【文章內(nèi)容簡介】 此次的設(shè)計顯示內(nèi)容，七段數(shù)碼管不能勝任顯示任務(wù)，故最好選用 128*64 的液晶屏作為 本課題 的顯示器。 濾波電路方案論證 方案一 ： 使用現(xiàn)成的濾波器芯片，如 Maxim 公司的開關(guān)電容濾波器芯片 MAX262，可以實現(xiàn)低通、高通、和帶通濾波器 。 方案二 ： 使用高頻運(yùn)放構(gòu)建濾波電路，根據(jù)設(shè)計中要求的截止頻率選用相匹配的電阻電容。而且由于要在通頻帶內(nèi)平坦，選用二階的巴特沃斯低通濾波器，通過對電路Q 點(diǎn)的選取可以將通帶內(nèi)增益起伏控制 在要求的范圍內(nèi)。 比較方案一和方案二覺 ，方案一控制簡單而且比較穩(wěn)定 ，但是 本課題 要求截止頻率在 10MHz， 市面上很難買到符合要求的專用濾波器，而且價格偏貴還要買相應(yīng)的可調(diào)電容相匹配 ，實現(xiàn)較 難。方案二雖然電路搭建好了后截止頻率不變，但是 本課題 只設(shè)定了 2 個截止頻率。只要用一組 2 路繼電器就可以切換，所以實現(xiàn)較容易，最終選定方案二。 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 9 第 3 章 系統(tǒng)的理論分析與計算 帶寬增益積分析 設(shè)計 要求放大器的最大電壓增益 AV≥ 60dB，即 1000 倍， 3dB 通頻帶 0～ 10MHz，則系統(tǒng)總的帶寬增益積 要求為 1000 10MHz = 1GHz。 由于多級放大電路的通頻帶比組成它的每一級的通頻帶窄， 輸入信號 經(jīng)過 OPA642 跟隨后進(jìn)入系統(tǒng)放大， 分析帶寬增益積，合理地配置各級的增益和帶寬。主要指標(biāo)分配為 ： 前級 緩沖 級 ： 用 一片 OPA642 做成前級電壓跟隨器， 電壓 增益 為 0dB， 帶寬 200MHz； 中間放大級：用兩片 AD603 級聯(lián)，選 10～ 30dB 模式， 兩片 最終 增益 20~60dB，帶寬 60MHz ； 中間低通濾波器：用兩片 AD818 搭建 2 階有源濾波器，分別為 5 MHz 和 10 MHz的低通濾波器。增益為 倍即 4dB。 末級放大級： 用一片電流型運(yùn)放 OPA603 和 2 片 BUF634 組成后級功率放大， 增益為 16dB，帶寬 40MHz。 這樣設(shè)計的寬帶放大器增益范圍 約為 10~70dB，頻帶寬度大于 10MHz。 總體電路設(shè)計 如圖 5 所示，由于 AD603 輸出的電壓有效值有限為 2V，所以當(dāng)增益為 60 dB 時，電壓增益分配為前級緩沖為 0 dB， 第一片 AD603 的增益為 20 dB， AD818 的低通濾波器的增益為 4 dB，第二片的 AD603 的增益為 20 dB，末級的功率放大增益為 16 Db， 這樣 電路的總體增益為 60 dB，輸出的電壓有效值可以達(dá)到 10V，總體電路 框圖如 圖 31所示。 圖 31 總體電路 框 圖 輸入級 OPA642 末級功率放大 OPA 603 程控電壓放大器 AD603 有源濾波器 AD811 程控電壓放大器 AD603 單片機(jī)控制 DA電壓輸出 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 通頻帶內(nèi)增益起伏控制分析 系統(tǒng)通頻帶內(nèi)的增益起伏同時受 到 濾波器和各級運(yùn)算放大器的帶內(nèi)增益平坦度的影響。由于各級的增益是對數(shù)相加的關(guān)系，我們對各級的增益起伏控制分別進(jìn)行分析： 對于前置緩沖器，使用同相跟隨器作緩沖可以使整個放大器輸入阻抗提高，降低信號源的驅(qū)動要求。選擇作跟隨器時增益穩(wěn)定的運(yùn)放，使用 OPA642 可達(dá)到 以下 。 中間放大級 增益最大，增益起伏主要來自這一級。 濾波器的帶內(nèi)增益起伏受到濾波器 Q 點(diǎn)選取而變化， 巴特沃斯 濾波器通帶內(nèi)比較平坦，在 Q 點(diǎn)選 時，通帶內(nèi)增益起伏可以控制在 dB 以下。 若使用兩片 AD603 級聯(lián)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊， 時增益起伏在 以內(nèi)。 AD603 的控制電壓的微小變化能夠引起增益的較大起伏，需要精確控制。使用 12 位的 TLV5618，配合最大誤差為高精度 + 電壓基準(zhǔn)源MAX6161，可以使 DA 輸出最大電壓起伏對應(yīng)的增益起伏為 。 但是實際過程中兩邊 AD603 級聯(lián)在增益過大時會產(chǎn)生共激震蕩，造成 整個電路不穩(wěn)定。一般在兩片AD603 級聯(lián)會加電容隔離來消除共激震蕩，但是 本課題 電路要能對直流進(jìn)行放大，所以不能加電容進(jìn)行隔離。但是 如果將濾波器加在兩片 AD603 中間時，可以消除這種情況。所以最終在兩片 AD603 級聯(lián)時 ， 中間加濾波器能將帶內(nèi)增益起伏控制在 。 直流 電源的 供電的穩(wěn)定性也會對各級放大產(chǎn)生影響。需要對直流電源輸入作電容電感的∏型濾波，有效濾除 各個芯片電源電壓中 低頻紋波和高頻分量 。 末級放大級的增益大于 20dB，與中間級放大類似，也要選擇通頻帶內(nèi)平穩(wěn)的電路。根據(jù)資料使用 OPA603 的幅頻響應(yīng)如圖 32 所示，在通頻帶內(nèi)的最大起伏為 。 圖 32 OPA603 幅頻響應(yīng) 抑制零點(diǎn)漂移分析 我們設(shè)計使用了高質(zhì)量的穩(wěn)壓直流電源和部分經(jīng)過老化實驗的元件，可大大減小由 此而產(chǎn)生的漂移。 輸入級采用 OPA642，直流偏移為 500μ V，相對于輸入信號有效值為 10mV 時，引入的誤差約為 1%。中間級的零點(diǎn)漂移也不可忽略， AD603 的電壓偏移最大為 20mV，經(jīng)過 60dB 放大理論上可以產(chǎn)生最大 20V 的輸出失調(diào)電壓，因此必須進(jìn)行調(diào)零。末級功率 放大使用 OPA603， 15V 供電時的最大零點(diǎn)漂移為 6mV，作大信號放大使用時可以忽略但是若前級為衰減，這項的影響將十分顯著。因此對 OPA603 也要進(jìn)行調(diào)零。 經(jīng)過處理，該方案能較好的抑制零點(diǎn)漂移現(xiàn)象 。 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 系統(tǒng)固有噪聲分析抑 根據(jù)分析 本系統(tǒng)的固有噪聲來源主要有寬帶噪聲、電阻熱噪聲及 1/f 閃爍噪聲。首先：電阻熱噪聲由導(dǎo)體中電子的不規(guī)則運(yùn)動產(chǎn)生。為了避免電阻熱噪聲， 我們在系統(tǒng)中應(yīng)用低噪聲電阻作為反饋回路的電阻，在不影響放大器頻率響應(yīng)的前提下使用阻值較低的電阻作為反饋電阻，電阻熱噪聲可利用 en= 4kTR f? 公式計算。其次：對于寬帶噪聲 利用運(yùn)算放大器官方手冊中其電壓頻譜密度曲線進(jìn)行計算，該計算較為繁瑣，在此不詳述。最后：對于 1/f 閃爍噪聲，長可將其歸一化為 1Hz 噪聲，利用電壓頻譜密度曲線給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。對于我們的設(shè)計而言，通過選擇低噪聲器件已能夠較好的解決系統(tǒng)固有噪聲的問題。 線性相位分析與計算 如果一個頻率為ω 的正弦信號通過系統(tǒng)后，它的相位落后 ?，則該信號被延遲了 ? /ω的時間。由于調(diào)試時我們使用函數(shù)信號發(fā) 生器，其輸出信號含有各階諧波分量，輸入信號可以分解為多個正弦信號的疊加。在通過運(yùn)算放大器之后由于客觀的諧波失真存在，會出現(xiàn)一定的相位失真的問題。運(yùn)放 實測表明，系統(tǒng)中各級放大器的線性相位誤差均小于 176。，影響相位線性度 的最重 因素是濾波網(wǎng)絡(luò)的相頻特性。貝塞爾濾波器具有最好的線性相位特性， 但幅頻特性下降 常緩慢，要達(dá)到 9MHz 時小于等于 1dB 的增益誤差，需設(shè)計 8 階無源濾波，電感值較大、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、制作困難。綜合考慮，采用較低階數(shù)的其 他種類濾波器來使相位非線性盡 減小。 實際系統(tǒng)中采用 2 階 有 源 巴特沃 濾波器， 5MHz 和 10MHz 截頻的相頻、幅頻相應(yīng)如圖 33(a)和圖 33(b)所示，可見通頻帶內(nèi)相位線性度較好。 (a)5MHz 截止頻率的巴特沃斯濾波器 (b)10 MHz截止頻率的巴特沃斯濾波器 圖 33 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 放大器穩(wěn)定性分析 對于放大器的穩(wěn)定性分析，我們主要考慮三個方面的問題： 由于采用三級放大器級聯(lián)的方式，為了減少高頻自激和消振困難，在相鄰的放大器之間加入電壓跟隨器作隔離； 同時， 為了消除內(nèi)阻引起的寄生震蕩，還要在運(yùn)放電源端就近接去耦電容。 系統(tǒng)各部分電路間阻抗匹配問題：我們的設(shè)計 使本系統(tǒng)各部分電路之間的輸入輸出阻抗匹配 ， 不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且對本系統(tǒng)驅(qū)動容性負(fù)載能力的提高有很大幫助 。 從電路板的布局上進(jìn)行考慮：我們避免在放大器下方走電源線及地線 ， 以減小寄生電容以提高放大器的穩(wěn)定性。地線在電路板焊的盡量粗 ， 來過濾掉電路中的低頻諧波和高頻分量。 并且盡量減少 信號 走線長度來減小寄生效應(yīng)的影響。 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 13 第 4 章 系統(tǒng)的電路 原理和 設(shè)計 前級跟隨電路設(shè)計 本課題 要求正弦信號輸入的有效值在 10mV 以下，并且頻率達(dá)到 10MHz， 放大器的輸入電阻 ≥50?， 所以決定采用超寬帶低噪聲運(yùn)放 構(gòu)成電壓跟隨電路，經(jīng)過比較選用OPA642 作為前級電壓跟隨的器件。 OPA642 是 一款超寬帶低噪聲運(yùn)算放大器?？梢圆捎?77。 5V供電，在作為增益為 1 的電壓跟隨器是其貸款可以達(dá)到 400 MHz 超低噪聲，噪聲為 Hz ，在正弦信號有效值為 10mV 時引入噪聲量小于 1%，可以忽略不計。 用 OPA642 構(gòu)建 前級跟隨電路如圖 41 所示， OPA642 閉環(huán)帶寬增益積能達(dá)到400MHz，搭建成前級正向跟隨器，輸入電阻 50?， 滿足設(shè)計的要求。但是在正負(fù)電源與地之間一定要加 去耦電容，不然電路會產(chǎn)生自激 振 蕩。 圖 41 OPA642 前級跟隨電路 中間放大級和濾波電路設(shè)計 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 14 壓控運(yùn)放 AD603 原理 與電路 AD603 的簡化原理框圖如圖 42 所示 ， 它由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端 (V INP) 的信號經(jīng)衰減后 ， 由固定增益放大器輸出 ， 衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整與其自身電壓值無關(guān) ， 而僅與其差值 VG 有關(guān) ， 由于控制電壓 GPOS/ GNEG 端的輸入電阻高達(dá)50MΩ ， 因而輸入電流很小 ， 致使片內(nèi)控制電路對提供增益控制電壓的外電路影響減小。以上特點(diǎn)很適合構(gòu)成程控增益放大器。圖 42 中的 “滑動臂 ”從左到右是可以連續(xù)移動的。 圖 42 AD603 內(nèi)部原理圖 當(dāng) VOUT 和 FDBK 兩管腳的連接不同時 ， 有三種模式可供選擇。 模式一：將 VOUT與 FDBK 短路，即為寬頻帶模式（ 90MHz 寬頻帶）， AD603 的增益設(shè)置為 ~+ dB。 模式二： VOUT 與 FDBK 之間外接一個電阻 REXT， FDBK 與 COMN 端之間接一個 的電容頻率補(bǔ)償。根據(jù)放大器的增益關(guān)系式 ，選取合適的 REXT，可獲得所需要的模式一與模式三之間的增益值。當(dāng) REXT= 千歐時，增益范圍為 1~+41dB。模式三： VOUT 與 FDBK 之間開路， FDBK 對 COMN 連接一個 18uF 的電容用于擴(kuò)展頻率響應(yīng)，該模式為高增益模 式，其增益范圍為 +~+，帶寬為 9MHz. 在以上三種模式中，增益 G（ dB）與控制電壓 VG 的關(guān)系曲線如圖 43 所示。當(dāng)VG 在 500mV~+500mV 范圍內(nèi)以 40dB/V（既 25mV/dB）進(jìn)行線性增益控制，增益 G(dB)與控制電壓 VG 之間的關(guān)系為： G(dB） =40VG+Goi（ i=1， 2， 3），其中 VG=VGPOSVGNEG（單位為伏特）， Goi 分別為三種不同模式的增益常量： GO1=10dB， GO2=10~30dB（由REXT 決定，當(dāng) REXT= 千歐時， GO2=20dB）， GO3=30dB。 當(dāng) VG500mV 或 VG+500mV 時，增益（ dB）與控制電壓 VG 之間不滿足線性關(guān)系 ， 當(dāng) VG=526mV 時， Gmin(dB)=； VG=+526mV 時， Gmax（ dB） =GF。 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 15 圖 43 AD603 增益與控制電壓曲線 根據(jù) 本課題 要求，選用 AD603 的模式一 將 VOUT 與 FDBK 短路 ，即此時 AD603的增益為 ~+ dB。再在 2 號管腳即 GENG 上接固定電壓 ， 這樣通過單片機(jī)控制 DA 給 GPOS 管腳一個可變電壓，電壓范圍在 0~1V， 從而給兩個管腳的電壓差 VG 范圍控制在 ~+。這樣 AD603 的增益與 VG 成線性關(guān)系，方便控制。設(shè)計電路如圖 44 所示。 圖 44 程控放大器 AD603 電路 控制電壓產(chǎn)生電路 由于要產(chǎn)生精確地控制的電壓，通過比較選用 MAX539 作為 本課題 的 DA 芯片。MAX539 是一種采用 5V單電源供電的低功耗電壓輸出型 12 位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它具有接口簡單、轉(zhuǎn)換時間短、功耗低、體積小等特點(diǎn)。 MAX539 采用自校正結(jié)構(gòu) ， 其偏置電壓、增益和線性度等參數(shù)在出廠前均已微調(diào) ， 因此無需其它外接元件與外部調(diào)整。 南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 16 MAX539 的 內(nèi)部電路 圖如圖 45 所示。由圖可知 ， MAX539 內(nèi)部采用倒置的 R 2R梯形網(wǎng)絡(luò)和單電源的 CMOS 運(yùn)算放大器將 12 位數(shù)字量轉(zhuǎn)