11级课程设计模版.doc

四川师范大学成都学院宽带通信网方向课程设计程控高增益选频放大器设计 学生姓名赖 莎学 号2011101235所在学院通信工程学院专业名称通信工程班 级2011级宽带方向2班指导教师段恒利成 绩 四川师范大学成都学院二一四年五月四川师范大学成都学院课程设计报告课程设计任务书学生姓名赖 莎学生学号2011101235学生专业通信工程学生班级2011级宽带2班指导教师段恒利职 称实验师发题日期 2014 年3 月25 日完成日期 2014年5月25 日设计题目程控高增益选频放大器设计设计目的：1、巩固所学的模拟电路、高频电路、现代交换理论知识。2、设计一个程控高增益选频放大器。3、能够正确使用实验仪器进行电路测试与检测。4、综合应用专业及基础知识，增强解决实际工程技术问题的能力。5、学习资料的收集与整理，学会撰写课程设计报告。具体任务及要求：1、设计一个程控高增益选频放大器。要求信号的增益可调，能控制频率布进，显示相应的布进值。2、利用课余时间去图书馆或者上网查阅相关课题资料，深入理解课题含义及设计要求，并认真整理。3、在5月10日前完成预设计，并请指导教师审查、定稿。4、及时提交设计报告（纸质、电子稿），要求格式规范、内容完整、结论正确，正文数不少于3000字。课程设计进度安排：序号内容安排时间1获得题目后查阅资料并整理，完成预设计3.25 -4.12设计总体方案，绘制流程图，编写代码并调试4.2-4.163总体测试，完善其功能4.17-5.14撰写设计报告，后交指导老师初审5.2-5.165修改、完善设计报告，定稿、提交设计报告5.17-5.25课程设计参考文献：1华成英、童诗白:模拟电子技术基础,高等教育出版社出版。2谢佳奎:电子线路(第4版),高等教育出版社出版。3谭浩强:C程序设计,清华大学出版社。指导教师签字院长审核签字程控高增益选频放大器设计内容摘要: 本作品基于压控放大器设计，由前级放大模块、增益控制模块、后级功率放大模块、A/D(D/A)模块组成。采用STC89c52单片机作为微控制器，以可编程增益放大器AD603为放大电路的核心，设计并制作了具有增益预置和程控等功能的宽带直流放大器及所使用的直流电源。由AD603级联组成增益放大器，实现增益-20dB60dB范围内可按5dB步进调节或连续可调，且在09MHz通频带内增益起伏在1dB以下;互补三极管射级跟随高功率输出在50的负载上最大输出电压有效值Vo2V,波形无明显失真;功放输出信号经有效值检波后，通过10位A/D转换芯片，将模拟电压的有效值转换成数字信号，并送微控制器实现增益预置与显示。作品通过实验完成，设计采用压控增益器件AD603，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级功率输出，并能进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。整个作品制作成本低、功耗小，除个别指标未能达到设计要求外，其它全部达到设计要求。关键词：程控放大器 程控增益 AT89s52 AD603VDesign of programmable gain amplifierAbstract:Thisworkisbasedonpressurecontrolledamplifiers,Aformerdesignamplifiermoduleandgaincontrolmodule,thepoweramplifiermodule,A/D(D/A)module,STC89c52adoptssingle-chipmicroprocessorcontroller,withaprogrammablegainAD603amplifierforamplifyingcircuit,thecoreofwhichispresetandgainthefunctionsuchasprogrammed-controldcamplifieranduseofbroadbandofdcpowersupply.ByAD603cascadecompositiongainamplifiers,realizegain-2060dBrangeaccordingto5dBstepregulationorcontinuousadjustable,andin09MHzbandpasswithin1dBbelow;andgaininComplementarytriodeshotwithhighpoweroutputlevel50largestloadvoltagewaveform10Vexperiment.itVoRMS,withoutapparentdistortion,Thepoweroutputsignaldetection,theRMSby10A/DconversionchipTLC1549,simulationoftheRMSvoltageconversionintodigitalsignals,andrealizegainpresetwithmicro-controller.Throughexperiments,andcompleteworksintoreal.Designusingpressurecontrol,reasonableAD603devicegaintheimpedancematching,andjointhepoweroutput,andpresetandcontrol,goodstability,controllablescope.Theworkoflowcost,lowconsumption,inadditiontotheindividualindexestomeetthedesignrequirements,allothertomeetthedesignrequirements.Keywords: Programmable amplifier program-controlled gain AT89s52 AD603目 录前 言11 方案设计及论证11.1 选频模块设计方案论证与选择11.2 高增益程控放大模块计方案论证与选择21.3 MCU模块设计方案论证与选择22 软件介绍32.1 AT89S52单片机介绍32.2 AD603介绍52.2.1 AD603简介52.2.2 特性62.2.3 AD603内部结构及原理72.2.4 AD603的使用注意事项73 硬件系统93.1 总体设计93.2 各模块及数据计算93.2.1 选频放大模块93.2.2 选频网络计算公式:103.2.3 高增益程控放大模块113.3 实验分析与测试124 结束语13附 录14附录1：电路仿真图14附录2：电路原理图14参考文献15程控高增益选频放大器设计前 言在计算机数控系统中,模拟信号在送入计算机进行处理前,必须进行量化,即进行A/D 转换。进行A/D 转换之前,必须考虑A/D 转换器的分辨率和模拟输入电压量程这两个问题。程控放大器使用方便、性能好，故可在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等方面使用尤为适宜，程控增益调整比手工调整更优越。在使用放大器的场合中，往往希望增益能够调整，以使波形显示更完美，数据采集更精确。而程控增益调整比手工调整更优越。在一些特殊的应用中,我们常希望输入信号的幅值接近A/D 的输入电压量程的上限。工程上常采取改变放大器增益的方法对幅值大小不一的信号进行放大。在计算机数控系统中,为实现不同幅度信号的放大, 往往不希望、甚至也不可能利用手动方法来实现增益变换。1 方案设计及论证 1.1 选频模块设计方案论证与选择方案一:采用状态变量滤波器进行选频，该滤波电路效果很好,但是由于放大倍数A和中心频率f以及带宽B互相制约,即B与放大倍数A成正比,当B在100Hz之内,f在1300Hz到3100Hz之间变化时,放大倍数A会很大,会使信号波形失真。另一种方法是采用文氏桥式选频放大器电路作为选频网络以及信号放大。由于它的品质因数Q和放大倍数A成正比,当需要得到很窄的频带B就需要相当大的品质因数Q,即放大倍数A随Q的增加而增大而产生失真,当Q很大时同样会造成信号波形失真。方案二:为了克服通频带宽度B,品质因数Q和放大倍数A的相互制约,我们选用“带通滤波器”电路来进行信号选频,此电路可以实现对信号中心频率、放大倍数、通频带宽度的独立调节,三者互不影响。传统选频电路的品质因数受增益的制约,为使信号不失真通频带都很宽,选频效果很差,而“带通滤波器”恰好可以克服这个缺点,可实现在增益唯一、中心频率可调的条件下,仍有很大的品质因数,使通频带很窄可低于100Hz甚至更低。这只需要调节变阻器的电阻值就可以实现。 综上所述,我们选择方案二，采用“带通滤波器”作为选频模块的核心可以达到很高的指标要求。 1.2 高增益程控放大模块计方案论证与选择 方案一:通过多级放大器级联的形式实现高增益(当反馈电阻采用数字电位器时,就可以达到程控功能),但这样放大效果很差,各级放大电路互相干扰影响,增益倍数会比理论值下降很多。且多级级连电路复杂,不确定因素很多,不易控制。但易实施操作，且也具有有一定的困难。方案二:采用高增益程控放大器AD603实现。AD603是一个可以通过单片机来控制放大倍数的程控放大器,其放大倍数可以高达51dB,我们通过改变加在GPOS与GNEG引脚上的电压,就能控制放大器的增益倍数,增益的调整步长最小可以达1dB。由于AD603是通过软件控制实现放大功能,所以整个系统几乎不受外界干扰,即便是多个放大器级联也不会互相干扰,能达到很高的增益倍数。综上所述，我们选择方案二。 1.3 MCU模块设计方案论证与选择方案一:采用普通的80C51系列,可以实现多项功能,但是它的内部没有高AD、DA、比较器等子系统,需要进行外围电路扩展,电路系统复杂,而且占用单片机引脚,造成资源浪费，且不能合理的运用单片机的所有资源。方案二:采C8051F02单片机。C8051F02是一个全集成混合信号SoC(System On Chip)高速、高性能单片机。C8051F02单片机内,集成了两个多通道ADC子系统(每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器)、两个电压输出DAC、两个电压比较器、电压基准、SMBus/I2C总线接口、UART、SPI总线接口、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA)等,功能齐全。它的引脚可以用软件定义,程序的移植性很强,具有很强的控制能力。 综上所述，由于实际原因，我们选择方案一。 1.4 键盘与显示模块的设计方案论证与选择 站在专业的角度，结合我们选用的主控单片机AT89s52的特点,运用我们所学的所有程控交换的高增益知识，显示部分我们选用键盘,配合1602液晶，通过AD转换显示出来。2 软件介绍 2.1 AT89S52单片机介绍AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图2-1 单片机引脚图AT89S52是高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。也为我们的设计奠定了一定的技术支持。VCC:电源GND:地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT0(外部中断0) P3.4T（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器写选通)RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。AT89S52主要功能列举如下： l 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash l 晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）l 内部程序存储器（ROM）为 8KB l 内部数据存储器（RAM）为 256字节 l 32 个可编程I/O 口线 l 8 个中断向量源 l 三个 16 位定时器/计数器 l 三级加密程序存储器 l 全双工UART串行通道 2.2 AD603介绍 2.2.1 AD603简介AD603是一款低噪声、电压控制型放大器，电路常用于RF/IF电路系统中，AGC电路的优劣直接影响着系统的性能。因此设计了AD603和AD590构成的375dBAGC电路，并用于低压载波扩频通信系统中的数据集中器。用于射频(RF)和中频(IF)自动增益控制(AGC)系统。它提供精确的引脚可选增益，90 MHz带宽时增益范围为-11 dB至+31 dB，9 MHz带宽时增益范围为+9 dB至+51 dB。用一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。折合到输入的噪声谱密度仅为1.3 nV/Hz，采用推荐的5 V电源时功耗为125mW。两片AD603级联时，总增益的控制范围为84.28db,在级联应用时，有两种增益控制连接方式，分别为顺序控制方式和并联控制方式。很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/s。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。图2-2 AD603引脚图2.2.2 特性以dB为单位的线性增益控制引脚可编程增益范围:在5脚与7脚相连接时，是-10至30dB增益,11 dB至+31 dB(90 MHz带宽),9 dB至51 dB(9 MHz带宽)所有中间范围(例如?1 dB至+41 dB，带宽：30 MHz)带宽与可变增益无关，输入噪声谱密度：1.3 nV/Hz，增益精度：0.5 dB(典型值)2.2.3 AD603内部结构及原理AD603内部结构图如图3.2.3-1所示。AD603由一个可通过外部反馈电路设置，固定增益GF(31.0751.07)的放大器、0-42.14dB的宽带压控精密无源衰减器和40dB/v的线性增益控制电路构成。图2-3 AD603的内部结构AD603利用了X-AMP由一个0-42.14dB的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。其中，可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为6.02dB，可对输入信号提供0-42.14dB的衰减。X-AMP结构的一个重要优点是优越的噪声特性，在1MHz宽带，最大不失真输出为1Vrms时，输出x信噪比为86.6dB。AD603的简化原理框图如 上图3.2.3-1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（VINP）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电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。AD603 的增益控制接口的输入阻抗很高, 在多通道或级联应用中, 一个控制电压可以驱动多个运放; 同时, 其增益控制接口还具有差分输入能力, 设计时可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。2.2.4 AD603的使用注意事项在AD603 的应用中要注意以下几点: 供电电压一般应选为5V ,最大不得超过7. 5V 。 在5V 供电情况下,加在输入端V INP 的额定电压有效值应为1V ,峰值为1. 4V ,最大不得超过2V 。如要扩大测量范围,应在AD603 的前面加一级衰减。这样可使输出电压峰值的典型值达到3. 0V 。因此AD603 后面通常要加一级放大才能接A/ D 转换器。 电压控制端所加的电压必须非常稳定,否则将造成增益的不稳定,从而增加放大信号的噪声。 信号地必须直接连在放大器的脚4 ,否则将由于阻抗较大而引起放大器精度的降低。2.2.5 应用l 射频放大器射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。l 视频增益控制当入射光强的变化范围超出了摄像机光圈的控制范围时，可通过提高增益（低亮度时）或降低增益 （高亮度时）来解决问题。l 程控增益可以通过数字电路控制模拟放大电路的放大倍数。可以自己设计电路，或者使用一些公司的现成的集成芯片实现。具体实行的电路很多。比如DACOP运放；OP运放模拟开关；电阻分压网络模拟开关+OP运放；集成芯片PGA102；PGA103；AD621；等等3 硬件系统 3.1 总体设计 系统框图如下所示:图3-1 总体设计框图 3.2 各模块及数据计算 3.2.1 选频放大模块 电路如图3-2所示,LM324系统用于选频,在电路的工作过程中，为了进行程控我们将滑动变阻器R、R2和R3改用数字电位器X9C103作为频率调节电阻。用程序控制数字电位器,可实现小于50HZ的步进,精度高。通过脉冲控制X9C103来实现对中心频率和步长的调节。选用103的数控电位器,中心频率调节范围在1kHz3.2kHz,步长调节范围在1HZ50HZ。为了提高稳定性,在选频放大输出端接射极跟随器,以稳定输出电压。在电源接电容滤波以增强电路的抗干扰性。这些射极跟随器和电容将增强电路的工作的稳定性。图3-2 选频放大模块3.2.2 选频网络计算公式:通频带：B=|3-Auf|*f0=f0/Q（3-1）比例系数：Auf=1+（Rf/R1）（3-2）中心频率：f0=1/(2RC)（3-3）其中R2=R,R3=2R;C1=C2=C；当f=f0时，通带放大倍数 Aup=Q*Auf；选频即指：选出需要的频率分量的信号，滤除其它频率分量。选频网络由振荡回路和滤 波器回路构成。振荡回路包括：单振荡回路以及耦合振荡回路；各种滤波器包括；LC集中滤波器；石英晶体滤波器；陶瓷滤波器；声表面波滤波器。 由电感线圈和电容器组成的单个振荡电路称为单振荡回路。通常有串联振荡回路和并联振荡回路。 信号源与电容和电感串接，就构成串联振荡回路，其阻抗在某一特定频率上具有最小值，而偏离该频率阻抗将迅速增大。单振荡回路的这种特性称为谐振特性；谐振回路具有选频和滤波作用。理论上分析，串联振荡电路，电感线圈与电容器两端的电压模值相等，且等于外加电压的Q倍；Q值一般可以达到几十或者几百，电容或者电感两端的电压可以是信号电压的几十或者几百倍。 对于信号源内阻和负载比较大的情况，采用并联谐振回路。结构：电感线圈、电容C、外加信号源相互并联的振荡回路。其中由于外加信号源内阻很大，为了分析方便，采用恒流源进行分析。根据上面的公式选取合适的电阻值。R、R2和R3选用数字电位器，根据中心频率范围1.3khz3.1khz来确定R的大小，令C=10nF，则R=5.16k12.3k，数字电位器X9C103满量程为10k， 故需要串联400欧的电阻才能满足要求；中心频率的步进小于50hz，故数字电位器的电阻变化要小于500欧，具体做法通过单片机控制数字电位器的接入电路的电阻。根据通频带的宽带不大于100hz，可以确定R1和Rf的大小，f0范围为1.3k3.1k，故Auf的范围为2.92.97，从而可以确定R1和Rf的值。3.2.3 高增益程控放大模块图3-3 高增益程控放大模块电路如图所示,采用三个AD603放大系统串联,实现高增益放大功能。第一级和第二级的GPOS与GNEG之间接固定的电压分别实现31dB和51dB放大,第三级将两个引脚接可调的输入电压,其中GNEG的电压是固定值，通过改变GPOS的电压来改变其两脚的电压差值，从而改变增益，增益在-10dB-+30dB范围内,并且调节步长可自己设定为1dB-6dB,三极放大的级联可实现高达112dB的增益。 第三级AD603的引脚GPOS电压通过单片机进行DA0832转换来实现的，如下图图3-4 管脚链接这个电路的优点是,它不受级联和外界的干扰,非常精确的实现放大要求。而且它的灵活性很强,可通过改变输入和程序中的引脚设置就能改变放大倍数。 3.3 实验分析与测试 由于放大倍数太大，实验室没有0.01mV交流电，故采取分开测试，测得增益70dB110dB，调整步长为6dB左右，符合设计要求。 由于实验室条件的限制放大器的中心频率与通频带无法准确的测量，结果大致符合要求，但理论仿真如下：中心频率为1.03khz3.26khz；调整步长为3hz-50hz不等；通频带为9hz95hz；都符合设计要求。 显示部分可以通过单片机用1602显示增益与中心频率，通过修改程序能准确的显示出来，符合设计的基本要求。 注：由于实际测量的问题，选频模块衰减20dB，故我把放大模块改用四级放大，第一级和第四级采用uA741各放大30dB和40dB，第二级和第三级采用AD603放大，第三级放大30dB，第二级放大可调增益为10dB30dB；总体放大增益为70dB110dB。4 结束语这次设计中我对程控高增益放大器和一些基本元器件有了更加深入的理解和掌握。通过在网上及相关资料中查找信息，和组员之间的深入探讨，拓展了我的知识面。还知道了几个关于电子器件的网站，以后遇到什么问题都可以通过自己搜集资料来思考，寻找解决的方法。这次可以把课本上学习的理论知识可以应用到具体的课题设计中，是我一个很大的