寬帶放大器的設(shè)計與研究12解讀

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書題目：寬帶放大器的設(shè)計與研究系名專業(yè)年級姓名指導教師年月日摘要近年來隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及，寬帶放大器成為音響、有線電視、 無線通信等系統(tǒng)中必不可少的部分。 本系統(tǒng)以可控增益放大器 AD603為核心，外 加 STC89C58RD單片機的配合，實現(xiàn)了增益可調(diào)的寬帶放大器。系統(tǒng)主要由六個 模塊構(gòu)成：前級放大電路、可控增益放大電路、無源濾波電路、后級功率放大電 路、單片機顯示控制模塊、 穩(wěn)壓電源模塊。 可控增益放大電路由兩片 AD603串聯(lián) 構(gòu)成，可實現(xiàn) 40dB 的增益調(diào)節(jié)范圍；后級功率放大器采用高速寬帶運算放大器 AD811，提升了系統(tǒng)的帶負載能力。為解決寬帶放大器自

2、激及減小輸出噪聲，本 系統(tǒng)采用多種形式的抗干擾措施，抑制噪聲，改善放大器的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞： 寬帶放大器；可控增益；功率放大；無源濾波ABSTRACTIn recent years, along with the rapid popularization of computer and the Interne，t a wide-band amplifier as an essential part of audio, cable TV, wireless communication system .Adopting the controllable gain amplifier AD603 as

3、 the core and combining with STC89C58RD MCU,this system can achieve a wide-band amplifier with adjustable gain.This system is constitude by six blocks: pre-ampilfier circuit, controllabl-gain ampifier circuit, passive filter circuits,the power amplifier circuit,MCU display control module, stabilized

4、 voltage supply module.Constitude by two AD603 in series,the controllable-gain amplifier circuit can achieve 40dB of gain adjustment range. The power amplifier use high-speed broadband operational amplifier AD811,enhancing load capacity of the system.In order to solve the self-oscillattion problem a

5、nd reduce the output noise,the system use various forms of anti-jamming measures to reduce noise and improve amplifier stability.Key words: wide-band amplifier; controllable gain; power amplifier; passive filter目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第一章 緒論 1. HYPERLINK l bookmark1

6、0 o Current Document 寬帶放大器簡介 1. HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 課題意義 2. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 課題設(shè)計要求 3.第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案論證和比較 4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 系統(tǒng)總體設(shè)計及原理方框圖 4. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 方案論證和比較 4. HYPERLINK l bookmark34 o Current Docum

7、ent 第三章 硬件電路設(shè)計 8. HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 單片機顯示控制模塊 8. HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 系統(tǒng)核心部分模塊 1.3 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 有效值檢測模塊 1.8.直流穩(wěn)壓電源模塊 1.9 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 第四章 軟件設(shè)計 2. 1 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 軟件開發(fā)環(huán)境

8、2.1. HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 軟件設(shè)計流程 2.1. HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 第五章 抗干擾措施 2. 2 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 硬件抗干擾技術(shù) 2.2. HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 軟件抗干擾技術(shù) 2.3.第六章 實驗結(jié)果及總結(jié) 2. 5 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 測試儀器 2.5. HYPERL

9、INK l bookmark80 o Current Document 測試方法與數(shù)據(jù) 2.5. HYPERLINK l bookmark92 o Current Document 總結(jié) 2.6. HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 參考文獻 2.7.附錄 2.6.外文資料中文譯文 致謝第一章 緒論寬帶放大器簡介寬帶放大器的發(fā)展歷史自 1877年愛迪生發(fā)明留聲機至今已有 127年了，前70 年音響發(fā)展緩慢且大 多停留在象牙塔中， 后 50余年進入民間， 發(fā)展日新月異。 自從 1927 年貝爾實驗 室發(fā)表了劃時代的負反饋技術(shù)后， 聲頻功率放大器開始

10、進入一個嶄新時代。 1947 年，威廉遜( Williamson )在英國無線電世界發(fā)表了劃時代的高保真放大 器設(shè)計一文，介紹了一種電子管功率放大器，成功地應(yīng)用了負反饋技術(shù)，其失 真度僅為 0.5%，音色之靚，堪稱古典功放之皇。自威廉遜的論文發(fā)表后 4年，美國 Audio雜志刊登了把超線性放大器經(jīng) 過適當變形后與威廉遜放大器相結(jié)合的電路。 其超線性設(shè)計， 大大地降低了非線 性失真?？梢哉J為威廉遜放大器和超線性放大器標志著負反饋技術(shù)在音頻領(lǐng)域中 的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟和廣泛，為十年后脫穎而出的晶體管放大器奠定了堅實基 礎(chǔ)。50 年代末，美國在電子器件技術(shù)領(lǐng)域率先跨出一步，推出了時代驕子 集成電路。

11、到了 60年代末 70年代初，集成電路以其質(zhì)優(yōu)價廉、 多功能的特點開 始在音頻功率放大器上廣泛應(yīng)用。 1977 年，日立公司生產(chǎn)出了世界上第一只 VMOS ( Vertical Metal Oxide Semiconductor)功率管。60 年代，晶體管開始問世， 從此揭開了現(xiàn)代放大器的序幕。 19701973 年， 是級間全部直耦 OCL(Output Capacitorless )方式的普及期； 19741976 年是 DC(Digital Circuit )放大器全盛時期。 70 年代末至今，晶體管功率放大器得 到了淋漓盡致的發(fā)揮， 設(shè)計形式已相當多， 這一切都為集成電路功放技術(shù)設(shè)計鋪

12、 平了道路。70年代到現(xiàn)在 , 增加信號幅度或功率的裝置。它是自動化技術(shù)工具中處理 信號的重要元件。 放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現(xiàn)的， 放大所需 功耗由能源提供。 對于線性放大器， 輸出就是輸入信號的復現(xiàn)和增強。 對于非線 性放大器， 輸出則與輸入信號成一定函數(shù)關(guān)系。 放大器按所處理信號物理量分為 機械放大器、機電放大器、電子放大器、液動放大器和氣動放大器等，其中用得 最廣泛的是電子放大器。 隨著射流技術(shù)的推廣， 液動或氣動放大器的應(yīng)用也逐漸 增多。電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、 晶體管放大器、 固體放 大器和磁放大器， 其中又以晶體管放大器應(yīng)用最廣。 在自動化儀表

13、中晶體管放大 器常用于信號的電壓放大和電流放大，主要形式有單端放大和推挽放大。此外， 還常用于阻抗匹配、隔離、電流 -電壓轉(zhuǎn)換、電荷 -電壓轉(zhuǎn)換(如電荷放大器)以 及利用放大器實現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關(guān)系(如運算放大器)從此來看，放大器經(jīng)過了電子管、晶體管、集成電路及 VMOS功率管等幾個時期，它們皆以各自獨特的不可取代的優(yōu)勢各領(lǐng)風騷。 1寬帶放大器的主要特點雖然寬帶放大器的下限頻率低，但由于其上限頻率高，因此三極管必須采 用特征頻率很高的高頻管，分析電路時也必須考慮三極管的高頻特性。不同用途的寬帶放大器，其電路形式有所不同，大體上可分為兩種情況。 放大從低頻到高頻信號的寬帶放大器， 一般

14、采用直接耦合的直流放大器； 放大從 低頻到高頻信號的寬帶放大器多采用阻容耦合放大器。 但不管那一類放大器， 由 于頻帶寬，負載總是非調(diào)諧的。 2寬帶放大器的主要技術(shù)指標1、通頻帶 通頻帶是基本指標，由于用途不同，對其要求也不同。因為下限頻率很低， 而上限頻率很高， 往往就用上限頻率表示頻帶寬度。 如若下限頻率接近零， 就必 須注明它的下限頻率值，以便在設(shè)計電路時，充分考慮下限頻率的順利通過。2、增益 寬帶放大器的增益應(yīng)足夠高。但增益與帶寬的要求往往是相互矛盾，有時 不得不犧牲增益來得到帶寬。 為了全面衡量放大器的質(zhì)量指標， 常需考慮放大器 的帶寬增益積（ GB）。 GB值越大，寬帶放大器的質(zhì)量

15、越高。3、輸入阻抗為了減輕寬帶放大器對前級的影響， 要求放大器的輸入阻抗高。 高質(zhì)量的寬 帶放大器的輸入阻抗一般為兆歐級。4、失真寬帶放大器的失真要小。 失真包括非線性失真、 頻率失真和相位失真。 為減小非線性失真， 寬帶放大器應(yīng)該工作在器件特性曲線的直線段， 而且應(yīng)工作在甲類狀態(tài)。產(chǎn)生頻率失真的原因是由于三極管在高頻時的電容效應(yīng)， 以及外電路中存在的電抗元件。 由此使寬帶放大器對不同頻率的信號增益不同， 從而引起頻率失真。而不產(chǎn)生相位失真的條件則是各頻率分量的時延均相等。 如：在電視接收機中，相位失真會使顯示的圖像色彩失真，出現(xiàn)雙重輪廓、 畫面亮度不均勻等故障。3課題意義寬帶放大器是音響、

16、有線電視、 無線通信等系統(tǒng)中必不可少的部分， 現(xiàn)在對 放大器的發(fā)展做一個簡要介紹。工作頻率上限與下限之比遠大于 1 的放大電路。習慣上也常把相對頻帶寬度 大于 20 30的放大器列入此類。這類電路主要用于對視頻信號、脈沖信號 或射頻信號的放大。 用于電視圖像信號放大的視頻放大器是一種典型的基帶型寬 帶放大器，所放大的信號的頻率范圍可以從幾赫或幾十赫的低頻直到幾兆赫或幾 十兆赫的高頻。這類放大器通常以電阻器為放大器的負載， 以電容器作級間耦合。 為了擴展帶寬，除了使其增益較低以外，通常還需要采用高頻和低頻補償措施， 以使放大器的增益 - 頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展?？梢詺w入寬帶放大器 的還

17、有用于時分多路通信、 示波器、數(shù)字電路等方面的基帶放大器或脈沖放大器 （帶寬從幾赫到幾十或幾百兆赫） ，用于測量儀器的直流放大器 （帶寬從直流到 幾千赫或更高） ，以及音響設(shè)備中的高保真度音頻放大器 （帶寬從幾十赫到幾十 千赫）等。用于射頻信號放大的寬帶放大器（大多屬于帶通型），如雷達或通信 接收機中的中頻放大器， 其中心頻率為幾十兆赫或幾百兆赫， 通帶寬度可達中心 頻率的百分之幾十。 4近年來隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及， 多媒體信息的高速傳輸呈現(xiàn)飛速增 長的趨勢。 寬帶放大器在光纖通信、 電子戰(zhàn)設(shè)備及微波儀表等方面應(yīng)用越來越廣 泛。這些系統(tǒng)一般要求放大器具有增益可調(diào)、 寬頻帶、低噪聲、工作

18、穩(wěn)定等特點。 要同時滿足這些性能指標， 對電路設(shè)計提出了很高的要求， 尤其是高頻 PCB和電 磁兼容的設(shè)計要求。課題設(shè)計要求設(shè)計并制作一個寬帶直流放大器及所用的直流穩(wěn)壓電源，要求如下：1、電壓增益 AV40dB， AV 可在 1040dB（增益值 6 級可調(diào)，步進間隔 5dB， 增益預置值與實測值誤差的絕對值 2dB），需顯示預置增益值。2、最大輸出電壓正弦波有效值 Vo3V，輸出信號波形無明顯失真。3、3dB通頻帶 10KHz6MHz，在 20KHz5MHz通頻帶內(nèi)增益起伏 1dB。4、放大器的輸入電阻 1K ，帶 50 負載電阻。5、設(shè)計并制作滿足放大器要求所用的直流穩(wěn)壓電源。第二章系統(tǒng)設(shè)

19、計方案論證和比較系統(tǒng)總體設(shè)計及原理方框圖整體電路方框圖如圖 2-1 所示。采用新型 STC89C58RD單片機作為控制器， 實現(xiàn)增益控制和人機對話。 放大部分有前級跟隨、 可控增益放大和后級放大三部 分構(gòu)成。前級緩沖可以提高放大器的輸入阻抗， 后級放大實現(xiàn)電壓放大和負載驅(qū) 動。其中加入濾波裝置，設(shè)計 10MHz的 LC 巴特沃斯低通濾波器來提高系統(tǒng)控制 效果。用戶通過矩陣鍵盤預置增益值，單片機通過高精度 DA轉(zhuǎn)換產(chǎn)生控制電壓 實現(xiàn)對放大器增益的精確控制。 AD 轉(zhuǎn)換將輸出電壓的有效值送回給單片機，實 現(xiàn)液晶顯示。圖 2-1 系統(tǒng)原理方框圖方案論證和比較前級放大部分方案一：采用共源共基差分式放大

20、電路， 該電路具有較高的輸入阻抗， 并且 共基電路一方面可以擴展電路高頻響應(yīng)， 同時又將共源電路負載電路隔離， 使負 載電阻產(chǎn)生的熱噪聲經(jīng)過 Cgd 耦合到輸入端，可以達到提高抗噪聲性能。但這種 電路結(jié)構(gòu)其抗噪聲能力關(guān)鍵取決于所用器件， 由于特性一致的晶體管和場效應(yīng)管 不容易購買，若采用一致性稍差的管子，其抗噪聲性能會明顯降低。 5方案二：使用寬帶運算放大器， 采用電壓跟隨器形式可以抑制共模信號降低噪聲，并能提高輸入阻抗。方案比較： 方案二其抗噪性能不一定優(yōu)于方案一， 但電路形式簡單， 易于調(diào) 試，并且期間易于購買，能夠滿足題目的輸入阻抗的要求故選取該方案。可控增益放大部分方案一：采用分立元件

21、。利用高頻三極管構(gòu)成多極放大電路實現(xiàn)滿足增益 40dB 要求，同時用二極管在輸出端檢波產(chǎn)生電壓反饋，實現(xiàn)自動增益控制的目 的。由于采用分立元件，致使電路復雜，不易實現(xiàn)增益的精確控制，電路穩(wěn)定度 差，容易產(chǎn)生自激，頻帶內(nèi)增益的穩(wěn)定也不易實現(xiàn)。方案二：選擇高速、寬帶放大器，組建兩級放大電路，可以用繼電器或模擬 開關(guān)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。 通過單片機控制繼電器的導通與關(guān)斷， 來選擇不同的增益調(diào) 節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益 (dB) 不成線性關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系， 造成增 益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。同時，如果使用模擬開關(guān)，其導通電阻較大，而且各 通道信號會互相干擾，容易影響系統(tǒng)性能。方案三：直接選擇可控增益

22、放大器 AD603實現(xiàn)，其內(nèi)部有梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固 定增益放大器構(gòu)成， 加在其梯形網(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 片機進行運算被控制 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓得到， 從而實現(xiàn)精準的控制。 此外 AD603能提供 30MHz以上的帶寬，兩級級聯(lián)后得到 40dB 以上的增益，這種電路 有優(yōu)點電路集成度高，條理清晰，控制方便，易于數(shù)字化處理。不足之處是兩級 可變增益放大器串聯(lián)會導致零點漂移過大， 有可能造成同頻帶下降， 波形失真等 不良影響。方案四：采用可變增益放大器和固定增益放大器結(jié)合方式， 通過繼電器的通 斷

23、來控制固定增益放大器的使用與否。 當設(shè)定增益較低時， 只使用可變增益放大 器進行調(diào)節(jié)；當設(shè)定增益較高時，可變增益放大器無法單獨完成增益放大要求， 通過繼電器的切換選擇， 固定增益放大器投入使用， 即可完成任務(wù)要求。 解決了 兩級可變增益放大器串聯(lián)導致零點漂移過大， 但需要元器件難以獲得， 并且控制 規(guī)律復雜，不易進行程序設(shè)計。 6方案比較：方案一采用分立元件，弊端極多，不予考慮；方案二存在阻抗匹 配的問題， 而且自行搭建的電阻網(wǎng)絡(luò)， 可能會導致系統(tǒng)干擾變大， 且面臨步進難 以進一步細分的困難，且增益量( dB)不成線性；方案四能夠較好的實現(xiàn)題目， 但需要元器件難以獲得， 并且控制規(guī)律復雜， 不

24、易進行程序設(shè)計。 現(xiàn)階段很難實 現(xiàn)。方案三可以達到步進 0.2dB 的精度， 單片機易于控制， 自動增益控制也可以 通過軟件方法來實現(xiàn)，考慮到可以實現(xiàn)系統(tǒng)要求，通過一些電路設(shè)計改進措施， 可以抑制零點漂移，因此最終選擇了方案三。功率放大部分方案一：采用晶體管單端推挽放大電路。 該電路廣泛應(yīng)用于示波器、 顯像管 中。通過多級深度負反饋和各種回路補償擴展通頻帶。 為獲得較低的通頻帶下限 頻率，可用直接耦合方式， 而直接耦合的多級放大器工作點調(diào)試繁瑣， 需要較豐 富的實踐經(jīng)驗。 并且若要得到較高的輸出電壓， 晶體管放大電路對電源電壓要求 較高。 7 原理圖見圖 2-2。圖 2-2 功率放大部分方案一

25、原理圖方案二：采用高速、寬帶放大器 AD811作為后級放大。 AD811的單位增益帶寬為 140MHZ，擺率為 2500V/uS，輸出電流可達 100mA，完全可以滿足要求。 方案比較：方案二采用集成運放電路簡單， 干擾較少， 很容易實現(xiàn)放大器的 穩(wěn)定性和帶內(nèi)幅度穩(wěn)定的要求； 方案一采用分立元件雖節(jié)省了成本， 但系統(tǒng)干擾 可能會較大，調(diào)試也比較麻煩，綜合考慮選擇方案二。有效值檢測部分方案一：利用高速 ADC對電路進行一周期數(shù)據(jù)采樣， 將一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入 單片機并計算其均方根值，即可得出電壓有效值（式21）。此方案具有抗干擾能力強、設(shè)計靈活等優(yōu)點，但是調(diào)試困難，需要高速 AD進行采樣和高速處理

26、 器進行數(shù)據(jù)處理，不易實現(xiàn)。 821）方案二：對信號進行精密整流并積分，得到正弦電壓的平均值，再進行 ADC 采樣，利用平均值和有效值之間的簡單換算關(guān)系， 計算出有效值并顯示。 只用了 簡單的整流濾波電路和單片機就可以完成交流信號的有效值的測量。 但此方法對 非正弦波的測量會引起較大的誤差方案三：采用集成真有效值變換芯片 AD637， AD637是 AD公司 RMS-DC產(chǎn)品 中當前國際上轉(zhuǎn)換精度最高 （ 指加外部精調(diào)電路后 ） 及頻帶最寬的真有效值轉(zhuǎn)換 器，并且 AD637可以對輸出電平信號的以 dB 形式指示，可以測出任意波形交變 信號的有效值。 器外圍器件少、 頻帶寬，輸出有效值用 A/

27、D 采樣來進行單片機處 理。方案比較：從實現(xiàn)難度和操作難易方面綜合考慮， 選擇方案三。 變換芯片選 用 AD637。 AD637是真有效值變換芯片，它可測量的信號有效值可高達 7V，精度 優(yōu)于 0.5 ，且外圍元件少，頻帶寬，對于一個有效值為 1V 的信號，它的 3dB 帶寬為 8MHz,并且可以對輸入信號的電平以 dB 形式指示，該方案硬件、軟件簡 單，精度也很高。第三章 硬件電路設(shè)計單片機顯示控制模塊單片機最小系統(tǒng)1、單片機 STC89C58RD系統(tǒng)核心控制器件采用宏晶科技公司生產(chǎn)的新型單片機STC89C58R，D此款單片機加密性較強。具有超強抗干擾能力：（ 1）高抗靜電（ ESD保護）；

28、（ 2） 輕松過 2KV/4KV快速脈沖干擾（ EFT）測試；（ 3）寬電壓，不怕電源抖動；（ 4） 寬溫度范圍， -40 85。并具有超低功耗和對外部電磁輻射抗干擾性能。 9STC89C58RD含有豐富的硬件資源，提供靈活、高效的多方面控制應(yīng)用。芯 片內(nèi)含 32K flash 存儲器， 1280B RAM存儲器， 16K EEPROM存儲器，因為本系統(tǒng) 代碼量較大，使用此款單片機可以不用再去擴展外部存儲器，簡化了硬件設(shè)計。 其與 AT89C51系列可完全兼容，也不需要再去學習新的指令系統(tǒng)，移植性較好。STC89C58R提D供 32個 I/O 通道、三個 16位定時器/計數(shù)器、 6個中斷源以

29、全雙工串行接口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。 STC89C58RD支持兩種軟件可選的接 電工作模?？臻e方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時/ 計數(shù)器，串行通信口 及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式保存 RAM中的內(nèi)容， 但振蕩器停止工作， 并禁止 其他所有器件工作知道下一個硬件復位。較傳統(tǒng) 51 內(nèi)核單片機， STC89C58RD使 用經(jīng)典的 RS232 標準串口就可以實現(xiàn) ISP 程序下載功能。 STC89C58RD單片機在線編程 典型電路如圖 3-1 所示。圖 3-1 STC89C58RD 單片機在線編程典型電路2、時鐘電路單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路， 但要形成時鐘，必須外部附加電路。 STC

30、89C58RD 單片機的時鐘產(chǎn)生方式有兩種： 內(nèi)部震蕩方式和外部時鐘輸入方式。 本系統(tǒng)采用 的是內(nèi)部時鐘方式。STC89C58RD單片機中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引 腳 XTAL1和 XTAL2分別在該放大器的輸入端和輸出端。 外接石英晶體振蕩器及瓷 片電容接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 電容的容量大小有可能影響 振蕩頻率的高低、 振蕩器工作的穩(wěn)定性、 起振的難易以及溫度的穩(wěn)定性。 推薦使 用兩片 30pF 陶瓷電容。本系統(tǒng)采用 11.0592MHz晶振和 30pF電容構(gòu)成時鐘電路。 時鐘電路如圖 3-2 。圖 3-2 時鐘電路3、復位電路 幾乎所有單片機都需要復

31、位電路，復位電路的基本功能是：在單片機上電時 能可靠復位， 對單片機進行初始化操作， 是單片機內(nèi)部各寄存器處于一個確定的 初試狀態(tài)，以便進行下一步操作。圖 3-3 復位電路要實現(xiàn)復位操作，需要在單片機的 RESET引腳上施加 5ms的高電平信號。單 片機的復位電路有兩種形式： 上電復位和按鈕復位。 如圖 3-3 所示， 此電路包含 了以上兩種形式。上電復位是利用電容的充電來實現(xiàn)的，由于電容兩端電壓不能突變，上電瞬 間 RESET端的點位與 Vcc 相同，隨著電容上儲能增加， 電容電壓也增大， 充電電 流減少， RESET端的電位逐漸下降。這樣在 RESET端就會形成一個脈沖電壓，調(diào) 節(jié)電容和電

32、阻的大小來改變脈沖電壓的寬度。通常采用10 F 的電解電容和1k的電阻。按鍵復位電路是通過按下復位按鈕時，電源對 RESET端維持兩個機器周期的 高電平來實現(xiàn)復位的。 圖 3-4 矩陣鍵盤電路圖無論是獨立鍵盤還是矩陣鍵盤， 單片機檢測其是否被按下的依據(jù)都是一樣的，也就是檢測與該鍵對應(yīng)的 I/O 口是否為低電平。獨立鍵盤有一端固定為低電平， 輸入設(shè)備鍵盤鍵盤是計算機不可缺少的輸入設(shè)備， 是實現(xiàn)人際對話的紐帶。 鍵盤可以分為： 獨立鍵盤和矩陣鍵盤兩種。獨立鍵盤與單片機連接時，每一個按鍵都要占用單片機的一個 I/O 口，由于 本系統(tǒng)需要較多按鍵，使用獨立按鍵就需要占用過多的 I/O 口資源。單片機的

33、 I/O 口資源往往比較寶貴，當用到多個按鍵時，往往采用矩陣式鍵盤。本系統(tǒng)采用 44矩陣鍵盤。矩陣鍵盤電路如圖 3-4，將 16個按鍵排成 4行、 4 列，第一行將每個按鍵的一端連接在一起構(gòu)成行線，第一列將每個按鍵的另一 端接到一起構(gòu)成列線，這樣就一共有 8根線，我們將這 8 根線連接到單片機的 8 個 I/O 口上，通過程序掃描鍵盤可檢測 16 個鍵。 10單片機寫程序時檢測比較方便。 而矩陣鍵盤兩端都與單片機 I/O 口相連，因此檢 測時需要人為通過單片機 I/O 口送出低電平。 檢測時， 先送一列為低電平， 其余 幾列全為高電平， 然后立即輪流檢測一次各行是否有低電平， 若檢測到某一行為

34、 低電平，則我們可以確認當前被按下的鍵值， 用同樣的方法輪流送各列一次低電 平，在輪流檢測一次各行是否變?yōu)榈碗娖剑?這樣即可檢測完所有的按鍵， 當有鍵 被按下時便可判斷出按下的鍵值。這就是矩陣鍵盤檢測的原理和方法。輸出設(shè)備 1602 液晶顯示一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示是人機通道的重要組成部分。顯示器是計算機 用來顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果的必要設(shè)備。目前廣泛使用的顯示器件主要有LED數(shù)碼管、LCD液晶。LED數(shù)碼管其特點是工作電壓低，清晰悅目，體積小，壽命長，工作可靠， 顏色豐富，響應(yīng)速度快等， 但其只能顯示阿拉伯數(shù)字和少量字符， 不能完成本系 統(tǒng)顯示要求。 同時數(shù)碼管需要動態(tài)掃描， 占用大量 CPU資源

35、，實踐中很容易造成 時序混亂。LCD液晶顯示器是利用液態(tài)晶體的光學特性來工作的。它具有工作電壓低、 耗電省，成本低等優(yōu)點。缺點是遠距離顯示不夠清晰，工作溫度范圍較窄。本系 統(tǒng)顯示只需要近距離觀看， 同時工作在室溫， 可以忽略其缺點。 液晶顯示還有一 個突出有點， 占用 I/O 口較少，內(nèi)部含有存儲器， 不需要占用大量 CPU資源去維 持顯示。本系統(tǒng)采用 1602 液晶顯示器，每行顯示 16個字符，可以顯示兩行。能 夠很好完成本系統(tǒng)的顯示任務(wù)。 1602 液晶顯示器為 5V電壓驅(qū)動，帶背光，內(nèi)含 128個字符的 ASCII 字符集庫，只有并行接口，沒有串行接口。其連接電路如圖 3-5 所示。圖

36、3-5 1602 液晶顯示與單片機接口11A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器1、A/D 轉(zhuǎn)換器本系統(tǒng)在進行系統(tǒng)輸出有效值檢測時，需要將模擬量通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量，通過輸入通道傳送給單片機。為了提高測量精度，本系統(tǒng)采用 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX19，7 單 5V電源供電， 8 通道模擬量輸入。 MAX197內(nèi)部有一控制器，通過輸入控制字可以決定工作模式： 時鐘工作模式、輸入電壓極性和量程選擇、模擬量輸入通道選擇。如圖 3-6 為 MAX197的典型接法。由于 MAX197是12位 A/D轉(zhuǎn)換器，本來需要 12根數(shù)據(jù)線。 為了減少 I/O 資源的占用，采用 8 根數(shù)據(jù)線分時復用，先傳

37、送低四位數(shù)據(jù) D3 D0，再傳送高八位數(shù)據(jù) D11D4。這種設(shè)計巧妙的減少了 I/O 資源的使用，程序 設(shè)計上只要按照時序說明，就可順利采集到數(shù)據(jù)。 11圖 3-6 MAX197 典型接法2、D/A 轉(zhuǎn)換器本系統(tǒng)要求進行增益可控，為了實現(xiàn)這一功能，采用可控增益放大器 AD603 來實現(xiàn)增益可控。 通過改變 AD603的 1、2 管腳間的參考電壓進而放大器的增益。 這個參考電壓需要通過單片機控制 D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。為了提高控制精度，本系統(tǒng)采用 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC667來實現(xiàn)增益可控。 DAC667內(nèi)部含有精密電壓基準，微計算機接口邏輯，雙緩沖鎖存和一個帶有電 壓輸出放大器的 D/

38、A 轉(zhuǎn)換器。高速電流開關(guān)和激光微調(diào)薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)保證 D/A 轉(zhuǎn)換器的高精度和高速度。 DAC667采用雙電源 12V 15V供電，低功耗。 12DAC667同樣采用數(shù)據(jù)線復用， 分時傳送的方法。如圖 3-7 所示，采用 4位 I/O 傳送方式， 通過改變控制端 A3A0電平， 進行數(shù)據(jù)的分時傳送， 先傳送低四位， 再 傳 送中 四 位 ， 最后 傳 送 高 四位 ， 大大 減少 了 I/O 資 源的 使 用。圖 3-7 DAC667 典型接法系統(tǒng)核心部分模塊前級放大部分由于 AD603輸入阻抗小，大約只有 100，設(shè)計要求放大器的輸入阻抗 1K ， 故需要加入前級緩沖部分來提高輸入阻抗。 本方

39、案前級采用正向跟隨器； 另外前 級電路對整個電路的噪聲影響非常大， 必須盡量減少噪聲的干擾， 增強系統(tǒng)的穩(wěn) 定性。故采用高速低噪聲寬帶 電流反饋型 放大器 AD818做前級緩沖，其帶寬增益 積為 100MHz，其輸入阻抗為 0.5M 完全符合設(shè)計的要求。如圖 3-8 所示為輸入 緩沖級的電路連接原理圖圖 3-8 輸入緩沖級電路連接原理圖可控增益放大部分增益放大控制部分采用可控增益放大器 AD603實現(xiàn)，其內(nèi)部有梯形電阻網(wǎng)絡(luò) 和固定增益放大器構(gòu)成， 加在其梯形網(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， 即 GPOS與 GNEG兩端 電壓差，而這

40、個參考電壓可通過單片機進行運算被控制 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓 得到。如圖 3-9 所示為 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖 3-9 AD603 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖14固定增益放大器的增益 Gain 通過 VOUT與 FDBK端的連接形式確定， 本設(shè)計采 用寬頻帶模式（90MHz帶寬），即VOUT與FDBK端短路連接，如圖3-10 所示， AD603 的增益被設(shè)置為 -10dB+30dB。圖 3-10 AD603 寬頻帶連接方式AD603的基本增益可以用下式 31 算出：Gain (dB) = 40VG + 1031）其中， VG是差分輸入電壓 , 即 GPOS與GNEG兩端電壓差，單位是 V，范圍為0.5

41、V0.5V。Gain是AD603的基本增益,單位是 dB。變化范圍為 10dB30dB。13為滿足題目要求最大增益 40dB要求,需要進行兩級級聯(lián)，如圖 3-11 所示，圖 3-11 可控增益放大級電路連接原理圖那么級聯(lián)后總增益為：15Gain (dB) = 80VG + 2032）總增益變化范圍是 20dB+60dB，能夠滿足題目增益 10dB+40dB要求。 14從 3-2 式可以看出， 以 dB 作單位的對數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。 由此 可以得出， 只要單片機進行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益， 增益步進可以 很準確的實現(xiàn)。 15低通濾波部分為了滿足題目帶寬要求，同時抑制高頻干擾

42、。在可控增益放大部分之后加入 一個低通濾波器。低通濾波器采用一個無源 LC 濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率 的變化而變化的原理構(gòu)成的。無源 LC 濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要 直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗。為了使通帶內(nèi)的 信盡量平坦，選用通帶比較平坦的巴特沃斯濾波器。 為滿足題目要求， 設(shè)計了一個 5階巴特沃斯 10M無源低通濾波器， 進行濾波。 由于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)繁瑣。需要進行理論推倒和公式化簡，不易實現(xiàn)。本 設(shè)計使用了專業(yè)濾波器設(shè)計軟件 Filter Solutions 進行濾波器設(shè)計。如圖 3-12為 Filter Solutions的

43、控制面板。圖 3-12Filter Solutions控制面板圖以下是 5 階巴特沃斯 10M無源低通濾波器的設(shè)計步驟：、根據(jù)濾波器的設(shè)計要求，在filter type中選擇濾波器的類型為butterworth （巴特沃斯）；、在 filter class中選擇濾波器的種類為 Low Pass（ 低通）；、在 filter Attributes 中設(shè)置濾波器的階數(shù)（ Order ）為 5，通頻帶頻率 （ Passband frequency ）為 10M；、在 Implementation 中選擇有 passive (無源濾波器)；、在 Freq Scale 中選擇 Hertz 和 Log，如

44、果選擇了 Rad/Sec，則要注意 Rad/Sec 6.28 Hertz ；、在 Graph Limits 中設(shè)置好圖像的最大頻率和最小頻率，最大頻率要大于 通頻帶的截止頻率；在 Passive Design/Ideal Filter Response中觀察傳輸函數(shù) (Transfer Function) 、時域響應(yīng) (Time Response) 、零極點圖 (Pole Zero Plots) 、頻域響應(yīng) (Frequency Response) 的圖像；、在 Circuit Parmaters 中設(shè)置源電阻 (Source Res)和負載電阻 (Load Res); 最后點擊 Circui

45、ts 觀察濾波器電路圖；根據(jù)以上步驟完成了一個 5 階巴特沃斯 10M 無源低通濾波器的設(shè)計，如圖 3-12 所示為濾波器電路圖。如圖 3-13 所示為濾波器的頻域響應(yīng)圖像。圖 3-13 濾波器的頻域響應(yīng)17功率放大部分輸出級承擔 50 的負載，基本要求輸出電壓的有效值大于 3V,同時由于低通 濾波電路會造成信號衰減為原來幅值的一半，所以需要加后級功率放大電路。本設(shè)計采用高速單運放 AD811 完成放大。 AD811為電流反饋型寬帶運放，其 帶寬增益積為 140MHz，12V供電，增益為 10 dB的情況下，-3 dB帶寬達 100MHz, 遠遠滿足本系統(tǒng)的寬帶放大要求，有 12V 的輸出擺幅

46、，且輸出電流最大可達 100mA，完全可滿足峰峰值要求。 如圖 3-14 所示為功率放大級的電路連接原理圖。如圖 3-14 功率放大級電路連接原理圖有效值檢測模塊設(shè)計引入電壓有效值檢測芯片AD637檢測電壓。 AD637可測量的信號有效值可高達 7V, AD637 是 AD公司 RMS-DC產(chǎn)品中當前國際上轉(zhuǎn)換精度最高 （ 指加外部 精調(diào)電路后 ） 及頻帶最寬的真有效值轉(zhuǎn)換器，并且 AD637可以對輸出電平信號的 以 dB形式指示， 可以測出任意波形交變信號的有效值。 器外圍器件少， 頻帶寬； 輸出有效值用 A/D 采樣來進行單片機處理，實現(xiàn)液晶顯示。根據(jù)芯片手冊所給出的計算真有經(jīng)驗公式為：V

47、 ms2V i2nV ms33）其中， V in 為輸入電壓， V ms 為輸出電壓有效值。18AD637的典型連接方式如圖 3-15 所示圖 3-15AD637 的典型配置方式及內(nèi)部原理圖直流穩(wěn)壓電源模塊 直流穩(wěn)壓電源模塊在整個系統(tǒng)中有非常重要的作用。 由于系統(tǒng)信號的頻率較 高，電源的穩(wěn)定性決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以要求電源輸出穩(wěn)定，紋波小。 考慮到開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然效率高，但電路復雜 , 開關(guān)電源的工作頻率通常為幾 十幾百 KHz，基波與很多諧波均在本放大器通頻帶內(nèi)，極容易帶來串擾。線性 穩(wěn)壓電源包括并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。 并聯(lián)型電路復雜， 效率低， 僅用于對調(diào) 整速率和精度要求較高的場

48、合； 串聯(lián)型電路比較簡單， 效率較高， 尤其是采用集 成三端穩(wěn)壓器， 更是方便可靠。 綜合考慮以上因素， 選擇串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源作 為直流穩(wěn)壓電源模塊。 10直流穩(wěn)壓電源通常由電源變壓器、 整流電路、 濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組 成。其原理框圖如圖 3-16 所示。圖 3-15 直流穩(wěn)壓電源原理框圖其各部分介紹如下：1、電源變壓器：將電網(wǎng)交流電電壓 U1（220V）轉(zhuǎn)換成整流電路所需要的電 壓 U2（15 20V）。特別需要注意的是電源變壓器的選型， 由于電源需要提供正負19電壓，電源變壓器需要帶有中心抽頭作為零電勢點，否則無法產(chǎn)生負電壓。2、整流電路：將交流電壓 U2 轉(zhuǎn)換為單相脈動直流電壓

49、 U3。整流電路采用橋 式整流電路， 整流是利用二極管的單相導電性來實現(xiàn)的。 輸出電壓的平均值可由 公式 34 求得：1 2 2U32U 2 sin dU2 0.9U 2（34）03、濾波電路：將脈動直流電壓濾除紋波，轉(zhuǎn)換成紋波小的直流電壓U4。本設(shè)計采用大電容濾波。 電容濾波是最簡單的濾波方式， 它是在整流電路的負載上 并聯(lián)一個大電容 C。電容為帶有正、負極性的大電容電容器。輸出平均電壓可按 公式 35 進行計算：U 4 1.2U 3（3 5）4、穩(wěn)壓電路：起作用是將當交流電網(wǎng)電壓波動或者負載變化時，保證輸出 直流電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路采用集成穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)。 其中正負 12V ，正負 5V 都可

50、以使 用相應(yīng)的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片， LM7805 、LM7905 、LM7812 、LM7912 。輸出電壓平均 值可按公式 3 6 進行計算：Uo U4 U p（35）式中， Up 為穩(wěn)壓器的降壓，一般為 215V。 根據(jù)以上四個步驟進行直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，其電路圖如圖 3-15 所示。圖 3-17 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖20第四章 軟件設(shè)計軟件開發(fā)環(huán)境軟件開發(fā)使用常見單片機集成開發(fā)環(huán)境 Keil Vision2 來編寫程序。此環(huán) 境支持眾多不同公司的 MCS51架 構(gòu)的芯片，集編輯、編譯、仿真等于一體，同 時還支持 PLM、匯編和 C 語言的程序設(shè)計， 在調(diào)試程序、 軟件仿真方面也有很

51、強 大的功能。Keil C51 是 Keil Vision2 的 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C語 言在功能上、結(jié)構(gòu)上、可讀性、可維護上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過 匯編語言后再使用 C 來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能 體會到 Keil C51 生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼 很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。軟件設(shè)計流程由于本系統(tǒng)中單片機只進行增益控制和電壓有效值顯示工作，所以軟件設(shè)計 比較簡單。 系

52、統(tǒng)軟件顯示了友好的人機畫面， 啟動后進入增益控制界面， 可以通 過按鍵調(diào)節(jié)增益， 步進 5dB。17 還可以通過液晶顯示當前設(shè)定增益值和當前輸出 電壓有效值。系統(tǒng)軟件流程圖如圖 4-1 所示，程序清單見附錄。圖 4-1系統(tǒng)軟件流程圖21第五章 抗干擾措施硬件抗干擾技術(shù)通帶內(nèi)增益欺負控制本系統(tǒng)由多級放大單元構(gòu)成，為了滿足同頻帶內(nèi)增益起伏控制，設(shè)計中均選擇高速、寬帶運算放大器， 使其 1dB帶寬均滿足題目要求， 經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)， AD603 隨著增益增大， 帶寬略有下降， 因此通過濾波級補償， 使信號在通頻帶內(nèi)的增益 更加平坦。線性相位 為了使系統(tǒng)在整個同頻帶內(nèi)實現(xiàn)線性相位，在設(shè)計中嚴格按照阻抗匹配原

53、 則，使其負載呈純阻性， 構(gòu)建閉路環(huán)。 在輸入級，將整個運放用較粗的地線包圍， 可吸收高頻信號減少噪聲。 各個集成電路均加有退耦電容， 減少寄生電感電容的 影響。抑制零點漂移 本系統(tǒng)主要由前置放大級、可控增益級和功率放大級這三部分組成，由于系 統(tǒng)采用直接耦合， 對于高增益電路， 直接耦合時前級的微小變化對經(jīng)放大后在后 級產(chǎn)生較大偏置。 故采用低壓、 低溫漂的寬帶運算放大器 AD818構(gòu)成前級放大電 路，同時各級放大器引入負反饋共同抑制零點漂移。系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的總增益為 040dB，因此抗干擾措施必須要做得很好才能避免自激和 減小噪聲。我們采用下述方法減少干擾，避免自激，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：1、

54、構(gòu)建閉路環(huán)。在輸入級，將整個運放用較粗的地線包圍，縮短地線回路， 并可吸收高頻信號減少噪聲。 在功率級、 增益控制級也采用這種方法， 能有效避 免高頻輻射；2、使用同軸電纜進行級聯(lián)，輸入級和輸出級使用BNC接頭。盡力避免信號傳輸過程中的高頻干擾。3、合理布線。各部分擺放位置按照信號走向放置，減少板與板之間的連線 長度。電源線、 信號線采用跳線的方式代替裸露錫線， 并加有濾波電容降低高頻 自激。4、為解決數(shù)字模塊和模擬模塊之間的共地問題，將數(shù)字部分和模擬部分分 別共地，使用了 0 電阻連接兩部分公共地。 1822軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)是當系統(tǒng)收到干擾后使系統(tǒng)恢復正常運行或輸入信號受干 擾后

55、去偽存真的一種輔助方法。 所以軟件抗干擾是被動措施， 硬件抗干擾是主動 措施。但是軟件設(shè)計靈活，節(jié)省硬件資源。軟件抗干擾的內(nèi)容，其一是采取軟件 的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲的影響， 其二是由于干擾而使運行程序發(fā) 生混亂，導致程序亂飛或者陷入死循環(huán)時， 采取使程序納入正規(guī)軌道的措施和方 法。數(shù)字濾波技術(shù)考慮到本系統(tǒng)在有可能受到偶然因素的影響， 造成輸出不穩(wěn)定， 進而影響輸 出電壓有效值的顯示。采用中值濾波技術(shù)可以消除偶然因素造成的脈沖干擾。本設(shè)計中值濾波主要是對系統(tǒng)輸出有效值進行經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器采集數(shù)值進行 處理，對這一被測量進行連續(xù)采樣 N次，然后把 N 次的采樣值從小到大排隊， 再

56、取中間值為本次采樣值。用 C 語言編寫的，利用“冒泡”程序設(shè)計算法實現(xiàn)的中值濾波程序如下：int comp (int num)unsigned int temp i,j; for(i=0;inum-1;i+) for(j=0;jnum-1;j+) if(valj MaxGain ) newGain = 0 ; /newGain %= MaxGain ;Gain = newGain ;break ;case B : / set -5newGain -= 5 ;if( newGain 0 )newGain = 45 ;/newGain += MaxGain ; Gain = newGain ;br

57、eak ;33/ end switchstrNewVal8 = (char)( newGain/10 ) | 0 x30 ; strNewVal9 = (char)( newGain%10 ) | 0 x30 ; if( newGain 10 )strNewVal8 = ;if( newGain = 45 )strNewVal9 = 3 ;strNewVal11 = 5 ;EA = 0 ;WriteStr( strNewVal , 2 ) ;EA = 1 ;/WriteStr( A(+5) B(-5) ,1 ) ; / end SetValues34外文資料Operational Amplif

58、ierFrom Wikipedia, the free encyclopediaAn operational amplifier,or op-amp,is a very high gain differential with high input impedance(typically a few megohms)and low output impedance(less than 100 ohms).Typical uses of the operational amplifier are to provide voltage amplitude changes(amplitude and

59、polarity),oscillators,filter circuits,and many types of instrumentation circuits.The basic op-amp circuit is made using a differential amplifier having two input (plus and minus)and at least one output .Figure1-1 shows a basic op-amo circuit,the plus(+)input produces an output that is in phase with

60、the signal applied,whereas an input to the minus(-)input represented by the symbols V+,V- and Vo.Each is measure with respect to ground potential.Operational amplifiers are differential devices.By this we mean that the output voltage with respect to ground is given by the expression:Vo=A( V+ V-)(1-1