增益可調(diào)射頻寬帶放大器課件

1、湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 2016 屆 題 目 增益可調(diào)射頻寬帶放大器設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 電子信息工程 學(xué)生姓名 朱崇尚 學(xué) 號(hào) 12082306 指導(dǎo)教師 肖良軍 論文字?jǐn)?shù) 約1萬(wàn)1千 完成日期 2015年12月15日 湖 州 師 范 學(xué) 院 教 務(wù) 處 印 制1增益可調(diào)射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)摘 要：射頻放大器是通信系統(tǒng)中與收發(fā)信號(hào)中的一塊重要組成部分，其各個(gè)方面的性能好壞會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行1。隨著當(dāng)今社會(huì)信息化的發(fā)展，對(duì)于射頻寬帶放大器的要求也越來(lái)越高。鑒于此，本文實(shí)現(xiàn)了一種以STC89C52為控制核心來(lái)實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)的射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的放大部分采用三級(jí)放大，高

2、速運(yùn)放OPA695作為前置固定增益放大，用于阻抗匹配并降低信號(hào)源輸入的噪聲，VCA821作為中間級(jí)的增益可調(diào)放大，THS3201作為后級(jí)的功率放大。該放大器具有前后級(jí)工作互不影響，頻率特性良好的特點(diǎn)，而且整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了寬帶放大，最后根據(jù)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)的放大器能夠較好完成增益可調(diào)寬帶放大。關(guān)鍵詞：寬帶放大，增益可調(diào)，VCA821 I1The Design of Gain Adjustable RF Broadband AmplifierAbstract: Radio frequency amplifier is an important part of the communic

3、ation system, and the performance of the RF amplifier can directly affect the operation of the whole system. 1. With the development of information technology in todays society, the requirements for RF broadband amplifiers are becoming higher and higher. In view of this, this paper realized a kind o

4、f RF broadband amplifier design with STC89C52 as the control core. The design of the amplifier using three amplifier, high speed operational amplifier OPA695 as a pre fixed gain amplifier for impedance matching and noise reduction signal input, VCA821 as the middle level adjustable gain amplifier, T

5、HS3201 power amplifier as post. The amplifier has the characteristics of good performance of the front and rear, the frequency characteristic is good, and the stability of the whole system is strong, and the broadband is amplified. Finally, according to the actual measurement data, the design of the

6、 amplifier can achieve a better gain adjustable broadband amplifier.Key words: Broadband amplification, gain adjustable, VCA821I1目 錄第1章 緒 論11.1 選題背景及意義11.2 射頻放大器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.2.1 射頻放大器研究現(xiàn)狀11.2.2 發(fā)展趨勢(shì)11.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)2第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32.1 系統(tǒng)整體框圖32.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)32.2.1 單片機(jī)STC89C52RC簡(jiǎn)介32.2.2 復(fù)位電路42.2.3 晶振電路42.2.4 按鍵電路42.3

7、中間級(jí)可調(diào)增益模塊52.3.1 方案討論52.3.2 中間級(jí)增益可調(diào)放大模塊52.4 前置固定增益放大模塊62.5 后級(jí)功率放大模塊72.6 DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊82.7 顯示模塊92.8 供電模塊92.9 系統(tǒng)硬件總結(jié)9第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)113.1 系統(tǒng)軟件流程圖113.2 中斷服務(wù)子程序123.3 按鍵處理子程序133.4 DA數(shù)模轉(zhuǎn)化子程序133.5 系統(tǒng)軟件總結(jié)14第4章 設(shè)計(jì)結(jié)果與總結(jié)154.1 設(shè)計(jì)總結(jié)154.2 設(shè)計(jì)結(jié)果154.3 檢測(cè)結(jié)果16參考文獻(xiàn)18致 謝19I第1章 緒 論1.1 選題背景及意義現(xiàn)在的社會(huì)是一個(gè)信息化極度爆炸的社會(huì)，所以對(duì)于信息的處理以及應(yīng)用在社會(huì)上的各個(gè)行

8、業(yè)都非常重視，并且投入相當(dāng)大的人力與財(cái)力進(jìn)行相應(yīng)的研究與設(shè)計(jì)。而隨著全球技術(shù)的日漸成熟，傳統(tǒng)的通信方式正在逐步接受新興模式的挑戰(zhàn)，無(wú)線(xiàn)通信就是這樣的一種信息化發(fā)展下的一種新興產(chǎn)業(yè)，這其中的關(guān)鍵部分就是有關(guān)于射頻功率放大器的構(gòu)建，同時(shí)依賴(lài)于社會(huì)當(dāng)今運(yùn)算放大器的發(fā)展。隨著當(dāng)今社會(huì)電子技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于信息的傳遞手段從最初的有線(xiàn)通信逐步發(fā)展到無(wú)線(xiàn)通信，同時(shí)對(duì)于無(wú)線(xiàn)通訊的要求愈發(fā)嚴(yán)格和精確。在無(wú)線(xiàn)通訊中，射頻寬帶放大器起到了至關(guān)重要的作用，是無(wú)線(xiàn)通訊中不可或缺的一部分。在無(wú)線(xiàn)通訊這個(gè)系統(tǒng)中，高增益、寬頻帶的放大器會(huì)為整個(gè)系統(tǒng)提供的更大的方便，因此追求更高增益、更寬頻帶以及增益可調(diào)的射頻寬帶放大器也對(duì)

9、無(wú)線(xiàn)通訊的發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用，積極促進(jìn)了信息通訊的發(fā)展以及讓人們更便捷的進(jìn)行通信交流。本設(shè)計(jì)根據(jù)原有的寬帶放大器技術(shù)水平上進(jìn)行擴(kuò)展提升，通過(guò)選用高精度的高速運(yùn)放來(lái)提高寬帶放大的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)為應(yīng)對(duì)不同情況下的需求，設(shè)計(jì)為增益可調(diào)節(jié)，即利用TI德州儀器公司3生產(chǎn)的VCA821芯片來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的增益調(diào)節(jié)電路。VCA821是一款可以調(diào)節(jié)增益的寬帶放大器，在放大倍數(shù)為10倍的情況下輸出信號(hào)的帶寬為150MHz，完全符合本設(shè)計(jì)要求。在完成增益可調(diào)的同時(shí)，后級(jí)功率放大選擇用THS3201芯片來(lái)提高放大器驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力。 1.2 射頻放大器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 射頻放大器研究現(xiàn)狀伴隨著當(dāng)今社會(huì)中電

10、子行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)于硬件的要求也逐漸提高，往往要求硬件更加趨于小型化與適用化，這樣一來(lái)對(duì)于射頻類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)要求也會(huì)越來(lái)越高，而且對(duì)于該放大器的各類(lèi)指標(biāo)也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。更加的小型化設(shè)計(jì)也會(huì)要求射頻放大器的布局以及走線(xiàn)的要求也會(huì)提高，不然的話(huà)會(huì)在其頻帶范圍里增加各種不確定的干擾因素，從而使得射頻放大器的使用效率不高，因此對(duì)于射頻放大器的線(xiàn)性?xún)?yōu)化是如今很有必要的研究。當(dāng)然隨著射頻放大器的發(fā)展，各種方案的優(yōu)化也層出不窮，這也是依賴(lài)于當(dāng)今社會(huì)的技術(shù)發(fā)展以及更加高性能芯片的產(chǎn)生，推動(dòng)了射頻放大器的設(shè)計(jì)發(fā)展4。1.2.2 發(fā)展趨勢(shì)在近些年的無(wú)線(xiàn)通訊發(fā)展中，射頻寬帶放大器得到了很好的發(fā)展，其中射頻放大器的

11、增益、頻帶已經(jīng)精確性都得到很好的提高，但同時(shí)為了提高該放大器的系統(tǒng)及穩(wěn)定性，還要進(jìn)行更加合理的設(shè)計(jì)以及做相應(yīng)的抗干擾能力，其中，噪聲的干擾是非常嚴(yán)重以及很難驅(qū)除的因素，這就對(duì)芯片的性能以及選型提出了很高的要求。對(duì)于帶寬的要求也很重要，在實(shí)際應(yīng)用中，往往帶寬越寬，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)有很大的提高，相對(duì)的對(duì)于芯片本身的帶寬的要求會(huì)更高，往往會(huì)要求芯片的帶寬越寬越好，才能供給整個(gè)系統(tǒng)來(lái)良好運(yùn)行。伴隨著無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，射頻放大器的效率以及線(xiàn)性化技術(shù)更加成為研究領(lǐng)域的重點(diǎn)的研究對(duì)象。射頻寬大放大器的性能好壞將會(huì)直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量以及使用效率。在使用射頻放大器的使用效率的問(wèn)題上，就要關(guān)注

12、于能源消耗問(wèn)題，即以綠色通信關(guān)聯(lián)考慮，要降低能耗的同時(shí)具有較高的工作效率5。1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)本設(shè)計(jì)目標(biāo)要實(shí)現(xiàn)放大器在寬頻帶的要求下可以進(jìn)行增益可調(diào)，同時(shí)能夠保證經(jīng)由放大器的信號(hào)輸出波形良好，波形無(wú)明顯失真；該放大器要具有一定的寬頻帶，同時(shí)在頻帶的增益波動(dòng)要小，增益曲線(xiàn)要相對(duì)平穩(wěn)；輸入輸出阻抗匹配。實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo)：（1）放大器的電壓增益：，輸出波形無(wú)明顯失真；（2）的通頻帶不窄于；（3）在 頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)不大于;（4）實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，增益可調(diào)范圍47倍 100倍。18湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)整體框圖 整個(gè)系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、前置固定放大模塊、中間級(jí)可調(diào)

13、增益放大模塊、后級(jí)功率放大模塊、按鍵模塊、DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊等。圖2.1 系統(tǒng)整體框圖由圖2.1可知，本設(shè)計(jì)采用3級(jí)放大，分別為前置固定放大，可調(diào)增益放大以及后置功率放大，小信號(hào)（峰-峰值）經(jīng)過(guò)3級(jí)放大器后實(shí)現(xiàn)放大40dB6,同時(shí)在信號(hào)輸入系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行阻抗匹配。在可調(diào)增益放大模塊中選擇壓控可調(diào)增益放大器芯片，電壓控制端的電壓模擬量輸入由51單片機(jī)控制DA模塊來(lái)產(chǎn)生，通過(guò)程序來(lái)進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，同時(shí)液晶顯示模塊根據(jù)DA模塊產(chǎn)生的電壓模擬量來(lái)顯示相對(duì)應(yīng)此時(shí)的放大增益。2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.1 單片機(jī)STC89C52RC簡(jiǎn)介STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一款具有低功耗、高性能CMO

14、S特點(diǎn)的8位單片機(jī)，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52相比于傳統(tǒng)的51單片機(jī)具有更多的改進(jìn)。使其具備了很多超越傳統(tǒng)51單片機(jī)的功能。51系列單片機(jī)是目前范圍使用范圍最廣的一類(lèi)微處理器，其價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，受到廣大電子設(shè)計(jì)愛(ài)好者和工程師的喜歡。51單片機(jī)內(nèi)部具有豐富的硬件資源13，例如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口，且其還提供了詳盡的指令操作系統(tǒng)，可以方便地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。圖2.2 STC89C52RC單片機(jī)引腳圖2.2.2 復(fù)位電路在單片機(jī)運(yùn)作其軟件程序的時(shí)候，如若遭受到外界干擾的情況，程序會(huì)發(fā)生跑飛的狀況而使得單片機(jī)進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)，從而會(huì)讓單片機(jī)不能正常工作，繼而影

15、響到各個(gè)模塊的正常運(yùn)行。這種時(shí)候就需要通過(guò)外部人為的操作才能使得單片機(jī)回歸正常工作狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位方式有外部按鍵手動(dòng)復(fù)位、外部低壓檢測(cè)復(fù)位、軟件復(fù)位、上電復(fù)位等等。本設(shè)計(jì)采用了外部按鍵手動(dòng)復(fù)位的方式。在單片機(jī)的9號(hào)引腳人為通過(guò)按鍵鍵入高電平，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到RST引腳有高電平輸入時(shí)，單片機(jī)會(huì)初始化重新開(kāi)始運(yùn)行程序。復(fù)位電路如圖2.3所示，S6是一個(gè)輕觸按鍵，C9為10uf的電解電容，R11是一個(gè)1K的色環(huán)電阻，其中電容與電阻串聯(lián)分壓，當(dāng)按鍵按下時(shí)，電容被短路，RST相當(dāng)于連接電源電壓，即看做在RST端口鍵入了一個(gè)高電平。圖2.3 復(fù)位電路2.2.3 晶振電路晶振電路為單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行提供了一個(gè)

16、基本的時(shí)鐘信號(hào)，通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，這是為了讓各模塊運(yùn)行的時(shí)候保持同步。圖2.4 晶振電路晶振電路的連接示意圖如圖2.4所示，Y1為11.0592MHz的晶振，C10、C11是2個(gè)30pf的瓷片電容，是為了使晶振正常工作的電容，如果不接這兩個(gè)電容，則振蕩部分可能會(huì)因?yàn)闆](méi)有回路而停振，從而導(dǎo)致整個(gè)電路不能正常工作。2.2.4 按鍵電路在本設(shè)計(jì)中，除去復(fù)位按鍵外只接有2個(gè)功能按鍵，S1按鍵接入單片機(jī)P1.0口，控制的是增加DA模塊的輸出電壓。S2按鍵接入單片機(jī)P1.1口，控制的是減小DA模塊的輸出電壓。按鍵電路圖如圖2.5所示。圖2.5按鍵電路2.3 中間級(jí)可調(diào)增益模塊2.3.1 方案討論方

17、案一：AD835乘法器。AD835為一款具有4個(gè)象限電壓輸出的模擬芯片。它能夠顯示線(xiàn)性的x與y電壓輸入的結(jié)果，且輸出-3dB的信號(hào)頻帶為250MHz左右。滿(mǎn)量程為1V至+1V，且在上升至下降的反應(yīng)大約為2.5ns的時(shí)間，20ns為0.1%建立的時(shí)間。x與y是AD835的微分乘法輸入，z端口為其加法的高阻抗輸入端口。方案二：VCA810。VCA810是直流耦合、寬帶、連續(xù)可變電壓控制增益放大器。35MHz是VCA810的恒定帶寬，而且其增益控制帶寬達(dá)到了25MHz。它提供了差分輸入單端輸出轉(zhuǎn)換，用來(lái)改變高阻抗的增益控制輸入超過(guò)-40dB增益至+40dB的范圍內(nèi)成dB/V的線(xiàn)性變化。方案三：VCA

18、821。VCA821是寬帶、大于 40dB 調(diào)節(jié)范圍、dB 線(xiàn)性可變?cè)鲆娣糯笃?，它提供了一個(gè)差分輸入到單端的轉(zhuǎn)換具有高阻抗輸入增益控制用于改變?cè)鲆嫦陆?0分貝標(biāo)稱(chēng)最大增益的增益設(shè)置電阻（RG）和反饋電阻（RF）。VCA821裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)由兩輸入緩沖器和輸出電流反饋放大器階段事半功倍的核心提供了一個(gè)完整的可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）集成系統(tǒng)，不需要外部緩沖。最大增益設(shè)置外部電阻，提供了設(shè)計(jì)的靈活性。最大增益的目的是設(shè)置在6分貝和32分貝之間。5V電源供電，為VCA821裝置的增益控制電壓來(lái)調(diào)節(jié)增益線(xiàn)性dB作為控制電壓變化范圍從0V到+ 2 V。在GAIN=+2時(shí),小信號(hào)的帶寬達(dá)到了710MHz，同時(shí)

19、具有2500的高壓擺率。分析：方案一用AD835模擬放大器，能夠輸出為250MHz的信號(hào)，但是隨著增益的增加，會(huì)減小帶寬，對(duì)于100MHz的帶寬要求會(huì)有所局限。同時(shí)對(duì)于-1V1V的可調(diào)電壓控制，正電壓比較好實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于正負(fù)電壓同時(shí)可調(diào)實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)有所麻煩，不容易實(shí)現(xiàn)即會(huì)增加控制的不確定性，同時(shí)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定；方案二用VCA810芯片，很明顯的，VCA810芯片的帶寬只有35MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)所要的100MHz，且壓控端為負(fù)電壓可調(diào)，比較難實(shí)現(xiàn)；方案三用VCA821，帶寬足夠，為正電壓控制，且可調(diào)增益范圍廣，符合設(shè)計(jì)要求。所以選擇方案三作為增益可調(diào)放大器的方案。2.3.2 中間級(jí)增益可調(diào)

20、放大模塊選擇VCA821作為增益可調(diào)放大器，該放大器模塊原理圖如圖2.3所示。該模塊最大放大倍數(shù)為： (2)在實(shí)際的電路中，又有沒(méi)有用到R6與C5，即最大放大倍數(shù)該為： (3)轉(zhuǎn)化增益為： (4)在該模塊中，P5、P6為SMB接口。P4端口為電壓控制端，即接入DA模塊，為電壓模擬量的輸入端口。R2、P7為50電阻，用于級(jí)間的阻抗匹配。R5、R6確定該可調(diào)放大器模塊的最大增益，增益計(jì)算公式可見(jiàn)（2）（3）（4）。9號(hào)引腳為電壓參考端，必須通過(guò)R9的20與地相連接，來(lái)避免輸出發(fā)生振蕩。3、6號(hào)引腳為信號(hào)差分輸入端口，采用正相的連接方式，即信號(hào)輸入輸出的相位一致。圖2.6 中間級(jí)可調(diào)增益模塊VCA8

21、21的2號(hào)引腳為增益放大的控制端，通過(guò)輸入該引腳的電壓值得變化來(lái)改變輸出信號(hào)的增益大小，輸出信號(hào)的增益隨著VG端電壓值的變化而變化，其變化趨勢(shì)如下圖2.3.2所示。圖2.7 VG端電壓變化與增益變化示意圖 從上圖的變化趨勢(shì)可以得到，VG端的控制電壓在0.6V1.4V之間時(shí)，輸出信號(hào)的放大倍數(shù)在0.8V/V10V/V之間，且可以近似的看成線(xiàn)性調(diào)整，在末端1V1.4V之間的電壓變化會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的放大倍數(shù)不成線(xiàn)性變化。但是在電壓接近1V左右的時(shí)候會(huì)有誤差的存在，即在這一點(diǎn)上的放大倍數(shù)會(huì)可能不精確。在電壓大于1.4V時(shí)，VCA821的輸出信號(hào)的放大倍數(shù)會(huì)固定，不再隨著電壓的變化而變化，所以電壓的取值

22、變不能處于大于1.4V這一階段，不然信號(hào)將不再變化而達(dá)不到增益可調(diào)的目的。2.4 前置固定增益放大模塊系統(tǒng)前置固定放大器電路如圖2.2所示，由圖可知，前置放大器的增益為： （1）圖2.8 前置固定增益放大模塊系統(tǒng)的通頻帶由3級(jí)放大電路共同決定，3級(jí)放大鏈接后的帶寬會(huì)明顯小于單級(jí)放大電路，所以要選擇帶寬放大器，且由于放大的增益不小，所以對(duì)于帶寬的要求就越大。在前置固定增益放大電路中，選擇OPA695芯片，這是一款具有禁用功能的超寬帶電流反饋運(yùn)算放大器，這款芯片具有超高帶寬轉(zhuǎn)換、速率快、低功耗的特點(diǎn)，且?guī)捲鲆娣e為1700MHz,且壓擺率高達(dá)4300，滿(mǎn)足在前置放大固定增益的同時(shí)擁有良好的帶寬，在

23、GAIN=+2的情況下，帶寬達(dá)到850MHz，在GAIN=+8的情況下，帶寬達(dá)到450MHz。在芯片的參考數(shù)據(jù)中，該芯片的失調(diào)電壓（Offset voltage）最大為3mV，而且輸入電壓噪聲（input noise voltage）僅為1.8 。前置固定放大電路為了使得信號(hào)輸出相位與信號(hào)源的信號(hào)輸入相位相同，采用同相放大連接。信號(hào)輸入接電阻R1為50，為了達(dá)到信號(hào)源和前置放大電路的阻抗匹配。R4和R3電阻確定了前置固定增益放大器的增益。P2、P3為信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，用來(lái)外接示波器來(lái)觀測(cè)電路中的輸入輸出信號(hào)。P4、P5為SMB接頭，用于傳輸射頻信號(hào)7-11，其傳輸頻率范圍很寬。R2電阻50為級(jí)間匹配

24、電阻，實(shí)現(xiàn)前置固定放大器與下一級(jí)的阻抗匹配。2.5 后級(jí)功率放大模塊系統(tǒng)后級(jí)率放大模塊如圖2.4所示，由圖可知，前置放大器的增益為： （5）圖2.9 后級(jí)功率放大模塊壓擺率是指運(yùn)算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率，單位有通常有V/s，V/ms和V/us三種，它反映的是一個(gè)運(yùn)算放大器在速度方面的指標(biāo)。壓擺率也稱(chēng)轉(zhuǎn)換速率。壓擺率的數(shù)學(xué)定義：12其中：f是信號(hào)的最大頻率，也可以看做是其帶寬,V為經(jīng)過(guò)放大后信號(hào)輸出的最大峰峰值;壓擺率的概念是大信號(hào)放大時(shí)的帶寬問(wèn)題;壓擺率計(jì)算出的帶寬同帶寬增益積的關(guān)系：帶寬增益積反應(yīng)小信號(hào)放大信號(hào)的帶寬問(wèn)題，壓擺率反應(yīng)大信號(hào)放大信號(hào)的問(wèn)題，一般大信號(hào)的帶寬都要小于帶寬增益積的

25、值。THS3201是寬帶，1.8GHz高速電流反饋放大器，設(shè)計(jì)運(yùn)行在一個(gè)3.3 V電源電壓范圍寬至7.5 V為高性能應(yīng)用。寬電源電壓范圍，結(jié)合低失真和高轉(zhuǎn)換率，使THS3201適合任意波形驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。變形性能也使驅(qū)動(dòng)高分辨率和高采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。其高電壓操作能力使THS3201特別適用于許多測(cè)試，測(cè)量，和吃低電壓設(shè)備不能提供足夠的電壓擺幅能力中的應(yīng)用。輸出上升和下降時(shí)間幾乎是步長(zhǎng)獨(dú)立（一階近似），用于小型到大型步進(jìn)脈沖在高動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的線(xiàn)性度好讓THS3201理想。如圖2.4所示P4、P5為SMB接口，P6、P7為信號(hào)測(cè)試端點(diǎn)，R1、R2為50電阻，用于阻抗匹配，R4、R3確定了該后級(jí)功

26、率放大模塊的增益，增益計(jì)算公式可見(jiàn)公式（5）。線(xiàn)路連接方式為同相放大，為確保輸入輸出信號(hào)的相位一致。與電壓反饋放大器不同，電流反饋放大器是高度依賴(lài)于反饋電阻的最大性能和穩(wěn)定性。設(shè)置最佳的增益電阻RF和RG值在不同頻率響應(yīng)時(shí)候會(huì)提供最大的帶寬和最小的的峰值。實(shí)現(xiàn)更高的帶寬代價(jià)是增加的頻率響應(yīng)峰值，利用射頻更低的值。相反，增加射頻降低帶寬，但穩(wěn)定性提高。2.6 DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊原理圖如下圖2.5.2所示：圖2.10 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊原理圖由上圖可知，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選用TLV5618芯片，TLV5618是一款2.7V-5.5V低功耗12位雙通道DAC，電壓輸出顯示。TLV5618有具有以下

27、特點(diǎn)：0.5LSB的建立時(shí)間為2.5ms或12.5ms，8引腳封裝內(nèi)有兩路12位CMOS電壓輸出DAC，DACA和DACB同時(shí)更新，3線(xiàn)串行接口，電壓輸出范圍是基準(zhǔn)輸入電壓的2倍，軟件斷電方式，1.21MHz的輸入數(shù)據(jù)更新速率。TLV5618的基準(zhǔn)電壓由ATL431產(chǎn)生，該芯片是可控精密穩(wěn)壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。由德州儀器生產(chǎn)，所謂TL431就是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，為T(mén)LV5618提供一個(gè)良好的+2.5V的基準(zhǔn)電壓，即該模塊輸出的模擬電壓公式為： （6） 其中 DIGNUM后四位為:0x00000x0fff，V為基

28、準(zhǔn)電壓2.5V，所需輸入的數(shù)字信號(hào)值為16位數(shù),其中D15D12為特殊位設(shè)置,D11D0為數(shù)據(jù)位000FFF。2.7 顯示模塊本模塊用于顯示的是采用NOKIA公司生產(chǎn)的LCD5110液晶。該液晶是一款不僅能夠展示字母符號(hào)和漢字，而且能夠根據(jù)自己的喜好取模來(lái)展示的點(diǎn)陣LCD。與單片機(jī)的通信選用串行通信，這樣能夠讓與單片機(jī)的接口信號(hào)線(xiàn)大大減少，增加了單片機(jī)的使用效率。同時(shí)支持多種形式的串行口通信協(xié)議，其傳輸速度能夠達(dá)到4Mbps，能夠做到實(shí)時(shí)顯示寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，不需要緩沖的時(shí)間。LCD控制器/驅(qū)動(dòng)芯片已經(jīng)綁定在LCD晶片上，使得該模塊的體積很小，因此，被廣泛的用于各種便攜設(shè)備的顯示系統(tǒng)中。該模塊的連接

29、原理圖如下圖2.5.3所示：圖2.11 5110液晶顯示模塊由上圖所知，液晶5110引腳1號(hào)引腳為復(fù)位腳；2號(hào)引腳為片選引腳；3號(hào)引腳為數(shù)據(jù)和命令切換引腳；4號(hào)引腳為數(shù)據(jù)輸入引腳；5號(hào)引腳為時(shí)鐘控制引腳；6號(hào)引腳為電源；7號(hào)引腳為背光控制開(kāi)關(guān)，低電平打開(kāi)背光；8號(hào)引腳為電源地。從圖中可以得知，除去電源與地引腳，只有5個(gè)引腳接入單片機(jī)的P2口，大大節(jié)省了單片機(jī)的資源，同時(shí)液晶顯示靠調(diào)制外界光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，顯示體本身不發(fā)光，不刺激眼睛，不易疲勞等優(yōu)點(diǎn)，足夠用于放大倍數(shù)的液晶顯示。2.8 供電模塊本設(shè)計(jì)中的前置固定放大模塊、可調(diào)增益放大模塊、后級(jí)功率放大模塊都需要正負(fù)電源供電，電源電壓為正負(fù)5V,同時(shí)為

30、了有效的減小自基現(xiàn)象的發(fā)生，以及保證直流電源電壓的穩(wěn)定性，在正負(fù)電源上分別加上了一個(gè)0.1UF和6.8UF的濾波電容，在一定程度上同時(shí)濾除了直流電源中的不需要的交流分量，使直流電平滑，增加了電源電壓的可靠性，同時(shí)增加了電路的抗干擾性能，使得前置固定放大模塊、可調(diào)增益放大模塊、后級(jí)功率放大模塊這三個(gè)模塊的輸出信號(hào)更加穩(wěn)定。圖2.12 供電模塊原理圖2.9 系統(tǒng)硬件總結(jié)本設(shè)計(jì)的放大增益由前置固定放大模塊、可調(diào)增益放大模塊、后級(jí)功率放大模塊這三塊的放大增益共同決定，因?yàn)橛扇齻€(gè)模塊連級(jí)來(lái)放大信號(hào)，所以又由每個(gè)模塊的增益公式（1）、（4）、（5）可以得到本設(shè)計(jì)的最大增益公式為：本設(shè)計(jì)的帶寬有OPA695

31、、VCA821、THS3201這三款芯片的各自的所局限的帶寬共同決定，因?yàn)槿?jí)連接所造成的帶寬往往會(huì)小于實(shí)際芯片所提供的帶寬，所以選擇了具有超高帶寬的OPA695和THS3201芯片，而且VCA821也擁有足夠的帶寬來(lái)適應(yīng)設(shè)計(jì)的要求。MCU選擇用最簡(jiǎn)便的STC89C52單片機(jī)來(lái)搭建最小系統(tǒng)，同時(shí)方便自己搭建DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和液晶顯示模塊這兩個(gè)外圍電路。通過(guò)按鍵來(lái)控制DA數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊輸出步進(jìn)電壓來(lái)達(dá)到改變系統(tǒng)增益的目的，使得設(shè)計(jì)增益可調(diào)，并通過(guò)液晶顯示當(dāng)前的信號(hào)放大倍數(shù)，便于檢測(cè)與驗(yàn)證。第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)軟件流程圖針對(duì)本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求，在硬件搭建以及焊接制板基本通過(guò)測(cè)試后，設(shè)計(jì)如下

32、系統(tǒng)軟件流程圖，如圖3.1所示，達(dá)到通過(guò)按鍵來(lái)控制整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信號(hào)增益可調(diào)。隨著按鍵次數(shù)的增加，而逐步增加輸出信號(hào)的放大倍數(shù)，以達(dá)到程控的目的。圖3.1 系統(tǒng)軟件總程序流程圖從上圖可以看出來(lái)，在中斷初始化的時(shí)候要計(jì)算好計(jì)數(shù)器的初值設(shè)定，20ms對(duì)于該程序來(lái)說(shuō)足夠，即20ms進(jìn)入中斷一次，執(zhí)行一次中斷服務(wù)子程序，如若程序執(zhí)行出錯(cuò)，可以適當(dāng)所短檢測(cè)的時(shí)間，即會(huì)提高進(jìn)入中斷的次數(shù)，從而使得檢測(cè)更加靈敏。在液晶顯示方面，讓其一直循環(huán)顯示，即當(dāng)程序不進(jìn)入中斷的時(shí)候保持當(dāng)前的顯示不變化，只有在進(jìn)入中斷服務(wù)子程序之后，會(huì)更新液晶的顯示數(shù)據(jù)，從而更新5110液晶的顯示。這樣的程序既簡(jiǎn)單又明了，可以很直觀的看

33、出主程序的框架構(gòu)造，條理清晰，便于之后的程序調(diào)試修改，使之不容易出錯(cuò)，能夠良好運(yùn)行。3.2 中斷服務(wù)子程序中斷服務(wù)子程序如下圖圖3.2所示：圖3.2 中斷服務(wù)子程序程序框圖由上圖可知，在中斷子程序中，一開(kāi)始要先裝入初值，即在進(jìn)入中斷服務(wù)子程序的時(shí)候更新計(jì)數(shù)器的初值，使之重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，為下一次的進(jìn)入中斷做好準(zhǔn)備。然后進(jìn)行按鍵掃描，在這一步中要確定哪一個(gè)按鍵被按下，即哪一個(gè)按鍵發(fā)揮了作用，要通過(guò)按鍵掃描將之提取出來(lái)，根據(jù)提取的按鍵不同來(lái)賦予按鍵不同的功能，將這些功能歸納起來(lái)就為按鍵處理子程序，每一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)按鍵處理子程序中的一項(xiàng)功能，通過(guò)提取按鍵的標(biāo)志位的不同來(lái)調(diào)用相應(yīng)的按鍵功能。按鍵掃描的頻率即

34、為進(jìn)入中斷子程序的頻率，20ms的掃描時(shí)間夠用來(lái)正常的按鍵反應(yīng)時(shí)間了。關(guān)于按鍵掃描的算法種類(lèi)有很多種，最重要的可以說(shuō)是要消除按鍵的抖動(dòng)來(lái)確定按鍵是否真正的起到作用，自重最簡(jiǎn)單的可以說(shuō)是通過(guò)一個(gè)延時(shí)子程序來(lái)消除按鍵抖動(dòng)，在該程序里沒(méi)有選擇延時(shí)消抖，而采用另一種算法來(lái)處理按鍵掃描，具體程序如下：void keyread(void)unsigned char ReadData=P10xff; /1Trg=ReadData&(ReadDataCont); /2Cont=ReadData; /3其中，Trg代表觸發(fā)，Cont代表的是連續(xù)按下；1：提取P1口的端口數(shù)據(jù)，進(jìn)行取反操作，再將取得的數(shù)據(jù)放在Re

35、adData這個(gè)臨時(shí)變量里儲(chǔ)存；2：用來(lái)計(jì)算觸發(fā)變量；3：用來(lái)計(jì)算連續(xù)變量。第一次按下按鍵的情況下：當(dāng)與P1.0口連接的按鍵按下的時(shí)候，ReadData讀端口并且取反，即為0X01;Trg=ReadData&(ReadDataCont); 因?yàn)槭鞘状无粝掳存I，所以Cont這個(gè)變量的數(shù)據(jù)是0。那么2這個(gè)式子推算出來(lái)Trg=0x01&（0x010x00）=0x01；Cont=ReadData=0x01；這樣就提取出來(lái)P1端口數(shù)據(jù)為0x01，即第一按鍵按下。當(dāng)按鍵松開(kāi)的情況下，可以算出來(lái)的結(jié)果為：ReadData=0x00；Trg=0x00；Cont=0x00。在按鍵處理子程序中，可以通過(guò)判斷Trg

36、這個(gè)全局變量來(lái)確定哪一個(gè)按鍵起到了作用，同時(shí)可以設(shè)置該按鍵的功能程序。3.3 按鍵處理子程序本設(shè)計(jì)的按鍵處理子程序如下圖3.3所示：圖3.3 按鍵處理子程序框圖由上圖按鍵子程序框圖可以看出，按鍵1的功能為步進(jìn)遞增，按鍵2的功能為步進(jìn)遞減，步進(jìn)的大小全部測(cè)量為一個(gè)數(shù)組，存放于DAData數(shù)組中，通過(guò)標(biāo)志i的自加自減來(lái)逐步提取數(shù)組中的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)送入DA數(shù)模轉(zhuǎn)化即DA模塊中進(jìn)行模擬電壓的轉(zhuǎn)化，從而使得DA輸出不同的模擬電壓，來(lái)改變信號(hào)的增益，達(dá)到控制的目的。其中j的作用為檢索另外一個(gè)存放放大倍數(shù)的數(shù)組，通過(guò)按鍵按得的j的不同數(shù)值來(lái)提取放大倍數(shù)用于液晶顯示。3.4 DA數(shù)模轉(zhuǎn)化子程序DA數(shù)模轉(zhuǎn)化

37、子程序框圖如下圖3.4所示。圖3.4 DA數(shù)模轉(zhuǎn)化子程序框圖在DA數(shù)模轉(zhuǎn)化中，在片選的有效的情況下TLV5618才能工作，同時(shí)16位數(shù)據(jù)是根據(jù)說(shuō)明設(shè)置轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。后12位為需要轉(zhuǎn)換的值，即后12位數(shù)據(jù)才是真正轉(zhuǎn)化為模擬量的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化的時(shí)候，要設(shè)置其模式、通道選擇并進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，其中：Data_A：A通道轉(zhuǎn)換的電壓值Data_B：B通道轉(zhuǎn)換的電壓值Channal：通道選擇，其值為Channal_A，Channal_B,或Channal_ABModel：速度控制位 0：slow mode 1：fast mode另外還需要注意Data_A，Data_B的范圍為：0-0x0fff；程序如果只需

38、要一個(gè)通道時(shí)，另外一個(gè)通道的值可任意，但是不能缺省。3.5 系統(tǒng)軟件總結(jié)整個(gè)系統(tǒng)的軟件比較簡(jiǎn)單，只要完成按鍵模塊的控制、DA模塊輸出模擬電壓的控制以及對(duì)于相應(yīng)放大倍數(shù)的顯示即可，在進(jìn)行編寫(xiě)的時(shí)候用Keil uVision4這款軟件，同時(shí)在編譯通過(guò)且沒(méi)有報(bào)錯(cuò)的情況下再燒錄進(jìn)單片機(jī)硬件系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行硬件調(diào)試來(lái)驗(yàn)證軟件程序的正確性。第4章 設(shè)計(jì)結(jié)果與總結(jié)4.1 設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)研究的主要目的是給出一個(gè)程控寬帶放大器的可行方案，在設(shè)計(jì)制作的同時(shí)，增加對(duì)于信號(hào)放大的理解。在硬件上，由于放大倍數(shù)不小，所以不適合用單級(jí)放大，因?yàn)槿绻糯蟊稊?shù)過(guò)大，對(duì)于運(yùn)放芯片的要求也就會(huì)越高，且如若用單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)大，會(huì)容易使得

39、板子自基振蕩，所以采用多級(jí)放大。用多級(jí)放大的方式雖然不會(huì)像單級(jí)那樣對(duì)芯片的要求高，但是相對(duì)的對(duì)于制板以及PCB布線(xiàn)的要求則會(huì)變高，特別是對(duì)于三塊板連級(jí)測(cè)試輸出信號(hào)的此時(shí)環(huán)境要求也非常高，不僅要考慮每一塊板子的供電問(wèn)題，還要考慮連級(jí)之間的阻抗匹配問(wèn)題，引入阻抗匹配之后又要重新計(jì)算和分配每一塊模塊的增益問(wèn)題，匹配阻抗會(huì)消耗一定的增益，所以則需要比預(yù)計(jì)更高的增益，才能實(shí)現(xiàn)原本設(shè)計(jì)的增益目標(biāo)。在設(shè)計(jì)上，由于信號(hào)的頻率在80MHz左右，在平常的屬于高頻15段，所以容易比較受到干擾，為了使得信號(hào)測(cè)試更加清晰，在接口以及測(cè)試線(xiàn)的方面上，特地選擇了SMB這種專(zhuān)用于高頻測(cè)試的接口以及專(zhuān)用的測(cè)試線(xiàn)。同時(shí)為了能夠進(jìn)

40、行輸入輸出信號(hào)的對(duì)比，在前置固定放大器、后級(jí)功率放大器這兩個(gè)模塊中的輸入輸出端都添加了測(cè)試端點(diǎn)。在制板工藝上，選擇綠油的工廠制板，這樣做出來(lái)的板子效果會(huì)比自己腐蝕制板的效果更好，發(fā)廠制作的板子在成功率會(huì)明顯高上很多，其中很明顯的是制板16上的線(xiàn)路會(huì)比自己腐蝕制作的板子更加干凈，在一定程度上祛除線(xiàn)路上雜質(zhì)的干擾，保證了輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，在程控的設(shè)計(jì)上，信號(hào)板的測(cè)試通過(guò)也就很大程度上意味著設(shè)計(jì)的通過(guò)。在焊接各種元件的選擇上，全部選擇了表貼類(lèi)的元件，因?yàn)樵谥辈逶倪x擇中，需要過(guò)孔，在板子上的過(guò)孔會(huì)增加信號(hào)的干擾，所以在選擇表貼類(lèi)元件的同時(shí)也在一定程度上避免信號(hào)的干擾。在軟件上，程序的編寫(xiě)

41、比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵在于信號(hào)放大倍數(shù)的測(cè)量以及相對(duì)應(yīng)的模擬電壓值得確定，這兩者需要相匹配，不然會(huì)造成液晶顯示的信號(hào)放大倍數(shù)與實(shí)際示波器上的信號(hào)放大倍數(shù)不相等，當(dāng)然相對(duì)的，測(cè)量存在誤差，即在頻帶內(nèi)的放大倍數(shù)并不是確定的，在頻帶內(nèi)的信號(hào)放大有一定的上下波動(dòng)，該誤差可以避免，通過(guò)更加好的方案，例如用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)化來(lái)檢測(cè)輸出的電壓值，再通過(guò)對(duì)比來(lái)顯示此時(shí)的放大倍數(shù)，這樣的一定程度上會(huì)使得測(cè)量更趨向于精確?？傮w而言，本設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，且最大增益為40dB以上。但是在程控部分，在小于0.8V控制模擬電壓的情況下，信號(hào)輸出的波形并不是很穩(wěn)定，所以在這一部分里并沒(méi)有算成可調(diào)部分，這是不足的地方

42、。改進(jìn)的方法有很多種，例如采用更好的芯片，或者線(xiàn)路布局更加合理，再者在硬件的全套連接后加上屏蔽罩等。其中我認(rèn)為目前為止對(duì)此最好的方式是在輸出信號(hào)后面同時(shí)再經(jīng)過(guò)一個(gè)60MHz的高通濾波器或者是50MHz110MHz的帶通濾波器，信號(hào)在通過(guò)濾波器之后，就能夠?yàn)V除60MHz以下以及100MHz以上的噪聲信號(hào)，能夠使得信號(hào)的波形更加趨于完美。由于自身掌握的知識(shí)以及對(duì)于運(yùn)算放大器芯片的種類(lèi)的限制，導(dǎo)致了無(wú)法將放大器的增益做得更高，也無(wú)法使得放大器的帶寬更寬，還存在了缺陷以及不足。本設(shè)計(jì)確實(shí)存在了很多需要改進(jìn)的地方，例如：液晶的顯示部分內(nèi)容有些單調(diào)且不精確，可以再加入一些顯示信號(hào)的其他方面，像頻率，峰值，

43、更有可能直接顯示輸出的波形。還有就制板的的問(wèn)題，分模塊化的制板使得連接上有很大的問(wèn)題，雖然便于調(diào)試與測(cè)量，但同時(shí)也增加了干擾，所以可以統(tǒng)一結(jié)合在一起，制成一塊總板，這樣也可以避免很多干擾。4.2 設(shè)計(jì)結(jié)果各個(gè)模塊實(shí)物圖如下圖所示：圖4.1為前置固定放大模塊，在信號(hào)的輸入輸出端都加入了信號(hào)測(cè)試端點(diǎn)，便于信號(hào)檢測(cè)，圖4.2是中間級(jí)增益可調(diào)放大模塊，圖4.3是后級(jí)功率放大模塊，圖4.4是單片機(jī)加液晶顯示模塊 圖4.1 前置固定放大模塊實(shí)物圖 圖4.2 中間級(jí)增益可調(diào)放大模塊實(shí)物圖 圖4.3 后級(jí)功率放大模塊實(shí)物圖 圖4.4單片機(jī)加液晶顯示模塊4.3 檢測(cè)結(jié)果如下圖4.5、4.5、4.6所示，信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)為VPP=20mV，f=80MHz，在示波器上顯示的信號(hào)為VPP=2.02V，f=80MHz,實(shí)物液晶顯示的放大倍數(shù)為103倍，基本吻合。圖4.5信號(hào)發(fā)生器圖4.6示波器顯示情況圖4.7 實(shí)物液晶顯示情況同時(shí)經(jīng)過(guò)多次的測(cè)量數(shù)據(jù)，得到了0.8V1.2V之間的18個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，并且從這些數(shù)據(jù)上來(lái)看，本設(shè)計(jì)能夠達(dá)到目標(biāo)。其中測(cè)得的數(shù)據(jù)如下表所示：測(cè)試信號(hào)為VPP=20ms，f=80MHz；控制電壓（V）輸出信號(hào)（VPP）放大倍數(shù)0.83070.95470.85001.04520.86901.12560.88881.21610.90801.30650.92761.