宽带低噪声放大器Word格式.docx
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转化非线性误差大,带宽只有几kHz,而且当信号频率较高时,系统容易发生自激,因此未选此方案。
方案二:
用分立元件,此方案元器件成本低,易于购置。
但是设计、调试难度太大,周期很长,尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标,故不采用此方案。
方案三:
直接使用集成高电压输出的运放OPA820,放大器通频带从20Hz到10MHz,并能驱动50Ω的负载,单纯用音频放大的方法来完成功率输出。
同时要做到在输出负载上放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V的难度较大,而是一款高速宽带放大器,采用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级THS3091放大电路供15V电,基本能满足题目要求,本方案简单易行,而且由于采用单芯片,系统体积可大大减小,故采用此方案。
2.2选用器件的介绍
1、OPA820——单位增益稳定低噪声电压反馈运算放大器
OPA820提供了一个宽带,单位增益稳定,具有非常低的输入噪声电压和高输出电压。
该OPA820使用了较低的5.6毫安电源电流,补充了DC在低功率器件上高速运转的卓越精度。
2、THS3091——单路高压低失真电流反馈运算放大器
THS3091可工作在供电电压+-15V情况下,具有低失真,高速特性的一款电流反馈放大器。
3、TPS61087
TPS61087是具有强制PWM模式的18.5V、3.2A、652KHZ\1.2MHZ升压DC-DC转换器。
三、系统实现
3.1系统框图
利用模拟电子技术和单片机信号采集处理技术来最终完成增益控制及输出的显示。
图3-1系统框图
3.2模拟电路设计
利用TI公司的模拟仿真和设计软件,设计出如下的5V和15V电源电路和三级放大电路,并利用峰值检测电路的输出经单片机采样处理后液晶显示。
TINA仿真软件模拟出上述电路40dB时的通频带范围为10Hz~10MHz。
图3-2三级放大电路的通频带
3.2.1电源电路
图3-35V单电源供电电路
图3-415V电源
3.2.2放大电路
采用OPA820作为一级、二级放大电路,THS3091作为末级放大电路。
三级放大倍数分别为5倍、5倍和4倍。
其中末级电路通过两个可调电阻来控制放大倍数和保证输出信号的不失真。
图3-5三级放大电路
3.2.3峰值检测电路
由于通频带范围中有低频和高频两种不同输入,所以采用两种不同检测电路。
图3-6低频峰值检测电路
图3-7高频峰值检测电路
3.3MSP430单片机控制液晶输出的设计
3.3.1MSP430单片机和液晶
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。
我们使用了MSP430F149型号的单片机,利用A/D采样峰值检测电路过来的信号,编程处理后最终完成在1602液晶上显示输出电压峰峰值和有效值数据的功能。
为了减少功耗,并降低数字系统对模拟信号的干扰,采样完成后,将微控制器设为低功耗模式。
同时为了实时采样后数据显示不会闪烁,编程时利用定时器定时1秒后中断,使液晶每隔1S才显示一次采样数据。
电路图如3-8所示:
图3-8单片机和液晶电路图
3.3.2软件流程
软件流程如下图3-9所示:
图3-9软件流程图
4作品性能测试与分析
4.1测试仪器
(1)泰克TDS100260M数字示波器
(2)RIGOLDS102220M信号源
4.2测试方法
(1)连接+5V、+15V电源,在输入端接入信号发生器信号。
(2)输入通频带范围为10Hz~10MHz,电压峰峰值0~100mv的信号,测试通频带内是否平坦。
(3)改变输入电压的频率和有效值,分别记录输出电压的峰峰值和有效值。
4.3相关测试数据
表4-140dB时输入输出测试
输入电压
输出电压
液晶显示
频率f
峰峰值
Vpp
峰峰值Vpp
有效值Vrms
3Hz
20mv
1.6V
0.5V
1.5V
0.53V
5Hz
50mv
4.5V
4.25V
1.51V
10Hz
40mv
4.0V
1.5V
3.92V
1.42V
1KHz
4.1V
3.85V
1.36V
1MHz
5.2V
4.95V
1.73V
10MHz
100mv
10.2V
3.6V
10.1V
3.61V
50MHz
8.8V
3.2V
8.9V
3.25V
4.4数据分析
通过表1可以看出放大器在预置带宽为10Hz~10MHz、最大增益为40dB的时候,通频带内很平坦,此时最大不失真输出电压约为10.2V。
经测试,该电路最大增益为42dB。
完全符合题目要求的指标。
5、系统改进措施
作品基本达到了题目功能及指标要求,并且大多使用集成芯片。
以较低的成本结合软件编程使峰值检测电路过来的信号能在液晶上显示。
存在问题及改进措施:
在每个模块都能正常工作的情况下,整机连调的时候会出现杂波干扰,改进措施是系统地线不能出现环路,所有地线最好一点接地,包括单片机的数字地和模拟地。
在方案实施过程中,由于时间比较紧,来不及制版,而实验板的结构受限,导致频率过高的时候会引入干扰。
如果能在精确调整之后,将整体电路利用PCB开出电路板,减少连线引起的干扰,一定可以提高精度和性能。
附录1、元器件清单
元器件序号
型号
主要参数
数量
备注
R1
100Ω
5
电阻
R2
1KΩ
4
R3
5.1KΩ
R4
502
5KΩ
2
可调电阻
R5
103
10KΩ
R6
100KΩ
R7
18KΩ
1
R8
51KΩ
R9
200KΩ
C1
100uF
6
电解电容
C2
10uF/16V
C3
10uF/25V
C4
1.5nF
瓷片电容
C5
1uF/16V
C6
10nF
3
C7
100nF
电容
C8
0.1uF
C9
33pF
电感
6.8uH
二极管
IN4007
发光二极管
肖特基二极管
SL22
三端稳压器
LM7805
稳压管
LM7905
TI芯片
OPA820ID
芯片
OPA842ID
THS3091D
TPS61087DRC
TI单片机
MSP430F149
晶振
8MHz
晶振
32768Hz
变压器
220V/15V
附录2、测试的波形
附录3、参考文献
【1】曾真,施智强,何欣,唐铭杰“宽带放大器”《国外电子元器件》2008年第11期57-58
【2】谢兴红,林凡强,吴雄英《MSP430单片机基础与实践》北京:
北京航空航天大学出版社,2008
【3】胡宴如,耿苏燕《模拟电子技术》北京:
高等教育出版社,2004
【4】刘科,刘林山《电路分析原理》北京:
北京交通大学出版社,2007
【5】孙肖子《电路设计指南》北京:
高等教育出版社,2006
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