電子設計競賽寬帶直流放大器

1、電子設計競賽寬帶直流放大器（總12頁）-本頁僅作為文檔封面，使用時請直接刪除即可-內頁可以根據(jù)需求調整合適字體及大小-寬帶放大器.數(shù)字濾波器設計報告參賽院校：山東大學信息科學與工程學院參賽隊員：馬衍慶、趙海明、郭帥帥日期：2010-8-27目錄v 摘要 3二、正文3引言3方案論證3各個模塊實現(xiàn)原理4系統(tǒng)設計和數(shù)據(jù)分析8結論和改進措施11三、參考文獻11四、附錄1115一、摘要本設計基于運算放大器TL084進行寬帶直流放大器進行設計，實現(xiàn)了放大 倍數(shù)0到40DB可調，帶寬在300KHz450KHz之間，輸入電阻為50歐姆，輸出 電阻為1歐姆左右。并以AVR單片機為控制核心，對放大的信號用液晶12

2、864 進行波形檢測顯示，并通過AD、DA可以對信號進行實時回放?；胤挪ㄐ螢檩斎?波形的1/2,并通過軟件計算出信號的有效值，顯示在液晶上。關鍵詞：寬帶直流放大器數(shù)字示波器波形還原電路二、正文引言隨著微電子技術的發(fā)展，人們迫切的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，無線通信技術得到迅猛的發(fā)展，技術越來越成熟。而寬 帶放大器是音響、有線電視、無線通信中不可缺少的部分，于是人們對它的要 求也越來越高。TL084是常用的運算放大器芯片，増益帶寬積為4MHz,每一片 中含有四個放大器，是一款非常經(jīng)濟實用的芯片。方案論證方案一：輸入級采用一級跟隨器，輸出級采用一級跟隨器，中間采用兩級

3、反向放大器， 前一級固定放大在10倍(20DB)左右，后一級放大調整到放大倍數(shù)010倍， 總的放大増益為040DB。方案二：輸入級采用一級正向放大器，中間采用兩級反向放大器，在第三級放大器設置 為0可調。第一級放大倍數(shù)為6倍，第二級放大倍數(shù)為4倍。方案三：輸入級采用正向放大器，中間采用兩級反向放大器，輸出級采用反向放大器， 每一級的放大倍數(shù)10DB,其中第二級和第三級設置成可調，即(010DB) o方案一和方案二相比較，采用兩級放大，在相同增益帶寬積和總放大倍數(shù)一定 的情況下，其3DB帶寬不如三級放大。方案三和方案二比較，輸出隔離不理 想，輸出電阻偏大。綜上我們設計采用方案二。方案證明：已知T

4、L084的增益帶寬積為GBP (4MHz),放大器的增益為040DB可調，即 放大器的放大倍數(shù)在0=00倍之間。為方便計算取GBP二4MHz, A=100 公式_w仞4 =4MHz,i = 1,2,3 公式二ArA2.A3A, = 100, j = 1,2,3 公式三 由公式一、公式二、公式三和基本不等式可以推出：當j二2時，即采用兩級放大，當A=A2=10時，叫的最大值為w/rmax = 283KHz當j二3時，即采用三級放大，當A,=A2=A3=4.65時，叫的最大值為叫皿狀二各個模塊的實現(xiàn)原理寬帶直流放大器模塊：本模塊設計使用三級放大器和一級跟隨器，第一級使用正向放大器，放大倍數(shù) 為6倍

5、，第二級采用反向放大器，放大倍數(shù)為4倍，第三級采用可調的反向放 大器，放大倍數(shù)為0到倍可調。由公式三理論推算放大器整個的放大倍數(shù)為0 倍，即0。由公式一、二理論推算放大器的3DB帶寬范圍：0410KHz。原理圖：R510kQ 50%Key=AxsciU3B3 TL°，kCN圖一：寬帶直流放大器原理圖 原理圖仿真：圖二：原理圖仿真圖 硬件焊接：AD與DA模塊：本模塊采用MAX118作為AD芯片，以MAX539作為DA芯片，進行設計，由AVR 單片機進行控制。M A X 1 1 8：基本的調試思路端口 0初始圖三：M A X 1 1 8的調試流程MAX539簡介：MAX539是低功率，電

6、壓輸出12-bitDAC, +5 V單電源操 作。也可在士 5V電源操作。MAX539只有140 u A工作電流。MAX539為8引 腳DIP和S0封裝。無需外部電阻器或運算放大器。輸出緩沖區(qū)是一個單位増 益穩(wěn)定，軌到軌輸出的BiCMOS運算放大器。輸入失調電壓和共模抑制比是修 正以達到更好的超過12位性能。建立時間是25 us到的最終價值。可以驅 動一個2K的直流負載?；菊{試思路：圖四:MAX539的調試流程液晶顯示模塊：本ST7920點矩陣LCD控制/驅動IC,可以顯示字母、數(shù)字符號、文字型及自 訂圖塊顯示，它可以提供種控制介面，分別是8位元微處理器介面.4位元微 處理器介面及串列介面；

7、所有的功能，包含顯示RAM,字型產(chǎn)生器，以及液晶 驅動電路和控制器，都包含在個單晶片里面，只要個最小的微處理系統(tǒng)，就 可以操作本LCD控制/驅動IC。ST7920的字型ROM包括8192個16X16點的 文 字形以及126個16X8點半寬的字母符號字型，另外繪圖顯示畫面提供 個 64x256點的繪圖區(qū)域（GDRAM）及240點的ICON RAM,可以和文字畫面混和顯 示，而且ST7920內含CGRAM提供4組軟體可程式規(guī)劃的16X16造字功能。 ST7920具有低功率電源消耗to可以提供電池操作攜帶式產(chǎn)品的省電需求。 ST7920 LCD驅動器由33個common及64個segment所組成，

8、Segment驅動器的 擴充可以視需要由ST7921 Segment驅動器來提供擴充顯示范圍的任務，個 ST7920可以顯示到1行8個字或是2行4個字，或是配合ST7921使用2行16 個字的顯示。液晶顯示實驗波形程序框圖:圖五：液晶調試流程液晶11圖程序流程:電源模塊：線性穩(wěn)壓電源，具有完全獨立的四組穩(wěn)壓輸出，分別為兩組5V和兩組12V,可 以連成正負雙電源。其中一個5V輸出為兩片7805并聯(lián)，可輸出大電流。矩陣鍵盤模塊：采用電阻分壓式結構，只需一個I/O 口就可完成16個按鍵的掃描，并能解決多 建同時按下時的沖突。經(jīng)過優(yōu)化設計只需要7只電阻，并且受電阻阻值誤差的 影響小，工作穩(wěn)定可靠。單片

9、機控制模塊：采用高速的8位單片機ATMEGA32o其產(chǎn)品特性有：高性能、低功耗的8位 AVR®微處理器、先進的RISC結構、131條指令、大多數(shù)指令執(zhí)行時間為 單個時鐘周期、32個8位通用工作寄存器、全靜態(tài)工作、工作于16 MHz時性 能高達16 MIPS.只需兩個時鐘周期的硬件乘法器、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲 器、32K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flashy擦寫壽命:10,000次、具有獨立鎖定位 的可選Boot代碼區(qū)、通過片上Boot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程、1024字節(jié)的 EEPROMx 2K字節(jié)片內SRAM、可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密、 JTAG接口(與IEEE標準兼容)、符合

10、JTAG標準的邊界掃描功能、支持擴展 的片內調試功能、通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPR0M、熔絲位和鎖定位的編 程。外設特點：兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù) 器、一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器、具有 獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC、四通道PWM- 8路10位ADC、8個單端通道、 TQFP封裝的7個差分通道、2個具有可編程增益(1x, 10x,或200x)的差分 通道、面向字節(jié)的兩線接口、可編程的串行USART、可工作于主機/從機模式 的SPI串行接口、具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器、特殊的處理器 特點、上電復位以及可編程的掉電檢

11、測。片內經(jīng)過標定的RC振蕩器、片內/ 片外中斷源，6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉 電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式。I/O和封裝：32個可編 程的I/O 口，40引腳PDIP封裝，44引腳TQFP封裝,與44引腳MLF封裝。 工作電壓 ATmega32L： -、ATmega32： -。速度等級:ATmega32L： 0 - 8 MHz、ATmega32： 0-16 MHz。ATmega32L 在 1 MHz.3V, 25。C時的功耗為：正常模式：mA、空閑模式：mA、掉電模式：1 U Ao系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)分析測試儀器：信號發(fā)生器，示波器測試方法和相

12、關測試數(shù)據(jù):采用函數(shù)發(fā)生器50歐姆輸出端分別產(chǎn)生10mv輸入信號和1mv輸入信號夾在放 大器的輸入端，用雙蹤示波器觀察輸入信號和輸出信號，分別將放大倍數(shù)調整 到10DB, 20DB, 30DB, 40DB,測量3DB帶寬和1DB帶寬,并計算出相應的增益 帶寬積，如表一、表二所示。倍3 DB帶寬(KHz)1 DB帶寬 (KHz)增益帶寬積10 DB4 11.219 7.720 DB4 5 0.3.2 6 7.84. 503MHz30 DB3 0 9.717 3.89. 786MHz40 DB3 14.81 5 9 631. 48MHz表一：1 0 m V輸入不同増益帶寬倍3 DB帶寬(KHz)1

13、 DB帶寬 (KHz)增益帶寬積10 DB4 10.113 6,51. 296MHz20 DB3 0 3. 3119.530 DB2 7 7. 89 5. 2 340 DB2 8 4 110 2.028 41 MHz表二：1mv輸入不同增益帶寬 實驗中我們采用的公式法對輸出電阻進行測量，其測量電路為放大器測試方法：分別測出負載開路時輸出電壓V&和帶上負載RL的輸出電壓V。計算公式:Ro=(Rl 公式四測試結果見表三輸入信號 頻率(KHz)放大倍數(shù)Vpp (mv)Vo5RL (歐姆)Vo輸出電 阻R(歐姆)40DB331. 36V20DB132mv33128mv10DB3340mv0.

14、165表三：輸出電阻的測量實驗中我們采用電阻分壓法對輸入電阻進行測量圖六：放大器輸入電阻Ri的測量測試方法：以信號源50歐姆內阻為基準，使其和放大器輸入電阻分壓，分別用 示波器觀察信號源開路的信號的峰峰值Vpp和把信號源加到放大器輸入端時信 號峰峰值 Vpp' o 即 Vss=Vpp, Vi二Vpp' o計算公式：R嚴一E（其中R=50Q）Vpp _ Vpp測試結果見表四:輸入信號頻率Vpp (mv)Vpp (1) (mv)輸入電阻R1Khz50歐姆表四：輸入電阻測量波形顯示:結論和改進措施本設計基于運算放大器TL084進行寬帶直流放大器進行設計，實現(xiàn)了放大倍數(shù) 0到40DB可

15、調，帶寬在300KHz450KHz之間，輸入電阻為50歐姆，輸出電阻 為1歐姆左右。輸出波形穩(wěn)定，沒有雜波干擾。改進措施：1、本設計沒有使用最佳放大増益倍數(shù)A=A2=A3=4.65,進行三級放大器 配置，使得實際帶寬和理論最佳帶寬有一定的差距?？筛淖兿鄳碾娮?， 將R1改成3. 7K,將R6改成2K,使其更為接近理論帶寬。2、本設計中放大倍數(shù)為1 ODB, 20DB, 30DB的3DB帶寬，1 D B帶寬與放大倍數(shù)為4 0 D B的帶寬差異并不是很大?？稍O置相應跳線 和開關使得1 0 D B采用一級放大，其帶寬可達到接近1MHz, 20D B, 30DB采用兩級放大，其帶寬可在700K H z到8 0 0KHz之