当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

宽带直流放大器的设计


目录
摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ..............................................

...............................................................II 第一章 前言 ............................................................................................................ 1 1.1 概述 ............................................................................................................ 1 1.2 宽带直流放大器的应用前景 ...................................................................... 1 1.3 课题研究的主要工作 ................................................................................. 2 1.3.1 课题研究内容 ................................................................................. 2 1.3.2 预期目标 ......................................................................................... 2 1.3.3 本课题研究的难点 ........................................................................... 3 第二章 系统整体设计方案 ..................................................................................... 4 2.1 宽带直流放大器的基本原理 ..................................................................... 4 2.2 主要模块比较与选择 ................................................................................. 4 2.2.1 主放大器方案比较与选择 ............................................................... 4 2.2.2 增益控制电路方案的比较与选择 ................................................... 5 2.2.3 功率放大电路方案的比较与选择 ................................................... 6 2.2.4 后级放大电路的比较与选择 ........................................................... 6 2.2.5 有效值测量电路的比较与选择 ....................................................... 7 2.2.6 稳压电源部分的比较与选择 ........................................................... 7

I

2.2.7 数据处理和控制核心选择 ............................................................... 7 2.3 系统框图设计 ............................................................................................ 7 第三章 理论分析与计算 ......................................................................................... 9 3.1 宽带增益积 ................................................................................................ 9 3.2 通频带内增益起伏控制 ........................................................................... 10 3.3 线性相位 ..................................................................................................11 3.4 抑制直流零点漂移 .................................................................................. 12 3.5 放大器稳定性 .......................................................................................... 12 第四章 系统硬件电路设计 ................................................................................... 14 4.1 跟随、反相电路的设计 ........................................................................... 14 4.2 差分放大电路的设计 ............................................................................... 15 4.3 增益控制电路的设计 ............................................................................... 16 4.4 补偿电路的设计 ...................................................................................... 16 4.5 后级功率放大电路的设计 ....................................................................... 17 4.6 各级增益控制的设计 ............................................................................... 17 4.7 通频带选择网络的设计 ............................................................................ 18 4.8 程控放大电路的设计 ............................................................................... 19 4.9 电源模块的设计 ...................................................................................... 19 第五章 系统软件设计 ........................................................................................... 21

II

5.1 STC89C51RC/RD+系列单片机简介 ......................................................... 21 5.2 stc89c52 的定时/计数器编程的相关寄存器介绍 ...................................... 22 5.2.1 定时器/计数器方式控制寄存器 TMOD ......................................... 22 5.2.2 定时器控制寄存器 TCON ............................................................. 22 5.2.3 中断允许控制寄存器 IE ................................................................ 23 5.3 软件流程图 .............................................................................................. 23 第六章 系统测试 .................................................................................................. 25 6.1 测试使用仪器与设备 ............................................................................... 25 6.2 测试方案与测试结果 ................................................................................ 25 6.2.1 测试方法 ....................................................................................... 25 6.2.2 测试结果与分析 ............................................................................ 25 6.2.3 误差产生原因 ............................................................................... 27 6.3 设计和调试中遇到的问题 ....................................................................... 28 6.3.1 带宽增益积 ................................................................................... 28 6.3.2 通频带内增益起伏控制 ................................................................ 29 6.3.3 抑制直流零点漂移 ........................................................................ 29 6.3.4 放大器稳定性 ............................................................................... 30 第七章 结束语 ...................................................................................................... 31 参考文献 ................................................................................................................ 32

III

致 谢 ..................................................................................................................... 33

IV

潍坊学院本科毕业设计(论文) 宽带直流放大器的设计 摘要
本作品基于压控放大器设计,由前级放大模块、增益控制模块、后级功率放 大模块、A/D(D/A)模块、显示模块和电源模块组成。采用 STC89c52 单片机作为 微控制器,以可编程增益放大器 AD603 为放大电路的核心,设计并制作了具有 增益预置和程控等功能的宽带直流放大器及所使用的直流电源。由 AD603 级联 组成增益放大器,实现增益-20~60dB 范围内可按 5dB 步进调节或连续可调,且 在 0~9MHz 通 频 带 内 增 益 起 伏 在 1dB 以 下 ;互 补 三 极 管 射 级 跟 随 高 功 率 输出 在 50 负载上最 大输出电压有效值 Vo≥10V,波形无明显失真 ;功放输出信号经有效 值检波后,通过 10 位 A/D 转换芯片 TLC1549,将模拟电压的有效值转换成数字 信号,并送微控制器实现增益预置与显示。 作 品 通 过 实 验 完 成 , 并 制 作 成 实 物 。 设 计 采 用 压 控 增 益 器 件 AD603, 进 行 合理的级联和阻抗匹配,加入后级功率输出,并能进行预置和控制,稳定性好, 可控范围大。整个作品制作成本低、功耗小,除个别指标未能达到设计要求外, 其它全部达到设计要求。 关键词 : 压控放大器 AD603 程控增益 直流放大

I

潍坊学院本科毕业设计(论文) The Design of Wideband DC Amplifier ABSTRACT
This work is based on pressure controlled amplifiers, A former design amplifier module and gain control module, the power amplifier module, A/D (D/A) module, display module and power supply module. STC89c52 adopts single -chip

microprocessor controller, with a programmable gain AD603 amplifier for amplifying circuit, the core of which is preset and gain the function such as programmed -control dc amplifier and use of broadband of dc power supply. By AD603 cascade composition gain amplifiers, realize gain - 20 ~ 60dB range according to 5dB step regulation or continuous adjustable, and in 0 ~ 9MHz bandpass within 1dB below; and gain in Complementary triode shot with high power output level 50 largest load voltage waveform 10V experiment.it Vo RMS, without apparent distortion, The power output signal detection, the RMS by 10 A/D conversion chip TLC1549, simulation of the RMS voltage conversion into digital signals, and realize gain preset with micro-controller. Through experiments, and complete works into real. Design using pressure control, reasonable AD603 device gain the impedance matching, and join the power output, and preset and control, good stability, controllable scope. The work of low cost, low consumption, in addition to the indivi dual indexes to meet the design requirements, all other to meet the design requirements. KEY WORDS:Pressure controlled amplifiers;AD603;program-controlled gain; integrat ed operational ampli fier

II

潍坊学院本科毕业设计(论文) 第一章 前言
1.1 概述
放大器能把输入信号的电压或功率放大的装置,由电子管或晶体管、电源 变 压器和其他电器元件组成。放大器的原理是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。

1.2 宽带直流放大器的应用前景
随着微电子技术的发展,人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地 传送多媒体信息。于是,无线通信技术得到了迅猛的发展,技术也越来越成熟。 而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。由此可知,宽 带放大器在通信系统中起到非常重要的作用,于是人们也对它的要求也越来越 高。直宽带放大器在科研中具有重要作用,宽带运算放大器广泛应用于 A∕D 转 换器、D∕A 转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等电路。例如在通

1

潍坊学院本科毕业设计(论文)
讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。因此宽带直流放大器应用十分 广泛,有非常好的市场前景。 宽带直流能够放大直流信号或变化极其缓慢的交流信号,它广泛应用于自动 控制仪表,医疗电子仪器,电子测量仪器等。目前在无线通信、移动电话、卫星 通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DBS)、 ITS 通信技术及毫米波自动 防撞系统等领域有着广阔的应用前景,在光传输系统中,宽带 直流放大器也同样 占有重要地位。在无线通信、电子战、电磁兼容测试和科学研究等领域,对射频 和微波宽带放大器有极大需求,且这些领域对宽带放大器要求各不相同,特别 是 在通信系统和电子战系统的应用中,对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有特 殊要求。在设计上传统窄带放大器的端口匹配,一般是按照低噪声或者共扼匹配 来设计的,以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率。但是,在宽带的条件 下,输入∕输出阻抗变化是比较大的,此时使用共扼匹配的概念是不合适的 。 这些电路要求运算放大器具有较高的频带宽度,电压增值。为此,以可变增 益放大器 AD603 为核心,设计一种可编程宽带运算放大器。

1.3 课题研究的主要工作
1.3.1 课题研究内容
本课题基于压控放大器设计,由前级放大模块、增益 控制模块、后级功率放 大模块、A/D(D/A)模块、显示模块和电源模块组成。采用 STC89c52 单片机作为 微控制器,以可编程增益放大器 AD603 为放大电路的核心,设计并制作了具有 增益预置和程控等功能的宽带直流放大器及所使用的直流电源。由 AD603 级联 组成增益放大器,实现增益-20~60dB 范围内可按 5dB 步进调节或连续可调,且 在 0~9MHz 通频带内增益起伏在 1dB 以下;互补三极管射级跟随高功率输出在 50 负 载 上 最 大 输 出 电 压 有 效 值 Vo≥ 10V, 波 形 无 明 显 失 真 ;功 放 输 出 信 号 经 有 效值检波后,通过 10 位 A/D 转换芯片 TLC1549,将模拟电压的有效值转换成数 字信号,并送微控制器实现增益预置与显示。

1.3.2 预期目标
(1)电压增益 AV≥40dB,输入电压有效值 Vi≤20mV。AV 可在 0~40dB

2

潍坊学院本科毕业设计(论文)
范围内手动连续调节。 (2)最大输出电压正弦波有效值 Vo≥2V,输出信号波形无明显失真。 (3)3dB 通频带 0~5MHz;在 0~4MHz 通频带内增益起伏≤ 1dB。 (4)放大器的输入电阻≥ 50,负载电阻(50±2)。 (5)设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。 (6)最大电压增益 AV≥60dB,输入电压有效值 Vi≤10 mV。 (7)在 AV=60dB 时,输出端噪声电压的峰-峰值 Vonpp≤0.3V。 (8)3dB 通频带 0~10MHz;在 0~9MHz 通频带内增益起伏≤ 1dB。 (9)最大输出电压正弦波有效值 Vo≥10V,输出信号波形无明显失真。 (10)进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。 (11)电压增益 AV 可预置并显示,预置范围为 0~60dB,步距为 5dB(也 可以连续调节);放大器的带宽可预置并显示(至少 5MHz、10MHz 两点)。

1.3.3 本课题研究的难点
(1)抑制直流零点漂移 实际设计电路时,输出漂移较为明显,由实验测得,单级 OPA620 产生的零点漂 移是负漂移。中放设计中我们抑制漂移的方法是,输入信号从第一级运放的正向 端输入,输出至第二级运放的反向输入端,且由放大倍数相同和选用元件参数尽 可能一致,这种方法可使相邻两级的漂移相互抵消,可达到抑制漂移的目的。 (2)通频带内增益起伏控制及放大电路的稳定性 设计电路电压增益在通频带内波动较明显,通过对各级放大电路进行频率补偿, 在电源端增加去耦 0.1uF 和 100uF 电容,电容电阻的引线部分要尽可能的短,并 且采用屏蔽盒对系统电路板进行屏蔽。实验证明,可有效抑制通频带内增益起伏 的变化,同时增加了放大器的稳定性。

3

潍坊学院本科毕业设计(论文) 第二章 系统整体设计方案
2.1 宽带直流放大器的基本原理
该直流宽带放大器的基本工作原理是利用 STC89c52 单片机作为微控制器。 放大电路由前级放大、程控放大和功率放大三部分组成。通过有效值检波电路, 将 输 出 电 压 的 有 效 值 经 过 AD 转 换 电 路 , 把 输 出 模 拟 电 压 有 效 值 转 换 成 数 字 信 号,送给微控制器处理并显示。单片机通过键盘预置输出电压,把预置输出值同 A/D 采集回来的输出电压有效值相比较。经微控制器数据处理后,通过 D/A 输 出的电压值调节程控放大器的放大倍数,使输出值达到预设值。从而形成一个闭 环控制系统。 输入信号经前级放大后经一个射随器进入可控增益放大,其放大倍数由单片 机通过 D/A 转换器调整 AD603 的控制电压 Vg 并根据公式:增益 GAIN=40× Vg+20(dB)来设定。而在 AGC 模式下,此控制电压 Vg 是由 AGC 电路的反馈 电压得到,不受单片机控制。经可控增益放大后的信号最后进过功率放大得到需 要的输出信号,前级和后级的增益搭配,都是经过精确的测量和计算的。输出电 压经有效值检波得到峰值电压并反馈到单片机,经运算和线性补偿得到有效值, 同时由单片机推到数码管显示出来。

2.2 主要模块比较与选择
2.2.1 主放大器方案比较与选择
方案一:采用分立元件设计。此方案元器件成本低,但设计复杂度较大,并 且由于受到众多寄生元件的影响,调试工程复杂且周期长,频率高时更突出。因 此此方案在长时间内难以保证可靠性和指标,也不便于维护。 方案二:采用高速宽带集成运放设计。此方案的优点是电路实现简单,指标 和可靠性容易得到保证,易于电路分析和调试,为可取方案。 经比较,采用方案二,即采用高速宽带集成运放设计主放大器及输入输出电 路。根据题目直流放大器的要求。为了很好的解决温漂问题,故选择采用差分放 大电路。

4

潍坊学院本科毕业设计(论文)
2.2.2 增益控制电路方案的比较与选择
方案一:采用高速乘法器型 D/A 实现。由 D/A 转换器的 Vref 作信号参考, D/A 的输出端作输出,用 D/A 转换器的数字量输入端控制,传输衰减实现增益 控制。该方案简单易行,但当信号的频率较高时,系统容易发生自激,因此不选 择此方案。 方案二:DAC 控制增益。如图 2.1,输入信号放大后作为基准电压送给 DAC 的 Vref 脚,相当于一个程控衰减 器。再接一级放大,这两级放大可实现要求的 放大倍数。输出接到有效值检测电路上,反馈给单片机。单片机根据反馈调节衰 减器,实现 AGC。还可通过输入模块预置增益值,控制 DAC 的输出,实现程控 增益。但增益动态范围有限,故不采用。
Vref 输出

放大

DAC

放大

单片机

峰值检测

图 2.1 增 益控 制 部分 方 案二 示 意图

方 案 三:电压控制增益。如图 2.2,信号经缓冲器后进入可编程增益放大 器 PGA--AD603, 放 大 后 进 入峰 值 测 量 部 分 , 得 出的 峰 值 采 样 后 送 入 单片 机 , 再 由 DAC 输出给 AD603 控制放大倍数,实现自动增益控制。同时可通过输入模块设 置增益值,控制 DAC 的输出,实现程控增益放大。
输入 缓冲器 AD603

单片机 基准 电压源 ADC

DAC

峰值检测

图 2.2 增 益控 制 部分 方 案三 示 意图

5

潍坊学院本科毕业设计(论文)
2.2.3 功率放大电路方案的比较与选择
为 使 在负 载 为 50 电 阻上 最 大 输出 电压 正 弦 波有 效 值 Vo≥10V, 且 波形 无 明显失真,需进行功率放大输出。 方案一:采用带宽增益积大的运算放大器制作多级放大电路。以 OPA842 和 OP37 为例,利用 OPA842 带宽增益积大的特点,使输入的小信号充分放大,再 用 OP37 或其他高压运放放大至有 效值 10V。这种方法采用电位器或者数字电位 器连续调节放大倍数,设计简洁,但是要实现数字控制的可控对数增益很不方 便。 方案二:互补三极管射级跟随输出。两只三极管轮流供电给负载电流,工作 效率高。输入信号通过耦合至三极管的基极,所以对交、直流信号都可跟随。但 是跟随信号范围不宽,在高频时幅度有些许衰减。 方案三:使用电流缓冲器 BUF634 其单位增益带宽可在 30M~180M 变化, 最大输出电流为 250mA 为了实现在 50 负载电阻上输出信号波形无明显失真, 用两片 BUF634 并联提高驱动能力。但是价格昂贵,制作成本高。 通过分别测试、比较上述三种方案:方案一调整增益不便,方案二的增益达 不到题目要求,方案三能够很好的满足要求,最终选择方案三。

2.2.4 后级放大电路的比较与选择
由于 AD603 的最大输出电压较小,不能满足题目要求,所以前级放大信号 需经过后级功率放大达到更高的输出有效值。 方案一:使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能 稳定、有详细的文档说明。可是题目要求输出 10V 以上有效值,而在电子市场很 难买到这样的芯片,而且很容易发生工作不稳定的情况。 方案 二 :使 用 分 立元 件 设 计 后级 放 大 器。 使用 分 立元 件 设 计困 难 ,调 试 繁 琐 , 可 是 却 可 以 经 过 计 算 得 到 最 合 适 的 输 入 输 出 阻 抗 、 放 大 倍 数 等 参 数 ,电 阻 电 容 可 根 据 需 要 更 换 , 在 此 时 看 来 较 集 成 电 路 灵 活 。 因 此 ,我 们 决 定 自 行 设 计 后 级 放 大 器。

6

潍坊学院本科毕业设计(论文)
2.2.5 有效值测量电路的比较与选择
方案一:采用真有效值转换器件 AD637 测量,直接输出被测信号的真有效 值。这样可以实现对任意波形的有效值测量。但 AD637 可测量的有效值最大为 7V,不能满足发挥部分输入有效值大于 10V 的要求。 方案二:采 用峰值检 波测量。采 用峰值检 波电路,检 出峰值 经 A/D 转换后 由单片机转换为有效值。电路简单可靠,但前提是信号是正弦波,否则误差较 大。考虑到本题要求测量的是标准正弦波,因此选择本方案。

2.2.6 稳压电源部分的比较与选择
方案一:线性稳压电源。其中包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复 杂,效率低,仅用于对调整速率和精度要求较高的场合;串联型电路比较简单, 效率稍高,虽然方便可靠,但还是满足不了高效率的要求。 方案二:开关稳压电源。此方案效率高,虽然理论电路复杂,但是如果使用 开关电源集成芯片,只需在外围加少量器件,即可达到题目中高效率的要求。所 以电源模块选择方案二中的开关稳压电源。

2.2.7 数据处理和控制核心选择
方案一:采用单片机 AT89S52+FPGA 来实现信号增益控制、数据处理和人机界 面控制等功能。由于本系统不涉及大量的数据存储和复杂处理 ,FPGA 的资源得不 到充分利用, 成本较高. 方 案 二:采用 STC89c52 单片机 实现整个 系统的统一控制和数 据处理。而单 片机 STC89c52 是一种 16 位超低功耗微处理器, 具有丰富的片上外设和较强的 运算能力, 支持在线编程, 使用十分方便 , 性价比高。故采用方案二

2.3 系统框图设计
综上所述,该系统的总体框图设计如图 2.3 所示。

7

潍坊学院本科毕业设计(论文)
输入 前级放大电路 AD603 调零放大器 椭圆滤波器 5MHz/10MHz 后级程控放 大 未级功率 放大器

单刀双掷开关

双通道D/A 单片机内部 AD采样 控制继电器 切换 键盘

负载

连续可调 电位器

单片机 STC89c52

LCD

图 2.3 系统 总 体框 图

本系统采用单片机 STC89c52 作为数据处理和控制核心。输入信号经过前级 放大电路、后级程控放大和末级功率放大,实现了 90dB 的最大电压增益。后级 功率放大器使用高电压输出的宽带运放,提高了输出电压有效值。单片机通过 D/A 转换器调整 AD603 的控制电压,通过继电器切换后级程控放大电路通道,实 现了放大器增益的预置和控制功能,大大提高了系统的精度和可控性。通过切换 两路椭圆滤波器实现了通频带选择。手动调节连续可调电位器 ,连续改变 AD603 的控制电压,实现了增益连续调节功能。本放大器的直流偏置电压和直流零点漂 移主要由 AD603 输出端引入,AD603 增益不同时,输出的直流偏置电压不同。将 本直流放大器输入短路,用 STC89c52 单片机内部 ADC 对直流偏置电压采样,利 用单片机和数字算法控制 D/A 转换器输出对应的调节电压,控制调零放大器调节 直流偏置电压为零,既抑制了直流零点漂移,又实现了自动调零校准功能。

8

潍坊学院本科毕业设计(论文) 第三章 理论分析与计算
3.1 宽带增益积
带 宽增 益积 (GBP)为 带宽 与增 益 的乘 积, 描述 的 是某 一 种 运放 的一 个 固有 特 性,是一个恒值。当增益提高时,相应的带宽变窄;同理增益降低时,相应带宽 就变宽。 AD603 主 要 有 三 种 工 作 模 式 : 当 脚 5 和 脚 7 短 接 时 , AD603 的 增 益 为 40Vg+10,这时 的增 益范围 -10dB~ 30dB,带宽为 90Mhz。当脚 5 和脚 7 断开 时,其增益为 40Vg+30,这时的增益范围为 10dB~50dB。带宽为 9Mhz;当 5 脚和 7 脚接上电阻,其增益与带宽范围将处于上述两者之间。本设计采用脚 5 和 脚 7 短接模式,两个 AD603 级联增益范围为-20~60dB,带宽约为 80MHZ,带宽 增益积超过 1000MHZ,完全满足题目设计要求。 电压增益:AV=20LOG(Vo/Vi) 电 压 增 益 AV≥40dB , 不 是 指 输 出 电 压 幅 值 除 以 输 入 电 压 幅 值 , 而 是 指 20×LOG(输出电压幅值/输入电压幅值),也就是输出输入电压的商的 10 为底 的对数的 20 倍。40db 表示输出电压与输入电压之比为 100 倍。 根 据 系 统 功能 要 求 , 最 大 电 压 增 益 AV ≥60dB, 3dB 通 频 带 0~ 10MHz, 增益带宽积 GBW=AV×Bw,得出 GBW=600MdB。 OPA620 集成运放的开环增益带宽积为 200MHz,为满足系统最大通频带为 10MHz 的要求,由 OPA620 构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于
A(dB) ? 增益宽带积 200MHz ? ? 20dB 10MHz 10MHz

(3-1)

由 OPA620 的幅频和相频特性(如图 3 所示)得,当单级闭环放大器的增益 为 20dB 时,线性相位为零的最大频率约为 3MHz<10MHz,由此得出当单级闭 环增益 16dB 时,通频带为 12.5MHz,满足通频带带宽的设计要求。若同时获得 60dB 电压增益,至少需要四级放大。第一级放大器,取 R1=100,R2 =100,由 公式
20lgAv1 ? 20 lg(1 ? R3 ) ? 16dB R2

(3-2)

9

潍坊学院本科毕业设计(论文)
得 R3=530,Av1 =6.3 倍;同理可得第二级放大器:R6 =630,Av2 =6.3 倍。

3.2 通频带内增益起伏控制
根据带宽增益积的原理:当频率变化时,增益也将发生起伏变化。为实现 0~9MHz 通频带内增益起伏 1≤dB,采用单片机、A/D 与 D/A 构成反馈闭环控 制系统。通过采用 10 位 A/D 芯片 TLC1549,对负载电压的实时采集、分析再经 10 位高精度 D/A 芯片 TLC5615 控制 AD603 压控脚从而达到增益起伏≤ 1dB。 通频带:用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。 下 限 截 止 频 率 fL: 在 信 号 频 率 下 降 到 一 定 程 度 时 , 放 大 倍 数 的 数 值 明 显 下 降,使放大倍数的数值等于 0.707 倍的频率称为下 限截止频率 fL。 上 限 截 止 频 率 fH: 信 号 频 率 上 升 到 一 定 程 度 时 , 放 大 倍 数 的 数 值 也 将 下 降,使放大倍数的数值等于 0.707 倍的频率称为上限截止频率 fH。 通频带 fbw:fbw=fH-fL 或者 定义 为:在 信号传 输系 统中 ,系 统输出 信号 从最 大值 衰减 3dB 的信 号 频率 为 截止 频 率 , 上 下截 止 频率 之 间的 频 带称 为 通频 带 , 用 BW 表示 通 频带 越 宽,表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强 。
I

1 0.707

f
f1 f0 f2

图 3.1 f1-f2 之间 为 宽 频带

在 通 频 带 内 由 于 AD829 放 大 频 带 增 益 不 平 均 , 在 通 频 带 带 宽 内 4MHz 和 8MHz 左右增益小于预期值,故需要进行增益补偿。在差分放大电路里 J5 接口 并联一 15pF 电容增加 8MHz 频带左右的交流通路,在交流通路的第二级和第三

10

潍坊学院本科毕业设计(论文)
级 之 间 的 电 阻 并 联 100pF 电 容 增 加 4MHz 的 交 流 通 路 , 补 偿 4MHz 频 带 的 增 益。 在 两 级 6.3 倍 ( 16dB) 单 闭 环 放 大 器 级 联 后 , 再 级 联 一 级 可 变 增 益 放 大 器 ( AD603),以实现对电压增益预置和步进的控制,如图 5 所示。AD603 增益 与控制电压的关系为 AG(dB)=40Ug+10,输入控制电压 Ug 由 AD603 的 1 脚 输入,控制电压范围为-0.5~+0.5。单片机可以通过 D/A(将数字量转换为对应的 模 拟 电 压 量 Ug) 来 控 制 AD603 的 放 大 倍 数 , 中 放 的 最 大 增 益 =AGdB+16dB× 2。设计时 Ug 取值范围为-0.5~0,从而实现增益从 22dB 到 42dB 可控,并能实 现增益为 5dB 步进。 AD603 当脚 5 和脚 7 短接时,AD603 的增益为 40Vg+10,这时的增益范围 在 -10~ 30dB。当脚 5 和脚 7 断开时,其增益为 40Vg+30,这时的增益范围 为 10~50dB。 如果在 5 脚和 7 脚接上电阻,其增益范围将处于上述两者之间。 AD603 的 增 益 控 制 接 口 的 输 入 阻 抗 很 高 , 在 多 通 道 或 级 联 应 用 中 , 一 个 控 制电压可以驱动多个运放;同时,其增益控制接口还具有差分输入能力,设计时 可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。

3.3 线性相位
线性相位:一个单一频率的正弦信号通过一个系统,假设它通过这个系统的 时 间 需 要 t,则这个信号的输出相位落后原来信号 wt 的相位。可以看出,一个 正 弦 信 号通过一个系 统落后 的相位等于它 的 wt;反过来说, 如果一个频率为 w 的 正 弦 信 号 通 过 系 统 后 , 它 的 相 位 落 后 delta, 则 该 信 号 被 延 迟 了 delta/w 的 时 间。在实际系统中,一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加,为了使得输 出信号不会产生相位失真,必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间是 一样的。因此每一个正弦信号的相位分别落后,w1*t,w2*t,w3*t。落后的相位 正比于频率 w,如果超前,超前相位的大小也是正比于频率 w。 普通放大器在放大过程中由于放大器具有一定的延时效应,在放大不同频率 的信号时会产生相位变化。故在特定频段内会出现原本处于负反馈的电路。由于 延 时 使 得 信 号 倒 相 180°, 处 于 放 大 状 态 从 而 产 生 自 激 现 象 。 本 放 大 系 统 采 用 高 速运算放大器,在10M 以内无明显的相位变化。

11

潍坊学院本科毕业设计(论文)
3.4 抑制直流零点漂移
零点漂移:由于直流放大器直接耦合,其中有任何一点静态电位的变动,都 有会经耦合放大后在输出中呈现出来,即使没有输入信号,由于温度的变化和电 源电压不稳定的影响,输出端也会出现电压的缓慢变动,这种现象叫做零点漂 移。直流放大器中,前级的零点漂移会被逐级放大,以致在最后一级的输出端产 生很大的漂移电压,而这种漂移信号与直流放大器所 放大的缓慢变化的信号又十 分相似,所以当漂移严重时,就无法分辨清输出电压的变化性质,它究竟是由于 输入信号的变化引起的,还是因零点漂移而造成的。 放大器工作一段时间会发热,导致放大性能发生变化,本系统采用差分放大 电路,故当放大器发生零点漂移时,由于差分放大器使用同样参数的放大器故零 点漂移的大小是同样的,假设温漂量为 T ,差分放大信号为 A,B。

V0 ? V - V α β
V0 ? (A ? T) - (B ? T)
由于差分信号是大小相等相位反

V0 ? 2A
可见直流温度漂移抵消,被抑制。

3.5 放大器稳定性
直流放大器:在自动控制及自动测量系统中,需要把一些非电量(如温度、 转速、压力)等参数通过传感器转变成电信号,这些微弱的电信号经放大后就可 以推动测量、记录机构或控制执行机构,从而实现自动控制或自动测量。这些电 信号大都是变化极为缓慢、且极性固定不变的非周期性信号(直流信号),它需 要直流放大器放大。宽带直流放大器通频带必须从 0 开始 。 提高放大器稳定性能的方法有中和法与适配法。中和法通过在输入端和输出 端引入中和电路来抵消晶体管内部的反馈作用。适配法利用阻抗不匹配原理,减 少了反馈信号对输入电路的影响。使增益减少,提高稳定性。 放大器在工作时会出现自激,外部干扰等,影响放大器稳定的工作。 当放大器深度负反馈时输出信号带有一定的纹波。此时需要在输出口加一个 小的电容,消除高频的纹波干扰。在负反馈的电阻上串接一个小电感,可以消除

12

潍坊学院本科毕业设计(论文)
自激。 为 抑 制 干 扰 在 放 大 器 电 源 两 端 并 接 一 个 0.1uF 的 瓷 片 电 容 可 以 消 除 输 出 信 号的干扰。在印制 PCB 板时敷铜走线,可以大大降低信号的干扰。

13

潍坊学院本科毕业设计(论文) 第四章 系统硬件电路设计
4.1 跟随、反相电路的设计
差分放大器的输入信号要求为双端输入,故对于信号需要进行变换来得到双 端输入。信号经过跟随和反相电路后得到的信号即为原始信号的两倍,并且能提 高输入电阻,原理图如图 4.1 。

C2

C1 R11

C3

C4

U1
IN

U2
OUT1

+ -

+ -

OUT2

R10

R12

C5

C6

图 4.1 跟 随 反向 电 路

电压跟随器,顾名思义,就是输出电压与输入电压是相同的,就是说,电压 跟随器的电压放大倍数恒小于且接近 1。 电压跟随器的显著特点就是,输入阻抗高,而输 出阻抗低,一般来说,输入 阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低,通常可以到几欧姆,甚至更 低。 在电路中,电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为,电压放大器的输出阻 抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信 号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候,就需要电压跟随器 来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是,
14

潍坊学院本科毕业设计(论文)
提高了输入阻抗,这样,输入电容的容量可以大幅度减小,为应用高品质的电容 提供了前提保证。 电压跟随作用:由于它的高输入电阻、低输 出电阻,所以电压跟随器起缓 冲、隔离、提高带载能力的作用,完成阻抗匹配的功能。

4.2 差分放大电路的设计
AD829 是一款低噪、高性能高速运算放大器 [3] 。其压摆率 230V/μ s,±15V 供电,输出电压最大幅值可达 28VPP,带宽 750MHz,满足系统设计需要 [6] 。 差分放大器由两个同相放大器和一个差动放大器组成 [4][5] ,如图 4.2 所示。 该电路具有输入阻抗高,电压放大倍数容易调节,输出不包含共模信号。

C1

C2

C7 R7 OUT

OUT1 + C5

U1

R3 C8 + R4 C9 R5 U3

R1 RV1 R2 C6

OUT 2

+

U2

R6

C3

C4

图 4.2 差 分放 大 电路

由原理图可知,改 变 RV1 的值就能改变电路的电压放大倍数。

15

潍坊学院本科毕业设计(论文)
4.3 增益控制电路的设计
该 系 统 用 单 片 机控 制 继 电 器 选 通 不 同电 阻 值 达 到 增 益 控 制效 果 。 共 分 为 12 级,步进间隔为 5dB。
+5V +5V
IN + -

OUT

JK

-5V

AD603

D1
P0.0 R1 240 Q1 9014 手动 4007

D2
4007

+5V

DA

+ U1 uA741

程控

R2 6.8K

-5V

-5V

图 4.3 增 益控 制 模块 原 理图

4.4 补偿电路的设计
一 般 线性工作的放大器 (即引入负反馈的放大电路 )的输入寄生电容 Cs 会 影 响 电 路 的 稳 定 性 [6] 。 放 大 器 的 输 入 端 一 般 存 在 约 几 皮 法 的 寄 生 电 容 Cs, 这 个 电 容包括运放的输入电容和布线分布电容,它与反馈电阻 Rf 组成一个滞后网络, 引起 输 出电 压 相位 滞 后, 当 输入 信 号的 频 率很 高 时, Cs 的旁 路作 用 使放 大 器的 高频响应变差,其频带的上限频率约为:

ωh ? 1 /(2 πR f Cs )

(4-1)

若 R f 的阻值较大,放大器的上限频率就将严重下降,同时 Cs、Rf 引入的附加 滞后相位可能 引起寄 生振荡,因而 会引起 严重的稳定性 问题 [7][8] 。对此,一个 简 单的解决方法是减小 Rf 的阻值,使ω h 高出实际应用的频率范围,但这种方法 将使运算放大器的电压放大倍数下降 (因 Av=-Rf/Rin)。为了保持放大电路的电压
16

潍坊学院本科毕业设计(论文)
放大倍数较高,更通用的方法是在 Rf 上并接一个补偿电容 Cf 使 RinCf 网络与 RfCs 网 络 构 成 相 位 补 偿 。 RinCf 将 引 起 输 出 电 压 相 位 超 前 , 由 于 不 能 准 确 知 道 Cs 的值 , 所以 相位 超前 量 与滞 后 量不 可 能得 到 完全 补 偿, 一 般是 采 用可 变 电容 Cf, 用实 验 和 调 整 Cf 的 方 法使 附 加 相 移 最 小 。 若 Rf=10k Ω ,Cf 的 典 型 值 为 3~10pF。对于电压跟随器而言,其 Cf 值可以稍大一些 [9] 。

4.5 后级功率放大电路的设计
采用电流反馈型运放 THS3091 做 5 倍功率放大,如图 4.4 所示。THS3091 具有高达 7300V/?s 的摆率,带宽不小于 200MHz,采用±18V 供电。其最大输出 电流为 250mA,若采用一片 THS3091,驱动不了题目要求的最大电压有效值不小 于 10V 的输出,因此采用两片 THS3091 并联,每片 THS3091 为 50Ω 负载提供 一半电流。
1.6KΩ +18 +18 7 400Ω 2 3 5 输入 5 3 400Ω 2 + 4 +18 7 1 + 4 1.6KΩ -18 470uF 6 8 5Ω THS3091 RL 50Ω -18 -18 8 6 1 THS3091 5Ω 0.1uF 470uF

图 4.4 功 率放 大 电路

4.6 各级增益控制的设计
通 过 放 大 电 路 , 系 统 总 增 益 可 调 范 围 是 42 dB~62 dB, 不 能 满 足 题 目 的 要 求。利用两组衰减网络分别将系统增益衰减 20 dB 和 42 dB,如图 4.5 所示,可
17

潍坊学院本科毕业设计(论文)
实现系统增益分别在 0~20 dB、22 ~42 dB 和 42~62 dB 间变化,再结合增益控制 模块实现了系统增益手动连续可调、 5 dB 步进和预置。实验测试得,经 42 dB 衰减网络 后, 系统频 率特性仍 较好 。而 经 20 dB 衰减 网络 后,输入 信号 频率在 1MHZ 以上时,增益有所下降,为稳定增益,在衰减电阻上并联 15pF 的电容进 行频率补 偿。采 用三 组继电器 对增益 范围 进行切换 ,由单 片机 的 I/O 口 P2.0、 P2.1 和 P2.2 控制继电器的动作。

Vpi1 C1 15pF R1 9.1K Vpo1 R2 1K

Vpi2 R3 10K Vpo2 R4 82K

-20dB衰减

-42dB衰减

图 4.5 增 益衰 减 网络

4.7 通频带选择网络的设计
通过对继电器 L1 和 L2 触点的控制实现了系统通频带 0-5MHz 和 0-10MHz 两个范围预置,如图 4.5 所示。系统默认选择 10MHz 通频带。通过键盘选择通 频带,当单片机的 P0.5 和 P0.6 口分别向三极管 T1 和 T2 的基极送高电平时,继 电器的触点动作,使输入信号 V2 经 5MHz 的低通滤波器输出,即实现了预置 05MHz 的通频带。

18

潍坊学院本科毕业设计(论文)
P0.5 120Ω T1 R1100Ω 4.7uH L11 510pF 5.6uH L12 470pF 1uH L13

V2

G N D

9013

截止频率 5MHz

100Ω

150pF

继电器 L2

+5V

+5V

R2

V2'
9013 T2 G N D P0.6

10M 继电器 L1 R1150Ω

3.3uH L21 121pF

4.7uH L22 151pF

1uH L23

150Ω

截止频率 10MHz

33pF

120 Ω

R2

图 4.6 通 频带 选 择网 络

4.8 程控放大电路的设计
如图 4.7 所示,该程控放大电路为降低成本,仅用到一款运放 OPA699,构 成 增 益 为 1 和 10 两 个 挡 ,后 面 为 两 个 继 电 器 切换 电 阻 衰 减 网 络 , 一个 衰 减 为 0.1 倍,另一个为倍 0.01。该程控放大电路加上前级 AD603 的 41.58dB 最大增 益、14dB 的末级功率放大等,最终整个系统实现了 90dB 的最大电压增益。
增益为1 增益为1

增益为1

-5 5 10KΩ 82Ω 3 2 7 + 4 750Ω +5

50Ω 1 6 8 OPA699 增益为10 400Ω 445Ω

增益为 0.1

增益为 0.01

图 4.7 程 控放 大 电路

4.9 电源模块的设计
电 源 电 路 原 理 图 如 图 4.8 所 示 , 三 端 稳 压 芯 片 7805 、 7905 、 LM317 和

19

潍坊学院本科毕业设计(论文)
LM337 起稳压作用,2200uf 电解电容、 100uf 和 0.33uf 电容起滤除纹波作用, 输出分别为 ?5V 、 ?18V 提供给各单元电路。

.
+
220V

Vin

7818
Gnd

Vo

U1

+18V

.
+
2200uf 2200uf

Vin

7805
Gnd

Vo

U1

+5V

+
10uf

+
10uf

0.1uf
GND

0.1uf
GND

2200uf 0.33uf

0.33uf

~
2200uf

+ 0.33uf

10uf
Gnd Vo

+

0.1uf
-18V

+ 0.33uf

10uf
Gnd Vo

+

0.1uf
-5V

.

Vin

7918

.

Vin

7905

U2

U2

图 4.8 电 源电 路 原理 图

20

潍坊学院本科毕业设计(论文) 第五章 系统软件设计
5.1 STC89C51RC/RD+系列单片机简介
STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰,高速, 低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统 8051 单片机,12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可任意选择,最新的 D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路。 特点: 1.增强型 6 时钟/机器周期,12 时钟/机器周期 8051CPU 2.工作电压:5.5V-3.4V(5V 单片机)/3.8V-2.0V(3V 单片机) 3.工作频率范围:0-40MHz,相当于普通 8051 的 0~80MHz.实际工作频率 可达 48MHz. 4.用户应用程序空间 4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K 字节 5.片上集成 1280 字节/512 字节 RAM 6.通用 I/O 口(32/36 个),复位后为:P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉(普 通 8051 传统 I/O 口)P0 口是开漏输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻, 作为 I/O 口用时,需加上拉电阻。 7.ISP( 在 系 统 可 编 程 ) /IAP( 在 应 用 可 编 程 ) , 无 需 专 用 编 程 器 /仿 真 器 可 通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,8K 程序 3 秒即可完成一片 8.EEPROM 功能 9.看门狗 10.内部集成 MAX810 专用复位电路(D 版本才有),外部晶体 20M 以下 时,可省外部复位电路 11.共 3 个 16 位定时器/计数器,其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器 使用 12.外部中断 4 路,下降沿中断或低电平触发中断 ,PowerDown 模式可由外 部 中断低电平触发中断方式唤醒 13.通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个 UART 14.工作温度范围:0-75℃/-40-+85℃ 15.封装:PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44

21

潍坊学院本科毕业设计(论文)
5.2 stc89c52 的定时/计数器编程的相关寄存器介绍
5.2.1 定时器/计数器方式控制寄存器 TMOD
定时器工作方式寄存器 TMOD 用于选择定时器的工作方式,它的高 4 位控 制定时器 T1,低 4 位控制定时器 T0。 D7 TMOD GATE C/T T1 其中: C/ T 为功能选择位,当 C/T=1 时为计数方式;当 C/T=0 时为计数方式 。 M1M0:T/C 工作方式定义位,具体定义方式如下表: M1 0 0 1 1 M0 0 1 0 1 工作方式 0 1 2 3 方式说明 13 位定时/计数器 16 位定时/计数器 可自动重装的 8 位定时/计数器 T0 分为 2 个 8 位定时器,T1 无此方式 M1 M0 GATE C/T T0 M1 M0 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

5.2.2 定时器控制寄存器 TCON
TCON 控制寄存器各位的定义如下: D7 TCON TF1 其中: TFO(TF1): 为 T0( T1)定 时 器 溢出 中 断标 志 位 。 当 T0(T1) 计 数 器溢 出 时,由硬件置位,并在允许中断的情况下,发出中断请求信号。当 CPU 响应中 断转向中断服务程序时,有硬件自动将该位清 0。 TR0(TR1):运行控制位。当 TRO(TR1)=1 时启动 T0(T1)。该位由软件 进行设置。 IE1 ( IE0 ) : 外 部 中 断 1(外 部 中 断 0)请 求 标 志 位 。 当 外 部 中 断 到 来 时 , IE1( IE0) 由 硬 件 置 位 。 当 响 应 中 断 转 向 外 部 服 务 程 序 时 由 硬 件 将 IE1( IE0) TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

22

潍坊学院本科毕业设计(论文)
自动清 0。 IT1(IT0):外部中断请求 1(0)触发方式控制位。当选择电平触发方式时, IT1(IT0)=0,此时 INTx(x=1 或 0)为低电平有效;若选择为边沿触发方式时, IT0(IT1)=1, INTx 则为负跳变有效。

5.2.3 中断允许控制寄存器 IE
IE 控制寄存器各位的定义如下: D7 IE EA -ET2 ES ET1 EX1 ET0 EX0 EA:中断允许控制位。 ET2:定时器 2 中断允许控制位。 ES:串行中断允许控制位。 EX1(EX0):外部中断 1(外部中断 0)中断允许控制位。 ET1(ET0):定时器 1(定时器 0)中断允许控制位。 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

5.3 软件流程图
ICCAVR:自 ATMEL 公司的 AT90 系列单片机诞生以来有很多第三方厂商 为 AT90 系列开发了 用于程序开发的 C 语言工具, ICCAVR 就是 ATMEL 公司推 荐的第三方 C 编译器之一。 ICCAVR 是一种符合 ANSI 标准的 C 语言来开发 MCU 程序的一个工具,功 能合适、使用方便、技术支持好,它主要有以下几个特点: 1.ICCAVR 是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境( IDE); 2.源文件全部被组织到工程之中,文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中 完成,错误显示在状态窗口中,并且当你点击编译错误时,光标自动跳转到错误 的那一行; 3.工程管理器还能直接生成可以直接使用的 INTEL HEX 格式文件,该格式 的文件可被大多数编程器所支持,用于下载到芯片中; 4.ICCAVR 是一个 32 位的程序支持长文件名。 Avr studio:avr studio 是 atmel 公司开发的集成开发环境,其中编译器为汇 编器。支持调试,片上仿真,下载等功能。一般都是用 c 编译器开发程序,然后
23

潍坊学院本科毕业设计(论文)
用 avr studio 来仿真和下载。 系统软件基于 STC 单片机开发系统.程序流程图如下图所示:
系统初始化

按键扫描

否 有键按下? 是 判断键值

预 置 增 益 并 显 示

A D 采 样

AGC

电压 有效值显示

重新扫描

图 5.1 软 件流 程 图

24

潍坊学院本科毕业设计(论文) 第六章 系统测试
6.1 测试使用仪器与设备
测试使用仪器与设备如表 6-1 所示。
表 6-1 测 试使 用 仪器 与 设备

序号 1 2 3 4 5 6

名称、型号、规格 WYB-302B2 直流稳压电源 GOS-6112 双通道模拟示波器 GDS-2046 四踪数字存储示波器 EE1412 合成(DDS)函数信号发生器 LA1032 逻辑分析仪 BT-3D 频率特性测试仪

6.2 测试方案与测试结果
6.2.1 测试方法
将 各 部 分 电 路 连 接 起 来 , 先 调 整 0dB, 使 输 出 信 号 幅 度 和 输 入 信 号 幅 度 相 等。接上 50Ω 的负载电阻进行整机测 试。

6.2.2 测试结果与分析
(1)输入阻抗:电路的设计保证输入阻抗大于 50Ω 电阻,满足题目要求。 ( 2) 输出 电压 有效值 测量 :输 入 加 100kHz 正弦 波, 调节电 压和 增益 测得 不失真最大输出电压有效值为 9.30~9.50V,达到题目大于 6V 的要求。 (3)输出噪声电压测量:增益调到 58dB,将输入端短路时输出电压峰峰值

25

潍坊学院本科毕业设计(论文)
为 300mV 左右。满足输出噪声电压小于 0.5V 的要求。 (4)频率特性测量:增益设为 40dB 档,输入端加 10mV 正弦波,由于信 号源不能保证不同频段的 10mV 正弦波幅度稳定,因此每次测量前先调节信号源 使得输入信号保持在 10mV 左右,再测量输出信号。测试的数据如表 6-2 所示。
表 6-2 频率 特 性测 试 数 据

频 率 (kHz) 增 益 (dB) 频 率 (kHz) 输 出 RMS(V) 增 益 (dB)

0 37.0 90 0.999 39.9

5 38.3 100 0.998 39.9

100 39.8 200 0.997 39.9

10 40.0 300 0.996 39.9

20 40.0 400 0.997 39.9

40 40.1 500 1.00 40.0

50 39.9 600 1.01 40.0

60 40.1 800 1.02 40.1

由 表 6-2 数 据 可 以 得 到 , 3dB 通 频 带 在 低 频 端 达 到 了 1KHz , 高 频 端 在 20MHz 以上,由于信号源无法产生大于 20MHz 的信号故无法测量,从 5MHz 以 上 增 益 的 趋势 来 看 最 终 通 频 带 高频 端 应 大 于 20MHz,比 较 符 合 后 级 功 率放 大 器 的理论高频截止频率 25MHz。在 20kHz~5MHz 频带内增益起伏≤0.2dB。 (5)增益误差测 量:输入端加有效值 为 10mV,频率为 1MHz 的正弦信号 , 保持幅度稳定,然后预设增益值测量输出信号来计算增益误差 。测试的数据如表 6-3 所示。
表 6-3 增 益误 差 测试 数 据

预置增益(dB) 输出 RMS(mV) 实际增益(dB) 增益误差(dB)

10 32.3 10.2 +0.2

15 63.8 15.1 +0.1

20 127 20.1 +0.1

25 254 25.1 +0.1

30 502 30.0 0.0

35 1010 35 0.0

40 1982 40.0 0.0

45 3953 45.9 -0.1

50 7451 50.8 -0.2

由 表 中 可 以 看 出 增 益 误 差 在 0.2dB 之 内 , 频 率 较 高 时 , 随 着 输 出 电 压 的 增 大,增益有下降的趋势,这是因为后级功放管工作状态即将接近饱和,通过提高 后级电源电压可以使增益更加稳定。 扩展功能中的增益步进 1dB 也达到了,且增益是从 0~ 80dB 可调。0dB 放 大是后级功放的调零点,需事先校正,所有大于 0dB 的增益都以 0dB 为基准。 测 58dB 以上的增益时,以 10mV 输入会使输出饱和,故采用固定输出的方 法:给定增益,然后减小输入信号,使得输出信号有效值保持为 7.00V,再计算
26

潍坊学院本科毕业设计(论文)
增益。实测数据如表 6-4 所示:

表 6-4 高 增益 测 试数 据

预 制 58 (dB) ViRMS(mV) 9.23 增 益 57.8 (dB)

60 7.16 59.8

63 5.31 62.4

66 3.67 65.6

70 2.26 69.8

73 1.74 72.1

76 1.26 74.9

80 无法测量

从变化趋势来看,放大 80dB 误差应该小于 2dB,满足题目要求。从整体来 看 , 我 们 设 计 的 放 大 器 增 益 为 0 ~ 80dB , 步 进 1dB , 60dB 以 下 增 益 误 差 ≤ 0.2dB。 (6)自动增益控制(AGC)测量:将放大器切换到 AGC 模式,改变输入信 号电压,观察输出信号并记录输出电压。设定 AGC 输出电压范围 4.5 ~5.5V, 把输入信号调到 1MHz,把有效值从 1mV 起往上调,测量输出电压有效值。测 试数据如表 6-5 所示。
表 6-5 AGC 控 制测 试 数 据

输入 RMS Vorms(V) 增 (dB)

1mV 5.12

10mV 4.96 54

100mV 5.03 34.0

1V 4.98 14

1.5V 5.06 10

2V 5.02 8

>2V 削波 8

益 74

从表 6-5 可以看出输入信号从 1mV 变化到 2V,输出信号变化范围不超过 0.2V,当输入信号有效值大于 2V 时,输入保护电路开始起作用,输出端得到的 是畸形的正弦波,故无法测量到增益为 0 的情况。 输入信号变化范围为 20×log[2000/1]=66(dB) 输出信号范围为 20×log[5.12/4.98]=0(dB) 所以得到 AGC 范围为 66-0=66dB。

6.2.3 误差产生原因
我们测量的误差主要来源是电磁干扰,由于试验场地有许多电脑和仪器使用 开关电源,电磁噪声很大,所以测量输入端短路时的噪声电压时随输入短接方式

27

潍坊学院本科毕业设计(论文)
不同而有很大的误差。

6.3 设计和调试中遇到的问题
整个系统偏重了模拟设计,数字控制简单,控制部分主要是基于 MSP430F449 进行编程实现没有遇到纯数字控制上的问题。在模拟设计和调试中 遇到的问题比较多,需要一一考虑清楚,采用合理的方法解决。本系统为宽带放 大,需要考虑增益带宽积的问题,还有放大器的稳定对整个系统至关重要。控制 通带内的增益起伏,尤其是本系统是一个直流放大器,直流零点漂移是一个较难 解决的问题,在这个问题的解决上我们都学到了很多东西,特别是在对一个不确 定的电路参量进行检测时,采用绝对的地作为参照,这样在任何情况之下都是成 立的,并且可以衍生出以地为参照的各种准确的参照。然后依据这样的方法, 我们实现了在不同时 间温度情况下能随时数控自我校准的功能。

6.3.1 带宽增益积
带宽增益积是指放大电路通带电压增益与通频带的乘积。 对电压反馈型运放,带宽增益积是一个常数。典型的电压反馈型运放构成的 同相放大电路的增益可用 A 表示:
A? 1 ? Rf Rg 1 ? 1 ? (1 ? R f R g ) A(w)

(6-1)

其 中 A(w)为 开 环 增 益 , 是 随 频 率 增 加 而 减 小 的 函 数 ; R f 为 反 馈 电 阻 , Rg 为接在反相输入端到地的增益电阻。当

?1 ? R f /R g ?/A ?w ? ? 1

(6-2)

时,频率为-3dB 频率 f 3 dB , 闭环增益 1 ? (R f R g ) 越大, f 3 dB 越小。 对电流型反馈型运放,带宽增益积并不为常数。其频率 f 3d B 由反馈电阻 R f 决定,即电流反馈型运放的频率特性几乎不受闭环增益的影响。 本系统 设计 最大 电压 增益≥ 60dB, 通频 带 最大达 到 10MHz, 由于电 压增 益 和通频带都很大,则要求的带宽增益积就更大。实际不可能会具有这么大的带宽 增益积的运放,因此应该设计为多级放大。每一级放大设计时,若选用电流型运 放,首先要选取合适的 R f ,再根据放大倍数的设计选取 Rg ;若选用电压反馈 型 运 放 ,则在放大倍 数 (即闭环增益 )确定 时,要考虑其带宽增 益积足够大。整个
28

潍坊学院本科毕业设计(论文)
系统的设计 中, 要 根据通频带 (5MHz 或 10MHz)和放大倍 数来考虑整 个放大系 统的增益带宽积。

6.3.2 通频带内增益起伏控制
由于各器件的幅频特性以及滤波器的 幅频特性不平坦等多种因素,系统通频 带内增益会出现起伏。如 AD603 的频率响应特性有一个增益尖峰,调节 AD603 的脚 5 和脚 7 间的电阻可以使增益变化范围进行平移。该电阻选取合适时,将增 益尖峰调节在 10MHz 之后,在 10MHz 通频带以内,保证 AD603 构成的前级放 大电路输出信号幅度平坦。后级程控放大和功率放大,选取各参数指标(如增益 带宽积、摆率、失调电流、失调电压、温度系数等)满足本系统设计要求的运 放,使信号调理时在 10MHz 以内幅频特性平坦。再通过无源椭圆滤波器实现题 目要求的 5MHz 和 10MHz 的-3dB 截止频 率。 椭圆函数滤波器在有限频带上既有零点又有极点,极零点在通带内产生等纹 波,通频带内出现增益起伏。椭圆滤波器的通带波纹与反射系数 ρ 之间的关系 为:将

ρ 减小,通带 R dB 踢波纹会减小。可根据通带
R dB ? ?10 lg(1 ? r 2 )
(6-3)

内的纹波特性,将 AD603 的控制电压通过软件作一拟合曲线,调整 AD603 的控制电压进一步减小纹波带来的增益起伏。但这样需要对信号进行测频才能得 到对应频点上的调整控制电压,会同时增加硬件和软件的复杂性。因此,本系统 将椭圆滤波器的通带纹波设计得尽量小,使满足通频带增益起伏续≤ 1dB 的题目 要求。

6.3.3 抑制直流零点漂移
零点漂移是直流放大器直流工作点的渐进的慢变化。产生零点漂移的原因很 多,电路中任何元器件参数的变化,供电电源的波动,都会造成输出电压的漂 移 , 但主 要 因 素还 是 温度 的 影 响。 零 漂 是 一种 不 规 则的 缓 慢 变 化, 增 益 越大 , 放大级数越多,在输出端出现的零漂现象越严重,因此主要考虑放大电路第一级 零漂的抑制。 前级放大器 AD603 后面接入一级放大器作为调零放大器,将本直流放大器

29

潍坊学院本科毕业设计(论文)
输入短路,以 0.1dB 步进控制 AD603 的增益,不断采样 AD603 的输出直流偏置 电 压 , 并通过单片 机 控制 D/A 转换器在调零放大器的调零 端 加入对应的校正 电 压, 使这个直流偏置电压驱动到零,从而很大程度上抑制了直流零点漂移。 后级放大电路中,应尽量采用低温漂运算放大器,如后级采用了 OPA690、OPA699、THS3001 和 THS3091,它们者惧有较低的失调电流和失调电 压,但属于高速运放,失调电压温漂系数不一定都很小,如末级功放采用的一 THS3091 其失调电压温漂为 ?10?V/?C ,因此在一些运放输入端采用了电位器调 零措施,而且对功放还安装了小风扇进行散热来抑制温漂。

6.3.4 放大器稳定性
放大器要达到绝对稳定, 放大器不仅不能同时接近自激振荡条件:

?jT ? 180? 和 20lg T ? 0dB 而且要 留有 适当 的 富裕 量。 富裕 量越 大 放大 器愈 不易产
生自激振荡,但设计也就越困难,对放大器所使用的元器件的要求更严格。 不良接地和不充分的供电电源滤波、大容量容性负载、输入杂散电容的影 响 、 前 沿校正(补偿 )和高频噪声都对运算 放大器的稳定性有影 响。一些高速运 放 只有在增益大于 5 或更大时才会稳定。 本系统具有较好的稳定性。通过电源旁路电路增加电路的稳定性,许多电源 和地之间使用 10μ F 的电容再并联一个 0.1μ F 的陶瓷电容。每一级输出端增加 了一个串联电阻,减小负载容性影响。可在反馈电阻上并接一个反馈电容,构成 超前相位补偿来补偿输入杂散电容的影响。 同时本系统的椭圆滤波器抑制了高频噪声,也加强了放大器的稳定性。

30

潍坊学院本科毕业设计(论文) 第七章 结束语
本设计在发挥部分之外,增加了语音自动播报增益,频率等功能,同时利用 ATMEGA16 的捕获功能实现了高精度频率测量,精度高达几百 HZ。 本系统采用可编程增益放大器 AD603,实现了增益连续可调,在 0-9Mhz 带 宽范围内 增益起 伏≤ 1dB;同 时,输 出电 压在一定 范围内 ,波 形无明显 失真。自 制的基于 DC/DC 的直流稳压电源具有很高的效率。本系统从方案设计,理论计 算,实际制作,软硬件调试等方面进行了紧张而又认真仔细的工作,实现了宽带 直流放大系统。在理论设计计算方面,我们充分运用了我们所掌握的知识,力争 做到更好。但在实际制作过程中,经常会卡在一些小问题上,说明了我们还是缺 少实际的工程经验,导致加工工艺和板子的可靠性方面做得不是很好。通过此次 毕业设计,我们组的两个成员都获益匪浅,尤其对电子设计的整个制作流程和设 计过程中遇到的问题有了深入的体会。如果在设计与制作中利用数模隔离、电源 隔 离 、 滤 波 和 去 耦 等 技 术 , 不 但 能 有 效 减 少 噪 声 和 干 扰 的 影 响 ,同 时 还 能 提 高 系 统的稳定性。 在每个模块都能正常工作的情况下,整机连调的时候会出现“共地”问题, 导致整机会有一个 50HZ 的工频干扰。改进措施是系统地线不能出现环路,所有 地线最好一点接地,包括单片机的数字地和模拟地。在方案实施过程中,由于时 间比较紧,来不及制版,而实验板的结构受限,导致频率过高的时候会引入干 扰。如果能在精确调整之后,将整体电路利用 PCB 开出电路板,减少连线引起 的干扰,一定可以提高精度和性能。

31

潍坊学院本科毕业设计(论文) 参考文献
[1]叶昌 茂 ,温 世 敏 .实 用直 流 放大 器 的设 计 [ J].电子 工 程师 ,2005,31(10):30~33 [2] 张 大 平 . 互 补 对 称 功 放 电 路 中 自 举 电 容 的 作 用 [ J ] . 广 西 师 院 学 报 ( 自 然 科 学 版) ,2000,17(4):24~26 [3]AD8295:带 有信 号 处 理放 大 器的 精 密仪 表 放 大器 [ J].世 界电 子 元 器件 ,2009(2):12~13 [4] 贾 培 军 , 常 艳 玲 . 差 分 放 大 电 路 的 实 验 方 案 探 究 [ J ] . 延 安 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版) ,2006,25(1):39~40 [5]熊旭 军.基 于 Multisim 的差 分 放大 电 路仿 真 分析 [ J].现 代电 子,2009,32(4):14~ 15 [6]晏泽 昕.宽 带大 功 率 放大 器 的研 究 与实 现[D].成 都:电子 科 技大 学,2004 [7]张玉 兴.射 频模 拟 电 路[M]. 北 京:电子 工 业 出版 社,2002.3,55~57 [8]Andrei Grebrnnikov. 射 频 与 微 波 功 率 放 大 器 设 计 [M]. 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社,2006.4,11~12 [9]汪 小 路 ,赵 为 粮 ,李 红 霞 . 一 种 基 于 Agilent ADS 的 功 率 放 大 器 输 出 匹 配 新 方 法 [J ] . 重庆 工 商大 学 学报 ,2006,23(1):64~68 [10]何 立民 .单 片 机应 用 系统 设 计系 统 配置 与 接 口技 术 [M].北 京: 北 京 航空 航 天大 学 , 1990 [11]李 晓荃 .单 片 机原 理 与应 用 [M].北 京:电子 工 业出 版 社, 2000 [12]刘 和平 .单 片 机原 理 及应 用 [M].重 庆: 重 庆 大学 出 版社 , 2002 [13]徐 爱钧 .单 片 机高 级 语言 C51 应用 程 序设 计 [M]. 北 京 :电 子 工业 出 版社 , 2002 [14]谢 自美 .电 子 线路 设 计.实验 .测 试(第 二版 )[M].武汉 : 华中 科 技大 学 出版 社 , 2000 [15]王 幸 之,钟 爱琴 ,王 雷等 编 著.AT89 系 列单 片机 原 理 与接 口 技 术 .北 京: 北 京 航空 航 天 大 学出 版 社,2004

32

潍坊学院本科毕业设计(论文) 致 谢
在本课题的研究和论文的写作过程中,得到了很多人的帮助和支持,在此对 他们表示衷心的感谢。 首先,衷心感谢我的指导老师程志强老师在论文中给我的无私帮助。程老师 在控制领域成绩卓著,成果颇多;他治学严谨、宽以待人、严肃认真,这对我养 成认真踏实的工作作风和虚心钻研的学习态度影响很大。在课题的研究过程中, 程老师给我指出了很多方向性的问题, 给予我指导,论文的选题工作也是在程老 师的主持下完成的。 程老师广博而精深的科学知识、踏实而严谨的治学态度、远 见卓识的创新精神,都永远是我不断追求的人生坐标。 其次,我要感谢潍坊学院、感谢信息与控制工程学院给了我这个学习研究的 机会和良好环境,使我的理论知识和科研水平有了显著的进步。 最后,谨向所有在我学习和生活中关心我帮助我的人们表示真诚的感谢。特 别感谢我的父母,我人生道路上的每一步都离不开他们的支持和鼓励。

33


相关文章:
宽带直流放大器设计
宽带直流放大器设计_工学_高等教育_教育专区。关于宽带直流放大器的本科论文 中北大学 2010 届毕业设计说明书 1 绪论 1.1 概述 放大器能把输入信号的电压或功率...
宽带直流放大器设计方案(1) 2
宽带直流放大器方案设计一、方案的选择和论证分析题目要求,设计需要满足以下几个技术指标:在输入电压有效值 Vi≤10 mV 情况下放大器电压增益必须大于 60dB,且电压...
毕业论文_宽带直流放大器的设计制作_图文
毕业设计(论文) 题 目 宽带直流放大器的设计制作 浙江大学城市学院毕业论文 摘要 宽带直流放大器的设计制作 【摘要】 宽带放大器以其低噪声、低非线性失真以及良好...
宽带直流放大器设计
三、设计部分 victory 宽带直流放大器设计 输入信号通过前置放大器实现了输入电阻≥50W 的要求,经放大倍数最大为 60dB、通频带 为 10MHz 的中间级放大器,将信号...
宽带直流放大器设计报告
宽带直流放大器(杨秋云)组员:李华卫 毛丽君 杨秋云 肖茜雯 谭平平 摘要: 本作品以 STM32F103VET6 为控制核心, 采用宽带放大芯片 LMH6624 和压控放大器 VCA810...
宽带直流放大器设计报告
宽带直流放大器设计报告_工学_高等教育_教育专区。此报告介绍了宽带直流放大器的设计过程,供大家参考。宽带直流放大器摘要:本系统以超低功耗单片机 MSP430F449 为控...
宽带直流放大器的设计报告
宽带直流放大器的设计报告_信息与通信_工程科技_专业资料 暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档 宽带直流放大器的设计报告_信息与通信_工程科技_专业资料。...
宽带直流放大器的设计
宽带直流放大器的设计_理学_高等教育_教育专区。宽带直流放大器的设计宽带直流放大器 0. 引言随着电子技术和集成电路技术的迅速发展,宽带放大器在电子、通信、自动 ...
宽带直流放大器设计
宽带直流放大器设计_工学_高等教育_教育专区。毕业论文中北大学 2010 届毕业设计说明书 1 绪论 1.1 概述 放大器能把输入信号的电压或功率放大装置,由电子管或...
宽带直流放大器设计报告
宽带直流放大器设计报告一、 方案比较选择题目分析: 综合分析题目要求, 在较宽的信号带宽 (0~10MHz) 题目分析: 内,实现最大电压增益>=60dB,且能够连续调节增益...
更多相关标签:
宽带直流放大器 | 宽带直流放大器的定义 | 宽带直流放大器 2009 | 直流放大器电路设计 | 宽带放大器设计 | 宽带放大器的设计 | 射频宽带放大器的设计 | 射频宽带放大器设计 |