寬帶前置放大電路報告

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上寬帶前置放大電路寬帶前置放大電路【摘要】：本系統(tǒng)設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、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

2、有源放大電路采用正負5V供電，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，考慮直接選取可調增益的運放實現(xiàn)，如AD603。其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡和固定增益放大器構成，加在梯形網(wǎng)絡輸入端的信號經(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、結構簡單。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

3、倍數(shù)的要求，特別是工作頻帶高的要求，采用寬帶運放，如TI的OPA690、OPA684構成后級有源放大環(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)絡采用電阻分壓構成，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)硬件設計1、 單片機及顯示裝置小信號經(jīng)過OPA842構成的21倍有源放大電路放大，而大信號則經(jīng)過無源衰減網(wǎng)絡衰減

4、。之后，信號通過過零比較器變成可捕脈沖，低頻脈沖經(jīng)過無源衰減網(wǎng)絡直接由單片機測得頻率，高頻脈沖經(jīng)過74LS163和74LS00構成的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

5、。經(jīng)過21倍有源放大電路或者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

6、TI公司的MSP430F149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

7、upflag = 0;unsigned 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的設置,用于產(chǎn)生定時中斷，中斷時間為

8、50000us P1DIR |= 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的設置,用于捕獲外部信號的邊沿觸發(fā)，可以設置為上升沿觸發(fā)，或者下降沿觸發(fā) P1DIR&=BIT2; P1SEL = BIT2; /=設置P1.2端口為功能模塊使用,即：做捕獲源= TACTL = TASSEL_2+TACLR+TAIE+MC1

9、;/=定時器A時鐘信號選擇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(0

10、x30+fy2); delay(); 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XT

11、2是否起振= BCSCTL2 =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

12、_VECTOR /=定時器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/; fy5=(fre

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

14、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，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表現(xiàn)不是很明顯，而在高頻情況下，等效值會增大，不能忽略，小電阻在高頻時的寄生電容比大電阻小，本設計采用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

15、時，會與200的電阻衰減網(wǎng)絡相并聯(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2、有源放大部分設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，

16、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換速率的要求。采用兩片TI公司的OPA690級聯(lián)放大，輸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5

17、0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、 電路調試與測試1、 電路調試電路調試采用逐級調試的方法。由于本題屬于高頻電路，易產(chǎn)生寄生電容和噪聲等干擾，故調試過程相對復雜。（1）對無源衰減網(wǎng)絡進行調試，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比較明顯導致衰減比例嚴重偏離設定值，改用百歐級電阻即為180和20后誤差較小，小電阻在高頻時雖然也有容性和感性效應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

18、行調試。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倍放大調試基本完成，輸出符合要求。經(jīng)過測量調整再測量再調整的反復過程，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

19、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，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）1100K500K1M5M10M15M20M