【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一控制和數(shù)據(jù)處理。而單片機(jī) STC89c52 是一種 16 位超低功耗微處理器 , 具有豐富的片上外設(shè)和較強(qiáng)的運(yùn)算能力 , 支持在線編程 , 使用十分方便 , 性價(jià)比高。故采用方案二 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì) 綜上所述，該系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計(jì)如圖 所示。 8 前 級(jí) 放 大 電 路A D 6 0 3調(diào) 零 放 大 器橢 圓 濾 波 器5 M H z / 1 0 M H z后 級(jí) 程 控 放大未 級(jí) 功 率放 大 器單 刀 雙 擲 開 關(guān)連 續(xù) 可 調(diào)電 位 器雙 通 道 D / A單 片 機(jī)S T C 8 9 c 5 2負(fù) 載鍵 盤L C D輸 入單 片 機(jī) 內(nèi) 部A D 采 樣控 制 繼 電 器切 換圖 系統(tǒng)總體框圖 本系統(tǒng)采用單片機(jī) STC89c52 作為數(shù)據(jù)處理和控制核心。輸入信號(hào)經(jīng)過前級(jí)放大電路、后級(jí)程控放大和末級(jí)功率放大，實(shí)現(xiàn)了 90dB 的 最大電壓增益 。后級(jí)功率放大器使用高電壓輸出的寬帶運(yùn)放，提高了輸出電壓有效值。單片機(jī)通過 D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)整 AD603 的控制電壓，通過繼電器切換后級(jí)程控放大電路通道，實(shí)現(xiàn)了放大器增益的預(yù)置和控制功能，大大提高了系統(tǒng)的精度和可控性。通過切換兩路橢圓濾波器實(shí)現(xiàn)了通頻帶選擇。手動(dòng)調(diào)節(jié)連續(xù)可調(diào)電位器 ，連續(xù)改變 AD603 的控制電壓，實(shí)現(xiàn)了增益連續(xù)調(diào)節(jié)功能。本放大器的直流偏置電壓和直流零點(diǎn)漂移主要由 AD603 輸出端引入， AD603 增益不同時(shí)，輸出的直流偏置電壓不同。將本直流放大器輸入短路，用 STC89c52 單片機(jī) 內(nèi)部 ADC 對(duì)直流偏置電壓采樣，利用單片機(jī)和數(shù)字算法控制 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)電壓，控制調(diào)零放大器調(diào)節(jié)直流偏置電壓為零，既抑制了直流零點(diǎn)漂移，又實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)零校準(zhǔn)功能。 9 第三章 理論分析與計(jì)算 寬帶增益積 帶寬增益積 (GBP)為帶寬與增益的乘積，描述的是某一種運(yùn)放的一個(gè)固有特性 ，是一個(gè)恒值。當(dāng)增益提高時(shí)，相應(yīng)的帶寬變窄；同理增益降低時(shí)，相應(yīng)帶寬就變寬。 AD603 主要有三種工作模式：當(dāng)腳 5 和腳 7 短接時(shí)， AD603 的增益為 40Vg+10，這時(shí)的增益范圍 10dB～ 30dB，帶寬為 90Mhz。當(dāng)腳 5 和腳 7 斷開時(shí)，其增益為40Vg+30，這時(shí)的增益范圍為 10dB～ 50dB。帶寬為 9Mhz；當(dāng) 5 腳和 7 腳接上電阻，其增益與帶寬范圍將處于上述兩者之間。本設(shè)計(jì)采用腳 5 和腳 7 短接模式，兩個(gè) AD603 級(jí)聯(lián)增益范圍為 20～ 60dB，帶寬約為 80MHZ,帶寬增益積超過1000MHZ，完全滿足 題目設(shè)計(jì)要求。 電壓增益 ： AV＝ 20LOG（ Vo/Vi） 電壓增益 AV≥40dB，不是指輸出電壓幅值除以輸入電壓幅值，而是指 20LOG（輸出電壓幅值 /輸入電壓幅值），也就是輸出輸入電壓的商的 10 為底的對(duì)數(shù)的20 倍。 40db 表示輸出電壓與輸入電壓之比為 100 倍。 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，最大電壓增益 AV ≥ 60dB， 3dB 通頻帶 0～ 10MHz，增益帶寬積 GBW=AV Bw，得出 GBW=600MdB。 OPA620 集成運(yùn)放的開環(huán)增益帶寬積為 200MHz，為滿足系統(tǒng)最大通頻帶為10MHz 的要 求，由 OPA620 構(gòu)成的單級(jí)閉環(huán)放大器的最大增益不能大于 dB20MHz10 MHz20210M HzA (dB) ??? 增益寬帶積 （ 31） 由 OPA620 的幅頻和相頻特性（如圖 3 所示）得，當(dāng)單級(jí)閉環(huán)放大器的增益為 20dB 時(shí)，線性相位為零的最大頻率約為 3MHz＜ 10MHz，由此得出當(dāng)單級(jí)閉環(huán)增益 16dB 時(shí)，通頻帶為 ，滿足通頻帶帶寬的設(shè)計(jì)要求。若同時(shí)獲得 60dB電壓增益，至少需要四級(jí)放大。第一級(jí)放大器，取 R1=100， R2 =100，由公式 dB16)1lg (20lg20231 ??? RRAv （ 32） 得 R3=530,Av1 = 倍；同理可得第二級(jí)放大器： R6 =630,Av2 = 倍。 10 通頻帶內(nèi)增益起伏控制 根據(jù)帶寬增益積的原理：當(dāng)頻率變化時(shí)，增益也將發(fā)生起伏變化。為實(shí)現(xiàn) 0～9MHz 通頻帶內(nèi)增益起伏 1≤ dB，采用單片機(jī)、 A/D 與 D/A 構(gòu)成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過采用 10 位 A/D 芯片 TLC1549,對(duì)負(fù)載電壓的實(shí)時(shí)采集、分析再經(jīng) 10 位高精度 D/A 芯片 TLC5615 控制 AD603 壓控腳從而達(dá)到增益起伏≤ 1dB。 通頻 帶：用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力。 下限截止頻率 fL：在信號(hào)頻率下降到一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于 倍的頻率稱為下 限截止頻率 fL。 上限截止頻率 fH：信號(hào)頻率上升到一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值也將下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于 倍的頻率稱為上限截止頻率 fH。 通頻帶 fbw： fbw＝ fH－ fL 或者定義為：在信號(hào)傳輸系統(tǒng)中 ， 系統(tǒng)輸出信號(hào)從最大值衰減 3dB 的信號(hào)頻率為截止頻率 ， 上下截止頻率之間的頻帶稱為通頻帶 ， 用 BW 表示通頻帶越寬 ，表明 放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)能力越強(qiáng) 。 10 . 7 0 7f 0 f 2f 1fI 圖 f1f2 之間為寬頻帶 在通頻帶內(nèi)由于 AD829 放大頻帶增益不平均，在通頻帶帶寬內(nèi) 4MHz 和8MHz 左右增益小于預(yù)期值，故需要進(jìn)行增益補(bǔ)償。在差分放大電路里 J5 接口并聯(lián)一 15pF 電容增加 8MHz 頻帶左右的交流通路，在交流通路的第二級(jí)和第三級(jí)之間的電阻并聯(lián) 100pF 電容增加 4MHz 的交流通路，補(bǔ)償 4MHz 頻帶的增益。 11 在兩級(jí) 倍（ 16dB）單閉環(huán)放大器級(jí)聯(lián)后，再級(jí)聯(lián)一級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃鳎?AD603），以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓增益預(yù)置和步進(jìn)的控制，如圖 5 所示。 AD603 增益與控制電壓的關(guān)系為 AG（ dB） =40Ug+10，輸入控制電壓 Ug 由 AD603 的 1 腳輸入，控制電壓范圍為 ~+。單片機(jī)可以通過 D/A（將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓量 Ug）來控制 AD603 的放大倍數(shù)，中放的最大增益 =AGdB+16dB 2。設(shè)計(jì)時(shí)Ug 取值范圍為 ~0，從而實(shí)現(xiàn)增益從 22dB 到 42dB 可控，并能實(shí)現(xiàn)增益為 5dB步進(jìn)。 AD603 當(dāng)腳 5 和腳 7 短接時(shí)， AD603 的增益為 40Vg+10，這時(shí)的增益范圍在10～ 30dB。當(dāng)腳 5 和腳 7 斷開時(shí)，其增益為 40Vg+30，這時(shí)的增益范圍為 10～50dB。 如果在 5 腳和 7 腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間。 AD603 的增益控制接口的輸入阻抗很高，在多通道或級(jí)聯(lián)應(yīng)用中，一個(gè)控制電壓可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)運(yùn)放；同時(shí)，其增益控制接口還具有差分輸入能力，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)信號(hào)電平和極性選擇合適的控制方案。 線性相位 線性相位：一個(gè)單一頻率的正弦信號(hào)通過一個(gè)系統(tǒng)，假設(shè)它通過這個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間需要 t，則這個(gè)信號(hào)的輸出相位落后原來信號(hào) wt的相位?？梢钥闯?，一個(gè)正弦信號(hào)通過一個(gè)系統(tǒng)落后 的相位等于它的 wt；反過來說，如果一個(gè)頻率為 w 的正弦信號(hào)通過系統(tǒng)后，它的相位落后 delta，則該信號(hào)被延遲了 delta/w 的時(shí)間。在實(shí)際系統(tǒng)中，一個(gè)輸入信號(hào)可以分解為多個(gè)正弦信號(hào)的疊加，為了使得輸出信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號(hào)通過系統(tǒng)的時(shí)間是一樣的。因此每一個(gè)正弦信號(hào)的相位分別落后， w1*t， w2*t， w3*t。落后的相位正比于頻率 w，如果超前，超前相位的大小也是正比于頻率 w。 普通放大器在放大過程中由于放大器具有一定的延時(shí)效應(yīng)，在放大不同頻率的信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位變化。故在特定 頻段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)原本處于負(fù)反饋的電路。由于延時(shí)使得信號(hào)倒相 180176。，處于放大狀態(tài)從而產(chǎn)生自激現(xiàn)象。本放大系統(tǒng)采用高速運(yùn)算放大器，在 10M 以內(nèi)無明顯的相位變化。 抑制直流零點(diǎn)漂移 零點(diǎn)漂移：由于直流放大器直接耦合，其中有任何一點(diǎn)靜態(tài)電位的變動(dòng)，都 12 有會(huì)經(jīng)耦合放大后在輸出中呈現(xiàn)出來，即使沒有輸入信號(hào)，由于溫度的變化和電源電壓不穩(wěn)定的影響，輸出端也會(huì)出現(xiàn)電壓的緩慢變動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做零點(diǎn)漂移。直流放大器中，前級(jí)的零點(diǎn)漂移會(huì)被逐級(jí)放大，以致在最后一級(jí)的輸出端產(chǎn)生很大的漂移電壓，而這種漂移信號(hào)與直流放大器所 放大的緩慢變化的信號(hào)又十分相似，所以當(dāng)漂移嚴(yán)重時(shí)，就無法分辨清輸出電壓的變化性質(zhì)，它究竟是由于輸入信號(hào)的變化引起的，還是因零點(diǎn)漂移而造成的。 放大器工作一段時(shí)間會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致放大性能發(fā)生變化，本系統(tǒng)采用差分放大電路，故當(dāng)放大器發(fā)生零點(diǎn)漂移時(shí)，由于差分放大器使用同樣參數(shù)的放大器故零點(diǎn)漂移的大小是同樣的，假設(shè)溫漂量為 T ，差分放大信號(hào)為 A， B。 βα VVV0 ? T)(BT)(AV 0 ??? 由于差分信號(hào)是大小相等相位反 2AV0? 可見直流溫度漂移抵消，被抑制。 放大器穩(wěn)定性 直流放大器：在自動(dòng)控制及自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，需要把一些非電量（如溫度、轉(zhuǎn)速、壓力）等參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，這些微弱的電信號(hào)經(jīng)放大后就可以推動(dòng)測(cè)量、記錄機(jī)構(gòu)或控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或自動(dòng)測(cè)量。這些電信號(hào)大都是變化極為緩慢、且極性固定不變的非周期性信號(hào)（直流信號(hào)），它需要直流放大器放大。寬帶直流放大器通頻帶必須從 0 開始 。 提高放大器穩(wěn)定性能的方法有中和法與適配法。中和法通過在輸入端和輸出端引入中和電路來抵消晶體管內(nèi)部的反饋?zhàn)饔?。適配法利用阻抗不匹配原理，減少了反饋信號(hào)對(duì)輸入電路的影響。使增益減少，提高穩(wěn)定性。 放大器在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)自激，外部干擾等，影響放大器穩(wěn)定的工作。 當(dāng)放大器深度負(fù)反饋時(shí)輸出信號(hào)帶有一定的紋波。此時(shí)需要在輸出口加一個(gè)小的電容，消除高頻的紋波干擾。在負(fù)反饋的電阻上串接一個(gè)小電感，可以消除自激。 為抑制干擾在放大器電源兩端并接一個(gè) 的瓷片電容可以消除輸出信號(hào)的干擾。在印制 PCB 板時(shí)敷銅走線，可以大大降低信號(hào)的干擾。 13 第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 跟隨、反相電路的設(shè)計(jì) 差分放大器的輸入信號(hào)要求為雙端輸入，故對(duì)于信號(hào)需要進(jìn)行變換來得到雙端輸入。信號(hào)經(jīng)過跟隨和反相電路后得到的信號(hào)即為原始信號(hào)的兩倍，并且能提高輸入電阻，原理圖如圖 。 C 2C 1I NO U T 1+O U T 2+C 3 C 4U 1U 2R 1 1R 1 0 R 1 2C 5 C 6 圖 跟隨反向電路 電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近 1。 電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸 出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。因?yàn)椋妷悍糯笃鞯妮敵鲎杩挂话惚容^高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級(jí)的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級(jí)的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作用。應(yīng)用電壓跟隨器的另外一個(gè)好處就是， 14 提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。 電壓跟隨作用：由于它的高輸入電阻、低輸 出電阻，所以電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用，完成阻抗匹配的功能。 差分放大電路的設(shè)計(jì) AD829 是一款低噪、高性能高速運(yùn)算放大器 [3]。其壓擺率 230V/μ s，177。 15V供電，輸出電壓最大幅值可達(dá) 28VPP，帶寬 750MHz，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要 [ 6]。 差分放大器由兩個(gè)同相放大器和一個(gè)差動(dòng)放大器組成 [ 4] [5]，如圖 所示。該電路具有輸入阻抗高，電壓放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)，輸出不包含共模信號(hào)。 +++O U TO U T 1O U T2R V 1U 1U 2U 3C 1C 2C 3C 4C 5C 6R 1R 2R 3R 4R 5R 6R 7C 7C 8C 9 圖 差分放大電路 由原理圖可知，改 變 RV1 的值就能改變電路的電壓放大倍數(shù)。