電子設(shè)計(jì)競賽論文要點(diǎn)

1、程控增益放大器（b題）程控增益放大器摘要：本設(shè)計(jì)采用帶通濾波器來選擇輸入信號帶寬濾除雜質(zhì)。以工作穩(wěn)定、性 能指標(biāo)較高的stc89c52rc片機(jī)作為微控制器核心來控制選擇 dds奠塊的信號 輸出、放大器步進(jìn)選擇以及液晶顯示。用兩個(gè)ad603為放大電路核心組成級聯(lián)放 大電路，通過單片機(jī)控制dac0832等數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量來進(jìn)行程控放大， 提高 了放大增益、擴(kuò)展了通頻帶寬、而且具有良好的抗噪聲系數(shù)。 放大器帶寬可以預(yù) 置并顯示，經(jīng)測試本設(shè)計(jì)基本滿足題目要求。關(guān)鍵詞：stc89c52rc ad603程控放大器 ad9850 帶通濾波目錄1、弓i言：12、方案設(shè)計(jì)： 12.1 總方案框圖12.2 dd

2、s模塊選擇12.3 濾波電路的選擇22.4 增益控制部分，放大器的選擇 23、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：23.1 硬件設(shè)計(jì)23.1.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)33.1.2 濾波電路33.1.4 放大電路33.1.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換，電壓輸出電路 43.2 軟件設(shè)計(jì)44、測試：54.1、 測試方法54.2、 測試條件54.3、 測試儀器54.4、 測試結(jié)果65、結(jié)論及體會：65.1 結(jié)論65.2 體會6參考文獻(xiàn)： 7附錄一：81 最小系統(tǒng)和按鍵模塊電路原理圖 82 濾波電路原理圖83 自制dds莫塊及其外圍電路系統(tǒng)原理圖 94 增益控制電路原理圖 105 dac8032數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖 11附錄二：主要源程序 121、引言：放大

3、器是電子系統(tǒng)中最基本的單元電路， 放大器的增益又是其中一個(gè)重要的 性能參數(shù)，隨著電路控制的日益精細(xì)，對放大器增益的控制和調(diào)整也變得越來越 細(xì)致。程控增益放大器與普通放大器的差別在于反饋電阻網(wǎng)絡(luò)可變且受控于控制 接口的輸出信號。不同的控制信號， 將產(chǎn)生不同的反饋系數(shù)，從而改變放大器的 閉環(huán)增益。通過單片機(jī)用程序來控制放大的增益，通過鍵盤輸入放大倍數(shù)，再利 用單片機(jī)輸出相應(yīng)的數(shù)字信號，然后通過 da變換，換成模擬電壓信號，使用這 個(gè)電壓信號來控制放大器的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)了程控增益放大。在靈活性方便性上 遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的放大器。2、方案設(shè)計(jì):2.1 總方案框圖本系統(tǒng)原理方框圖如圖2.1所示。本系統(tǒng)由dd

4、s真塊、51單片機(jī)、濾波電路、 鍵盤、穩(wěn)壓電源、液晶顯示屏、前置放大器、中間放大器、末級功率放大器等組 成。其中前置放大器、中間放大器、末級功率放大器構(gòu)成了信號通道。dds模塊 -濾波電路 前置放大器一中間放大器圖2.1系統(tǒng)總框圖2.2 dds模塊選擇常見的dds1塊有ad812和ad9850方案一：ad812是一款低功耗、單電源、雙通道視頻放大器。各放大器均提 供50 ma輸出電流，適合驅(qū)動一個(gè)后部端接的視頻負(fù)載 (150 ?)。各放大器均為 電流反饋型，0.1 db增益平坦度為40 mhz同時(shí)差分增益和相位誤差分別為 0.02% 和0.02 °。因此，ad81ne常適合專業(yè)視頻電

5、子設(shè)備應(yīng)用， 如相機(jī)和視頻切換器 等，不易于編程控制。方案二：ad985覺ad公司生產(chǎn)的最高時(shí)鐘為125 mhz采用先進(jìn)的cmo孩 術(shù)的直接頻率合成器，主要由可編程dds系統(tǒng)、高性能數(shù)模變換器(dac和高速比較器3部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。ad9850采用32位的相位累加器將信號截?cái)喑?4位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截?cái)喑?10位后輸入到dac , dac再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。dac滿量程輸出電流通過一 個(gè)外接電阻rsetw節(jié)，典型值3.9千歐。將dac的輸出經(jīng)低通濾波后接到 ad9850 內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出方波。在125mhz的時(shí)鐘下，32位頻率控制字可使

6、ad9850輸出頻率分辨率達(dá)0. 0291hz 。不僅可以滿足題目需求，更是易 于可編程控制，而且最常用的 51系列單片機(jī)就可擔(dān)任控制之職。綜上所述，dds言號發(fā)生選擇ad8950奠塊2.3 濾波電路的選擇帶通濾波和帶阻濾波器：帶通濾波，允許特定頻段的波通過同時(shí)屏蔽其他頻段，帶阻濾波，能通過大多數(shù)頻率分量、但將某些范圍的頻率分量衰減到極低水根據(jù)題意，我們需要特定的頻段的波，因此選擇帶通濾波。2.4 增益控制部分，放大器的選擇方案一 原理框圖如圖2.2所示，場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，輸出信號 取自電阻與場效應(yīng)管與對 v'的分壓。采用場效應(yīng)管作 agc空制可以達(dá)到很高的 頻率和很低的噪聲，

7、但溫度、電源等的漂移將會引起分壓比的變化，用這種方案 很難實(shí)現(xiàn)增益的精確控制和長時(shí)間穩(wěn)定。圖2.2場效應(yīng)管放大器電路圖方案二使用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器pga用控制電壓和增益db成線性關(guān)系的可變增益放大器來實(shí)現(xiàn)增益控制。根據(jù)題目對 放大電路的增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，如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，加在其梯型網(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；而這個(gè)參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制d/a芯片輸出控制電壓得來，從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外 ad603能提供由直流到30

8、mh©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， 通過后級放大器放大輸出，在高頻時(shí)也可提供超過60db的增益。綜上所述，選后者方案，采用集成可變增益放大器 ad603作增益控制。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。3、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn):3.1 硬件設(shè)計(jì)根據(jù)題目以及設(shè)計(jì)要求，結(jié)合上述各種方案的考慮，充分利用模擬和數(shù)字系 統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮綜合優(yōu)勢，使信號都在單片機(jī)的數(shù)字算法控制下得到最合理的前級放大，使其放大倍數(shù)精確。輸入信號通過前級可控增益放大，放大倍數(shù)由單 片機(jī)

9、通過d/a轉(zhuǎn)換提供的電壓控制。3.1.1 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用最常用又滿足需求的stc89c52rc片機(jī)，stc89c5費(fèi)stc公司生產(chǎn)的 一種低功耗、高性能cmos位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程flash存儲器。 stc89c528用經(jīng)典的mcs-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51單 片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash, 使得stc89c5如眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具 有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)flash, 512字節(jié)ram 32位i/o 口線，看門狗定 時(shí)器，內(nèi)置4kb eeprommax81寰位電路，3個(gè)16

10、位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外 部中斷，一個(gè)7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全 雙工用行口。單片機(jī)最小系統(tǒng)及按鍵電路原理圖見附錄一。3.1.2 濾波電路在經(jīng)過理論方案論證后，直接選擇帶通濾波，按照濾波需求，用仿真軟件經(jīng) 過不斷調(diào)試，設(shè)計(jì)出濾波電路。其中無法采購到滿足需求的電感，采用自制方案，£(3d + 9ft + 10c（亞）9利用經(jīng)驗(yàn)公式:（其中do為線圈骨架內(nèi)徑,b為骨架軸長，c為線圈厚度，d為線圈平均直徑，d=do+c）。濾波電路原理圖詳見附錄一。3.1.3 dds 模塊采用ad公司的ad9850芯片作為dds®號源，產(chǎn)生正弦波和方波信號，并且 輸

11、出信號的輸出頻率可調(diào)節(jié)，頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)可調(diào)，輸出的頻率最大是62.5mhz,滿足題目要求。輸出的幅度范圍是 01v （正弦波）和04v（方波），使用stc公 司90c51單片機(jī)做核心控制器，使用2.8寸tft彩屏顯示輸出的頻率和功能，使 用獨(dú)立按鍵人做機(jī)交互的外部輸入控制。自制dds奠塊及其外圍電路系統(tǒng)原理圖詳見附錄一。3.1.4 放大電路實(shí)驗(yàn)最開始使用的是ti公司的ths3001芯片作為放大電路的核心級聯(lián)組成 放大電路，由于實(shí)驗(yàn)過程中芯片損壞，在無法重新購買元器件的情況下，綜合考 慮，最終選擇了 ad603（乍為放大電路的核心。ad60犯一個(gè)低噪、90mhzt寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝

12、表示， 則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為 275v/ps。管腳間的連接方式?jīng)Q定了 可編程的增益范圍，增益在-11+30db時(shí)的帶寬為90mhz增益在+9+41db時(shí) 具有9mh+寬，改變管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。該集成電 路可應(yīng)用于射頻自動增益放大器、視頻增益控制、a/d轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號測量系統(tǒng)。ad603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。ad603由一個(gè)可通過外部反饋電路設(shè)置固定增益gf (31.0751.07 )的放大器、0-42.14db的寬帶壓控精密無源衰減器和40db/v的線性增益控制電路構(gòu)成。以住控制都分ad603wsavnegffi cposq gemcg精密無肆*

13、入第圖3.1 ad603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖高增益要求下ad603a聯(lián)應(yīng)用，在要求高增益的場合，可采用兩片或多片 ad603級聯(lián)的形式，級間通常采用電容耦合。兩片 ad603a聯(lián)時(shí)，總增益控制范 圍為 84.28db=(42.14*2)。agc；用電路：由ad603的原理可知，其增益控制 vg若與輸入信號成反比， 便可實(shí)現(xiàn)agcj能，獲得agvt路的增益控制電壓，通常采用半波檢測電路或 rms(有效值)電路。一種利用ad59山一只三極管等組成寬范圍溫度補(bǔ)償?shù)陌?波檢測電路和兩片ad603a聯(lián)而成的agc?用電路，根據(jù)此電路設(shè)計(jì)出符合本 次題意的增益控制電路，原理圖詳見附錄一。3.1.5 數(shù)模轉(zhuǎn)換，電壓輸

14、出電路采用dac083zi位d/a轉(zhuǎn)換器，本設(shè)計(jì)要求增益調(diào)節(jié)范圍為 0db60db,由公 式 ag=80ug+20(db)|出 ug=-1/41/2 。電路圖詳見附錄一。3.2 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件主要包含了系統(tǒng)初始化程序、lcd12864顯示程序、鍵盤程序、 da轉(zhuǎn)換程序等。利用了結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計(jì)方法，具體就是把底層的硬件接 口處理編制為獨(dú)立底層子程序，并向上提供處理的數(shù)據(jù)，相應(yīng)功能模塊利用底層 處理子程序處理的數(shù)據(jù)、不直接與硬件打交道，并向上層全功能模塊提供處理后 的數(shù)據(jù)；交互等全功能模塊再利用基本功能模塊提供的接口構(gòu)建完成本模塊功 能；主程序調(diào)用相關(guān)的全功能模塊構(gòu)建出系統(tǒng)。程序主要代碼

15、詳見附錄二軟件流程圖如圖3.2圖3.2軟件設(shè)計(jì)流程圖4、測試:4.1、 測試方法(1)硬件測試：每級分開，單獨(dú)測試，然后級聯(lián)測試，測試是否達(dá)到要求；(2)軟件測試：液晶屏是否顯示，按鍵是否能控制增益并液晶顯示；(3)軟硬件聯(lián)調(diào)：全部連接起來后，通過按鍵來控制增益，顯示輸出幅度，并 用儀器檢測，看是否顯示準(zhǔn)確。4.2、 測試條件檢查多次，硬件電路與原理圖完全相同，檢查無誤，確定電路保證無虛焊。連接示波器，4.3、測試儀器詳見表4.1在舁 廳p儀器名稱1萬用表2信號發(fā)生器3示波器4直流穩(wěn)壓電源表4.1測試儀器列表4.4、測試結(jié)果(1)增益分為 7 檔可調(diào)：0dr 10db 20db 30dr 40

16、db 50db 60db,實(shí)際測量最多誤差為2db,滿足基本要求和發(fā)揮部分要求；(2) dds奠塊可以產(chǎn)生正弦掃頻信號，步進(jìn)頻率 100khz，也滿足發(fā)揮部分要求；(3)在060db內(nèi)可以以5db步進(jìn)任意設(shè)定增益；(4)其他各項(xiàng)要求大部分可實(shí)現(xiàn)。5、結(jié)論及體會：5.1 結(jié)論本系統(tǒng)以ad603作為增益放大電路的核心，采用兩級級聯(lián)的放大電路，提高 了放大增益，擴(kuò)展了通頻帶寬，以 stc89c52e片控制數(shù)模轉(zhuǎn)換進(jìn)行程控放大， 最高可放大到60db,測試基本滿足題目性能要求。5.2 體會經(jīng)過這次比賽，我們對電子設(shè)計(jì)大賽有了更進(jìn)一步的了解，它不僅考察我們 的專業(yè)知識，同時(shí)也考察的動手能力和團(tuán)隊(duì)合作的凝

17、聚力以及分析問題解決問題 的能力。這次大賽讓我們不僅看到了自身的很多不足， 也明白了知識與實(shí)踐相結(jié) 合的重要性，更讓我們體會到了一個(gè)團(tuán)隊(duì)相互信任，團(tuán)結(jié)協(xié)作所具有的強(qiáng)大力量。參考文獻(xiàn):1張明述；運(yùn)算放大器做電壓比較器的實(shí)驗(yàn)探討j;實(shí)驗(yàn)室研究與探索；2005年02期2黃智偉；全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)m.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.3黃智偉；全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì)m.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.4陳永真，寧武，藍(lán)和慧，孟麗囪.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題精解選.北京：電子工業(yè)出版社，2009.5王衛(wèi)東，傅佑麟.高頻電子電路m.北京：電子工業(yè)出版社，20

18、04: 55-58.附錄一：1最小系統(tǒng)和按鍵模塊電路原理圖2濾波電路原理圖3自制dds奠塊及其外圍電路系統(tǒng)原理圖11】ficctvcc 0、二r clk!w iout-lxf9；9if vef?15 vkx?1td：干事3。4巾4;ceis rccodjd+d：didip5dod-dgnldgkddtfldvde寓 _cl£ldhfq_ld101,tclkf10uhacj.iackdaravddi_=nrdacslqottl用 rikpqottad;!4a2m%r匚1je>ii.led：! e4cvcc uacslii'4增益控制電路原理圖125 dac8032數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖17*/*/*/main()uchar i;delay(10);/lcd_init();/lcd_pos(0,0);/i = 0;while(dis1i != '0')/lcd_wdat(dis1i); i+;lcd_pos(1,0);/i = 0;while(dis2i != '0')lcd_wdat(dis2i); / i+; lcd_pos(2,0);/i = 0;while(dis3i != '0')lcd_wdat(dis3i); / i+;delay(1000