摘 要

随着公众对美好生活的要求的不断提高，电磁辐射在线监测系统已在国内得到了初步应用，与此同时该系统的维护和校准的需求也在不断上升。目前场强仪的用处越来越广，需求越来越大，所以对场强仪的测量校准显得尤为重要。

本文以场强仪的校准为研究背景，基于工频场强仪校准器的功能要求，实现频率、幅度可调，误差较小的标准场强发生器的设计。以简易、便捷、精确为导向，基于标准场强的产生过程，设计出基于DDS全数字频率合成技术的信号发生器，实现全部硬件电路的设计与机械设计；与另一组软件设计的同学相互配合——基于51单片机的软件设计，合作完成完整的工频电场场强仪校准器的设计与实现，并详细分析其工作原理。

基于本次设计的需要，论文分析了各种信号发生源的优缺点和特点，最终选择了基于直接数字合成（DDS）技术的信号发生源。信号发生模块选用ADI公司生产的AD9833芯片为核心，具有精度高，体积小，操作简便等诸多特点。并根据信号模块性能设计了增益可调的功率放大电路，实现所需电压信号的放大，所需频率的通过。最终信号通过升压器，在平行板之间产生标准场强，随后利用反馈信号进行微调，将可能的误差缩小，从而产生标准场强。

最后，用Multisim软件对功放电路模块进行了仿真。对该模块的多处进行测量，测得放大增益的准确性，确保正弦信号不失真，所需频率可通过，验证了功放电路的可行性，保证了最终生成信号的精确性。

关键词：标准场强；DDS技术；信号发生

Abstract

With the continuous improvement of the public's demand for a better life, the electromagnetic radiation on-line monitoring system has been initially applied in China. At the same time, the need for maintenance and calibration of the system is also rising. At present, the use of field strength meters is getting wider and wider, and the demand is getting bigger and bigger. Therefore, the measurement and calibration of field strength meters is particularly important.

This article takes the calibration of the field intensity meter as the research background, based on the functional requirements of the power frequency field calibrator, realizes the design of the standard field intensity generator with adjustable frequency and amplitude and less error. Based on the simple, convenient, and precise guidance, based on the standard field strength generation process, a signal generator based on the DDS all-digital frequency synthesis technology is designed to realize the design of all hardware circuits and the mechanical design; and with the other group of software design students With the software design based on 51 single-chip microcomputer, the complete design and implementation of a complete power frequency electric field strength meter calibrator was completed and the working principle was analyzed in detail.

Based on the needs of this design, the paper analyzed the advantages and disadvantages and characteristics of various sources of signal generation, and finally selected a signal generation source based on Direct Digital Synthesis (DDS) technology. The signal generation module uses the AD9833 chip manufactured by Analog Devices as the core, which has many advantages such as high precision, small size, and easy operation. According to the performance of the signal module, a gain-adjustable power amplifier circuit is designed to achieve the amplification of the desired voltage signal and the passage of the required frequency. The final signal passes through the booster, producing a standard field strength between the parallel plates, which is then fine-tuned with the feedback signal, narrowing the possible errors and producing a standard field strength.

Finally, simulation of the power amplifier circuit module was performed using Multisim software. Multiple measurements were performed on the module, the accuracy of the amplification gain was measured, the sine signal was not distorted, the required frequency was passed, the feasibility of the power amplifier circuit was verified, and the accuracy of the final generated signal was ensured.

Key words: Standard field strength; DDS Technology; Signal generation

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景（国内外现状分析） 1

1.2课题研究的目的、意义 1

1.3课题研究基本内容和技术方案 2

1.3.1研究内容 2

1.3.2技术方案 2

1.4 DDS的发展状况及意义 3

第2章 直接数字频率合成技术 4

2.1主要的频率合成方法比较 4

2.1.1直接频率合成 4

2.1.2锁相频率合成 4

2.1.3直接数字频率合成（DDS） 5

2.1.4混合式频率合成 5

2.2直接数字频率合成技术的概述及特点 5

2.3 DDS技术操作理论 6

2.4 DDS的信号发生器的选择 7

第3章 功率放大电路 9

3.1功率放大电路设计方案 9

3.2器件选型 9

3.2.1运算放大器的选择 9

3.2.2缓冲器的选择 10

3.3功率放大电路的硬件设计 10

3.4功率放大电路仿真 11

第4章 场强仪校准器完整硬件电路设计 17

4.1基于AD9833芯片的信号发生模块设计 17

4.1.1 AD9833基本原理及引脚功能 17

4.1.2信号发生电路设计 18

4.2基于STC15W4K56S4芯片控制模块设计及外围设备 19

4.2.1 STC15W4K56S4芯片简介 19

4.2.2键盘控制电路及反馈电路 20

4.2.3显示电路 20

4.2.4供电电路 21

4.2.5 USB接口电路 22

4.3完整硬件电路及说明 22

第5章 结论 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1课题研究背景（国内外现状分析）

测量场强的仪器被称之为场强仪。场强仪的所测得结果的单位为μV/m。从结构上看，场强计的组成主要有两部分 - 电平表和天线，原始场强计始终配备天线。20世纪以来，电力电子技术与电子测量技术飞速发展。由于频谱分析仪可以替代这两种仪器，因此使用单个现场仪表或仪表的频率越来越低。从处理信息的方式来看，仪表，频谱仪，频谱分析仪的基本原理几乎相同。频谱分析仪就是用以测量频谱内的信号电平。性能比较好的频谱仪，天线系数是存储在主机内的，在使用的过程中，显示屏上会直接出现场强的数值。安捷伦，安立和其他公司的产品具有天线系数存储功能。

从如今场强仪的市场情况来看，主要分为两大类：第一种类型是未选定的宽带辐射计，用于检测特定空间内电磁辐射的综合强度和空间分布。分析并验证获得的数据，以检测和分析是否存在电磁辐射的不利影响^[1]。但是，这种类型的场强仪有一个很大的缺陷——电磁辐射的具体来源和类型无法被分析出，这导致我们的实验工作和测试结果受到影响和阻碍。第二类是频率选择权管理测量工具，在特定范围内的电磁辐射信号之间，滤除不在该设定范围内的电磁辐射信号，这种类型的场强计适用于低强度和中等强度的电磁环境且比前者更精确和灵活。电磁监测设备在我国之前已经形成了多种不同类型的模型，但实际需求与实际社会发展之间存在较大差距。这与发达国家的相关工具水平相去甚远。

目前市场上有多种类型的场强校准器，但便携式智能场强校准器很少。对于不同的应用，场强计校准器也采取多种形式。大中型场强计校准器大多为台式机，其特点为彩屏，功能齐全，精度高，成本高^[2]，主要采用进口设备。现场施工人员一般使用背包或便携式场强仪校准器，显示器采用数码管或LCD，功能较少，精度较低，价格较便宜，主要是国产设备。根据不同的需求和重点，适当增加和删除功能以便应对各种等级和型号的场强仪，从而满足各种人员的需求。传统的场强仪校准器主要是台式和背包式，而且体积庞大。以前的设备需要大量硬件电路才能实现许多功能，现在芯片功能集成技术逐渐成熟，使场强仪校准器便捷化成为可能。

1.2课题研究的目的、意义

目前场强仪的用处越来越广，需求越来越大，它可测量电子加热设备的漏场，也可用于电磁兼容性试验和检查设备对高频敏感的部位，还可用于检查由机械运动产生的寄生辐射等，特别是在环境监测部门，场强仪是对电磁环境和电磁污染评估的重要工具，所以对场强仪的测量校准显得尤为重要。

科学技术和工业生产的需求对场强的检测和控制提出了更高的要求。要求场强仪向多样化和高准确方向发展，^[3]为保证场强仪测量的量值准确可靠，必须对它进行校准，而且场强是无线电各参数中国家规定的强检项目。场强计的校准具有重要意义。便携式场强仪的发展和推广应用，使得一些校准器不能适应新的要求。有的传统校准仪器，使用起来不方便，不宜随场强仪一起携带^[4]，费时费事，工作效率低。国内有些数字式场强仪校准器，则还存在准确度偏低，功能较少等问题。本次对场强仪校准器的研究，通过了解其原理和硬件设计，熟知每部分的组成，进而研究如何将其合理的拆分，或是某个组成部分可以合理的缩小体积^[5]，最终能够实现功能的多样化，校准的高精度，并能够适应外界条件的变化，方便携带与放置。

1.3课题研究基本内容和技术方案

1.3.1研究内容

工频电场强度仪（以下简称场强仪）是一对用于形成电容器的隔离导体，通过检测由所测电场产生的电容电场感应电流或感应电荷以获得电场强度^[6]。通常由探头，光纤，测量电路，显示单元等组成，用于测量空间电场。根据其要求，主要进行的工作如下：

（1）设计场强仪校准系统，深入理解产生匀强电场的方法，初步完成所需的机械设计。

（2）根据场强仪所设计的系统设计相应的电路，对所需的主电路元件型号选定，最后实现完整硬件电路设计。

1.3.2技术方案

场强仪校准系统的结构如图1.1所示。功率信号源采用以DDS技术为基础的芯片作为系统参考信号源，其优势主要有精度高、体积小、操作方便等。中间电路采用增益可调的功率放大电路，以保证输出信号的稳定性和精确性。升压电路选用变压器电路，可较为直接的提升信号源输出电压，以应对各类应用需求。

图1.1 场强仪校准系统

DDS使用的全数字频率合成技术由参考时钟、相位累加器、波形ROM、数模转换器（DAC）组成和低通滤波器（LPF）五部分组成^[7]，其功能结构如图1.2所示。

图1.2 DDS功能结构图

1.4 DDS的发展状况及意义

频率合成器在电子系统中的地位是无法被取代的，它对电子系统性能起到决定性的作用。随着现代无线电通讯技术的成熟，诸如移动通信，雷达和制导武器等系统对频率合成器的要求越来越高。频率合成技术发展的主要目标便是同时具有低相位噪声，高纯度频谱和高速敏捷的性能。频率合成技术发展至今已逐渐步入成熟阶段。目前最常用的频率合成方式有两种方式——直接混频级联和数字锁相环。随着数字集成电路的飞速成长，集成合成器和数字计算技术的频率合成方案层出不穷。数字技术解决方案也因大规模集成电路的应用具备了广阔的发展远景。

第2章 直接数字频率合成技术

2.1主要的频率合成方法比较

2.1.1直接频率合成

直接频率合成是由Finden提出的，是最早的频率合成方法。之后，通过混频，分频，倍频和带通滤波器完成变频和组合。大量的离散频率是我们实现频率合成的基础。合成方法大致可以分为两种基本类型：一种是非相关合成方法，另一种相关合成方法。这两种合成方法的主要差别在于所使用的参考频率源的数量是不同的。非相关合成方法使用多个晶体参考频率源，并且这些参考源分别提供各种所需的频率。其不足之处在于制造具有相同频率稳定性和准确度的多个晶体参考频率源的过程较为繁琐，且成本消耗大。而相关合成方法只使用一个晶体参考频率源。因此，合成器输出频率具有与参考源相同的稳定性和精确度，并且如今的直接频率合成技术大都使用该合成方法。直接频速率合成可实现快速频率转换和几乎任意高的频率分辨率，但电路的搭建需求更多的硬件设备。此外，难以抑制由于非线性导致的杂波干扰，并且难以实现高度的杂波抑制。

2.1.2锁相频率合成

第二代频率合成技术——锁相频率合成，使用模拟或数字锁相环的间接频率合成。最初的合成器使用模拟锁相环，其后发展出数模混合锁相环和全数字锁相环。数字相位检波器、分频器加模拟环路滤波器和电压控制振荡器是最常见的PLL组件。与直接频率合成不同，锁相频率合成的系统分析侧重于PLL跟踪噪声捕获性能和稳定性。它最初是由基于线性控制理论的伺服回路衍生出来的的，最早用于减少噪声对同步的影响，因此电视的同步问题已经有了很大改善。它主要是将包含噪声的振荡器放入锁相环，使其相位锁定在所需的信号上。这样，振荡器本身的噪声被抑制，并且其输出频谱被大大地净化。锁相频率合成技术让我们看到了一种不同的方法——从单个参考频率获得大量稳定和精确的输出频率，并且具有较宽的频率输出范围和简单的电路结构，性能好的同时也降低了成本。然而，锁相环频率合成技术也存在问题，比如其响应慢是其固有的缺点。由于是闭环控制，系统输出频率改变后，再稳定的时间较长。因此，PLL频率合成器具有十分低的频率分辨率和转换速率。

2.1.3直接数字频率合成（DDS）

直接数字频率合成（DDS），实现了更快的频率转换速度。随着数字技术的成熟，人们重新思考直接合成方法，便迎来了直接数字频率合成器（DDS）的诞生，这导致了第二频率合成技术的飞跃。它使用数字计算机和D/A转换器来生成信号——标志着第三代频率合成技术。DDS技术首先以非常小的间隔离散相位计算与这些相位的振幅值对应的正弦信号以形成振幅相位表。将其存储在DDS设备的ROM中，然后按照一定的相位 - 幅度转换算法得到结果，此时信号的幅度值是通过在DDS的ROM中查找得到的。最后，信号通过D / A转换器和低通滤波器形成频率合成技术，模拟正弦波或存储的波形。与传统的频率合成技术相比，DDS主要通过简单的加法，查表和其他数字信号处理来获得所需的信号。因此，它具有频率切换迅速，频率分辨率高，可连续的相位变化，输出信号的多重调制容易实现以及全数字集成等诸多优点。然而如何抑制跳动仍然是高速DDS亟待解决的问题。DDS期望的目标是能够开发直接应用于雨微波波段的DDS芯片，并且杂散抑制将在90 dB以上。

2.1.4混合式频率合成

为了扩大频率合成器输出信号的频率，产生了名为混合频率合成的典型频率合成器，它可以看作是直接数字频率合成（DDS）与传统的锁相频率合成器（PLL）结合应用。使用较小频率的DDS来确保较小的输出频率间隔，再使用PLL的宽带特性来确保频率覆盖的同时，也可以使用较高的参考信号频率来加速合成器频率转换速率。此方法设计简单，容易实现。但是，增加PLL会使系统失去其快速灵活的特性，使输出频率步进和转换速度成为矛盾。一些文献中提到了解决这一矛盾的探索工作。从上面可以看出，各种类型的电子系统需要越来越多的信号源，并且它们需要满足低相位噪声，快速变频，高频分辨率，宽带，小尺寸和低功耗。但目前没有任何一种方法可以达到所有的技术要求，因此，如何使这些参数最优化已成为研究的热点。

2.2直接数字频率合成技术的概述及特点

利用数字数据处理模块产生频率和相位可调输出信号的技术称为直接数字频率合成（DDS），其输出信号需基于具有固定频率的精密时钟源^[8]。从基本原理出发，在DDS系统的框架中，参考时钟频率根据可编程二进制调谐字中的比例因子“分频”。控制字长度一般为24到48位，这使得DDS能够提供出色的输出频率和调谐分辨率。

现如今，低成本、高性能、功能集成、小尺寸的DDS产品正迅速取代传统的频率捷变模拟合成器解决方案。完整的DDS解决方案 - 将高速，高性能D / A转换器和DDS架构集成到一个芯片上，此技术可以针对更广泛的应用范围，并在大多数情况下较好得取代了基于模拟的 PLL合成器。对于许多应用程序，DDS解决方案比采用PLL电路的等效捷变模拟频率合成器具有明显的优势。

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