程控宽带放大器综述

1、武汉理工大学专业综合课程设计说明书1芯片介绍本次课程设计主要用到AT89C52,AD603,DAC8032三种芯片。1.1 AT89C52简介单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为"。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器

2、截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。本课题讨论的方波发生器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机。单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有软件的载体。本系统采用AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复榛写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系

3、统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。其管脚如下图1所示:“1za45&rG 543210

4、DDDDDDD 11L工11号总 /i!AA*A丸由AFW 在A业A也AAA o123455TW/HT B543Z1O c 白口。口口o0。口-nLE2.z之之2Z,2,2 VFFF FFFF F AFFF FFFF FFO9 8T&54 3Z 1O9S-T&54SZ 1 J-33B3a933392a222za2?2s:dsG7s目u 12345 11111111112匚匚匚匚匚匚匚LILI匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚 口 iz3456TH 口1之34 5 Grzl m :：LLW nil 1111K.3 33333336 Ac FrFFPFFF PPFPFPPFTr7图1AT89C

5、52单片机管脚图本设计中，P0端口（3239脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。1.2 AD603简介AD603是美国AD公司推出的一款宽频带、低噪声、低畸变、增益变化范围连续可调的可控增益放大器，其内部结构如图2所示。参考电压86增益控制界而精密的无源输入衰减器固定增益放大器2Mil21心2Kfi. 02dB T鼠 06dB21l70. IdB 72. 14dB12.(MdH2498dBT6. l2dB76. 44k69120林称值R/R梯形网

6、络图2AD603内部结构图AD603的封装引脚及各引月却功能分别如图5和表1所示GP0SGNEGVINPCOXIXfAD603TOP VIEW (Not to Scale)VPOSVOUTVNE3FDBK图3AD603弓I脚图表1AD603各弓I脚功能脚号符号功能1Vg+增益控制输入正端2Vg-增益控制输入负端3Vin运放输入4GND运放公共端5FDBK反馈端6-Vcc负电源输入7+Vout运放输出8+Vcc正电源输入工作模式一般，利用反馈网络（VOUTWFDBK®的连接方式）来设计AD603B勺增益时，可设置为以下3种模式：模式1:将VOUTtFDBK®路，即宽频带模式（

7、90MHz带宽）时增益变化范围为一10+30dB;模式2:VOUTtFDB必问外接一个电阻REXTFDBKWCOM端之间接一个5.6pF的电容用于频率补偿.根据放大器的增益关系式，选取合适的REXT可获得所需要的模式1与模式3之间的增益值.当REXT=215kQ时，增益变化范围为0+40dB;模式3:VOUTfFDBKi间开路，FDBKWCOM隆接一个18pF的电容用于扩展频率响应，该模式为高增益模式，增益范围为1050dB,带宽为9MHz单个的AD603的增益可以用下式进行计算：Gain（dB）=40+,其中是差动式入的增益控制电压（1脚到2脚）,范围是-500+500mV为统一单位量纲，在

8、公式中单位应当使用伏特，即一0.5V+0.5V,是增益起点，接不同的反馈网络有所不同。本设计采用AD603*型接法中通频带最宽的一种（即第二种工作模式），通频带为90MHz增益为10+30dB,输入控制电压U的范围为0.5+0.5V。图6为AD603®成90MH滞宽的典型方法。图4 AD603接成90MH滞宽的典型电路1.3DAC0832电压输出电路DAC083宏采样频率为八位的D/A转换器件，芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832ft备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模

9、拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功还可以外接。其内部结构能。运放的反馈电阻可通过RF端引用片内固有电阻,和引脚图如图12所示。尬人 般繇13”* A 15佛"”上'皿屯儿UM）器曲I.3-：8位 坳人 .31：1片选语,0-Ur,传送_17控K XHhk -La-厂.，10珏1乐 讨寄G 3（仃裤出：口"寄仃器粉人数加被闸0cS -1r依WMl)9-ILEir 1，一IM-Wf<H131nf卜曲仙一建t山门】：一g13.1 )11 M-K11i rkL» -8U1LMl !,gJ 2r * 11lil11-Am u图5DAC08

10、32内部结构和弓|脚图DAC083川脚功能说明：DI0DI7:数据输入线，TLL电平。ILE:数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS:片选信号输入线，低电平有效。WR1为输入寄存器的写选通信号。XFER数据传送控制信号输入线，低电平有效。WR2为DAC寄存器写选通输入线。loutl：电流输出线。当输入全为1时loutl最大。Iout2:电流输出线。其值与loutl之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线，芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线(+5v+15v)。Vref:基准电压输入线(-10v+10v)。AGNDg拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。DGN啖字地。2设计方案2.1 总体方案框

11、图本系统原理方框图如图6所示。本系统由前置放大器、中间放大器、末级功率放大器、控制器、键盘及稳压电源等组成。其中前置放大器、中间放大器、末级功率放大器构成了信号通道。图6系统原理框图2.2 增益控制部分使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图3）o根据题目对放大电路的增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现，比如AD603其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型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

12、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30MH©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。2.3 末级功率放大器两片AD603级联构成放大器，可对不同的大小的输入信号进行放大。由于AD603的最大输出电压较小，所以需要前级放大信号需经过后级放大达到较高的输出有效值。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，调试繁琐，可是却可以经过计算得到最合适的输入

13、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。因此自行设计后级放大器优势就很明显了。因此末级功率放大器用分立元件自行搭建后级放大器以达到较高的输出有效值。3仿真电路设计3.1 输入阻抗变换电路由于AD603的输入电阻只兵口1。0。,要满足输入电阻大于1kQ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图83.2 增益控制电路武汉理工大学专业综合课程设计说明书输入部分先用电阻分压衰减,再由低噪声高速运放OPA642大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642勺电压峰峰值不超过其极限(2V)其输入阻抗大于2.4kQ。

14、OPA642的增益带宽积为400MHz这里放大3.4倍，100MHzW上的信号被衰减。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。增益和控制电压的关系为：AG(dB)=40XUg+10,一级的控制范围只有40dB,使用两级串联，增益为AG(dB)=80Ug+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9MH九右，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6MHz3.3 末级

15、放大部分为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，宜采用互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式，典型电路如图8所示。高频晶体管2N3904为NPN0,2N3906为PNP®,是配对的互补管，特征频率ft达200MHz能保证系统性能要求。由于是深度电压串联负反馈，故输入阻抗较高，输出阻抗低，适合与前端放大器和负载连接。由图可见，本级avf=1/kfV=1+(R10/R9),如R9R10为图中标注值,则avf=11,约合20dB。其中所有电容，均是为了电源去耦或改善频率特性的。图103.4 键控及显示部分电路该部分由这一部分由51系列单片机AT89C52DAC0832LM324键盘等组

16、成。单片机AT89C52方框图如图11所示。*DAC0832LLM324>至AD603增益控制端键盘图11控制部分电路设计武汉理工大学专业综合课程设计说明书21图12仿真电路3.5 DAC0832电压输由电路由于本设计要求增益调节范围为10dB40dB按照公式AG=80Ug+20(dB)则Ug=-1/8V1/4V,故要求DAC083规能输出负电压也能输出正电压。电路如图13所示。U1 1VREF RFB GNID20VCC ILE(BY1/XFERIDI40I5OI00I7 IOUT2 UOUT1Q 4 5 B 7<寸 d d d&A&D&32LM324八R

17、2R3LM3241LJ <TE.X.T>-12图13DAC0832的模拟电压输出电路根据上述电路最终输出电压U=5*(D/128)-5(V),其中D为单片机输入到DAC0832勺值。要求增益调节范围为10dB40dB设定步进级数为6,因此计算的D值如表2所示。表2增益步进级数对照D值表增益步进级数123456预置增益值/dB101622283440Ug/V-0.12-0.050.020.10.180.25D1251271291311321353.6 总仿真电路图由以上几个部分可拼接得总仿真电路图如下图144程序设计统软件主要包含了系统初始化程序、LCD1602M示程序、键盘程序、D

18、A转换程序等。程序流程如图14所示.液晶显示程序对单片机处理数据进行显示处理，实现友好人机界面的信息交换.DA转换主要将键盘输人的键值经过相应的处理以后，转换成二进制数据输送给DA芯片的数据口进行转换，经过转换后输出连续可调的模拟电压，用以控制AD603I勺1脚电压，实现程序控制.通过查询方式实现键控增益，并可实时液晶显示。（程序代码见附表）图15软件流程图5仿真结果分析运行仿真软件结果如下:FC耳4图16示波器显示如下：DitODpeXHI-图17改变增益倍数结果如下:图18:做 I血如 Mv箕*MePH P.l*M*l 小心 M3 口 皤卬 P1冲安此N.irrdi UTE P“*TT 尸

19、什。 NTiFJ白一 w.1图19增益误差测量：输入端加峰-峰值为20mV频率为1MHZ勺正弦波信号，保持幅度稳定，然后预设增益值测量输出信号来计算增益误差。测试的数据如表3所示。表3增益误差测试数据表预置增益/dB101622283440输出信号/mV202020202020实际增益/dB10.116.222.127.833.939.4误差增益/dB0.10.20.10.20.10.6增益误差分析如下：(1)由表3中可以看出增益误差在0.5dB之内，频率较高时，随着输出电压的增大，增益有下降的趋势，这是因为后级功放管工作状态即将接近饱和，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定。(2)本设计偏

20、重模拟电路的处理，得到了很高的增益和较小噪声，同时也和数字电路、单片机等结合。采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片AD603乍为增益控制，利用分立元件做后级功率放大，放弃了较难的宽带放大器，因此设计很灵活也比较容易实现。6心得体会通过本次课程设计，我对程控旷代放大器和c语言的相关知识得到了进一步开，刚开始看到这个题目的时候，感觉倒计时不是很难，有对应的输入，在控制芯片的作用下，进行增益的控制，就可以达到效果。所以刚开始的时候，做的还不是很认真，当设计进行到具体环节的时候，问题就体现出来了，并不是像刚开始的那样简单。首先要想到芯片的对应p口的功能，于是要对所学的单片机的知识进行复习，查

21、找相关资料对那些知识进行扩充，于是就大量的查找相关资料和阅读，了解清楚了相应的功能后，开始了设计。接着就是具体的模块部分的设计。我把整体模块分为四个部分进行，输入部分，用键盘作为输入模块。显示部分，采用1602。控制部分则有AT89C52e片来完成其功能。末级放大部分通过互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式来实现。再就是进行相对应的仿真设计。由于在仿真用到的是Proteus软件，所以要对这个软件的应用进行学习。也是开始查找一些资料书和上网找一些应用方面的技巧，在做了充分的准备后，开始了仿真绘图。在绘图的过程中，有时候也是弄错了，导致仿真的结果出不来，在同学的帮助下，仔细查找和修改，还是完成了本

22、设计，感觉集体的智慧还是很强大的。在看到LCD上的显示和示波器一致的时候，心里感觉还是蛮高兴的。虽然在这次设计的过程中，困难不少，但是正是在自己的努力，同学们的帮助下，自己能够顺利的完成，确实还是蛮欣慰的。感谢这次课程设计给了自己锻炼的机会，自己在今后的学习和生活中，会更加的努力，争取更大的进步！7参考文献1叶昌茂，温世敏.实用直流放大器的设计J.电子工程师,2005(10):30-33.2王国伟，施树春.可编程宽带运算放大器的设计与实现J.武汉理工大学学报信息与管理工程版，2008(6):378-381.3朱前伟等.基于单片机的一氧化碳传感器的设计J.计算机测量与控制,2009(7):144

23、5-1446.4钟小鹏，杜金榜，王跃科.大动态范围高精度AFE程控调理的经典实现方法J.计算机测量与控制,2006(4):533-535.5高德芝，陈祖斌，段建民.基于浮点放大技术的多通道数据采集系统J.计算机测量与控制，2009(2):431-433.6郭俊国，田书林，王志刚.大动态范围低失真模拟前端的设计J.仪表技术与传感器,2009(3):109-111.程序附录：#include<reg52.h>#include<absacc.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineda0832XBYTE0x

24、7fffsbitkey1=P1A0;sbitkey2=P1A1；sbitkey3=P1A2;sbitkey4=P1A3;sbitkey5=P1A4;sbitkey6=P1A5;sbitLCDEN=P3A4;sbitRS=P3A5;ucharnum;ucharcodetable1="ZYBS:"ucharaa6=125,127,129,131,132,135;/对应DAC0832俞出电压的值uintm;voiddelay(charc)/*延时1ms*/chara,b;for(a=c;a>0;a-)for(b=110;b>0;b-);voidwrite_com(ucharcom)RS=0;P1=com;delay(5);LCDEN=1;delay(5);LCDEN=0;voidwrite_data(uchardate)RS=1;P1=date;delay(5);LCDEN=1;delay(5);LCDEN=0;voidinit()LCDEN=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);void