2009年电子设计竞赛论文

2009年全国大学生电子设计竞赛设 计 报 告参赛题目： 宽带直流放大器 题目编号： C 参赛队员： 梅明涛，蒋雪飞，陈自龙 参赛单位： 南京邮电大学 日 期： 二九 年 九 月 五 日 摘 要本设计利用单片机51系列通过D/A控制两级级联压控可变增益带宽放大器AD603来控制增益，达到了增益 0到45dB 范围 ，程控增益步进为5dB。放大器的通频带为0到7MHZ。功率放大电路采用分立元件制作，达到功率放大的要求 。制作了直流稳压电源来给系统供电。通过输入部分加入运放，减少噪声，并在电路中采取措施减少外界干扰。关键词：可控增益放大，功率放大，直流稳压电源 设 计 报 告一、方案论证与选择（一）增益控制部分方案一 采用一般的可编程放大运算器，不能满足放大直流的效果，且噪声大，温度，电源等对实现电压的稳定增益影响较大。方案二 采用AD8322可编程放大运算器，但是控制的数字量和最后的增益（dB）不成线性关系而是指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降，且程控的位数小，达不到5dB的步进要求。方案三 使用控制电压与增益成线性关系的PGA，用控制电压和增益dB成线性关系来实现增益控制，用电压控制增益，便于单片机控制，同时减少噪声和干扰。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。（二）功率放大部分方案一 放大器通频带要求从0kHz到10MHz，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到10V有效值输出难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不现实，因为市面上很难买到宽带功率运放，并且价格昂贵，性价比不高方案二采用分立元件来构建功放电路，将低频信号与高频信号分开放大，优点在于电路应非线形失真及噪声的减小，在2.5dB的增益下通频带可达到10MHZ以上，并且成本相对较低，综上所述在考虑性价比与满足题目要求的情况下采用方案二。（三）稳压电源部分方案一 线性串联型直流稳压电路 优点在于直流稳压电路工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越，广泛应用于各种电子仪器和电子电路中。缺点在于损耗较大，效率低，而且根据题目要求不需要连续可调。方案二 开关型直流稳压电路，解决了稳压电路效率低的缺点，并且造价低，体积小，但开关稳压电路的缺点是纹波较大，对于本题中的小信号放大，影响太大，故舍去。方案三 稳压三极管直流稳压电路缺点在于电压值不能连续调节，效率低等缺点，但可以输出不连续稳定的电压值。综上所述在输出电压+5V，-5V，+13.75V，-13.75V与数字5V已满足题目需求下，由于方案三性价比最高，故选择方案三。（四）综上所述经过以上论证我们确定总体设计方案框图如下（图1）：输入端端端缓冲输入输出端端端功率放大模块D/A增益宽频放大屏幕显示STC89C58单片机键盘控制图1 系统整体方案框图信号通过缓冲输入后，在增益宽频放大级进行可控放大，再通过功率放大模块进行功率放大后输出。整个放大电路的增益大小由键盘输入并通过单片机来控制，将增益显示在屏幕上。二、理论分析与参数运算（一）带宽增益积增益频带积为代表的是放大器的性能，对于通频带的选择不是越宽越好，对给定的号而言，越宽反而会窜入更多的噪声和干扰，应根据信号的频谱而定，带宽增积的定义G*BW=|A*BW|电压控制增益的原理单级AD603的基本增益为：Gain (dB) = 40VG + 10其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。从此可以看出以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确地实现。AD603 -11dB到31dB的动态增益下通频带达到90MHZ。但是一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为Gain(dB)=40VG1+40VG2+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。（二）通频带内增益起伏控制：AGC是使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压（uc）而改变。当输入信号ui增大时，uo和uc亦随之增大。uc 增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量，达到自动增益控制的目的。放大电路增益的控制方法有：改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数。在放大器各级间插入电控衰减器。用电控可变电阻作放大器负载等。由于本电路整体在带宽内增益平坦度较好，固略去增益起伏控制。（三）线性相位理想相频特性是一条斜率为常数的直线，（j）=*t+0(t为延迟时间，0为初始相移)设计中需要对信号进行相位补偿，常用的方法是在电路中加电感、电容或者构成负反馈。由于AD603内部已经包含相位补偿，所以我们只需对功率放大器进行相位补偿。设计中采用电压并联负反馈，较好地抑制了相位漂移。（四）抑制直流零点漂移零漂是输入电压为零而输出电压产生缓慢变化的现象，任何参数变化尤其是（经过老化的实）都会产生输出电压的漂移。直接耦合放大电路中由于直接相连，随着级数增多，放大倍数越大，输出的漂移越大，在阻容耦合放大电路中，这些温漂落在耦合电容之上，不会传递到下一级进一步放大。通常抑制零点漂移的方法有：1电流引入直流负反馈，稳定静态工作点，减小零漂2利用热敏元件对放大管进行温度补偿3使用差动放大电路我们在输入部分采用了集成运放THS3061有效的抑制了温漂对后级的影响。（五）放大器稳定性利用负反馈放大电路环路增益的幅频，相频特性图可以判断出电路是否会产生激振荡，即电路是否稳定。判断方法一般有两种：1利用环路增益判断负反馈电路的稳定性负反馈放大电路稳定工作的条件是当|A*F|=1，|A+F|或者当|A+F|=时，|A*F|1。2利用开环增益的波特图判断负反馈放大电路的稳定性负反馈可以稳定放大电路的放大倍数，我们采用电压反馈性放大电路来稳定放大倍数三、系统各模块设计（一）输入增益控制份部分采用的是THS3061，通过使用THS3061部分放大信号，主要是抑制高频信号对后级的干扰，并达到小部分信号放大的作用THS3061是个，低噪声，低温漂，高电压、高转换率电流反馈放大器。使用1个AD603进行程控放大达不到题目要求它的理论动态范围为-10db到30db，要达到程控动态范围大于四十dB，必须使2个AD603串联，原理图如图二图2增益控制部分原理图通过单片机控制D/A TLC5615 十位来调节增益范围,输出电压大小为从而改变VG，达到可控增益的效果（二）功率放大部分AD603的输出电流小，不能带动负载，故需要进行功率放大。由于输入信号的频带比较宽，功率也较高，所以我们采用宽带功率放大三极管2N2219和2N2905。功放电路由两级功率放大组成，第一级将输入信号分成低频信号和高频信号，对两路分别进行电压放大，整个功放电路的电压增益主要集中在这一级上；第二级对信号进行电压合成和电流放大，提高负载驱动能力。另外，功放电路还采用负反馈以提高带宽，以满足题目的频带要求。功放框图如图3图3 功率放大部分方案框图功放的增益大小为Au=-Rf/Ri Ri=470欧姆， Ro=50欧姆 （三）稳压电源部分220V通过变压器经过桥式整流，通过稳压三极管LM337,LM317,LM7905,LM7809输出5V、15V电压供给整个系统。数字部分和模拟部分通过稳压三极管隔离，稳压电源框图（图4）输出稳压三极管桥式整流变压器220V图4稳压电源框图（四）抗干扰措施与减少噪声部分系统总的增益为040dB，前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声。我们采用下述方法减少干扰，避免自激：（1）将输入部分通过低噪声低温漂的高速运算放大区，减小前级噪声引入（2）将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激；（3）电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功率输出级采用隔离供电，各部分电源通过电感隔离，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000F 电解电容，盒内接高频瓷片电容，通过这种方法可避免低频自激；（4）在输入级，将整个运放模拟部分用较粗的地线包围，可吸收高频信号减少噪声。在增益控制部分和后级功率放大部分也都采用了此方法；（5） 数模隔离。数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信号用电感隔离；四、软件设计本系统通过单片机来控制电压增益，通过键盘与屏幕来更好的人机对话。由于AD603的设定增益跟实际增益有误差，故软件上还进行了校正，软件流程图如图5Y是否按键判断键值N等待外部键盘中断增益控制增益步进系统初始化LCD显示 图5软件流程图五、系统调试及测试结果 （一）调试方法和过程将各部分电路连接起来，先调整0dB，使输出信号幅度和输入信号幅度相等，然后接上51的负载电阻进行整机测试。（二）测试结果1输入，负载电阻测试 经过电表测量，负载电阻大小为 51 欧姆 输入电阻大小为 50 欧姆2最大增益测试 最大增益为45dB 3小信号放大测试波形失真与否（输入频率为1KHZ的正弦波） 电压增益（dB）输入电压有效值（mv）20db40db20 波形好 波形不失真15波形好 波形不失真10 波形不失真 波形略微失真由数据可得小信号有效值在 10mv 波形不失真，满足题目要求4增益平坦度测试 （输入电压有效值20mv正弦波，增益设为20dB）频率（MHz）01234567.59增益（dB）2020202020.220.420.520923此表格可以看出在通频带0到7MHZ内电压增益平坦度较好，起伏小于1dB，7MHZ以上时电压增益逐渐增大，满足指标5预置增益步进为5db测试（输入信号为20mv有效值，频率为1KHZ正弦波）预置增益（dB）0510152025303540实测增益（dB）04.810.214.720.325.429.635.539.5误差（dB）00.20.20.30.30.40.40.50.5由表格看出，基本实现程控，步进为5dB，实现题目的要求，并且我们的程控可以使步进达到1dB6 最大输出有效值为 经测试最大输出有效值为4.28V （三）误差分析我们测量的误差主要来源是噪声，以及电磁干扰，由于试验场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，所以测量输入端短路的噪