電賽題目可控放大器設(shè)計

1、2007 年 I 題 可控放大器本著簡單、準確、可靠、穩(wěn)定、通用的原則，采用了分級設(shè)計匹配互連的思想。系統(tǒng)的特色在于：通過模擬開關(guān)，改變反饋電阻阻值，從而改變放大器增益，增益從 10dB 到 60dB 可調(diào)步距為 10dB?？煽胤糯笃鳌菊勘局唵?、準確、可靠、穩(wěn)定、通用的原則，采用了分級設(shè)計匹配互連的思想。系統(tǒng)的特色在于：通過模擬開關(guān)，改變反饋電阻阻值，從而改變放大器增益，增益從 10dB 到 60dB 可調(diào)步距為 10dB。用單片機 AT89s52 對可編程濾波器MAX262 進行程序控制，可以同時對輸入信號進行二階低通、高通、帶通、帶阻以及全通濾波處理，濾波器的中心頻率在 15kHz5

2、0kHz 頻率范圍內(nèi)實現(xiàn) 64 級調(diào)節(jié)，其 Q 值在 0.564 范圍實現(xiàn) 128 級調(diào)節(jié)。一、設(shè)計與論證根據(jù)題目要求分以下幾部分進行方案設(shè)計與論證：1、 測量放大部分（1）前置放大電路的設(shè)計方案一：用 LM324 放大器，其電源電流很小且與電源電壓無關(guān)，輸入偏流電阻是溫度補償?shù)模膊恍柰饨宇l率補償，可做到輸出電平與數(shù)字電路兼容，但其帶寬參數(shù)本設(shè)計要求故不采用。方案二： 采用運算放大器 F353,該具有輸入電阻高，輸出電阻很低，負載能力強,增益帶寬為 4M。為了達到 60DB 增益采用兩級放大，第一級放大倍數(shù)為 2，總的放大倍數(shù)為第一級放大倍數(shù)與第二級放大倍數(shù)的乘積。圖 1（2）增益放大部分由

3、一增益可編程的放大器，將不同幅度的模擬輸入信號放大到某個特定范圍，便于 A/D 轉(zhuǎn)換器進行采樣；或者將給定信號放大一個由輸出。設(shè)定的增益后方案一：集成增益放大器。它們具有低漂移、低非線性、抑制比不采和寬頻帶等優(yōu)點，但其增益有限，只能實現(xiàn)特定的幾種增益切換。所以用此方案。方案二：運放+模擬開關(guān)+電阻網(wǎng)絡。如圖 1 這種方法利用模擬開關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法通用性強，經(jīng)濟實惠，效果顯著。所以 用此方案。2、 濾波部分在業(yè)自動化的許多領(lǐng)域都要使用濾波器。一般有源濾波器均由運算放大器和RC 元件組成 。方案一：使用 RC 網(wǎng)絡， RC 電路盡管可以做到體積小和廉價，但要

4、滿足此設(shè)計要求，需多個圖 2 結(jié)構(gòu)并聯(lián)，網(wǎng)絡仍然過于龐大。而且其上半周內(nèi)電容 C 中積蓄得能量到下半周就會被電阻R 消耗一半，因此單純的 RC 電路 Q 值不會大于 0.5，選擇性差，效果同樣不佳。所以不采用。圖 2方案二：使用 MAX261 可編程開關(guān)電容通用濾波器,它是公司開發(fā)各種低通、帶通、的一種通用有源濾波器，可用微處理器編制，方便的高通、陷波和全通配置，而且不需要外部元件，可靠性高，對使用環(huán)境的要求不高。如圖 3 通過單片機（89s52）對該的 6 個輸入端進行有效設(shè)置可實現(xiàn) 64個不同的中心頻率f0，而且Q 值可達 128 完全滿足本題目所以采用方案二。圖 3二、系統(tǒng)整體設(shè)計方案系

5、統(tǒng)原理框圖，見圖 4。采用模擬開關(guān) CD4051 控制反饋電阻調(diào)節(jié)電壓增益，優(yōu)點是電路簡單、通用性強。AT89S52 直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示，濾波部分輸入采用 4013 分頻并用模擬開關(guān)控制。MAX261一、主要參數(shù)計算1、 前端放大電路及放大部分放大電路采用反相放大放大倍數(shù)計算公式為 Avf=-Rw/RfAv=20lgAvf當增益 Av=10dBAvf=3.16=Rw/470。由此可計算出 Rw=1485.2 歐姆進而可計算出增益分別為 20、30、40、50、60 時Rw 的值。調(diào)節(jié) Rw 的值即可獲得所需的增益。2、 通頻帶計算系統(tǒng)選用模式一實現(xiàn)低通、帶通，模式三實現(xiàn)高通。同時 89C51

6、的 ALE 信號送到 MAX261 的 CLKA 和 CLKB 引腳作為時鐘信號及晶振頻率 1/6 及 2MHz 作為 MAX261 的外部時鐘時鐘頻率，MAX261 處理的輸入信號范圍為 15kHz50kHz，通過改變編程數(shù)據(jù) F0F5 實現(xiàn) 64 級中心頻率調(diào)節(jié)。根據(jù)廠家的資料fclk/f0=40.84+1.57N1 及 Q=64/128-N2)并由查表得出下表數(shù)據(jù)：f0fclkMODES1,3F5F0N1Q6Q0N21kHz125kHz125.66010000.63、措施：寬帶放大器的總增益為 060dB，因此自激和減少噪聲。設(shè)計中采用了如下方法：措施必須要做的好,才能避免在電源端并接

7、0.1uf 的電容避免電源的高頻干擾，并接 20uf 的電容避免低頻干擾。所有信號耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容，以避免高頻增益下降。構(gòu)建閉路環(huán)，整個運放用較粗的地線包圍，可吸收高頻信號，以減少噪聲。4、流程如下：總程序框圖，見圖 52kHz250kHz125.66010000.63kHz0.5MHz166.5010101042010101042.14kHz0.5MHz125.66010000.65kHz0.5MHz100.560000000000000006kHz1MHz166.501010104201010104237kHz1MHz142.94011011270011111278kHz

8、1MHz125.66010000.69kHz1MHz109.96000111700001116.810kHz1MHz100.5300000000000000011kHz2MHz182.2111010052011010051.812kHz2MHz166.5010101042010101042.213kHz2MHz153.931000103401000103414kHz2MHz142.940110112700110112715kHz2MHz133.520101012100101012116kHz2MHz125.66010000.617kHz2MHz117.810010111100010111118

9、kHz2MHz111.53000111700001116.819kHz2MHz105.2400001130000011320kHz2MHz100.53000000000000000二、參數(shù)測試分析1、 放大器測試：3、濾波器測試：三結(jié)論基本要求發(fā)揮要求實際性能（1）放大器輸入正弦信號電壓振幅為 10mV，電壓增（1）放大器電壓增益為60dB，輸入正弦信號電電壓增益為 60dB，輸入正弦信號電壓振幅為 10mV，增益 10dB 步進可Vi10101010101010101010fVo增益(dB)Vi（mv）Vout101031201010030103004010900501030006010益為

10、 40dB，通頻帶為 100Hz40kHz，放大器輸出電壓無明顯失真。壓振幅為 10mV，增益 10dB 步進可調(diào)，通頻帶為 100Hz100kHz。調(diào)，通頻帶為 100Hz 100kHz。（2）濾波器可設(shè)置為低通濾波器，其-3dB 截止頻率 fc 在 1kHz20kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進為 1kHz，2fc 處放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB,RL=1kW。（2）制作一個帶通濾波器，中心頻率 50kHz，通頻帶 10kHz，在 40kHz和 60kHz 頻率處，要求放大器與帶通濾波器的總電壓增益不大于45dB。低通濾波器，其-3dB截止頻率 fc 在 1kHz 20kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進為 1kHz，2fc處放大器與濾波器的總電壓增益不大于 30dB,RL=1kW。（3）濾波器可設(shè)置為高通濾波器，其-3dB 截止頻率 fc 在 1kHz20kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進為 1kHz，0.5fc 處放大器與濾波器的總電壓增益不大于 30dB,RL=1kW。（3）上述帶通濾波器中心頻率可設(shè)置，設(shè)置范圍 40kHz60kHz，步進為 2kHz。高通濾波器，其-3dB截止頻率 fc 在 1kHz 20kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進為 1kHz，0.5