全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽D題設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2015年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（瑞薩杯）增益可控射頻放大器（D題）2015年8月15日摘要高頻信號(hào)在生活中隨處可見，有時(shí)需要將微弱的高頻信號(hào)放大，需要制作高頻放大器，本課題主要實(shí)現(xiàn)了一個(gè)增益可控的放大器。本課題要設(shè)計(jì)的是增益可控的射頻放大器，使其電壓增益不小于52dB,-3dB通頻帶不窄于40MHz£200MHz并且在50MHz£160MHz勺頻率范圍內(nèi)增益波動(dòng)不大于2dB,當(dāng)輸入電壓有效值不高于5mV寸其輸出電壓有效值不低于2V。設(shè)計(jì)的放大器的增益可調(diào)節(jié)范圍是-5dB至+57dB,在40MHz!200MHz勺范圍內(nèi)可以保證增益波動(dòng)不大于，其-3dB通頻帶范圍為30MHz

2、!250MHz步進(jìn)控制的步長(zhǎng)可調(diào)節(jié)為（dB）,顯示屏可以實(shí)時(shí)同步顯示電路的總增益，并且可以顯示電路中可調(diào)部分的當(dāng)前值。該放大器將在中頻放大方面顯示出它獨(dú)特的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：通頻帶較寬；增益較大；數(shù)顯；可控目錄1、放大系統(tǒng)的論證與選擇2、電源系統(tǒng)的論證與選擇3、控制系統(tǒng)的論證與選擇3、控制系統(tǒng)的論證與選擇二、系統(tǒng)理論分析與理論值計(jì)算1、放大系統(tǒng)的分析2、放大倍數(shù)的計(jì)算三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)2、程序的設(shè)計(jì)四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案2、測(cè)試條件與儀器3、測(cè)試結(jié)果及分析五、結(jié)論與心得六、參考文獻(xiàn)增益可控射頻放大器（D題）【本科組】一、方案論證與選擇本系統(tǒng)主要由放大模塊、電源模塊、單片

3、機(jī)控制模塊、濾波模塊、組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1、放大系統(tǒng)的論證與選擇方案一：運(yùn)用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)的方式放大信號(hào)，使用壓控增益放大器，其基本原理類似AD603等芯片，但是其反饋信號(hào)為模擬信號(hào)，其穩(wěn)定性較差，較其官方給出的數(shù)據(jù)有一定的偏差，如果自行測(cè)試將浪費(fèi)大量時(shí)間并且不易進(jìn)行控制。故不采用此方案。方案二：運(yùn)用F011運(yùn)放組成數(shù)控增益放大器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大，但是其輸出頻率范圍過低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制要求，易出現(xiàn)較大誤差，并且控制方式較為復(fù)雜。故不采用此方案。方案三：將增益與衰減器混合運(yùn)用。使用固定增益高頻放大器ERA-5+,確定性較強(qiáng)，體積較小，利于有效利用空間，并且原理較為簡(jiǎn)單，可以

4、大大減少控制部分的工作量，衰減器使用數(shù)控衰減器DAT-31R5-SP+,其內(nèi)部帶有一個(gè)寄存器，最大衰減可達(dá)到，使用單片機(jī)可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)增益幅度的調(diào)節(jié)。綜合以上三種方案，選擇方案三。2、電源系統(tǒng)的論證與選擇方案一：由于僅提供了12V的電源，所以可以在對(duì)其進(jìn)行去除紋波的操作后直接給系統(tǒng)供電但是僅僅使用12V電源將會(huì)大大限制我們能選擇的器件的數(shù)量。故不采用此方案方案二：將提供的12V電源進(jìn)行變壓處理，單獨(dú)制作一個(gè)電源模塊，從其上引出3V,5V等多種電壓，這樣可以提高器件選擇的多樣性，并且在放大系統(tǒng)中提到的數(shù)控衰減器DAT-31R5-SP+使用了較為罕見的3V供電，我們選擇使用TPS54625

5、芯片完成12V到5V的電壓轉(zhuǎn)換，使用LT3083芯片完成5V到3V的電壓轉(zhuǎn)換。使用此方案可以明顯減弱電源紋波并且減少電壓在傳輸過程中的損耗。綜合以上兩種方案，選擇方案二。3、控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：使用傳統(tǒng)的電壓控制方式，從輸出端引出一端作為放大的反饋，采用此種方式雖在電路層級(jí)上較易達(dá)成，但是其控制精度難以保證，會(huì)產(chǎn)生較大的控制誤差，而設(shè)計(jì)要求對(duì)于精度的要求較高，此方案難以達(dá)到要求的值，故不采用此方案方案二：使用數(shù)字控制，DAT-31R5-SP+內(nèi)置一個(gè)寄存器，通過單片機(jī)I/O口可以直接向其中寫入數(shù)據(jù)，其內(nèi)部使用8421編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)衰減倍數(shù)的控制，可以通過單片機(jī)直接給出需要的衰減值，達(dá)到快速

6、，準(zhǔn)確控制的目的，同時(shí)單片機(jī)可以使用屏幕進(jìn)行輸出。方便進(jìn)行調(diào)試。綜合考慮采用方案二。二、系統(tǒng)理論分析與理論值計(jì)算1、放大系統(tǒng)的分析(1)放大系統(tǒng)概述使用5級(jí)電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，其基本示意如下：固定增益放大器1f衰減器1-固定增益放大器2f衰減器2f驅(qū)動(dòng)器(2)驅(qū)動(dòng)器分析驅(qū)動(dòng)器使用了高速運(yùn)算放大器TIOPA691,其電路實(shí)現(xiàn)固定放大約20dB,其對(duì)電路掛負(fù)載能力的提升較為明顯，但是會(huì)影響放大器整體的低頻性能，通過加大衰減器兩端的電容成功解決此問題，該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)可將輸出電壓提升至2V有效值以上(3)固定增益放大器分析使用MiNi生產(chǎn)的ERA-5+芯片，此芯片標(biāo)準(zhǔn)固定增益為20dB,電路實(shí)測(cè)值分別為18d

7、B與19dB,其在要求的通頻帶內(nèi)性能良好，但因?yàn)槠湓诔^某個(gè)輸出后會(huì)發(fā)生信號(hào)失真，故現(xiàn)將第一個(gè)放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過衰減后再通入下一級(jí)放大電路。(4)衰減電路分析由于要求此放大器的增益可控，而三個(gè)放大電路都已經(jīng)是確定值，所以選擇DAT-31R5-SP+作為衰減器，此芯片使用單片機(jī)進(jìn)行控制，可以將誤差控制在之內(nèi)，其最大衰減倍數(shù)為，完全可以滿足固定增益放大器的輸出要求，確保其不會(huì)發(fā)生失真，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的步進(jìn)控制2、放大倍數(shù)的計(jì)算(1)固定增益倍數(shù)放大器1的固定增益倍數(shù)為18dB放大器2的固定增益倍數(shù)為19dB驅(qū)動(dòng)器的固定增益為20dB(2)電路整體的理論固定增益倍數(shù)為：Av=18+19+20-(x

8、+y)其中x與y為衰減器1與衰減器2的衰減值三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如下圖所示系統(tǒng)總體框圖(2)固定增益系統(tǒng)框圖與電路原理圖(3)數(shù)控衰減器系統(tǒng)框圖與電路原理圖數(shù)控衰減器系統(tǒng)電路(4)電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供+5V或者+3V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)，并且在方案設(shè)計(jì)中已提供大概地?cái)⑹?，故在此不作詳述?、控制程序的設(shè)計(jì)(1)程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述本程序的運(yùn)行環(huán)境為cc2541最小板。定義2組共6個(gè)i/o口用為輸出，分別為信號(hào)線，數(shù)據(jù)線，使能線。使用外設(shè)板上的一個(gè)普通

9、按鍵和一個(gè)五向按鍵來(lái)調(diào)整兩個(gè)衰減器的衰減倍數(shù)和其他指標(biāo)，同時(shí)利用外設(shè)板上的led屏幕來(lái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前衰減器的衰減倍數(shù)和步進(jìn)值，以及整個(gè)系統(tǒng)的放大倍數(shù)和步進(jìn)值。2、程序設(shè)計(jì)思路首先確定開發(fā)板上的按鍵觸發(fā)事件，不同的按鍵表示不同的功能，分別有增大減小放大倍數(shù)，改變步進(jìn)值等功能。下面介紹發(fā)送如何改變衰減器的衰減倍數(shù)。說明：衰減器接受一個(gè)6位二進(jìn)制數(shù)字來(lái)表示衰減倍數(shù)。所以程序設(shè)計(jì)的思路就很清晰了。發(fā)送一個(gè)6位二進(jìn)制數(shù)字之前將使能信號(hào)使能。將要發(fā)送的衰減倍數(shù)用unsignedchar表示，首先將該數(shù)值左移2位，去掉多余的2位，然后&0x80取得該數(shù)字的高位數(shù)，使用數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，當(dāng)然在發(fā)送數(shù)

10、據(jù)之前要把數(shù)據(jù)線置為1,發(fā)送完成后要置為00發(fā)送完之后將該數(shù)字左移1位，再&0x80,取得高位數(shù)據(jù)位發(fā)送。重復(fù)這個(gè)過程6次，直達(dá)發(fā)送完數(shù)據(jù)。每一次發(fā)送完數(shù)據(jù)后要在lcd屏幕上顯示當(dāng)先的兩個(gè)衰減器的衰減倍數(shù)以及整個(gè)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。(2)程序流程圖1、主程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案(1)硬件測(cè)試直接在輸入端接入正弦的射頻掃描信號(hào)，其頻率為40MHz到200MHz變化，每10ms進(jìn)行一次變化，線性步進(jìn)，通過頻譜儀讀取其輸出，作圖后觀察頻譜儀的圖形信號(hào)變化，通過其信號(hào)圖形的變化測(cè)試其增益及在掃頻時(shí)的波動(dòng)，最后得出硬件性能的結(jié)論。(2)軟件仿真測(cè)試?yán)肕ultisim進(jìn)行硬件仿真

11、測(cè)試，對(duì)于控制程序，使用與TICC2541相對(duì)應(yīng)的CC-DeBugger進(jìn)行Debug,確保程序內(nèi)部運(yùn)行正常，不會(huì)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)致命的錯(cuò)誤，同時(shí)上電進(jìn)行顯示屏等外設(shè)的調(diào)試，確保其能夠顯示正確的數(shù)值。對(duì)于控制系統(tǒng)的輸出端測(cè)試選擇用模擬示波器進(jìn)行調(diào)試的方式進(jìn)行，觀察其6個(gè)輸出端(同時(shí)控制兩片衰減器，每片分為時(shí)鐘，信號(hào)，使能三個(gè)輸入端)在單片機(jī)上電時(shí)的瞬時(shí)輸出以及在更改其參數(shù)后的輸出波型，確?？梢钥刂菩酒乃p倍數(shù)。(3)硬件軟件聯(lián)調(diào)首先將放大部分進(jìn)行級(jí)聯(lián)，在放大部分連接完畢后將各部分的電源線與電源模塊相連，連接完成后仔細(xì)檢查時(shí)候有用線，漏接，短接的現(xiàn)象，確認(rèn)無(wú)誤后鏈接單片機(jī)控制模塊，在鏈接后對(duì)電源模

12、塊供電，提供信號(hào)后在示波器上讀取輸出值，進(jìn)行系統(tǒng)的微調(diào)與數(shù)據(jù)記錄。2、測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，射頻信號(hào)發(fā)生器，頻譜儀。3、測(cè)試結(jié)果及分析(1)測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))1 .放大器可達(dá)到的最大增益值為+55dB2 .放大器在輸入信號(hào)為5mVrms時(shí)，輸出電壓最高可達(dá)7伏(已產(chǎn)生失真)3 .放大器在輸入信號(hào)頻率為40MHz-200MHz,放大33倍時(shí)，其在40-200MHz中的波動(dòng)不會(huì)超過、4 .此放大器在40MHz時(shí)其放大倍數(shù)與處于正常工作頻率區(qū)間時(shí)的最高值僅相差(2)測(cè)

13、試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，此電路的響應(yīng)較快，性能十分穩(wěn)定，由此可以得出以下結(jié)論：1、此放大器增益完全可以達(dá)到52dB且可以調(diào)整為0-52dB之間的任意值，且波形無(wú)明顯失真2、此放大器在50-160Mhz之間不會(huì)產(chǎn)生大于2dB波動(dòng)3、此放大器的-3dB通頻帶完全大于40MHz-200MHz綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)的基本要求與發(fā)揮要求。五、結(jié)論與心得本次活動(dòng)是一次科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，鍛煉、檢測(cè)、培養(yǎng)電子類大學(xué)生綜合能力素質(zhì)的比賽。從接到賽題、分析要求、選擇方案、理論計(jì)算、實(shí)際搭建、調(diào)試修改、形成成果，我們?cè)趨⑴c比賽的過程中，收貨了許多。理論結(jié)合實(shí)際，計(jì)算的理論值會(huì)因?yàn)閷?shí)際操作產(chǎn)生各種誤差。如同本