微電子碩士論文開題報告范文精選

　　開題報告是寫畢業(yè)論文的第一個任務，其作用是闡述論文選題依據(jù)以及講述初步構(gòu)思的實驗思路，以下是小編搜集整理的微電子碩士論文開題報告范文，歡迎閱讀查看。

　　論文題目：多頻帶聲吶換能器匹配網(wǎng)絡以及線性功率放大器

　　一、選題背景

　　水下聲響設備發(fā)射機分為主動型聲吶設備發(fā)射機和被動型聲響設備發(fā)射機。聲吶發(fā)射器在主動聲響設備組成部分中占據(jù)很重要的地位，可以對整個系統(tǒng)的性能有很大的影響。聲吶發(fā)射機的作用是通過特定的電路產(chǎn)生特定的大功率電信號：源信號通過功率放大器以及匹配網(wǎng)絡提高其輸出效率和帶寬后，再經(jīng)過換能器將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號轄射到水介質(zhì)中去。在不同的聲吶設備系統(tǒng)中，選擇的換能器也不一樣，所以說發(fā)射機是特定的，面對特定的系統(tǒng)需要特定的發(fā)射機。隨著現(xiàn)在社會水聲探測應用和海底通信設備向?qū)拵�寬、低頻率、大功率方向發(fā)展來提高信號的作用距離，從而引起各個設備電路單元的變革；又隨著電子技術(shù)在高速、低功耗處理器方向的日益更新進步，發(fā)射機己經(jīng)無法適應系統(tǒng)在低功耗方向的要求，因為原有的發(fā)射器單元逐漸成為了整個主動聲吶設備系統(tǒng)中耗電最大的一個部分。更加急迫的是便攜式水下通信設備、便攜式水下探測設備等需要使用電池作為電源的聲吶設備提出對發(fā)射機越來越高的性能要求：包括高傳輸效率、低功率損耗。

　　二、研究目的和意義

　　換能器的匹配網(wǎng)絡和線性功率放大器的簡要說明給本文的設計提供了比較堅實的理論和研究基礎。由于在目前的對捕獲海魚的定位標記聲響系統(tǒng)應用研究里，這個系統(tǒng)主要由兩個窄帶帶寬的濾波器構(gòu)成，并且很多研宄都是把寬帶作為一個假設前提。這兩個窄帶帶寬濾波器在兩個頻帶之間利用開關(guān)進行切換，無法同時進行寬帶內(nèi)信號的探測和處理�；�于此現(xiàn)狀背景，本文中提出雙頻帶下聲吶換能器同時工作的匹配網(wǎng)絡設計，能夠提高整體的工作效率，降低成本。同時，為了減少換能器之間的干擾，提高系統(tǒng)的精準度，對系統(tǒng)設計的線性度有較高要求。在接下來的論述里，將首先就此聲吶系統(tǒng)的設計進行一個總體的說明，一些基礎的理論和系統(tǒng)的專門知識也會在正文開始部分進行一個較為精簡的闡述，為后文中的分析鋪塾。之后概述聲吶匹配網(wǎng)絡的分析，由于本文研究的頻帶范圍較寬，從IkHz到IMHz，換能器的阻抗隨寬帶頻率變換特性頻繁，所以利用MATLAB軟件編寫了從IkHz到IMHz范圍內(nèi)的匹配網(wǎng)絡算法程序。繼而再提出整個系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案：系統(tǒng)的實現(xiàn)將被分成幾個子部分進行講解，包括無源器件構(gòu)成的聲響換能器模型，換能器匹配網(wǎng)絡以及線性功率放大器。在匹配網(wǎng)絡部分，將就單頻帶下的帶通貝塞爾濾波器和傳統(tǒng)的利用開關(guān)轉(zhuǎn)換的雙頻帶匹配網(wǎng)絡以及本文提出的雙頻帶下同時工作的無需切換的匹配網(wǎng)絡進行單獨的討論。最后，就電路的硬件實現(xiàn)以及實際測試給出數(shù)據(jù)結(jié)果以及仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比分析。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　在很早期時，聲吶換能器的等效電路的概念就已經(jīng)被前人提出并且進行了大量研宄和應用[1]。文章[1]中提出這個聲響換能器的等效電路模型是由電感，電容以及電阻構(gòu)成的無源電路結(jié)構(gòu)，由于本文中所研究頻帶是從IkHz到IMHz的寬頻帶范圍，聲吶換能器的阻抗隨頻率點的變化的范圍也比較大，所以需要進行聲響換能器的寬帶匹配網(wǎng)絡設計。換能器的等效電路模型雖然己經(jīng)被有所研宄，但是這個等效電路模型并不總是以一樣的參數(shù)和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，系統(tǒng)不同，使用的換能器也不同，具體要求也不同。聲響換能器會受到環(huán)境等很多因素的影響，在不同的環(huán)境中受到的影響不同則會隨之呈現(xiàn)不同的性能導致其模型參數(shù)也不同。這些影響因子主要包括自然環(huán)境條件例如溫度、壓力以及各種人為因素、多個換能器之間的相互影響以及普遍存在的老化過程。這些影響因素會使得聲響換能器的屬性發(fā)生些許偏移，從而導致其等效電路模型的參數(shù)值發(fā)生變化。一旦換能器的等效電路模型參數(shù)值變化，則會影響原本的聲吶換能器匹配網(wǎng)絡不再匹配。這有可能會造成電路頻帶部分偏移或者電路系統(tǒng)完全工作失誤，從而導致聲明系統(tǒng)徹底失效。在海軍的聲吶應用領域里，IkHz到lOkHz通常被定義為中頻，lOOHz到500Hz被定義為低頻段。從上述中我們已經(jīng)知道本文中研究的頻帶為IkHz到IMHz，這個頻帶被分成兩個頻率段，以頻率650kHz為分界點，從IkHz到650kHz在此文中被定義為低頻段，而從650kHz被定義為高頻段范圍，這是相對于文中的頻率而言。在正式介紹本文的工作之前，先對前人的研究做一個簡單的總結(jié)：R。Ramesh和D。D。Ebenezer在其論文[5]中提到，換能器等效電路不僅僅是聲吶換能器需要，也是功率放大器的設計需要考慮的，因為功率放大器的設計是用來驅(qū)動匹配網(wǎng)絡和聲吶換能器的，匹配網(wǎng)絡在一定程度上影響了功率放大器的效率。在Ramesh以及Ebenezer的這篇論文中，對于雙頻帶下興趣頻段的等效電路做了介紹以及電路的仿真，并且給出了其仿真波形。文中提到等效電路是由三個電路串聯(lián)橋臂互相并聯(lián)而成。這三個串聯(lián)橋臂分別是：其中一個橋臂是由一個單獨的電容構(gòu)成，這個電容被稱之為并聯(lián)電容；另一個橋臂和第三個橋臂結(jié)構(gòu)相同，都是由相同的元器件構(gòu)成，這些元器件包括靜態(tài)電容，靜態(tài)電感以及一個電阻，雖然是相同的元器件，但是是不同的數(shù)值。為了得到在雙頻帶下?lián)Q能器的等效電路模型，R。Ramesh利用了最小二乘逼近方法。在全篇論文中，強調(diào)的重心都放在了利用最小二乘逼近法的改善上，通過對這個方法的改進，盡可能的減少模型與真實換能器之間的誤差，提高其精度。在進行最小二乘法之前，需要先提供元器件的初始值，利用這些初始值作為迭代方法的初始條件，然后進行不斷的迭代去逼近真實的換能器。這些改善的方法用來盡可能的減小各個頻率點的差值平方的總和，這些差值平方是由測量的數(shù)值和計算的數(shù)值得到的方程結(jié)果[5]。同時，采用微分和偏微分的數(shù)學方法進行二乘法的改進。最后，作者將初始數(shù)值，改進后的數(shù)值以及精度都陳列在數(shù)據(jù)表格中。從表格中可以看出，大部分的數(shù)值都得到了很大程度的改善。

　　而在論文[6]和論文[7]中，主題都是關(guān)于濾波器的設計。首先，在F。N。KU陳述在文章[6]中的主要介紹了貝塞爾濾波器以及其改善方法，貝塞爾濾波器有其最大的一個特征是這個濾波器擁有很好的線性相位響應。文章對貝塞爾濾波器的介紹主要提到了貝塞爾濾波器的網(wǎng)絡綜合，貝塞爾方程多項式，貝塞爾濾波器完整的電路表格。這些基礎的知識介紹帶來貝塞爾濾波器的數(shù)學理論模型，這些可以幫助我們更好的了解貝塞爾濾波器的電路結(jié)構(gòu)以及對這個濾波器的設計有一個接觸的框架了解。在基礎的介紹后，作者提出了一些爭對高階濾波器下存在的問題的解決方法。這些問題是：隨著貝塞爾濾波器的階數(shù)越來越高，計算的精度問題也就變得愈加突出。最后，作者就電路結(jié)構(gòu)在有匹配考慮和沒有匹配考慮的兩種情景下的插入損耗做出了一個比較，用三個表格和兩個圖表給出了比較的結(jié)果。從那些圖表中，我們可以得出插入損耗在貝塞爾濾波器的階數(shù)高于七階后保持相對穩(wěn)定，但是這個濾波器的群延時會相對延長隨著濾波器的階數(shù)設計的增高。另外，在論文[7]中，C。Bowick主要提到了不同的濾波器設計的比較，包括巴特沃斯，切比雪夫以及貝塞爾濾波器，包括這些濾波器在低通高通帶通以及帶阻下的性能研宄和比較。在論文[15]中，作者提出用MathCAD程序進行巴特沃斯濾波器的設計。但是這篇文章所論述的方法只能限于巴特沃斯濾波器的應用，無論是低通帶通還是高通情況下。首先，作者利用巴特沃斯濾波器的傳輸函數(shù)和反射系數(shù)方程計算出各個元件器的數(shù)值。這個算法的最大優(yōu)點是階梯型的濾波器的元器件數(shù)值計算不需要依賴于標準的巴特沃斯的系數(shù)。這個方法只需要部分參數(shù)值例如帶寬，阻帶頻率，信號源電阻以及負載電阻值。然后MathCAD程序會對所有的元器件數(shù)值進行計算，基于給出的參數(shù)值。最后，作者建立并且仿真了低通巴特沃斯濾波器和帶通巴特沃斯濾波器。不過，這個方法仍舊有其不足之處，因為此方法只能在了解一些必要的參數(shù)值的前提下進行。并且這個程序算法爭對巴特沃斯濾波器。大部分的論文閱讀都是爭對我們提過的換能器和濾波器。不能忽視的是，換能器和匹配網(wǎng)絡都是由功率放大器進行驅(qū)動的，就像我們之前討論的，功率放大器用來提高信號的功率，提高功率的轉(zhuǎn)換效率。在本論文中，線性功率放大器設計在信號源和換能器匹配網(wǎng)絡之間，功率放大器對信號源出來的信號進行放大后進入匹配網(wǎng)絡，從而達到換能器被轉(zhuǎn)換成聲波信號，達到對匹配網(wǎng)絡和換能器驅(qū)動的效用。由于功率放大器在電路中的重要功能，目前也有很多關(guān)于如何提高功率放大器性能的研究工作。例如，在J。Yim和他的同事在論文[21]中提到的D類推挽功率放大器，這個功率放大器工作在很高的電壓源下，同時擁有比較高的效率。

　　四、本文研究的主要內(nèi)容

　　論文的主要工作是在設計實現(xiàn)符合聲響系統(tǒng)需求的聲吶系統(tǒng)寬帶聲吶換能器E配電路以及線性功率放大器。需達到的任務有：1，測量出商業(yè)聲吶換能器的輸入阻抗值，2利用MATLAB建立關(guān)于聲響換能器的模型，并且利用MATLAB得出換能器輸入阻抗計算的數(shù)值，3設計建立基于濾波器設計的E配網(wǎng)絡的單帶寬的匹配系統(tǒng)，并且進行驗證，4對基于諧波法得出的雙頻帶濾波器的匹配網(wǎng)絡，利用MATLAB進行合適的設計算法，由此算法得到我們需要的帶寬。在此基礎上進一步的任務為：1，驗證測試實際情況下的寬帶雙頻帶下基于濾波器設計的匹配網(wǎng)絡的性能，2利用LTSpice設計并且建立對超線性功率放大器的仿真，此線性功率放大器應擁有較少的諧波失真。

　　五、寫作提綱

　　致謝5—6

　　摘要6—7

　　ABSTRACT7—8

　　1序言9—12

　　2引言12—18

　　3聲吶匹配網(wǎng)絡分析18—20

　　4系統(tǒng)設計20—26

　　4。1系統(tǒng)框圖20—22

　　4。2濾波器分析22—24

　　4。3濾撥器類型選擇24—26

　　5系統(tǒng)實現(xiàn)方案26—56

　　5。1換能器等效電路27—34

　　5。1。1方法27—30

　　5。1。2仿真30—33

　　5。1。2。1低頻帶30—31

　　5。1。2。2高頻帶31—33

　　5。1。3換能器模型的電路總結(jié)33—34

　　5。2匹配網(wǎng)絡34—53

　　5。2。1方法34—48

　　5。2。1。1單頻帶帶通貝塞爾濾波器34—45

　　5。2。1。2雙頻帶帶通貝塞爾濾波器45—48

　　傳統(tǒng)方法45—47

　　定義45—46

　　電路46

　　計算46—47

　　雙頻帶同時工作的貝塞爾帶通濾波器方法47—48

　　5。2。2仿真48—53

　　5。2。2。1單低頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結(jié)果48—49

　　5。2。2。2單高頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結(jié)果49—50

　　5。2。2。3傳統(tǒng)雙頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結(jié)果50—52

　　5。2。2。4同時工作雙頻帶帶通貝塞爾濾波器仿真結(jié)果52—53

　　5。3線性功率放大器53—56

　　6測試56—64

　　6。1貝塞爾濾波器測試56—64

　　6。1。1測試系統(tǒng)56

　　6。1。2水下聲吶換能器測試數(shù)據(jù)圖56—57

　　6。1。3聲吶換能器匹配網(wǎng)絡水中測試57—63

　　6。1。4測試結(jié)果分析63—64

　　7結(jié)論64—65

　　參考文獻65—68

　　六、目前已經(jīng)閱讀的主要文獻

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　　[3]。W。K。Chen，Linearnetworksandsystems，BROOKS/COLEENGINEERINGDIVISION18：0201/07/2014

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