第十二组——可控放大器.doc

可控放大器摘要：本系统用单片机AT89C51对可控电压增益芯片VCA810及可编程滤波器芯片MAX264 进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行增益控制及低通、高通、带通滤波处理，增益范围060dB可调，滤波器的中心频率在1kHz20kHz 频率范围内实现64 级程控调节，其Q 值在0.564 范围实现步进可调。通过模拟开关，选择低通、高通、带通滤波通道，实现滤波器设置。末级使用BUF634作为功率推动级，输出电流可达500mA，远远超过题目要求。关键词：AT89C51、MAX264、VCA810、BUF634目录一、系统方案11系统方案设计与论证11.1前置放大电路的设计11.2程控增益放大部分11.3滤波部分11.4 后级放大部分11.5 后级滤波部分12.系统整体方案设计2二、理论分析与计算21.滤波器的截止频率22.低通滤波器参数选取33.高通滤波器参数选取34.通频带计算3三、电路与程序设计41.各单元电路设计41.1前置放大电路41.2可控增益放大电路41.3滤波电路41.4后级放大电路52.软件设计5四、测试方案与测试结果61.放大器测试62. 程控滤波器的测试7五、参考文献7附录：完整程序87一、系统方案1系统方案设计与论证1.1前置放大电路的设计 方案一：用ML324放大器，其电源电流很小且与电源电压无关，输入偏流电阻是电流补偿的，不需外接连接补偿，可做到输出电平与数字电路兼容，但其带宽参数无法本设计要求故不采用。 方案二：采用OPA228放大器，低噪声，精密放大器。其带宽可达到33MHZ。用它实现系统的预放大，增益为20dB。1.2程控增益放大部分 方案一：采用普通宽带运算放大器构成放大电路，分立元件构成AGC控制电路，利用包络检波反馈至放大器的方法控制放大倍数。采用场效应管作为AGC控制可实现高频率和低噪声，但温度、电源等漂移将引起分压比变化，采用这种设计方案难以实现。 方案二：采用可编程放大器的思想，将VCA810的控制电压（-2V0V）最小值-2V作为DA转换器的基准电压，用单片机控制D/A转换器的输出，该输出模拟电压控制VCA810的增益，从而实现放大器增益可调。该方案简单易行，可轻易实现60dB增益调节，故采用此方案。1.3滤波部分 方案一：使用RC网络， RC电路尽管可以做到体积小和廉价，但要满足此设计要求，需多个图2结构并联，网络仍然过于庞大。而且其上半周内电容C中积蓄得能量到下半周就会被电阻R消耗一半，因此单纯的RC电路Q值不会大于0.5，选择性差，效果同样不佳。所以我们不采用。 方案二：引脚可编程的开关电容滤波器MAX264。该器件内部集成了滤波器所需的电阻、电容，无需外接器件，且其中心频率、Q值及工作模式都可通过引脚编程设置进行控制。MAX264可工作于带通、低通、高通、带陷或是全通模式下，其通带截止频率可达140 kHz。1.4 后级放大部分 方案一：采用三极管作射级电流放大，此方法虽然简单，但性能不可靠，故不采用。 方案二：采用TI公司生产的功放集成芯片BUF634，单片可提供250mA的输出电流，性能可靠，故采用。1.5 后级滤波部分 为了达到理想效果，我们在后级增加了一级25KHz低通滤波部分，以滤除前级带来的无用杂波干扰。2.系统整体方案设计 本系统采用VCA810实现增益控制，采用MAX264实现滤波器设置，采用模拟开关CD4052控制滤波器选通，实现不同滤波器间的切换，采用BUF634实现末级驱动，采用AT89C51直接驱动液晶显示和键盘控制。系统框图见图一：图一 系统框架图二、理论分析与计算1.滤波器的截止频率MAX264 内集成了设计滤波器所需的电阻电容，在应用中几乎不用接外部器件，使用非常简单，其中心频率，Q值及工作模式都可以通过对引脚编程控制，时钟输入（外接时钟信号或晶振）和5比特编码控制可以精确的设置中心频率及Q值（0.564），可使其通带截止频率达140KHZ。低通滤波模式下：Q=64/(128-N)/=(N+13)高通模式下：Q=64/(128-N)/=(N+13)fd:低通截止频率 fch：高通截止频率fo：中心频率 Q：滤波电路品质因素由上述四个独立变量的关系可知，要满足在120KHZ范围内可以步进1KHZ的要求，通过改变MAX264的输入时钟频率fdk，编程设置Q端和F端来实现。2.低通滤波器参数选取 经分析知2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB。而放大器的增益为40dB，所以滤波器在2fc处的衰减A要大于等于10dB。但为了保证设计指标的可靠性，本系统将此衰减定为20dB，因而采用2个二阶滤波器级联得到一个四阶滤波器，增加滤波器陡度。3.高通滤波器参数选取系统采用开关电容滤波器MAX264实现高通滤波器。该器件内部结构与MAX297相似，但其中心频率f0与Q值由外置引脚编程设置。将MAX264的Q值设置为0790,fclk/f0设置为18535。通过改变外部时钟fclk控制高通滤波器的3 dB截止频率f0。4.通频带计算系统选用模式三实现低通、高通、带通。同时89C51的信号送到MAX264的CLKA和CLKB引脚作为时钟信号及晶振频率1/6及2MHZ作为MAX264的外部时钟频率，MAX处理的输入信号的范围为15KHZKHZ，通过改变编程数据实现中心频率的调节。（fclk/f0=40.84+1.57N1及Q=64/128-N2）。三、电路与程序设计1.各单元电路设计1.1前置放大电路 本电路用OPA228芯片采用同相放大器来完成，将输入电压放大20dB。实现输入微弱信号的预放大。电路图如图二所示：图二 前置放大电路1.2可控增益放大电路 本电路的实现的芯片采用VCA810，1脚和8脚作为输入端，经5脚输出。3脚用于控制，与D/A连接，通过数模信号的转换实现电路的放大。电路图如图三所示：图三 可控增益放大电路1.3滤波电路 滤波电路采用MAXIM公司生产的通用开关电容滤波器芯片MAX264。利用单片机控制时钟频率可以生成低通、高通、带通等滤波器，截止频率可调。1.4后级放大电路 题目要求在60dB增益下带动1k负载，也即需要有I=(20mv*1000)/1000=20mA的输出电流，而BUF634有250mA的输出电流，远远超过题目要求。电路图如图四所示：图四 后级放大电路2.软件设计系统软件设计较为简单，显示了友好的人机界面，利用单片机内部D/A对外部输入信号进行采样并数模转换，提高电路电压的放大倍数，用模拟开关控制低通、高通、带通滤波器的选择。软件流程如图五所示：开始初始化S有无按下判断键值低通高通带通增益参数设置显示返回图五 程序流程图四、测试方案与测试结果1.放大器测试 分别对1060dB，输入为10mV时，输出电压的测试，测试数据如下表：增益（dB）Vi(mv)Vout1010201030104010501060102. 程控滤波器的测试 当输入电压为10mV时，对其频率，输出电压进行测试，测试数据如下：Vi10101010101010101010fVo