寬帶直流放大器(電子設(shè)計競賽)

1、摘 要本系統(tǒng)以單片機ST89C52為主控器件，分為前級放大、增益控制、程控濾波、功率放大、自制電源等模塊。采用可變增益放大器AD603配合后級程控放大實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，通過軟件校正提高增益精度，利用程控濾波模塊實現(xiàn)5MHz、10MHz、15MHz的通帶選擇。選用溫漂小的期間并采用自校零點路來抑制零點漂移。功率放大部分采用具有高驅(qū)動力的運放搭建，驅(qū)動50負載時，輸出電壓有效值可達10V。電源模塊采用低壓差穩(wěn)壓芯片提高效率。系統(tǒng)的輸入動態(tài)范圍為010Vpp，增益調(diào)節(jié)范圍為095dB，步進可預(yù)置，也可手動連續(xù)調(diào)節(jié)，預(yù)置增益與實際增益誤差小于2%。系統(tǒng)還設(shè)置了輸入信號的幅度測量功能。關(guān)鍵詞： 功率放大 高

2、增益 直流放大器 低壓差設(shè)計報告1、 前言隨著微電子技術(shù)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(shù)得到了迅猛的發(fā)展，技術(shù)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(yīng)用于AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、波形發(fā)生器、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(yīng)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

3、廣泛應(yīng)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(shù)及毫米波自動防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)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(xué)研究等領(lǐng)域，對射頻和微波寬帶放大器有極大需求，且這些領(lǐng)域?qū)拵Х糯笃饕蟾鞑幌嗤?，特別是在通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的應(yīng)用中，對寬帶低噪聲和功率放大器的性能指標有特殊要求。在設(shè)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(shè)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

4、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(shè)計一種可編程寬帶運算放大器。二、總體方案設(shè)計 在本系統(tǒng)中，輸入信號先經(jīng)過50阻抗匹配和前級放大，將幅值調(diào)理到AD603的輸入范圍內(nèi)，然后采用AD603與后級電路相配合實現(xiàn)0-95dB范圍內(nèi)的增益控制。使用繼電器切換濾波器模塊，實現(xiàn)5MHz、10MHz、15MHz的通帶選擇。信號經(jīng)過濾波器后一路送模擬峰值檢波電路檢出峰值，由ST89C52單片機控制增益步進；另一路經(jīng)三檔放大后送入由搭建的功率放大電路，驅(qū)動50負載，最大輸出電壓有效值為10V。增益微調(diào)工作

5、狀態(tài)控制輸出輸入增益控制鍵盤控制液晶顯示STC8052單片機后級功放大電路衰減網(wǎng)絡(luò)兩組濾波器電位器前置放大電路圖1 系統(tǒng)方案框圖三、單元模塊設(shè)計1、增益控制方案方案一：簡單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實現(xiàn),為了滿足增益60dB的要求,可以采用多級放大電路實現(xiàn)。對電路輸出用二極管檢波產(chǎn)生反饋電壓調(diào)節(jié)前級電路實現(xiàn)自動增益的調(diào)節(jié)。本方案由于大量采用分立元件,如三極管等,電路比較復(fù)雜,工作點難于調(diào)整,尤其增益的定量調(diào)節(jié)非常困難。此外,由于采用多級放大,電路穩(wěn)定性差,容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。方案二：DAC控制增益。如圖1-2，輸入信號放大后作為基準電壓送給DAC的Vref腳，相當(dāng)于一個程控衰減器。再接

6、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(diào)節(jié)衰減器，實現(xiàn)AGC。還可通過輸入模塊預(yù)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 增益控制部分方案二示意圖方案三：電壓控制增益。如圖1-3，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設(shè)置增益值，控制DAC的輸出，實現(xiàn)程控增益放大。 圖3 增益控制部分方案三示意圖綜上所述，選用方案三，采用集成可變增益放大器AD603作增益控

7、制。AD603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，最大增益誤差為0.5dB，滿足題目要求的精度，其增益（dB）與控制電壓（V）成線性關(guān)系，因此可以很方便地使用D/A輸出電壓控制放大器的增益。2、后級放大電路由于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。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。可是題目要求輸出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(shè)計后級放大器。使用分立元件設(shè)計困難,調(diào)試繁瑣,可是卻

8、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(shè)計后級放大器。3、有效值測量電路方案一：采用真有效值轉(zhuǎn)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。 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(zhuǎn)換后由單片機轉(zhuǎn)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。4、自制電源方案 方案一：線性穩(wěn)壓電路，其中包括并聯(lián)型和串聯(lián)型兩

9、種結(jié)構(gòu)，并聯(lián)型電路設(shè)計復(fù)雜，效率低，僅用于對調(diào)整速率和精度要求高的場合；串聯(lián)型電路比較簡單，效率較高。 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓電源，此方案效率高，但電路復(fù)雜，含有很多諧波，極易引入串?dāng)_。綜上所述，電源模塊采用方案一中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，使用三端式穩(wěn)壓器，以此減小功耗、提高效率。 圖4 直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)框圖4、 系統(tǒng)調(diào)試：1、 放大電路設(shè)計 前級使用高速電流反饋型運放THS3001實現(xiàn)兩檔放大，放大倍數(shù)分別為20倍和0.2倍，通道的切換由繼電器實現(xiàn)。AD603的2腳電壓固定，1腳電壓受16位電壓輸出型串口DAC芯片調(diào)節(jié)，實際測試得AD603的增益調(diào)節(jié)范圍為-0.44dB37.64dB。AD603后接由低

10、失真運放OPA842構(gòu)成的2倍同相放大器，補償后級濾波器的衰減。為擴展增益范圍，在后級增加了由THS3001和2.5倍衰減網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的三檔放大，增益分別為0dB、-13.98dB、8.47dB。增益的手動連續(xù)調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變AD603的控制電壓實現(xiàn)。當(dāng)前增益由單片機采樣滑動變阻器滑動端的電壓，送單片機計算得出。設(shè)置ADC的輸出范圍為03.3V。2、 后級功率放大電路參考音頻放大器中驅(qū)動級電路，考慮到負載電阻為（50±2）W，輸出有效值大于10V，而AD603輸出最大有效值在2V左右，故選用兩級三極管進行直流耦合和發(fā)射結(jié)直流負反饋來構(gòu)建末級功率放大，第一級進行電壓放大，整個功

11、放電路的電壓增益在這一級，第二級進行電壓合成和電流放大，將第一級輸出的雙端信號變成單端信號，同時提高帶負載的能力。選用低失真電流反饋型運放THS3091構(gòu)成同相放大電路將信號放大2.8倍，THS3091輸出電流為250mA（50W負載）。再用三個THS3091并聯(lián)提高后級驅(qū)動力，每個運放后串接2W的均流電阻，功放級與前級分別供電，對運放電源引腳就近接高頻去耦電容，防止自激。由于功放過程中發(fā)熱厲害，會嚴重影響運放性能，因此應(yīng)采用良好的散熱措施。將鋁片固定在轉(zhuǎn)接板背面散熱，并加用風(fēng)扇以獲得更好的散熱效果。整個功放電路電壓放大約10倍。3、 濾波器電路設(shè)計根據(jù)課題擴展指標要求，需滿足3dB通頻帶為0

12、5MHz和010MHz兩種帶寬要求。由于本放大器帶寬較寬，故設(shè)計了兩組低通濾波器來滿足課題要求。本設(shè)計采用兩組9階切比雪夫低通濾波器，3dB通頻帶為05MHz和010MHz，帶內(nèi)波動小于0.1dB，可由單片機控制加以切換。若選擇旁路濾波器，則輸出信號帶寬大于20MHz。4、峰值檢測部分取樣回來的輸出電壓經(jīng)過二極管和電容進行峰值檢波,并經(jīng)過高精度運算放大器進行衰減和保持后輸入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行顯示,這樣精度可以得到保證,不過會有一定的管壓降,使用檢波用肖特基二極管大概會有0.2V壓降,完全可以通過單片機進行顯示上的補償。5穩(wěn)壓電源電路設(shè)計直流穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備中最基本、最常用的儀器之

13、一。它作為能源，可保證電子設(shè)備的正常運行。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三部分組成。整流電路部分電路中用了四個二極管，接成電橋形式，利用二極管的單向?qū)щ娦?，將正負交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓。濾波電路部分利用電容元件儲能的特性，將整流后輸出的電壓的能量儲存起來，然后緩慢的釋放給負載。盡可能地將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路部分采用不同型號的三腳型穩(wěn)壓器，最終可以輸出不同的電壓值。五、系統(tǒng)功能1、系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件流程圖如圖5所示。鍵盤中斷流程圖顯示默認初始增益和工作狀態(tài)并初始化初始化屏幕增益控制工作狀態(tài)控制增益選

14、擇按鍵按下是按鍵功能否主程序流程圖判斷鍵碼工作狀態(tài)選擇顯示增益和帶寬鍵盤中斷中斷返回開始圖5 軟件流程圖六、設(shè)計總結(jié)：1、誤差分析我們測量的誤差主要來源是電磁干擾，由于試驗場地有許多電腦和儀器使用開關(guān)電源，電磁噪聲很大，所以測量輸入端短路時的噪聲電壓時隨輸入短接方式不同而有很大的誤差。2、 設(shè)計總結(jié)本系統(tǒng)采用可編程增益放大器AD603，實現(xiàn)了增益連續(xù)可調(diào)，在0-9Mhz帶寬范圍內(nèi)增益起伏1dB；同時，輸出電壓在一定范圍內(nèi)，波形無明顯失真。自制的基于DC/DC的直流穩(wěn)壓電源具有很高的效率。本系統(tǒng)從方案設(shè)計，理論計算，實際制作，軟硬件調(diào)試等方面進行了緊張而又認真仔細的工作，實現(xiàn)了寬帶直流放大系統(tǒng)。

15、在理論設(shè)計計算方面，我充分運用了我所掌握的知識，力爭做到更好。但在實際制作過程中，經(jīng)常會卡在一些小問題上，說明了我還是缺少實際的工程經(jīng)驗，導(dǎo)致加工工藝和板子的可靠性方面做得不是很好。通過此次畢業(yè)設(shè)計，我獲益匪淺，尤其對電子設(shè)計的整個制作流程和設(shè)計過程中遇到的問題有了深入的體會。如果在設(shè)計與制作中利用數(shù)模隔離、電源隔離、濾波和去耦等技術(shù)，不但能有效減少噪聲和干擾的影響,同時還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 在每個模塊都能正常工作的情況下，整機連調(diào)的時候會出現(xiàn)“共地”問題，導(dǎo)致整機會有一個50HZ的工頻干擾。改進措施是系統(tǒng)地線不能出現(xiàn)環(huán)路，所有地線最好一點接地，包括單片機的數(shù)字地和模擬地。在方案實施過程中，

16、由于時間比較緊，來不及制版，而實驗板的結(jié)構(gòu)受限，導(dǎo)致頻率過高的時候會引入干擾。如果能在精確調(diào)整之后，將整體電路利用PCB開出電路板，減少連線引起的干擾，一定可以提高精度和性能。4、 參考文獻：1葉昌茂，溫世敏.實用直流放大器的設(shè)計J.電子工程師,2005,312賈培軍,常艷玲.差分放大電路的實驗方案探究J.延安大學(xué)學(xué)報3熊旭軍.基于Multisim的差分放大電路仿真分析J.現(xiàn)代電子,20094晏澤昕.寬帶大功率放大器的研究與實現(xiàn)D.成都:電子科技大學(xué),20045Andrei Grebrnnikov.射頻與微波功率放大器設(shè)計M.北京:電子工業(yè)出版社,2006.6何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置

17、與接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)，19907劉和平.單片機原理及應(yīng)用M.重慶：重慶大學(xué)出版社，2002 8王幸之,鐘愛琴,王雷等編著.AT89系列單片機原理與接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004五、附件：1、系統(tǒng)總體電路原理圖附圖1 功率放大部分雙級并聯(lián)附圖2 濾波電路附圖3 2.5 倍衰減網(wǎng)絡(luò)電路 附圖 4原理圖 附圖 5 2、程序清單部分顯示uchar code table=" 00dB"uchar code table1=" 00.0V" void write_com(uchar com) rs=0; rw=0; lcden=0; P2=com; delay(50); lcden=1; delay(50); lcden=0; void write_shu(uchar shu) rs=1; rw=0; lcden