基于AD603程控寬帶放大器的設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄摘 要本設(shè)計(jì)是采用AD603可控增益放大器芯片設(shè)計(jì)的一款高增益，高寬帶直流放大器，采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大電路了，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)，采用AT89S52芯片控制數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC0832芯片)進(jìn)行程控放大控制，在020MHz頻帶內(nèi)，放大倍數(shù)在0-40dB之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，增益起伏為1dB。系統(tǒng)具有鍵盤輸入預(yù)置，增益可調(diào)和液晶顯示，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用能力。關(guān)鍵詞：AD603,AT89S52,DAC0832，程控放大器，高增益放大器1、方案論證及比較1.1 總體方案框圖 本系統(tǒng)原理方框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由前置放大器、中間放大器、

2、末級(jí)功率放大器、控制器、鍵盤及穩(wěn)壓電源等組成。其中前置放大器、中間放大器、末級(jí)功率放大器構(gòu)成了信號(hào)通道。220V50HZ 前置放大器中間放大器末級(jí)放大器鍵盤51單片機(jī)控制器UiUo穩(wěn)壓源圖1 系統(tǒng)原理框圖1.2 增益控制部分方案一 原理框圖如圖2所示，場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，輸出信號(hào)取自電阻與場效應(yīng)管與對(duì)V的分壓。采用場效應(yīng)管作AGC控制可以達(dá)到很高的頻率和很低的噪聲，但溫度、電源等的漂移將會(huì)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 場效應(yīng)管放大器電路圖方案二 采用可編程放大器的思想，將輸入的交流信號(hào)作為高速D/A的基準(zhǔn)電壓，這時(shí)的D/A作為一個(gè)程控衰減器。理論

3、上講，只要D/A的速度夠快、精度夠高就可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不成線性關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。方案三 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（如圖3）。根據(jù)題目對(duì)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(hào)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

4、,從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬,單級(jí)實(shí)際工作時(shí)可提供超過20dB的增益,兩級(jí)級(jí)聯(lián)后即可得到40dB以上的增益,通過后級(jí)放大器放大輸出,在高頻時(shí)也可提供超過60dB的增益。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。圖 3 可變增益的運(yùn)放放大器電路圖綜上所述，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。1.

5、3 功率輸出部分（末級(jí)功率放大器）兩片AD603級(jí)聯(lián)構(gòu)成放大器，可對(duì)不同的大小的輸入信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大。由于AD603的最大輸出電壓較小，所以需要前級(jí)放大信號(hào)需經(jīng)過后級(jí)放大達(dá)到較高的輸出有效值。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(xì)的文檔說明。可是題目要求輸出3V以上有效值,而在電子市場很難買到這樣的芯片,而我們買到的如AD811,HA-2539 等芯片,雖然輸出電壓幅度能滿足要求,但是很容易發(fā)生工作不穩(wěn)定的情況。方案二 ：使用分立元件自行搭建后級(jí)放大器。使用分立元件設(shè)計(jì)困難,調(diào)試繁瑣,可是卻可以經(jīng)過計(jì)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

6、可根據(jù)需要更換,在此時(shí)看來較集成電路靈活。因此自行設(shè)計(jì)后級(jí)放大器優(yōu)勢就很明顯了。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,結(jié)合考慮過的各種方案,充分利用模擬和數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn),發(fā)揮其優(yōu)勢,采用單片機(jī)預(yù)置和控制放大器增益的方法,大大提高了系統(tǒng)的精度和可控性;后級(jí)放大器使用由分立元件設(shè)計(jì)的推挽互補(bǔ)輸出放大器,提高了輸出電壓有效值，使信號(hào)都在單片機(jī)的數(shù)字算法控制下得到最合理的前級(jí)放大,使其放大倍數(shù)精確。輸入信號(hào)通過前級(jí)可控增益放大,放大倍數(shù)由單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換提供的電壓控制。AD603的Vg(=V1-V2)根據(jù)公式:增益GAIN=80×Vg+20(dB)來設(shè)定,而在AGC模式下,此控制電壓Vg是

7、由AGC電路的反饋電壓得到,不受單片機(jī)控制。經(jīng)過前級(jí)放大后的信號(hào)最后經(jīng)過后級(jí)放大得到需要的輸出信號(hào),前級(jí)和后級(jí)增益的搭配,都是經(jīng)過精確的測量和計(jì)算的。2.1 輸入緩沖和增益控制部分 2.1.1 芯片AD603簡介AD603是美國AD公司推出的一款寬頻帶、低噪聲、低畸變、增益變化范圍連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示圖4 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AD603的封裝引腳及各引腳功能分別如圖5和表1所示。圖5 AD603引腳圖表1 AD603各引腳功能腳號(hào)符號(hào)功能1Vg+增益控制輸入正端2Vg-增益控制輸入負(fù)端3Vin運(yùn)放輸入4GND運(yùn)放公共端5FDBK反饋端6-Vcc負(fù)電源輸入7+Vout運(yùn)

8、放輸出8+Vcc正電源輸入工作模式一般，利用反饋網(wǎng)絡(luò)(VOUT與FDBK端的連接方式)來設(shè)計(jì)AD603的增益時(shí)，可設(shè)置為以下3種模式：模式1：將VOUT與FDBK短路，即寬頻帶模式(90MHz帶寬)時(shí)增益變化范圍為一10+30dB；模式2：VOUT與FDBK之間外接一個(gè)電阻REXT，F(xiàn)DBK與COMM端之間接一個(gè)56pF的電容用于頻率補(bǔ)償根據(jù)放大器的增益關(guān)系式，選取合適的REXT，可獲得所需要的模式1與模式3之間的增益值當(dāng)REXT=215k時(shí)，增益變化范圍為0+40dB；模式3：VOUT與FDBK之間開路，F(xiàn)DBK與COMM連接一個(gè)18pF的電容用于擴(kuò)展頻率響應(yīng)，該模式為高增益模式，增益范圍為

9、1050dB，帶寬為9MHz。單個(gè)的AD603的增益可以用下式進(jìn)行計(jì)算：Gain(dB)=40VG+G0，其中VG是差動(dòng)式輸入的增益控制電壓(1腳到2腳)，范圍是-500一+500mV，為統(tǒng)一單位量綱，在公式中單位應(yīng)當(dāng)使用伏特，即一0.5V+0.5 V，G0是增益起點(diǎn)，接不同的反饋網(wǎng)絡(luò)G0有所不同。本設(shè)計(jì)采用AD603典型接法中通頻帶最寬的一種（即第二種工作模式），通頻帶為90MHz，增益為10+30dB，輸入控制電壓U的范圍為0.50.5V。圖6為AD603接成90MHz帶寬的典型方法。圖6 AD603接成90MHz帶寬的典型電路2.1.2 輸入緩沖和增益控制電路輸入緩沖和增益控制電路如圖7

10、所示，由于AD603的輸入電阻只有100，要滿足輸入電阻大于1k的要求，必須加入輸入緩沖部分用以提高輸入阻抗；另外前級(jí)電路對(duì)整個(gè)電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲。故采用高速低噪聲電壓反饋型運(yùn)放OPA642作前級(jí)跟隨，同時(shí)在輸入端加上二極管過壓保護(hù)。圖7 輸入緩沖和增益控制電路輸入部分先用電阻分壓衰減，再由低噪聲高速運(yùn)放OPA642放大，整體上還是一個(gè)跟隨器，二極管可以保護(hù)輸入到OPA642的電壓峰峰值不超過其極限（2V）。其輸入阻抗大于2.4k。OPA642的增益帶寬積為400MHz，這里放大3.4倍，100MHz以上的信號(hào)被衰減。輸入輸出端口P1、P2由同軸電纜連接，以防自激。級(jí)間耦合

11、采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法，兼顧高頻和低頻信號(hào)。增益和控制電壓的關(guān)系為：AG(dB)=40×Ug+10，一級(jí)的控制范圍只有40dB，使用兩級(jí)串聯(lián)，增益為AG(dB)=80Ug+20，增益范圍是20+60dB，滿足題目要求。由于兩級(jí)放大電路幅頻響應(yīng)曲線相同，所以當(dāng)兩級(jí)AD603串聯(lián)后，帶寬會(huì)有所下降，串聯(lián)前各級(jí)帶寬為90MHz左右，兩級(jí)放大電路串聯(lián)后總的3dB帶寬對(duì)應(yīng)著單級(jí)放大電路1.5dB帶寬，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級(jí)聯(lián)后的總帶寬為60MHz。2.2末級(jí)放大部分為保證高頻端放大器的穩(wěn)定性和帶內(nèi)幅度的平坦度，宜采用互補(bǔ)推挽和深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路形式，典型電路如圖8所示。 高頻

12、晶體管2N3904為NPN型，2N3906為PNP型，是配對(duì)的互補(bǔ)管，特征頻率fT達(dá)200MHz，能保證系統(tǒng)性能要求。由于是深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，故輸入阻抗較高，輸出阻抗低，適合與前端放大器和負(fù)載連接。 由圖可見，本級(jí)AVf1/kfV=1+(R10/R9)，如R9、R10為圖中標(biāo)注值，則AVf=11，約合20dB。其中所有電容，均是為了電源去耦或改善頻率特性的。圖8 末級(jí)功率放大部分原理圖2.3 控制部分 該部分由這一部分由51系列單片機(jī)AT89C52、DAC0832、LM324、鍵盤等組成。方框圖如圖9所示。 單片機(jī)AT89C52DAC0832LM324至AD603增益控制端鍵盤圖9 控制部分

13、電路2.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)是能補(bǔ)足單片機(jī)工作的最簡單電路，它由單片機(jī)、電源、晶體振蕩器、復(fù)位電路等構(gòu)成。它是本系統(tǒng)的處理單元也是控制單元，負(fù)責(zé)處理信號(hào)、外設(shè)的接口與控制，同時(shí)它也是所有軟件的載體。本系統(tǒng)采用AT89C52是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和12B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機(jī)屬

14、于AT89C51單片機(jī)的增強(qiáng)型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點(diǎn)和指令系統(tǒng)等方面兼容。主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。VCC（40 腳）和VSS（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3 為可編程通用I/O 腳，其功能用途由軟件定義。其管腳如下圖10所示：圖10 AT89C52單片機(jī)管腳圖本設(shè)計(jì)中，P0 端口（3239 腳）被定義為N1 功能控制端口，分別與N1的相應(yīng)功能管腳相連接。單片機(jī)正常工作時(shí)，都需要有一個(gè)時(shí)鐘

15、電路和一個(gè)復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)中選擇了內(nèi)部時(shí)鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機(jī)的最小電路。如圖11所示。圖11 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.3.2 DAC0832電壓輸出電路DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換器件，芯片內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應(yīng)的模擬信號(hào)，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這個(gè)供功能。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖12所示。圖12 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳圖DAC08

16、32引腳功能說明：DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。CS：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。WR1：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)Iout1最大。Iout2: 電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。Rfb:反饋信號(hào)輸入線,芯片內(nèi)部有反饋電阻.Vcc:電源輸入線 (+5v+15v)。Vref:基準(zhǔn)電壓輸入線 (-10v+10v)。AGND:模擬地,摸擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地。DGND:數(shù)字地。由于本設(shè)計(jì)要求增益調(diào)節(jié)范圍為10dB40

17、dB，按照公式AG=80Ug+20(dB)，則Ug=-1/8V1/4V,故要求DAC0832既能輸出負(fù)電壓也能輸出正電壓。電路如圖13所示。圖13 DAC0832的模擬電壓輸出電路根據(jù)上述電路最終輸出電壓U=5*(D/128)-5(V),其中D為單片機(jī)輸入到DAC0832的值。要求增益調(diào)節(jié)范圍為10dB40dB，設(shè)定步進(jìn)級(jí)數(shù)為6，因此計(jì)算的D值如表2所示。表2 增益步進(jìn)級(jí)數(shù)對(duì)照D值表增益步進(jìn)級(jí)數(shù)123456預(yù)置增益值/dB101622283440Ug/V-0.12-0.050.020.10.180.25D1251271291311321353、程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要包含了系統(tǒng)初始化程序、LCD1

18、602顯示程序、鍵盤程序、DA轉(zhuǎn)換程序等。程序流程如圖14所示液晶顯示程序?qū)纹瑱C(jī)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示處理，實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)界面的信息交換DA轉(zhuǎn)換主要將鍵盤輸人的鍵值經(jīng)過相應(yīng)的處理以后，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸送給DA芯片的數(shù)據(jù)口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸出連續(xù)可調(diào)的模擬電壓，用以控制AD603的1腳電壓，實(shí)現(xiàn)程序控制通過查詢方式實(shí)現(xiàn)鍵控增益，并可實(shí)時(shí)液晶顯示。開始系統(tǒng)初始化有鍵按下？判斷鍵值D/A輸出控制增益電壓YN按鍵掃描圖14 軟件流程圖4、系統(tǒng)調(diào)試和測試結(jié)果將系統(tǒng)整體電路在仿真軟件PROTUES連接好，檢查線路連接無誤后就可以進(jìn)行仿真了。（1） 輸入阻抗。電路的設(shè)計(jì)保證輸入阻抗大于2.4k電阻，滿足課設(shè)

19、要求。（2） 頻率特性測量。增益設(shè)為40dB檔，輸入端加峰-峰值為10mV正弦波，再測量輸出信號(hào)。測試的波形如圖15所示，測試數(shù)據(jù)如表2所示。圖15 測試波形表3 頻率特性測試數(shù)據(jù)輸入頻率/kHZ輸出信號(hào)Vp-p/V增益/dB輸入頻率/kHZ輸出信號(hào)Vp-p/V增益/dB輸入頻率/MHZ輸出信號(hào)Vp-p/V增益/dB（3） 增益誤差測量。輸入端加峰-峰值為20mV，頻率為1MHZ的正弦波信號(hào)，保持幅度穩(wěn)定，然后預(yù)設(shè)增益值測量輸出信號(hào)來計(jì)算增益誤差。測試的數(shù)據(jù)如表3所示。表4 增益誤差測試數(shù)據(jù)表預(yù)置增益/dB輸出信號(hào)/mV實(shí)際增益/dB誤差增益/dB5、性能分析（1）由表3數(shù)據(jù)可以得到，3dB通

20、頻帶在低頻端達(dá)到了1kHZ，高頻端在10MHZ以上，由于信號(hào)源在10MHZ以上測試時(shí)需要運(yùn)行較長的時(shí)間故無法測量，從5MHZ以上增益的趨勢來看最終的通頻帶應(yīng)大于10MHZ，比較符合猴急功率放大的理論高頻截止頻率10MHZ。在20 kHZ5MHZ頻帶內(nèi)增益起伏<1dB。（2）由表4中可以看出增益誤差在 之內(nèi)，頻率較高時(shí)，隨著輸出電壓的增大，增益有下降的趨勢，這是因?yàn)楹蠹?jí)功放管工作狀態(tài)即將接近飽和，通過提高后級(jí)電源電壓可以使增益更加穩(wěn)定。（3）測試性能總結(jié) 本設(shè)計(jì)偏重模擬電路的處理，得到了很高的增益和較小噪聲，同時(shí)也和數(shù)字電路、單片機(jī)等結(jié)合。采用多種抗干擾措施來處理前級(jí)放大，選用集成芯片AD603作為增益控制，利用分立元件做后級(jí)功率放大，放棄了較難的寬帶放大器，因此設(shè)計(jì)很靈活也比較容易實(shí)現(xiàn)。6、心得與體會(huì)7、參考文獻(xiàn)7附錄一：源程序#include<reg52.h>#include<absacc.h>#define uchar unsigned char#define uint unsi