基于單片機的寬帶直流放大器的畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 一控制和數據處理。而單片機 STC89c52 是一種 16 位超低功耗微處理器 , 具有豐富的片上外設和較強的運算能力 , 支持在線編程 , 使用十分方便 , 性價比高。故采用方案二 系統框圖設計 綜上所述，該系統的總體框圖設計如圖 所示。 8 前 級 放 大 電 路A D 6 0 3調 零 放 大 器橢 圓 濾 波 器5 M H z / 1 0 M H z后 級 程 控 放大未 級 功 率放 大 器單 刀 雙 擲 開 關連 續 可 調電 位 器雙 通 道 D / A單 片 機S T C 8 9 c 5 2負 載鍵 盤L C D輸 入單 片 機 內 部A D 采 樣控 制 繼 電 器切 換圖 系統總體框圖 本系統采用單片機 STC89c52 作為數據處理和控制核心。輸入信號經過前級放大電路、后級程控放大和末級功率放大，實現了 90dB 的 最大電壓增益 。后級功率放大器使用高電壓輸出的寬帶運放，提高了輸出電壓有效值。單片機通過 D/A轉換器調整 AD603 的控制電壓，通過繼電器切換后級程控放大電路通道，實現了放大器增益的預置和控制功能，大大提高了系統的精度和可控性。通過切換兩路橢圓濾波器實現了通頻帶選擇。手動調節連續可調電位器 ，連續改變 AD603 的控制電壓，實現了增益連續調節功能。本放大器的直流偏置電壓和直流零點漂移主要由 AD603 輸出端引入， AD603 增益不同時，輸出的直流偏置電壓不同。將本直流放大器輸入短路，用 STC89c52 單片機 內部 ADC 對直流偏置電壓采樣，利用單片機和數字算法控制 D/A 轉換器輸出對應的調節電壓，控制調零放大器調節直流偏置電壓為零，既抑制了直流零點漂移，又實現了自動調零校準功能。 9 第三章 理論分析與計算 寬帶增益積 帶寬增益積 (GBP)為帶寬與增益的乘積，描述的是某一種運放的一個固有特性 ，是一個恒值。當增益提高時，相應的帶寬變窄；同理增益降低時，相應帶寬就變寬。 AD603 主要有三種工作模式：當腳 5 和腳 7 短接時， AD603 的增益為 40Vg+10，這時的增益范圍 10dB～ 30dB，帶寬為 90Mhz。當腳 5 和腳 7 斷開時，其增益為40Vg+30，這時的增益范圍為 10dB～ 50dB。帶寬為 9Mhz；當 5 腳和 7 腳接上電阻，其增益與帶寬范圍將處于上述兩者之間。本設計采用腳 5 和腳 7 短接模式，兩個 AD603 級聯增益范圍為 20～ 60dB，帶寬約為 80MHZ,帶寬增益積超過1000MHZ，完全滿足 題目設計要求。 電壓增益 ： AV＝ 20LOG（ Vo/Vi） 電壓增益 AV≥40dB，不是指輸出電壓幅值除以輸入電壓幅值，而是指 20LOG（輸出電壓幅值 /輸入電壓幅值），也就是輸出輸入電壓的商的 10 為底的對數的20 倍。 40db 表示輸出電壓與輸入電壓之比為 100 倍。 根據系統功能要求，最大電壓增益 AV ≥ 60dB， 3dB 通頻帶 0～ 10MHz，增益帶寬積 GBW=AV Bw，得出 GBW=600MdB。 OPA620 集成運放的開環增益帶寬積為 200MHz，為滿足系統最大通頻帶為10MHz 的要 求，由 OPA620 構成的單級閉環放大器的最大增益不能大于 dB20MHz10 MHz20210M HzA (dB) ??? 增益寬帶積 （ 31） 由 OPA620 的幅頻和相頻特性（如圖 3 所示）得，當單級閉環放大器的增益為 20dB 時，線性相位為零的最大頻率約為 3MHz＜ 10MHz，由此得出當單級閉環增益 16dB 時，通頻帶為 ，滿足通頻帶帶寬的設計要求。若同時獲得 60dB電壓增益，至少需要四級放大。第一級放大器，取 R1=100， R2 =100，由公式 dB16)1lg (20lg20231 ??? RRAv （ 32） 得 R3=530,Av1 = 倍；同理可得第二級放大器： R6 =630,Av2 = 倍。 10 通頻帶內增益起伏控制 根據帶寬增益積的原理：當頻率變化時，增益也將發生起伏變化。為實現 0～9MHz 通頻帶內增益起伏 1≤ dB，采用單片機、 A/D 與 D/A 構成反饋閉環控制系統。通過采用 10 位 A/D 芯片 TLC1549,對負載電壓的實時采集、分析再經 10 位高精度 D/A 芯片 TLC5615 控制 AD603 壓控腳從而達到增益起伏≤ 1dB。 通頻 帶：用于衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。 下限截止頻率 fL：在信號頻率下降到一定程度時，放大倍數的數值明顯下降，使放大倍數的數值等于 倍的頻率稱為下 限截止頻率 fL。 上限截止頻率 fH：信號頻率上升到一定程度時，放大倍數的數值也將下降，使放大倍數的數值等于 倍的頻率稱為上限截止頻率 fH。 通頻帶 fbw： fbw＝ fH－ fL 或者定義為：在信號傳輸系統中 ， 系統輸出信號從最大值衰減 3dB 的信號頻率為截止頻率 ， 上下截止頻率之間的頻帶稱為通頻帶 ， 用 BW 表示通頻帶越寬 ，表明 放大電路對不同頻率信號的適應能力越強 。 10 . 7 0 7f 0 f 2f 1fI 圖 f1f2 之間為寬頻帶 在通頻帶內由于 AD829 放大頻帶增益不平均，在通頻帶帶寬內 4MHz 和8MHz 左右增益小于預期值，故需要進行增益補償。在差分放大電路里 J5 接口并聯一 15pF 電容增加 8MHz 頻帶左右的交流通路，在交流通路的第二級和第三級之間的電阻并聯 100pF 電容增加 4MHz 的交流通路，補償 4MHz 頻帶的增益。 11 在兩級 倍（ 16dB）單閉環放大器級聯后，再級聯一級可變增益放大器（ AD603），以實現對電壓增益預置和步進的控制，如圖 5 所示。 AD603 增益與控制電壓的關系為 AG（ dB） =40Ug+10，輸入控制電壓 Ug 由 AD603 的 1 腳輸入，控制電壓范圍為 ~+。單片機可以通過 D/A（將數字量轉換為對應的模擬電壓量 Ug）來控制 AD603 的放大倍數，中放的最大增益 =AGdB+16dB 2。設計時Ug 取值范圍為 ~0，從而實現增益從 22dB 到 42dB 可控，并能實現增益為 5dB步進。 AD603 當腳 5 和腳 7 短接時， AD603 的增益為 40Vg+10，這時的增益范圍在10～ 30dB。當腳 5 和腳 7 斷開時，其增益為 40Vg+30，這時的增益范圍為 10～50dB。 如果在 5 腳和 7 腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間。 AD603 的增益控制接口的輸入阻抗很高，在多通道或級聯應用中，一個控制電壓可以驅動多個運放；同時，其增益控制接口還具有差分輸入能力，設計時可根據信號電平和極性選擇合適的控制方案。 線性相位 線性相位：一個單一頻率的正弦信號通過一個系統，假設它通過這個系統的時間需要 t，則這個信號的輸出相位落后原來信號 wt的相位。可以看出，一個正弦信號通過一個系統落后 的相位等于它的 wt；反過來說，如果一個頻率為 w 的正弦信號通過系統后，它的相位落后 delta，則該信號被延遲了 delta/w 的時間。在實際系統中，一個輸入信號可以分解為多個正弦信號的疊加，為了使得輸出信號不會產生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號通過系統的時間是一樣的。因此每一個正弦信號的相位分別落后， w1*t， w2*t， w3*t。落后的相位正比于頻率 w，如果超前，超前相位的大小也是正比于頻率 w。 普通放大器在放大過程中由于放大器具有一定的延時效應，在放大不同頻率的信號時會產生相位變化。故在特定 頻段內會出現原本處于負反饋的電路。由于延時使得信號倒相 180176。，處于放大狀態從而產生自激現象。本放大系統采用高速運算放大器，在 10M 以內無明顯的相位變化。 抑制直流零點漂移 零點漂移：由于直流放大器直接耦合，其中有任何一點靜態電位的變動，都 12 有會經耦合放大后在輸出中呈現出來，即使沒有輸入信號，由于溫度的變化和電源電壓不穩定的影響，輸出端也會出現電壓的緩慢變動，這種現象叫做零點漂移。直流放大器中，前級的零點漂移會被逐級放大，以致在最后一級的輸出端產生很大的漂移電壓，而這種漂移信號與直流放大器所 放大的緩慢變化的信號又十分相似，所以當漂移嚴重時，就無法分辨清輸出電壓的變化性質，它究竟是由于輸入信號的變化引起的，還是因零點漂移而造成的。 放大器工作一段時間會發熱，導致放大性能發生變化，本系統采用差分放大電路，故當放大器發生零點漂移時，由于差分放大器使用同樣參數的放大器故零點漂移的大小是同樣的，假設溫漂量為 T ，差分放大信號為 A， B。 βα VVV0 ? T)(BT)(AV 0 ??? 由于差分信號是大小相等相位反 2AV0? 可見直流溫度漂移抵消，被抑制。 放大器穩定性 直流放大器：在自動控制及自動測量系統中，需要把一些非電量（如溫度、轉速、壓力）等參數通過傳感器轉變成電信號，這些微弱的電信號經放大后就可以推動測量、記錄機構或控制執行機構，從而實現自動控制或自動測量。這些電信號大都是變化極為緩慢、且極性固定不變的非周期性信號（直流信號），它需要直流放大器放大。寬帶直流放大器通頻帶必須從 0 開始 。 提高放大器穩定性能的方法有中和法與適配法。中和法通過在輸入端和輸出端引入中和電路來抵消晶體管內部的反饋作用。適配法利用阻抗不匹配原理，減少了反饋信號對輸入電路的影響。使增益減少，提高穩定性。 放大器在工作時會出現自激，外部干擾等，影響放大器穩定的工作。 當放大器深度負反饋時輸出信號帶有一定的紋波。此時需要在輸出口加一個小的電容，消除高頻的紋波干擾。在負反饋的電阻上串接一個小電感，可以消除自激。 為抑制干擾在放大器電源兩端并接一個 的瓷片電容可以消除輸出信號的干擾。在印制 PCB 板時敷銅走線，可以大大降低信號的干擾。 13 第四章 系統硬件電路設計 跟隨、反相電路的設計 差分放大器的輸入信號要求為雙端輸入，故對于信號需要進行變換來得到雙端輸入。信號經過跟隨和反相電路后得到的信號即為原始信號的兩倍，并且能提高輸入電阻，原理圖如圖 。 C 2C 1I NO U T 1+O U T 2+C 3 C 4U 1U 2R 1 1R 1 0 R 1 2C 5 C 6 圖 跟隨反向電路 電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數恒小于且接近 1。 電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸 出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當的部分損耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一個好處就是， 14 提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質的電容提供了前提保證。 電壓跟隨作用：由于它的高輸入電阻、低輸 出電阻，所以電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，完成阻抗匹配的功能。 差分放大電路的設計 AD829 是一款低噪、高性能高速運算放大器 [3]。其壓擺率 230V/μ s，177。 15V供電，輸出電壓最大幅值可達 28VPP，帶寬 750MHz，滿足系統設計需要 [ 6]。 差分放大器由兩個同相放大器和一個差動放大器組成 [ 4] [5]，如圖 所示。該電路具有輸入阻抗高，電壓放大倍數容易調節，輸出不包含共模信號。 +++O U TO U T 1O U T2R V 1U 1U 2U 3C 1C 2C 3C 4C 5C 6R 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7C 7C 8C 9 圖 差分放大電路 由原理圖可知，改 變 RV1 的值就能改變電路的電壓放大倍數。