可控放大器綜合設(shè)計報告

1、課程設(shè)計報告書課程設(shè)計報告書可控放大器目錄一、任務(wù)及要求21.1任務(wù)21.2要求21.3說明2二、題目分析32.1放大部分方案論證32.2濾波部分方案論證3三、系統(tǒng)設(shè)計4四、硬件設(shè)計44.1MCU模塊44.2程控放大模塊5 4.2.1第一級放大6 4.2.2第二級放大7 4.2.3第三級放大10 4.2.4繼電器控制10 4.2.5DAC控制104.3濾波模塊11五、調(diào)試數(shù)據(jù)12六、總結(jié)13七、程序附件13一、任務(wù)及要求1.1 任務(wù) 設(shè)計并制作一個可控放大器，其組成框圖如圖所示。放大器的增益可設(shè)置；低通濾波器（或高通濾波器）的截止頻率可設(shè)置。 1.2 要求 （1）放大器電壓增益為60dB，輸入

2、正弦信號電壓振幅為10mV，增益10dB 步進可調(diào)，通頻帶為100Hz100kHz，電壓增益誤差不大于5%。（40分） （2） 濾波器為低通濾波器（或高通濾波器），其-3dB 截止頻率fc 在1kHz21kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進為10kHz，2fc 處（或高通0.5fc 處）放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB,RL=1kW。截止頻率的誤差不大于5%。（20分）（3） 有設(shè)置參數(shù)顯示功能和良好的人機界面。（20分）（4） 調(diào)節(jié)的頻率步進調(diào)整為1kHz。（20分）1.3 說明（1）正弦輸入信號由信號源提供，放大器輸出端應(yīng)留測試端子。 （2）設(shè)計報告正文應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原

3、理圖和主要的測試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序和完整的測試結(jié)果可用附件給出。二、題目分析2.1放大部分方案論證：方案一:采用寬帶放大器級聯(lián)的方式，通過模擬開關(guān)控制反饋電阻從而實現(xiàn)放大程控。但由于溫度、電源燈漂移將引起分壓比變化，因此采用這種方案難以實現(xiàn)系統(tǒng)增益的精確控制和穩(wěn)定性。方案二:采用可編程放大器的思想，將交流輸入信號作為高速D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，該D/A轉(zhuǎn)換器可視為一個程控衰減器。理論上講，只要D/A轉(zhuǎn)換器的速度夠快、精度夠高就可以實現(xiàn)寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但控制的數(shù)字量和最后的增益不是線性關(guān)系而是指數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致增益調(diào)節(jié)不均勻，精度降低。方案三：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可

4、編程增益放大FGA實現(xiàn)增益控制，電壓控制增益便于單片機控制，同時可減少噪聲和干擾。采用可變增益放大器AD603作為增益控制，AD是一款低噪聲，精密控制的可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，其增益與控制成線性關(guān)系，因此便于使用D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制放大器增益。綜上所述，系統(tǒng)的放大部分采用方案三。2.2濾波部分方案論證 方案一：采用傳統(tǒng)的分立元件組成無源濾波器，但存在諸如帶內(nèi)不平坦，頻帶范圍窄，階數(shù)少，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點。方案二：采用運算放大器構(gòu)成有源濾波器。這種濾波器設(shè)計過程比較簡單，但存在截止頻率調(diào)節(jié)范圍的局限性，難以實現(xiàn)高精度截止頻率調(diào)節(jié)。方案三：采用可編程的4階開關(guān)電容濾波器MAX264。該器件集

5、成濾波器所需的電阻電容，無需外接器件，其中心頻率、Q值及工作模式都可通過引腳編程設(shè)置進行控制，但其控制較復(fù)雜，切需要多個I/O口進行設(shè)置。方案四：采用八階低通橢圓型、開關(guān)電容濾波器MAX297，它是采用輸入時鐘頻率控制輸出轉(zhuǎn)角頻率的方式來實現(xiàn)對模擬信號和數(shù)字信號的濾波,比值為50:1。外圍電路簡單，濾波階數(shù)高，價錢相比于MAX262更便宜。綜上所述，綜合各方面因素，方案一、二、三都有其固有的局限性，因此濾波部分采用方案四。三、系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)的放大部分電路由三級運放組成，單片機通過DAC控制放大部分的放大倍數(shù)，以實現(xiàn)對輸入電壓的程控放大，放大后的信號再輸入濾波部分電路，濾波過后進行輸出，濾波部分的

6、通頻帶也是由單片機控制，放大部分的增益及濾波部分允許通過的頻率通過1602液晶進行顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：LCD160212C5A60S2單片機 輸入濾波輸出程控放大程控濾波 放大部分輸出圖1 可控放大器方框圖四、硬件設(shè)計本系統(tǒng)硬分由MCU模塊（STC12C5A60S2）、程控放大模塊（OP27+AD603）、濾波模塊（MAX297）三個模塊組成。4.1 MCU模塊本系統(tǒng)MCU采用STC12C5A40S2，是宏晶科技的單時鐘/機器周期(1t)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路,2路pw

7、m,8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換(250k/s),針對電機控制，強干擾場合。引腳圖如下： 圖2 STC12C5A40S2引腳圖本系統(tǒng)中，通過單片機按鍵控制DAC 電壓輸出，以改變AD603的放大倍數(shù)，另外，MCU的晶振采用24M晶振，通過單片按鍵控制P3.4引腳的方波輸出的頻率，從而實現(xiàn)對濾波部分的通頻帶的控制。4.2 程控放大模塊根據(jù)題目要求，我們設(shè)計三級放大，其中第一級和第三級為固定的正向放大，增益為一固定值20DB,用兩片OP27實現(xiàn)，中間一級的放大用AD603完成。因為AD603在5、7腳相連的情況下增益范圍是-10DB至30DB，與前后級組合可以達到題目10DB-60DB的要求。當(dāng)需要1

8、0DB-50DB時，通過繼電器控制第二級的AD603的輸出為放大輸出，當(dāng)需要60DB時，控制第三級的輸出為最終輸出，其中繼電器通過單片機給高低電平來控制。放大部分的電路圖如下： 圖3 放大部分電路4.2.1第一級放大第一級別放大芯片采用OP27，OP27是一款低噪聲、精密運算放大器，OP27精密運算放大器兼有OP07的低失調(diào)電壓和漂移特性與高速、低噪聲特性。失調(diào)電壓低至25 µV，最大漂移為0.6 µV/°C，因而該器件是精密儀器儀表應(yīng)用的理想之選。OP27引腳圖如下： 圖4 OP27引腳圖本設(shè)計中，第一級放大的反饋電阻選用了滑動變阻器，這樣通過調(diào)節(jié)電阻來控制第一

9、級的放大增益為20DB。電路圖如下：圖5 第一級放大電路 4.2.2第二級放大第二級放大采用 AD603，AD是美國AD公司繼AD600后推出的寬頻帶低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA芯片。可用于RF/IF系統(tǒng)中的AGC電路、視頻增益控制、A/D范圍擴展和信號測量等系統(tǒng)中。   （1） AD603的引腳排列 圖6 OP27引腳圖   （2）AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理  AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。AD603由一個可通過外部反饋電路設(shè)置固定增益GF（31.0751.07）的放大器、0-42.14dB的寬帶壓控精

10、密無源衰減器和40dB/V的線性增益控制電路構(gòu)成。 圖7 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖    圖8 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化圖    （3）AD603的增益，可設(shè)置位三種形式。    模式一：將VOUT與FDBK短路，即為寬頻帶模式（90MHz寬頻帶），AD603的增益設(shè)置為-11.07dB+31.07dB.    模式二：VOUT與FDBK之間外接一個電阻REXT，F(xiàn)DBK與COMN端之間接一個5.6uF的電容頻率補償。根據(jù)放大器的增益關(guān)系式，選取合適的REXT，可獲得所需要的模式一

11、與模式三之間的增益值。當(dāng)REXT=2.15千歐時，增益范圍為-1+41dB。    模式三：VOUT與FDBK之間開路，F(xiàn)DBK對COMN連接一個18uF的電容用于擴展頻率響應(yīng)，該模式為高增益模式，其增益范圍為+8.92+51.07dB，帶寬為9MHz.本次設(shè)計中AD603采用模式一，增益計算公式如下：G（DB）=40V+10因此我們設(shè)計了如下部分，其中V為差分輸入電壓（即控制端1腳及2腳的電壓差）。其中控制端2腳通過LM317提供穩(wěn)壓電平約1.5V左右，通過DA芯片給另一控制端1腳不同的電壓，從而來達到控制AD603增益的目的。第二級放大電路圖如下所示：圖9 第

12、二級放大電路4.2.3 第三級放大第三級放大和第一類似。4.2.4 繼電器控制這里通過控制繼電器來控制是從第二級還是第三級放大輸出放大信號。圖10 繼電器控制電路4.2.5 DAC控制由于我的單片機開發(fā)板上的8位DAC不能滿足本次設(shè)計的要求，所以外用了10位DACTLC5615，這部分電路設(shè)計在放大部分，相應(yīng)的引腳通過杜邦線與單片機IO口相連。 圖11 DAC控制電路4.3 濾波模塊濾波模塊的芯片選用MAX297，MAX297是8階開關(guān)電容式低通橢圓濾波器，其滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶很窄。這種開關(guān)電容濾波器是由帶有求和和換算功能的開關(guān)電容積分器對一梯形無源濾波器網(wǎng)絡(luò)進行模擬構(gòu)成的。該

13、器件時鐘頻率與通帶之比為50:1，改變其時鐘頻率，其通頻帶可從0.1Hz 變化到50kHz，完全滿足題目的設(shè)計要求。使用MAX297時，當(dāng)信號頻率和采樣頻率同頻，且相位合適時，開關(guān)電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號幅值的信號，相當(dāng)于輸入信號為直流的情況。因此在采樣電容上產(chǎn)生一個直流信號，使濾波器輸出一個直流電平。同理，當(dāng)信號頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時，也會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。要去除這種現(xiàn)象，須限制輸入信號的范圍，使之小于開關(guān)電容濾波器的采樣頻率（時鐘頻率）。所以在使用MAX297時，在其前面，要增加模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號有效地排除。在其后面，也要增加低通濾波器，濾去信號的高

14、頻分量，使波形更加平滑。 圖12 MAX297引腳圖 圖13 濾波部分電路五、調(diào)試數(shù)據(jù)（1）程控放大部分增益理論值(mV)實測值(mV)誤差(*100%)10DB31.631.50.3220DB100100.30.3030DB3163150.3340DB10009980.2050DB316031550.1660DB1000099820.18（2）通頻帶下截止頻率理論值(Hz)實測值(Hz)誤差（*100%）<10045上截止頻率理論值(KHz)實測值(KHz)誤差（*100%）>1008614（3）程控濾波部分截止頻率理論值（KHz）實測值（KHz）誤差(*100%)1010020

15、20.31.5六、總結(jié)在這次課程設(shè)計，自己花了不少的時間的精力，從開始的查閱資料，到方案比較，到畫圖，再到后面對的軟件調(diào)試、硬件調(diào)試，每一步都遇到一些意想不到的問題，同時暴露出自身專業(yè)知識的不足，而在一個個解決這些問題的過程中能夠?qū)W到一些課本上沒有或是理論課上沒有掌握好的知識。整個過程下來，自己在電路設(shè)計、硬件的調(diào)試、軟件調(diào)試方面的能力都得到了很大的鍛煉，總的來說，這次課程設(shè)計讓自己獲益匪淺。七、程序附件/* DAC 輸出可控制電壓 其中按P1.3為電壓加0.0031V 按P1.2為電壓減0.003V*/*頭文件*/#include <reg52.h> #include <i

16、ntrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define Nop() _nop_()#define _Nop() _nop_()sbit TL5615_DAT = P00;sbit TL5615_CLK = P01; /*定義DAC控制端口*/sbit TL5615_CS = P02;sbit ctrl = P04;/-sbit lcd_rs_port = P24; /*定義LCD控制端口*/sbit lcd_rw_port = P23;sbit lcd_en_port = P22;#define lcd_d

17、ata_port P1/-sbit Vol_upkey = P32; sbit Vol_downkey = P33; sbit Freq_upkey = P30; sbit Freq_downkey = P31; /sbit led_en_port = P25; /sbit sled_en_port = P36; /sbit DS1302_en_port = P22;/-sbit P20=P20;/定義鎖存使能端口 段鎖存sbit P21=P21;/ 位鎖存sbit P35 = P35;/這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的點陣實際應(yīng)用去掉sfr AUXR = 0x8e; /Auxiliary regist

18、ersfr WAKE_CLKO = 0x8f; /wakeup and clock output control registersbit T0CLKO = P34; /timer0 clock output pin/*1MS為單位的延時程序*/void delay_1ms(unsigned char x) unsigned char a,b; while(x-) for(b=133;b>0;b-) for(a=6;a>0;a-);void lcd_busy_wait() /*LCD1602 忙等待*/ lcd_rs_port = 0; lcd_rw_port = 1; lcd_e

19、n_port = 1; lcd_data_port = 0xff; _Nop(); _Nop(); while (lcd_data_port&0x80); lcd_en_port = 0; void lcd_command_write(uchar command) /*LCD1602 命令字寫入*/ lcd_busy_wait(); lcd_rs_port = 0; lcd_rw_port = 0; lcd_en_port = 0; lcd_data_port = command; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_

20、en_port = 1; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_en_port = 0; void lcd_system_reset() /*LCD1602 初始化*/ delay_1ms(20); lcd_command_write(0x38); delay_1ms(100); lcd_command_write(0x38); delay_1ms(50); lcd_command_write(0x38); delay_1ms(10); lcd_command_write(0x08); lcd_command_write(0x0

21、1); lcd_command_write(0x06); lcd_command_write(0x0c); void lcd_char_write(uchar x_pos,y_pos,lcd_dat) /*LCD1602 字符寫入*/ x_pos &= 0x0f; /* X位置范圍 015 */ y_pos &= 0x01; /* Y位置范圍 0 1 */ if(y_pos=1) x_pos += 0x40; x_pos += 0x80; lcd_command_write(x_pos); lcd_busy_wait(); lcd_rs_port = 1; lcd_rw_por

22、t = 0; lcd_en_port = 0; lcd_data_port = lcd_dat; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_en_port = 1; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_en_port = 0; void TLC5615_SEND(unsigned int da)unsigned char i;TL5615_CLK = 0;TL5615_CS = 0;for(i=0;i<12;i+)if(da&0x200)!=0) TL

23、5615_DAT = 1;else TL5615_DAT = 0;Nop();TL5615_CLK = 1;Nop();Nop();TL5615_CLK = 0;da = (da<<1); /*左移一位*/TL5615_CS = 1;unsigned int Volage_to_TL5615da(unsigned int Volage)/*將電壓轉(zhuǎn)換為TL5615的輸出數(shù)據(jù)*/*da輸入格式:比如要輸入3.742V,則輸入值為 3742,最高值不超過5000 */*轉(zhuǎn)換公式 da=V/(2*Vref)*1024 備注:Vref為2.5V,則da=V/5*1024 */unsigne

24、d int da;float tt;tt=Volage*0.001/5*1024;da= tt+0.5; /*對結(jié)果進行4舍5入*/return da;uchar mun_to_char="0123456789"void main() uint aa=10,20,30,40,50,60; uint bb=1260,1520,1757,2000,1757,2000; uint xx=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21; uchar i; uint m=0; uint q=0; int Freq_init;

25、uchar volage_table=" Gain: DB" uchar freq_table=" Freq: kHz"lcd_system_reset(); P1=0x00;/這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的數(shù)碼管實際應(yīng)用去掉P20=0; /這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的數(shù)碼管實際應(yīng)用去掉P21=0; /這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的數(shù)碼管實際應(yīng)用去掉P35=0; /這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的點陣實際應(yīng)用去掉/P1=0xFF;/P1口置1lcd_data_port = 0xff; /*釋放數(shù)據(jù)控制端口*/led_en_port = 0; /*關(guān)閉發(fā)光二極管顯示*/sled_en_p

26、ort = 0; /*關(guān)閉數(shù)碼管顯示*/DS1302_en_port = 0; /*關(guān)閉時鐘選片腳，防止干擾DAC通訊*/ AUXR = 0x80; /timer0 work in 1T mode TMOD = 0x02; /set timer0 as mode2 (8-bit auto-reload) Freq_init=(int)256-24000000/2/50000; TL0 = Freq_init; /initial timer0 TH0 = Freq_init; /initial timer0 for(i=0;i<13;i+) lcd_char_write(i,0,volage_tablei); /*輸出上行字符到LCD屏上，顯示電壓標(biāo)題*/ for(i=0;i<14;i+) lcd_char_write(i,1,freq_tablei); lcd_char_write(8,1,mun_to_char0); lcd_char_write(9,1,mun_to_char1); while(1) TR0=1; WAKE_CLKO = 0x0