宽带放大器的设计与研究.doc
《宽带放大器的设计与研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《宽带放大器的设计与研究.doc(61页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 系统设计方案论证和比较 1.1 系统总体设计及原理方框图 整体电路方框图如图 2-1 所示。采用新型 STC89C58RD 单片机作为控制器,实现增益控制和人机对话。放大部分有前级跟随、可控增益放大和后级放大三部分构成。前级缓冲可以提高放大器的输入阻抗,后级放大实现电压放大和负载驱动。其中加入滤波装置,设计 10MHz 的 LC 巴特沃斯低通滤波器来提高系统控制效果。用户通过矩阵键盘预置增益值,单片机通过高精度 DA 转换产生控制电压实现对放大器增益的精确控制。AD 转换将输出电压的有效值送回给单片机,实现液晶显示。图 2-1 系统原理方框图 1.2 方案论证和比较 1.2.1 前级放大部分
2、 方案一:采用共源共基差分式放大电路,该电路具有较高的输入阻抗,并且共基电路一方面可以扩展电路高频响应,同时又将共源电路负载电路隔离,使负载电阻产生的热噪声通过 Cgd耦合到输入端,可以达成提高抗噪声性能。但这种电路结构其抗噪声能力关键取决于所用器件,由于特性一致的晶体管和场效应管不容易购买,若采用一致性稍差的管子,其抗噪声性能会明显减少。5 方案二:使用宽带运算放大器,采用电压跟随器形式可以克制共模信号减少噪声,并能提高输入阻抗。方案比较:方案二其抗噪性能不一定优于方案一,但电路形式简朴,易于调试,并且期间易于购买,可以满足题目的输入阻抗的规定故选取该方案。1.2.2 可控增益放大部分 方案
3、一:采用分立元件。运用高频三极管构成多极放大电路实现满足增益40dB 规定,同时用二极管在输出端检波产生电压反馈,实现自动增益控制的目的。由于采用分立元件,致使电路复杂,不易实现增益的精确控制,电路稳定度差,容易产生自激,频带内增益的稳定也不易实现。方案二:选择高速、宽带放大器,组建两级放大电路,可以用继电器或模拟开关构成电阻网络。通过单片机控制继电器的导通与关断,来选择不同的增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系,导致增益调节不均匀,精度下降。同时,假如使用模拟开关,其导通电阻较大,并且各通道信号会互相干扰,容易影响系统性能。方案三:直接选择可控增益放大器
4、AD603 实现,其内部有梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯形网络输入端的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定;而这个参考电压可通过单片机进行运算被控制 D/A 转换器输出控制电压得到,从而实现精确的控制。此外AD603 能提供 30MHz 以上的带宽,两级级联后得到 40dB 以上的增益,这种电路有优点电路集成度高,条理清楚,控制方便,易于数字化解决。局限性之处是两级可变增益放大器串联会导致零点漂移过大,有也许导致同频带下降,波形失真等不良影响。方案四:采用可变增益放大器和固定增益放大器结合方式,通过继电器的通断来控制固定增益放大器的使用与否。
5、当设定增益较低时,只使用可变增益放大器进行调节;当设定增益较高时,可变增益放大器无法单独完毕增益放大规定,通过继电器的切换选择,固定增益放大器投入使用,即可完毕任务规定。解决了两级可变增益放大器串联导致零点漂移过大,但需要元器件难以获得,并且控制规律复杂,不易进行程序设计。6 方案比较:方案一采用分立元件,弊端极多,不予考虑;方案二存在阻抗匹配的问题,并且自行搭建的电阻网络,也许会导致系统干扰变大,且面临步进难以进一步细分的困难,且增益量(dB)不成线性;方案四可以较好的实现题目,但需要元器件难以获得,并且控制规律复杂,不易进行程序设计。现阶段很难实现。方案三可以达成步进 0.2dB 的精度,
6、单片机易于控制,自动增益控制也可以通过软件方法来实现,考虑到可以实现系统规定,通过一些电路设计改善措施,可以克制零点漂移,因此最终选择了方案三。1.2.3 功率放大部分 方案一:采用晶体管单端推挽放大电路。该电路广泛应用于示波器、显像管中。通过多级深度负反馈和各种回路补偿扩展通频带。为获得较低的通频带下限频率,可用直接耦合方式,而直接耦合的多级放大器工作点调试繁琐,需要较丰富的实践经验。并且若要得到较高的输出电压,晶体管放大电路对电源电压规定较高。7原理图见图 2-2。图 2-2 功率放大部分方案一原理图 方案二:采用高速、宽带放大器 AD811 作为后级放大。AD811 的单位增益带宽为 1
7、40MHZ,摆率为 2500V/uS,输出电流可达 100mA,完全可以满足规定。方案比较:方案二采用集成运放电路简朴,干扰较少,很容易实现放大器的稳定性和带内幅度稳定的规定;方案一采用分立元件虽节省了成本,但系统干扰也许会较大,调试也比较麻烦,综合考虑选择方案二。1.2.4 有效值检测部分 方案一:运用高速 ADC 对电路进行一周期数据采样,将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值,即可得出电压有效值(式 21)。此方案具有抗干扰能力强、设计灵活等优点,但是调试困难,需要高速 AD 进行采样和高速解决器进行数据解决,不易实现。8 211niiUUN (21)方案二:对信号进行精密整流并积分
8、,得到正弦电压的平均值,再进行 ADC采样,运用平均值和有效值之间的简朴换算关系,计算出有效值并显示。只用了简朴的整流滤波电路和单片机就可以完毕交流信号的有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。方案三:采用集成真有效值变换芯片 AD637,AD637 是 AD 公司 RMS-DC 产品中当前国际上转换精度最高(指加外部精调电路后)及频带最宽的真有效值转换器,并且 AD637 可以对输出电平信号的以 dB 形式指示,可以测出任意波形交变信号的有效值。器外围器件少、频带宽,输出有效值用 A/D 采样来进行单片机解决。方案比较:从实现难度和操作难易方面综合考虑,选择方案三。变换芯片选
9、用 AD637。AD637 是真有效值变换芯片,它可测量的信号有效值可高达 7V,精度优于 0.5,且外围元件少,频带宽,对于一个有效值为 1V 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,该方案硬件、软件简朴,精度也很高。第二章 硬件电路设计 2.1 单片机显示控制模块 2.1.1 单片机最小系统 1、单片机 STC89C58RD 系统核心控制器件采用宏晶科技公司生产的新型单片机 STC89C58RD,此款单片机加密性较强。具有超强抗干扰能力:(1)高抗静电(ESD 保护);(2)轻松过 2KV/4KV 快速脉冲干扰(EFT)测试;(3)宽电压,不怕电源
10、抖动;(4)宽温度范围,-4085。并具有超低功耗和对外部电磁辐射抗干扰性能。9 STC89C58RD 具有丰富的硬件资源,提供灵活、高效的多方面控制应用。芯片内含 32K flash 存储器,1280B RAM 存储器,16K EEPROM 存储器,由于本系统代码量较大,使用此款单片机可以不用再去扩展外部存储器,简化了硬件设计。其与 AT89C51 系列可完全兼容,也不需要再去学习新的指令系统,移植性较好。STC89C58RD 提供 32 个 I/O 通道、三个 16 位定期器/计数器、6 个中断源以全双工串行接口,片内振荡器及时钟电路。STC89C58RD 支持两种软件可选的接电工作模。空
11、闲方式停止 CPU 的工作,但允许 RAM,定期/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容,但振荡器停止工作,并严禁其他所有器件工作知道下一个硬件复位。较传统 51 内核单片机,STC89C58RD使用经典的 RS232 标准串口就可以实现 ISP 程序下载功能。STC89C58RD 单片机在线编程典型电路如图 3-1 所示。图 3-1 STC89C58RD 单片机在线编程典型电路 2、时钟电路 单片机虽然有内部振荡电路,但要形成时钟,必须外部附加电路。STC89C58RD单片机的时钟产生方式有两种:内部震荡方式和外部时钟输入方式。本系统采用的是内部时钟方式。STC
12、89C58RD 单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器,引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别在该放大器的输入端和输出端。外接石英晶体振荡器及瓷片电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。电容的容量大小有也许影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易以及温度的稳定性。推荐使用两片 30pF 陶瓷电容。本系统采用 11.0592MHz 晶振和 30pF 电容构成时钟电路。时钟电路如图 3-2。图 3-2 时钟电路 3、复位电路 几乎所有单片机都需要复位电路,复位电路的基本功能是:在单片机上电时能可靠复位,对单片机进行初始化操作,是单片机内部各寄存器处在一个拟定的初试状态,以
13、便进行下一步操作。图 3-3 复位电路 要实现复位操作,需要在单片机的 RESET 引脚上施加 5ms 的高电平信号。单片机的复位电路有两种形式:上电复位和按钮复位。如图 3-3 所示,此电路包含了以上两种形式。上电复位是运用电容的充电来实现的,由于电容两端电压不能突变,上电瞬间 RESET 端的点位与 Vcc 相同,随着电容上储能增长,电容电压也增大,充电电流减少,RESET 端的电位逐渐下降。这样在 RESET 端就会形成一个脉冲电压,调节电容和电阻的大小来改变脉冲电压的宽度。通常采用 10F 的电解电容和 1k的电阻。按键复位电路是通过按下复位按钮时,电源对 RESET 端维持两个机器周
14、期的高电平来实现复位的。10 2.1.2 输入设备键盘 键盘是计算机不可缺少的输入设备,是实现人际对话的纽带。键盘可以分为:独立键盘和矩阵键盘两种。独立键盘与单片机连接时,每一个按键都要占用单片机的一个 I/O 口,由于本系统需要较多按键,使用独立按键就需要占用过多的 I/O 口资源。单片机的I/O 口资源往往比较宝贵,当用到多个按键时,往往采用矩阵式键盘。本系统采用 44 矩阵键盘。矩阵键盘电路如图 3-4,将 16 个按键排成 4 行、4 列,第一行将每个按键的一端连接在一起构成行线,第一列将每个按键的另一端接到一起构成列线,这样就一共有 8 根线,我们将这 8 根线连接到单片机的 8个
15、I/O 口上,通过程序扫描键盘可检测 16 个键。10 图 3-4 矩阵键盘电路图 无论是独立键盘还是矩阵键盘,单片机检测其是否被按下的依据都是同样的,也就是检测与该键相应的 I/O 口是否为低电平。独立键盘有一端固定为低电平,单片机写程序时检测比较方便。而矩阵键盘两端都与单片机 I/O 口相连,因此检测时需要人为通过单片机 I/O 口送出低电平。检测时,先送一列为低电平,其余几列全为高电平,然后立即轮流检测一次各行是否有低电平,若检测到某一行为低电平,则我们可以确认当前被按下的键值,用同样的方法轮流送各列一次低电平,在轮流检测一次各行是否变为低电平,这样即可检测完所有的按键,当有键被按下时便
16、可判断出按下的键值。这就是矩阵键盘检测的原理和方法。2.1.3 输出设备1602 液晶显示 一个单片机应用系统中,显示是人机通道的重要组成部分。显示器是计算机用来显示数据和结果的必要设备。目前广泛使用的显示器件重要有 LED 数码管、LCD 液晶。LED 数码管其特点是工作电压低,清楚悦目,体积小,寿命长,工作可靠,颜色丰富,响应速度快等,但其只能显示阿拉伯数字和少量字符,不能完毕本系统显示规定。同时数码管需要动态扫描,占用大量 CPU 资源,实践中很容易导致时序混乱。LCD 液晶显示器是运用液态晶体的光学特性来工作的。它具有工作电压低、耗电省,成本低等优点。缺陷是远距离显示不够清楚,工作温度
17、范围较窄。本系统显示只需要近距离观看,同时工作在室温,可以忽略其缺陷。液晶显示尚有一个突出有点,占用 I/O 口较少,内部具有存储器,不需要占用大量 CPU 资源去维持显示。本系统采用 1602 液晶显示器,每行显示 16 个字符,可以显示两行。可以很好完毕本系统的显示任务。1602 液晶显示器为 5V 电压驱动,带背光,内含128 个字符的 ASCII 字符集库,只有并行接口,没有串行接口。其连接电路如图3-5 所示。图 3-5 1602 液晶显示与单片机接口 2.1.4 A/D 和 D/A 转换器 1、A/D 转换器 本系统在进行系统输出有效值检测时,需要将模拟量通过 A/D 转换器转换成
18、数字量,通过输入通道传送给单片机。为了提高测量精度,本系统采用 12 位 A/D 转换器 MAX197,单 5V 电源供电,8 通道模拟量输入。MAX197 内部有一控制器,通过输入控制字可以决定工作模式:时钟工作模式、输入电压极性和量程选择、模拟量输入通道选择。如图 3-6 为MAX197 的典型接法。由于 MAX197 是 12 位 A/D 转换器,本来需要 12 根数据线。为了减少 I/O 资源的占用,采用 8 根数据线分时复用,先传送低四位数据 D3D0,再传送高八位数据 D11D4。这种设计巧妙的减少了 I/O 资源的使用,程序设计上只要按照时序说明,就可顺利采集到数据。11 图 3
19、-6 MAX197 典型接法 2、D/A 转换器 本系统规定进行增益可控,为了实现这一功能,采用可控增益放大器 AD603来实现增益可控。通过改变 AD603 的 1、2 管脚间的参考电压进而放大器的增益。这个参考电压需要通过单片机控制 D/A 转换器产生。为了提高控制精度,本系统采用 12 位 D/A 转换器 DAC667 来实现增益可控。DAC667 内部具有精密电压基准,微计算机接口逻辑,双缓冲锁存和一个带有电压输出放大器的 D/A 转换器。高速电流开关和激光微调薄膜电阻网络保证 D/A转换器的高精度和高速度。DAC667 采用双电源12V15V 供电,低功耗。12 DAC667 同样采
20、用数据线复用,分时传送的方法。如图 3-7 所示,采用 4 位 I/O传送方式,通过改变控制端 A3A0 电平,进行数据的分时传送,先传送低四位,再 传 送 中 四 位,最 后 传 送 高 四 位,大 大 减 少 了 I/O 资 源 的 使 用。图 3-7 DAC667 典型接法 2.2 系统核心部分模块 2.2.1 前级放大部分 由于 AD603 输入阻抗小,大约只有 100,设计规定放大器的输入阻抗1K,故需要加入前级缓冲部分来提高输入阻抗。本方案前级采用正向跟随器;此外前级电路对整个电路的噪声影响非常大,必须尽量减少噪声的干扰,增强系统的稳定性。故采用高速低噪声宽带电流反馈型放大器 AD
21、818 做前级缓冲,其带宽增益积为 100MHz,其输入阻抗为 0.5M完全符合设计的规定。如图 3-8 所示为输入缓冲级的电路连接原理图。图 3-8 输入缓冲级电路连接原理图 2.2.2 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 实现,其内部有梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯形网络输入端的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定,即 GPOS 与 GNEG 两端电压差,而这个参考电压可通过单片机进行运算被控制 D/A 转换器输出控制电压得到。如图 3-9 所示为 AD603 内部结构图。图 3-9 AD603 内部结构图
22、固定增益放大器的增益 Gain 通过 VOUT 与 FDBK 端的连接形式拟定,本设计采用宽频带模式(90MHz 带宽),即 VOUT 与 FDBK 端短路连接,如图 3-10 所示,AD603的增益被设立为-10dB+30dB。图 3-10 AD603 宽频带连接方式 AD603 的基本增益可以用下式31算出:GGain(dB)=40V +10 (31)其中,VG是差分输入电压,即 GPOS 与 GNEG 两端电压差,单位是 V,范围为0.5V0.5V。Gain 是 AD603 的基本增益,单位是 dB。变化范围为10dB30dB。13 为满足题目规定最大增益40dB 规定,需要进行两级级联
23、,如图 3-11 所示,图 3-11 可控增益放大级电路连接原理图 那么级联后总增益为:GGain(dB)=80V +20 (32)总增益变化范围是20dB+60dB,可以满足题目增益 10dB+40dB 规定。14 从 3-2 式可以看出,以 dB 作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。由此可以得出,只要单片机进行简朴的线性计算就可以控制对数增益,增益步进可以很准确的实现。15 2.2.3 低通滤波部分 为了满足题目带宽规定,同时克制高频干扰。在可控增益放大部分之后加入一个低通滤波器。低通滤波器采用一个无源 LC 滤波器,它是运用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。无源 L
24、C 滤波器的优点是:电路比较简朴,不需要直流电源供电,可靠性高;缺陷是:通带内的信号有能量损耗。为了使通带内的信尽量平坦,选用通带比较平坦的巴特沃斯滤波器。16 为满足题目规定,设计了一个 5 阶巴特沃斯 10M 无源低通滤波器,进行滤波。由于传统的设计方法,实现繁琐。需要进行理论推倒和公式化简,不易实现。本设计使用了专业滤波器设计软件 Filter Solutions 进行滤波器设计。如图 3-12为 Filter Solutions 的控制面板。图 3-12 Filter Solutions 控制面板图 以下是 5 阶巴特沃斯 10M 无源低通滤波器的设计环节:、根据滤波器的设计规定,在
25、filter type 中选择滤波器的类型为butterworth(巴特沃斯);、在 filter class 中选择滤波器的种类为 Low Pass(低通);、在 filter Attributes 中设立滤波器的阶数(Order)为 5,通频带频率(Passband frequency)为 10M;、在 Implementation 中选择有 passive(无源滤波器);、在 Freq Scale 中选择 Hertz 和 Log,假如选择了 Rad/Sec,则要注意Rad/Sec6.28Hertz;、在 Graph Limits 中设立好图像的最大频率和最小频率,最大频率要大于通频带的截
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 宽带 放大器 设计 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精***】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精***】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。