程控寬帶放大器綜述

1、武漢理工大學專業(yè)綜合課程設(shè)計說明書1芯片介紹本次課程設(shè)計主要用到AT89C52,AD603,DAC8032三種芯片。1.1 AT89C52簡介單片機集成度高、功能強、可靠性高、體積小、功耗地、使用方便、價格低廉等一系列優(yōu)點，目前已經(jīng)滲入到人們工作和生活的方方面面，幾乎“無處不在，無所不為"。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域已從面向工業(yè)控制、通訊、交通、智能儀表等迅速發(fā)展到家用消費產(chǎn)品、辦公自動化、汽車電子、PC機外圍以及網(wǎng)絡(luò)通訊等廣大領(lǐng)域。單片機有兩種基本結(jié)構(gòu)形式：一種是在通用微型計算機中廣泛采用的，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合用一個存儲器空間的結(jié)構(gòu)，稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)。另一種是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器

2、截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)，一般需要較大的程序存儲器，目前的單片機以采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開的結(jié)構(gòu)為多。本課題討論的方波發(fā)生器的核心是目前應(yīng)用極為廣泛的51系列單片機。單片機最小系統(tǒng)是能補足單片機工作的最簡單電路，它由單片機、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，負責處理信號、外設(shè)的接口與控制，同時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CMOS8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)榛寫的程序存儲器和12B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系

3、統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(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1所示:“1za45&rG 543210

4、DDDDDDD 11L工11號總 /i!AA*A丸由AFW 在A業(yè)A也AAA o123455TW/HT B543Z1O c 白口。口口o0。口-nLE2.z之之2Z,2,2 VFFF FFFF F AFFF FFFF FFO9 8T&54 3Z 1O9S-T&54SZ 1 J-33B3a933392a222za2?2s:dsG7s目u 12345 11111111112匚匚匚匚匚匚匚LILI匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚 口 iz3456TH 口1之34 5 Grzl m :：LLW nil 1111K.3 33333336 Ac FrFFPFFF PPFPFPPFTr7圖1AT89C

5、52單片機管腳圖本設(shè)計中，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。單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路和一個復(fù)位電路。本設(shè)計中選擇了內(nèi)部時鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機的最小電路。1.2 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2所示。參考電壓86增益控制界而精密的無源輸入衰減器固定增益放大器2Mil21心2Kfi. 02dB T鼠 06dB21l70. IdB 72. 14dB12.(MdH2498dBT6. l2dB76. 44k69120林稱值R/R梯形網(wǎng)

6、絡(luò)圖2AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AD603的封裝引腳及各引月卻功能分別如圖5和表1所示GP0SGNEGVINPCOXIXfAD603TOP VIEW (Not to Scale)VPOSVOUTVNE3FDBK圖3AD603弓I腳圖表1AD603各弓I腳功能腳號符號功能1Vg+增益控制輸入正端2Vg-增益控制輸入負端3Vin運放輸入4GND運放公共端5FDBK反饋端6-Vcc負電源輸入7+Vout運放輸出8+Vcc正電源輸入工作模式一般，利用反饋網(wǎng)絡(luò)（VOUTWFDBK®的連接方式）來設(shè)計AD603B勺增益時，可設(shè)置為以下3種模式：模式1:將VOUTtFDBK®路，即寬頻帶模式（

7、90MHz帶寬）時增益變化范圍為一10+30dB;模式2:VOUTtFDB必問外接一個電阻REXTFDBKWCOM端之間接一個5.6pF的電容用于頻率補償.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REXT=215kQ時，增益變化范圍為0+40dB;模式3:VOUTfFDBKi間開路，F(xiàn)DBKWCOM隆接一個18pF的電容用于擴展頻率響應(yīng)，該模式為高增益模式，增益范圍為1050dB,帶寬為9MHz單個的AD603的增益可以用下式進行計算：Gain（dB）=40+,其中是差動式入的增益控制電壓（1腳到2腳）,范圍是-500+500mV為統(tǒng)一單位量綱，在

8、公式中單位應(yīng)當使用伏特，即一0.5V+0.5V,是增益起點，接不同的反饋網(wǎng)絡(luò)有所不同。本設(shè)計采用AD603*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0.5+0.5V。圖6為AD603®成90MH滯寬的典型方法。圖4 AD603接成90MH滯寬的典型電路1.3DAC0832電壓輸出電路DAC083宏采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換器件，芯片內(nèi)有兩級輸入寄存器，使DAC0832ft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

9、擬信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)這個供功還可以外接。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)能。運放的反饋電阻可通過RF端引用片內(nèi)固有電阻,和引腳圖如圖12所示。尬人 般繇13”* A 15佛"”上'皿屯兒UM）器曲I.3-：8位 坳人 .31：1片選語,0-Ur,傳送_17控K XHhk -La-廠.，10玨1樂 討寄G 3（仃褲出：口"寄仃器粉人數(shù)加被閘0cS -1r依WMl)9-ILEir 1，一IM-Wf<H131nf卜曲仙一建t山門】：一g13.1 )11 M-K11i rkL» -8U1LMl !,gJ 2r * 11lil11-Am u圖5DAC08

10、32內(nèi)部結(jié)構(gòu)和弓|腳圖DAC083川腳功能說明：DI0DI7:數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE:數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。CS:片選信號輸入線，低電平有效。WR1為輸入寄存器的寫選通信號。XFER數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。WR2為DAC寄存器寫選通輸入線。loutl：電流輸出線。當輸入全為1時loutl最大。Iout2:電流輸出線。其值與loutl之和為一常數(shù)。Rfb:反饋信號輸入線，芯片內(nèi)部有反饋電阻.Vcc:電源輸入線(+5v+15v)。Vref:基準電壓輸入線(-10v+10v)。AGNDg擬地,摸擬信號和基準電源的參考地。DGN啖字地。2設(shè)計方案2.1 總體方案框

11、圖本系統(tǒng)原理方框圖如圖6所示。本系統(tǒng)由前置放大器、中間放大器、末級功率放大器、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、末級功率放大器構(gòu)成了信號通道。圖6系統(tǒng)原理框圖2.2 增益控制部分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現(xiàn)增益控制（如圖3）o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)增益的運放實現(xiàn)，比如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；而這個參考電壓可通過單片機進行運算并控

12、制D/A芯片輸出控制電壓得來從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外AD603能提供由直流到30MH©上的工作帶寬，單級實際工作時可提供超過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，在高頻時也可提供超過60dB的增益。這種方法的優(yōu)點是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機處理。2.3 末級功率放大器兩片AD603級聯(lián)構(gòu)成放大器，可對不同的大小的輸入信號進行放大。由于AD603的最大輸出電壓較小，所以需要前級放大信號需經(jīng)過后級放大達到較高的輸出有效值。使用分立元件自行搭建后級放大器。使用分立元件設(shè)計困難，調(diào)試繁瑣，可是卻可以經(jīng)過計算得到最合適的輸入

13、輸出阻抗、放大倍數(shù)等參數(shù)，電阻電容可根據(jù)需要更換，在此時看來較集成電路靈活。因此自行設(shè)計后級放大器優(yōu)勢就很明顯了。因此末級功率放大器用分立元件自行搭建后級放大器以達到較高的輸出有效值。3仿真電路設(shè)計3.1 輸入阻抗變換電路由于AD603的輸入電阻只兵口1。0。,要滿足輸入電阻大于1kQ的要求，必須加入輸入緩沖部分用以提高輸入阻抗.；另外前級電路對整個電路的噪聲影響非常圖83.2 增益控制電路武漢理工大學專業(yè)綜合課程設(shè)計說明書輸入部分先用電阻分壓衰減,再由低噪聲高速運放OPA642大，整體上還是一個跟隨器，二極管可以保護輸入到OPA642勺電壓峰峰值不超過其極限(2V)其輸入阻抗大于2.4kQ。

14、OPA642的增益帶寬積為400MHz這里放大3.4倍，100MHzW上的信號被衰減。輸入輸出端口P1、P2由同軸電纜連接，以防自激。級間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法，兼顧高頻和低頻信號。增益和控制電壓的關(guān)系為：AG(dB)=40XUg+10,一級的控制范圍只有40dB,使用兩級串聯(lián)，增益為AG(dB)=80Ug+20增益范圍是20+60dB,滿足題目要求。由于兩級放大電路幅頻響應(yīng)曲線相同，所以當兩級AD603串聯(lián)后，帶寬會有所下降，串聯(lián)前各級帶寬為9MH九右，兩級放大電路串聯(lián)后總的3dB帶寬對應(yīng)著單級放大電路1.5dB帶寬，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級聯(lián)后的總帶寬為6MHz3.3 末級

15、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，宜采用互補推挽和深度電壓串聯(lián)負反饋電路形式，典型電路如圖8所示。高頻晶體管2N3904為NPN0,2N3906為PNP®,是配對的互補管，特征頻率ft達200MHz能保證系統(tǒng)性能要求。由于是深度電壓串聯(lián)負反饋，故輸入阻抗較高，輸出阻抗低，適合與前端放大器和負載連接。由圖可見，本級avf=1/kfV=1+(R10/R9),如R9R10為圖中標注值,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103.4 鍵控及顯示部分電路該部分由這一部分由51系列單片機AT89C52DAC0832LM324鍵盤等組

16、成。單片機AT89C52方框圖如圖11所示。*DAC0832LLM324>至AD603增益控制端鍵盤圖11控制部分電路設(shè)計武漢理工大學專業(yè)綜合課程設(shè)計說明書21圖12仿真電路3.5 DAC0832電壓輸由電路由于本設(shè)計要求增益調(diào)節(jié)范圍為10dB40dB按照公式AG=80Ug+20(dB)則Ug=-1/8V1/4V,故要求DAC083規(guī)能輸出負電壓也能輸出正電壓。電路如圖13所示。U1 1VREF RFB GNID20VCC ILE(BY1/XFERIDI40I5OI00I7 IOUT2 UOUT1Q 4 5 B 7<寸 d d d&A&D&32LM324八R

17、2R3LM3241LJ <TE.X.T>-12圖13DAC0832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為單片機輸入到DAC0832勺值。要求增益調(diào)節(jié)范圍為10dB40dB設(shè)定步進級數(shù)為6,因此計算的D值如表2所示。表2增益步進級數(shù)對照D值表增益步進級數(shù)123456預(yù)置增益值/dB101622283440Ug/V-0.12-0.050.020.10.180.25D1251271291311321353.6 總仿真電路圖由以上幾個部分可拼接得總仿真電路圖如下圖144程序設(shè)計統(tǒng)軟件主要包含了系統(tǒng)初始化程序、LCD1602M示程序、鍵盤程序、D

18、A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處理數(shù)據(jù)進行顯示處理，實現(xiàn)友好人機界面的信息交換.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)換成二進制數(shù)據(jù)輸送給DA芯片的數(shù)據(jù)口進行轉(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AD603I勺1腳電壓，實現(xiàn)程序控制.通過查詢方式實現(xiàn)鍵控增益，并可實時液晶顯示。（程序代碼見附表）圖15軟件流程圖5仿真結(jié)果分析運行仿真軟件結(jié)果如下:FC耳4圖16示波器顯示如下：DitODpeXHI-圖17改變增益倍數(shù)結(jié)果如下:圖18:做 I血如 Mv箕*MePH P.l*M*l 小心 M3 口 皤卬 P1沖安此N.irrdi UTE P“*TT 尸

19、什。 NTiFJ白一 w.1圖19增益誤差測量：輸入端加峰-峰值為20mV頻率為1MHZ勺正弦波信號，保持幅度穩(wěn)定，然后預(yù)設(shè)增益值測量輸出信號來計算增益誤差。測試的數(shù)據(jù)如表3所示。表3增益誤差測試數(shù)據(jù)表預(yù)置增益/dB101622283440輸出信號/mV202020202020實際增益/dB10.116.222.127.833.939.4誤差增益/dB0.10.20.10.20.10.6增益誤差分析如下：(1)由表3中可以看出增益誤差在0.5dB之內(nèi)，頻率較高時，隨著輸出電壓的增大，增益有下降的趨勢，這是因為后級功放管工作狀態(tài)即將接近飽和，通過提高后級電源電壓可以使增益更加穩(wěn)定。(2)本設(shè)計偏

20、重模擬電路的處理，得到了很高的增益和較小噪聲，同時也和數(shù)字電路、單片機等結(jié)合。采用多種抗干擾措施來處理前級放大，選用集成芯片AD603乍為增益控制，利用分立元件做后級功率放大，放棄了較難的寬帶放大器，因此設(shè)計很靈活也比較容易實現(xiàn)。6心得體會通過本次課程設(shè)計，我對程控曠代放大器和c語言的相關(guān)知識得到了進一步開，剛開始看到這個題目的時候，感覺倒計時不是很難，有對應(yīng)的輸入，在控制芯片的作用下，進行增益的控制，就可以達到效果。所以剛開始的時候，做的還不是很認真，當設(shè)計進行到具體環(huán)節(jié)的時候，問題就體現(xiàn)出來了，并不是像剛開始的那樣簡單。首先要想到芯片的對應(yīng)p口的功能，于是要對所學的單片機的知識進行復(fù)習，查

21、找相關(guān)資料對那些知識進行擴充，于是就大量的查找相關(guān)資料和閱讀，了解清楚了相應(yīng)的功能后，開始了設(shè)計。接著就是具體的模塊部分的設(shè)計。我把整體模塊分為四個部分進行，輸入部分，用鍵盤作為輸入模塊。顯示部分，采用1602。控制部分則有AT89C52e片來完成其功能。末級放大部分通過互補推挽和深度電壓串聯(lián)負反饋電路形式來實現(xiàn)。再就是進行相對應(yīng)的仿真設(shè)計。由于在仿真用到的是Proteus軟件，所以要對這個軟件的應(yīng)用進行學習。也是開始查找一些資料書和上網(wǎng)找一些應(yīng)用方面的技巧，在做了充分的準備后，開始了仿真繪圖。在繪圖的過程中，有時候也是弄錯了，導(dǎo)致仿真的結(jié)果出不來，在同學的幫助下，仔細查找和修改，還是完成了本

22、設(shè)計，感覺集體的智慧還是很強大的。在看到LCD上的顯示和示波器一致的時候，心里感覺還是蠻高興的。雖然在這次設(shè)計的過程中，困難不少，但是正是在自己的努力，同學們的幫助下，自己能夠順利的完成，確實還是蠻欣慰的。感謝這次課程設(shè)計給了自己鍛煉的機會，自己在今后的學習和生活中，會更加的努力，爭取更大的進步！7參考文獻1葉昌茂，溫世敏.實用直流放大器的設(shè)計J.電子工程師,2005(10):30-33.2王國偉，施樹春.可編程寬帶運算放大器的設(shè)計與實現(xiàn)J.武漢理工大學學報信息與管理工程版，2008(6):378-381.3朱前偉等.基于單片機的一氧化碳傳感器的設(shè)計J.計算機測量與控制,2009(7):144

23、5-1446.4鐘小鵬，杜金榜，王躍科.大動態(tài)范圍高精度AFE程控調(diào)理的經(jīng)典實現(xiàn)方法J.計算機測量與控制,2006(4):533-535.5高德芝，陳祖斌，段建民.基于浮點放大技術(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J.計算機測量與控制，2009(2):431-433.6郭俊國，田書林，王志剛.大動態(tài)范圍低失真模擬前端的設(shè)計J.儀表技術(shù)與傳感器,2009(3):109-111.程序附錄：#include<reg52.h>#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineda0832XBYTE0x

24、7fffsbitkey1=P1A0;sbitkey2=P1A1；sbitkey3=P1A2;sbitkey4=P1A3;sbitkey5=P1A4;sbitkey6=P1A5;sbitLCDEN=P3A4;sbitRS=P3A5;ucharnum;ucharcodetable1="ZYBS:"ucharaa6=125,127,129,131,132,135;/對應(yīng)DAC0832俞出電壓的值uintm;voiddelay(charc)/*延時1ms*/chara,b;for(a=c;a>0;a-)for(b=110;b>0;b-);voidwrite_com(ucharcom)RS=0;P1=com;delay(5);LCDEN=1;delay(5);LCDEN=0;voidwrite_data(uchardate)RS=1;P1=date;delay(5);LCDEN=1;delay(5);LCDEN=0;voidinit()LCDEN=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);void