全國寬帶直流放大器設計方案

1、 目錄摘要iabstractii第一章 前言11.1概述11.2寬帶直流放大器的應用前景11.3 課題研究的主要工作21.3.1 課題研究內容21.3.2 預期目標21.3.3本課題研究的難點3第二章 系統(tǒng)整體設計方案42.1 寬帶直流放大器的基本原理42.2 主要模塊比較與選擇42.2.1 主放大器方案比較與選擇42.2.2 增益控制電路方案的比較與選擇52.2.3 功率放大電路方案的比較與選擇62.2.4 后級放大電路的比較與選擇62.2.5 有效值測量電路的比較與選擇62.2.6 穩(wěn)壓電源部分的比較與選擇72.2.7 數(shù)據(jù)處理和控制核心選擇72.3 系統(tǒng)框圖設計7第三章 理論分析與計算9

2、3.1 寬帶增益積93.2 通頻帶內增益起伏控制103.3 線性相位113.4 抑制直流零點漂移113.5 放大器穩(wěn)定性12第四章 系統(tǒng)硬件電路設計134.1 跟隨、反相電路的設計134.2 差分放大電路的設計144.3 增益控制電路的設計154.4 補償電路的設計154.5 后級功率放大電路的設計164.6 各級增益控制的設計164.7通頻帶選擇網(wǎng)絡的設計174.8 程控放大電路的設計184.9 電源模塊的設計18第五章 系統(tǒng)軟件設計205.1 stc89c51rc/rd+系列單片機簡介205.2 stc89c52的定時/計數(shù)器編程的相關寄存器介紹215.2.1定時器/計數(shù)器方式控制寄存器t

3、mod215.2.2 定時器控制寄存器tcon215.2.3 中斷允許控制寄存器ie225.3 軟件流程圖22第六章 系統(tǒng)測試246.1 測試使用儀器與設備246.2測試方案與測試結果246.2.1 測試方法246.2.2 測試結果與分析246.2.3 誤差產(chǎn)生原因266.3 設計和調試中遇到的問題266.3.1 帶寬增益積276.3.2 通頻帶內增益起伏控制276.3.3 抑制直流零點漂移286.3.4 放大器穩(wěn)定性29第七章 結束語30參考文獻31致 謝32寬帶直流放大器的設計摘要本作品基于壓控放大器設計，由前級放大模塊、增益控制模塊、后級功率放大模塊、a/d(d/a)模塊、顯示模塊和電源

4、模塊組成。采用stc89c52單片機作為微控制器，以可編程增益放大器ad603為放大電路的核心，設計并制作了具有增益預置和程控等功能的寬帶直流放大器及所使用的直流電源。由ad603級聯(lián)組成增益放大器，實現(xiàn)增益-2060db范圍內可按5db步進調節(jié)或連續(xù)可調，且在09mhz通頻帶內增益起伏在1db以下;互補三極管射級跟隨高功率輸出在50負載上最大輸出電壓有效值vo10v,波形無明顯失真;功放輸出信號經(jīng)有效值檢波后，通過10位a/d轉換芯片tlc1549，將模擬電壓的有效值轉換成數(shù)字信號，并送微控制器實現(xiàn)增益預置與顯示。作品通過實驗完成，并制作成實物。設計采用壓控增益器件ad603，進行合理的級聯(lián)

5、和阻抗匹配，加入后級功率輸出，并能進行預置和控制，穩(wěn)定性好，可控范圍大。整個作品制作成本低、功耗小，除個別指標未能達到設計要求外，其它全部達到設計要求。關鍵詞：壓控放大器 ad603 程控增益 直流放大the design of wideband dc amplifierabstractthis 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

6、, 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 ad60

7、3 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, withou

8、t 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, reasonab

9、le 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 individual indexes to meet the design requirements, all other to meet the design requirements.key words:pressu

10、re controlled amplifiers；ad603；program-controlled gain；integrated operational amplifier第一章 前言1.1概述 放大器能把輸入信號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。放大器的原理是高頻功率放大器用于發(fā)射機的末級，作用是將高頻已調波信號進行功率放大，以滿足發(fā)送功率的要求，然后經(jīng)過天線將其輻射到空間，保證在一定區(qū)域內的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信。高頻功率放大器是通信系統(tǒng)中發(fā)送裝置的重要組件。按其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放

11、大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調諧功率放大器。 高頻功率放大器是一種能量轉換器件，它將電源供給的直流能量轉換成為高頻交流輸出在“低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為360，適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于180；丙類放大器電流的流通角則小于180。乙類和丙類都適用于大功率工作丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器

12、大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而不能用于低頻功率放大，只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小。1.2寬帶直流放大器的應用前景隨著微電子技術的發(fā)展，人們迫切地要求能夠遠距離隨時隨地迅速而準確地傳送多媒體信息。于是，無線通信技術得到了迅猛的發(fā)展，技術也越來越成熟。而寬帶放大器是上述通信系統(tǒng)和其它電子系統(tǒng)必不可少的一部分。由此可知，寬帶放大器在通信系統(tǒng)中起到非常重要的作用，于是人們也對它的要求也越來越高。直寬帶放大器在科研中具有重要作用，寬帶運算放大器廣泛應用于ad轉換器、da轉換器、有源濾波器、波形發(fā)生器

13、、視頻放大器等電路。例如在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。因此寬帶直流放大器應用十分廣泛，有非常好的市場前景。 寬帶直流能夠放大直流信號或變化極其緩慢的交流信號，它廣泛應用于自動控制儀表，醫(yī)療電子儀器，電子測量儀器等。目前在無線通信、移動電話、衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)(gps)、直播衛(wèi)星接收(dbs)、its通信技術及毫米波自動防撞系統(tǒng)等領域有著廣闊的應用前景，在光傳輸系統(tǒng)中，寬帶直流放大器也同樣占有重要地位。在無線通信、電子戰(zhàn)、電磁兼容測試和科學研究等領域，對射頻和微波寬帶放大器有極大需求，且這些領域對寬帶放大器要求各不相同，特別是在通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的應用中，對寬帶低噪聲和

14、功率放大器的性能指標有特殊要求。在設計上傳統(tǒng)窄帶放大器的端口匹配，一般是按照低噪聲或者共扼匹配來設計的，以此獲得低噪聲放大器或者最大的輸出功率。但是，在寬帶的條件下，輸入輸出阻抗變化是比較大的，此時使用共扼匹配的概念是不合適的。這些電路要求運算放大器具有較高的頻帶寬度，電壓增值。為此，以可變增益放大器ad603為核心，設計一種可編程寬帶運算放大器。1.3 課題研究的主要工作1.3.1 課題研究內容 本課題基于壓控放大器設計，由前級放大模塊、增益控制模塊、后級功率放大模塊、a/d(d/a)模塊、顯示模塊和電源模塊組成。采用stc89c52單片機作為微控制器，以可編程增益放大器ad603為放大電路

15、的核心，設計并制作了具有增益預置和程控等功能的寬帶直流放大器及所使用的直流電源。由ad603級聯(lián)組成增益放大器，實現(xiàn)增益-2060db范圍內可按5db步進調節(jié)或連續(xù)可調，且在09mhz通頻帶內增益起伏在1db以下；互補三極管射級跟隨高功率輸出在50負載上最大輸出電壓有效值vo10v，波形無明顯失真;功放輸出信號經(jīng)有效值檢波后，通過10位a/d轉換芯片tlc1549，將模擬電壓的有效值轉換成數(shù)字信號，并送微控制器實現(xiàn)增益預置與顯示。1.3.2 預期目標 （1）電壓增益av40db，輸入電壓有效值vi20mv。av可在040db范圍內手動連續(xù)調節(jié)。 （2）最大輸出電壓正弦波有效值vo2v，輸出信號

16、波形無明顯失真。 （3）3db通頻帶05mhz；在04mhz通頻帶內增益起伏1db。 （4）放大器的輸入電阻50，負載電阻（502）。 （5）設計并制作滿足放大器要求所用的直流穩(wěn)壓電源。 （6）最大電壓增益av60db，輸入電壓有效值vi10 mv。 （7）在av60db時，輸出端噪聲電壓的峰峰值vonpp0.3v。 （8）3db通頻帶010mhz；在09mhz通頻帶內增益起伏1db。 （9）最大輸出電壓正弦波有效值vo10v，輸出信號波形無明顯失真。 （10）進一步降低輸入電壓提高放大器的電壓增益。 （11）電壓增益av可預置并顯示，預置范圍為060db，步距為5db（也可以連續(xù)調節(jié)）；放大

17、器的帶寬可預置并顯示（至少5mhz、10mhz兩點）。1.3.3本課題研究的難點 （1）抑制直流零點漂移實際設計電路時，輸出漂移較為明顯，由實驗測得，單級opa620產(chǎn)生的零點漂移是負漂移。中放設計中我們抑制漂移的方法是，輸入信號從第一級運放的正向端輸入，輸出至第二級運放的反向輸入端，且由放大倍數(shù)相同和選用元件參數(shù)盡可能一致，這種方法可使相鄰兩級的漂移相互抵消，可達到抑制漂移的目的。 （2）通頻帶內增益起伏控制及放大電路的穩(wěn)定性設計電路電壓增益在通頻帶內波動較明顯，通過對各級放大電路進行頻率補償，在電源端增加去耦0.1uf和100uf電容，電容電阻的引線部分要盡可能的短，并且采用屏蔽盒對系統(tǒng)電

18、路板進行屏蔽。實驗證明，可有效抑制通頻帶內增益起伏的變化，同時增加了放大器的穩(wěn)定性。第二章 系統(tǒng)整體設計方案2.1 寬帶直流放大器的基本原理 該直流寬帶放大器的基本工作原理是利用stc89c52單片機作為微控制器。放大電路由前級放大、程控放大和功率放大三部分組成。通過有效值檢波電路，將輸出電壓的有效值經(jīng)過ad轉換電路，把輸出模擬電壓有效值轉換成數(shù)字信號，送給微控制器處理并顯示。單片機通過鍵盤預置輸出電壓，把預置輸出值同a/d采集回來的輸出電壓有效值相比較。經(jīng)微控制器數(shù)據(jù)處理后，通過d/a輸出的電壓值調節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，使輸出值達到預設值。從而形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。輸入信號經(jīng)前級放大后經(jīng)一

19、個射隨器進入可控增益放大，其放大倍數(shù)由單片機通過d/a轉換器調整ad603的控制電壓vg并根據(jù)公式：增益gain=40vg+20（db）來設定。而在agc模式下，此控制電壓vg是由agc電路的反饋電壓得到，不受單片機控制。經(jīng)可控增益放大后的信號最后進過功率放大得到需要的輸出信號，前級和后級的增益搭配，都是經(jīng)過精確的測量和計算的。輸出電壓經(jīng)有效值檢波得到峰值電壓并反饋到單片機，經(jīng)運算和線性補償?shù)玫接行е?，同時由單片機推到數(shù)碼管顯示出來。2.2 主要模塊比較與選擇2.2.1 主放大器方案比較與選擇 方案一：采用分立元件設計。此方案元器件成本低，但設計復雜度較大，并且由于受到眾多寄生元件的影響，調試

20、工程復雜且周期長，頻率高時更突出。因此此方案在長時間內難以保證可靠性和指標，也不便于維護。 方案二：采用高速寬帶集成運放設計。此方案的優(yōu)點是電路實現(xiàn)簡單，指標和可靠性容易得到保證，易于電路分析和調試，為可取方案。經(jīng)比較，采用方案二，即采用高速寬帶集成運放設計主放大器及輸入輸出電路。根據(jù)題目直流放大器的要求。為了很好的解決溫漂問題，故選擇采用差分放大電路。2.2.2 增益控制電路方案的比較與選擇 方案一：采用高速乘法器型d/a實現(xiàn)。由d/a 轉換器的vref作信號參考，d/a的輸出端作輸出，用d/a轉換器的數(shù)字量輸入端控制，傳輸衰減實現(xiàn)增益控制。該方案簡單易行，但當信號的頻率較高時，系統(tǒng)容易發(fā)生

21、自激，因此不選擇此方案。 方案二：dac控制增益。如圖2.1，輸入信號放大后作為基準電壓送給dac的vref腳，相當于一個程控衰減器。再接一級放大，這兩級放大可實現(xiàn)要求的放大倍數(shù)。輸出接到有效值檢測電路上，反饋給單片機。單片機根據(jù)反饋調節(jié)衰減器，實現(xiàn)agc。還可通過輸入模塊預置增益值，控制dac的輸出，實現(xiàn)程控增益。但增益動態(tài)范圍有限，故不采用。圖2.1 增益控制部分方案二示意圖 方案三：電壓控制增益。如圖2.2，信號經(jīng)緩沖器后進入可編程增益放大器pga-ad603，放大后進入峰值測量部分，得出的峰值采樣后送入單片機，再由dac輸出給ad603控制放大倍數(shù)，實現(xiàn)自動增益控制。同時可通過輸入模塊

22、設置增益值，控制dac的輸出，實現(xiàn)程控增益放大。圖2.2 增益控制部分方案三示意圖2.2.3 功率放大電路方案的比較與選擇 為使在負載為50電阻上最大輸出電壓正弦波有效值vo10v，且波形無明顯失真，需進行功率放大輸出。 方案一：采用帶寬增益積大的運算放大器制作多級放大電路。以opa842和op37為例，利用opa842帶寬增益積大的特點，使輸入的小信號充分放大，再用op37或其他高壓運放放大至有效值10v。這種方法采用電位器或者數(shù)字電位器連續(xù)調節(jié)放大倍數(shù)，設計簡潔，但是要實現(xiàn)數(shù)字控制的可控對數(shù)增益很不方便。 方案二：互補三極管射級跟隨輸出。兩只三極管輪流供電給負載電流，工作效率高。輸入信號通

23、過耦合至三極管的基極，所以對交、直流信號都可跟隨。但是跟隨信號范圍不寬，在高頻時幅度有些許衰減。 方案三：使用電流緩沖器buf634其單位增益帶寬可在30m180m變化，最大輸出電流為250ma為了實現(xiàn)在50負載電阻上輸出信號波形無明顯失真，用兩片buf634并聯(lián)提高驅動能力。但是價格昂貴，制作成本高。 通過分別測試、比較上述三種方案：方案一調整增益不便，方案二的增益達不到題目要求，方案三能夠很好的滿足要求，最終選擇方案三。2.2.4 后級放大電路的比較與選擇 由于ad603的最大輸出電壓較小，不能滿足題目要求，所以前級放大信號需經(jīng)過后級功率放大達到更高的輸出有效值。方案一：使用集成電路芯片。

24、使用集成電路芯片電路簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、有詳細的文檔說明?？墒穷}目要求輸出10v以上有效值,而在電子市場很難買到這樣的芯片，而且很容易發(fā)生工作不穩(wěn)定的情況。方案二：使用分立元件設計后級放大器。使用分立元件設計困難,調試繁瑣,可是卻可以經(jīng)過計算得到最合適的輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等參數(shù),電阻電容可根據(jù)需要更換,在此時看來較集成電路靈活。因此,我們決定自行設計后級放大器。2.2.5 有效值測量電路的比較與選擇方案一：采用真有效值轉換器件ad637測量，直接輸出被測信號的真有效值。這樣可以實現(xiàn)對任意波形的有效值測量。但ad637可測量的有效值最大為7v，不能滿足發(fā)揮部分輸入有效值大于10v的要求

25、。方案二：采用峰值檢波測量。采用峰值檢波電路，檢出峰值經(jīng)a/d轉換后由單片機轉換為有效值。電路簡單可靠，但前提是信號是正弦波，否則誤差較大?？紤]到本題要求測量的是標準正弦波，因此選擇本方案。2.2.6 穩(wěn)壓電源部分的比較與選擇 方案一：線性穩(wěn)壓電源。其中包括并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結構。并聯(lián)型電路復雜，效率低，僅用于對調整速率和精度要求較高的場合；串聯(lián)型電路比較簡單， 效率稍高，雖然方便可靠，但還是滿足不了高效率的要求。 方案二：開關穩(wěn)壓電源。此方案效率高，雖然理論電路復雜，但是如果使用開關電源集成芯片，只需在外圍加少量器件，即可達到題目中高效率的要求。所以電源模塊選擇方案二中的開關穩(wěn)壓電源。2.2

26、.7 數(shù)據(jù)處理和控制核心選擇 方案一:采用單片機at89s52+fpga來實現(xiàn)信號增益控制、數(shù)據(jù)處理和人機界面控制等功能。由于本系統(tǒng)不涉及大量的數(shù)據(jù)存儲和復雜處理,fpga的資源得不到充分利用, 成本較高.方案二:采用stc89c52單片機實現(xiàn)整個系統(tǒng)的統(tǒng)一控制和數(shù)據(jù)處理。而單片機stc89c52是一種16位超低功耗微處理器, 具有豐富的片上外設和較強的運算能力, 支持在線編程, 使用十分方便, 性價比高。故采用方案二2.3 系統(tǒng)框圖設計綜上所述，該系統(tǒng)的總體框圖設計如圖2.3 所示。圖2.3系統(tǒng)總體框圖 本系統(tǒng)采用單片機stc89c52作為數(shù)據(jù)處理和控制核心。輸入信號經(jīng)過前級放大電路、后級程

27、控放大和末級功率放大，實現(xiàn)了90db的最大電壓增益。后級功率放大器使用高電壓輸出的寬帶運放，提高了輸出電壓有效值。單片機通過d/a轉換器調整ad603的控制電壓，通過繼電器切換后級程控放大電路通道，實現(xiàn)了放大器增益的預置和控制功能，大大提高了系統(tǒng)的精度和可控性。通過切換兩路橢圓濾波器實現(xiàn)了通頻帶選擇。手動調節(jié)連續(xù)可調電位器，連續(xù)改變ad603的控制電壓，實現(xiàn)了增益連續(xù)調節(jié)功能。本放大器的直流偏置電壓和直流零點漂移主要由ad603輸出端引入，ad603增益不同時，輸出的直流偏置電壓不同。將本直流放大器輸入短路，用stc89c52單片機內部adc對直流偏置電壓采樣，利用單片機和數(shù)字算法控制d/a轉

28、換器輸出對應的調節(jié)電壓，控制調零放大器調節(jié)直流偏置電壓為零，既抑制了直流零點漂移，又實現(xiàn)了自動調零校準功能。第三章 理論分析與計算3.1 寬帶增益積 帶寬增益積(gbp)為帶寬與增益的乘積，描述的是某一種運放的一個固有特性，是一個恒值。當增益提高時，相應的帶寬變窄；同理增益降低時，相應帶寬就變寬。 ad603主要有三種工作模式：當腳5和腳7短接時，ad603的增益為40vg+10，這時的增益范圍-10db30db，帶寬為90mhz。當腳5和腳7斷開時，其增益為40vg+30，這時的增益范圍為10db50db。帶寬為9mhz；當5腳和7腳接上電阻，其增益與帶寬范圍將處于上述兩者之間。本設計采用腳

29、5和腳7短接模式，兩個ad603級聯(lián)增益范圍為-2060db，帶寬約為80mhz,帶寬增益積超過1000mhz，完全滿足題目設計要求。 電壓增益：av20log（vo/vi） 電壓增益av40db，不是指輸出電壓幅值除以輸入電壓幅值，而是指20log（輸出電壓幅值/輸入電壓幅值），也就是輸出輸入電壓的商的10為底的對數(shù)的20倍。40db表示輸出電壓與輸入電壓之比為100倍。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，最大電壓增益av 60db，3db 通頻帶010mhz，增益帶寬積gbw=avbw，得出gbw=600mdb。 opa620集成運放的開環(huán)增益帶寬積為200mhz，為滿足系統(tǒng)最大通頻帶為10mhz的要求，由

30、opa620構成的單級閉環(huán)放大器的最大增益不能大于（3-1）由opa620的幅頻和相頻特性（如圖3所示）得，當單級閉環(huán)放大器的增益為20db時，線性相位為零的最大頻率約為3mhz10mhz，由此得出當單級閉環(huán)增益16db時，通頻帶為12.5mhz，滿足通頻帶帶寬的設計要求。若同時獲得60db電壓增益，至少需要四級放大。第一級放大器，取r1=100，r2 =100，由公式（3-2）得r3=530,av1 =6.3倍；同理可得第二級放大器：r6 =630,av2 =6.3倍。3.2 通頻帶內增益起伏控制 根據(jù)帶寬增益積的原理：當頻率變化時，增益也將發(fā)生起伏變化。為實現(xiàn)09mhz通頻帶內增益起伏1d

31、b，采用單片機、a/d與d/a構成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過采用10位a/d芯片tlc1549,對負載電壓的實時采集、分析再經(jīng)10位高精度d/a芯片tlc5615控制ad603壓控腳從而達到增益起伏1db。 通頻帶：用于衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。下限截止頻率fl：在信號頻率下降到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707倍的頻率稱為下 限截止頻率fl。 上限截止頻率fh：信號頻率上升到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值也將下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707倍的頻率稱為上限截止頻率fh。 通頻帶fbw：fbwfhfl 或者定義為：在信號傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出信號從最大值衰

32、減3db的信號頻率為截止頻率，上下截止頻率之間的頻帶稱為通頻帶，用bw表示通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率信號的適應能力越強。圖3.1 f1-f2之間為寬頻帶在通頻帶內由于ad829 放大頻帶增益不平均，在通頻帶帶寬內4mhz 和8mhz 左右增益小于預期值，故需要進行增益補償。在差分放大電路里j5接口并聯(lián)一15pf電容增加8mhz頻帶左右的交流通路，在交流通路的第二級和第三級之間的電阻并聯(lián)100pf 電容增加4mhz的交流通路，補償4mhz頻帶的增益。在兩級6.3倍（16db）單閉環(huán)放大器級聯(lián)后，再級聯(lián)一級可變增益放大器（ad603），以實現(xiàn)對電壓增益預置和步進的控制，如圖5所示。ad60

33、3增益與控制電壓的關系為ag（db）=40ug+10，輸入控制電壓ug由ad603的1腳輸入，控制電壓范圍為-0.5+0.5。單片機可以通過d/a（將數(shù)字量轉換為對應的模擬電壓量ug）來控制ad603的放大倍數(shù)，中放的最大增益=agdb+16db2。設計時ug取值范圍為-0.50，從而實現(xiàn)增益從22db到42db可控，并能實現(xiàn)增益為5db步進。ad603當腳5和腳7短接時，ad603的增益為40vg+10，這時的增益范圍在-1030db。當腳5和腳7斷開時，其增益為40vg+30，這時的增益范圍為1050db。 如果在5腳和7腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間。 ad603的增益控制接口

34、的輸入阻抗很高，在多通道或級聯(lián)應用中，一個控制電壓可以驅動多個運放；同時，其增益控制接口還具有差分輸入能力，設計時可根據(jù)信號電平和極性選擇合適的控制方案。3.3 線性相位 線性相位：一個單一頻率的正弦信號通過一個系統(tǒng)，假設它通過這個系統(tǒng)的時間需要t，則這個信號的輸出相位落后原來信號wt的相位?？梢钥闯?，一個正弦信號通過一個系統(tǒng)落后的相位等于它的wt；反過來說，如果一個頻率為w的正弦信號通過系統(tǒng)后，它的相位落后delta，則該信號被延遲了delta/w的時間。在實際系統(tǒng)中，一個輸入信號可以分解為多個正弦信號的疊加，為了使得輸出信號不會產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號通過系統(tǒng)的時間是一

35、樣的。因此每一個正弦信號的相位分別落后，w1*t，w2*t，w3*t。落后的相位正比于頻率w，如果超前，超前相位的大小也是正比于頻率w。 普通放大器在放大過程中由于放大器具有一定的延時效應，在放大不同頻率的信號時會產(chǎn)生相位變化。故在特定頻段內會出現(xiàn)原本處于負反饋的電路。由于延時使得信號倒相180，處于放大狀態(tài)從而產(chǎn)生自激現(xiàn)象。本放大系統(tǒng)采用高速運算放大器，在10m 以內無明顯的相位變化。3.4 抑制直流零點漂移 零點漂移：由于直流放大器直接耦合，其中有任何一點靜態(tài)電位的變動，都有會經(jīng)耦合放大后在輸出中呈現(xiàn)出來，即使沒有輸入信號，由于溫度的變化和電源電壓不穩(wěn)定的影響，輸出端也會出現(xiàn)電壓的緩慢變動

36、，這種現(xiàn)象叫做零點漂移。直流放大器中，前級的零點漂移會被逐級放大，以致在最后一級的輸出端產(chǎn)生很大的漂移電壓，而這種漂移信號與直流放大器所放大的緩慢變化的信號又十分相似，所以當漂移嚴重時，就無法分辨清輸出電壓的變化性質，它究竟是由于輸入信號的變化引起的，還是因零點漂移而造成的。放大器工作一段時間會發(fā)熱，導致放大性能發(fā)生變化，本系統(tǒng)采用差分放大電路，故當放大器發(fā)生零點漂移時，由于差分放大器使用同樣參數(shù)的放大器故零點漂移的大小是同樣的，假設溫漂量為t ，差分放大信號為a，b。由于差分信號是大小相等相位反可見直流溫度漂移抵消，被抑制。3.5 放大器穩(wěn)定性 直流放大器：在自動控制及自動測量系統(tǒng)中，需要把

37、一些非電量（如溫度、轉速、壓力）等參數(shù)通過傳感器轉變成電信號，這些微弱的電信號經(jīng)放大后就可以推動測量、記錄機構或控制執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)自動控制或自動測量。這些電信號大都是變化極為緩慢、且極性固定不變的非周期性信號（直流信號），它需要直流放大器放大。寬帶直流放大器通頻帶必須從0開始 。 提高放大器穩(wěn)定性能的方法有中和法與適配法。中和法通過在輸入端和輸出端引入中和電路來抵消晶體管內部的反饋作用。適配法利用阻抗不匹配原理，減少了反饋信號對輸入電路的影響。使增益減少，提高穩(wěn)定性。 放大器在工作時會出現(xiàn)自激，外部干擾等，影響放大器穩(wěn)定的工作。 當放大器深度負反饋時輸出信號帶有一定的紋波。此時需要在輸出口

38、加一個小的電容，消除高頻的紋波干擾。在負反饋的電阻上串接一個小電感，可以消除自激。為抑制干擾在放大器電源兩端并接一個0.1uf 的瓷片電容可以消除輸出信號的干擾。在印制pcb 板時敷銅走線，可以大大降低信號的干擾。第四章 系統(tǒng)硬件電路設計4.1 跟隨、反相電路的設計差分放大器的輸入信號要求為雙端輸入，故對于信號需要進行變換來得到雙端輸入。信號經(jīng)過跟隨和反相電路后得到的信號即為原始信號的兩倍，并且能提高輸入電阻，原理圖如圖4.1 。 圖4.1 跟隨反向電路 電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，

39、而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質的電容提供了前提保證。電壓跟隨作用：由于它的高輸入電阻、低輸出電阻，所以電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，完成阻抗匹配的功能。4.2 差分放大電路

40、的設計ad829是一款低噪、高性能高速運算放大器3。其壓擺率230v/s，15v供電，輸出電壓最大幅值可達28vpp，帶寬750mhz，滿足系統(tǒng)設計需要6。差分放大器由兩個同相放大器和一個差動放大器組成45，如圖4.2所示。該電路具有輸入阻抗高，電壓放大倍數(shù)容易調節(jié)，輸出不包含共模信號。圖4.2 差分放大電路由原理圖可知，改變rv1的值就能改變電路的電壓放大倍數(shù)。4.3 增益控制電路的設計該系統(tǒng)用單片機控制繼電器選通不同電阻值達到增益控制效果。共分為12 級，步進間隔為5db。圖4.3 增益控制模塊原理圖4.4 補償電路的設計一般線性工作的放大器(即引入負反饋的放大電路)的輸入寄生電容cs 會

41、影響電路的穩(wěn)定性6。放大器的輸入端一般存在約幾皮法的寄生電容cs，這個電容包括運放的輸入電容和布線分布電容，它與反饋電阻rf組成一個滯后網(wǎng)絡，引起輸出電壓相位滯后，當輸入信號的頻率很高時，cs的旁路作用使放大器的高頻響應變差，其頻帶的上限頻率約為：（4-1）若r f 的阻值較大，放大器的上限頻率就將嚴重下降，同時cs、rf引入的附加滯后相位可能引起寄生振蕩，因而會引起嚴重的穩(wěn)定性問題78。對此，一個簡單的解決方法是減小rf的阻值，使h高出實際應用的頻率范圍，但這種方法將使運算放大器的電壓放大倍數(shù)下降(因av=-rf/rin)。為了保持放大電路的電壓放大倍數(shù)較高，更通用的方法是在rf上并接一個補

42、償電容cf使rincf網(wǎng)絡與rfcs網(wǎng)絡構成相位補償。rincf將引起輸出電壓相位超前，由于不能準確知道cs的值，所以相位超前量與滯后量不可能得到完全補償，一般是采用可變電容cf，用實驗和調整cf的方法使附加相移最小。若rf=10k ，cf 的典型值為310pf。對于電壓跟隨器而言，其cf值可以稍大一些9。4.5 后級功率放大電路的設計 采用電流反饋型運放ths3091做5倍功率放大，如圖4.4所示。ths3091具有高達的擺率，帶寬不小于200mhz，采用18v供電。其最大輸出電流為250ma，若采用一片ths3091,驅動不了題目要求的最大電壓有效值不小于10v的輸出，因此采用兩片ths3

43、091并聯(lián)，每片ths3091為50負載提供一半電流。圖4.4 功率放大電路4.6 各級增益控制的設計通過放大電路，系統(tǒng)總增益可調范圍是42 db62 db，不能滿足題目的要求。利用兩組衰減網(wǎng)絡分別將系統(tǒng)增益衰減20 db和42 db，如圖4.5所示，可實現(xiàn)系統(tǒng)增益分別在020 db、22 42 db和4262 db間變化，再結合增益控制模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)增益手動連續(xù)可調、5 db步進和預置。實驗測試得，經(jīng)42 db衰減網(wǎng)絡后，系統(tǒng)頻率特性仍較好。而經(jīng)20 db衰減網(wǎng)絡后，輸入信號頻率在1mhz以上時，增益有所下降，為穩(wěn)定增益，在衰減電阻上并聯(lián)15pf的電容進行頻率補償。采用三組繼電器對增益范圍進

44、行切換，由單片機的i/o口p2.0、p2.1和p2.2控制繼電器的動作。 圖4.5 增益衰減網(wǎng)絡4.7通頻帶選擇網(wǎng)絡的設計 通過對繼電器l1和l2觸點的控制實現(xiàn)了系統(tǒng)通頻帶0-5mhz和0-10mhz兩個范圍預置，如圖4.5所示。系統(tǒng)默認選擇10mhz通頻帶。通過鍵盤選擇通頻帶，當單片機的p0.5和p0.6口分別向三極管t1和t2的基極送高電平時，繼電器的觸點動作，使輸入信號v2經(jīng)5mhz的低通濾波器輸出，即實現(xiàn)了預置0-5mhz的通頻帶。圖4.6 通頻帶選擇網(wǎng)絡4.8 程控放大電路的設計如圖4.7所示，該程控放大電路為降低成本，僅用到一款運放opa699，構成增益為1和10兩個擋，后面為兩個

45、繼電器切換電阻衰減網(wǎng)絡，一個衰減為0.1倍，另一個為倍0.01。該程控放大電路加上前級ad603的41.58db最大增益、14db的末級功率放大等，最終整個系統(tǒng)實現(xiàn)了90db的最大電壓增益。圖4.7 程控放大電路4.9 電源模塊的設計 電源電路原理圖如圖4.8所示，三端穩(wěn)壓芯片7805、7905、lm317和lm337起穩(wěn)壓作用，2200uf電解電容、100uf和0.33uf電容起濾除紋波作用，輸出分別為、提供給各單元電路。圖4.8 電源電路原理圖第五章 系統(tǒng)軟件設計5.1 stc89c51rc/rd+系列單片機簡介 stc89c51rc/rd+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾，高速

46、，低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，最新的d版本內部集成max810專用復位電路。特點： 1.增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051cpu 2.工作電壓：5.5v-3.4v（5v單片機）/3.8v-2.0v（3v單片機） 3.工作頻率范圍：0-40mhz，相當于普通8051的080mhz.實際工作頻率可達48mhz. 4.用戶應用程序空間4k/8k/13k/16k/20k/32k/64k字節(jié) 5.片上集成1280字節(jié)/512字節(jié)ram 6.通用i/o口（32/36個），復位后為：p1/p2/p3/p4是準雙向口/弱上

47、拉（普通8051傳統(tǒng)i/o口）p0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為i/o口用時，需加上拉電阻。 7.isp（在系統(tǒng)可編程）/iap（在應用可編程），無需專用編程器/仿真器可通過串口（p3.0/p3.1）直接下載用戶程序，8k程序3秒即可完成一片 8.eeprom功能 9.看門狗 10.內部集成max810專用復位電路（d版本才有），外部晶體20m以下時，可省外部復位電路 11.共3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用 12.外部中斷4路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,powerdown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 13.通用異步串行口(u

48、art)，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個uart 14.工作溫度范圍：0-75/-40-+85 15.封裝：pdip-40，plcc-44,pqfp-445.2 stc89c52的定時/計數(shù)器編程的相關寄存器介紹5.2.1定時器/計數(shù)器方式控制寄存器tmod定時器工作方式寄存器tmod用于選擇定時器的工作方式，它的高4位控制定時器t1，低4位控制定時器t0。tmodd7d6d5d4d3d2d1d0gatec/tm1m0gatec/tm1m0t1t0 其中： c/ t為功能選擇位，當c/t=1 時為計數(shù)方式；當c/t=0時為計數(shù)方式。m1m0：t/c工作方式定義位，具體定義方式如下表：m1m0工作方式

49、方式說明00013位定時/計數(shù)器01116位定時/計數(shù)器102可自動重裝的8位定時/計數(shù)器113t0分為2個8位定時器，t1無此方式5.2.2 定時器控制寄存器tcon tcon控制寄存器各位的定義如下：tcond7d6d5d4d3d2d1d0tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 其中： tfo(tf1)：為t0（t1）定時器溢出中斷標志位。當t0（t1）計數(shù)器溢出時，由硬件置位，并在允許中斷的情況下，發(fā)出中斷請求信號。當cpu響應中斷轉向中斷服務程序時，有硬件自動將該位清0。 tr0（tr1）：運行控制位。當tro(tr1)=1時啟動t0（t1）。該位由軟件進行設置。 ie1（i

50、e0）：外部中斷1(外部中斷0)請求標志位。當外部中斷到來時， ie1（ie0）由硬件置位。當響應中斷轉向外部服務程序時由硬件將ie1（ie0）自動清0。 it1(it0)：外部中斷請求1（0）觸發(fā)方式控制位。當選擇電平觸發(fā)方式時，it1(it0)=0，此時intx（x=1或0）為低電平有效；若選擇為邊沿觸發(fā)方式時，it0（it1）=1，intx則為負跳變有效。5.2.3 中斷允許控制寄存器ieie控制寄存器各位的定義如下：ied7d6d5d4d3d2d1d0ea-et2eset1ex1et0ex0 ea：中斷允許控制位。 et2：定時器2中斷允許控制位。 es：串行中斷允許控制位。 ex1（

51、ex0）：外部中斷1（外部中斷0）中斷允許控制位。 et1(et0)：定時器1（定時器0）中斷允許控制位。5.3 軟件流程圖iccavr：自atmel公司的at90系列單片機誕生以來有很多第三方廠商為at90系列開發(fā)了用于程序開發(fā)的c語言工具，iccavr就是atmel公司推薦的第三方c編譯器之一。iccavr是一種符合ansi標準的c語言來開發(fā)mcu程序的一個工具，功能合適、使用方便、技術支持好，它主要有以下幾個特點：1.iccavr是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境（ide）；2.源文件全部被組織到工程之中，文件的編輯和工程的構筑也在這個環(huán)境中完成，錯誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當你

52、點擊編譯錯誤時，光標自動跳轉到錯誤的那一行；3.工程管理器還能直接生成可以直接使用的intel hex格式文件，該格式的文件可被大多數(shù)編程器所支持，用于下載到芯片中；4.iccavr是一個32位的程序支持長文件名。avr studio：avr studio是atmel公司開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，其中編譯器為匯編器。支持調試，片上仿真，下載等功能。一般都是用c編譯器開發(fā)程序，然后用avr studio來仿真和下載。 系統(tǒng)軟件基于stc單片機開發(fā)系統(tǒng).程序流程圖如下圖所示：圖5.1 軟件流程圖第六章 系統(tǒng)測試6.1 測試使用儀器與設備 測試使用儀器與設備如表6-1所示。 表6-1 測試使用儀器與設備序

53、號名稱、型號、規(guī)格1wyb-302b2直流穩(wěn)壓電源2gos-6112雙通道模擬示波器3gds-2046四蹤數(shù)字存儲示波器4ee1412合成（dds）函數(shù)信號發(fā)生器5la1032邏輯分析儀6bt-3d頻率特性測試儀 6.2測試方案與測試結果6.2.1 測試方法將各部分電路連接起來，先調整0db，使輸出信號幅度和輸入信號幅度相等。接上50的負載電阻進行整機測試。6.2.2 測試結果與分析 （1）輸入阻抗：電路的設計保證輸入阻抗大于50電阻，滿足題目要求。 （2）輸出電壓有效值測量：輸入加100khz正弦波，調節(jié)電壓和增益測得不失真最大輸出電壓有效值為9.309.50v，達到題目大于6v的要求。 （

54、3）輸出噪聲電壓測量：增益調到58db，將輸入端短路時輸出電壓峰峰值為300mv左右。滿足輸出噪聲電壓小于0.5v的要求。 （4）頻率特性測量：增益設為40db檔，輸入端加10mv正弦波，由于信號源不能保證不同頻段的10mv正弦波幅度穩(wěn)定，因此每次測量前先調節(jié)信號源使得輸入信號保持在10mv左右，再測量輸出信號。測試的數(shù)據(jù)如表6-2所示。表6-2頻率特性測試數(shù)據(jù)頻率（khz）051001020405060增益（db）37.038.339.840.040.040.139.940.1頻率（khz）90100200300400500600800輸出rms(v)0.9990.9980.9970.996

55、0.9971.001.011.02增益（db）39.939.939.939.939.940.040.040.1 由表6-2數(shù)據(jù)可以得到，3db通頻帶在低頻端達到了1khz，高頻端在20mhz以上，由于信號源無法產(chǎn)生大于20mhz的信號故無法測量，從5mhz以上增益的趨勢來看最終通頻帶高頻端應大于20mhz，比較符合后級功率放大器的理論高頻截止頻率25mhz。在20khz5mhz頻帶內增益起伏0.2db。 （5）增益誤差測量:輸入端加有效值為10mv，頻率為1mhz的正弦信號，保持幅度穩(wěn)定，然后預設增益值測量輸出信號來計算增益誤差。測試的數(shù)據(jù)如表6-3所示。表6-3 增益誤差測試數(shù)據(jù)預置增益(db)101520253035404550輸出rms（mv）32.363.8127254502