增益带宽可调放大器毕业设计.doc

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日增益带宽可调放大器 摘要：本系统是由前级稳定放大电路，程控增益放大电路，程控的低通滤波器，功率放大电路，峰峰值显示和检测模块组成。前级稳定放大电路，由低噪声，单位增益稳定的OPA637实现。程控增益放大电路则是用VCA810，通过提供偏置电压来改变放大的倍数。程控低通滤波则是以控制Max5160来改变电阻值实现对两阶的巴特沃斯低通滤波器截止频率的调整，。功率放大电路则是用THs3091。峰峰值显示和检测，通过有效值采集芯片AD637，使系统输入为正弦波时，输出电压的峰峰值和有效值的数字显示功能。关键字：可变增益放大器，程控滤波器，THS3091，AD637目录一、系统方案设计31. 系统总体构成（设计框图）32.方案比较3（1）缓冲放大部分3（2）压控增益电路4（3）程控滤波电路4（4）功率放大模块4（5）有效值采集模块5二.数据分析51.增益带宽积52. 增益分配分析53.通频带内增益起伏控制54.抑制零点漂移65.放大电路稳定6三.电路设计61. 缓冲放大部分62.可控增益程控放大73. 程控滤波电路74. 功率放大模块85.有效值检测电路9三.测试方法与数据101.测试仪器102.测量方案与数据10(一)可控电压增益40dB测量及峰峰值的检测10（二）滤波器上限截止频率的检测11（三）超上限后增益衰减测量12（四）输出最大不失真峰峰值电压123.结果分析12五.参考文献13六. 附件13一、系统方案设计1. 系统总体构成（设计框图）信号经过缓冲放大区，实现10倍的稳定放大，然后经过用单片机控制的压控增益电路和截止频率可控的滤波电路。为了驱动50欧姆的负载电阻，使信号再通过一个功率放大电路，然后接上负载电阻。经过有效值检测电路，将所测输出电压有效值，所控制的放大倍数以及所处的截止频率值，显示在LCD屏幕上。电源缓冲放大压控增益电路滤波电路功率放大有效值检测430单片机2.方案比较（1）缓冲放大部分方案一：由三极管等分立元件组成的放大电路实现电压跟随,本方案由于主要采用分立元件电路比较复杂,难于调试,尤其增益的定量调节不易实现。方案二：输入缓冲放大部分采用运算放大器OPA670，其增益宽带积为500MHz，可以实现输入信号10倍的增益放大。 因而选择方案二。（2）压控增益电路方案一：使用Max5160数字电位器和opa820，构成一个反馈阻值可控的放大电路。Opa820的增益带宽积为480MHz，可以满足放大电路增益到100倍时，3MHz频率信号的通过。方案二：VCA810是一个宽带、连续变化、电压控制增益放大器。增益线性范围为-40dB到+ 40dB在dB / V。零差分输入电压提供了一个带有小的直流偏移误差0V输出。低输入噪声电压，确保在最高增益设置好输出信噪比。因而使用方案二，采用VCA810作为压控增益，电路简单。（3）程控滤波电路方案一：采用RC 滤波电路，Max5160数字电位器，改变R阻值，但RC 滤波衰减很大；方案二：利用高速宽带运放OPA690 设计二阶巴特沃思滤波器，其通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。通过Max5160来改变滤波电路的电阻参数，以实现控制截止频率。因而采用方案二（4）功率放大模块方案一：采用THS3001，可达增益要求，但其增益不可调。方案二: THS3091是一种高电压，低失真，低噪声的放大器，宽带：210兆赫（G = 2时，基因Rl = 100），其性能高，精度高，性能好，能够实现很好的放大。（5）有效值采集模块方案一：采用AD736，其转换精度为（mv%RD)为0.50.5（max），低成本级的AD736的精度与8位A/D转换的精度相同,高等级和AD736的精度高于8位A/D的转换精度,且它的3dB带宽为0.4MHz，它的性能都不及AD637。方案二：AD637是当前国际上转换精度最高及频带最宽的真有效值转换器，转它的3dB带宽为8MHz，在电源为正负5V供电情况下，当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V4V范围内能保证测量误差。经论证，选择AD637。二.数据分析1.增益带宽积带宽增益积(GBP)是用来简单衡量放大器性能的一个参数，这个参数表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。按照题目发挥部分的要求，信号的通频带为20Hz5MHz，最大电压增益AV40dB,则增益带宽积为：5 M10（40/20）500MHz ,又输出最小不失真峰峰值10V ,我们采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过40dB.尽量满足达到最小峰值的发挥要求。2. 增益分配分析由于考虑到增益越大，频带宽度窄，整个结构的增益设计，经过前级的缓冲放大区放大10倍（20dB），VCA810可以实现-40dB-+40dB压控增益，这里设计其可以实现放大-26dB-+14dB的增益控制，功率放大电路则是采用6dB的增益控制。3.通频带内增益起伏控制在设计放大器频率范围从DC到5M，在5M的通频带内增益平坦。所以选择通带最平坦的巴特沃紫滤波器来设计带宽。OPA690在100MHz频带下的增益误差为0.1dB,VCA810增益起伏为0.3dB，THS3091在V电源供电时，增益为2倍的情况下，增益起伏小于0.1dB，均满足指标要求。4.抑制零点漂移由于集成电路都有输入失调电压，经过高增益的放大使得输入失调电压放大。通过在前两级放大电路间的输入和反馈间加上电位器，来调节输入输出级之间的失调电压。5.放大电路稳定为了尽可能的减小干扰，避免自激，在布线和走向上有做一些考虑。构建闭路环，严格按照信号走向布线。整个运放使用较粗的地线包围，缩短地线回路，并可吸收高频信号减小噪声；各部分摆放位置按照信号走向，减小板与板之间的连线长度。三.电路设计1. 缓冲放大部分使用OPA690，进行正向10倍放大。OPA690增益带宽积为500MHz，单位增益稳定，满足放大10倍，上限的截止频率达到5MHz的要求。通过一个正向反馈运算放大的设计，加正负5伏的电源来供压。2.可控增益程控放大VCA810在宽频带工作模式下，增益控制范围为-40dB+40dB,且控制电压与增益dB数成线性关系，满足增益控制要求。采用12位的DAC，TLV5616与单片机连接来产生不同幅值的模拟电压信号.再通过OPA2340方向放大电压，来控制VCA810.3. 程控滤波电路采用巴特沃斯二阶低通滤波电路，如下图所示。由于巴特沃斯滤波器的原理，R1和C2构成一个低通级，R3和C1构成积分环节，传递函数H(s)： Q=(将用数字电位器Max5160来代替，通过430单片机控制Max5160的输出阻值来达到程控滤波。4. 功率放大模块末级采用高电压，低失真，电流反馈运算放大器THS3091 增大驱动负载的能力。THS3091为功率放大芯片，输出电流250mA，其增益带宽积为420MHz，本系统设计放大2倍，用正负12伏的电压做提供的电源，来满足输出的最大不失真峰峰值可以达到10V。5.有效值检测电路AD637是集成度高的整流滤波芯片，可以克服小信号的带来的误差，有较高的精度。AD637是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的交直流转换电路，对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，另外，AD637还具有电源自动关断功能，使得静态电流从3mA降至45A.，可以测出任意波形交变信号的有效值，实验数据表明，在电源为正负5V供电情况下，当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V4V范围内能保证测量误差。图像如下图所示：三.测试方法与数据1.测试仪器序号名称型号规格数量1DG1022任意波形发生器12普源DS1052E数字示波器13DF1731-SB3A直流稳压电源14UT39A数字万用表12.测量方案与数据(一)可控电压增益40dB测量及峰峰值的检测测量方法：用函数发生器产生1KHz，峰峰值为27mV的正弦信号，通过调节单片机上的按键，来控制增益放大倍数，并做计数测量。输入峰峰值（mv）所设计的增益(dB/倍数)示波器显示峰峰值/mV示波器显示有效值/mV峰峰值测量电路显示值增益误差峰峰值测试误差270/ 126.319.6200%2%3/ 1.414027.8265%4%6/2.005234.7343%2%9/2.818057.2585%1%12/3.9811986.38510%0.3%15/5.62160112.61105%0.3%18/7.94214150.21460.1%0.7%21/11.22280193.91897%0.9%24/15.85412290.42873.7%1.2%27/22.39591418.64152.2%0.8%30/31.62822580.05713.7%1.7%33/44.691100769.77548.8%2%36/63.0917001204.311950.2%0.7%39/9023401655.816424.1%0.8%40/1002670188018671.1%0.6%（二）滤波器上限截止频率的检测测试方法：在系统放大倍数为40dB时，Vpp=27mV，调节信号发生源频率值，用示波器观察输出峰峰值达到最大值峰峰值0.707倍时，验证其上限截止频率范围。（三）超上限后增益衰减测量测量方法：调节系统截止频率到5MHz，输入的信号源Vpp为20mv，改变输入频率，测量并记录输出的电压峰峰值。信号输入频率输出峰峰值/mV5MHz8246MHz7527MHz6168MHz4809MHz42010MHz280（四）输出最大不失真峰峰值电压测量方式，在调到系统最大增益的条件下，不断增大信号源的输入电压，观察示波器，看最大不失真电压：3.结果分析1.电路系统的放大增益在误差允许的范围内，可以达到40dB；2.Av的在040dB内，可以通过用单片机控制并显示增益步进，该设计的增益步为1dB。3.最大增益下，系统的上限的截止频率可以达到3MHz。4.放大电路的输出最大不失真峰峰值电压达到7V。5.峰峰值测量并显示模块的测量误差小于2%，测量范围可以达到0.5v10v。五.参考文献1、TI 数据转换器应用手册基础知识篇黄争编译；2、TI 运算放大器应用手册基础知识篇黄争李琰编译；3、电子技术基础模拟部分（第五版） 康华光高等教育出版社；4、电子线路综合设计谢白美华中科技大学出版社；六. 附件430单片机控制与显示程序：#include #include Config.h#include #define CSnResNEN P5OUT |= BIT2 /CS为P52;#define CSnResEN P5OUT &= BIT2#define INCnSET P5OUT |= BIT3 /INC为P53;#define INCnCLR P5OUT &= BIT3#define UDSET P5OUT |= BIT4 /U/D为P54;#define UDCLR P5OUT &= BIT4#define CSnDacEN P3OUT &= BIT2#define CSnDacNEN P3OUT |= BIT2#define SCLK_H P3OUT |= BIT0#define SCLK_L P3OUT &= BIT0#define DIN_H P3OUT |= BIT1#define DIN_L P3OUT &= BIT1#define FS_H P3OUT |= BIT3#define FS_L P3OUT &= BIT3void Port_Init();void LCD_write_com(uchar com);void LCD_write_data(uchar data);void LCD_clear(void);void DisplayCgrom(uchar addr,uchar *hz);void LCD_init(void);void Display();void resvalup();void resvaldown();void ampvalup();void ampvaldown();void ADC_Init();uchar TEMP_res = 1;int TEMP_amp = 5;uint TEMP_adc = 1638;static uchar Flag=0;void main() uchar i; Clock_Init(); WDT_Init(); Close_LED(); Port_Init(); ADC_Init(); _EINT(); Flag = 1; delay_ms(100); LCD_init(); LCD_clear(); for(i=0;i32;i+) resvalup(); ampvaldown(); /Display(); while(1) while(Flag=1) ADC12CTL0 |= ADC12SC; ADC12CTL0 &= ADC12SC; Flag = 0; Display(); /* for(i=0;i32;i+) resvalup(); for(i=0;i32;i+) resvaldown(); */ void Port_Init() P4SEL = 0X00; /12864数据引脚 P4DIR = 0XFF; P4OUT = 0X00; /此行为12864的引脚，P50为RD/PSB,P51为/RST,P55为RS,P56为RW,P57为EC /此行为输出点位器的输出引脚，P52为CS,P53为INC,P54为U/D P5SEL = 0X00; P5DIR = 0XFF; P5OUT = 0XFF;/* P1SEL = 0X00; /4X4KEY P1DIR = 0X00; P1OUT = 0XFF;*/ P1IE |= BIT4+BIT5+BIT6+BIT7; P1IES |= BIT4+BIT5+BIT6+BIT7; /P6口留作ADC用 P6SEL|= BIT0; P6DIR &= BIT0; /P2口留作中断 /此行为tlv5616引脚，P30为SCLK,P31为DIN,P32为CSn,P33为FS P3SEL &= (BIT0+BIT1+BIT2+BIT3); P3DIR |= BIT0+BIT1+BIT2+BIT3; P3OUT |= BIT0+BIT1+BIT2+BIT3; PSB_SET; /液晶并口方式 RST_SET; /复位脚RST置高/*/显示屏命令写入函数/*void LCD_write_com(unsigned char com) RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; DataPort = com; delay_ms(5); EN_CLR;/*/显示屏数据写入函数/*void LCD_write_data(unsigned char data) RS_SET; RW_CLR; EN_SET; DataPort = data; delay_ms(5); EN_CLR;/*/显示屏清空显示/*void LCD_clear(void) LCD_write_com(0x01); delay_ms(5);/*/函数名称：DisplayCgrom(uchar hz)显示CGROM里的汉字/*void DisplayCgrom(uchar addr,uchar *hz) LCD_write_com(addr); delay_ms(5); while(*hz != 0) LCD_write_data(*hz); hz+; delay_ms(5); /*/显示屏初始化函数/*void LCD_init(void) LCD_write_com(FUN_MODE);/显示模式设置 delay_ms(5); LCD_write_com(FUN_MODE);/显示模式设置 delay_ms(5); LCD_write_com(DISPLAY_ON);/显示开 delay_ms(5); LCD_write_com(CLEAR_SCREEN);/清屏 delay_ms(5);/*/ Display()显示测试结果/*void Display(void) uchar table_amp4; uchar table_rms5; uchar table_fs9; uint temp,temp_amp; long uint temp_res; uchar i; temp = (uint)(TEMP_adc*6.716); /temp = (uint)(TEMP_adc/1.45); for (i=0;i-1) table_amp0= ; temp_amp=TEMP_amp; else table_amp0=-; temp_amp=-TEMP_amp; table_amp1=temp_amp/10+0; table_amp2=temp_amp%10+0; table_amp3=0; temp_res = 15793223/(32-TEMP_res); for (i=0;i8;i+) table_fs7-i=temp_res%10+0; temp_res = temp_res/10; table_fs8=0; DisplayCgrom(0x80,增益带宽放大器); DisplayCgrom(0x90,增益：); DisplayCgrom(0x93,table_amp); DisplayCgrom(0x88,Fs: ); DisplayCgrom(0x8a,table_fs); DisplayCgrom(0x98,RMS:); DisplayCgrom(0x9A,table_rms);void resvalup() if(TEMP_res1) INCnSET; CSnResEN; UDCLR; /delay_us(2); INCnCLR; UDCLR; CSnResNEN; TEMP_res-; else _NOP(); delay_ms(2);#pragma vector = PORT1_VECTOR_interrupt void Port1() if(P1IFG & BIT4) P1IFG &= BIT4; resvalup(); if(P1IFG & BIT5) P1IFG &= BIT5; resvaldown(); if(P1IFG & BIT6) P1IFG &= BIT6; ampvalup(); if(P1IFG & BIT7) P1IFG &= BIT7; ampvaldown(); void ampvalup() uchar i; uint temp; if(TEMP_amp40) TEMP_amp+; temp=(uint)(TEMP_amp*12.5+510); / temp |= 0x4000; FS_L; for(i=0;ii) DIN_H; else DIN_L; delay_us(5); SCLK_L; delay_us(10); SCLK_H; FS_H; delay_ms(1); void ampvaldown() uchar i; uint temp; if(TEMP_amp-40) TEMP_amp-; temp=(uint)(TEMP_amp*12.5+510); temp |= 0x4000; FS_L; for(i=0;ii) DIN_H; else DIN_L;