課題來源與背景本課題來源于國家自然科技基金項(xiàng)目：超聲、臭氧、紫外協(xié)同處理廢水的機(jī)理與參數(shù)優(yōu)化研究(批準(zhǔn)編號(hào)：10974044)和超聲水處理反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化及機(jī)理研究（批準(zhǔn)編號(hào)：10574038）課題“超聲、臭氧、紫外協(xié)同處理廢水的機(jī)理與參數(shù)優(yōu)化研究”從超聲、臭氧、紫外協(xié)同處理廢水的機(jī)理研究入手，其核心是空化效應(yīng)的增強(qiáng)機(jī)理和液體中的氧化降解的化學(xué)機(jī)理研究。在液體中輻照功率超聲的同時(shí)，通入具有強(qiáng)氧化性的臭氧氣體，并加入紫外光催化氧化，不僅僅能大大增強(qiáng)液體的空化效應(yīng)，而且能提高氧化能力和反應(yīng)速率，是聲化學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)新的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。該方法是一項(xiàng)快捷、無二次污染和富有發(fā)展前景的新型水處理技術(shù)，對(duì)緩解日益嚴(yán)重的水污染現(xiàn)狀具有十分重要的意義。課題“超聲水處理反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化及機(jī)理研究”要求研制大容量高效聲化學(xué)反應(yīng)器，并選取多種難以降解的有機(jī)污染物溶液和有機(jī)廢水，改變各種試驗(yàn)條件（頻率、功率、占空比、波形、聲強(qiáng)、時(shí)間、聚焦、PH值、溶解氣體）進(jìn)行平行對(duì)比試驗(yàn)，在改進(jìn)聲化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)的同時(shí)，研究各種聲化學(xué)反應(yīng)器的超聲降解有機(jī)物或超聲水處理的基本規(guī)律，揭示功率超聲的空化產(chǎn)額與聲參數(shù)之間的基本關(guān)系。與傳統(tǒng)水處理技術(shù)中的化學(xué)法、生物法、生物化學(xué)法、活性炭吸附法等不同，超聲水處理技術(shù)是一項(xiàng)集高級(jí)氧化、熱解、超臨界氧化為一體的、以物理處理為主的新型水處理技術(shù)。它最大的優(yōu)點(diǎn)是在處理廢水的過程中操作簡單、降解速度快、不產(chǎn)生二次污染，對(duì)水體中的其他生物影響比較小。但長期以來，該項(xiàng)技術(shù)始終停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，而無法在實(shí)際廢水處理中發(fā)揮效用，究其原因，主要有以下三個(gè)方面：一是利用超聲空化效應(yīng)降解有機(jī)廢水或處理藍(lán)藻的機(jī)理還有待進(jìn)一步探究；二是缺少高效的聲化學(xué)反應(yīng)器和功率驅(qū)動(dòng)器，使超聲能量在水處理過程中得到有效發(fā)揮；三是缺乏超聲污水系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)，使它無法進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段以探究其利弊。在作者所處實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)多人多年來探索的基礎(chǔ)上，以上三方面穩(wěn)定均得到一定程度的解決，本課題將在此基礎(chǔ)上對(duì)超聲污水處理系統(tǒng)進(jìn)行整體的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并圍繞該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步地探索。二、課題的主要工作在本人的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段主要完成本課題的以下工作：1、了解化學(xué)、生物、生化、物理法處理廢水的原理。2、了解目前工業(yè)廢水處理廠的結(jié)構(gòu)。3、設(shè)計(jì)一個(gè)整套的污水處理系統(tǒng)。4、將污水處理系統(tǒng)分解為若干功能塊。5、分解提煉出污水處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，并加以分析和設(shè)計(jì)。6、了解各類頻率合成技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，設(shè)計(jì)出符合課題要求的信號(hào)源。7、掌握大功率D類功放原理，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，設(shè)計(jì)出最適合課題要求的功放。8、掌握阻抗匹配的原理，并設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所需的匹配網(wǎng)絡(luò)。9、了解基本的電磁兼容性設(shè)計(jì)，總結(jié)提高印刷電路板穩(wěn)定性的方法。10、了解嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫，經(jīng)對(duì)比選擇適合本課題的嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。

第二章超聲水處理系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)第一節(jié)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃圖2.1是超聲污水處理系統(tǒng)的總攬圖。圖2.SEQ圖1.\*ARABIC1超聲污水處理系統(tǒng)的總攬圖左上角的工廠為污水源，為避免工廠任意排污，本系統(tǒng)在向工廠供水處和工廠排污處設(shè)置了兩個(gè)流量監(jiān)測(cè)裝置，處于工廠排污處的設(shè)備還帶有污水中污染物含量檢測(cè)功能。每個(gè)污水處理池中均有超聲、臭氧聯(lián)合處理裝置，還有水質(zhì)檢測(cè)裝置。借助于無線節(jié)點(diǎn)，污水處理裝置可通過控制室內(nèi)的控制中心進(jìn)行控制，水質(zhì)信息也即時(shí)地傳到控制中心來?？刂剖覂?nèi)的服務(wù)器將來上述的控制信息、水質(zhì)信息，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器上儲(chǔ)存，遠(yuǎn)程終端同樣可以通過因特網(wǎng)訪問控制室的服務(wù)器?？刂剖以O(shè)置了基于RFID的門禁系統(tǒng)，控制室內(nèi)有語音報(bào)警和大型LED屏，以提醒操作人員關(guān)鍵的信息。第二節(jié)課題子題目分解本系統(tǒng)所包含的內(nèi)容很多，涉及的技術(shù)領(lǐng)域也很廣。本實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)采用分組開發(fā)和設(shè)計(jì)的方式，根據(jù)涉及內(nèi)容和技術(shù)領(lǐng)域，分為如下五個(gè)子課題。一、流量測(cè)量裝置設(shè)計(jì)本課題需設(shè)計(jì)的是基于超聲方法的流量計(jì)，采用超聲的方法制作的流量計(jì)應(yīng)具有非接觸式測(cè)量；為無流動(dòng)阻撓測(cè)量的特點(diǎn)。超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣,因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件,均屬無阻礙流量計(jì),是適于解決流量測(cè)量困難問題的一類流量計(jì),特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn),近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法(直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。基于不用的原理所設(shè)計(jì)的流量計(jì)一般有如下用途：(1)傳播時(shí)間法應(yīng)用于清潔、單相液體和氣體。典型應(yīng)用有工廠排放液、液化天然氣等；(2)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,如未處理污水、工廠排放液、臟流程液，通常不適用于非常清潔的液體[6-7]。如圖2.1中A點(diǎn)所示，流量測(cè)量裝置用于計(jì)量用水、污水排放流量和總量，為污水處理中心的控制操作提供相應(yīng)參數(shù)。根據(jù)流量監(jiān)測(cè)裝置的原理和結(jié)構(gòu)，將此部分分為發(fā)射裝置、接收裝置和輸入輸出模塊三個(gè)子課題進(jìn)行設(shè)計(jì)。二、無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)水質(zhì)中有PH、色度、五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、甲醛、苯胺類、硝基苯類、陰離子表面活性劑(LAS)、揮發(fā)酚等眾多物質(zhì)需要檢測(cè)，本系統(tǒng)中需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢測(cè)裝置對(duì)其含量進(jìn)行測(cè)量，并通過借助無線傳感網(wǎng)絡(luò)將其含量信息傳遞給污水控制中心，為污水處理中心的控制操作提供相應(yīng)參數(shù)。如圖2.1中，標(biāo)有字母B的地方均是需放置無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置的地方。此部分內(nèi)容可視為整個(gè)超聲污水處理系統(tǒng)的“眼睛”，污水處理系統(tǒng)只有通過它“看”到當(dāng)前污水中的污染物的種類、含量后，還知道如何發(fā)號(hào)司令——采用什么樣的頻率、多大的功率的超聲處理污水?？紤]團(tuán)隊(duì)人員有限，本次設(shè)計(jì)中僅計(jì)劃對(duì)水溫、PH值、水濁度、水中甲醛甲醛含量進(jìn)行測(cè)量，故本部分?jǐn)M定如下四個(gè)子題目：1、超聲水處理系統(tǒng)中水溫?zé)o線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。2、超聲水處理系統(tǒng)中PH值無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。3、超聲水處理系統(tǒng)中水濁度無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。4、超聲水處理系統(tǒng)中水中甲醛無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。以上四個(gè)子題目除了選用水質(zhì)監(jiān)測(cè)所用傳感器和應(yīng)用電路不同外，所需的無線傳感器需相同，并統(tǒng)一于同樣的網(wǎng)絡(luò)編址，統(tǒng)一的命令和數(shù)據(jù)幀傳輸格式。三、污水處理裝置設(shè)計(jì)通過作者所在課題組前期的調(diào)研、文獻(xiàn)閱讀及基礎(chǔ)研究表明，超聲水處理作為一項(xiàng)極具潛力的新技術(shù)，而加快研制擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高頻大功率超聲驅(qū)動(dòng)設(shè)備的步伐，作為突破這項(xiàng)新技術(shù)在工程領(lǐng)域?qū)嶋H推廣應(yīng)用的瓶頸的硬件條件，已顯得迫在眉睫。本課題的技術(shù)攻堅(jiān)部分也多集中于此，可以認(rèn)為本部分為整個(gè)超聲污水處理系統(tǒng)的“手臂”，它設(shè)計(jì)的合理性直接影響到系統(tǒng)處理污水的能力。圖2.1中，標(biāo)有符號(hào)C的點(diǎn)是需放置污水處理裝置的地方。該部分主要分為如下幾個(gè)子課題：1、超聲水處理裝置的功放模塊的設(shè)計(jì) 需要對(duì)比現(xiàn)有的各類功放的特點(diǎn)，通過理論分析，設(shè)計(jì)出最大功率為100W，最高頻率能達(dá)到1MHz的功率放大器。2、超聲水處理裝置的匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)在壓電超聲換能器應(yīng)用中，匹配電路有很重要的作用：一是調(diào)諧匹配，即通過匹配電路調(diào)節(jié)換能器阻抗，使換能器盡量接近純阻狀態(tài)，減少無功分量；二是阻抗匹配，即改變換能器電路的阻抗，使之與電源達(dá)到阻抗匹配，保證換能器獲得最大的電功率。若匹配不當(dāng)，將導(dǎo)致?lián)Q能器不能正常工作，還可能導(dǎo)致?lián)Q能器損壞。該課題需要通過理論分析設(shè)計(jì)出一個(gè)穩(wěn)定的匹配網(wǎng)絡(luò)電路[8]。3、超聲水處理裝置的可調(diào)電感設(shè)計(jì) 在調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，需要利用電感去匹配容性負(fù)載，使得最終的負(fù)載呈現(xiàn)純阻性，為了便于實(shí)驗(yàn)調(diào)整和實(shí)現(xiàn)調(diào)諧智能化，需基于單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控的可調(diào)電感。四、控制中心設(shè)計(jì) 控制中心在本系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)“大腦”的角色，整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，反應(yīng)準(zhǔn)確度，以及信息發(fā)布的速度均影響該系統(tǒng)可靠性?？刂浦行脑趫D2.1所示的D和F點(diǎn)處?？刂浦行牡脑O(shè)計(jì)可分為如下三個(gè)子課題：1、超聲水處理系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì) 本課題中水質(zhì)監(jiān)測(cè)和污水處理裝置均通過無線節(jié)點(diǎn)與控制中心進(jìn)行信息交互的，在控制中心處，需設(shè)計(jì)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它的任務(wù)是維護(hù)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)情況作出處理，匯集各傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，以及向各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布控制命令。2、超聲水處理系統(tǒng)的設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)集控器設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)集控器需要有人工控制模式和自動(dòng)模式，它匯集本系統(tǒng)下所有設(shè)備的狀態(tài)信息。操作人員可以通過它查詢和修改各設(shè)備的工作狀態(tài)；在無人值守的狀態(tài)下，它也能通過事先設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各設(shè)備，以保證系統(tǒng)的健康。3、超聲水處理系統(tǒng)的WEB服務(wù)器信息發(fā)布系統(tǒng)控制中心還提供了遠(yuǎn)程查詢和控制手段，操作人員可以通過終端計(jì)算機(jī)進(jìn)入到WEB服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)操作。五、控制室其他電子設(shè)備設(shè)計(jì)為了保證超聲污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，還需要給它買一份“保險(xiǎn)”，如圖2.1所示E點(diǎn)放置有基于RFID的門禁系統(tǒng)、還有語音提示功能和LED大屏顯示。1、超聲水處理中控室的RFID門禁系統(tǒng)在控制室的入口處，需設(shè)計(jì)一個(gè)基于RFID的門禁系統(tǒng)，通過讀取RFID卡來識(shí)別工作人員的信息，實(shí)現(xiàn)智能化管理。2、超聲水處理系統(tǒng)中智能語音與LED顯示裝置在控制室的內(nèi)處，需設(shè)計(jì)一臺(tái)集語音和LED顯示為一體的裝置，系統(tǒng)的關(guān)鍵信息可以通過LED顯示屏顯示出來，智能語音系統(tǒng)還可以提供必要的語音提示。第三節(jié)關(guān)鍵及核心技術(shù)本章的前兩節(jié)的內(nèi)容已介紹了課題的總體規(guī)劃，通過對(duì)課題的分解和子題目的分析，結(jié)合本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的難度和要求，加之作者所在課題組前期的總結(jié)，提煉出本系統(tǒng)所需要著重研究的幾個(gè)關(guān)鍵和核心技術(shù)：1、頻率可調(diào)信號(hào)源。需要對(duì)比各類頻率合成技術(shù)，選取最適合的方案，為本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。2、大功率死區(qū)時(shí)間可調(diào)D類功放。需要通過理論分析、元器件的選取和實(shí)驗(yàn)的方法設(shè)能調(diào)整最佳死區(qū)時(shí)間的D類型功放，為本課題的核心技術(shù)之一。3、超聲換能器匹配網(wǎng)絡(luò)。工作用的超聲換能器是一個(gè)變?nèi)莸呢?fù)載，設(shè)計(jì)一個(gè)能動(dòng)態(tài)匹配的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)是比較麻煩的，故為本課題的核心技術(shù)之一。4、印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)。目前，本科階段的學(xué)生大部分設(shè)計(jì)的印刷電路板均能完成電路功能，但是穩(wěn)定性上欠佳。本課題要求在電磁兼容性(EMC)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，總結(jié)抗干擾印刷電路板設(shè)計(jì)方法。是本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。5、無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)其他課題來說比較抽象，調(diào)試無線網(wǎng)絡(luò)更是一個(gè)不容易的工作。指定相應(yīng)的協(xié)議和構(gòu)架無線網(wǎng)絡(luò)是本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。6、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫的移植。嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)于本科學(xué)生大多是一個(gè)生疏的課題，對(duì)于從未接觸過的學(xué)生來說，上手也相對(duì)較慢。因此到底應(yīng)該選取怎樣的嵌入式操作系統(tǒng)和怎樣的嵌入式數(shù)據(jù)庫，需要有經(jīng)驗(yàn)的人通過學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，以起導(dǎo)向性的作用。此為本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

第三章超聲功率源波形發(fā)生器設(shè)計(jì)第一節(jié)波形參數(shù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)當(dāng)前眾多國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)超聲水處理技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，影響處理效果的因素主要有兩大類：化學(xué)因素和物理因素。其中化學(xué)因素有：被處理溶液的pH值、初始濃度、聲化學(xué)反應(yīng)溫度等；物理因素有：超聲的頻率、聲功率、聲強(qiáng)以及聲化學(xué)反應(yīng)器的物理結(jié)構(gòu)（實(shí)質(zhì)是聲場(chǎng)分布）等。超聲換能器的頻率和聲功率（聲強(qiáng)）是影響處理效果的最重要的物理因素之一[9]。對(duì)一臺(tái)超聲功率源而言，對(duì)超聲換能器所能提供的超聲頻率和功率是重要的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。而要確定這兩項(xiàng)指標(biāo)，則需要弄清楚功率超聲在處理廢水中的最佳頻率和最佳聲功率（聲強(qiáng)）。為弄清功率超聲的頻率與廢水處理效果之間的關(guān)系，本畢業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所在的課題組在前期開展了超聲降解模擬有機(jī)廢水——對(duì)硝基苯酚（p-nitrophenol，簡稱PNP）溶液的頻率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。過閱讀文獻(xiàn)和進(jìn)行前期的水處理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲頻率和聲功率（聲強(qiáng)）是影響超聲水處理效果的兩個(gè)重要因素，且處理不同物質(zhì)所對(duì)應(yīng)的最佳頻率有所不同。其次，本課題的還需要兼顧實(shí)驗(yàn)室研究的需要，故需要設(shè)計(jì)的超聲功率波形發(fā)生器滿足如下條件：1、頻率可調(diào)范圍為40kHz～1MHz；2頻率步進(jìn)可達(dá)當(dāng)前頻率的1%；3、在驅(qū)動(dòng)全橋電路時(shí)，能加入死區(qū)時(shí)間控制以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。第二節(jié)單片機(jī)及倍頻電路設(shè)計(jì)方案 本功率源系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的超聲換能器，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位穩(wěn)定度要求較高。由上文可知，需要波形發(fā)生電路產(chǎn)生占空比約為50%的方波。盡管目前常用的單片機(jī)的定時(shí)器均有比較輸出功能，但在本系統(tǒng)特殊的應(yīng)用下卻，卻無法滿足要求。以常用的單片機(jī)ATMEGA16為例，它的定時(shí)器產(chǎn)生波形原理如圖所示[10-11]，16位的計(jì)數(shù)器TCNT在外部時(shí)鐘的作用下進(jìn)行累加，當(dāng)累加到波形中預(yù)設(shè)的A點(diǎn)時(shí)候，波形輸出腳復(fù)位，當(dāng)累加到預(yù)設(shè)的B點(diǎn)時(shí)，引腳置位。令外部時(shí)鐘為,單片機(jī)產(chǎn)生的波形頻率為，預(yù)設(shè)點(diǎn)B對(duì)應(yīng)的值為(取值為1～216)，則產(chǎn)生波形的頻率為 (式3.SEQ式3-\*ARABIC1)ABAB圖3.SEQ圖3.\*ARABIC1MEGA16快速PWM原理顯然，上式為反比例函數(shù)。當(dāng)使用8MHz的晶體振蕩器作為ATMEGA16單片機(jī)的時(shí)鐘源時(shí)，即=8MHz。設(shè)有兩輸出頻率和，分別滿足如下關(guān)系：(式3.SEQ式3-\*ARABIC2)(式3.SEQ式3-\*ARABIC3)令和的差值為，有：(式3.SEQ式3-\*ARABIC4)在系統(tǒng)所需要的最低頻率點(diǎn)=40kHz時(shí)，計(jì)算得=200。+1=201，由式3.2得對(duì)應(yīng)輸出頻率=39.800kHz，=200Hz。在系統(tǒng)所需要的最高頻率點(diǎn)=1MHz時(shí)，計(jì)算得=8。+1=9，由式3.3得對(duì)應(yīng)輸出頻率=889kHz，=111kHz。不難發(fā)現(xiàn)，滿足反函數(shù)關(guān)系的式3.4在低頻段，取值較大，此時(shí)較小。而在輸出高頻段，取值較小，此時(shí)較大。太大以后，使得單片機(jī)無法產(chǎn)生處于和之間的眾多頻率的波形，導(dǎo)致大量的調(diào)諧盲區(qū)出現(xiàn)，因而無法勝任課題要求。下面，對(duì)加單片機(jī)輸出信號(hào)加入倍頻電路后進(jìn)行理論分析。倍頻電路的表達(dá)式為：(式3.SEQ式3-\*ARABIC5)其中是上文中已提到的單片機(jī)產(chǎn)生的波形頻率，為對(duì)進(jìn)行N倍頻后的頻率，將式3.1帶入式3.5，得(式3.SEQ式3-\*ARABIC6)按照上文中的分析方法，令此時(shí)為128倍頻(N=128),單片機(jī)時(shí)鐘晶振=8MHz。根據(jù)式3.6可以求得輸出頻率在課題所需的最低和最高頻點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，如表3.1所示:表3.SEQ表3.\*ARABIC1128倍頻后的分頻系數(shù)和頻率步進(jìn)關(guān)系+12/(+)40kHz256002560139.998kHz2Hz0.005%1000kHz10241025999.024kHz976Hz0.097%可見，通過倍頻之后，在課題需求的頻率段內(nèi)，頻率分辨率高很很多，完全能滿足課題的需求。一、鎖相環(huán)原理及倍頻電路分析 鎖相環(huán)(PLL)是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，是將參考信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生相位誤差電壓來調(diào)整輸出信號(hào)的相位，以達(dá)到與參考信號(hào)同頻的目的?；镜逆i相環(huán)是由鑒相器(PD)，環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)三部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC2鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖從上圖可以看出，鑒相器是相位比較裝置，用來比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，它的輸出電壓是對(duì)應(yīng)于這兩個(gè)信號(hào)相位差的函數(shù)。在環(huán)路濾波器的作用下，濾除中的高頻成分和噪聲，輸出電壓。與壓控振蕩器的輸出信號(hào)的頻率存在一定的函數(shù)關(guān)系?？梢?，只要環(huán)路設(shè)計(jì)恰當(dāng)，上述變化能使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的頻率一致起來，最終兩者的頻率能完全一致，而兩者的相位差將保持某一恒定值，則環(huán)路低通濾波器的輸出為一個(gè)直流電壓，VCO的頻率將停止變化，這時(shí)，環(huán)路處于“鎖定狀態(tài)”[12]。鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)是在上世紀(jì)40年代初根據(jù)控制理論的線性伺服環(huán)路發(fā)展起來的，最早用于電視機(jī)的掃描同步電路，以減少噪聲對(duì)同步的影響，從而使電視的同步性能得到重大改進(jìn)。同時(shí)，它的低噪聲跟蹤特性也得到人們的高度重視，發(fā)展越來越快，以至于今天被廣泛的應(yīng)用于無線電技術(shù)領(lǐng)域的各個(gè)方面。利用鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器原理圖如圖3.3所示。令輸入信號(hào)頻率為，把它加載到相位比較器的一端，VCO輸出的信號(hào)經(jīng)過可預(yù)制分頻器(N分頻)后輸出到相位比較器的另一端，這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)PLL鎖定后，得到，移項(xiàng)有，達(dá)到了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行N倍頻的目的。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC3PLL頻率合成器原理圖二、基于鎖相環(huán)74HC4046倍頻電路硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所用的PLL倍頻電弧由集成鎖相環(huán)74HC4046與分頻器CD4060一起構(gòu)成。74HC4046是一款最大工作頻率能達(dá)到12MHz(VCC=4.5V)的鎖相環(huán)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3.4，由于它內(nèi)部的集成的是RC型的壓控振蕩器，因此必須外接電容C1和R1作為充放電元件以設(shè)置它工作的中心頻率(CenterFrequency)，當(dāng)PLL對(duì)跟蹤的輸入信號(hào)的頻率寬度有要求時(shí)，還需要外接電阻R2以設(shè)置最大偏移頻率(OffsetFrequency)。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC474HC4046內(nèi)部結(jié)構(gòu) 考慮到本課題的頻率要求，故設(shè)計(jì)PLL能提供的波形頻率變化范圍為40k~2MHz。根據(jù)74HC4046數(shù)據(jù)手冊(cè)上如圖3.5(a)所示的典型中心頻率圖和圖3.5(b)，并通過實(shí)驗(yàn)的方法最終選取R1=10k，R2=,C1=330pF。(a)R1和C1與典型中心頻率關(guān)系(b)R2和頻率偏移關(guān)系圖3.SEQ圖3.\*ARABIC574HC4046參數(shù)設(shè)置 二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖，它具有14級(jí)計(jì)數(shù)，但只有10個(gè)計(jì)數(shù)輸出端。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC6CD4060內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖在課題前期進(jìn)行實(shí)際超聲水處理實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，超聲換能器工作時(shí)所處環(huán)境(被處理對(duì)象)不同，換能器的實(shí)際工作時(shí)的諧振頻率與標(biāo)稱頻率略有不同，需根據(jù)換能器標(biāo)稱的諧振頻率大致確定實(shí)際工作時(shí)的諧振頻率所在的范圍。以標(biāo)稱頻率為中心頻率，適當(dāng)?shù)耐ㄟ^頻率增減來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，根據(jù)系統(tǒng)需要，調(diào)諧過程中的頻率分辨率不能太大，本課題中，將頻率分辨率設(shè)定為中心頻率的1%。在本章第二節(jié)的開始，已經(jīng)通過理論分析可知，電路的倍頻數(shù)為128就完全能勝任課題的要求。本設(shè)計(jì)原理圖如圖3.7所示，預(yù)留了128、256、512可選分頻連接端口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的倍頻數(shù)。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC7倍頻電路原理圖三、基于鎖相環(huán)74HC4046倍頻電路軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)產(chǎn)生規(guī)定頻率的程序流程圖如圖3.8所示。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)，單片機(jī)需要初始化定時(shí)器，即設(shè)置分頻系數(shù)、計(jì)數(shù)值。實(shí)驗(yàn)室日常使用時(shí)，常希望開機(jī)后能希望儀器保持上此操作結(jié)束后的頻率，故這里設(shè)計(jì)了EEPROM存儲(chǔ)上次使用結(jié)束后的頻率狀態(tài)，待開機(jī)后定時(shí)器會(huì)自動(dòng)載入該定時(shí)值。機(jī)器運(yùn)行的過程中，頻率是允許用戶調(diào)整的。系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)是否有修改頻率指令，以完成對(duì)應(yīng)操作。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC8基于倍頻電路的軟件流程圖第三節(jié)單片機(jī)及DDS設(shè)計(jì)方案DDS同DSP（數(shù)字信號(hào)處理）一樣，是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文縮寫。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，因DDS技術(shù)有突出的特點(diǎn)，如輸出波形靈活且相位連續(xù)、頻率穩(wěn)定度高、輸出頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出相位噪聲低、集成度高、功耗低、體積小等，使其在頻率合成源技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。DDS原理DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理如圖3.9所示，主要由相位累加器(PHASEACCUMULATOR)，波形存儲(chǔ)器和DA轉(zhuǎn)換器組成。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC9DDS基本結(jié)構(gòu)圖一個(gè)正弦波，雖然它的幅度不是線性的，但是它的相位卻是線性增加的。DDS正是利用了這一特點(diǎn)來產(chǎn)生正弦信號(hào)。如圖3.10，根據(jù)DDS的頻率控制字的位數(shù)N，把360°平均分成了2的n=2N次等份。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為，輸出頻率為。如果在時(shí)鐘作用下，每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，則可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為的正弦波的相位遞增量，此頻率為分辨率，可見，當(dāng)為芯片所允許的最大125MHz時(shí)候，具有最小的頻率分辨率0.29Hz。那么只要選擇恰當(dāng)?shù)念l率控制字M，使得，就可以得到所需要的輸出頻率。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC10DDS相位步進(jìn)原理圖相位和幅度的轉(zhuǎn)換需要通過波形存儲(chǔ)器，用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。如上文中，我們已經(jīng)得到了合成頻率為的波形所對(duì)應(yīng)的相位信息，然后通過波形存儲(chǔ)器把0°~360°的相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的幅度值。比如當(dāng)DDS選擇為2Vp-p的輸出時(shí)，45°對(duì)應(yīng)的幅度值為0.707V，這個(gè)數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC。這個(gè)相位到幅度的轉(zhuǎn)換事實(shí)上是一個(gè)查表的過程。DDS在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、高分辨力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)源的性能[13-15]。二、基于AD9850電路硬件設(shè)計(jì)AD9850采用先進(jìn)的CMOS工藝，其功耗在3.3V供電時(shí)僅為155mW，擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40～80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式。AD9850的引腳排列圖3.11(a)所示，圖3.11(b)為其功能框圖。AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊藾DS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成，N一般為24～32。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC以輸出模式量。(a)AD9850引腳(b)AD9850內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3.SEQ圖3.\*ARABIC11AD9850引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AD9850采用32位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?4位輸入到查詢表，查詢表的輸出再被截?cái)喑?0位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個(gè)外接電阻RSET調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)關(guān)系為ISET=32(1.148V/RSET)，RSET的典型值是3.9kΩ。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到AD9850內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波。AD9850在接上精密時(shí)鐘源和寫入頻率相位控制字之間后就可產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125MHz的時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出頻率分辨率達(dá)0.0291Hz；并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整。AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制。1位用于電源休眠（Powerdown）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850。默認(rèn)狀態(tài)下是并行輸出方式，若要進(jìn)入串行方式，需要通過如圖3.12的引腳設(shè)置。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC12AD9850串行輸出傳輸引腳配置圖考慮到本設(shè)計(jì)中單片機(jī)引腳資源有限，故采用了串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。DDS部分的電路如下圖所示。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC13AD9850應(yīng)用電路圖三、基于AD9850電路軟件設(shè)計(jì)圖是控制字串行輸入的控制時(shí)序圖，在串行裝入方式中，通過總線D7將數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在重復(fù)40次之后再在FQ-UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器，AD9850將自動(dòng)更新DDS輸出頻率和相位，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC14串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖串行傳輸?shù)?0個(gè)數(shù)據(jù)位如圖所示，WO~W31是頻率控制字,控制輸出頻率為，W32和W33是模式控制字，W34控制AD9850進(jìn)入休眠模式，W36~39是相位控制字。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC15AD9850控制字 串行模式下對(duì)40個(gè)數(shù)據(jù)位的寫入代碼如下：voidWriteAD9850(longintF,charP){ longintcnt=0; floattemp=4294967296/CLKIN;temp=temp*F;F=(longint)temp;//由傳入的頻率F計(jì)算出計(jì)數(shù)值 for(;cnt<32;cnt++) { if(F&(1<<cnt)) //send1 { Set_AD9850_SDA(); AD9850_Delay(); Set_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); Clr_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); } else//send0 { Clr_AD9850_SDA(); AD9850_Delay(); Set_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); Clr_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); } } //send0W32 //send0W33 //send0PowerDown for(cnt=0;cnt<3;cnt++) { Clr_AD9850_SDA(); AD9850_Delay(); Set_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); Clr_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); } cnt=0; for(;cnt<5;cnt++) { if(P&(1<<cnt)) { //send1 Set_AD9850_SDA(); AD9850_Delay(); Set_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); Clr_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); } else { //send0 Clr_AD9850_SDA(); AD9850_Delay(); Set_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); Clr_AD9850_SCK(); AD9850_Delay(); } } Set_AD9850_UD(); AD9850_Delay(); Clr_AD9850_UD(); AD9850_Delay();}第四節(jié)CPLD設(shè)計(jì)方案 CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。CPLD在結(jié)構(gòu)上主要包括三個(gè)部分：可編程邏輯宏單元；可編程輸入輸出單元；可編程內(nèi)部連線。高集成度、高速度和高可靠性是最明顯的特點(diǎn)，其時(shí)鐘延遲可以達(dá)ns級(jí)，結(jié)合其并行工作方式，在超高速應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。在高可靠應(yīng)用領(lǐng)域，如果設(shè)計(jì)的當(dāng)，將不會(huì)存在類似于MCU的復(fù)位不可靠和PC可能跑飛等問題。本設(shè)計(jì)考慮CPLD方案，正是因其具有高速，和高穩(wěn)定性，能達(dá)到ns分辨率的特點(diǎn)[16]。一、CPLD選型由于各PLD公司的CPLD產(chǎn)品在價(jià)格、性能、邏輯規(guī)模和封裝以及對(duì)應(yīng)的EDA軟件性能等方面各有千秋。在實(shí)際應(yīng)中應(yīng)從資源量、速度以及封裝和價(jià)格上進(jìn)行考慮。具體地，首先應(yīng)該考慮根據(jù)應(yīng)用估計(jì)所需的I/O口數(shù)，通過編譯環(huán)境估測(cè)所需邏輯門數(shù)和宏單元數(shù)。值得注意的是硬件描述語言的選擇、描述風(fēng)格的選擇以及HDL綜合器的選擇會(huì)影響資源的利用，如選擇速度優(yōu)化，則將耗用更多的資源，而若選擇資源優(yōu)化，則反之。又如許多組合電路比時(shí)序電路占用的邏輯資源要大，如并行進(jìn)位的加法器、比較器以及多路選擇器等。本設(shè)計(jì)中，事先采用VerilogHDL在QUARTUSII下進(jìn)行編譯和仿真，已得所需宏單元數(shù)為300個(gè)左右。因CPLD在系統(tǒng)中承當(dāng)任務(wù)較少，引腳需求量只有20只即可。其次應(yīng)該考慮的是芯片速度隨著可編程邏輯器件集成技術(shù)的不斷提高，CPLD的工作速度也不斷提高，腳間時(shí)延已達(dá)ns級(jí)，具體設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)芯片速度的選擇有一綜合考慮，并不是速度越高越好。芯片的速度選擇應(yīng)與所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的最高工作速度一致。使用了速度過高的器件將加大電路設(shè)計(jì)的難度。這是因?yàn)槠骷母咚傩阅茉胶?，其?duì)外界微小毛刺信號(hào)的反應(yīng)靈敏度越高，若電路處理不當(dāng)，或編程前的配置選擇不當(dāng)，極易使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中，因需要較高的頻率分辨率，故所以的CPLD的時(shí)鐘晶振應(yīng)在100M最佳。另外，出于抗干擾和布局考慮，還需要注意CPLD封裝的選擇。CPLD的封裝中主要有PLCC、PQFP、RQFP、TQFP、MQFP、VQFP、PGA和BGA等。同一型號(hào)類型的器件可以有多種不同的封裝。各種封裝在安全性、穩(wěn)定性、和使用方便性上均有自己的特點(diǎn)，這里不做贅述。本設(shè)計(jì)中，考慮到焊接和市面上購買方便，故采用PLCC封裝，為了簡化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)擬打算和單片機(jī)和CPLD共同實(shí)現(xiàn)功能模塊，即CPLD只負(fù)責(zé)產(chǎn)生波形，而單片機(jī)將用戶輸入的波形計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過自定義的通信方式傳輸給CPLD，并使能CPLD產(chǎn)生波形。如此，CPLD的任務(wù)就是與單片機(jī)通信以及產(chǎn)生波形[17-18]。綜合考慮了系統(tǒng)的資源、工作速度、擴(kuò)展性等因素后，決定采用Altera公司的CPLD器件EPM240T100C5。其可用門數(shù)為570門，擁有典型等效宏單元440個(gè)，并且支持基于JTAG接口的ISP功能。二、基于EPM570的硬件設(shè)計(jì) 基于CPLD的方案幾乎不需要額外的硬件，只需要選擇合適的晶振使得產(chǎn)生的波形滿足系統(tǒng)需要即可。由于利用CPLD產(chǎn)生方波的形式類似于單片機(jī)PWM的計(jì)數(shù)的方法，故輸出頻率仍滿足式3.1的公式。以120MHz晶振計(jì)算，經(jīng)式3.2～式3.4得到下表3.2。表3.SEQ表3.\*ARABIC2CPLD分頻系數(shù)和頻率步進(jìn)關(guān)系+12/(+)40kHz3000300139.986kHz14Hz0.035%1000kHz120121991.736kHz8264Hz0.8298% 可見，因最大的頻率步進(jìn)仍然滿足小于1%的要求，故選用120MHz可以滿足課題要求。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC16CPLD最小系統(tǒng)原理圖三、基于EPM570的軟件設(shè)計(jì)基于EPM570設(shè)計(jì)的模塊原理圖如圖3.17(a)所示，圖3.17(b)模塊軟件流程圖。該模塊wd為數(shù)據(jù)等待引腳，當(dāng)它為高時(shí)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線dut送入脈寬時(shí)間計(jì)數(shù)值，通過數(shù)據(jù)總線dt送入死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)值。當(dāng)wd為低后，模塊開始產(chǎn)生波形。(a)波形產(chǎn)生模塊(b)模塊程序流程圖圖3.SEQ圖3.\*ARABIC17波形產(chǎn)生模塊及其程序流程圖 在QuartusII7.2自帶的仿真環(huán)境下得到如圖3.18和圖3.19所示的仿真波形?？梢钥闯?，載入不同的脈寬時(shí)間dut和死區(qū)時(shí)間dt，兩輸出通道out1和out2輸出波形的占空比發(fā)生變化，兩者死區(qū)時(shí)間也按要求變化(out1和out2同時(shí)為低電平的部分)。圖3.SEQ圖3.\*ARABIC18仿真波形一圖3.SEQ圖3.\*ARABIC19仿真波形二 產(chǎn)生上述波形的部分主要代碼如下：moduleWaveWithDt(wd,clk,dut,dt,out1,out2); inputwd;//waitfordata inputclk; input[8:0]dut;//duty0~512 input[4:0]dt;//deadtime(0~512)*5% outputout1; outputout2; regout1; regout2; reg[9:0]per;//period reg[9:0]cnt1; reg[9:0]cnt2; always@(posedgeclk) begin if(!wd) begin //forout2 if(cnt2==per) cnt2=10'b0; if(cnt2<dut) out2<=1; elseif(cnt2<per) out2<=0; cnt2=cnt2+1'b1; if(cnt1==per)//forout1 cnt1=10'b0; if(cnt1<dut) out1<=1; elseif(cnt1<per) out1<=0; cnt1=cnt1+1'b1; end else begin per<=dut+dut+dt+dt; cnt1<=10'b0; cnt2<=dut+dt; out1<=0; out2<=0; end endendmodule第五節(jié)設(shè)計(jì)方案對(duì)比通過實(shí)驗(yàn)，單片機(jī)以及128倍頻電路方案(以下簡稱PLL方案)、單片機(jī)及DDS方案(以下簡稱DDS方案)和CPLD方案進(jìn)行對(duì)比，得到下表：表3.SEQ表3.\*ARABIC3各方案對(duì)比表方案晶振(MHz)最小頻率分辨率(Hz)最大頻率分辨率(Hz)死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)模塊成本(元)PLL方案82976無小于20DDS方案400.870.87可通過高速比較器實(shí)現(xiàn)大于100CPLD方案120148264可編程實(shí)現(xiàn)小于40 上表中，最小和最大分辨率的計(jì)算方法在各方案介紹的時(shí)候均有介紹，死區(qū)時(shí)間將在第四章做詳細(xì)介紹，它在大功率的情況下是也是非常重要的一個(gè)方面。 綜合表中數(shù)據(jù)，PLL方案是頻率分辨率適中，設(shè)計(jì)成本最低，但是由于不能調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，故出于安全考慮，不能用于大功率的場(chǎng)合。DDS方案的頻率精度最高，但是如果需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，選擇高速比較器以及電路設(shè)計(jì)將是比較復(fù)雜的過程，而且模塊成本也明顯高于其他兩種方案。CPLD的方案盡管頻率精度方面顯得比較粗糙，但可滿足課題要求，由于可以采用軟件的方式調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間和成本比較低，故可作本課題中最佳的設(shè)計(jì)方案。

第四章功率放大器設(shè)計(jì)第一節(jié)功率和頻率需求功率放大電路是一種能量轉(zhuǎn)換電路。高頻功率放大器的主要功用是在失真許可的范圍內(nèi)放大高頻信號(hào)，為負(fù)載提供盡可能大的功率，其實(shí)質(zhì)是在輸入高頻信號(hào)的控制下將電源直流功率轉(zhuǎn)換成高頻功率。與工作在線性狀態(tài)的低頻功率放大電路不同，對(duì)高頻功放電路的控制方法、功放管的參數(shù)選擇以及保護(hù)電路設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)等有更高的要求。本課題要求功率放大器的輸出功率可調(diào)，且最大輸出達(dá)到100W。需經(jīng)過放大的信號(hào)頻率范圍為0～1MHz。第二節(jié)各類功放特點(diǎn)功放管的工作電流、電壓的變化范圍很大，那么三極管常常工作在大信號(hào)狀態(tài)或接近極限運(yùn)用狀態(tài)，有甲類、乙類、甲乙類等各種工作方式。為了提高效率，將放大電路做成推挽式電路，功放管的工作狀態(tài)設(shè)置為甲乙類，以減小交越失真。常見的音頻功放電路在連接形式上主要有雙電源互補(bǔ)推挽功率放大器OCL（無輸出電容）、單電源互補(bǔ)推挽功率放大器C（無輸出變壓器）、平衡（橋式）無變壓器功率放大器BTL等。由于功放管承受大電流、高電壓，因此功放管的保護(hù)問題和散熱問題必須重視。功率放大器可以由分立元件組成，也可由集成電路實(shí)現(xiàn)。表4.1比較了各類功放電路按集電極電流導(dǎo)通角分類時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。從表中可以看出，功放逆變主電路作為信號(hào)產(chǎn)生模塊的后級(jí)，由A,B,AB,C類放大器的特性可知，這幾種模擬放大電路的共同特點(diǎn)是晶體管都工作在線性放大區(qū)域中，它按照輸入信號(hào)的大小控制輸出的大小，就像串在電源與輸出間的一只可變電阻，控制輸出，但同時(shí)自身也在消耗電能，并且影響放大器的效率的主要因素是無信號(hào)時(shí)的直流損耗。而對(duì)D類、E類開關(guān)功率放大器來講，不僅效率高，而且體積和重量相對(duì)同功率的線性放大器大為減少[19]。表4.SEQ表4.\*ARABIC1各類功放電路按集電極電流導(dǎo)通角分類表類別工作狀態(tài)導(dǎo)通角（Φ）性能比較適用范圍A（甲）類線性Φ=180o非線性失真??；理論最大值50%，實(shí)際30-40%低頻AB（甲乙）類線性90o<Φ<180o失真比B類??；實(shí)際效率可達(dá)60-70%低頻B（乙）類線性Φ=90o比A類失真大，效率提高；理論最大值78.5%，實(shí)際50%左右低頻C（丙）類線性Φ<90o效率提高但頻率范圍窄高頻D（?。╊愰_關(guān)理論值可達(dá)100%，實(shí)際效率可以達(dá)85-95%高頻D類開關(guān)功率放大器采用了和模擬放大器完全不同的技術(shù)。D類放大器是采用脈寬調(diào)制（PWM）原理設(shè)計(jì)，其功放管工作在開關(guān)狀態(tài)。在理想情況下，功放管導(dǎo)通時(shí)內(nèi)阻為零，兩端沒有電壓，因此沒有功率損耗；而截止時(shí)，內(nèi)阻無窮大，電流又為零，也沒有功率損耗。但在實(shí)際的工作中，D類放大器的功率消耗主要由兩部分構(gòu)成：開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗[20-21]。(a)MOS管開關(guān)工作示意圖(b)MOS管結(jié)構(gòu)示意圖圖4.SEQ圖4.\*ARABIC1MOS管損耗示意圖如圖4.1所示，控制信號(hào)的峰峰值為VppMOS管源極和漏極間所加電壓峰峰值為Vh。則MOS管上的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗分別為式4.1和式4.2所示[22]：(式4.SEQ式4.\*ARABIC1)(式4.SEQ式4.\*ARABIC2) 式中，，。第三節(jié)D類功放設(shè)計(jì)方案 在以前設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，D類功放采用H橋結(jié)構(gòu)。H橋電路得名于它的形狀酷似字母H，如圖4.2(a)所示，常用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。如圖4.2(b)所示，當(dāng)Q1和Q4管開啟，Q3和Q2管截止時(shí)，電源直接通過Q1和Q4加載到負(fù)載兩端，電流如粗箭頭所示；如圖4.2(c)所示，當(dāng)Q1和Q4管截止，Q3和Q2管開啟時(shí)，電源直接通過Q2和Q3加載到負(fù)載兩端，電流與(b)圖相反。后文將對(duì)敘述控制H橋電路的設(shè)計(jì)方案。(a)(b)(c)圖4.SEQ圖4.\*ARABIC2H橋示意圖對(duì)于功率可調(diào)，本設(shè)計(jì)采用脈沖密度調(diào)制（PulseDensityModulation,PDM），它是一種脈沖寬度固定，用輸入信號(hào)去調(diào)制脈沖頻率的方式。實(shí)際上就是控制向負(fù)載饋送能量的時(shí)間來控制輸出功率。這種控制方法的基本思路是：假設(shè)總共有N個(gè)調(diào)功單位，在其中M個(gè)調(diào)功單位里逆變器向負(fù)載輸出功率；而剩下的N－M個(gè)單位內(nèi)停止工作，負(fù)載能量以自然振蕩形式逐漸衰減，不過通過選擇高性能的開關(guān)管能夠降低電路中能量衰減的時(shí)間。輸出的脈沖密度為M/N，這樣輸出功率跟脈沖密度就緊密聯(lián)系起來了。因此通過改變脈沖密度即占空比就可改變輸出功率，并且結(jié)合后續(xù)電路的匹配網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到電路最大功率的輸出。PDM調(diào)制方式主要優(yōu)點(diǎn)就是適合高頻情況工作，且輸出頻率基本不變，開關(guān)損耗相對(duì)較小，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，比較適合于開環(huán)工作場(chǎng)合[23-24]。(a)PDM示意圖(b)實(shí)現(xiàn)PDM原理圖圖4.SEQ圖4.\*ARABIC3PDM示意圖MOSFET開關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流。因此，MOSFET的極間電容越大，在開關(guān)驅(qū)動(dòng)中所需的驅(qū)動(dòng)電流也越大。為了使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降速度，驅(qū)動(dòng)電流要具有較大的數(shù)值，柵極驅(qū)動(dòng)的要求觸發(fā)脈沖具有足夠快的上升和下降速度。為使MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓。為了防止誤導(dǎo)通，在MOSFET截止時(shí)最好能提供負(fù)的柵源電壓。在功率變換裝置中，由于Ciss的存在,靜態(tài)時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流幾乎為零,但在開通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)過程中,仍需要一定的驅(qū)動(dòng)電流。因此往往需要驅(qū)動(dòng)電路為主回路提供工作電流。在D類功放中，還需要考慮的一個(gè)問題就是死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間是PWM輸出時(shí)，為了使H橋或半H橋的上下管不會(huì)因?yàn)殚_關(guān)速度問題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置的一個(gè)保護(hù)時(shí)段。由于MOS管等功率器件都存在一定的結(jié)電容，所以會(huì)造成器件導(dǎo)通關(guān)斷的延遲現(xiàn)象。為了使MOS管工作可靠，避免由于關(guān)斷延遲效應(yīng)造成上下橋臂直通，有必要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，也就是上下橋臂同時(shí)關(guān)斷時(shí)間。死區(qū)時(shí)間可有效地避免延遲效應(yīng)所造成的一個(gè)橋臂未完全關(guān)斷，而另一橋臂又處于導(dǎo)通狀態(tài)，避免直通炸模塊。死區(qū)時(shí)間大，模塊工作更加可靠，但會(huì)帶來輸出波形的失真及降低輸出效率。死區(qū)時(shí)間小，輸出波形要好一些，只是會(huì)降低可靠性。最佳的設(shè)置是：一個(gè)周期內(nèi)的死區(qū)時(shí)間占周期的10%。一、MOS驅(qū)動(dòng)芯片及脈沖變壓器設(shè)計(jì)方案 1、MOS驅(qū)動(dòng)芯片的選型隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種新型的驅(qū)動(dòng)芯片很多，為驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提供了更多設(shè)計(jì)思路，外圍電路的減少，使MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路愈來愈簡潔，性能也獲得到了很大地提高。根據(jù)上述的分析，本電路中選擇的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)隔離電路，要求驅(qū)動(dòng)芯片不僅要滿足柵級(jí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求，而且要與推動(dòng)變壓器構(gòu)成互補(bǔ)電路。由于驅(qū)動(dòng)H橋電路對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求較高，要求通斷延遲，內(nèi)部死區(qū)以及匹配延遲的時(shí)間均在ns級(jí)以內(nèi)。在整個(gè)逆變主回路中，電路工作在DC320V左右的條件下并且能夠提供MOSFET柵級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流，因此驅(qū)動(dòng)芯片要有很高的負(fù)載能力。整個(gè)功放模塊傳輸信號(hào)的最高頻率為1MHz，這就要求驅(qū)動(dòng)芯片不僅工作頻率要高并且功耗要低，否則無法達(dá)到高效驅(qū)動(dòng)后級(jí)超聲換能器的目的。根據(jù)驅(qū)動(dòng)芯片的參數(shù)要求以及市場(chǎng)供求情況，本設(shè)計(jì)最終選擇TPS2811為H橋的驅(qū)動(dòng)芯片。TPS28xx系列是雙道高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)，能夠傳輸2A電流到容性負(fù)載。TPS2811是單電源工作，電路結(jié)構(gòu)簡單。由于內(nèi)部多個(gè)的MOSFET共同工作，提高了電路的驅(qū)動(dòng)能力。根據(jù)芯片輸出端的結(jié)構(gòu)以及推動(dòng)變壓器，兩者共同構(gòu)成互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路，既實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)隔離的功能，又能保證H橋電路中MOSFET關(guān)斷能力不受外界的影響，減少了極間電容對(duì)H橋的影響，提高了輸出效率和后級(jí)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。圖4.4是根據(jù)TPS2811芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的外圍電路設(shè)計(jì)。由于本功放電路中并沒有使用到該芯片的內(nèi)部穩(wěn)壓器功能，因此將引腳1和引腳8懸空。電源電壓選定常用的12V,在芯片的輸出端，5腳和7腳均接上續(xù)流二極管，達(dá)到保護(hù)芯片的目的。為使輸出波形進(jìn)一步完善，根據(jù)需要可以增加隔直電容C21，在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的功放管時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓，從而加速其關(guān)斷,提高抗干擾能力。圖4.SEQ圖4.\*ARABIC4TPS2811應(yīng)用電路圖2、脈沖變壓器的設(shè)計(jì)H橋推動(dòng)變壓器的是整個(gè)功放電路的重要器件之一，它不僅是對(duì)控制電路與功放電路的隔離，更兼有儲(chǔ)能、限流的作用，以減少后級(jí)對(duì)前級(jí)的影響，提高功放電路的安全性。同時(shí)，它還承擔(dān)著從驅(qū)動(dòng)電路得到的兩路同頻反相信號(hào)分成四路無失真的信號(hào)傳輸給后級(jí)的全橋電路。在設(shè)計(jì)H橋推動(dòng)變壓器的過程中，主要需要考慮損耗（包括鐵損和銅損）、漏電感和電磁兼容性等因素。根據(jù)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)要求，在變壓器中所需要傳輸?shù)男盘?hào)是高頻間隙方波信號(hào)，這就必然將磁芯材料的選擇范圍規(guī)定在高頻功率變壓器內(nèi)。一般來說，高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法有兩種，第一種是先求出磁芯窗口面積Aw與磁芯有效截面積Ae的乘積AP，根據(jù)AP值查表；另外一種是幾何參數(shù)法，在AP法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，是從