2013全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽D題射頻寬帶放大器

1、2013 年全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽射頻寬帶放大器（ D 題）射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本系統(tǒng)采用可控增益寬帶放大器VCA820和固定增益寬帶放大器THS3202進(jìn)行合理的的級(jí)聯(lián)和阻抗匹配，在加入后級(jí)功率輸出，全面提高 了增益帶寬積。應(yīng)用單片機(jī) STC89C52寸增益進(jìn)行預(yù)置和控制，可實(shí)現(xiàn) 0到 60dB 可調(diào)。而且綜合應(yīng)用了電容去耦、濾波、使用屏蔽線傳輸信號(hào)以及使 用屏蔽罩等抗干擾措施以減少放大器的噪聲并抑制高頻自激。經(jīng)測(cè)試，本 方案完成了全部基本功能和部分?jǐn)U展功。Abstract: The system uses controllable gain broadband amplifiers VC

2、A820and fixed-gain broadband amplifiers THS3202, a reasonable cascade and impedance matching, power output level after joining, and comprehensively improve the gain-bandwidth product. Applications SCM STC89C52 preset and control the gain can be achieved from 0 to 60dB adjustable. And comprehensive a

3、pplication of the capacitive decoupling, filtering, use a shielded cable transmission signal and the use of shields and other measures to reduce interference and to suppress high frequency noise amplifier self-excitation. After testing, the program completed all the basic functions and some extended

4、 functionality.目錄1方案設(shè)計(jì)與論證經(jīng)過(guò)仔細(xì)地分析和論證，我們認(rèn)為此次射頻寬帶放大器可分為可控增益放大器，固 定增益放大器，LC濾波，功率放大等模塊。1.1 可控增益放大器方案方案一：采用場(chǎng)效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻區(qū)（或三極管等效為壓控電阻）實(shí)現(xiàn)增益控制，本方案由于采用大量分立元件，頻帶寬，電路復(fù) 雜，調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性差。方案二：為了易于實(shí)現(xiàn)最大 60dB 增益的調(diào)節(jié)，可以采用高速乘法器型 D/A 實(shí)現(xiàn)， 比如AD7420。利用D/A轉(zhuǎn)換器的VRef作信號(hào)的輸入端，D/A的輸出端做輸出。用D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端控制傳輸衰減實(shí)現(xiàn)增益控制。此方案簡(jiǎn)單易

5、行，精確度高，但經(jīng) 實(shí)驗(yàn)知：轉(zhuǎn)化非線性誤差大，帶寬只有幾 kHz ，而且當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)容易發(fā)生 自激。方案三：根據(jù)題目對(duì)放大電路增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn) （如運(yùn)放VCA820）。其特點(diǎn)是以dB為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)增益土 40dB,可以用單片機(jī) 方便地預(yù)置增益。方案三電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。 所以本系統(tǒng)采用方案三。1.2 固定放大器方案方案一：用分立元件， 此方案元器件成本低， 易于購(gòu)置。 但是設(shè)計(jì)、 調(diào)試難度太大， 周期很長(zhǎng)， 尤其是短時(shí)間內(nèi)手工制作難以保證可靠性及指標(biāo)， 故不采用此方案。方案二：使用高帶寬電流型運(yùn)放 OPA68

6、5 G=10時(shí)，帶寬達(dá)到200MHz并能實(shí)際測(cè) 試發(fā)現(xiàn)輸出噪聲較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。故不采用。方案三：使用低噪聲集成運(yùn)放 THS32020,增益帶寬積達(dá)2000MHz實(shí)際測(cè)試，指標(biāo) 基本能滿足題目擴(kuò)展部分的性能要求。經(jīng)比較，采用方案三。1.3高頻帶通濾波器方案方案一：采用有源帶通濾波器，調(diào)試?yán)щy，在指定帶帶寬內(nèi)起伏較大，難以達(dá)到指 標(biāo)要求。方案二：采用無(wú)源RC濾波器，電路簡(jiǎn)單，衰減太大。 方案三：采用無(wú)源濾波無(wú)源 LC 的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高，缺點(diǎn)是在同頻 帶內(nèi)會(huì)對(duì)信號(hào)有衰減。經(jīng)比較采用方案三。為了使通帶盡量平坦濾波器的設(shè)計(jì)，我們選用了比較熟悉的巴特沃茲濾波器。同時(shí)

7、 在濾波器后加入固定增益放大器，彌補(bǔ)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)的幅度衰減。1.3 穩(wěn)壓電源方案方案一 ：線性穩(wěn)壓電源。其中包括并聯(lián)型和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型電路復(fù)雜，效 率低，僅用于對(duì)調(diào)整速率和精度要求較高的場(chǎng)合；串聯(lián)型電路比較簡(jiǎn)單，效率較高，尤 其是若采用集成穩(wěn)壓三端穩(wěn)壓管，更是可靠。方案二：采用蓄電池供電，對(duì)于寬帶放大，低噪聲放大器而言，這是一個(gè)極好的方 案，但蓄電池體積大，攜帶不方便。方案三：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率通常 為幾十至幾百KHz基波和很多諧波均在此放大器通頻帶內(nèi)，極易帶來(lái)串?dāng)_。綜上所訴，選擇方案一中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。2理論分析與計(jì)算2.1 帶寬增益積帶寬

8、增益積（GBP）是這是用來(lái)簡(jiǎn)單衡量放大器的性能的一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個(gè)乘積是一定的。題目中要求放大器最大電壓增益 AV>60dB,即Gain > 1000V/V。放大器的通頻帶010MHz所以本放大器的帶寬增益積為：GWB = 1000 * 10M = 10G單個(gè)放大器是很難達(dá)到10G的GWB所以我們考慮多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。經(jīng)過(guò)查閱手冊(cè)，THS3202的GWB為2G,級(jí)聯(lián)上后級(jí)的VCA820足以達(dá)到題目要 求。2.2 通頻帶內(nèi)增益起伏控制題目中要求通頻帶內(nèi)增益起伏w 1dB,本設(shè)計(jì)采用的是巴特沃斯濾波器，巴特沃斯 濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)

9、曲線最大限度平坦， 沒(méi)有起伏， 雖然在阻頻帶內(nèi) 緩慢下降為零，但可以通過(guò)增加濾波器階數(shù)來(lái)加快阻帶內(nèi)的衰減， 符合題目要求。經(jīng)過(guò)濾波器設(shè)計(jì)軟件 FilterSolutions 和仿真軟件 Multisim 仿真，發(fā)現(xiàn) 5 階的 時(shí)候即可達(dá)到題目要求（仿真效果見(jiàn)附錄圖 1 ）圖12.3 放大器穩(wěn)定性（1）放大器板上所有運(yùn)放電源線及數(shù)字信號(hào)線均加磁珠和電容濾波。磁珠可濾除電流上的高頻毛刺，電容濾除較低頻率的干擾， 它們配合在一起可較好地濾除電路上 的串?dāng)_。安裝時(shí)盡量靠近 IC 電源和地。（2）所有信號(hào)耦合用點(diǎn)解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。（3）在兩個(gè)焊接板之間傳遞模擬信號(hào)時(shí)用同軸電纜

10、， 信號(hào)輸入輸出使用SMA-BNC接 頭以使傳輸阻抗匹配，并可減少空間電磁波對(duì)本電路的干擾，同時(shí)避免放大器自激。（4） 數(shù)字電路部分和模擬電路部分的電源嚴(yán)格分開(kāi)，同時(shí)數(shù)字地和模擬地電源地 一點(diǎn)相連。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由由前級(jí)放大模塊、增益控制模塊、帶寬控制器、單片機(jī)模塊、鍵盤(pán)及顯示模塊和電源模塊組成。如圖 1 所示。圖 1 系統(tǒng)框圖3.1.2 前級(jí)放大電路前級(jí)（見(jiàn)圖 2）圖2放大電路采用可變?cè)鲆娣糯竽K。設(shè)計(jì) VCA82C可變?cè)鲆?35dB45dB.圖33.1.2 增益調(diào)控放大電路可控增益調(diào)節(jié)部分我們使用壓控增益放大器 VCA820，VCA820

11、在寬頻帶工作模式下，增益控制范圍為-35dB45dB，且控制電壓與增益 dB數(shù)成線性關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)要求。如圖 3 所示帶寬控制主要由300K高通濾波器、100M低通濾波器和放大電路組成。為獲得放大器 通頻帶內(nèi)最平坦的幅頻特性曲線， 使用濾波器設(shè)計(jì)軟件 Multism 設(shè)計(jì)并制作了 5階巴特 沃茲300K高通濾波器及5階巴特沃茲100M無(wú)源LC低通濾波器。測(cè)試表明信號(hào)經(jīng)過(guò)濾 波器后會(huì)衰減為原來(lái)的1/2，所以在濾波之后加入THS3202搭建4被增益放大器（如圖 4）。采用自制正負(fù)5V電源為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行正常供電，電源均由線性穩(wěn)壓塊 7805、7905 搭建。電源模塊原理圖見(jiàn)附圖 5.圖53.1.5

12、主控制器電路選用STC89C5洋片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。單片機(jī)主要是通過(guò)檢測(cè) 4*4矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí) 現(xiàn)DAC0832的控制電壓輸出，從而控制可控增益放大器 VCA820達(dá)到增益預(yù)置的效果。 另外，單片機(jī)外接 1602液晶顯示屏顯示預(yù)置放大倍數(shù)和增益。3.1.6 抗干擾處理 由于高頻小信號(hào)放大很容易引入噪聲，我們?cè)趯?shí)際制作中采用以下方法減少干擾， 避免自激：（1）將輸入信號(hào)和增益控制部分加入屏蔽盒中，以避免級(jí)間干擾和高頻自激，減 少外面引入的噪聲干擾。（2）講整個(gè)運(yùn)放系統(tǒng)用很長(zhǎng)的地線包圍，大面積接地，以吸收高頻信號(hào)，減少噪 聲。（3）信號(hào)輸入端采用同軸電纜連接。（4）在各運(yùn)放的電源引腳靠近芯片處接一個(gè)

13、 4.7u和0.1u的濾除電源噪聲的緩沖 電容，增加電路的穩(wěn)定性。3.2 程序設(shè)計(jì)圖 6 主程序流程圖 7 主程序流程源程序見(jiàn)附錄 24. 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1 測(cè)試儀器（1）100MHz雙通道數(shù)字示波器（2）標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)發(fā)生器（1MHz100MHz可輸出1mW、信號(hào)）（3）高頻毫伏表4.2 測(cè)試方法（1）放大器預(yù)置帶寬 100M。（2）輸入 0100M 信號(hào)，輸入有效值為 1mV 的電壓信號(hào)，測(cè)試通頻帶內(nèi)是否平（3）改變輸入電壓有效值，分別記錄在步進(jìn)5dB的時(shí)候的輸出電壓有效值范圍4.3相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)4.1放大器的基本性能測(cè)試測(cè)試方法：用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率1MHZ有效值分別為 測(cè)試結(jié)果分析

14、：4.2增益測(cè)試：輸入/頻率（有 效值）輸出值（實(shí)際）輸出值（設(shè)定 值）輸入/頻率（有 效值）輸出值（實(shí)際）輸出值 （設(shè)定 值）1mv/300KHZ1.01V1V1mv/20MHZ1.01V1V1.5mv/300KHZ1.56V1.5V1.5mv/30MHZ1.36V1.5V1mv/500K1.07V1V1mv/50MK0.97V1V1mv/500K1.12V1V1mv/70M0.95V1V1mv/1M1.14V1V1mv/90M0.92V1V1mv/5M1.2V1V1mv/100M0.91V1V4.3帶寬測(cè)試（設(shè)定增益為OdB）:輸入/頻率 （有效值）輸出值（實(shí) 際）輸出值頻率 （設(shè)定值）輸

15、入/頻率 （有效值）輸出值（實(shí)際）輸出值（設(shè) 定值）100mv/300KHZ100mv/300KHZ109mv/300KHZ180mv/20MHZ188mv/20MHZ180mv/20MHZ150mv/300KHZ150mv/300KHZ158mv/300KHZ150mv/30MHZ158mv/30MHZ150mv/30MHZ100mv/500K100mv/500K107mv/500K100mv/50MK109mv/50MK100mv/50MK100mv/500K100mv/500K109mv/500K100mv/70M109mv/70M100mv/70M100mv/1M100mv/1M110

16、mv/1M100mv/90M106mv/90M100mv/90M100mv/5M100mv/5M109mv/5M100mv/100M107mv/100M100mv/100M4.4帶負(fù)載能力測(cè)試：通過(guò)在輸出級(jí)加50歐姆的負(fù)載測(cè)試，輸出為Uo大于等于1V,且沒(méi)有明顯的失真。達(dá)到要求！4.5輸出噪聲比測(cè)試把增益調(diào)成60dB輸入短路，輸出為78mv（峰峰值），達(dá)到要求。5. 總結(jié)5.1 本作品達(dá)到的指標(biāo)如下：(1) 最大電壓增益 Av=62dB,輸入電壓有效值 Vi < 1 mV。(2) 在Av = 60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰一峰值 VONP匡0.01V。(3) 最大輸出電壓正弦波有效值 V

17、o > 1V,輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。(4) 電壓增益Av可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為 060dB,步距為5dB并且可 以手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié))；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示( 50MHz、 100MHz 兩點(diǎn))。在通 頻帶內(nèi)增益起伏w 1dB。(5) 通過(guò)制作開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高電源效率。(6) 本設(shè)計(jì)多使用集成芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了題目要求。5.2 存在問(wèn)題及改進(jìn)措施(1) 在每個(gè)模塊都能正常工作的情況下， 整機(jī)連調(diào)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn) “共地”問(wèn)題， 導(dǎo) 致整機(jī)會(huì)有一個(gè) 50Hz 的工頻干擾。 改進(jìn)措施是系統(tǒng)地線不能出現(xiàn)環(huán)路，所有地線最 好一點(diǎn)接地，包括單片機(jī)的數(shù)字地和模擬地。(2) 在方案實(shí)施過(guò)程中， 由于

18、時(shí)間比較緊， 來(lái)不及制版， 而實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)受限， 導(dǎo) 致頻率過(guò)高的時(shí)候會(huì)引入干擾。如果能在精確調(diào)整之后， 將整體電路利用 PCB 開(kāi)出電 路板，減少連線引起的干擾，一定可以提高精度和性能。參考文獻(xiàn)：I 、 童詩(shī)白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 2001 年2、丁元杰 單片微機(jī)原理及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2005 年 7月3、張偉 王力 protel2004 入門(mén)與提高 人民郵電出版社 2005 年 11 月4、閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 1998年 12月5、李伯成 微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社 2005 年1月6、李昌喜 智能儀表原理與設(shè)計(jì) 化學(xué)工業(yè)出版社 200

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20、quot; #include"keyboard.h" #include"dac7512.h" /#include"12864.h"/#define uchar unsigned char/#define uint unsigned int/*主程序*/unsigned char code Line1="- v uchar display_buffer="000"void main()unsigned char s,i,j,num;unsigned char temp16; /最大輸入 16 個(gè)unsign

21、ed int h; float w=0;unsigned int a,q; /unsigned long a;P1=0x00;LCD_Init(); / DelayMs(10); / LCD_Clear(); /初始化液晶屏 延時(shí)用于穩(wěn)定，可以去掉 清屏LCD_Write_String(0,0,"LOVE/LOVE/LOVE"); /不再更改此信息，所以在 while 之前寫(xiě)入寫(xiě)入第一行信息，主循環(huán)中LCD_Write_String(0,1,"$-o-$");for(s=0;s<5;s+) / 延時(shí) 5sDelayMs(140);LCD_Clear(); while (1) /主循環(huán)/LCD_Write_String(0,0,"Magnification");顯示測(cè)試*Set_LCD_Pos(0x41);for(j=0;j<16;j+)LCD_Write_Data(Line1j);num=KeyPro(); /if(num!=0xff) /if(i=0) /LCD_Clear