电子设计竞赛低频低噪声高增益放大器设计报告.doc

专业综合课程设计低频低噪声高增益放大器班级：11级通信工程（2）班 姓名： 学号： 成绩： 低频低噪声高增益放大器摘要本设计由信号发生器模块，直流稳压源模块，滤波器模块，前级放大模块，程控增益模块，单片机控制和显示模块六个模块构成。信号发生器用文氏电桥产生频率幅度连续可调的正弦信号；直流稳压源本着低噪声、稳定可靠的原则，设计了12V和+5V的工作电压；滤波器采用二阶高通和二阶低通构成通频带为 3kHz5kHz的带通滤波器；前级放大采用仪表放大器，使系统获得很高的输入阻抗和增益精度、很低的噪声和漂移，通过多路模拟开关可选择x1倍或x10倍放大；程控增益模块用DAC程控放大电路，由单片机控制，并且放大倍数由矩阵键盘输入；显示模块通过单片机来控制译码电路，最后由四个七位的数码管来显示。关键词：低频；低噪声；放大器一、 方案比较与论证1. 信号发生器方案一：利用专用单片函数发生器（如ICL8038），可同时产生正弦波、脉冲波，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以实现数控调整频率。但该方案的电路复杂，频率稳定度不高，而且成本较高。方案二：由简单的分立元件产生，可以利用晶体管、LC振荡回路，积分电路的实现正弦波的产生。此方案原理简单但是调试麻烦，不稳定，受干扰严重。方案三：采用集成运放搭建RC文氏电桥正弦波发生器，产生正弦波的频率，幅度均可调，通过调整参数可以得到较完美的小信号波形。此方案具有结构简单、 经济方便等优点，在集成运放的作用下，可以较容易测到所需的波形。 经过比较方案三既满足要求，电路不太复杂，成本又不高，故选用该方案。2. 滤波部分方案一：采用开关电容滤波器（SCF），由MOS 开关、电容器和运算放大器构成，该滤波器可与其他电路集成在同一个芯片上，通过外部端子的适当连接获得不同的响应特性。但开关电容滤波器的工作频率不高，其操作复杂，应用不是很广泛。方案二: 由纯电阻和电容组成带通滤波网络, 本方案的优点是频率响应对称且中频4kHz可以满足, 但通频带较宽, 并且前后级相互影响较大, 故达不到题目的要求。方案三：此方案是方案二的改进, 采用集成运放构成一个二阶低通滤波器和一个二阶高通滤波器,前者的截至频率为fp1=5KHz，后者的为fp2 =3KHz，并且将高通滤波器放在前级放大模块和程控增益模块之间，低通滤波器放在后级放大之后，这样可以防止高通和低通之间相互影响。以此来减弱其互相影响。经过比较，方案三既能满足要求，成本又不是很高，而且电路简单，故选择方案三。3. 前级放大部分方案一: 采用简单的分立元件，可以利用三极管、电阻电容搭建放大电路，此方案原理简单但是调试麻烦，不稳定，受干扰严重。方案二:采用集成运放构成反相比例放大器方案三：采用改进型的仪表放大器，在仪表放大器的电路中增加多路模拟开关，这样可以选择前级放大为x1倍或x10倍。并且可以充分利用仪表放大器高输入阻抗、高增益精度和低噪声、低漂移等特点。前级放大的性能对整个电路的噪声性能影响非常大，前级放大中很小的噪声经过后面多级放大之后在输出端可以形成很大的噪声，因此经过比较，方案三既能很好的满足题目的要求，并且由于增加了多路模拟开关，又提高了放大器的适应性和动态可调性，故选择方案三。4. 程控增益控制和显示部分方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，由单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而形成不同的电阻组合方式来改变电压增益。电阻的组合用模拟开关或电磁继电器控制导通、断开。此方案的优点在于继电器的导通电阻小，断开电阻大，损耗较少。且有很好的隔离作用，但缺点是需要同时采用多个电磁继电器，所以电路比较繁杂，且占用体积大，浪费资源，不易调试。 方案二：采用控制场效应管的Vgs 来控制Rds 电阻，用单片机来改变增益倍数，通过改变反馈量的大小来实现增益控制。此方案的优点是电路简单，但是增益精度不够高。方案三：采用具有8位输出功能的DA转换器（DAC0832）接成模拟电压衰减器，通过单片机来控制衰减倍数，再通过后级的运放来实现增益控制。此方案具有较高的增益控制精度，并且电路简单，思路清晰，容易实现。经过比较选择方案三，其中单片机控制采用以STC80C52为核心的单片机控制器。显示部分采用四个七段的数码来显示放大倍数，通过4x4的矩阵键盘来输入总的放大倍数，STC80C52单片机通过DAC0832来控制放大倍数，通过74LS48译码电路来显示放大倍数。程控增益控制和显示部分的控制原理图如图1-1。图1-15. 后级放大部分后级放大的输入是数字部分DAC0832的电压输出，因此在二者之间需要增加滤波电容来滤除数字电路的干扰，用一大一小两个电容来进行滤波。后级放大采用反相运算放大器构成256倍的放大器，并在反馈电阻两端并联一个电容，构成一个积分电路，用来降低电路的噪声。原理图1-2。 图1-26. 电源部分 输入220V、50Hz的交流电经过变压器，再经过整流桥、滤波电路，首先用三端稳压器 78127912进行稳压，再经过滤波后输出12V的直流电压。其次在7812后面用7808进行二次稳压，再用7805进行稳压后输出+5V直流电压。在电源的设计中，充分考虑到电源电路的可靠性和稳定性，必须增加过压、过流、反压的保护措施。在三端稳压器两端并联一个二极管来进行保护，在输出端也并联二极管来防止感性负载形成反压。二、 系统整体设计方案1. 总体方案设计系统的原理框图如下，见图，在前级放大中用二路拨码开关选择x1挡或x10挡，用4x4的矩阵键盘来输入放大倍数，通过单片机来控制程控增益。将高通滤波器放在前级放大部分和程控增益部分之间，低通滤波器放在后级放大部分之后，这样可以避免滤波器之间的影响，而且可以很好的发挥滤波器的性能。在电路设计中还将模拟部分和数字部分分开，这样可以很好的避免数模之间的干扰，在二者之间增加滤波电路，如下图1-3所示。图1-3电路的总体设计电路图1-4。图1-42. 各模块的电路实现2.1 信号发生器电路如图2-1所示，该电路通过调节R1和R3可以调节信号频率，频率完全可以满3kHz5kHz之间，R1和R3是一个同轴可调的电位器。信号的幅度的变化可以通过调节R4来实现。图2-12.2前级放大电路如图2-2所示，通过二路模拟开关选择x1挡或x10挡，然后输入电压经过仪表放大器输出。图2-22.3滤波电路如图2-3所示，高通滤波器的截止频率为3KHz，低通滤波器的截止频率为5KHz,二者刚好能构成一个通频带为3KHz5KHz的带通滤波器。并且由于二者是相互分离的，所以可以通过调节二者的截止频率来改变通频带的宽度，这样就增加了系统的灵活性和可变性。图2-3高通滤波器低图2-4通滤波器2.4增益和显示控制电路如图2-5所示，增益控制部分是将前级的输出接到DAC0832的参考电压端，通过键盘输入放大倍数，也可以通过键盘复位，再由STC80C52单片机来控制衰减量的大小和显示电路，从而达到增益控制的目的。由于DAC0832输出的是电流，故需要将电流量转换成电压，这可以通过一级运放来实现。图2-52.5后级放大电路如图2-6所示，后级放大电路前面用一个10pF和100nF的电容来滤除前面数字部分的干扰， 以及低频干扰信号和高频干扰信号。在反馈电阻两端并并联一个15pF的电容来降低噪声，并且保证不影响放大器的放大倍数。图2-62.6直流稳压电源电路如图2-7所示，电源部分输入220V、50Hz交流电，输出整个系统所需的三种电压：+5V，+12V和-12V。+5V主要供单片机和DA转换芯片使用，+12V作为运放的正电源，稳压输出电路的主电源；-12V作为运放的负电源。图2-72. 软件设计流程图开始键盘检测有键入？将键盘值读入单片机读入四位？读单片机存储器的数据，并显示读单片机存储器数据，端输入DAC0832调用延时程序NNYY一、 各部分电路的参数计算1.信号发生器电路RC 桥式振荡电路由RC 串并联选频网络和同相放大电路组成, RC 选频网络形成正反馈电路, 决定振荡频率。R5和Rf 形成负反馈回路, 决定起振的幅值条件，其中Rf = R4 + R2/rd , rd 为二极管的正向动态电阻。D1、D2 是稳幅元件。该电路的振荡频率为：f = 1/2RC其中R是R1和R3，C是C1和C2；起振幅值条件为Av = 1 + Rf/R1 3根据实际要求以及相关理论计算, 取R5=2.2K，R1 = R3 = 10K，R2 = 680，R4 = 10K，C1 = C2 = 470nF.2.前级放大电路仪表放大器的放大倍数为：Avf = （1 + 2R2/Rw）R9/R4通过模拟开关来改变Rw的大小，当Rw = R6时，Avf = 1；当Rw = R1时，Avf = 10。根据实际要求以及相关理论计算，取R2 = R3 = 1.1 K，R4 = R5 = 2.2K, R8 = R9 = 1.1 K，R6 =2.2K，R1 = 115.3.滤波电路3.1高通滤波器截止频率为f = 1/2RC，其中R = R5/1.414,f = 3KHz，经过计算实际中取R3=R4=R5=7.5 K,C=C1=C2=10nF。3.2低通滤波器截止频率为f = 1/2RC，其中C=1.414C1，f = 5KHz, 经过计算实际中取R=R1=R2=4.7 K,C1=C2=4.7nF。4.后级放大电路后级放大倍数为Avf = -R1/R2，其中Avf要求为256， 则实际电路中取R1 = 256 K，R2 = 1 K。为了降低噪声，在R1的两端并联了一个电容，根据R1*C2Tmin/100的原则，实际中取C2 = 15pF。为了滤除数字部分干扰和低频、高频干扰，取C1= 100nF,C3 = 10pF.三、 系统测试分析1.测试数据电源输出输出输出5.005V12.022V-12.013V后级256倍放大输入输出0.01V2.554V仪表放大器输入输出下/下1V42.097mV上/下1V53.901mV下/上1V101.122mV上/上1V101.904mV2.实际测试数据及指标实现基本要求发挥要求实际性能Avd=2002000Avd(max)2000Avd=02550步进200步长更小步进=1Avd数字显示数字显示精度进一步改善Avd数字显示通频带3kHz5kHz通频带3kH