全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽d題射頻寬帶放大器

1、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽d題射頻寬帶放大器2013年全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽射頻寬帶放大器（D題）射頻寬帶放大器設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本系統(tǒng)采用可控增益寬帶放大器 VCA820和固定增益寬帶放大器 THS3202,進(jìn)行合理的的級(jí)聯(lián)和阻抗匹配，在加入后級(jí)功率輸出，全面提 高了增益帶寬積。應(yīng)用單片機(jī) STC89C52對(duì)增益進(jìn)行預(yù)置和控制，可實(shí)現(xiàn) 0到60dB可調(diào)。而且綜合應(yīng)用了電容去耦、濾波、使用屏蔽線傳輸信號(hào)以 及使用屏蔽罩等抗干擾措施以減少放大器的噪聲并抑制高頻自激。經(jīng)測(cè) 試，本方案完成了全部基本功能和部分?jǐn)U展功。Abstract: The system uses controllable gain broad

2、band amplifiers VCA820 and fixed-gain broadband amplifiers THS3202, a reasonable cascade and impedance matching, power output level after joining, and comprehensively improve the gain-bandwidth product. Applications SCM STC89C52 preset and control the gain can be achieved from 0 to 60dB adjustable.

3、And comprehensive application of the capacitive decoupling, filtering, use a shielded cable transmission signal and the use of shields and other measures to reduce interference and to suppress high frequency noise amplifier self-excitation. After testing, the program completed all the basic function

4、s and some extended functionality.方案設(shè)計(jì)與論證經(jīng)過(guò)仔細(xì)地分析和論證，我們認(rèn)為此次射頻寬帶放大器可分為可控增益放大器， 固定增益放大器，LC濾波，功率放大等模塊。可控增益放大器方案方案一：采用場(chǎng)效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻區(qū)（或 三極管等效為壓控電阻）實(shí)現(xiàn)增益控制，本方案由于采用大量分立元件，頻帶寬，電 路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性差。方案二：為了易于實(shí)現(xiàn)最大60dB增益的調(diào)節(jié)，可以采用高速乘法器型 D/A實(shí) 現(xiàn)，比如AD7420。利用D/A轉(zhuǎn)換器的VRef作信號(hào)的輸入端，D/A的輸出端做輸出。 用D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端控制傳輸衰減實(shí)現(xiàn)增

5、益控制。此方案簡(jiǎn)單易行，精確度 高，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)知：轉(zhuǎn)化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz,而且當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)容易發(fā)生自激。方案三：根據(jù)題目對(duì)放大電路增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)（如運(yùn)放VCA820）。其特點(diǎn)是以dB為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)增益乜0dB,可以用單 片機(jī)方便地預(yù)置增益。方案三電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。所以本系統(tǒng)采用方案三。固定放大器方案方案一：用分立元件，此方案元器件成本低，易于購(gòu)置。但是設(shè)計(jì)、調(diào)試難度太大，周期很長(zhǎng)，尤其是短時(shí)間內(nèi)手工制作難以保證可靠性及指標(biāo)，故不采用此方案。方案二：使用高帶寬電流型運(yùn)放 OPA685, G=10時(shí)

6、，帶寬達(dá)到200MHz,并能實(shí) 際測(cè)試發(fā)現(xiàn)輸出噪聲較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。故不采用。方案三：使用低噪聲集成運(yùn)放 THS32020,增益帶寬積達(dá)2000MHz,實(shí)際測(cè)試, 指標(biāo)基本能滿(mǎn)足題目擴(kuò)展部分的性能要求。經(jīng)比較，采用方案三。高頻帶通濾波器方案方案一：采用有源帶通濾波器，調(diào)試?yán)щy，在指定帶帶寬內(nèi)起伏較大，難以達(dá)到 指標(biāo)要求。方案二：采用無(wú)源RC濾波器，電路簡(jiǎn)單，衰減太大。方案三：采用無(wú)源濾波無(wú)源LC的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高，缺點(diǎn)是在同頻 帶內(nèi)會(huì)對(duì)信號(hào)有衰減。經(jīng)比較采用方案三。為了使通帶盡量平坦濾波器的設(shè)計(jì)，我們選用了比較熟悉的巴特沃茲濾波器。同 時(shí)在濾波器后加入固定增

7、益放大器，彌補(bǔ)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)的幅度衰減。穩(wěn)壓電源方案方案一：線性穩(wěn)壓電源。其中包括并聯(lián)型和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型電路復(fù)雜，效 率低，僅用于對(duì)調(diào)整速率和精度要求較高的場(chǎng)合；串聯(lián)型電路比較簡(jiǎn)單，效率較高， 尤其是若采用集成穩(wěn)壓三端穩(wěn)壓管，更是可靠。方案二：采用蓄電池供電，對(duì)于寬帶放大，低噪聲放大器而言，這是一個(gè)極好的 方案，但蓄電池體積大，攜帶不方便。方案三：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率通常為 幾十至幾百KHz,基波和很多諧波均在此放大器通頻帶內(nèi)，極易帶來(lái)用擾。綜上所訴，選擇方案一中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。.理論分析與計(jì)算帶寬增益積帶寬增益積（GBP）是這是用來(lái)簡(jiǎn)單衡量放大

8、器的性能的一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示增 益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個(gè)乘積是一定的。題目中要求放大器最大電壓增益 AV60dB,即Gain1000V/Vo放大器的通頻帶010MHz，所以本放大器的帶寬增益積為：GWB = 1000 * 10M = 10G單個(gè)放大器是很難達(dá)到10G的GWB ,所以我們考慮多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。經(jīng)過(guò)查閱手冊(cè)，THS3202的GWB為2G,級(jí)聯(lián)上后級(jí)的VCA820足以達(dá)到題目 要求。通頻帶內(nèi)增益起伏控制題目中要求通頻帶內(nèi)增益起伏0 1dB,本設(shè)計(jì)采用的是巴特沃斯濾波器，巴特沃斯 濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，雖然在阻頻帶內(nèi)緩慢下降為零，但

9、可以通過(guò)增加濾波器階數(shù)來(lái)加快阻帶內(nèi)的衰減，符合題目要求。經(jīng)過(guò)濾波器設(shè)計(jì)軟件FilterSolutions和仿真軟件Multisim仿真，發(fā)現(xiàn)5階的時(shí)候即 可達(dá)到題目要求（仿真效果見(jiàn)附錄圖 1）圖1放大器穩(wěn)定性(1)放大器板上所有運(yùn)放電源線及數(shù)字信號(hào)線均加磁珠和電容濾波。磁珠可濾除電流上的高頻毛刺，電容濾除較低頻率的干擾，它們配合在一起可較好地濾除電路上的串?dāng)_。安裝時(shí)盡量靠近IC電源和地。(2)所有信號(hào)耦合用點(diǎn)解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。(3)在兩個(gè)焊接板之間傳遞模擬信號(hào)時(shí)用同軸電纜，信號(hào)輸入輸出使用SMA-BNC接頭以使傳輸阻抗匹配，并可減少空間電磁波對(duì)本電路的干擾，同時(shí)避免

10、放大器 自激。(4)數(shù)字電路部分和模擬電路部分的電源嚴(yán)格分開(kāi),同時(shí)數(shù)字地和模擬地電源地一點(diǎn)相連。.電路與程序設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由由前級(jí)放大模塊、增益控制模塊、帶寬控制器、單片機(jī)模塊、鍵盤(pán) 及顯示模塊和電源模塊組成。如圖 1所示。圖1系統(tǒng)框圖刖級(jí)放大電路前級(jí)（見(jiàn)圖2）放大電路采用可變?cè)鲆娣糯竽K。設(shè)計(jì) VCA820可變?cè)鲆?35dB45dB.IN-INsRso增益調(diào)控放大電路可控增益調(diào)節(jié)部分我們使用壓控增益放大器 VCA820 , VCA820在寬頻帶工作模式下，增益控制范圍為-35dB45dB,且控制電壓與增益dB數(shù)成線性關(guān)系，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如圖3所示帶寬控制器帶寬控制主要由3

11、00K高通濾波器、100M低通濾波器和放大電路組成。為獲得放大器通頻帶內(nèi)最平坦的幅頻特性曲線，使用濾波器設(shè)計(jì)軟件Multism設(shè)計(jì)并制作了 5階巴特沃茲300K高通濾波器及5階巴特沃茲100M無(wú)源LC低通濾波器。測(cè)試表明信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后會(huì)衰減為原來(lái)的1/2,所以在濾波之后加入THS3202搭建4被增益放大器（如圖4）。各級(jí)電源設(shè)計(jì)采用自制正負(fù)5V電源為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行正常供電，電源均由線性穩(wěn)壓塊7805、7905搭建。電源模塊原理圖見(jiàn)附圖5.圖5主控制器電路選用STC89C52單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。單片機(jī)主要是通過(guò)檢測(cè)4*4矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)DAC0832的控制電壓輸出，從而控制可控增益放大器VCA8

12、20,達(dá)到增益預(yù)置的效果。另外，單片機(jī)外接1602液晶顯示屏顯示預(yù)置放大倍數(shù)和增益。-h頸制確定LCD1 , me皿m刈 T- U2mFUXTH7R1WTP 口口皿 rg.l3 FO.TiW3.至史113cTres AU 百.工行F2.I#B n(i PZ3A11 FXHMZ P2SAG FZfi*H PV?g*P3DT H PJ/KM P32nnn rawn pi.km ai rsjoiKH M.TW;口1517AFlfcfri vTBg12 it 1TrVIBH-EHOCTUCUULQIL90MM en. Bsrjugw3H4星有摩陽(yáng)抗干擾處理由于高頻小信號(hào)放大很容易引入噪聲，我們?cè)趯?shí)際制

13、作中采用以下方法減少干擾，避免自激：(1)將輸入信號(hào)和增益控制部分加入屏蔽盒中，以避免級(jí)間干擾和高頻自激，減 少外面引入的噪聲干擾。(2)講整個(gè)運(yùn)放系統(tǒng)用很長(zhǎng)的地線包圍，大面積接地，以吸收高頻信號(hào)，減少噪 聲。(3)信號(hào)輸入端采用同軸電纜連接。(4)在各運(yùn)放的電源引腳靠近芯片處接一個(gè) 4.7u和0.1u的濾除電源噪聲的緩沖電容，增加電路的穩(wěn)定性。程序設(shè)計(jì)主程序流程()系統(tǒng)初始化 T- 休庭.等待 r 中斷圖6主程序流程中斷程序流程圖7主程序流程3.3.3源程序源程序見(jiàn)附錄24.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試儀器100MHz雙通道數(shù)字示波器(2)標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)發(fā)生器(1MHz100MHz,可輸出1mV小信

14、號(hào))(3)高頻毫伏表測(cè)試方法（1）放大器預(yù)置帶寬100M。（2）輸入0500M信號(hào)，輸入有效值為1mV的電壓信號(hào)，測(cè)試通頻帶內(nèi)是否平坦。（3）改變輸入電壓有效值，分別記錄在步進(jìn) 5dB的時(shí)候的輸出電壓有效值范圍。相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)放大器的基本性能測(cè)試測(cè)試方法：用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率1MHZ,有效值分別為測(cè)試結(jié)果分析：4.2增益測(cè)試:輸入/頻率（有 效值）輸出值（實(shí)際）輸出值（設(shè)定 值）輸入/頻率（有 效值）輸出值 （實(shí)際）輸出值（設(shè)定 值）1mv/300KHz1.01V1V1mv/20MHZ1.01V1V1.5mv/300KHz1.56V1.5V1.5mv/30MHZ1.36V1.5V1mv/500K

15、1.07V1V1mv/50MK0.97 V1V1mv/500K1.12V1V1mv/70M0.95 V1V1mv/1M1.14V1V1mv/90M0.92 V1V1mv/5M1.2V1V1mv/100M0.91V1V4.3帶寬測(cè)試（設(shè)定增益為0dB）:輸入/頻率（有 效值）輸出值（實(shí) 際）輸出值頻率 （設(shè)定值）輸入/頻率 （后效值）輸出值（實(shí) 際）輸出值（設(shè) 定值）100mv/300KHZ100mv/300KHZ109mv/300KHZ180mv/20MHZ188mv/20MHZ180mv/20MHZ150mv/300KHZ150mv/300KHZ158mv/300KHZ150mv/30MHZ

16、158mv/30MHZ150mv/30MHZ100mv/500K100mv/500K107mv/500K100mv/50M K109mv/50M K100mv/50M K100mv/500K100mv/500K109mv/500K100mv/70M109mv/70M100mv/70M100mv/1M100mv/1M110mv/1M100mv/90M106mv/90M100mv/90M100mv/5M100mv/5M109mv/5M100mv/100107mv/100100mv/100MMM帶負(fù)載能力測(cè)試：通過(guò)在輸出級(jí)加50歐姆的負(fù)載測(cè)試，輸出為 Uo大于等于1V,且沒(méi)有明顯的失真。達(dá)到要求！輸

17、出噪聲比測(cè)試把增益調(diào)成60dB輸入短路，輸出為78mv(峰峰值)，達(dá)到要求。5.總結(jié)本作品達(dá)到的指標(biāo)如下：(1)最大電壓增益 Av=62dB,輸入電壓有效值 Vi1V,輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。(4)電壓增益Av可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為060dB,步距為5dB并且可以手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié))；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示(50MHz、100MHz兩點(diǎn))。在 通頻帶內(nèi)增益起伏0 1dB0(5)通過(guò)制作開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高電源效率。(6)本設(shè)計(jì)多使用集成芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了題目要求。存在問(wèn)題及改進(jìn)措施(1)在每個(gè)模塊都能正常工作的情況下，整機(jī)連調(diào)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)“共地”問(wèn)題， 導(dǎo) 致整機(jī)會(huì)有一個(gè)50Hz的工頻干擾。改進(jìn)

18、措施是系統(tǒng)地線不能出現(xiàn)環(huán)路，所有地線最 好一點(diǎn)接地，包括單片機(jī)的數(shù)字地和模擬地。（2）在方案實(shí)施過(guò)程中，由于時(shí)間比較緊，來(lái)不及制版，而實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)受限， 導(dǎo)致頻率過(guò)高的時(shí)候會(huì)引入干擾。如果能在精確調(diào)整之后，將整體電路利用PCB開(kāi)出電路板，減少連線引起的干擾，一定可以提高精度和性能。參考文獻(xiàn)：1、童詩(shī)白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社2001年2、丁元杰單片微機(jī)原理及應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社2005年7月3、張偉 王力protel2004入門(mén)與提高 人民郵電出版社2005年11月4、閻石數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社1998年12月5、李伯成微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社2005年1月6、

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20、ne uchar unsigned char/#define uint unsigned int/*主程序*/unsigned char code Line1=- v ;uchar display_buffer=000;void main()unsigned char s,i,j,num;unsigned char temp16;/最大輸入 16 個(gè)unsigned int h;float w=0;unsigned int a,q;/unsigned long a;P1=0 x00;LCD_Init(); 初始化液晶屏DelayMs(10);/延時(shí)用于穩(wěn)定，可以去掉LCD_Clear();/清屏LCD_Write_String(0,0,LOVE/LOVE/LOVE); / 寫(xiě)入第一行信息,主循環(huán)中不再更改此信息，所以在while之前寫(xiě)入LCD_Write_String(0,1,$-o-$);for(s=0;s5;s+) /施時(shí)5sDelayMs(140);LCD_Clear();while (1)/主循環(huán)/LCD_Write_String(0,0,Magnification);/* 顯示測(cè)試 *Set_LCD_