TI杯電子競賽--寬帶放大器

1、 位:單組 員:指導(dǎo)老師: 寬帶放大器摘要:本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 5V單電源供電的寬帶低噪聲放大器。設(shè)計(jì)方案使用了 大賽指定的兩塊芯片實(shí)現(xiàn)兩級放大電路, 同時(shí)第二級的運(yùn)放的電源也是通過題目 所要求的芯片進(jìn)行升壓所得到的。放大信號輸出后通過雙向檢波得到直流電壓, 后接 MSP430F4270單片機(jī)進(jìn)行處理并通過 LCD 顯示。關(guān)鍵詞:單電源 寬帶 低噪聲放大器 MSP430F4270單片機(jī)AbstractThis design enables a 5V single supply broadband low noise amplifier 。 Design using the competitio

2、n specified two-chip implementation of a two-stage amplifier , at the second stage of the amplifier's power is also required by topic chips boost 。 Zoom signal output through bi-directional DC voltage detector obtained , followed by the MSP430microcontroller for processing through the LCD displa

3、y 。Key words :single supply broadband low noise amplifier MSP430microcontroller一、作品簡介與系統(tǒng)方案(1 、根據(jù)題目要求,此寬帶低噪聲放大器分為三個(gè)部分:放大部分,后級電源提供部分, 后接處理與單片機(jī)處理部分。本作品放大部分放大倍數(shù)超過題目所要求的 100倍(40db , 且?guī)?nèi)波動(dòng)較小。同時(shí)在最大增益下,放大器下限截止頻率接近 5HZ ,上限頻率接近于 5 MHZ,有足夠大的帶寬。放大器的最大不是真輸入電壓也大于10V,輸出噪聲小,且輸 出電壓(峰峰值測量范圍和測量相對誤差也滿足發(fā)展部分要求。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,

4、我 們按照題目的要求實(shí)現(xiàn)通過外接5V 單電源供電,電路中未出現(xiàn)雙極電源。我們實(shí)現(xiàn)的具體指標(biāo):放大倍數(shù)大于 100倍,下限截止頻率為 20HZ ,上限截止頻率大 于 5M ,在輸出負(fù)載上,放大器最大不失真輸出電壓峰峰值可遠(yuǎn)大于 10V ,輸出電壓測量范 圍為 0.5V-10V ,測量相對誤差小于 5%,基本滿足題目基本部分和發(fā)展部分要求。(2作品實(shí)現(xiàn)方案:由于本題在放大部分和后級電源提供部分都是使用給定的芯片,故不存在選擇芯片的問題。 關(guān)于是否使用三級放大的問題上,經(jīng)過理論分析以及仿真, 發(fā)現(xiàn)兩級放大就可以滿足題目所 要求的放大倍數(shù)大于100倍的要求,故只采用兩級放大,簡化電路。放大部分的電路也

5、采 用數(shù)據(jù)手冊所提供的單電源基本電路,兩級運(yùn)放之間實(shí)現(xiàn)交流耦合。在峰峰值處理部分,我 們先通過雙向檢波且分壓的方法降低單片機(jī)所需要處理的電平, 并得到一個(gè)直流電壓便于單 片機(jī)采集。 DC-DC 升壓也是采用的數(shù)據(jù)手冊的電路,保證系統(tǒng)的可靠性。下圖為系統(tǒng)圖示 圖 1二、理論分析與計(jì)算(1電壓放大倍數(shù)第一級放大采用的是同相放大。如硬件設(shè)計(jì)部分電路圖,放大倍數(shù)為A1=1+=19; R6R4第二級采用的反向放大,放大倍數(shù)為:A2=| |=14.7; 7R 5R 所以總的放大倍數(shù)為:A=A1×A2=279.3。 但是加上負(fù)反饋后放大倍數(shù)減小,經(jīng)檢測仍然大于 100倍。(2各級的輸入電阻與下限截

6、止頻率 :1、第一級:f1=1/2 R1*C1=1/2*(R1/R2/Ri1*C,其中,Ri1為 OPA820的內(nèi)部電阻, 經(jīng)查得其為 18K 歐姆,R1、R2阻值如圖 2所示。經(jīng)計(jì)算,輸入電阻約為 3.9K 歐姆,而下限 截止頻率為 0.4HZ,遠(yuǎn)小于題目要求的 20HZ。2、第二級:f2=1/2RC=1/2*(R7+R5/Ri2*C,其中,Ri2為 THS3091的反向端輸入電 阻,經(jīng)查得其為 30歐姆。經(jīng)計(jì)算,輸入電阻為 514.4歐姆,而下限截止頻率為 3.1HZ,也 小于題目要求的 20HZ。3、輸出電阻:f3=1/2RC=1/2*RL*C=1/2*3.14*50*(100+100*

7、E-6=15.9HZ,小于題目要 求的 20HZ。從上三級可以理論上得出放大電路的下限截止頻率是可以小于 20HZ 的,而上限截止頻率是 越大越好,故在此不再贅述。三、硬件電路設(shè)計(jì)及選用芯片介紹(一硬件電路(1兩級運(yùn)算放大電路 圖 2上圖中 R3為輸入電阻, C1、 C2、 C3、 C4、 C6、 C7、 C9、 C11為濾波電容,分別濾去 輸入信號和電源的高頻低頻干擾, 且接在電源旁的電容注意焊接時(shí)靠近電源接入處。 C8、 C10為耦合電容,將兩級放大進(jìn)行耦合。第一集中將同相輸入端的輸入電壓進(jìn)行抬升, R1、 R2分壓使之抬高 2.5V ;在第二級中 R11、 R12對 16V 電源分壓,將

8、電壓抬高 8V 。兩級運(yùn)放也 均采用單電源供電。實(shí)際電路中,我們對前后級的放大倍數(shù)進(jìn)行了修改,前級為 19倍,后 級為 14.7倍, 加上一個(gè)負(fù)反饋后降低了放大倍數(shù), 增加了帶寬。 在使用 TINA -TI仿真 時(shí) , 觀察兩種方案的幅頻特性,選擇了第二種,也就是對圖 2的改進(jìn)方案。(2 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路圖 3此 DC-DC 轉(zhuǎn)換電路來自 TPS61087的數(shù)據(jù)手冊,但對其中的部分元件參數(shù)進(jìn)行了修改。因?yàn)槲覀兯枰玫降碾妷簽?16V ,而通過對數(shù)據(jù)手冊的理解我們知道了端口 2的輸出電壓 衡為 1.35V ,故在抬升電壓的電阻設(shè)計(jì)中給 R1串聯(lián)一個(gè)電位器,可以調(diào)節(jié)其阻值,從而得 到我們想要

9、得到的理想電壓 16V 。選擇 650KHZ 的工作模式是因?yàn)樵谶@個(gè)模式電源的工作 效率比較高。對于 comp 腳所接的 Rcomp 和C comp有下列計(jì)算公式: 從而得到電路圖中的元件參數(shù)。另外,電感是我們自己繞成的,通過設(shè)備的測量達(dá)到我們所 需的值,但可能存在誤差。對于電路圖中的電容,數(shù)據(jù)手冊推薦使用陶瓷電容,但是由于條 件有限,我們使用電解電容代替,這也可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)知的誤差存在。肖特基二極管換了 一個(gè)型號代替,但功能相同。(3峰值檢波電路 圖 4峰值檢波采用的是雙向并聯(lián)檢波,但用了肖特基二極管代替了普通的二極管,降低了在二極 管上損失的電壓壓降, 在直流電壓采集時(shí)采用了分壓的方法,

10、降低 MSP430單片機(jī)采集的電 壓,便于處理和編程彌補(bǔ)前端誤差。同時(shí),并聯(lián)檢波帶來的衰減也通過軟件編程進(jìn)行修正。(2 TI 芯片使用基本摘要OPA820ID 是一款寬帶,低失真,單位增益穩(wěn)定,電壓反饋運(yùn)算放大器的芯片。適合于 小信號處理, 輸出幅度不大, 所以第一級放大倍數(shù)不可以太大, 我們設(shè)置了十倍的放大倍 數(shù) 。 后級放大使用的是 THS3091D ,高電壓,低失真,電流反饋運(yùn)算放大器。我們采用 16V 單 電源供電,其輸出電壓大,可以滿足題目要求的最大不失真輸出電壓峰峰值大于等于 10V 。 TPS61087DRC 是一款 650kHz/1.2兆赫, 18.5V 升壓型 DC DC 變

11、換器芯片,我們選擇了 650KHZ 的工作模式, 輸出電壓設(shè)定為 16V 。 TI 公司的 MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)超低功耗 類型的 16位單片機(jī)。它采用了 RISC 內(nèi)核結(jié)構(gòu),特別適合于應(yīng)用電池的場合或手持設(shè)備。 同時(shí),該系列單片機(jī)將大量的外圍模塊 (如液晶驅(qū)動(dòng)器、看門狗、 A/D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器 、模擬比較器等集成到片內(nèi)，特別適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們用單片機(jī)采 集外部輸入直流電壓，并通過外接 LCD 顯示，使用 C 語言編程。 四、程序設(shè)計(jì) （1）軟件流程 （2）軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)與分析 由于我們設(shè)置的單片機(jī)工作模式是使用內(nèi)部參考電壓 1.2V，所以單片機(jī)采集的信號比 較小

12、，在編寫程序的時(shí)候需要注意。 LCD 輸出顯示的模式也很重要，與管腳密切配合。同 時(shí)，我們采用效率較高的 C 語言編程，也增加了程序的可讀性。 五、測試方案和結(jié)果 （1）測量儀器 1、數(shù)字萬用表：山創(chuàng) DT9205A+ 機(jī)械保護(hù)數(shù)字萬用表 2、示波器：由于條件有限，沒有毫伏表，所以我們用示波器代替，由于頻率較高，所以示 波器肯定存在一定的誤差。型號為 泰克 TDS1002 60M 示波器。 3、信號發(fā)生器：信號發(fā)生器我們選用的是 泰克 AFG310 16M 信號源。 （2）測量方案和結(jié)果 1、首先是對通帶特性和放大器電壓增益的測試，我們選取 50mv（峰峰值）作為輸入電壓， 從 20HZ 到

13、10MHZ 選取部分測試點(diǎn)進(jìn)行測試，并得到如下表格： 頻率 項(xiàng)目 輸出 電壓 分貝數(shù) 20HZ 10.5 46.41 200HZ 11 46.85 1kHZ 11 46.85 5kHZ 8.2 44.30 1MHZ 8.0 44.08 5MHZ 7.9 43.97 由上表我們得出我們的放大器可以滿足在 20HZ 到 5MHZ 的通帶內(nèi)增益較穩(wěn)定，但是我們 觀測到的波形有失真，有自激的現(xiàn)象， 這主要是由于我們時(shí)間匆忙，準(zhǔn)備不充分， 而且對 TI 芯片性能的認(rèn)識不夠準(zhǔn)確， 所以存在一些問題。 在調(diào)試的過程中我們發(fā)現(xiàn)了由于沒有使用 自 動(dòng)增益控制（AGC） ，使得增益不夠?qū)?，在以后做系統(tǒng)中還有待提高

14、。 2、第二項(xiàng)是對單片機(jī)對數(shù)值處理的測量。因?yàn)轭}目要求的是輸出電壓（峰峰值） ， 輸入信 號 的頻率取 100kHZ。 標(biāo)準(zhǔn)輸出 0.655V 數(shù)字顯示 峰峰值（V） 誤差值（V） 相對誤差 百分比 數(shù)字顯示 有效值（） 1.104V 2.246V 4.5V 6.88V 9.18V 10.16V 0.676 -0.02 -3.21 0.478 1.120 -0.016 -1.535 0.792 2.205 0.041 1.812 1.559 4.41 0.09 2.00 3.118 6.627 0.253 3.67 4.685 8.775 0.405 4.408 6.204 9.876 0.284 2.792 6.982 由表格中的相對誤差百分比可以發(fā)現(xiàn)相對誤差小于，滿足題目發(fā)展部分的要求。 六、總結(jié) 這次能有機(jī)會(huì)參加杯模擬電子設(shè)計(jì)大賽， 我們組三名成員都很開心。 從一開始的 培 訓(xùn)，磨合，到緊張的六天比賽，我們收獲了許多。對電子設(shè)計(jì)和這門學(xué)問有了更深的認(rèn)識， 明確了今后的努力方向。感謝 TI 公司和大賽組委會(huì)給我們提供的這個(gè)鍛煉的機(jī)會(huì)，也感謝 于老師的悉心指導(dǎo)。 這次參賽不僅使我們增長了知識， 也使我們能