寬帶前置放大電路報告

1、寬帶前置放大電路寬帶前置放大電路【摘要】：本系統(tǒng)設(shè)計的寬帶前置放大電路由頻率顯示裝置、輸入阻抗匹配單元、無源衰減網(wǎng)絡(luò)、有源放大電路四部分組成，帶寬可達40MHz,具有良好的直流和交流特性。頻率顯示部分使用TI公司的OPA842、TLV3501及MSP430F149單片機進行信號處理，使用12864液晶進行顯示。輸入阻抗匹配單元有50和1M可選，由電阻電容組成的無源衰減網(wǎng)絡(luò)與后級相匹配可實現(xiàn)不低于DC35MHz的1倍和10倍衰減，有源放大單元選用TI公司的OPA690和OPA684可實現(xiàn)對信號1倍和10倍放大，電路輸出電阻近似為0。 一、 系統(tǒng)整體方案論證與比較題目要求有源放大電路采用正負5V供

2、電，在正負5V電源及1M歐輸入阻抗的條件下進行1倍、10倍衰減，以及1、10倍有源放大，可供選擇方案如下：方案一：為了實現(xiàn)衰減和放大的功能，考慮直接選取可調(diào)增益的運放實現(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電壓決定的，優(yōu)點是電路集成度高、結(jié)構(gòu)簡單。缺點是此芯片的衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定的，要手動精準控制，難度大；梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗低，不能滿足1M的要求；且工作頻帶僅為50MHz，很難滿足題目工作帶寬要求。方案二、根據(jù)題目對電路衰減和放大倍數(shù)的要求，特別是工作頻帶

3、高的要求，采用寬帶運放，如TI的OPA690、OPA684構(gòu)成后級有源放大環(huán)節(jié)，其增益帶寬積帶寬均在500M以上，滿足題目要求的DC35M工作帶寬的要求，1、10倍放大分開，10倍放大采用5倍與2倍相乘的形式可以降低對單級運放帶寬的要求，無源衰減網(wǎng)絡(luò)采用電阻分壓構(gòu)成，采用電阻分壓不會限制輸入信號的帶寬，阻抗匹配部分采用電阻串并聯(lián)形式。綜上所述：我們選擇方案二作為本次比賽的總體方案。二、 系統(tǒng)整體框圖系統(tǒng)整體框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)整體框圖三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計1、 單片機及顯示裝置小信號經(jīng)過OPA842構(gòu)成的21倍有源放大電路放大，而大信號則經(jīng)過無源衰減網(wǎng)絡(luò)衰減。之后，信號通過過零比較器

4、變成可捕脈沖，低頻脈沖經(jīng)過無源衰減網(wǎng)絡(luò)直接由單片機測得頻率，高頻脈沖經(jīng)過74LS163和74LS00構(gòu)成的10分頻、100分頻、1000分頻或10000分頻電路進行分頻，再經(jīng)過無源衰減網(wǎng)絡(luò)即可由單片機測得頻率。最后由12864液晶進行顯示。（1）21倍有源放大電路采用TI公司的寬帶高速運放OPA842，其增益帶寬積為200MHz。電路圖如圖3-1所示。圖 3-1 21倍有源放大電路（2）2倍無源衰減電路采用電阻串聯(lián)分壓，電路圖如圖3-2所示。圖 3-2 2倍無源衰減電路（3）波形轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的軌對軌高速比較器TLV3501搭建過零比較電路。使用單電源+5V供電。經(jīng)過21倍有源放大電路或

5、者2倍無源衰減電路的信號被控制在2V左右，比較適合作為TLV3501的輸入信號。經(jīng)過過零比較電路之后，輸出頻率和輸入信號的頻率相同的脈沖信號。TLV3501的軌對軌輸出能夠直接驅(qū)動CMOS或者TTL邏輯電路，因此，這給我們之后的邏輯分頻電路帶來了方便。電路如圖3-3所示。圖 3-3 波形轉(zhuǎn)換電路（4）分頻電路采用74LS163四位十六進制計數(shù)器和74LS00四二輸入與非門搭建10分頻電路。再通過10分頻電路的級聯(lián)，實現(xiàn)100分頻、1000分頻、10000分頻電路。使用分頻電路對高頻信號進行分頻處理。電路如圖3-4所示。圖 3-4 分頻電路（5）單片機處理及顯示裝置采用TI公司的MSP430F1

6、49單片機對輸入信號進行處理。在單片機對信號進行處理之前首先要用無源衰減電路對波形轉(zhuǎn)換電路或者分頻電路的輸出信號進行衰減，同樣采用電阻串聯(lián)分壓的形式，使輸入單片機的信號穩(wěn)定在3V左右，電路圖不再贅述。使用F149的定時器A的捕獲/比較功能，捕獲輸入脈沖的上升沿，優(yōu)先級較高的定時器B定時50ms，測得1s內(nèi)的上升沿數(shù)目，即可得到輸入信號的頻率。再通過12864液晶對測得頻率進行顯示。源程序如下：#include <MSP430x14x.h>#include "cry12864.c"void InitSys();unsigned long upflag = 0;un

7、signed long f_50ms = 0;unsigned long frequency = 0;uint fy7; /=用于存放頻率顯示數(shù)據(jù)=const unsigned char pinlv="頻率為:(Hz) "void process(void); /=函數(shù)聲明=void delay(); /=延時函數(shù)=/*主函數(shù)*/void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT InitSys(); / MCLK , SMCLK-8M /- /Timer_B的設(shè)置,用于產(chǎn)生定時中斷，中斷時間為50000us P1DIR

8、 |= BIT3; / Set P1.3 to output direction TBCCTL0 = CCIE; / TBCCR0 interrupt enabled TBCCR0 = 50000; TBCTL = TBSSEL_2 + ID_3 + MC_1; / SMCLK,1M, upmode /- /Timer_A的設(shè)置,用于捕獲外部信號的邊沿觸發(fā)，可以設(shè)置為上升沿觸發(fā)，或者下降沿觸發(fā) P1DIR&=BIT2; P1SEL = BIT2; /=設(shè)置P1.2端口為功能模塊使用,即：做捕獲源= TACTL = TASSEL_2+TACLR+TAIE+MC1;/=定時器A時鐘信號選擇

9、ACLK, CCTL1 = CM_1+SCS+CAP+CCIE; /=輸入上升沿捕獲,CCI0A為捕獲信號源= _EINT(); Ini_Lcd(); /=初始化液晶= Disp_HZ(0x80,pinlv,8); while(1) process(); Write_Cmd(0x90);/=寫地址= Write_Data(0x30+fy6); delay(); Write_Data(0x30+fy5); delay(); Write_Data(0x30+fy4); delay(); Write_Data(0x30+fy3); delay(); Write_Data(0x30+fy2); del

10、ay(); Write_Data(0x30+fy1); delay(); Write_Data(0x30+fy0); delay(); /*函數(shù)名稱：InitSys功 能：初始化時鐘函數(shù)參 數(shù)：無返回值 ：無*/void InitSys() unsigned int i; BCSCTL1&=XT2OFF; /=打開XT2振蕩器= do IFG1 &= OFIFG; /=清除振蕩器失效標志= for (i = 0xFF; i > 0; i-); /=延時，等待XT2起振= while (IFG1 & OFIFG) != 0); /=判斷XT2是否起振= BCSCTL

11、2 =SELM_2+SELS; /=選擇MCLK、SMCLK為XT2,8M= /*函數(shù)名稱：Timer_B功 能：定時器B中斷服務(wù)子函數(shù),產(chǎn)生50ms定時參 數(shù)：無返回值 ：無*/ Timer B0 interrupt service routine#pragma vector=TIMERB0_VECTOR_interrupt void Timer_B (void) P1OUT = BIT3; / 定時50ms f_50ms = upflag; upflag = 0;/*函數(shù)名稱：Timer_A功 能：捕獲待測信號上升沿*/#pragma vector=TIMERA1_VECTOR /=定時器

12、A中斷處理=_interrupt void Timer_A(void) switch(TAIV) /向量查詢 case 2: /捕獲中斷 if(CCTL1&CM0) /捕獲到上升沿 upflag+; break; default: break; /*延時函數(shù)*/void delay() unsigned int i; unsigned int j=10; for(i=10;i>0;i-) while(j-); /*數(shù)據(jù)處理 */void process(void) frequency=f_50ms*20; fy6=frequency/1000000; fy5=(frequency

13、-1000000*fy6)/100000; fy4=(frequency-1000000*fy6-100000*fy5)/10000; fy3=(frequency-1000000*fy6-100000*fy5-10000*fy4)/1000; fy2=(frequency-1000000*fy6-100000*fy5-10000*fy4-1000*fy3)/100; fy1=(frequency-1000000*fy6-100000*fy5-10000*fy4-1000*fy3-100*fy2)/10; fy0=frequency%10;2、 輸入阻抗及無源衰減部分設(shè)計（1）輸入阻抗匹配部分

14、輸入阻抗要求最大允許誤差為2%，同時50輸入阻抗可承受5V的過載能力。若采用單個電阻作為輸入，不僅沒有標稱值為50的電阻，而且該電阻承受的功率為： 大于電阻的額定功率，電阻會由于功率過大而毀壞，故考慮選用6個300電阻并聯(lián)組成的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣輸入阻抗仍為50，且每個電阻承受的功率為： 1M輸入阻抗直接采用單個1M電阻作為輸入電阻，題目要求能承受36V輸入過載，當輸入電壓為36V時，電阻承受的功率為： 滿足要求。（2）無源衰減電路10倍衰減采用電阻串聯(lián)分壓的形式，實際上一個電阻等效于一個電容，一個電感，和一個電阻的串連，在低頻情況下電容和電感效應(yīng)表現(xiàn)不是很明顯，而在高頻情況下，等效值會增大，

15、不能忽略，小電阻在高頻時的寄生電容比大電阻小，本設(shè)計采用180和20電阻串聯(lián)進行分壓實現(xiàn)10倍衰減。當輸入電阻選為1M時，會與200的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)相并聯(lián)，致使輸入阻抗降到199.96，所以在中間加入高速運放AD811緩沖作為隔離，使前級輸入阻抗與此無源衰減網(wǎng)絡(luò)相互不影響，由于輸入的大信號峰峰值達到10V，故運放AD811采用+/-12V供電。AD811在增益為1時具有140MHz的帶寬，不會限制輸入信號的帶寬。采用二級管進行過壓保護。輸入阻抗匹配和無源衰減部分的電路圖如圖3-5所示。圖 3-5阻抗匹配及無源衰減網(wǎng)絡(luò)2、有源放大部分設(shè)計有源放大電路由放大倍數(shù)分別為1、10倍電路組成。且均采用題目

16、要求的+/-5V電源供電。（1）1倍放大電路1倍放大采用TI公司的高速運放OPA684，增益為1時帶寬為210MHz，壓擺率為820V/us, 滿足題目DC35MHz的帶寬要求，OPA684為電流反饋型運放，其增益和帶寬是相互獨立的，即其增益帶寬積不隨輸入信號頻率的增高而減小。1倍放大電路電路圖如圖3-6所示。圖3-6 1倍放大電路（2）10倍放大電路10倍放大采用TI公司的高速寬帶放大器OPA690，其增益帶寬積為500M，轉(zhuǎn)換速率為1800V/us。 10倍放大電路需達到DC-35MHz的帶寬，采用兩級放大以降低電路對芯片大帶寬和高轉(zhuǎn)換速率的要求。采用兩片TI公司的OPA690級聯(lián)放大，輸

17、入到前級運算放大器的信號幅值較小，為了減小動態(tài)誤差，采用前級放大5倍后級放大2倍，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊，在兩級級聯(lián)時匹配50電阻以防止電路自激。為了減小電源和地線對高頻信號的干擾，電路加入去耦電容，用屏蔽線傳輸信號，以減小對信號的干擾，10倍放大電路圖如圖3-7所示。圖3-7 10倍放大電路圖四、 電路調(diào)試與測試1、 電路調(diào)試電路調(diào)試采用逐級調(diào)試的方法。由于本題屬于高頻電路，易產(chǎn)生寄生電容和噪聲等干擾，故調(diào)試過程相對復(fù)雜。（1）對無源衰減網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)試，剛開始采用K歐級電阻分壓進行10倍衰減誤差較大，經(jīng)分析是由于高頻時大電阻的容性感性效應(yīng)比較明顯導(dǎo)致衰減比例嚴重偏離設(shè)定值，改用百歐級電阻即為180和

18、20后誤差較小，小電阻在高頻時雖然也有容性和感性效應(yīng)但沒有大電阻明顯故采用小電阻分壓來減小誤差。（2）對1倍放大電路進行調(diào)試。接通信號源，用示波器對信號進行跟蹤，不斷改變信號源輸入頻率，觀察示波器輸出波形的變化。隨著信號頻率的增加，輸出幅度的衰減趨勢明顯，而解決這個問題的方法是在運放的反饋電阻上并一個5pF的小電容，作用是與電路寄生電容相抵消，這樣1倍放大調(diào)試基本完成，輸出符合要求。經(jīng)過測量調(diào)整再測量再調(diào)整的反復(fù)過程，達到題目要求。2、 電路測試（1）測試工具： SG1005SP型數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器LDS22010型示波器UT51型數(shù)字萬用表（2）數(shù)據(jù)測試與分析1、數(shù)據(jù)測試頻率顯示部分測試：在

19、不分頻的情況下，單片機所能測得的頻率上限為240kHz。當頻率高于該值時，必須先分頻再測量。由于顯示值只能是整數(shù)，故在測低頻時會產(chǎn)生誤差。在高頻時，由于脈沖的上升時間和下降時間也會產(chǎn)生越來越大的誤差。故在中頻段測量精度較好。對輸入阻抗的測量：直接用數(shù)字萬用表對輸入阻抗進行測量，接通選擇不同輸入阻值的開關(guān)，測得誤差均在2%以內(nèi)。過載能力的測試：輸入端加入了二級管進行過壓保護當輸入電壓大于+12v或小于-12v時電壓就會被鉗位在+/-12v，使輸入到后級電壓不會超過+/-12v。 直流零點的測試：在輸入短路時，用數(shù)字萬用表測得的電路輸出直流電壓為0.800mV。頻率特性測試：表1 大信號衰減10倍帶寬特性輸入信號峰值：5V 輸入阻抗：1M最大衰減：0.2% 最大過沖：0.0% 頻率（Hz）1100K500K1M3M5M10M15M輸出幅度（mV）500499500500500500500500表2 10倍放大帶寬特性輸入峰值為：0.1V 輸入阻抗1M 最大衰減為：7% 最大過沖為：1%頻率（Hz）1100K500K1M5M10M15M20M輸出幅度（V）1.011.011.001.000.990.960.930.93表3 大信號1倍放大擴展寬帶特性輸入峰值：1V 輸入阻抗1M最大衰減為5% 最大過沖為：1%頻率（Hz）1100K500K1