《924611436基于单片机控制的放大器参数测试仪的毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《924611436基于单片机控制的放大器参数测试仪的毕业设计.doc（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、一、题目要求和方案论证题目要求：1）制作出放大器参数测试仪1） 测试参数的种类、数量自定，电压增益不小于1000，输出幅度不小于10V；2） 测试参数的精度自定；3） 测试仪的功能，例如对测试的结果是否存储、显示、打印等自定。方案论证：方案一：基于模拟器件的信号处理方法整机测试指标：放大器放大倍数，输入阻抗，输出阻抗，最大不失真电压。电路实现方法：前端信号采用8038集成函数发生器产生测量信号，频率的改变利用改变外界的电阻方法来实现。放大器输出幅度的测量采用二级管检波的方法进行测量，同时利用模拟除法电路对输入信号和输出信号进行运算，从而得到放大器的放大倍数。对于最大不失真电压的测量采用模拟滤波
2、法，众所周知，在放大器输出电压失真的情况下，会产生谐波分量，利用低通和高通滤波器，我们便可以将基波分量和谐波分量分离出来，从而得到基波分量与谐波分量的比值，根据比值的大小，我们便可以判断出失真与否，还有失真的程度，即完成了对放大器参数的测量。基于模拟器件的信号处理系统是一种比较传统的信号处理方法，一般应包括放大器、滤波器、乘法器、除法器等。这种系统实时性比较好，而且如果没有对精度的特殊要求，它的造价一般也比较低。但用于这种场合是不合适的，原因在于这一信号处理系统要用到除法器，而模拟除法器要达到比较高的精度，其造价是比较高的，而且调试也比较困难，稳定性很难保证，因此本设计将不采用模拟器件作为核心
3、的信号处理系统。方案二：基于CPLD作主控单元数字测量与分析方法整机测试指标：幅频特性、输入阻抗、输出阻抗、最大不失真电压、失真度的测量；电路实现方法：前级信号源利用FPGA来实现，通过DDS技术产生频率和幅度可程控的信号源，用于对放大器的测量；后级输入阻抗，输出阻抗，最大不失真电压，失真度的测量，采用CPLD控制外接高速AD进行数据采集与处理，从而得到对放大器参数的测量。方案的优缺点：优点：完全依靠于数字化的测量，比如对最大不失真电压的测量，可以利用CPLD进行FFT，从而完成对信号频谱的分析，得到最大不失真电压和失真度的测量。此种方案处理速度快，实时性好。缺点：成本高，编程任务重，同时针对
4、题目的要求，由于电压增益不小于1000倍，输出幅度不小于10V,可以很明显的看出，测量对象是低频放大器，因此对主控单元的处理速度要求不是非常严格，因此设计过程中没有采用此方案。方案三：基于单片机作为主控单元，利用数字器件的测量整机测试指标：幅频特性、输入阻抗、输出阻抗、最大不失真电压；电路实现方法：信号源采用AD9850进行生成，采用AD9850的最大优点是频率可控，频率稳定度高，且幅度稳定，一般不需要外界的附加电路便可以实现，从而给电路的设计带来方便，放大器的输入阻抗测量采用等效电阻法进行测量，放大器的输出阻抗利用双重负载法进行测量，大负载接入放大器输出端，可以将电压信号完全采集出来，而利用
5、小负载时，由于放大器本身存在内阻，因此当小负载可以和放大器的输出电阻相匹配的时候，便可以等效为放大器的输出电阻和小电阻进行分压，从而利用公式可以求得放大器的输出电阻。而最大不失真电压的测量采用了频域计算的方法，通过时域的测量并进行了变换得到了最大不失真电压。另外系统采用此方案，有许多优点，例如不易受干扰、重复性好、调试容易、稳定性好等，最突出的是精度高。缺点是：实时性较差、系统复杂，造价稍高，需要较多的开发经验。对于这一系统，由于对实时性要求不是太高，而精度是主要矛盾，因此我们决定选取基于数字器件的信号处理系统，来完成本设计。综上所述，我们选择方案三，通过分析可以看到，方案一没有充分应用现在电
6、子器件的大规模集成电路，因此，实现的功能不能够达到智能仪器的要求；方案二虽然应用了大规模集成电路，但是成本较高，同时由于测量的放大器是低频放大器，因此对速度要求不是非常严格，因此完全可以利用单片机来作为主控单元，同时前端信号的产生，利用了AD公司的单片DDS专用芯片AD9850来实现，它具备与单片机方便的接口，可以通过单片机编程实现对其产生信号频率的控制，缩短了整机的开发时间。二、整机工作原理与功能实现1、 系统的方框图设计待测放大器人机界面放大器测试仪123 图2-1 系统设计方框图以上框图中表示的为放大器参数测试仪的主要组成。1） 待测放大器：待测放大器的主要技术指标均已达到或超过题目当中
7、给定的测量指标。经过直接测量，放大器的最大放大倍数为1200倍，输出最大不失真电压为14V,输入阻抗为10K，输出阻抗为50-100欧姆。由此可见，这样的低频模拟放大器基本可以满足我们的测试要求。待测放大器电路采用集成运算放大器完成，集成运算放大器性能指标大大优于晶体管组成的分立元件放大器。理想集成运算放大器的主要特点：差模增益趋向于无穷大，输入电阻趋向于无穷大，即两个输入端之间的等效电阻很大。集成运放的共模抑制比很大，通常大于80至100dB。关于集成运放的输出端与输入端之间相位关系特性主要有下列几点：同相输入端与输出端的信号相位相同，反负相输入端与输出端信号相位相反。在反相输入端信号电压不
8、变时，同相输入端的输入信号电压增大，输出端的信号也在增大；同相输入端的输入信号电压减小，输出端的信号也在减小。在同相输入端信号电压不变时，反相输入端的信号电压增大，输出端的信号电压减小；反相输入端的信号电压减小，输出端的信号电压增大。集成运放的输出电压由下式决定：UoAo（Ui1Ui2）式中：Uo为集成运放的输出电压；Ao为集成运放的开环放大倍数；Ui1为集成运放同相输入端信号电压；Ui2为集成运放反相输入端信号电压。从上式中可以看出，当输入信号电压UO1大于输入信号UO2时，输出信号电压UO1大于零（为正）；当输入信号电压UO1小于输入信号UO2时，输出信号电压UO1小于零（为负）。为了电路
9、分析和计算的方便，需要将电路中的集成运放看成是一个理想的集成运算放大器，显然当集成运算放大器的性能愈好时，计算和误差就会愈小，所设计的实际电路与理论计算就愈接近。1：反相放大器反相输入运算放大器的输入输出关系为+_+Uo_+Ui_R1RfRpUo=- Auf Ui=-Rf Ui/R1输入电阻 Ri=R1输出电阻Ro0平衡电阻Rp=R1/Rf 图2-2 反相放大器电路反馈电阻的阻值不可太大，否则会产生教大的噪声及漂移，一般为几十千欧到几百兆欧。R1的取值应远小于信号源的内阻。反相放大器的实际输出电阻在一定的输入电压Ui作用下，反相放大器的输出端可以看作是电势为一定值的有源二端网络，其等效输出电阻
10、是在无负载时输出开路电压Uo除以负载短路电流Ik，Roe=Uo/Ik如下图2-3所示，由于输出端短路接地，输出对反相端的反馈电压为零，反相端对地的电压为输入电压Ui的分压值+Ui-R1U-R2RdR3I2Ro+Eo-IoIk图2-3 放大器输出电阻等效计算电路U- =UiR2/（Rd+R3）/R1+R2/（Rd+R3） =UiR2（Rd+R3）/R2（Rd+R3）+R1（R2+R3+Rd）差模输入电压经过差模放大后的输出电压为Eo= -Ad（U-U+）=-AdU-Rd/（Rd+R3）反相放大器的输出短路电流Ik是Eo经过Ro的短路电流Io和经R2流入地的电流I2之和。则有Ik=Eo/Ro+U-
11、/R2=-AdR2Rd+Ro（Rd+R3）Ui/RoR2（Rd+R3）+R1（R2+R3+Rd）由以上式子可求得反相放大器的等效输出电阻为Roe=Uo/Ik=RoR2（Rd+R3）+R1（R2+R3+Rd）/RdR1Ad+（Rd+R3）（R2+Ro）+R1（R2+R3+Rd+Ro）因为RoR1、R2，则RoeRo/（1+Ad F）可见反相放大器的输出电阻与集成运放的输出电阻Ro相比，降低了（1+Ad F）倍。当输入交流信号时，由于运放的开环增益是频率的函数，反相放大器的输出阻抗也是频率的函数，则Zoe=Zo/1+Ad（j）F一般信号频率n，则输出阻抗ZoeRo/（1+AdF），当输出频率比较高
12、时，输出阻抗将有很大的变化。2：同相放大器 同相放大器的电路图如下图2-4所示：+_+Uo_+Ui_R1RfRp图2-4 同相放大器电路输入与输出之间的关系为 Uo=（R1+Rf）Ui/R1输入电阻 Ri=ric此式中ric 为运放本身同相端对地的共模输入电阻，一般比较大，约为100兆欧母左右。同相放大器的输出电阻与反相放大器的输出电阻一样 Ro0平衡电阻为 Rp=R1/Rf同相放大器与反相放大器相比，同相放大器具有很高的输入电阻和很低的输出电阻是很好的阻抗变换器。2）放大器测试仪：这是测试放大器的最关键的部分，此部分可以实现对输入阻抗，输出阻抗，最大不失真电压，幅频特性的测量。主要框图如下：
13、信号源待测放大器检波器多路开关A/D数据采集主控器MCU锁存器图2-5 放大器参数测试原理框图3）人机界面：主要由两大部分组成，分别为上位机显示界面和下位机操作系统所构成。对于下位机的操作系统主要包括，键盘部分，数码管显示部分，数据上传部分，电源部分所构成。其中，利用键盘，用户可以选择要测量的放大器参量，从而进行相应的测量；数码管显示部分，可以显示用户操作是否正确，操作的提示信息等附加功能；数据上传部分是整个系统的连接纽带，负责向上位机传送测得的数据；电源部分主要为整个系统提供稳定的工作电源。2、各级电路的选取以及工作原理1）幅频特性测量电路的选取采用检波法测量输入输出的信号幅度，然后进行除法
14、运算，从而达到了测量幅频特性的目的。对于前端信号利用了AD公司的专用集成芯片AD9850，它具有于单片机便捷的接口，因此可以通过软件对输出信号的频率进行控制，由于测量的对象是低频放大器，因此我们使AD9850输出的频率范围是从0500KHZ, 幅度的测量通过二极管检波。在实际电路当中，根据实际需要对电路参数进行了恰当的设置。为了保护AD9850，同时减小信号源的输出阻抗，我们在AD9850的后侧放了一级射随，采用了AD813完成，此运算放大器的带宽为10MHZ,完全可以满足我们的需要，信号经过射随之后，经过检波管进行检波，所得的直流进入A/D,放大器的输出信号也要经过检波管进行检波,防止检波电路对前级放大器输出造成影响，因此在放大器与检波器之间加了一级的缓冲，从而达到了相互隔离的目的。检波之后，得到的直流进入A/D转换，A/D的输入切换通过模拟开关来实现，虽然模拟开关在导通时有一定的内阻，但是电路采用模拟开关，切换的是电压信号，用模拟开关便可达到这一目的，并且不会给系统带来特别大的误差；如果采用继电器，虽然导通内阻为零，但是切换速度不能过快，给系统的实时性造成影响。鉴于此种原因，我们选择了模拟开关实现对电压信号的切换测量。A/D转换器，我们
