宽带功率放大器主要电路分析毕业论文.doc

宽带功率放大器主要电路分析毕业论文宽带功率放大器主要电路分析毕业论文 目 录 摘摘 要要 I AbstractAbstract II 绪绪 论论 1 第第 1 章章 宽带放大器的简述宽带放大器的简述 3 1 1 宽带放大器的特点 3 1 2 宽带放大器的技术指标 3 1 2 1 通频带 3 1 2 2 增益 3 1 2 3 输入阻抗 4 1 2 4 失真 4 第第 2 章章 方案论证与比较方案论证与比较 5 2 1 可控增益放大器 5 2 1 1 方案一 5 2 1 2 方案二 5 2 1 3 方案三 5 2 2 后级放大器 6 2 2 1 方案一 6 2 2 2 方案二 6 2 3 测量有效值部分 6 2 3 1 方案一 6 2 3 2 方案二 6 2 3 3 方案三 7 2 4 系统总体框图 7 第第 3 章章 系统设计系统设计 8 3 1 AGC 简单介绍 8 3 2 电压增益控制原理 8 3 3 正弦电压有效值的计算 8 第第 4 4 章章 主要电路原理分析主要电路原理分析 10 4 1 系统概述 10 4 2 前级放大电路和增益控制 10 4 3 功率放大部分 12 4 4 单片机控制部分 13 4 4 1 控制部分的简单论述及框图 13 4 1 2 数字部分的信号隔离 14 4 4 3 A D 转换器的简单介绍 15 4 5 直流稳压电源 15 第第 5 章章 系统软件设计及抗干扰措施系统软件设计及抗干扰措施 17 5 1 系统软件流程图的分析 17 5 2 抗干扰措施 17 第第 6 章章 系统测试结果及分析系统测试结果及分析 19 6 1 宽带放大器幅频特性测试框图 19 6 2 频率响应特性 19 6 3 AGC 功能测试 20 6 4 预制增益的测试 21 6 5 其它 21 6 6 测试性能总结 21 第第 7 章章 结束语及展望结束语及展望 23 致致 谢谢 24 参考文献参考文献 25 附录附录 1 系统原理图系统原理图 26 附录附录 2 程序程序 27 摘 要 本作品主要有三个模块电路组成 前级放大电路 带 AGC 部分 后级放大 电路和单片机显示与控制模块 在前级放大电路中 用宽带可控增益运算放大器 AD603 两级级联放大输入信号 再经过后级放大电路达到大于 8V 的有效值输出 使用 89C51 单片机完成显示 控制和数据处理 它除可以程控调节放大器的增益 外 还可以实时显示输出电压预制增益和输出有效值 关键词 宽带 控制 放大器 宽带放大器 Abstract This design of circuit is composed by three modules A prime amplifier including AGC a power amplifier and MCU display and control module In the preamplifier circuit we take advantage of AD603 a wide band Operation Amplifier as cascaded amplifiers operate in sequential gain and finally the signal will be amplified to 8V max RMS output by the power amplifier The 89C51 MCU s display and control module not only can control the gain in real time but also can do DSP and number display of the gain and output voltage Key words wide control amplifier wide amplifier 绪 论 随着社会生产力的发展 人们迫切地要求在远距离随时随地迅速而准确地传 送信息 于是 无线通信技术得到了迅猛的发展 技术也越来越成熟 而高频放 大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分 如在发射设备中 就要 用高频功率放大器将信号放大到所需的发射功率 在接收设备中 就要高频小信 号放大器将非常微弱的信号放大 由此可知 高频放大器在通信系统中起着非常 重要的作用 于是人们对它的要求也越来越高 众所周知 放大器是音响 有线电视 无线通信等系统中必不可少的设备 现在 让我们伴随着音响的发展来看看放大器的发展吧 自 1877 年爱迪生发明留声机至今已有 127 年了 前 70 年音响发展缓慢且大 多停留在象牙塔中 后 50 余年进入民间 发展日新月异 自从 1927 年贝尔实验 室发表了划时代的负反馈技术后 声频功率放大器开始进入一个崭新时代 1947 年 威廉逊 Williamson 在英国 无线电世界 发表了划时代的 高保真放大 器设计 一文 介绍了一种电子管功率放大器 成功地应用了负反馈技术 其失 真度仅为 0 5 音色之靓 堪称古典功放之皇 自威廉逊的论文发表后 4 年 美国 Audio 杂志刊登了把超线性放大器经 过适当变形后与威廉逊放大器相结合的电路 其超线性设计 大大地降低了非线 性失真 可以认为威廉逊放大器和超线性放大器标志着负反馈技术在音频领域中 的应用已经日趋成熟和广泛 为十年后脱颖而出的晶体管放大器奠定了坚实基础 50 年代末 美国在电子器件技术领域率先跨出一步 推出了时代骄子 集 成电路 到了 60 年代末 70 年代初 集成电路以其质优价廉 多功能的特点开始 在音频功率放大器上广泛应用 1977 年 日立公司生产出了世界上第一只 VMOS Vertical Metal Oxide Semiconductor 功率管 60 年代 晶体管开始问世 从此揭开了现代放大器的序幕 1970 1973 年 是级间全部直耦 OCL Output Capacitor Less 方式的普及期 1974 1976 年是 DC Digital Circuit 放大器全盛时期 70 年代末至今 晶体管功率放大器得到 了淋漓尽致的发挥 设计形式已相当多 这一切都为集成电路功放技术设计铺平 了道路 从此来看 放大器经过了电子管 晶体管 集成电路及 VMOS 功率管等几个 时期 它们皆以各自独特的不可取代的优势各领风骚 本题要求设计并制作一个宽带放大器 基本要求是输入阻抗 Ri 1K 单端 输入 单端输出 放大器负载电阻 600 3DB 通频带 BW 10K 6MHz 在 20K 5MHz 频带内增益起伏 1dB 最大增益 40dB 增益调节范围 10 40dB 增益值 6 级可调 步进间隔 6dB 增益预测与实测误差绝对值 2dB 需显示预测增益值 最大输出电压 有效值 Vo 3V 数字显示输出正弦电压 有效值 自制放大器需要的稳压电源 从上面的要求可知 本系统需要自动控制增益和显示峰峰值 不可能完全由 模拟电路来实现 故我们采用模拟和数字相结合的方法来实现 通常情况下 放 大器主要由模拟电路构成 而数字部分是起了辅助的作用 帮助系统实现对增益 的控制以及人机交互功能 本系统中 前级主要由两级 AD603 连接 前边加 OPA642 作前级跟随 同 时在输入端加上二极管过压保护电路 后级主要由一些分离元件组成 再加单片 机控制电路 从理论上讲 本系统满足了题目的要求 第 1 章 宽带放大器的简述 在现实中 有时需要放大很宽的信号 例如 在电视机接收中 由于图像信 号占有的频率范围为 0 6MHz 为了不失真地进行放大 要求放大器的工作频带 至少为 50Hz 5MHz 最好是 0 6MHz 再如就是 在 300MHz 的宽带示波器中 Y 轴放大器需要具有 0 300MHz 的通频带 放大这类信号的宽带放大器称为视 频放大器 在雷达和通信系统中 也需要传输和放大宽频带 例如 同时传输一路电视 和几百路电话信号的微波多路通信设备 放大器的通频带约为 20MHz 若设备的 中频选为 70MHz 则相对通频带达 30 左右 这就需要宽频带的中频放大器 再就是 某些通信设备的高频功率放大器 需要在不调谐的情况下 在很宽的范 围内变换工作频率 则需要采用宽带高频功率放大器 1 1 宽带放大器的特点 虽然说 宽带放大器的下限频率很低 但由于其上限频率很高 故必须考虑 晶体管的高频特性 而不能采用一般的低频等效电路分析 宽频带放大器 从技术上讲 比一般低频放大器要求高 这不仅因为它的频 带宽 而且还由于它所放大的信号 最终接受的感觉器官往往是眼睛 而不是耳 朵 前者比后者敏感很多 所以 在低频放大器中未考虑的一些问题 例如相位 失真 在宽带放大器中就必须予以考虑 不同用途的宽带放大器 其电路形式是有所不同的 大体上可分为两种情况 放大从零频到高频信号的宽带放大器 一般采用直接耦合的直流放大器 放大从 低频到高频信号的宽带放大器 采用阻容耦合放大器 但不管哪类宽带放大器 由于频带宽 负载总是非调谐的 1 2 宽带放大器的技术指标 1 2 1 通频带 通频带是宽带放大器的基本指标 由于用途不同 对频带的要求也不同 因 为下限频率低 而上限频率很高 往往就用上限频率表示通频带宽度 但是 下 限频率接近零频的放大器 又 必须注明它的下限频率 以便在设计电路时 能 够充分考虑下限频率的顺利通过 1 2 2 增益 宽带放大器的增益应足够高 若一级放大器不够 可增加级数满足总增益的 要求 但与此同时通频带会降低 所以增益与宽带的要求往往是相互矛盾的 以 后将看到 有时不得不牺牲增益来换取通频带的带宽 为了全面衡量放大器的质 量指标 常需要考虑放大器的增益带宽积 带宽积越大 宽带放大器的质量越高 1 2 3 输入阻抗 为了减轻宽带放大器对前级的影响 要求放大器的输入阻抗高 质量高的宽 带放大器的输入阻抗一般为兆欧级 1 2 4 失真 宽带放大器的失真要小 也就是说它必须忠实地传输被放大的信号 要求输 出信号与输入信号在形状上 以及各部分的比例上都要保持一致 只有放大器的 非线性失真 频率失真和相位失真都足够小 才能保持输出与输入的波形保持一 致 非线性失真的原因主要是由于电路中存在非线性元件 为了减小非线性失真 宽带放大器和音频放大器一样 都应该工作在器件特性曲线的直线段 而且应工 作在甲类状态 频率失真的原因是由于晶体管在高频时的电容效应 以及外电路 中存在一些电抗元件 由于有了这些阻抗元件 使得宽带放大器对于不同频率的 信号的增益不同 从而引起频率失真 而相位失真是由于输入输出之间相位移动 引起的 通常情况下 音频放大器若存在相位失真 由于人耳不易分辨 所以听 到的声音与原信号一致 而电视机的视频放大器若存在一定的相位失真 那么显 的图像将表现为明暗界限加深 从而会出现双重轮廓 画面亮度不均匀等 第 2 章 方案论证与比较 2 1 可控增益放大器 2 1 1 方案一 简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现 为了满足增益 60dB 的 要求 可以采用多级放大电路实现 对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节 前级电路实现自动增益的调节 本方案由于大量采用分力元件 如三极管等 电 路比较复杂工作点难于调整 尤其增益的定量调节非常困难 此外 由于采用多 级放大 电路稳定性差 容易产生自激现象 2 1 2 方案二 为了易于实现最大 60dB 增益的调节 可以采用 D A 芯片 AD7520 的电阻权 网络改变反馈电压进而控制电路增益 又考虑到 AD7520 是廉价型的 10 位 D A 转换芯片 输出 Vout Dn VRef Dn 为 10 位数字量输入的二进制 可满足 10 2 1024 挡增益调节 满足题目的精度要求 它由 CMOS 电流开关和梯形电阻 10 2 网络构成 具有结构简单 精确度高 体积小 控制方便 外围布线简化等特点 故可以采用 AD7520 来实现信号的程控衰减 但由于 AD7520 对输入参考电压 VRef 有一定幅度要求 为使输入信号在 mV 至 V 每一数量级都有较精确的增益 最好使信号在到达 AD7520 前经过一适当的幅度放大调整 通过 AD7520 衰减后 进行相应的后级放大 并使前后级增益积为 1024 与 AD7520 的衰减分母相抵消 即可实现程控放大 但 AD7520 对输入范围有要求 具体实现起来比较复杂 而 且转化非线性误差大 带宽只有几 KHZ 不能满足频带要求 2 1 3 方案三 根据题目对放大电路增益可控的要求 考虑直接选取可调增益的运放实现 如运放 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 形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 我们选用了第三种方案进行设计 本设计也就是一个宽带放大器 利用可变 增益宽带放大器 AD603 来提高增益和扩大 AGC 控制范围 通过软件补偿减小增 益调节的步进间隔和提高准确度 输入部分采用高速电压反馈运放 OPA642 作跟 随器提高输入阻抗 并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路 使用 了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激 功率输出部分采用分立元件制作 整个系统通频带为 1KHz 20MHz 最小增益 0dB 最大增益 80DB 增益步进为 1dB 60dB 以下预置增益与实际增益误差小于 1dB 不失真输出电压有效值可达 9 5V 输出 4 5 5 5V 时 AGC 控制范围为 66dB 2 2 后级放大器 由两片 AD603 级连构成的前级放大电路 对不同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 不能满足题目要求 所以前级放大信 号需经过后级放大达到更高的输出有效值 2 2 1 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 6V 以上有效值 而在电子市场很难买到这 样的芯片 而我们买到如 AD811 HA 2539 等芯片 虽然输出幅度能满足要求 但是很容易发生工作不稳定的情况 2 2 2 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 调试烦琐 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 我们决定自行设计后级放大器 2 3 测量有效值部分 2 3 1 方案一 利用高速 ADC 对电压进行采样 将一周期内的数据输入单片机并计算其均 方根值 即可得出电压有效值 2 1 此方案具有抗干扰能力强 设计灵活 精度高等优点 但调试困难 高频时 n i i U N U 1 2 1 采样困难而且计算量大 从而增加了软件难度 2 3 2 方案二 先对信号进行精密整流并积分 得到正弦电压的平均值 再进行 ADC 采样 利用平均值和有效值之间的简单换算关系 计算出有效值并显示 只用了简单的 整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量 但此方法对非正弦波 的测量会引起较大的误差 2 3 3 方案三 采用集成真有效值变换芯片 直接输出被测信号的真有效值 这样可以实现 对任意波形的有效值测量 综上所述 我们采用方案三 变换芯片选用 AD637 AD637 是真有效值变换 芯片 它可测量的信号有效值可高达 7V 精度优于 0 5 且外围元件少 频带 宽 对于一个有效值为 1V 的信号 它的 3DB 带宽为 8MHz 并且可以对输入信号 的电平以 DB 形式指示 该方案硬件 软件简单 精度也很高 但不适用于高于 8MHz 的信号 此方案硬件易实现 并且 8MHz 以下的时候测得的有效值的精度可以保证 在我们设计要求的通频带 10kHz 6MHz 内精度较高 而 8MHz 以上输出信号可 采用高频峰值检测的方法来测量 2 4 系统总体框图 图 2 1 系统总体框图 GV 峰值 测有 效值 输入缓冲 90MHz 宽带放大 PGAPGA 屏蔽盒 D A单片机A D 数码管和 按键 精密基准源 低通滤波 PA 30MHz 宽带放大 同轴电缆 功放电路隔离 第 3 章 系统设计 3 1 AGC 简单介绍 有时由于接收环境的不同 外界干扰的影响 接收到信号的强弱可能变化很 大 特别是传输视频图像信号时 由于频带宽 电磁干扰严重 信号幅度大小的 变化会严重影响图像的质量 为了较好的解决这个问题 可使用自动增益控制电 路 它取出放大器输出的峰峰值作为增益的控制电压 使最终输出的电压信号保 持在某一峰峰值之间 从而保证在 AGC 作用范围内输出电压的均匀性 故 AGC 实质上就是一个负反馈电路 如下图 3 1 所示 是 AGC 的工作曲线图 Vs 为输入电压 Vo 为输出电压 在 Vs1 和 Vs2 之间的曲线是 AGC 的可控区 之外就是失控区了 我们的目的是 保证在 AGC 的可控区内 利用从输出端取得的反馈电压 控制放大器的增益 使输出基本保持不变 从而达到稳定输出电压的目的 图 3 1 AGC 工作曲线图 3 2 电压增益控制原理 AD603 的基本增益可以用下式算出 GAin DB 40 VG 10 3 1 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 从此式可以看出 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 很准确的实现 但若要用放大倍数来表示增益的话 则需将放大倍数经过复杂的 对数运算转化为以 DB 为单位后再去控制 AD603 的增益 这样在计算过程中就引 入了较大的运算误差 所以我们尽最大可能去改进 从而避免误差 3 3 正弦电压有效值的计算 翻阅大量书籍后 感觉有效值的测量需要一个高精度的芯片 我们使用 AD637 它是真有效值检测器 将输出的交流信号取样 然后转换为直流 经过 单片机的 A D 转换 显示在数码管上 虽然 AD637 的最大输出电压是 8V 但 8V 以内足以满足我们设计的要求 根据 AD637 芯片手册所给出的计算真有效值的经验公式为 rms IN rms V V V 2 3 2 其中 IN V 为输入电压 rms V 为输出电压有效值 第 4 章 主要电路原理分析 4 1 系统概述 根据题目的要求 结合考虑过的各种方案 我们认真取舍 充分利用模拟和 数字系统各自的优点 采用单片机预制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 利用单片机及数字算法控制信号得到合理的前级放大和精 确的放大倍数 4 2 前级放大电路和增益控制 0 1 2 3 4 5 6 OPA642 D1 IN4040 C15 470u C16 100u C7 470u C11 100u C4 100u C14 E100u R5 12K R4 10K R1 10K R2 10K R3 2K P1 RCA C5 0 1u C9 0 1u C13 0 1u C9 0 1u C1 0 1u C2 0 1u C3 0 1u C8 0 1u C6 0 1u C12 0 1u C10 0 1u GND D2 IN4040 GND GND GND GND GNDGND GND GND C17 100u AD603AD603 GND 图 4 1 前级放大和增益控制 由于 AD603 的输入电阻只有 100 在高频中我们学过 低的输入阻抗将带 来功率 阻抗匹配等方面的问题 所以说 要满足输入电阻大于 2 4k 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 如图 4 1 所示 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 的电压峰峰值的 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 以上的信号将被衰减 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 该部分采用 AD603 典型接法中通频带最宽的一种 如图 4 2 所示 通频带为 90MHz 增益为 10 30sB 我们采用两级 AD603 可构成具有自动增益控制的 放大电路 VC1 1 6 6 VC2 2 7 7 Vout 3 8 8 Vin 4 9 9 GPOS VPOS AD603 GNEG Vout VINP VNEG COMM FDBK 接地 接地 图 4 2 AD603典型的模拟方框图 脚号代号功能描述 1GPOS增益控制输入 高 电压端 正电压控制 2GNEG增益控制输入 低 电压端 负电压控制 3VINP运放输入 4COMM运放公共端 5FDBK反馈端 6VNEG负电源输入 7VOUT运放输出 8VOPS正电源输入 表 4 1 AD603 引脚功能 2 固定增益放大器5 6 1 3 4 7 8 刻度参考 R 2R 梯形网络 电 阻 电 阻 电 阻 无源输入衰减器 AD603 图 4 3 AD603 的原理框图 增益和控制电压的关系为 1040 UAG dB 4 1 一级的控制范围只有 40DB 使用两级串联 增益为 20240140 UUAG dB 4 2 增益范围是 20dB 60dB 满足设计的要求 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 60M 4 3 功率放大部分 电路如图 4 4 参考音频放大器中驱动级电路 考虑到负载电阻为 600 输 出有效值大于 6V 而 AD603 输出最大有效值在 2V 左右 故选用两级三极管进 行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大 第一级进行电压放大 整 个功放电路的电压增益在这一级 第二级进行电压合成和电流放大 将第一级输 出的双端信号变成单端信号 同时也提高了带负载的能力 如果需要更大的驱动 能力 则需要在后级增加三极管跟随 器 实际上加上跟随器后 放大器的通频带将急剧下降 原因是跟随器的结电容 被等效放大 当输入信号频率很高时 输出级直流电流很大而输出信号则很小 使用 2 级放大已足以满足设计的要求 选用 NSC 公司 2N3904 和 2N3906 三极管 特征频率 T f 250 300MHz 可达到 25MHz 的带宽 整个电路没有使用频率 补偿 可对 DC 到 20MHz 的信号进行线性放大 在 20MHz 以下增益非常平稳 为稳定直流特性 我们将反馈回路用电容串联接地 加大直流负反馈 但这会使 低频响应变差 实际上这样做只是把通频带的低频下限频率从 DC 提高到 1kHz 但电路的稳定性提高了很多 本电路放大倍数为 AG 1 R8 R9 4 3 也就是说 R8 和 R7 并联后 再比上 R9 由于 R8 是可变电阻 而且阻值相比 R7 而言很小 所以 R7 可以忽略不记 整个功放电路电压放大约 10 倍 通过调 节 R8 来调节增益 根据电源电压调节 R6 可调节工作点 T4 2N3906 T2 2N3904 T1 2N3904 T3 2N3906 D1 Diode 1N4007 D2 Diode 1N4007 1K R5 Res2 680 R2 Res2 2K R4 Res2 680 R3 Res2 2K R6 Res2 100uF C1 Cap 100uF C2 Cap 1K R10 Res2 100 R7 Res2 1uF C8 Cap 0 01uF C9 Cap 1uF C10 Cap 0 01uF C11 Cap 100 R8 Res2 2p C6 Cap 2p C7 Cap 5 1k R1 Res2 GND 1 2 P1 Header 2 1 2 3 P2 Header 3 100 R9 Res2 0 01uF C3 Cap 1uF C4 Cap 1000p C5 Cap 15V 15V OUT 入入 GND 50 R11 Res2 图 4 4 后级放大部分 4 4 单片机控制部分 4 4 1 控制部分的简单论述及框图 这一部分除了由 51 系列单片机外 还需要由 A D D A 和基准源组成 如 图 4 5 所示 使用 12 位串行 A D 芯片 ADS7816 便于测量真有效值和峰值 和 12 位串行双 D A 芯片 TLV5618 基准源采用带隙基准电压源 TL431 其中 ADS7816 是高速 微功耗 12 位 A D 转换器 它的采样速率为 200KHZ 掉电模式为 3UA MAX 差分输入 串行接口 而 D A 转换器采用的是 具有掉电模式的双通道 12 位电压输出 TLV5618 它采用电源为 2 7V 5 5V 可编 程位置时间是 3 微秒 高速模式 9 微秒 低速模式 且温度范围内单调 图 4 5 数字部分框图 4 1 2 数字部分的信号隔离 合理的布线和接地能有效地抑制噪声干扰 但是由于模拟信号和数字信号仍 然存在共地点 要想彻底抑制数字噪声对模拟电路的影响有时很困难 另一方面 在某些场合 如数据采集系统 模拟信号来自工业现场 远离主机 因此在模拟 信号传输线上很容易受到现场的干扰 包括尖峰干扰 这些干扰虽然对低频模拟 信号的影响并不大 但对数字电路 尤其是微机系统危害极大 可能造成系统运 行错误 再有模拟信号线在现场被短路 接地 漏电的机会比其他部分高 一旦 发生此类事件也会危害数字系统 采用隔离措施可以进一步抑制干扰 提高系统的可靠性 使用广泛的隔离元 件是光电耦合 根据隔离位置不同 有两种隔离方式 一种是隔离模拟部分 这 种方式电路结构简单 使用元件少 但是要注意必须选用线性的光电的耦合器 从目前光电耦合器来看 可选用线性耦合器件的品种很少 而且线性度和温度稳 定度仍然不是很理想 因此附加了模拟通路的误差 使系统转换精度下降 在精 密模数转换系统中可以采用隔离放大器 但精密隔离放大器大多采用变压器隔离 方式 其频率响应特性不如光电耦合器 另一种隔离方式是隔离数字信号端 这 种隔离方式的光电耦合器的特性对模拟信号的精度无影响 缺点是数字信号端的 A D单片机D A减法电路 精密基准源 数据线和控制线数量较少 每根需要光电耦合器 因此所用元器件数量大 而在 串行接口的模数转换系统中 隔离元件的数量可以大大减少 VFC 型 ADC 输出的脉冲信号 几乎不需要控制线 所以只要一个隔离元件 另外要注意的是 由于数字信号工作频率较高 所以必须采用高速光电耦合 器或采取加速措施 即使这样 在微机处理器系统中还常需要插入等周期或增加 信号锁存等方法来协调光电耦合器引来的延迟时间 这就增加了数字电路接口电 路的复杂性和降低了系统响应的速度 实际应用系统的技术要求各不相同 采用 什么类型的 ADC 需不需采用隔离措施 采用什么样的隔离方式 还要根据实际 情况而定 4 4 3 A D 转换器的简单介绍 A D 转换器的主要技术指标是 分辨率 转换速率 量化误差 偏移误差 满刻度误差 线性度 不同类型的 A D 转换器在结构 转换原理和性能指标等方 面有很大的差异 常用的 A D 转换器有积分型 逐次逼近型 并行比较型 串行比较型及压频 变换型等 串并行比较型 A D 转换器结构上介于并行型和逐次型之间 最典型的是由 2 个 n 2 为的并行型 A D 转换器配合 D A 转换器组成 用两次比较实行转换 还有 分成三步或多步实现 A D 转换的叫分级型 A D 而从转换的角度又可称为流水线 型 A D 现代的分级型 A D 转换器中还加入了对多次转换结果做数字运算而修正 特性功能 这类 A D 速度比逐次比较型高 电路规模比并行型小 为了更好的配合 A D 转换的使用 还需要采样 保持器 采样 保持器是指 在输入逻辑电平控制下处于 采样 或 保持 两种工作状态的电路 在 采样 状态时电路的输出跟踪输入信号 在 保持 状态时 电路的输出保持着前一次 采样结束时刻的瞬间输入模拟信号 直至下一次采样状态的结束 这样有利 A D 转换器对模拟信号进行数据量化 4 5 直流稳压电源 线性电源虽然简单 但在整个系统中有非常重要的作用 由于是信号频率在 兆级的小信号放大器 电源的稳定性决定着整个系统的稳定性 所以要求电源输 出稳定 纹波小 在本系统的设计过程中 电源是一个比较重要的问题 不仅因为各种芯片需 要提供的电源各不相同 而且对于高频电路而言 电源上的干扰往往是致命的问 题 所以我们在选取电源的时候 也要慎重 首先我们利用变压器将市电的 220V 交流电转变成有效值为 9V 和 18V 的交 流电 然后通过桥式整流 经过 7805 7815 7905 7915 等电压转换器输出各 个芯片 这四块芯片中 7805 和 7815 分别实现了 5V 和 15V 的稳压输出 而 7905 和 7915 则实现了 5V 和 15V 的稳压输出 在每只芯片供电回路 我们使用电 容和高频扼流圈对电源电路进行高频信号的滤波 这样我们就拥有一个比较理想 的电源系统 数字部分和模拟部分通过电感隔离 电路原理如图 4 6 所示 图 4 6 稳压电源原理图 图 9 电源部分 第 5 章 系统软件设计及抗干扰措施 5 1 系统软件流程图的分析 单片机是整个放大器控制的核心部分 它主要完成以下功能 接收用户按键 信息以控制增益 接收峰值检波电路的反馈电压以计算有效值 对 AD603 的增 益控制电压进行控制 本系统就是采用 AD603 来实现放大功能的 但是在实际实现中 AD603 对于 实现此功能还存在着一些差别 所以我们要通过单片机来辅助 AD603 实现 程序流程图如下所示 图 5 1 程序流程图 5 2 抗干扰措施 对于高频信号来说 最怕的是外界的干扰 所以说我们在测试的时候 一定 要做好抗干扰措施 只有这样才能更好的使系统工作 才能达到各技术指标 系统总的增益为 0 80dB 前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达 按键扫描 系统初始化 有键按下 判断键码 是 增 益 增 加 增 益 减 小 增 益 显 示 电 压 显 示 AG C 取 消 AG C 重新扫描 否 10mS 中断 采样输 出端口 是 AGC 否 设 置 输 出 设 置 输 出 中断返回 60dB 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 将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中 避免级间干扰和高频自激 2 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 1000uF 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 3 所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降 4 构建闭路环 在输入级 将整个运放用较粗的地线包围 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 在功率级 这种方法可以有效的避免高频辐射 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 仅理论上讲 该电路的抗干扰措施比较好 在 1KHz 20MHz 的通频带范围 和 0 80dB 增益范围内都没有自激 应该说 已经满足了设计的要求 但在具体 的制作过程中 可能会存在一些不足 所以说我们要尽最大努力去减少干扰 第 6 章 系统测试结果及分析 6 1 宽带放大器幅频特性测试框图 图 6 1 宽带放大器幅频特性曲线测试框图 所用仪器仪表 示波器 IWATSU OSCILLOSCOPE SS 7804 40MHz 双路可跟踪直流稳压电源 HY1711 3S DIGITAL MULTIMETER GDM 8145 信号源 0 01Hz 16MHz 50mV 10V PEAK OUTPUT SONY TEKTRONIX AFG310 最小输出 50mV 万用表 DT9205A 负载电阻 RL 600 欧 6 2 频率响应特性 输入电压 53mV 增益预制 40dB 频率10kHz20kHz50kHz100kHz200kHz500kHz800kHz1MHz1 1mHz 输出 V 4 055 185 415 415 415 415 275 235 23 频率 MH z 1 21 51 822 22 52 833 2 输出 V 5 215 205 205 205 215 225 245 2355 35 频率 MH z 3 53 844 24 54 855 25 5 输出5 505 495 495 45 255 014 94 74 575 信号源 宽带放大器 示波器 电压表 V 频率 MH z 5 866 26 56 877 27 57 8 输出 V 4 4254 324 2353 832 9852 9852 882 7682 72 频率 MH z 88 28 58 899 29 59 810 输出 V 2 6742 6442 6042 5382 572 4882 462 4322 41 表 6 1 频率响应特性 表 6 2 频率响应特性 可见 3dB 点 6 5MHz 但是 由于我们使用的信号源频率特性也不稳定 我 们对其进行了测试 可见到 10MHz 后信号源衰减了 10dB 可见由于信号源不准的关系 导致测量出的性能不是非常理想 由于条件和 时间的限制 没有能对更换标准信号源后的系统进行测试 我们认为更换标准信 号源后 系统性能会更好 6 3 AGC 功能测试 频率 1MHz 下表 6 3 中显示峰 峰值 输入0 050 10 20 311 11 21 251 3 输出15 415 415 2514 7014 30141413 813 6 频率10kHz50kHz100kHz500kHz1MHz2MHz2 5MHz3MHz 输出 mV106106106104 61021 210299 4 频率 MHz3 544 555 566 57 输出 V92 889 284 279 47672 468 866 4 频率 MHz88 599 510 输出 V6461 861 860 657 4 增益49 7743 7537 6433 823 122 121 320 8620 393 表 6 3 峰 峰值 起控电压 0 05 结束电压 1 3V 输入电压范围 0 05 1 3V 输出电压范围 13 6 15 4V 输入电压增益比 28 3dB 输出电压增益比 1 08dB AGC 控制范围 27 2dB 完全满足 20dB 可调的范围 调节合适的时候可以超过 40dB 可调范围 6 4 预制增益的测试 预制增益放大倍数输入理论输出实际输出误差 DB 103 162277660 050 320 315 0 033788924 166 309573440 050 630 6 0 436974992 2212 58925410 051 261 2950 245395368 2825 11886430 052 512 590 265995282 3450 11872340 055 014 91 0 178370158 401000 0510 0010 020 017354431 46199 5262310 0519 9519 4 0 243965401 52398 1071710 0215 9213 35 1 531574513 58794 3282350 0057 947 19 0 865422192 641584 893190 00515 5813 45 1 425554313 703162 277660 00212 6511 42 0 887877748 表 6 4 预制增益测试表 可见完全满足控制在两个误差以内的要求 6 5 其它 输出电压最大有效值 Vo 8V 频带范围 BW 6 5MHz 增益范围 10 70dB 增益步进 6dB 预制增益值有显示 输出电压有效值有显示 6 6 测试性能总结 我们对输入输出信号 频带 增益 AGC 等性能指标进行了测试 各项指标 都满足了题目的要求 并有一定程度的提高 所测的主要结果如表 6 5 题目基本要求发挥要求作品实际性能 3dB 通频带 10kHz 6MHz 在 20kHz 5MHz 频带内增益起伏小 于 1dDB 进一步扩展通频带3dB 通频带 6 5MHz 最大增益大于 40dB 10 40dB 可调 6DB 步进 预制值和实 测值误差小于 2DB 最大增益大于 58dB 10 58dB 可调 6dB 步进 预 制值和实测值误差小于 2DB 最大增益大于 70dB 可实现步进调节增益 并 可用数码管显示 预制值 和实测值误差小于 1dB 最大输出有效值大于 等于 3V 最大输出有效值大于等于 6V 满足 最大输出有效 值大于 8V 增加 AGC 功能 AGC 范 围大于 20DB 输出电压稳定 在 4 5 5 5V AGC 范围大于 30dB 电压可稳定在 4 5 5 5V 并可调节稳定 电压 输出噪声电压小于 0 5V 峰 峰值 噪声电压小于 0 5V 峰 峰值 自制电源自己手工制作稳压电 源 30V 纹波小于万分之 二点三 其他采用单片机数控增益 技术 增加抗干扰措施 合理布线减小干扰 模拟 地和数字地的分开处理 多点共地 射随器和去耦 电路的合理应用等 表 6 4 性能测试结果 第 7 章 结束语及展望 通常所见的都是窄带功率放大器 但我们这次毕业设计的目的是在现有的功 率放大器基础上做出带宽在 6M 10M 之间的功率放大器 以实现更多的功能 为我们以后所利用 通过这次的毕业设计 我不断地从各方面查阅资料 从而不仅拓宽了自己的 知识面 还在实践过程中巩固和加深了自己所学的理论知识 使自己的技术素质 和实践能力有了进一步的提高 同时使我的专业水平也有了很大的进步 在软件开发方面也累积了一些经验 特别是在对软件开发工具不很熟悉的情 况下 通过自己的学习和导师的指导完成了设计任务 并在设计过程中 自己分 析问题和解决问题的能力都得到了锻炼和提高 完善了自己的知识结构 加深了 对知识的理解 这次毕业设计完成后我的体会颇多 我知道只有在学与做的过程中 取长补 短 不断学习新的知识 吸取经验 才能够达到进步的目的 在学与做的过程中 自身的努力以及相关图书资料的帮助 才使我逐渐熟悉了单片机编程方面的应用 知识 对电子产品开发的一般过程和对硬件知识的也有了进一步的了解 我们应 该明白 在这个快速发展的社会里 电子早已普遍应用到各个领域 在这次的毕业设计中我学习到最多的还是电子方面的知识 是在以前的学习 过程中所学不到的 但由于自己的理论知识水平有限 实践知识和设计经验不 足 在设计过程中难免存在一些问题 甚至错误 恳请各位老师批评指正 以使 我在以后的工作和实践中加以改进和提高 毕业设计对我们每个毕业生都非常重要 在几个月的毕业设计中 通过广泛 查阅与课题有关的内容 还使我掌握了许多与通信有关的东西 更重要的是使我 对 PRoteL 等软件功能和应用有了一定的了解 对本专业的兴趣也提高了许多 为此 我对设计一个完整的电子产品件的步骤 方法及思路有了一个全新的认识 这加深了我对产品设计设计的理解 同时也给我提供了一次为以后实际模拟锻炼 的机会 感到受益非浅 为此 我也希望本次毕业设计能给指导老师交上一份满 意的试卷 我相信在我们这代人的共同努力下 电子世界一定会有一个崭新的面貌的 致 谢 经过了两个多月的学习和工作 我终于完成了 宽带功率放大器 的论文 从开始接到论文题目到系统的实现 再到论文的完成 每走一步对我来说都是新 的尝试与挑战 这也是我在大学期间独立完成的最大的项目 在这段时间里 我学到了很多知识也有很多感受 从对功率放大器的一点点 认识 在对宽带功率放大器很不了解的状态下 我开始了独立的学习和实验 查 看相关的资料和书籍 让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰 使自己非常稚嫩作品 一步步完善起来 每一次改进都是我学习的收获 每一次试验的成功都会让我兴 奋好长一段时间 从中我也充分认识到了宽带功放给我们生活带来的乐趣 在属 于自己的学习生活空间上 尽情宣泄自己的情感 表达自己的感受 并且把自己 的想法与他人分享 虽然我的论文作品不是很成熟 还有很多不足之处 但我可以自豪的说 这 里面的每一段字句 都有我的劳动 当看着自己整理的文章能够被教授认可 真 是莫大的幸福和欣慰 我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉 这次做论文的经历也会使我终身受益 我感受到做论文是要真真正正用心去 做的一件事情 是真正的自己学习的过程和研究的过程 没有学习就不可能有研 究的能力 没有自己的研究 就不会有所突破 那也就不叫论文了 希望这次的 经历能让我在以后学习中激励我继续进步 在此 非常感谢李老师在我做毕业论文时对我的指导 也非常感谢同学对我 的帮助 使我能够顺利地完成了毕业论文的写作 参考文献 1 江晓安 1983 放大电路的分析基础 模拟电子技术 M 7 27 53 2 丁炜 2002 放大器的电源 中国有线电视 M 19 70 74 3 王正齐 陈华奇 邓如岑 2004 宽带放大器 电子世界 M 1 35 38 4 王璟 戴娟 2000 利用 D A 转换技术实现可编程放大器 M 电子工程师 5 李华 1993 MCS 51 系列单片机实用接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 6 杨世忠 邢丽娟 2001 增益可变运放 AD603 的原理及应用 山西电子技术 M 3 18 23 8 张展 余涵 张安安 2004 宽带放大器 B 题 电子世界 M 3 43 46 9 张专成 邹涛 赵怀勋 1998 串行 A D 与单片机的接口技术 电子技术应用 M 10 郑国君 2002 8 位串行 A D 转换器 ADC0832 电子世界 M 9 44 45 11 胡汉才 1996 单片机原理及其接口技术 M 北京 清华大学出版社 16 285 300 12 郭云林 2004 宽带放大器 B 题 析评 电子世界 M 3 41 43 13 海涛 1998 低噪 宽带程控增益放大器的实现术 8 39 41 附录 1 系统原理图 0 1 2 3 4 5 6 OPA642 D1 IN4040 C15 470u C16 100u C7 470u C11 100u C4 100u C14 E100u R5 12K R19 12K R6