寬帶直流放大器C題

PAGE2PAGE3編號：C甲1037寬帶直流放大器(C題）參賽學(xué)生及專業(yè)：王浩：電子科學(xué)與技術(shù)周軼霄：軟件學(xué)院孫崇玲：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)校：山東大學(xué)賽前指導(dǎo)老師：文稿輔導(dǎo)老師：寬帶直流放大器摘要：本系統(tǒng)是以Atmel公司的AT89S52單片機(jī)為主控制器，以雙寬帶高輸出電流運(yùn)算放大器OPA2613構(gòu)成差模放大電路做前級放大電路，以可控增益放大器AD603兩級級聯(lián)構(gòu)成的中級放大電路和視頻運(yùn)算放大器AD811、2N3904、2N3906構(gòu)成的后級放大電路為主的寬帶直流放大器。系統(tǒng)主要由單片機(jī)顯示與控制模塊、前級、中級、后級放大電路模塊和直流穩(wěn)壓電源模塊等構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)最大電壓增益AV≥60dB；最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10V；3dB通頻帶0～10MHz，在0～9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB；電壓增益AV可在0～40dB范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)，在0～60dB可預(yù)置并顯示等功能，并且綜合應(yīng)用了電容去耦、磁珠濾波等降噪措施，較好地抑制了放大器的噪聲，基本完成了題目的所有基本和發(fā)揮要求。關(guān)鍵詞：AT89S52OPA2613可控增益放大器AD603電壓增益AV降噪1．系統(tǒng)方案1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由直流穩(wěn)壓電源模塊，控制器模塊，前級、中級、后級放大電路模塊，顯示模塊，鍵盤模塊，A/D模塊，D/A模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：圖1.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1.2方案論證與比較1.2.1電源模塊：根據(jù)題目的要求，要自制直流穩(wěn)壓電源。由于題目的要求比較高，而且整個(gè)系統(tǒng)的放大倍數(shù)比較大，必須降低外界對放大電路產(chǎn)生的干擾。那么對電源的要求就比較高，必須輸出紋波小，所以此處采用輸出電壓穩(wěn)定的集成三端穩(wěn)壓器來供電。并將模擬地與數(shù)字地用磁珠隔離。1.2.2控制器模塊：方案一：采用陽16位單片機(jī)(SPCE061A)做主控制器。SPCE061A內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。處理速度較高，且具有語音功能，用起來十分方便。但是SPCE061A價(jià)格較高，根據(jù)題目的要求，SPCE061A的許多功能都用不到，性價(jià)比低。方案二：采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，AT89S52功耗低，性能高,。片內(nèi)具有64K字節(jié)Flash程序存儲器、1K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷、1個(gè)全雙工串行口等資源。無論是從內(nèi)部構(gòu)造還是編程方面51系列單片機(jī)都相對簡單，容易掌握和使用，且AT89S52系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。另外AT89S52單片機(jī)價(jià)格便宜，市場上容易買到，具有較高的性價(jià)比，并且其完全可以實(shí)現(xiàn)題目的要求。因此，我們決定采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為主控制器。1.2.3增益控制部分：增益控制部分是本系統(tǒng)中的核心部分，它直接影響到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，我們將其分為三個(gè)小模塊：1.前級放大電路模塊：因前級放大電路對整個(gè)電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲。如果直接用AD603作前級放大，前面不加其他放大電路，系統(tǒng)效果很差。因此我們決定加入利用低噪聲雙寬帶高輸出電流運(yùn)算放大器OPA2613構(gòu)成差分放大器，同時(shí)在輸入端加上二極管過壓保護(hù)。這樣可以得到較好的效果。2.中級放大電路模塊：方案一：采用數(shù)字電位器取代反饋電阻的的方法如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖所示，中級和后級放大電路均采用電壓負(fù)反饋電路，通過改變反饋電阻來改變放大器的增益，例如采用1024個(gè)滑動端位置的數(shù)字電位器X9110或X9111.該方案采用兩級控制比較麻煩。方案二：采用可控增益放大器AD603的方法根據(jù)題目對放大電路增益可控的要求，考慮直接選可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，如運(yùn)放AD603.其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬，單級實(shí)際工作時(shí)可提供超過20dB的增益，兩級級聯(lián)后即可得到40dB以上的增益，通過后級放大電路放大輸出，在高頻時(shí)也可提供超過60dB的增益。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高，條理較清晰，控制方便，易于數(shù)字化處理。因?yàn)榉桨敢徽{(diào)整麻煩，方案二能滿足題目要求，故選方案二。3.后級放大電路模塊：由兩片AD603級聯(lián)構(gòu)成的前級放大電路，對不同大小的輸入信號進(jìn)行前級放大。由于AD603的最大輸出電壓較小，不能滿足題目的要求，所以前級放大信號需經(jīng)過后級放大達(dá)到更高的輸出有效值。方案一：使用分立元件自行搭建后級放大電路.經(jīng)過計(jì)算，使用分立元件搭建，可以得到最合適的輸入輸出阻抗，放大倍數(shù)等參數(shù)，但是設(shè)計(jì)困難，調(diào)試麻煩。方案二：使用集成電路芯片AD811.使用集成電路芯片電路簡單，使用方便，性能穩(wěn)定，有詳細(xì)的文檔說明，并且可以滿足題目要求的輸出10V以上有效值。芯片后利用三極管搭建電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使電路工作在穩(wěn)定的狀態(tài)。綜上，我們決定采用方案二，使用集成芯片AD811.1.2.4鍵盤模塊根據(jù)題目要求，4個(gè)按鍵完全可以完成題目的要求，但為了更好的完成發(fā)揮部分要求并使恒流時(shí)輸出電流可任意設(shè)置，我們決定采用4*4鍵盤。方案一：：采用采用串行鍵盤控制芯片7289。功能強(qiáng)大，只占用較少IO口，讀取精確。方案二：采用多功能控制芯片CH451.CH451內(nèi)置鍵盤控制器、按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻以及去抖動電路，提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放且占用I/O口少。綜上，7289與CH451在控制鍵盤時(shí)，功能相近，但若采用7289，編程復(fù)雜度提高。因此，我們決定選用方案二。1.2.5顯示模塊方案一：采用LCD模塊顯示。LCD模塊避免占用大量的IO口，避免外擴(kuò)IO，減少了硬件電路的制作。采用液晶顯示，顯示內(nèi)容豐富，易于人機(jī)交流。但其功耗比較大.方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。按題目要求，我們要顯示電壓增益、放大器的帶寬即可。若采用八位數(shù)碼管，完全可以顯示題目所要求的內(nèi)容，采用多功能控制芯片CH451來管理，使用方便。因此，我們采用方案二。1.3 實(shí)現(xiàn)方法通過以上的分析與論證，我們確定的最終方案為：1.控制器模塊：采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器2.增益控制部分：主要分為三個(gè)部分，前級放大電路以雙寬帶高輸出電流運(yùn)算放大器OPA2613構(gòu)成差模放大電路，中級放大電路由寬帶運(yùn)算放大器AD603兩級級聯(lián)構(gòu)成，后級放大電路由視頻運(yùn)算放大器AD811、2N3904、2N3906構(gòu)成。3.A/D轉(zhuǎn)換模塊：采用12位A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX188。4．D/A轉(zhuǎn)換模塊：采用12位D/A轉(zhuǎn)換芯片AD767。5.顯示模塊：采用LED數(shù)碼管顯示。6.鍵盤模塊：采用CH451驅(qū)動4*4鍵盤。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2：圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2．理論分析與計(jì)算：2.1帶寬增益積帶寬增益積是衡量放大器的性能的一個(gè)重要參數(shù)，它表示通頻帶和中頻電壓增益的乘積。題目發(fā)揮部分要求最大電壓增益V≥60dB（電壓放大倍數(shù)大于等于1000），3dB通頻帶0～10MHz，如果用運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)，其增益帶寬積(1)如此高的增益帶寬積，單級運(yùn)放是很難達(dá)到的，所以可以通過多級放大來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)就是采用前級大，中間放大，后級放大三部分來實(shí)現(xiàn)的。前級放大我們選用精密運(yùn)算放大器OPA2613.將OPA2613加電阻構(gòu)成差分放大電路，其放大倍數(shù)為1，對后級電路放大無影響。對于普通運(yùn)放，增益帶寬積一般是一個(gè)常數(shù)，但AD603其增益帶寬積是可以改變的，這是因?yàn)樵鲆娴恼{(diào)整是通過固定增益運(yùn)放前的R-2R梯形電阻衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，而不是改變運(yùn)放的反饋電阻。此處AD603我們采用VOUT與FDBK短接的連接方式，此時(shí)其增益范圍為-10dB～30dB,頻帶寬度為90MHz，所以其帶寬增益積為28.46MHz~2846MHz，滿足中間放大級的要求。本系統(tǒng)中間放大級采用的是兩級AD603來實(shí)現(xiàn)。AD603的對數(shù)增益公式為：（2）其中，為差分控制輸入電壓，由上式可以得出，對數(shù)增益與電壓之間是線性關(guān)系。其兩級電壓放大增益按下式計(jì)算（4）當(dāng)在-0.5～+0.5V范圍內(nèi)變化時(shí)，的變化范圍為-20～60dB，完全可以滿足題目關(guān)于增益的要求。AD603輸出電壓最大有效值在2V左右，要滿足最后輸出電壓大于等于10V的要求，末級功放的電壓增益應(yīng)大于等于14dB,此處取15dB。為了進(jìn)一步提高放大電路的性能，使放大電路級間可以很好匹配，真正實(shí)現(xiàn)60dB以上的增益，所以我們在AD603和末級功放之間增加了一個(gè)TLE2037構(gòu)成的緩沖放大級。這一級放大增益確定為0dB.這樣放大電路的增益范圍可以達(dá)到0~80dB，滿足題目要求。2.2通頻帶內(nèi)增益起伏控制題目要求在0～9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB，如果前級放大電路通頻帶內(nèi)增益發(fā)生起伏，由于后級電路的放大作用會使該增益起伏成倍增大，所以對于前級放大電路，其0～9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏應(yīng)小于等于(4)電流運(yùn)算放大器OPA2613是可以達(dá)到該要求的。中間放大級的增益起伏應(yīng)小于等于(5)可以達(dá)到該要求。對于后級功放其通頻帶內(nèi)的增益起伏應(yīng)小于等于1dB。經(jīng)測試該后級功放是可以達(dá)到要求的。以上考慮的是各級放大電路的增益起伏發(fā)生在不同的頻率范圍內(nèi)，若發(fā)生在同一頻率范圍內(nèi)或有重合部分，則各級增益起伏應(yīng)更小。2.3線性相位在實(shí)際系統(tǒng)中，一個(gè)輸入信號往往可以分解為多個(gè)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(shí)間是一樣的。因此每一個(gè)正弦信號的相位分別落后，w1*t，w2*t，w3*t。因此，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。從系統(tǒng)的頻率響應(yīng)來看，就是要求它的相頻特性是一條直線。采用FIR數(shù)字濾波器，如果單位脈沖響應(yīng)h(n)（為實(shí)數(shù)）具有偶對稱或奇對稱性，則其具有嚴(yán)格的線性相位特性。但該電路較難實(shí)現(xiàn)。對于橢圓濾波器雖然其線性相位不好，但電路簡單，對于要求不太高的地方，選用橢圓濾波器更為合適。2.4抑制直流零點(diǎn)漂移為了抑制電路直流零點(diǎn)漂移，我們在電路設(shè)計(jì)時(shí)增加了直流偏移調(diào)零電路。需要注意的是，這里的調(diào)零與普通運(yùn)放的調(diào)零不同，不再是針對單級的調(diào)零，而是針對多級的調(diào)零，即對整個(gè)放大電路系統(tǒng)的輸出進(jìn)行直流電位補(bǔ)償。題目中要求在AV＝60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰－峰值VONPP≤0.3V。這樣必須控制輸入端直流零點(diǎn)漂移在0.3mV以下。2.5放大電路穩(wěn)定性通過自制精密的直流穩(wěn)壓電源，使相應(yīng)正負(fù)電源的電壓絕對值完全相等，依此提高電路的穩(wěn)定性。另外采用的直流偏移調(diào)零電路還可使前級取樣保持電路輸出不至于有過高的負(fù)載，可輸出足夠大的電流驅(qū)動AD603，起到隔離和緩沖的作用，使前后級電路的阻抗達(dá)到匹配，從而進(jìn)一步提高放大電路的穩(wěn)定性。3.電路與程序設(shè)計(jì)：3.1檢測與驅(qū)動電路設(shè)計(jì)電源模塊：根據(jù)題目要求和我們的電路設(shè)計(jì)，我們需要+5V、-5V、+15V和-15V 供電，對電源的供電要求很高，故我們利用較好的變壓器設(shè)計(jì)電源并利用磁珠相互隔離，對系統(tǒng)進(jìn)行供電，電路圖見附錄圖1.控制器模塊：采用高性能、低功耗的Atmel公司的AT89S52單片機(jī)，其最小系統(tǒng)原理圖如附錄圖2所示。增益控制部分：增益控制部分主要由前、中、后放大電路構(gòu)成等，其部分電路連接如附錄圖3示。顯示模塊：八位數(shù)碼管用于顯示電壓增益、放大器帶寬等，其電路連接如附錄圖4所示。鍵盤模塊：CH451是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制等的多功能外圍芯片，內(nèi)置RC振蕩電路，可動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或64位LED，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能,并且內(nèi)含去抖電路，因此完全滿足4×4鍵盤的要求，并有豐富的余量，支持以后的擴(kuò)展功能。其電路連接圖如附錄圖5示。3.2軟件設(shè)計(jì)與工作流程圖主流程圖見附錄圖6。4系統(tǒng)測試與結(jié)果分析4.1測試方案：將各部分電路連接起來，先調(diào)整0dB，測試輸出信號和輸入信號的關(guān)系。然后接上50Ω的負(fù)載電阻進(jìn)行整機(jī)調(diào)整。4.2測試條件及測試儀器：實(shí)驗(yàn)室條件下環(huán)境溫度為常溫25℃，無強(qiáng)電磁干擾，由市電220V供電，通過自制直流穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)化為±5V，±15V對系統(tǒng)供電。測試儀器如表1：表1測試儀器序號儀器名稱型號用途數(shù)量1計(jì)算機(jī)聯(lián)想PC調(diào)試程序12掃頻儀BT3CRF測試13數(shù)字示波器TektronixTDS1002顯示輸出波形14四位半數(shù)字萬用表MASTECHmy－65測量電壓和負(fù)載電流、電壓等25函數(shù)信號發(fā)生器MOTECHFG-506A信號發(fā)生14.3測試數(shù)據(jù)<1>輸入及輸出阻抗。電路的設(shè)計(jì)保證輸入阻抗大于100Ω，負(fù)載阻抗為50Ω.滿足題目要求。<2>輸出電壓有效值測量。輸入加100kHz正弦波，調(diào)節(jié)電壓和增益測得最大不失真輸出電壓有效值為10.2V～10.5V，達(dá)到了題目要求大于10V的要求。且用示波器觀察時(shí)，輸出信號波形無明顯失真。<3>輸出噪聲電壓測量。增益調(diào)到60dB，將輸入端短路時(shí)輸出電壓峰峰值為200mV左右。滿足輸出噪聲電壓小于0.3V的要求。<4>頻率特性測量。增益設(shè)為60dB檔，輸入端加10mV正弦波并使其在每次測量時(shí)均保持在此處。測量輸出信號。測量數(shù)據(jù)如下表2：表2頻率特性測量數(shù)據(jù)頻率/kHz00.5110203050607080輸出RMS/V11.4111.2010.9512.7811.1010.6511.259.4510.6012.15實(shí)際增益/dB61.1460.9860．7961.1360.9160.5461.0259.5160.5161.69頻率/kHz90100200300400500600700800900輸出RMS/V11.309.9011.1010.4011.5012.3610.3010.8010.9011.30實(shí)際增益/dB61.0659.9160.9160.3461.2161.8460.2660.6760.7561.07頻率/MHz12345678912輸出RMS/V8.7610.9010.6013.0710.6511.7912.6710.9010.8011.50實(shí)際增益/dB58.8560.7560.5161.3360.5561.4362.0660.7560.6761.21由上表的可以得到，3dB通頻帶在低頻端達(dá)到了0Hz,高頻端在12MHz以上，滿足了3dB通頻帶0～10MHz；在不考慮系統(tǒng)誤差的情況下，在0～9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。<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(yù)設(shè)增益值測量輸出信號來計(jì)算增益誤差。測試的數(shù)據(jù)如下表3：表3增益誤差測量測試數(shù)據(jù)預(yù)置增益/dB051015202530354045505560輸出電壓/mV10.618.032.757.4112181324570103018003190571310141實(shí)際增益/dB0.515.110.315.220.925.230.235.140.345.150.155.160.12增益誤差/dB0.510.10.30.20.90.20.20.10.30.10.10.10.12由表中可以看出大部分增益誤差在0.2dB以內(nèi)。<6>放大器的帶寬預(yù)置及測量測試數(shù)據(jù)如表4所示：表4測試數(shù)據(jù)預(yù)置帶寬/MHz510實(shí)際帶寬/MHz5.67210.94誤差/MHz0.6720.944.4測試結(jié)果及分析我們在軟件上精心調(diào)試多次，硬件上注意每一個(gè)小細(xì)節(jié)，最終使得我們的寬帶直流放大器較好地達(dá)到了題目的基本要求和發(fā)揮部分，并有一定程度的提高。所測得主要結(jié)果如表5所示：表5實(shí)際性能測試結(jié)果題目基本要求發(fā)揮要求作品實(shí)際性能3dB通頻帶0～5MHz，在0～4MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB3dB通頻帶0～