基于單片機的寬帶前置程控放大器設(shè)計【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于單片機的寬帶前置程控放大器設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息

2、工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b>&

3、lt;/p><p>　　寬帶放大器在測量、控制、視頻、通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。然而單一的運算放大器芯片，面對多樣的應(yīng)用需求時，無法在輸入阻抗、增益、輸出功率等方面滿足要求。為此，文章提出一種寬帶程控放大器設(shè)計方案，該方案采用STC89C51單片機作為微控制器，以壓控增益放大器VCA824為放大電路的核心。利用Protel99軟件進行電路設(shè)計，并對電路進行了實物制作與調(diào)試。測試表明放大器的輸入阻抗可以在50Ω和1MΩ之

4、間切換，增益0～40dB可調(diào)，調(diào)節(jié)步進1dB，最大輸出電壓峰峰值25V。</p><p>　　關(guān)鍵詞：寬帶放大器；VCA824；程控放大；微控制器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Broadband amplifiers have wide application in measurement, con

5、trol, video, communications and other fields. However, when faced with a variety of application requirements,a single operational amplifier chip can not meet the requirements in input impedance, gain, output power etc.

6、Therefore, this article proposed a kind of design scheme about broadband program-controlled amplifier,which adopts STC89C51 as microcontroller, voltage-controlled gain amplifier VCA824 as the core amplifier. Circuit de&l

7、t;/p><p>　　Key Words: Broadband amplifier; VCA824; Program-controlled amplifier; MCU</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1　引言1</b></p><p><b>　　

8、2　方案論證2</b></p><p>　　2.1程控放大器實現(xiàn)方案論證與比較2</p><p>　　2.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案2</p><p><b>　　3　硬件設(shè)計4</b></p><p>　　3.1阻抗匹配模塊4</p><p>　　3.2 20dB固定增益放大模塊

9、5</p><p>　　3.3壓控增益放大模塊6</p><p>　　3.4功率放大電路9</p><p>　　3.5單片機控制電路10</p><p>　　3.6 DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊及電壓轉(zhuǎn)換電路11</p><p>　　3.7 人機交互接口13</p><p>　　3.7.1鍵盤模

10、塊13</p><p>　　3.7.2 液晶顯示模塊13</p><p><b>　　4　軟件設(shè)計16</b></p><p>　　4.1開發(fā)工具和編程語言16</p><p>　　4.2 總體程序流程圖16</p><p>　　4.3 定時器/計數(shù)器初始化子程序17</p>

11、;<p>　　4.4 鍵盤模塊子程序18</p><p>　　4.5增益控制子程序18</p><p>　　4.6 液晶模塊程序19</p><p>　　5　制作和調(diào)試21</p><p><b>　　5.1制作21</b></p><p><b>　　5.2調(diào)試

12、22</b></p><p>　　5.3性能測試23</p><p><b>　　6　結(jié)論27</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p>　　附錄1 系統(tǒng)實物圖29<

13、;/p><p>　　附錄2 實驗原理圖30</p><p>　　附錄3 畢業(yè)設(shè)計作品說明書32</p><p><b>　　1　引言</b></p><p>　　寬帶放大器，就是工作頻率上限與下限之比甚大于1的放大器。習(xí)慣上也常把相對頻帶寬帶大于20%～30%的放大器稱為寬帶放大器。隨著現(xiàn)代科技和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，寬帶

14、放大器在測量、控制和通信等領(lǐng)域的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路中有廣泛應(yīng)用[1]。特別是在視頻信號、脈沖信號或射頻信號的放大應(yīng)用中，對寬帶放大器的頻帶也提出了更高要求。如在無線通信、電子戰(zhàn)、電磁兼容測試和科學(xué)研究等領(lǐng)域，對射頻和微波寬帶放大器有著極大的要求，且這些領(lǐng)域?qū)拵Х糯笃鞯囊蟾鞑幌嗤?，特別是在通信領(lǐng)域和電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，對寬帶低噪聲和功率放大器的性能指標(biāo)有著特殊要求。在現(xiàn)代電子設(shè)備、通訊設(shè)備

15、和科研生產(chǎn)中常需要利用放大電路將傳感器輸出的微弱信號或通信接收端接收到空中微弱的信號進行提取、放大。為充分發(fā)揮傳感器或信號接收器的效能，將信號放大為易于處理的信號電平，只有將信號放大到一定程度才能滿足后級設(shè)備的要求。同時很多設(shè)備還要求具有阻抗匹配和一定輸出功率，才能驅(qū)動后級設(shè)備或使通信的發(fā)射端將信號有效傳輸?shù)浇邮斩恕Ｒ笄爸梅糯笃鲀?nèi)部產(chǎn)生的噪聲要盡量小，同時也不易受外來噪聲的影響，增益-頻率特性能覆蓋</p><p&

16、gt;　　然而面對實際應(yīng)用中多種多樣的放大要求，單一的運算放大器芯片難以實現(xiàn)頻帶、增益動態(tài)范圍、功率等多個參數(shù)同時滿足設(shè)計要求[3]。為此，這里設(shè)計一種寬帶前置程控放大器，具有直流輸入阻抗50Ω和1MΩ可選的輸入阻抗匹配單元（允許誤差2%）；具有輸入過載能力：50Ω阻抗可承受5V輸入過載，1MΩ阻抗可承受36V輸入過載；工作帶寬為0～20MHz，3dB帶寬30MHz，0-30MHz范圍內(nèi)的增益波動小于1dB，增益調(diào)節(jié)范圍0～60dB，調(diào)

17、節(jié)步進1dB；直流零點：輸入短路時，電路輸出直流電壓偏離零點在2mV范圍內(nèi)；后級功率放大器輸出最高25V峰峰值，液晶顯示輸入阻抗和增益。</p><p><b>　　2　方案論證</b></p><p>　　寬帶程控放大器一般由程控電壓增益放大器和匹配電路組成，在寬帶放大器中，程控電壓增益放大器是寬帶放大器的核心器件，匹配電路起輔助作用，實現(xiàn)阻抗匹配。</p&g

18、t;<p>　　2.1程控放大器實現(xiàn)方案論證與比較</p><p>　　方案一 通過繼電器或模擬開關(guān)改變運放的反饋電阻實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)的改變。該方案比較經(jīng)濟實惠，但是通過繼電器或模擬開關(guān)實現(xiàn)程控放大的方法其電壓增益調(diào)節(jié)的級數(shù)有限，而且需要較多的不同阻值的電阻和繼電器，且電路受分布參數(shù)影響較大，需減小電路中控制開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響，電路較為復(fù)雜，使用有些不變。</p><p>　

19、　方案二 使用數(shù)字電位器改變放大器反饋電阻。一片數(shù)字電位器芯片可實現(xiàn)放大器多級不同放大倍數(shù)的調(diào)整，在一定程度上可實現(xiàn)程控放大。但數(shù)字電位器的頻帶普遍不寬，一般為幾百KHz，無法實現(xiàn)本課題的帶寬要求。</p><p>　　方案三 采用高速乘法型DAC實現(xiàn)。利用DAC轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓Vref作為信號的輸入端，DAC的輸出端作為輸出。用DAC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入量控制，傳輸衰減實現(xiàn)增益控制。此方案較為簡單，但要求DA轉(zhuǎn)換器

20、具有很大的帶寬，且當(dāng)信號頻率較高時，系統(tǒng)容易發(fā)生自激。</p><p>　　方案四 采用集成寬帶程控放大器實現(xiàn)。集成寬帶程控放大器主要分為兩類：一類為編程增益運算放大器（PGA），原理是通過改變控制端數(shù)字邏輯電平實現(xiàn)增益的控制；另一類為壓控增益運算放大器（VGA），原理是通過改變控制端電壓實現(xiàn)增益的控制[4]。壓控增益運算放大器具有較寬的頻帶和很高的轉(zhuǎn)換速率，滿足本課題寬頻帶的要求。利用DA輸出不同的控制電壓，實

21、現(xiàn)放大器增益調(diào)節(jié)。因此本課題中選用壓控增益運算放大器作為程控放大器的主要放大器件。</p><p>　　2.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案</p><p>　　為了實現(xiàn)任務(wù)書要求的功能和技術(shù)指標(biāo)，本論文設(shè)計的寬帶程控前置放大器包括阻抗匹配模塊、20dB固定增益放大模塊、壓控增益增益放大模塊、功率放大模塊、單片機控制模塊、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電壓轉(zhuǎn)化電路、按鍵輸入和液晶顯示模塊模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖2-

22、1所示。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　信號先經(jīng)過阻抗匹配單元，通過繼電器切換選擇相應(yīng)的輸入阻抗，實現(xiàn)50Ω或1MΩ阻抗匹配。由于單級放大電路無法實現(xiàn)課題的增益-帶寬要求，系統(tǒng)采用3級放大方式。第一級是20dB的固定增益放大，第二級采用VCA824實現(xiàn)可控增益放大，第三級是20dB的后級功率放大電路，三級放大電路級聯(lián)實現(xiàn)最大60dB的增益。壓控增益放大器V

23、CA824的控制端電壓由單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7611提供，STC89C51單片機是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制的核心。按鍵和液晶模塊分別實現(xiàn)輸入阻抗和增益的控制和狀態(tài)顯示功能。</p><p><b>　　3　硬件設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)硬件主要由以下幾個模塊組成：阻抗匹配模塊、20dB固定增益放大模塊、壓控增益放大模塊、功率放大模塊、單片機控制模塊、DA

24、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、按鍵輸入和液晶顯示模塊。</p><p><b>　　3.1阻抗匹配模塊</b></p><p>　　阻抗匹配模塊電路原理圖如圖3-1所示。OPA656是一款高速低噪聲的電壓反饋型運放，工作電壓5V，增益為1時-3dB帶寬為500MHz，具有極高的輸入阻抗，其輸入阻抗為11012Ω，輸出阻抗為0.01Ω，典型失調(diào)電壓為0.25mV，最大失調(diào)電壓2.6mV

25、，最大輸出電流70mA。</p><p>　　圖3-1阻抗匹配電路</p><p>　　在此電路中OPA656組成電壓跟隨器，進行阻抗變換。電壓跟隨器具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點，起緩沖、隔離、提高帶負載能力的作用[5]。由于OPA656的輸入阻抗很高，繼電器吸合時，系統(tǒng)輸入阻抗可看作R1和R3并聯(lián)，由于R3的阻值是R1的2萬倍，所以系統(tǒng)輸入電阻等于R1（50Ω）；繼電器未吸合時，系

26、統(tǒng)輸入阻抗為R3（1MΩ）與一個阻值極大的電阻相并聯(lián)，所以系統(tǒng)輸入阻抗等于R3（1MΩ）。R1（50Ω）在實際電路制作中采用兩個100Ω標(biāo)稱額定功率0.5W的電阻并聯(lián)，一方面是因為標(biāo)準(zhǔn)電阻里面最接近50Ω的阻值為51Ω，2%的誤差有點大，另一方面是提高負載電阻的功率，保證5V過載情況下50Ω電阻不燒毀。</p><p>　　系統(tǒng)輸入阻抗的切換通過單片機控制繼電器實現(xiàn)，由于系統(tǒng)采用51單片機作為控制器，其拉電流能力

27、弱，灌電流能力強，所以Q1采用PNP管作為為繼電器的驅(qū)動管，使其在吸合時，可以有較大的電流流入單片機，保證三極管處在飽和的開關(guān)狀態(tài)。D6的作用是在繼電器斷電時，為繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流提供一個泄流回路，起保護作用。</p><p>　　D1和D2為輸入鉗位保護二極管，R2為限流電阻，當(dāng)輸入電壓大于電源電壓加上二極管的導(dǎo)通電壓時，二極管導(dǎo)通，輸入信號和電源形成回路，從而保護運放。保護二極管的導(dǎo)通電壓越小越好，肖特

28、基二極管的導(dǎo)通電壓較低，一般小于0.3V，但是肖特基二極管的漏電流較大，在這里使用不適合。這里選擇1N4148快速開關(guān)管作為輸入保護二極管，1N4148的導(dǎo)通電壓約為0.7V，最大電流150mA，OPA656內(nèi)部ESD保護二極管可流過電流30mA,由于元器件的參數(shù)離散性，可能內(nèi)部二極管先導(dǎo)通，為保險起見并保留一定設(shè)計余量，設(shè)最高輸入過載電壓為100V，二極管流過電流1mA，則限流電阻R2取100KΩ。</p><p&

29、gt;　　50Ω匹配電阻在高輸入過載電壓情況下，功耗比較大，有燒毀的危險，為保證安全，系統(tǒng)未通電時，繼電器不吸合，50Ω匹配電阻不連入輸入端，輸入阻抗為1MΩ；在系統(tǒng)上電時，程序設(shè)置默認輸入阻抗也為1MΩ。</p><p>　　3.2 20dB固定增益放大模塊</p><p>　　20dB固定增益放大器采用的運放是OPA657，原理圖如圖3-2所示。OPA657為電壓反饋型運放，電壓反饋型

30、運放內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了帶寬受增益帶寬積的限制，增益帶寬積是增益和帶寬的乘積，是一個常數(shù)，當(dāng)增益變大時，運放的帶寬就會減小。OPA657的增益帶寬積高達1.6GHz，10倍電壓增益下的小信號帶寬為275MHz，工作的電壓為5V，輸出阻抗為0.02Ω，失調(diào)電壓為0.25mV，最大輸出電流70mA，滿足本課題的要求。在此電路中OPA657組成反相放大方式，其增益為：-R9/R8=-1000/100=-10。R8、R9取值在K歐級以下，因為輸入和輸

31、出的寄生電阻和大電阻作用后會大大降低運放的帶寬，不取更低值的是因為本電路的輸入阻抗等于R8，取值過小會加重前端驅(qū)動的負擔(dān)，而且前端的輸出阻抗也將影響到放大倍數(shù)。OPA657在空載的條件下最大輸出電壓為3.9V峰峰值，在此電路中信號放大10倍，所以O(shè)PA657的最大輸入電壓為0.39V。繼電器2用來控制20dB固定增益放大器是否接入電路中。當(dāng)系統(tǒng)增益小于40dB時，繼電器斷開，輸入信號直接接入壓控增益放大模塊；當(dāng)系統(tǒng)增益大于40dB時，繼

32、電器吸合，</p><p>　　圖3-220dB固定增益放大電路</p><p>　　3.3壓控增益放大模塊</p><p>　　壓控增益放大電路的核心是TI公司推出的壓控增益放大器VCA824。VCA824是一款DC耦合的、寬頻帶、V/V線性、持續(xù)可變增益放大器，采用5V供電，最大可輸出90mA的電流，具有710MHz的最高帶寬，壓擺率2500V/μs。由圖3-

33、3看出VCA824在100MHz以內(nèi)頻率特性曲線非常平坦。</p><p>　　圖 3-3 VCA824小信號頻率特性</p><p>　　VCA824獨特架構(gòu)能夠提供高度靈活的帶寬、增益與模擬輸入電壓組合，利用外置電阻RG和RF可在0dB（1V/V）至40dB（100V/V）的范圍內(nèi)設(shè)置最大增益，通過對外部提供的增益電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)，增益調(diào)節(jié)范圍遠大于40dB，放大倍數(shù)和控制電壓之間呈

34、線性關(guān)系。最大輸出電流90mA，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管腳功能如圖3-4所示[6-7]。</p><p>　　圖 3-4 VCA824內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管腳功能</p><p>　　SO-14封裝的VCA824的第1和14腳為正電源輸入端，第7和8腳為負電源輸入端，正負電源分別為+5V和-5V。第2腳VG為增益控制端，第3腳+VIN和第6腳-VIN分別為信號的正負輸入端，第4、5腳之間接增益電阻RG，第1

35、2管腳FB與第10腳VOUT之間接反饋電阻RF，第12腳FB和第7腳信號輸出端VOUT之間接增益電阻RG。VCA824輸入信號的動態(tài)范圍由RG的取值決定，VIN MAX(VPP)=2RGIRG MAX，如圖3-5所示，其中IRG MAX=2.6mA，流過電阻RG上的電流IRG =Vout/(AVMAXRG)不超過2.6mA。因為系統(tǒng)輸入信號最大電壓為2Vpp，所以VCA824的最大輸入電壓不應(yīng)小于2Vpp ，取RG=560Ω，最大輸入電

36、壓VIN MAX(VPP)=2RGIRG MAX=2.9 Vpp，AVMAX=2RF/RG為設(shè)計最大放大倍數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，本級最大放大10倍，VCA824最大輸出電壓峰值為4V，流過電阻RG上的電流IRG =Vout/(AVMAXRG)=4V/(10560Ω)=0.71mA滿足不大于2.6mA的要求。RF和RG的取值決定了放大器的</p><p>　　圖 3-5 VCA824最大差分輸入電壓與RG的關(guān)系<

37、;/p><p>　　圖 3-6 VCA824最大增益調(diào)節(jié)范圍與輸出電壓的關(guān)系</p><p>　　實際電路如圖3-7所示，其中兩個方框中的電路為VCA824輸入輸出失調(diào)電壓調(diào)整電路。R22和R23為匹配電阻，R10為增益電阻，R36為反饋電阻，C15、C16靠近VCA正負電源管腳，用于濾波和退耦，起穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，濾除旁路掉電源中的高頻脈動成份，消除自激作用。</p><p

38、>　　圖 3-7 VCA824壓控增益放大電路</p><p>　　VCA824增益與控制電壓的關(guān)系為：Gain = = （VG+1）</p><p>　　其中RF=2.8KΩ，RG=560Ω，控制電壓VG范圍為-1V～1V，則增益Gain=5(VG+1)。</p><p><b>　　3.4功率放大電路</b></p>

39、<p>　　由于VCA824的最大輸出幅擺為4V，在一些應(yīng)用中無法滿足系統(tǒng)要求，所以需要在VCA824后面加一級功率放大電路，以進一步提高放大器的輸出電壓。電壓反饋型放大器受增益帶寬積的制約，帶寬隨著增益增加而急劇下降，而且壓擺率通常不大，放大器在放大大信號的時候，帶寬易受壓擺率的制約。電流反饋型放大器具有帶寬受增益影響較小的特點，且通常具有較大的壓擺率[8]。這里選用TI公司生產(chǎn)的高速、低噪聲電流反饋型放大器THS3001。

40、THS3001具有420MHz的帶寬，6500V/μs的壓擺率，供電電壓為15V時最高輸出峰峰值電壓為25V，可以提供100mA的輸出電流，可以滿足本系統(tǒng)要求。</p><p>　　電流反饋型放大器與電壓反饋型放大器不同，它的帶寬不受增益帶寬積影響，而是由其反饋電阻RF決定的，每一種電流反饋型放大器的器件手冊上一般都有其推薦值[9]。THS3001在不同反饋電阻下頻率特性曲線如圖3-8所示?？梢钥闯觯琓HS300

41、1的反饋電阻取值為560Ω時頻率曲線比較平坦。</p><p>　　圖3-8 THS3001不同反饋電阻的頻率特性曲線</p><p>　　功率放大電路如圖3-9所示，為了獲得較大的帶寬，THS3001的反饋電阻R7取560Ω，正相放大器放大倍數(shù)=（R7/R8）+1，其中R7=560Ω，放大倍數(shù)=10，則R8=62Ω。</p><p>　　圖3-9 THS300

42、1功率放大電路</p><p>　　3.5單片機控制電路</p><p>　　控制電路的核心是STC89C51單片機，STC89C51單片機是深圳宏晶科技推出的新一代超高強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇。工作電壓：5.5-3.4V，工作頻率0-40MHz，用戶應(yīng)用程序空間為4K字節(jié)，片上集成512字節(jié)RAM，

43、內(nèi)部自帶2K字節(jié)的EEPROM，內(nèi)部帶有看門狗，帶有32個I/O口，復(fù)位后P1/P2/P3是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻[10]。</p><p>　　圖3-10單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機最小系統(tǒng)如圖3-10所示，包括時鐘電路、復(fù)位電路和電源。該電路中單片機時鐘采用內(nèi)部時鐘方式。STC89C51芯片內(nèi)部有

44、一個高增益反向放大器，X1和X2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，在芯片的外部通過這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器Y2和微調(diào)電容C1、C2，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。C3、R8、S5組成單片機復(fù)位電路，在復(fù)位時RST引腳為高電平。單片機的第40引腳和第20引腳分別為單片機的電源和地端，在本電路中單片機只使用其內(nèi)部程序存儲器，所以應(yīng)將第31引腳EA接上高電平[11]。</p><p>　　3.6

45、 DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊及電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用BB公司（現(xiàn)已被TI收購）的12位高精度DAC7611。DAC輸出的電壓提供給壓控增益放大器VCA824的增益控制端，用來調(diào)整放大器的增益。DAC7611是12位串行輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用+5V單電源供電，輸出電壓范圍：0～4.096V，具有低功耗（2.5mW）、寬工作溫度（-40℃～85℃）的特點 。DCA7611的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖3

46、-11所示。</p><p>　　圖3-11 DAC7611內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳圖</p><p>　　DAC7611內(nèi)部帶有一個2.435V的電壓基準(zhǔn)源，串行輸入移位寄存器，鎖存器，12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個高速軌對軌的輸出放大器。外部引腳包括三線的串行接口（CS為片選端，CLK為時鐘端，SDI為串行數(shù)據(jù)輸入端），兩個控制引腳（CLR為清零端，LD為鎖存數(shù)據(jù)載入端），電源引腳和一個輸出引腳。工作

47、時串行輸入移位寄存器先接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收完12位數(shù)據(jù)時，由LD引腳控制將串行輸入移位寄存器中的數(shù)值鎖存，并傳給DAC中，DAC的電壓經(jīng)內(nèi)部放大器放大后輸出。</p><p>　　VCA824控制電壓VG的范圍為-1V～1V，而DAC7611可提供的輸出電壓范圍為0V～4.095V，所以需要轉(zhuǎn)化DAC輸出的電壓。電壓轉(zhuǎn)化電路將DAC輸出電壓減去2.5V，DAC7611需要輸出電壓范圍為1.5V～3.5V。DAC761

48、1及電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 DAC7611及電壓轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　OPA2277為精密低噪聲運算放大器，具有失調(diào)電壓、低溫度漂移和高共模態(tài)抑制比的特性，圖中U4B為反相放大器，反轉(zhuǎn)DAC7611輸出的極性，7腳輸出為－V_DA。TL431為三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在本電路中提供2.5V的基準(zhǔn)電壓。U4A為反相加法器，輸

49、出VG ＝－(2.5V－V_DA) ＝V_DA－2.5V,即電壓轉(zhuǎn)換電路作用為將數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7611的輸出電壓減去2.5V。R24、R25、R26、R27、R29都取10KΩ，較大的阻值可以減少TL431和DAC7611輸出阻抗的影響，而且可以降低功耗，避免運放和元器件發(fā)熱從而減小溫飄誤差。R24、R25、R26、R27、R29最好使用0.1%精度的電阻，但是實際制作中0.1%精度的電阻較貴且不容易買。由于同一批電阻各電阻之間的容差

50、遠優(yōu)于精度，且上述電阻的阻值都相同，實際中使用5%精度的貼片電阻并配合萬用表挑選也可以得到較高的精度。R40、R41為補償電阻，取R40＝R24//R25//R26， R41＝R27//R29，這樣使運放同向端與反相端的外接電阻相等，以消除運放的偏置電流及其溫度飄移的影響。</p><p>　　3.7 人機交互接口</p><p>　　為了使寬帶放大器使用方便、更人性化，本系統(tǒng)采用按鍵作

51、為人機交互的輸入設(shè)備，用12864液晶作為人機交互的輸出設(shè)備。</p><p><b>　　3.7.1鍵盤模塊</b></p><p>　　鍵盤模塊采用獨立按鍵方式，使用四個獨立按鍵，除了分別用來調(diào)節(jié)放大器輸入阻抗，增大放大器增益、減小放大器增益三個鍵外，還有一個按鍵的作用為一鍵設(shè)置增益為30dB，以方便調(diào)節(jié)增益。按鍵通過軟件支持連擊模式，即長按增大增益或減小增益按鍵

52、1S以上，增益可以快速增加或減少，以方便快速設(shè)置增益。獨立按鍵的電路如圖3-13所示。</p><p>　　圖 3-13獨立按鍵電路</p><p>　　3.7.2 液晶顯示模塊</p><p>　　液晶顯示部分是本系統(tǒng)的人機交互交互界面，負責(zé)顯示系統(tǒng)運行的各種參數(shù)，包括輸入阻抗和增益。本設(shè)計中采用以ST7920為控制器，帶字庫的12864液晶。該液晶模塊具有4位/

53、8位并行、2線或3線串行多種接口方式。</p><p>　　每屏可顯示4行8列共32個16×16點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16×8點陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示。該液晶模塊內(nèi)部提供128×2字節(jié)的字符顯示RAM緩沖區(qū)（DDRAM）。字符顯示是通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現(xiàn)的。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同

54、，可分別在液晶屏上顯示CGROM（中文字庫）、HCGROM（ASCII碼字庫）及CGRAM（自定義字形）的內(nèi)容。三種不同字符/字型的選擇編碼范圍為：0000～0006H（其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個）顯示自定義字型，02H～7FH顯示半寬ASCII碼字符，A1A0H～F7FFH顯示8192種GB2312中文字庫字形。字符顯示RAM在液晶模塊中的地址80H～9FH。字符顯示的RAM的地址與32個字符顯示區(qū)域有著

55、一一對應(yīng)的關(guān)系，其對應(yīng)關(guān)系如表3-1所示。12864液晶模塊的引腳說明如表3-2所示[12]。</p><p>　　表3-1 12864液晶RAM地址與字符顯示對應(yīng)關(guān)系</p><p>　　表3-2 12864液晶模塊的引腳說明</p><p>　　12864與單片機采用并行方式連接傳輸效率比較高，但是為了減少連線，本系統(tǒng)采用了串行方式連接，將液晶模塊的PSB引腳硬

56、件接地，本液晶模塊內(nèi)部已集成對比度調(diào)節(jié)電路，模塊第3腳VO可以不接，液晶模塊與單片機的連接如圖3-14所示。</p><p>　　圖3-14 12864液晶與單片機連接方式</p><p><b>　　4　軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1開發(fā)工具和編程語言</p><p>　　本系統(tǒng)的處理器是兼容8051指令

57、集的高速單片機STC89C51。單片機軟件是采用C51語言編寫，C51語言是ANSI C的擴展集，其語法結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵字等與ANSI C絕大部分是相同的。與匯編相比，C51語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可移植性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢。為此，首選Keil μVision作為其開發(fā)工具。Keil μVision是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。其功能強大，生成的代碼緊湊，是目前

58、世界上使用最廣的51系列兼容單片機開發(fā)工具[13]。程序用Keil編譯完成后，使用宏晶公司的STC-ISP軟件將生成的HEX文件以ISP下載的方式燒寫進單片機。</p><p>　　4.2 總體程序流程圖</p><p>　　寬帶前置程控放大器的軟件系統(tǒng)主要包括按鍵模塊、增益控制模塊，液晶模塊等模塊。系統(tǒng)總流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖 4-1 系統(tǒng)

59、總流程圖</p><p>　　系統(tǒng)采用定時器T0每10ms產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行按鍵掃描，確認按鍵有效后，若阻抗、增益、顯示有改變則將相應(yīng)的標(biāo)志位置為1，在主循環(huán)中查詢相應(yīng)的標(biāo)志位，若為1則將其置0并執(zhí)行相應(yīng)的子程序。</p><p>　　4.3 定時器/計數(shù)器初始化子程序</p><p>　　定時/計數(shù)器初始化內(nèi)容包括工作方式的選擇、賦初值、開放定時中

60、斷和啟動定時器。</p><p>　　本設(shè)計中選用定時/計數(shù)器0，工作在方式1，即16位定時器模式，所以TMOD寄存器的初始化值為0x01。</p><p>　　系統(tǒng)時鐘為12MHz，所以機器周期為1μs，定時10ms，初值為65536－10000＝50000，轉(zhuǎn)換成十六進制為D8F0H，即TH0=0x0D8,TL0=0x0F0。</p><p>　　圖4-2 鍵盤

61、程序流程圖</p><p>　　4.4 鍵盤模塊子程序</p><p>　　按鍵模塊中四個按鍵的功能分別為：KEY1為+1dB增益步進按鈕，KEY2為-1dB增益步進按鈕，KEY3為將寬帶放大器總體增益設(shè)為30dB，KEY4為阻抗匹配切換。KEY1、KEY2、KEY3、KEY4分別接P0.0、P0.1、P0.2、P0.3端口。</p><p>　　鍵盤程序流程圖如圖

62、4-2所示。</p><p>　　4.5增益控制子程序</p><p>　　系統(tǒng)使用三級放大，前后兩級為固定20dB增益放大，中間一級為[-20dB，20dB]可控增益放大，通過單片機改變DAC7611的輸出電壓實現(xiàn)增益控制。單片機根據(jù)增益大小控制繼電器的吸合和斷開，實現(xiàn)前后兩級放大電路是否接入放大器中，其控制關(guān)系如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 繼電

63、器2和3工作表</p><p>　　注：0表示繼電器吸合；1表示繼電器斷開</p><p>　　單片機改變DAC7611的輸出電壓實現(xiàn)增益控制。在程序設(shè)計時，首先定義增益變量的初值Gain_dB（單位dB）。當(dāng)KEY1或KEY2按下時，實時改變Gain_dB的值。在主程序中，將Gain_dB的值轉(zhuǎn)換為十進制值Gain_Dec，最后再轉(zhuǎn)換為寫入DAC7611寄存器的值DA_Value，從而改

64、變DAC7611的輸出電壓，即VCA824的控制電壓，最終實現(xiàn)增益控制。由于增益Gain_Dec表示三級放大電路的總增益，在計算DA_Value寄存器值得時候，必須減去前后兩級放大器的增益，仍用變量Gain_Dec表示。Gain_Dec與DA_Value的計算關(guān)系為：，式中int函數(shù)表示取整。</p><p>　　DAC7611的輸出電壓與寫入寄存器值的關(guān)系為：當(dāng)寫入值為000H時，輸出為最低電壓0V，當(dāng)寫入值為

65、FFFH時，輸出為最高電壓4095mV，即輸出電壓（單位mV）等于寫入值大小。</p><p>　　DAC7611的串行時序圖如圖4-3所示，接口信號包含片選信號CS，時鐘信號CLK、串行數(shù)據(jù)輸入信號SDI及鎖存載入數(shù)據(jù)信號LD。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，先將LD置為高電平，將片選CS置為低電平，將數(shù)據(jù)從高位D11開始送入SDI端口，DAC7611的串行移位寄存器在時鐘上升沿的時候?qū)?shù)據(jù)讀走，當(dāng)送完最低位數(shù)據(jù)D0時，再將片選C

66、S置為高電平，LD置為低電平，此時LD引腳產(chǎn)生一個下降沿脈沖，鎖存器在LD下降沿脈沖作用下將移位寄存器的數(shù)據(jù)鎖存，送給DAC，完成12比特數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　圖4-3 DAC7611時序圖</p><p>　　增益控制子程序流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 增益控制子程序流程圖</p><p>　　4.6

67、 液晶模塊程序</p><p>　　本設(shè)計中選用12864液晶模塊顯示放大器的輸入阻抗和增益。單片機通過串行方式控制液晶模塊顯示所需內(nèi)容，串行時序如圖4-5所示，液晶模塊流程圖如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-5 12864串行時序圖</p><p>　　圖4-6 液晶模塊流程圖</p><p><b>　　5　制作和調(diào)試

68、</b></p><p><b>　　5.1制作</b></p><p>　　本設(shè)計采用Protel 99SE作為原理圖和PCB的繪制工具。Protel 99SE人機界面友好，易學(xué)易用，是國內(nèi)流行的通用EDA軟件。</p><p>　　系統(tǒng)放大部分的電路采用雙層電路板設(shè)計，以底層作為大平面地，這樣可以盡可能地降低接地阻抗，盡可能地降

69、低因接地阻抗而引起的附加噪聲。元器件排布時輸入輸出之間連線盡可能遠離，以避免輸入輸出之間的有害耦合[14]。電源數(shù)字和模擬之間用磁珠隔開，數(shù)字地和模擬地之間以一段較窄的銅箔相連，以減少數(shù)字信號對模擬信號的干擾。加粗電源線，減小環(huán)路電阻，提高電源的帶負載能力。電路中元器件大部分采用貼片封裝，貼片元器件安裝密度高，減小了引線分布的影響，降低了寄生電容和電感，高頻特性好，并提高了抗電磁干擾和射頻干擾能力。本系統(tǒng)的帶寬比較寬，信號有可能通過電源

70、線耦合，為提高穩(wěn)定性，電路板在電源輸入端使用兩個大容量三洋高分子聚合物電容濾波，并在每個芯片的電源引腳加上0.1uf的高頻旁路電容[15]。放大電路PCB如圖5-1所示，工廠生產(chǎn)出來的PCB如圖5-2。</p><p>　　圖5-1 放大電路PCB設(shè)計圖</p><p>　　圖5-2 放大電路PCB實物頂層照片</p><p>　　單片機控制電路較為簡單，制作要求也

71、沒有放大電路高。為降低成本，采用單層電路板設(shè)計，并使用熱轉(zhuǎn)印的方法制作實物。</p><p><b>　　5.2調(diào)試</b></p><p>　　系統(tǒng)實物制作完成后需要進行電路調(diào)試，調(diào)試時先進行單個模塊的調(diào)試，調(diào)試通過后進行聯(lián)調(diào)。在調(diào)試放大部分電路帶寬時，用信號源提供放大器輸入端的信號，用示波器觀察放大器輸入輸出的波形。單片機等數(shù)字部分電路調(diào)試較為簡單，在這里不進行詳

72、細說明。這里根據(jù)放大部分電路調(diào)試時出現(xiàn)的問題進行描述和說明。</p><p>　　阻抗匹配單元調(diào)試：電壓跟隨器原先采用OPA657，測試中發(fā)現(xiàn)OPA657在帶寬方面滿足要求，但是直流零點偏移較大，有十幾mV且不穩(wěn)定，遠大于OPA657典型失調(diào)電壓0.25mV，但是在后一級（20dB固定增益放大電路）的應(yīng)用中，直流零點偏移卻很小。通過查閱相關(guān)資料[8]發(fā)現(xiàn)OPA657增益大于7穩(wěn)定，不適合作電壓跟隨器。換為單位增益

73、穩(wěn)定的運放OPA656，測試后帶寬和零漂都可以滿足要求。</p><p>　　VCA824壓控增益放大電路調(diào)試：①VCA824輸入端直接連接信號源時，輸出發(fā)生自激，在輸入端對地連接一個50Ω的匹配電阻后，自激現(xiàn)象消除。分析原因，信號源輸出線較長，由于分布電感和分布電容的存在，發(fā)生了傳輸線效應(yīng)，加匹配電阻后，吸收了分布電感和分布電容中的能量。②VCA824失調(diào)電壓調(diào)節(jié)：VCA824有兩個失調(diào)電壓補償電路，與-VIN

74、引腳相連的調(diào)節(jié)電路用來補償芯片輸入部分與乘法器部分產(chǎn)生的失調(diào)電壓，與FB引腳相連的調(diào)節(jié)電路用來補償芯片輸出部分產(chǎn)生的失調(diào)電壓。調(diào)試時先將控制電壓VG設(shè)為-1V，消除芯片輸入部分和乘法器產(chǎn)生失調(diào)電壓的影響，調(diào)節(jié)輸出部分失調(diào)補償電路的電位器R34，使得輸出電壓為0，再將VG設(shè)為+1V，將輸入部分與乘法器部分產(chǎn)生的失調(diào)電壓放大為最大值，調(diào)節(jié)輸入失調(diào)補償電路的電位器R33，使得輸出電壓為0，失調(diào)電壓調(diào)節(jié)完成。③VCA824輸出波形大小有時會有波

75、動，加大VCA824控制端VG的對地電容后，情況有所好轉(zhuǎn)，分析是模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC7611的輸出不穩(wěn)定造成。由于控制端VG電壓正負不確定，需使用無極性電容，考慮到大容量無極性電容比較少，電路中使用兩個100uf的電解電容負極</p><p>　　THS3001功率放大電路調(diào)試：THS3001輸入端不接50Ω的匹配電阻時，輸出與VCA824一樣會發(fā)生自激。另外，THS3001的發(fā)熱量比較大的需加散熱片。</p&

76、gt;<p>　　聯(lián)調(diào)出現(xiàn)的問題：由于電路在設(shè)計過程中有改動，實物板上OPA657與繼電器之間是以飛線方式連接的，有干擾信號竄入電路中，聯(lián)調(diào)時電路發(fā)生了自激，將飛線換作屏蔽線后情況改觀。但系統(tǒng)增益大于40dB時，OPA657接入電路中，信號線在OPA657的輸入輸出端繞了一圈，輸入輸出信號之間發(fā)生了串?dāng)_，使得輸出無法得到正確的結(jié)果。這個問題只能通過重新制版來解決。由于資金和時間的原因，該電路沒有重新制版，這不能不說是個遺憾

77、。</p><p><b>　　5.3性能測試</b></p><p><b>　　測試設(shè)備：</b></p><p>　　泰克TDS2024示波器（200M帶寬，配P2220探頭）</p><p>　　固緯SFG-830數(shù)字信號發(fā)生器（最高頻率30MHz）</p><p>

78、　　三位半數(shù)字萬用表DT9205A（輸入阻抗10MΩ）</p><p>　　首先進行輸入阻抗測試。測試原理如圖5-3所示，測試輸入阻抗時，在放大器的輸入端串接一個電阻R，其阻值與輸入阻抗相等。系統(tǒng)上電后，如圖5-3接入直流電壓源，用萬用表測量直流電壓源兩端的輸出電壓U1及放大器輸入端的電壓U2，U1和U2之間滿足如下關(guān)系：，由此可得出系統(tǒng)輸入阻抗。</p><p>　　圖5-3 輸入阻抗測

79、試電路</p><p>　　輸入阻抗測試數(shù)據(jù)如表5-1所示：</p><p>　　表5-1 輸入阻抗測試數(shù)據(jù)</p><p>　　四次測量得到50Ω輸入阻抗的平均值為=50Ω，1MΩ輸入阻抗的平均值為=0.914MΩ。50Ω輸入阻抗測量誤差較小，1MΩ輸入阻抗測量誤差較大，這是因為萬用表DT9205A的內(nèi)阻為10MΩ，測量時萬用表的內(nèi)阻對電壓U2的影響較大，從而引起

80、了較大的測試誤差。上述計算中得出的輸入阻抗為實際輸入阻抗和10MΩ并聯(lián)的結(jié)果，除去萬用表內(nèi)阻的影響，1MΩ輸入阻抗實際值為1.006MΩ。</p><p>　　過載能力測試：在系統(tǒng)輸入阻抗50Ω條件下，輸入端接5V直流電源，1分鐘后，測試放大器是否能正常放大，測試表明放大器可以正常放大。在系統(tǒng)輸入阻抗1MΩ條件下，輸入端接36V直流電源，1分鐘后，測試放大器，一切正常。</p><p>　

81、　直流零點漂移測試：將放大器輸入端對地短接，用萬用表直流電壓檔測量放大器的輸出電壓，測得電壓為1.3mV，滿足課題直流零點漂移小于2mV的要求。</p><p>　　放大器增益測試：放大器增益測試原理如圖5-4所示。信號源輸出正弦信號加到放大器的輸入端，用示波器測量放大器的輸入端信號和輸出端信號。</p><p>　　圖5-4 放大器增益測試電路圖</p><p>

82、　　測試用的示波器P2220探頭X1檔為6MHz帶寬，X10檔為200MHz帶寬，在高頻測量時，示波器探頭應(yīng)在X10檔，否則測得的信號因探頭帶寬不夠而被衰減。部分測試波形如圖5-5所示，通道1為輸入信號，通道2為輸出信號，三幅圖片為在不同頻率、不同增益、不同輸入電壓下的測試圖，從測試波形可知本文設(shè)計的放大器在工作范圍內(nèi)輸出波形無明顯失真。部分測試數(shù)據(jù)如表5-2、5-3和5-4所示。</p><p><b&g

83、t;　　圖5-5測試波形表</b></p><p>　　表5-2 0dB增益測試表</p><p>　　表5-3 20dB增益測試表</p><p>　　表5-4 40dB增益測試表 </p><p>　　由表5-2、5-3和5-4的測試數(shù)據(jù)可知，放大器的3dB帶寬大于30MHz，0-30MHz范圍內(nèi)的增益波動小于1dB，滿足設(shè)計

84、要求。</p><p><b>　　6　結(jié)論</b></p><p>　　經(jīng)過幾個月的努力，終于完成了畢業(yè)設(shè)計。本設(shè)計方案按照任務(wù)書的要求，各項測試指標(biāo)均達到或超過了任務(wù)書的要求。由于在設(shè)計調(diào)試過程中電路有更改，而PCB未改動，受布局影響，在大于40dB增益時，信號在OPA657構(gòu)成的20dB放大電路的輸入輸出端形成竄擾，電路容易發(fā)生自激，這個問題需要通過重新制作PC

85、B來解決。由于資金和時間原因，畢業(yè)設(shè)計過程中沒有重新制作PCB，這有點遺憾。</p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計過程我遇到了很多問題，通過努力，終于將其一一解決，這些過程使我增加了電路設(shè)計調(diào)試經(jīng)驗，提高了解決問題的能力，將使我受益終生。</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計系統(tǒng)還有改進的余地，如果通過增加加屏蔽，優(yōu)化電路，電路的輸入輸出使用BNC或SMA端子連接，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。后級放大器

86、若采用浮動電源供電[16]，可進一步提高輸出電壓。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 什么是寬帶放大器[EB/OL], [2010-10-5].</p><p>　　http://www.ddvip.com/mc/comm/5256.html</p><p>　　[2] 董建明,微

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91、言編程中多位乘法運算問題探討[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006,12,23(4):23-26.</p><p>　　[14] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)教材[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005,1.</p><p>　　[15] Fully differential amplifiers applications:Line termination, driving high-sp

92、eed ADCs and differential transmissionlines [EB/OL], [2010-10-15]. http://focus.ti. -com/general/docs/lit /getliterature.tsp.</p><p>　　[16]王康,胡航宇,耿東晛.一種微弱信號的帶寬程控高增益放大器設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,1:9-12.</p>

93、;<p>　　附錄1 系統(tǒng)實物圖</p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)實物及測試儀器</p><p>　　圖1-2 液晶顯示界面</p><p>　　附錄2 實驗原理圖</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)整體原理圖</p><p>　　圖2-2 THS3001功率放大電路原理圖</p>

94、<p>　　圖2-3 單片機控制電路</p><p>　　附錄3 畢業(yè)設(shè)計作品說明書</p><p><b>　　一、作品名稱</b></p><p>　　基于單片機的寬帶前置程控放大器</p><p><b>　　二、作品功能</b></p><p>　　具有直

95、流輸入阻抗50Ω和1MΩ可選的輸入阻抗匹配單元（允許誤差2%）；具有輸入過載能力：50Ω阻抗可承受5V輸入過載，1MΩ阻抗可承受36V輸入過載；輸入信號電壓峰峰值<2V，工作帶寬為0～20MHz，增益調(diào)節(jié)范圍0～40db，調(diào)節(jié)步進1dB；直流零點：輸入短路時，電路輸出直流電壓偏離零點在2mV范圍內(nèi)；后級功率放大器輸出最高25V峰峰值，液晶顯示輸入阻抗和增益。</p><p><b>　　三、運行環(huán)

96、境</b></p><p>　　硬件環(huán)境：自制專用電路板</p><p>　　軟件環(huán)境：單片機內(nèi)部已燒寫好的程序</p><p><b>　　四、操作步驟</b></p><p>　　1、連接硬件電路，并檢查連接是否正確</p><p>　　2、接上電源、合上電源開關(guān)</p>

97、;<p>　　3、調(diào)節(jié)KEY4設(shè)置放大器輸入阻抗</p><p>　　4、調(diào)節(jié)按鍵KEY1、 KEY2和KEY3，設(shè)置放大器增益</p><p><b>　　五、注意事項</b></p><p>　　1、需仔細連接好電路</p><p>　　2、若用示波器觀察波形，應(yīng)確保示波器探頭帶寬大于信號帶寬，如使用泰