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1、宽带直流放大器设计报告宽带直流放大器摘 要：本设计采用STC89C52RD单片作为其测试和控制核心，能够测试放大前后信号的有效值,通过闭环反馈,实现放大增益的稳定。本系统用单片机控制模拟开关进行增益程控，控制A/D1100采样，控制数模转换器反馈增益状态，控制LCD数据显示，使整个系统能够协调工作,实现宽带直流放大、稳定增益、增益连续调节的功能，AGC功能，高、低频功率放大。关键词：宽带直流放大，功率放大，AD1100，AGC1. 系统方案1.1系统基本方案经研究，本系统可以分为以下几个基本系统：处理器，控制放大系统，显示、按统，检波、反馈系统。通过按键进行频率范围选择，放大增益选择。经处理器
2、处理后，输出指令，控制放大系统选择正确的放大通道增益。在输出端设置检波，处理器分析输出信号后，将反馈信号回馈给放大系统，以达到增益稳定的效果。系统框图构架如图。显示、按键系统控制放大系统控制处理器检波反馈系统图1-1 基本系统框图1.1.1 处理器的选择根据宽带放大器的性能要求，本系统需要处理器辅助的步骤有：测得输入电压信号的频率、根据输入信 号频率选择不同的放大通道、将当前的放大状态和放大倍数显示于LCD。分析可以发现该系统对处理器的要求并高，只要保证能够测得较为精确的信号频率，因此我们决定选用STC51系列单片机，其中一款STC5A6S2自带了0Hz至4MHz测频功能，该处理器既能很好地完
3、成处理任务又可以降低制作成本。1.1.2 模块方案比较、论证和选择(1) 检波反馈模块：为了得到稳定的放大增益，且达到要求的1dB的波动范围，首先要在输出端设置一个输出信号的幅值检测点，处理分析后合成反馈信号。方案一： 利用AD637作有效值检测，AD637使用简单，且精度较好，但是在我们测试时发现，它的高频响应并不是很好，因此我们试图采用其他的方案。方案二：在隔除直流的前提下，交流信号的峰值与其有效值呈线性比例关系。因此可以采用包络电路提取其峰值，经过包络电路后的信号为一直流信号，容易测得。测试效果较好。比较结果：方案二制作稍复杂，但价格较AD637便宜许多，且其高频响应 较好，因此选用包络
4、电路作检波电路。(2) 控制放大模块模块描述方案一：按照要求，设计的放大器能够在0Hz10MHz能将信号稳定地放大为特定增益。根据不同运放的频率特性，分别制作不同频段的放大器，然后同过测频后选择不同的放大通道。方案二：方案一在测试中发现许多问题，三个频段的放大器若要保证增益幅度稳定在1dB内，容易导致频段难以连接，故方案二为方案一的改进方案。高频段应用比较高级的放大器AD603替代AD811，中低频段只用OP07。高、低频段的信号经两级放大后再设一级功率放大，保证输出的信号在电压放大的同时能够获得足够的电流。比较结果：如上分析，显然使用方案二。(3) 显示模块方案一：采用八位共阳极LED数码管
5、进行显示，利用单片机I/O口动态循环输出的方法，将相应的段码值输入，并开相应LED的三极管。方案二：采用点阵字符型LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。比较结果：液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富。数码管显示驱动简单，但是不能显示高精度数位。综合考虑，选用LCD来实现显示功能2.系统硬件设计与分析计算2.1系统硬件的基本组成部分(1)运放：该器件在本系中构成了同相、反相电压跟随器，放大器等重要器件。(2)电源：该本分由变压器、稳压电路构成。(3)模拟开关：该器件在本系统中担任了放大增益控制的
6、功能，多作为比例放大 电器的反馈电阻选通器件。受单片机控制。(4)单片机：总控制器，但任外部命令的接受和执行，并且根据系统内部的反馈信息进行自动处理，保证系统内部正常工作。(5)模数、数模转换器：主要出现在ACG电路中，AD作为电压数据的采集，DA将内部需要反馈的信息以模拟状态输出。2.2主要单元电路的设计2.2.1 高频放大部分电路设计电路功能：该部分电路能够将1KHz20MH的模拟小信号放大060dB，误差1dB。能够完成5dB步进增长(1) 电压跟随：由于运放的阻抗可以近似认为是无穷大，而在实际电路中，为了不影响前级电路的正常工作，我们常常采用运放构成的电压跟随以提高输入阻抗，使电路稳定
7、工作。在高频部分中，由于OPA642频率响应好，因此我们采用OPA642作电压跟随器。(2) AD603的使用：该方大部分采用典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为10+30dB，输入控制电压U的范围为0.50.5V。增益和控制电压的关系为：二级放大后，增益变为：一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为AG(dB)=40U1+40U2+20，增益范围是20+60dB，满足题目要求。具体连接电路见附录。(3) 连续增益调节：2.2.2 中低频放大部分电路设计电路功能：该部分电路能够将0Hz1KHz的模拟小信号放大060dB，误差1dB。(1) 电压跟随：而在中低频放大电路
8、中我们直接采用OP07作电压跟随，原理在前文已作简要介绍。(2) OP07放大电路采用反相比例放大电路的方法连接短路，采用三级放大。具体连接方式见附录电路图。 2.2.3功放电路(1) 高频功率放大：选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行电压合成和电流放大 (2) 低频功率放大：TIP122与8050构成达林顿功放管。2.2.4 电源电路采用变压器、整流桥和稳压电路构成了18V、15V、5V直流电源。2.2.5 AGC电路设计该电路通过包络电路，经AD采样、单片机处理、应用DA将反馈信号送回AD603,进行
9、增益控制。2.2主要参数的理论计算与分析(1) 带宽增益积：根据要求，该放大器要能够放大至少10M频率的正弦波，增益至少60dB，根据带宽增益积的定义，其理论值至少为：(2) 通频带内增益起伏的控制：当输入信号的频率增加，放大器的增益会有所下降。为了获得稳定的放大增益，我们在放大信号的输出端设置一检波电路，产生电压包络。将输出端引入AD转换器，经过弹片机判断后将反馈信号返回给前端放大器，适当提高增益，使得增益稳定在要求的范围内。根据计算，包络电路参数如图所示。图 检波电路(3) 线性相位：一般地，一个单一频率的正弦信号通过一个系统，这个信号的输出相位可能落后于原信号的相位。而在实际系统中，一个
10、输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间是一样的。现假设有两组正弦波：、当它们经过放大器后成为：、。若要求相位不变，则：因此只要在完成放大器设计后，记录获得一的曲线，若其线性度不佳，则要在电路中进行频率补偿。(4) 抑制直流零点漂移：本系统放大部分未使用差动放大电路，因此在温度等因素的影响下很可能产生零票漂，为此我们在级间设置了直流负反馈。(5) 放大器稳定性：在完成高频项目时，地线干扰非常强烈，因此，每过一段距离需要安置一滤波电容。在调试放大器时，特别注意防止自激振荡。 3. 系统的软件设计3.1 系统的总体框图4.
11、 系统测试4.1测试方案 根据题目要求，需要测试的指标有：(1) 带宽增益积(2) 通频带内增益起伏控制(3) 线性相位(4) 抑制直流零点漂移(5) 放大器上、下截止频率(6) 电路工作状态(6) 电压放大增益及通频带4.2 测试仪器测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表4.1.1所示。表4.1.1测试使用的仪器设备仪器名称型 号指 标生产厂家数 量稳压电源HG63303030VHuagao2数字万用表VC9807A+ 4位半VICIOR 1PC机戴尔P1.7G/2G内存 戴尔公司1 信号发生器DG10220100MHz RIGOL1数字示波器DS1062C60MHZRIGOL1 4.3 指标
12、测试结果4.2.1 放大器数据测试结果：理论值1234567实际增益（dB）014.530.740350555.359.7带宽(Hz)01K50K100K1M5M10M增益理论值（dB）0153045505560放大前（mv）10101010101010放大后（mv）1052.3310169032055700102064.2.2项目检测检查项目数值完成情况及备注带宽增益积1.5GHz（测得）通频带内增益起伏控制1dB线性相位相位关系呈现性抑制直流零点漂移略有零点漂移LCD显示状态正常低频放大器上截止频率50KHz高频放大器上截止频率40KHz高频放大器下截止频率90MHz4.4 测试结果分析基
13、本部分：能够实现对通用运放基本参数的测量；输入失调电压和输入失调电流的误差绝对值小于3%，交流差模开环电压增益和交流共模抑制比的绝对值误差小于3dB；系统能够提供频率为5Hz，电压有效值为4V的正弦波信号，且误差小于1%；自己制作了标准测试电路，并且能准确测量其参数。发挥部分：系统能够输出一个频率范围为40KHz4MHz扫频信号源，且误差绝对值小于1%；并且系统有单位增益带宽的测试功能；系统增加了自动循环测量功能。5总 结本次设计竞赛，我们采用了单片机技术、在系统可编程技术和模拟技术使三者有机的结合起来。设计理念先进，性能稳定。在测量方面采用了高精度数字测量方法，确保了测量的精度和测量的稳定性。此次竞赛我们多采用了良好的人机界面环境，取得了相当好的显示效果。本次电子设计竞赛促进了我们的团队合作精神，在设计制作的过程中我们充分发挥了团队合作精神。这次竞赛的过程使我们有了一次深刻的经历，我们利用了已学的知识，发挥了自己的才智将课本中介绍的理论方法变成了一种实实在在的作品，我们深深感觉到理论联合实践的重要。另外，这次经历使我们更体会到在任何的艰难困苦乃至绝望的时候一定要保持必胜的信心和坚定的信念。通过这次竞赛我们更加明确了个人以后奋斗发展的目标。 附录：方案框图附一 总体原理图附二 低频、高频运算放大电路- 2 -
