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3.2.2程序流程图6
4测试方案与测试结果7
4.1测试方案7
4.2测试条件与仪器8
4.3测试结果及分析8
4.3.1测试结果(数据)8
4.3.2测试分析与结论9
附录1:
电路原理图11
附录2:
程序代码12
1系统方案
本设计要在保证输入/输出电压动态范围的前提下,同时兼顾增益与带宽的要求,输入阻抗可以采用电压跟随器。
从带宽和带内增益可调和起伏要求来看,不能采用谐振电压放大器,而必须采用多级高阶有源带通滤波放大器,AD603为单通道、低噪声、增益变化范围连续可调的可控增益放大器。
从噪声性能要求来看,还必须选择低噪声器件及良好的电磁兼容设计。
从稳定性要求来看,末级大信号放大电路还必须采用适当深度的电压串联负反馈放大器。
本系统主由前级放大模块、增益控制模块、后级功率放大模块、A/D(D/A)模块、显示模块和电源模块组成。
1.1放大器的论证与选择
方案一:
单运放电路。
简单的测量放大器是由放大器和可变增益放大器级联而成,该放大电路的优点是电路简单,易于实现,但其零漂很大,放大精度也差。
方案二:
精密斩波稳零电路。
精密斩波稳零运放具有更加理想化的性能指标,一般情况下不需要调零就能正常工作,大大提高了精度,但其带宽很小,难以满足设计要求。
方案三:
模拟增益可编程运放电路。
使用微控制器控制模拟增益可编程运放可以灵活的实现增益的步进,同时可以实现比较大的增益,但其结构和指令比较复杂,开发周期较长。
方案四:
多级运放电路。
应用多级运放可以得到很大的增益,并且对单个运放的性能要求较低,系统总增益等于各运放增益的和,可以将信号放大和功率放大分开处理;
带宽也比较好控制,可以选择多种耦合方式,充分的发挥出电路的性能;
电路结构也比较简单。
性价比也比较高。
综上所述:
选用方案四,增益带宽积很大,性能要求比较高,满足题目要求,所以选择采用多级运放电路。
1.2增益控制部分的论证与选择
如图1,场效应管工作在可变电阻区,输出信号取自电阻与场效应管与对V的分压。
采用场效应管做AGC控制可以达到很高频率和很低的噪声,但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化,用这种方案很难实现增益的精确控制盒长时间的稳定。
图1采用场效应管设计的增益框图
采用可编程放大器的思想,将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压,这的D/A作为一个程控衰减器。
理论上讲,只要D/A的速度够快、精度够高可以实现很宽范围的精密增益调节。
但是控制的数字量和最后的增益不成线性关系而是成指数关系,造成增益调节不均匀,精度下降。
如图2,使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA,用控制电压和增益成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。
用电压控制增益,同时可以减少噪声和干扰。
图2电压控制增益框图
选用方案三,采用集成可变增益放大器AD603作为增益控制。
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,其增益与控制电压成线性关系,因此可以很方便的使用D/A输出电压控制放大器的增益。
2系统理论分析与计算
下面结合宽带放大器的各项指标,主要包括带宽增益,增益起伏,零点漂移,稳定性5个方面,进行简要的理论分析计算,同时确定电路设计所需要的元器件。
2.1带宽增益积分析的分析
由于多级放大电路的通频带比组成它的每一级的通频带窄,所以在芯片选型和电路设计中要分析带宽增益积,合理地配置各级的增益和带宽。
主要指标分配为:
(1)前置缓冲器:
增益0dB,带宽>
200MHz
;
(2)中间放大级:
增益-20~60dB,带宽>
60MHz
(3)末级放大级:
增益>
20dB,带宽>
20MHz。
这样设计的宽带放大器增益范围大于0~80dB,频带宽度大于10MHz。
2.2增益起伏控制分析
在0~9MHz
的通频带内,要求增益起伏小于1dB。
由于各级的增益是对数相加的关系,我们对各级的增益起伏控制分别进行分析:
(1)对于前置缓冲器,使用同相跟随器作缓冲可以使整个放大器输入阻抗提高,降低信号源的驱动要求。
选择作跟随器时增益稳定的运放,使用OPA642可达到0.03dB
以下。
(2)中间放大级增益最大,增益起伏主要来自这一级。
若使用两片AD603级联,根据数据手册,10.7MHz时增益起伏在0.6dB以内。
AD603的控制电压的微小变化能够引起增益的较大起伏,需要精确控制。
使用STM32进行控制。
(3)末级放大级的增益大于20dB,与中间级放大类似,也要选择通频带内平稳的电路。
(4)另外,直流供电的稳定性也会对各级放大产生影响。
需要对直流电源输入作电容电感的Π型滤波,有效滤除低频纹波和高频分量。
2.3零点漂移分析
因为设计的放大器要求对直流有放大功能,因此要求严格控制零点漂移。
输入级采用OPA277,直流偏移为300μV,相对于输入信号有效值为10mV
时,引入的误差约为1%。
中间级的零点漂移也不可忽略,AD603的电压偏移最大为20mV,经过60dB
放大理论上可以产生最大20V
的输出失调电压,因此必须进行调零。
末级功率放大使用OPA277,正负5V供电时的最大零点漂移为mV,作大信号放大使用时可以忽略,但是若前级为衰减,这项的影响将十分显著。
因此对OPA277也要进行调零。
2.4带宽增益积的分析与计算
带宽增益积即是放大电路通带电压增益AVM与通频带fbw=fH–fL的乘积。
我们的设计目标是系统的基本部分增益为40db左右,频带为5MHz,那么带宽增益积GPB为
GBP1=|AVMfbw|≈|AVMfH|=100*5M=500M
该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种,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。
下图为AD603接成90MHz带宽的典型方法。
增益和控制电压的关系为:
AG(db)=40*U+10
一级的控制范围只有40db,使用两级串联,增益为
AG(db)=40*U1+4*U2+20
增益范围是-20~+60db,后级AD811又提供15db的增益总体增益范围为-5db~+75db,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90MH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。
2.5线性相位分析
假设某个频率的正弦信号通过一个系统的时间需要T,则这个信号的输出相位落后原来信号w
×
T
的相位。
则该信号被延迟了。
在实际系统中,一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加,为了使得输出信号不会产生相位失真,必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统的时间延迟是一样的,则要求落后的相位要正比于频率w。
从系统的频率响应来看,就是要求它的相频特性是一条直线。
本系统中会引入时延的主要有两个部分:
各级运算放大器和滤波器。
从运算放大器相频特性曲线上可以看出运放不是线性相位系统。
而完全理想的线性相位滤波器对于一定频率范围的时间延迟是一个常数,就可以实现线性相位。
从本设计系统中的使用九阶无源椭圆低通滤波器的相频特性上看,此滤波器不是线性相位的。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
经过比较采用AD811芯片作为前级放大,实现前级放大的同时起到了提高了输入阻抗,抑制输入噪声作用。
增益控制放大采用两级AD603级联的方式实现增益≥40db,电压有效值达到2V左右。
末级采用分离元件搭建的功率放大器放大5~6倍可以将整个输出电压有效值提高到10V以上。
单片机经A/D对信息采集、处理送LCD液晶显示器显示放大器带宽。
键盘实现增益预置和步进改变增益。
放大信号输出
后级功率放大
增益控制电路
前级差分放大
输入信号
增益控制
键盘扫描
LED显示
单片机
图3系统总体框图
3.1.1前级放大模块设计
由于AD603的输入阻抗只有100Ω,所以必须加入缓冲部分来提高输入阻抗,并且前级放大电路对整个电路的噪声影响非常大,故采用高速低噪声电压反馈型运放AD811作为前级跟随,并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。
电路原理图如图4所示。
图4前级放大原理图
3.1.2增益放大模块设计
中间级主要实现增益步进可调功能,我们选用AD603。
AD603是AD公司的一款单通道、宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度、控制电压和增益成线性关系的VGA芯片,可以通过控制电压来控制放大器的增益,从而实现增益控制。
题目要求增益AV大于等于40db,且AV可在0~60db范围内手动可调。
要满足此两项指标,因此采用AD603三种典型工作方式中的方式2,为尽可能减少两级放大器级联以后的频带损失,改善放大器的低频响应特性,设计时选用了直接耦合方式。
其单级放大器的增益变化范围设置为0~40db时,其带宽为30MHz。
可以通过单片机对采样信号进行分析计算,然后经过D/A转换产生电压控制信号,从而调节增益变化此级承担大范围的增益变化,且要求以dB为单位步进,误差小于1dB。
增益放大电路如图5所示。
图5增益放大电路
上图是由两级AD603构成的具有自动增益控制的放大电路,由CAV形成自动增益控制电压VAGC,流进电容CAV的电流Q2和Q1两管的集电极之差,而且其大小随A2输出信号的幅度大小变化而变化,这使得加在A1、A2放大器1脚的自动增益控制电压VAGC随输出信号幅度变化而变化,从而达到自动调整放大器增益的目的。
3.1.3功率放大模块设计
由于AD603的最大输出电压只有2V左右,不能满足题目要求,所以还需经过后级放大达到更高的输出有效值。
电路原理图如图6所示。
选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流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,同时提高带负载的能力。
整个电路可以对DC信号进行线性放大,在20MHz以下时增益非常平稳。
为稳定直流特性,将反馈回路用电容串联接地,加大直流负反馈,使电路的稳定性提高很多。
图6功率放大电路
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。
1)键盘实现功能:
设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。
2)显示部分:
显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。
2、程序设计思路
本系统单片机控制部分采用反馈控制方式,通过输出电压采样来控制电压增益。
有AD603的设定增益跟实际增益有误差,故软件上还进行了校正,最后采用c语言对单片机进行编程,实现系统的设计要求。
当上电复位后单片机首先对LCD、键盘等进行初始化,把由键盘扫描到得预置数据送LCD显示,接下来进行D/A转换,输出增益控制所需要的控制电压,送往AD603电压控制端。
初始化后显示增益预置值。
3.2.2程序流程图
程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
1、测试方法
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。
接上50Ω的负载电阻进行整机测试。
2、系统程序仿真原理图
上图为系统程序仿真原理图,通过仿真调试能够满足通频带10Hz~5MHz稳定指标的要求,实现增益在0~40db的线性可调,增益误差小于1.4dB,系统噪声小于20mv。
4.2测试条件与仪器
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:
高精度的数字毫伏表,模拟示波器,数字示波器,数字万用表,指针式万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
频率特性测量:
增益设为40dB档,输入端加10mV正弦波,由于信号源不能保证不同频段的10mV正弦波幅度稳定,因此每次测量前先调节信号源使得输入信号保持在10mV左右,再测量输出信号。
测试的数据如表1所示。
表1频率特性测试数据
频率(kHz)
5
100
10
20
40
50
60
增益(dB)
37.0
38.3
39.8
40.0
40.1
39.9
90
200
300
400
500
600
800
输出RMS(V)
0.999
0.998
0.997
0.996
1.00
1.01
1.02
由表1数据可以得到,3dB通频带在低频端达到了1KHz,高频端在20MHz以上,由于信号源无法产生大于20MHz的信号故无法测量,从5MHz以上增益的趋势来看最终通频带高频端应大于20MHz,比较符合后级功率放大器的理论高频截止频率25MHz。
在20kHz~5MHz频带内增益起伏≤0.2dB。
增益误差测量:
输入端加有效值为10mV,频率为1MHz的正弦信号,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2所示。
表2增益误差测试数据
预置增益(dB)
15
25
30
35
45
输出RMS(mV)
32.3
63.8
127
254
502
1010
1982
3953
7451
实际增益(dB)
10.2
15.1
20.1
25.1
30.0
45.9
50.8
增益误差(dB)
+0.2
+0.1
0.0
-0.1
-0.2
由表中可以看出增益误差在0.2dB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。
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据
(1)输入阻抗:
电路的设计保证输入阻抗大于50Ω电阻,满足题目要求。
(2)放大器电压增益AV≧40dB,输入电压有效值Vi≤20mV;
AV可在0~40dB范围内手动连续调节,满足题目要求。
(3)在最大增益下,放大器下限截止频率不高于20Hz,上限截止频率不小于3MHz,并尽量减小带内波动,满足题目要求。
综上所述,本设计达到设计要求。
设计总结
本系统采用可编程增益放大器AD603,实现了增益连续可调,在0-9MHz带宽范围内增益起伏≤1dB;
同时,输出电压在一定范围内,波形无明显失真。
本系统从方案设计,理论计算,实际制作,软硬件调试等方面进行了紧张而又认真仔细的工作,实现了宽带直流放大系统。
在理论设计计算方面,我充分运用了我所掌握的知识,力争做到更好。
但在实际制作过程中,经常会卡在一些小问题上,说明了我还是缺少实际的工程经验,导致加工工艺和板子的可靠性方面做得不是很好。
通过此次毕业设计,我获益匪浅,尤其对电子设计的整个制作流程和设计过程中遇到的问题有了深入的体会。
如果在设计与制作中利用数模隔离、电源隔离、滤波和去耦等技术,不但能有效减少噪声和干扰的影响,同时还能提高系统的稳定性。
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“共地”问题,导致整机会有一个50HZ的工频干扰。
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。
电路原理图
程序代码
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- 创新 大学生 电子设计 竞赛