宽带放大器的设计与研究毕业设计

宽带放大器的设计与研究毕业设计内容摘要：

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主要有 LED数码管、LCD 液晶。 LED 数码管 其特点是工作电压低，清晰悦目，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，不能完成本系统显示要求。 同时数码管需要动态扫描，占用大量 CPU资源，实践中很容易造成时序混乱。 LCD 液晶显示器是利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。 缺点是远距离显示不够清晰，工作温度范围较窄。 本系统显示只需要近距离观看，同时工作在室温，可以忽略其缺点。 液晶显示还有一个突出有点，占用 I/O 口较少，内部含有存储器，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。 能够很好完成本系统的显示任务。 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35 所示。 图 35 1602液晶显示与单片机接口 . . A/D 和 D/A 转换器 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 36 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 D3～D0，再传送高八位数据 D11～ D4。 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 36 MAX197典型接法 D/A 转换器 本系 统要求进行增益可控，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 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 内部含有精密电压基准，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177。 12V～ 177。 15V 供电，低功耗。 [12] DAC667 同样采用数据线复用，分时传送的方法。 如图 37 所示，采用 4 位 I/O传送方式，通过改变控制端 A3～ A0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 37 DAC667典型接法 系统核心部分模块 前级放大部分 由于 AD603 输入阻抗小，大约只有 100Ω，设计要求放大器的输入阻抗 ≥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；另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 AD818 做前级缓冲，其带宽增益积为 100MHz，其输入阻抗为。 如图 38 所示为输入. . 缓冲级的电路连接原理图。 图 38 输入缓冲级电路连接原理图 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 39所示为 AD603 内部结构图。 图 39 AD603内部结构图 . . 固定增益放大器的增益 Gain 通过 VOUT 与 FDBK 端的连接形式确定，本设计采用宽频带模式（ 90MHz 带宽），即 VOUT与 FDBK 端短路连接，如图 310所示， AD603的增益被设置为 10dB～ +30dB。 图 310 AD603宽频带连接方式 AD603 的基本增益可以用下式 3－ 1算出： GG a in ( d B ) = 4 0 V + 1 0 （ 3－ 1） 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－ ～＋。 Gain 是 AD603 的基本增益 ,单位是 dB。 变化范围为－ 10dB～＋30dB。 [13] 为满足题目要求最大增益  40dB 要求 ,需要进行两级级联，如图 311所示， 图 311 可控增益放大级电路连接原理图 那么级联后总增益为： . . GG a in ( d B ) = 8 0 V + 2 0 （ 3－ 2） 总增益变化范围是－ 20dB～ +60dB，能够满足题目增益 10dB～ +40dB要求。 [14] 从 32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，只要单片机进行简单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] 低通滤波部分 为了满足题目带宽要求，同时抑制高频干扰。 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，它是利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 LC 滤波器的优点是： 电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：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] 为满足题目要求，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 312为 Filter Solutions 的控制面板。 图 312 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步骤： １、根据滤波器的设计要求，在 filter type 中选择滤波器的类型为butterworth（巴特沃斯）； ２、在 filter class 中选择滤波器的种类为 Low Pass(低通）； ３、在 filter Attributes 中设置滤波器的阶数 （ Order）为 5，通频带频率（ Passband frequency）为 10M； . . ４、在 Implementation 中选择有 passive（无源滤波器）； ５、在 Freq Scale 中选择 Hertz 和 Log，如果选择 了 Rad/Sec，则要注意Rad/Sec＝ ＊ Hertz； ６、在 Graph Limits 中设置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止频率；在 Passive Design/Ideal Filter Response 中观察传输函数 (Transfer Function)、时域响应 (Time Response)、零极点图 (Pole Zero Plots)、频域响应 (Frequency Response)的图像； ７、在 Circuit Parmaters中设置源电阻 (Source Res)和负 载电阻 (Load Res)。 最后点击 Circuits 观察滤波器电路图； 根据以上步骤完成了一个 5 阶巴特沃斯 10M 无源低通滤波器的设计，如图312 所示为滤波器电路图。 如图 313 所示为滤波器的频域响应图像。 1 9 6 pF 1 9 6 pF6 3 6 pF1 . 2 8 8 uH 1 . 2 8 8 uH50Ω50ΩA D 6 0 3 O U T FI L T E R O U T 图 312 低通滤波器电路图 图 313 滤波器的频域响应 . . 功率放大部分 输出级承担 50Ω 的负载，基本要求输出电压的有效值大于 3V,同时由于低通滤波电路会造成信号衰减为原来幅值的一半，所以需要加后级功率放大电路。 本设计采用高速单运放 AD811 完成放大。 AD811 为电流反馈型宽带运 放，其带宽增益积为 140MHz， 177。 1 2V供电，增益为 10 dB 的情况下， 3 dB 带宽达 100MHz,远远满足本系统的宽带放大要求，有177。 12V 的输出摆幅，且输出电流最大可达100mA，完全可满足峰峰值要求。 如图 314 所示为功率放大级的电路连接原理图。 A D 8 1 1 A N324761 0 0 p F1 0 0 p F2 2 u F2 2 u F12V1 2 V1kΩ1kΩF I L T E R O U TP A O U T 如图 314 功率放大级电路连接原理图 有效值检测模块 设计引入电压有效值检测芯片 AD637 检测电压。 AD637 可测量的信号有效值可高达 7V, AD637 是 AD 公司 RMSDC 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 采样来进行单片机处理，实现液晶显示。 根据芯片手册所给出的计算真有经验公式为： 2inmsmsVV V （ 3－ 3） 其中， inV 为输入电压， msV 为输出电压有效值。 . . AD637 的典型连接方式如 图 315 所示。 图 315 AD637的典型配置方式及内部原理图 直流稳压电源模块 直流稳压电源模块在整个系统中有非常重要的作用。 由于系统信号的频率较高，电源的稳定性决定着整个系统的稳定性，所以要求电源输出稳定，纹波小。 考虑到 开关稳压电源 虽然 效率高，但电路复杂 , 开关电源的工作频率通常为几十～几百 KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易带来串扰。 线性稳压电源包括并联型和串联型两种结构。 并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是采用 集成三端稳压器，更是方便可靠。 综合考虑以上因素，选择串联型线性稳压电源作为直流稳压电源模块。 [10] 直流稳压电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。 其原理框图如图 316所示。 图 315 直流稳压电源原理框图 其各部分介绍如下： 电源变压器：将电网交流电电压 U1（ 220V）转换成整流电路所需要的电压 U2（ 15～ 20V）。 特别需要注意的是电源变压器的选型，由于电源需要提供正负. . 电压，电源变压器需要带有中心抽头作为零电势点，否则无法产生负电压。 整流电路：将交流电压 U2转 换为单相脉动直流电压 U3。 整流电路采用桥式整流电路，整流是利用二极管的单相导电性来实现的。 输出电压的平均值可由公式 3－ 4求得： 3 2 2 201 2 22 s in 0 . 9U U U U       d （ 3－ 4） 滤波电路：将脉动直流电压滤除纹波，转换成纹波小的直流电压 U4。 本设计采用大电容滤波。 电容滤波是最简单的滤波方式，它是在整流电路的负载上并联一个大电容 C。 电容为带有正、负极性的大电容电容器。 输出平均电压可按公式 3－ 5进行计算：  （ 3－ 5） 稳压电路：起作用是将当交流电网电压波动或者负载变化时，保证输出直流电压稳定。 稳压电路采用集成稳压模块实现。 其中正负 12V，正负 5V都可以使用相应的固定输出的三端稳压芯片， LM780 LM790 LM781 LM7912。 输出电压平均值可按公式 3－ 6进行计算： 4opU U U （ 3－ 5） 式中， pU 为稳压器的降 压，一般为 2～ 15V。 根据以上四个步骤进行直流稳压电源的设计，其电路图如图 315 所示。 图 317 直流稳压电源电路原理图 . . 第四章 软件设计 软件开发环境 软件开发使用常见。