基于AD603程控宽带放大器的设计.docx

武汉理工大学专业课程设计课程设计说明书摘 要本设计是采用ad603可控增益放大器芯片设计的一款高增益，高宽带直流放大器，采用两级级联放大电路了，提高了放大增益，扩展了通频带宽，而且具有良好的抗噪声系数，采用at89s52芯片控制数模转换(dac0832芯片)进行程控放大控制，在020mhz频带内，放大倍数在0-40db之间进行调节，增益起伏为1db。系统具有键盘输入预置，增益可调和液晶显示，具有很强的实际应用能力。关键词：ad603,at89s52,dac0832，程控放大器，高增益放大器1、方案论证及比较1.1 总体方案框图 本系统原理方框图如图1所示。本系统由前置放大器、中间放大器、末级功率放大器、控制器、键盘及稳压电源等组成。其中前置放大器、中间放大器、末级功率放大器构成了信号通道。220v50hz 前置放大器中间放大器末级放大器键盘51单片机控制器uiuo稳压源图1 系统原理框图1.2 增益控制部分方案一 原理框图如图2所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对v的分压。采用场效应管作agc控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。图 2 场效应管放大器电路图方案二 采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速d/a的基准电压，这时的d/a作为一个程控衰减器。理论上讲，只要d/a的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。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，造成增益调节不均匀，精度下降。方案三 使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器pga，用控制电压和增益（db）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图3）。根据题目对放大电路的增益可控的要求,考虑直接选取可调增益的运放实现,如ad603。其内部由r-2r梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型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并控制d/a芯片输出控制电压得来,从而实现较精确的数控。此外ad603能提供由直流到30mhz以上的工作带宽,单级实际工作时可提供超过20db的增益,两级级联后即可得到40db以上的增益,通过后级放大器放大输出,在高频时也可提供超过60db的增益。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。图 3 可变增益的运放放大器电路图综上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器ad603作增益控制。ad603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5db，满足题目要求的精度，其增益（db）与控制电压（v）成线性关系，因此可以很方便地使用d/a输出电压控制放大器的增益。1.3 功率输出部分（末级功率放大器）两片ad603级联构成放大器，可对不同的大小的输入信号进行前级放大。由于ad603的最大输出电压较小，所以需要前级放大信号需经过后级放大达到较高的输出有效值。方案一 ：使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。可是题目要求输出3v以上有效值,而在电子市场很难买到这样的芯片,而我们买到的如ad811,ha-2539 等芯片,虽然输出电压幅度能满足要求,但是很容易发生工作不稳定的情况。方案二 ：使用分立元件自行搭建后级放大器。使用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看来较集成电路灵活。因此自行设计后级放大器优势就很明显了。2、系统硬件设计根据设计的要求,结合考虑过的各种方案,充分利用模拟和数字系统各自的优点,发挥其优势,采用单片机预置和控制放大器增益的方法,大大提高了系统的精度和可控性;后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器,提高了输出电压有效值，使信号都在单片机的数字算法控制下得到最合理的前级放大,使其放大倍数精确。输入信号通过前级可控增益放大,放大倍数由单片机通过d/a转换提供的电压控制。ad603的vg(=v1-v2)根据公式:增益gain=80vg+20(db)来设定,而在agc模式下,此控制电压vg是由agc电路的反馈电压得到,不受单片机控制。经过前级放大后的信号最后经过后级放大得到需要的输出信号,前级和后级增益的搭配,都是经过精确的测量和计算的。2.1 输入缓冲和增益控制部分 2.1.1 芯片ad603简介ad603是美国ad公司推出的一款宽频带、低噪声、低畸变、增益变化范围连续可调的可控增益放大器，其内部结构如图4所示图4 ad603内部结构图ad603的封装引脚及各引脚功能分别如图5和表1所示。图5 ad603引脚图表1 ad603各引脚功能脚号符号功能1vg+增益控制输入正端2vg-增益控制输入负端3vin运放输入4gnd运放公共端5fdbk反馈端6-vcc负电源输入7+vout运放输出8+vcc正电源输入工作模式一般，利用反馈网络(vout与fdbk端的连接方式)来设计ad603的增益时，可设置为以下3种模式：模式1：将vout与fdbk短路，即宽频带模式(90mhz带宽)时增益变化范围为一10+30db；模式2：vout与fdbk之间外接一个电阻rext，fdbk与comm端之间接一个56pf的电容用于频率补偿根据放大器的增益关系式，选取合适的rext，可获得所需要的模式1与模式3之间的增益值当rext=215k时，增益变化范围为0+40db；模式3：vout与fdbk之间开路，fdbk与comm连接一个18pf的电容用于扩展频率响应，该模式为高增益模式，增益范围为1050db，带宽为9mhz。单个的ad603的增益可以用下式进行计算：gain(db)=40vg+g0，其中vg是差动式输入的增益控制电压(1脚到2脚)，范围是-500一+500mv，为统一单位量纲，在公式中单位应当使用伏特，即一0.5v+0.5 v，g0是增益起点，接不同的反馈网络g0有所不同。本设计采用ad603典型接法中通频带最宽的一种（即第二种工作模式），通频带为90mhz，增益为10+30db，输入控制电压u的范围为0.50.5v。图6为ad603接成90mhz带宽的典型方法。图6 ad603接成90mhz带宽的典型电路2.1.2 输入缓冲和增益控制电路输入缓冲和增益控制电路如图7所示，由于ad603的输入电阻只有100，要满足输入电阻大于1k的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；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。故采用高速低噪声电压反馈型运放opa642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。图7 输入缓冲和增益控制电路输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放opa642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到opa642的电压峰峰值不超过其极限（2v）。其输入阻抗大于2.4k。opa642的增益带宽积为400mhz，这里放大3.4倍，100mhz以上的信号被衰减。输入输出端口p1、p2由同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。增益和控制电压的关系为：ag(db)=40ug+10，一级的控制范围只有40db，使用两级串联，增益为ag(db)=80ug+20，增益范围是20+60db，满足题目要求。由于两级放大电路幅频响应曲线相同，所以当两级ad603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90mhz左右，两级放大电路串联后总的3db带宽对应着单级放大电路1.5db带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60mhz。2.2末级放大部分为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，宜采用互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式，典型电路如图8所示。 高频晶体管2n3904为npn型，2n3906为pnp型，是配对的互补管，特征频率ft达200mhz，能保证系统性能要求。由于是深度电压串联负反馈，故输入阻抗较高，输出阻抗低，适合与前端放大器和负载连接。 由图可见，本级avf1/kfv=1+(r10/r9)，如r9、r10为图中标注值，则avf=11，约合20db。其中所有电容，均是为了电源去耦或改善频率特性的。图8 末级功率放大部分原理图2.3 控制部分 该部分由这一部分由51系列单片机at89c52、dac0832、lm324、键盘等组成。方框图如图9所示。 单片机at89c52dac0832lm324至ad603增益控制端键盘图9 控制部分电路2.3.1 单片机最小系统设计单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有软件的载体。本系统采用at89c52是美国atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含8kb的可反复檫写的程序存储器和12b的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元，功能强大的at89c52单片机可灵活应用于各种控制领域。at89c52单片机属于at89c51单片机的增强型，与intel公司的80c52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。主要管脚有：xtal1（19 脚）和xtal2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12mhz 晶振。rst/vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。vcc（40 脚）和vss（20 脚）为供电端口，分别接+5v电源的正负端。p0p3 为可编程通用i/o 脚，其功能用途由软件定义。其管脚如下图10所示：图10 at89c52单片机管脚图本设计中，p0 端口（3239 脚）被定义为n1 功能控制端口，分别与n1的相应功能管脚相连接。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。如图11所示。图11 单片机最小系统2.3.2 dac0832电压输出电路dac0832是采样频率为八位的d/a转换器件，芯片内有两级输入寄存器，使dac0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路d/a异步输入、同步转换等)。d/a转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反馈电阻可通过rfb端引用片内固有电阻，还可以外接。其内部结构和引脚图如图12所示。图12 dac0832内部结构和引脚图dac0832引脚功能说明：di0di7：数据输入线，tll电平。ile：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。cs：片选信号输入线，低电平有效。wr1：为输入寄存器的写选通信号。xfer：数据传送控制信号输入线，低电平有效。wr2：为dac寄存器写选通输入线。iout1:电流输出线。当输入全为1时iout1最大。iout2: 电流输出线。其值与iout1之和为一常数。rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.vcc:电源输入线 (+5v+15v)。vref:基准电压输入线 (-10v+10v)。agnd:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。dgnd:数字地。由于本设计要求增益调节范围为10db40db，按照公式ag=80ug+20(db)，则ug=-1/8v1/4v,故要求dac0832既能输出负电压也能输出正电压。电路如图13所示。图13 dac0832的模拟电压输出电路根据上述电路最终输出电压u=5*(d/128)-5(v),其中d为单片机输入到dac0832的值。要求增益调节范围为10db40db，设定步进级数为6，因此计算的d值如表2所示。表2 增益步进级数对照d值表增益步进级数123456预置增益值/db101622283440ug/v-0.12-0.050.020.10.180.25d1251271291311321353、程序设计系统软件主要包含了系统初始化程序、lcd1602显示程序、键盘程序、da转换程序等。程序流程如图14所示液晶显示程序对单片机处理数据进行显示处理，实现友好人机界面的信息交换da转换主要将键盘输人的键值经过相应的处理以后，转换成二进制数据输送给da芯片的数据口进行转换，经过转换后输出连续可调的模拟电压，用以控制ad603的1脚电压，实现程序控制通过查询方式实现键控增益，并可实时液晶显示。开始系统初始化有键按下？判断键值d/a输出控制增益电压yn按键扫描图14 软件流程图4、系统调试和测试结果将系统整体电路在仿真软件protues连接好，检查线路连接无误后就可以进行仿真了。（1） 输入阻抗。电路的设计保证输入阻抗大于2.4k电阻，满足课设要求。（2） 频率特性测量。增益设为40db档，输入端加峰-峰值为10mv正弦波，再测量输出信号。测试的波形如图15所示，测试数据如表2所示。图15 测试波形表3 频率特性测试数据输入频率/khz输出信号vp-p/v增益/db输入频率/khz输出信号vp-p/v增益/db输入频率/mhz输出信号vp-p/v增益/db（3） 增益误差测量。输入端加峰-峰值为20mv，频率为1mhz的正弦波信号，保持幅度稳定，然后预设增益值测量输出信号来计算增益误差。测试的数据如表3所示。表4 增益误差测试数据表预置增益/db输出信号/mv实际增益/db误差增益/db5、性能分析（1）由表3数据可以得到，3db通频带在低频端达到了1khz，高频端在10mhz以上，由于信号源在10mhz以上测试时需要运行较长的时间故无法测量，从5mhz以上增益的趋势来看最终的通频带应大于10mhz，比较符合猴急功率放大的理论高频截止频率10mhz。在20 khz5mhz频带内增益起伏1db。（2）由表4中可以看出增益误差在 之内，频率较高时，随着输出电压的增大，增益有下降的趋势，这是因为后级功放管工作状态即将接近饱和，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定。（3）测试性能总结 本设计偏重模拟电路的处理，得到了很高的增益和较小噪声，同时也和数字电路、单片机等结合。采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片ad603作为增益控制，利用分立元件做后级功率放大，放弃了较难的宽带放大器，因此设计很灵活也比较容易实现。6、心得与体会7、参考文献7附录一：源程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint un