宽带直流放大器设计.doc

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1、目录一 、作品任务和要求- 3 -1.1基本要求- 3 -1.2发挥部分- 3 -二、系统方案选择与论证- 4 -2.1宽带直流放大器设计方案- 4 -2.2电压增益控制设计方案- 4 -2.3系统方案- 5 -三、系统硬件电路设计- 6 -3.1 系统总体设计框图- 6 -3.2 单片机最小系统- 6 -3.3 电压跟随电路- 7 -3.4 程控放大电路- 7 -3.5 固定增益放大电路- 8 -3.6 滤波电路- 9 -3.7功率放大电路- 9 -四、软件设计- 11 -4.1 软件流程图- 11 -五、系统测试与数据分析- 12 -5.1测试仪器- 12 -5.2测试方法和结果：- 12

2、 -六、报告总结- 14 -七、参考文献- 14 -八、附录- 15 -宽带直流放大器摘要：本系统利用 C8051F120单片机作为主控制器，设计并实现了一宽带直流放大器，通过三级直接耦合放大和一级功率放大，放大倍数为0-60dB，通频带为0-5M或010M可预置。通频带内增益起伏1 dB；由外置键盘实现增益可控预置，步距为5dB；由LCD12864同步显示增益预置值和增益步进值；利用单个元器件的零点漂移特性，巧妙采用放大级正向、反向输入端，有效的抑制了零漂。整个系统实现简单，操作界面友好。关键词：前置放大 功率放大 增益控制 低通滤波器正文:一 、作品任务和要求1.1基本要求（1）电压增益A

3、V40dB，输入电压有效值Vi20mV。AV可在040dB范围内手动连续调节。（2）最大输出电压正弦波有效值Vo2V，输出信号波形无明显失真。（3）3dB通频带05MHz；在04MHz通频带内增益起伏1dB。 （4）放大器的输入电阻50W，负载电阻（502）W。（5）设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。1.2发挥部分 （1）最大电压增益AV60dB，输入电压有效值Vi10 mV。（2）在AV60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP0.3V。（3）3dB通频带010MHz；在09MHz通频带内增益起伏1dB。（4）最大输出电压正弦波有效值Vo10V，输出信号波形无明显失真。 （5）进

4、一步降低输入电压提高放大器的电压增益。（6）电压增益AV可预置并显示，预置范围为060dB，步距为5dB（也可以连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少5MHz、 10MHz 两点）。（7）降低放大器的制作成本，提高电源效率。（8）其他（例如改善放大器性能的其它措施等）。二、系统方案选择与论证2.1宽带直流放大器设计方案方案一：集成运放和分立元件相结合。宽带集成运放级联构成前置放大电路，实现小信号的前置放大及增益要求；运算放大器加分立器件三极管构成功率扩展型电路实现末级功率放大。方案二：采用分立元件，利用高频三极管或场效应管差分对构成多级放大电路，末级采用大功率器件来保证输出功率，通过负反馈

5、电路来确定增益。该方案可实现的放大器工作频率高、功率大，但其电路比较复杂，且零点漂移严重，难以实现直流信号的放大。此外，由于电路采用了多级放大，其稳定性差，容易产生自激现象。方案三：采用集成运算放大器芯片级联构成。集成运放芯片使用简单，精度高，但是采用这种方案，放大器可能会出现输出功率不够，因此我们采用两个功率集成运放并联的方式实现增大输出功率。方案选定：经三种方案比较，考虑到集成运放高增益、低直流漂移的优点和增益容易控制，决定采用方案三。2.2电压增益控制设计方案方案一：通过反馈网络控制放大器的电压增益。这种方案电路简单，但是干扰信号会伴随输入的小信号经过前级和后级放大器放大，使输出信号的信

6、噪比无法满足题目指标。方案二：在末级放大电路后加精心设计的衰减网络，对输出电压进行增益控制。只要信号和干扰比在设定的范围内，则可以实现在电压增益控制的同时保证输出信号的信噪比满足题目指标。方案三：设计一个固定增益30dB的放大器，在前030dB就直接利用AD603和功率放大，当要在3060dB时才将30dB固定增益放大器接进电路，从而完成设计要求。 方案选定：本设计增益控制采用方案三。2.3系统方案以C8051F120单片机为控制器，输入信号通过前置放大、中间级放大，再经过通频带选择网络完成对通频带带宽的选择，由末级放大器输出。通过键盘控制选择通频带带宽、电压增益等参数，并由显示器同步显示增益

7、预置值和增益步进值，原理框图如下图3所示。末级功率放大C8051F120单片机信号输出滤波网络中间放大级程控放大电压跟随信号输入显示模块键盘模块图2.1 系统框图由单片机直接根据预置输入，控制中间级放大和通频带选择网络获得所需的增益带宽积，中间级放大器产生的零点漂移，可以通过硬件电路之间的相互补偿被抑制，可以较好的解决本次设计的重点和难点。三、系统硬件电路设计3.1 系统总体设计框图末级功率放大C8051F120单片机信号输出滤波网络中间放大级程控放大电压跟随信号输入显示模块键盘模块图3.1 系统框图3.2 单片机最小系统 C8051f120单片机是基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS

8、-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，可以使用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构，70%的的指令执行时间为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位单片机。它还集成了丰富的模拟资源，集成了两个ADC，在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的采集转换；片内ADC的采样精度最高可达24bit，采样速率最高可达500ksps，还集成了个独立的高分辨率DAC，可满足绝大多数混合信号系统的应用并实现与模拟电子系统的无缝接口；片内温度传感器则可以迅速而精

9、确的监测环境温度并通过程序作出相应处理，提高了系统运行的可靠性。3.3 电压跟随电路 图3.2 电压跟随电路如图所示。考虑到本系统的通频带为010MHz，为避免引入噪声，其输入阻抗必须限定在50W100W之间，若电压跟随器的阻抗为Rj，图4电路的输入阻抗为。实际电路取Rk=100W,则50W。此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压增益接近于1，运算放大器选用OPA642，此放大器的增益带宽积为400MHz。3.4 程控放大电路图3.3 程控电路图在电压跟随器之后，再级联一级可变增益放大器（AD603），以实现对电压增益预置和步进的控制，如图所示。AD603采用通频带为90MHz，增益为-

10、10+30dB的典型接法。AD603增益与控制电压的关系为AG（dB）=40Ug+10，输入控制电压Ug由AD603的1脚输入，控制电压范围为-0.5+0.5，我们将GNEG段接0.5V电压，单片机可以通过D/A（将数字量转换为对应的模拟电压量Ug）来控制AD603的放大倍数。设计时Ug取值范围为01V，从而实现增益从-10dB到20dB可控，并能实现增益为5dB步进。3.5 固定增益放大电路图3.4 30dB固定增益放大电路图OPA620集成运放的开环增益带宽积为200MHz，为满足系统最大通频带为10MHz的要求，由OPA620构成的单级闭环放大器的最大增益不能大于。由OPA620的幅频和

11、相频特性得，当单级闭环放大器的增益为20dB时，线性相位为零的最大频率约为3MHz10MHz，由此得出当单级闭环增益16dB时，通频带为12.5MHz，满足通频带带宽的设计要求。若同时要获得本级30dB固定电压增益，至少需要两级放大。3.6 滤波电路 图3.5 5MHz的低通滤波电路图3.6 10MHz的低通滤波电路通过对继电器L1和L2触点的控制实现了系统通频带05MHz和010MHz两个范围预置，如图所示。系统默认选择10MHz通频带。通过键盘选择通频带，当单片机的P0.5和P0.6口分别向三极管T1和T2的基极送高电平时，继电器的触点动作，使输入信号V2经5MHz的低通滤波器输出，即实现

12、了预置05MHz的通频带。3.7功率放大电路当系统负载电阻为（502）W时，最大输出电压Vo10V，则由公式 P=U*U/ R,可得，系统输出功率的最大值为 P =20.8W 。经前置放大和中放电路放大后，不具备驱动负载的能力，需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求.如图所示，我们使用两片THS3091并联的方法使输出功率增大，从而满足题目要求。图3.7 功率放大电路四、软件设计4.1 软件流程图开始初始化键盘扫描按键判断有键按下？增益递增增益递减通频带选择LCD显示NY6结束图4.1 软件流程图五、系统测试与数据分析5.1测试仪器1.Tektronix TDS1012 双通道

13、数字示波器 100MHz 2.HT-1714C 型直流稳压电源 3.TFG2030 DDS函数信号发生器 30MHz 4.UT56 Multimeter 数字万用表5.2测试方法和结果：(1) 输入电阻的测试电路如附录4所示。当R=0时，在输出电压波形不失真的情况下，用交流毫伏表测出输出电压U01；当R取固定电阻时，测出输出电压U02，则有 调整测试电压Us使输出电压UO1=10V,改变R的阻值，取多次测量的平均值。 表1 输入电阻测试表R/UO1/VUO2/VRi/133106.951.6243106.350.5351105.951由上表的测试结果得，输入电阻约为50，满足输入电阻50的要求

14、。(2) 最大输出电压正弦波有效值的测试。输入端Vin加入频率为500KHz的正弦波，调节输入电压有效值（限制Vin10 mV），测得输出最大不失真正弦波有效值Vo=10.6V，满足基本部分Vo2V和发挥部分Vo10V的要求。(3) 通过按键的切换可实现电压增益AV的预置和步进并能显示，预置范围为060dB，步距为5dB，并且可手动连续调节电压增益，放大器的带宽也能满足5MHz和10MHz 两点预置和通频带带宽的显示。(4) 输出噪声电压测量。增益调到60dB档，输入端短路，测得输出电压峰-峰值在0.220.26V间波动，满足发挥部分要求的VONPP0.3V的要求。(5) 频率特性测量。增益设

15、为60dB档，输入端加有效值为10mV的电压信号，因为信号源不能保证在不同的频段内有相同的有效值，因此在每次测试前，必须调节信号源分有效值，使其稳定在10mV左右，再测量输出信号的幅值，并带入公式算的实际电压增益，测试结果如下表3所示。表2 频率特性测试表频率/Hz0.220305080200600900输出/V（有效值）增益/dB频率/kHz120305080200600900输出/V（有效值）增益/dB频率/MHz1357891011输出/V（有效值）增益/dB由上表测试结果得，当输入信号频率为020Hz时，系统增益有起伏；当输入信号的频率为20Hz9MHz时，系统增益没有发生较明显的起伏

16、，系统的幅频特性近似为一条水平线；当输入信号的频率大于9MHz时，增益有所下降。（6）带宽测试用扫频仪测量放大器的3dB带宽，分别加入5MHz低通滤波器和10MHz低通滤波器 输入电压为峰峰值16mv，在60dB测得的通带频率特性 表3 5MHz通频带频率测试频率(Hz)101001KHz10KHz50KHz100KHz300KHz600KHz1M输出电压峰峰（V）频率(Hz)22.533.544.555.56输出电压峰峰（V）表4 10MHz通频带频率测试频率(KHz)10Hz1101005001M2M5M6M输出电压峰峰（V）频率(Hz)7899.51010.51111.512输出电压峰峰

17、（V）数据分析：从表上可以看出，3dB通频带在低频端达到了0，高频端在20MHz以上，3dB通频带为011MHz，在09MHz频带内增益起伏1dB，正弦信号输出有效值为11V，从5MHz以上增益的趋势来看最终通频带高频端应大于20MHz，比较符合后级功率放大器的理论高频截止频率25MHz。六、报告总结经过测试，多项指标均达到题目要求。经过一个星期的制作，原本认为这个题目基于原来我们做过的功率放大会很简单，但实际上我们做的时候遇到很多问题，例如频率达到几兆赫兹时，外界对电路影响很大，容易引入噪声，考虑到本设计的误差主要来源于电磁信号对兆级小信号的干扰，我们采用以下措施来减小电路噪声：兆级高频小信号使用屏蔽线进行传输，屏蔽各种电磁干扰；电源部分数字地和模拟地分开连接，并采用电感进行隔离，减小数字电路对模拟信号的影响。七、参考文献1 康华光电子技术基础模拟部分武汉：华中理工大学出版社，19982 谢自美电子线路设计实验测试武汉：华中科技大学出版社，20023 全国大学生电子设计大赛获奖作品选编北京:北京理工大学出版社，20014 第六届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编北京：北京理工大学出版社，2003八、附录附录1：整体电路原理图附录2：电源电路原理图附录4：输入电阻测试电路图