畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-基于單片機(jī)的電子計(jì)數(shù)式頻率計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-12 14:27 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 護(hù)，凡高于 的輸入電壓都被削減，從而達(dá)到保護(hù)的目的。 選用 兩只 1N4148 還能 起到隔直，防止零漂干擾和限幅作用，當(dāng)過(guò)高電壓信號(hào)輸入時(shí)不會(huì)沖擊燒壞前置和后置放大電路，起到安全保護(hù)作用。 4． 1． 2 場(chǎng)效應(yīng)管高阻輸入放大 電路 由于本儀器對(duì)輸入阻抗、輸入靈敏度要求 較高，所以在輸入頭上采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管作為輸入阻抗變換，以降低其對(duì)信號(hào)源內(nèi)阻的要求，其輸入阻抗為 1MΩ。 信號(hào)通 過(guò)低噪聲 FET 輸入級(jí)放大，然后通過(guò) MC10116 完成差動(dòng)放大。 由場(chǎng)效應(yīng)管組成放大電路時(shí)，要建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn) Q，而且場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，因此需要有合適的柵源偏置電壓。常用的直流偏置電路有兩種形式，即自偏壓電路和分壓式偏壓電路。 本放大電路如圖 xxx所示。 其中場(chǎng)效應(yīng)管的柵極通過(guò)電阻 Rg接地，源極通過(guò)電阻 R接地。這種偏置方式靠漏極電流 ID在源極電阻 R 上產(chǎn)生的電壓為柵源極間提供一個(gè)偏置電壓 VGS，故稱為自偏壓電路。靜態(tài)時(shí)，源極電位 VS=IDR。由于柵極電流為零， Rg上沒(méi)有電壓降，機(jī)極電位VG=0，所以 柵源偏置電壓 VGS= VG– VS= – IDR。 9 由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極幾乎不取信號(hào)電流，柵源極間的交流電阻可視為無(wú)窮大，因此， 如下式 所示共源極放大電路的輸入電阻為 Ri = Vi / Ii ≈ Rg = 1M 4． 1． 3 放大電路 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)放大電路時(shí)耗費(fèi)了很大一部分時(shí)間，采用多種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)不斷改進(jìn)來(lái)達(dá)到系統(tǒng)要求的性能。 信號(hào)放大器應(yīng)具有較大的輸入阻抗、較小的輸入電流、較強(qiáng)的抗干擾能力，并有很寬的通頻帶（ 1Hz～10MHz）和輸出幅值達(dá)到 TTL 電平幅值。 有以下幾種方案。 （ 1） 采用單級(jí)高頻三極管 三極管是一種控制元件，主要用來(lái)控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例（信號(hào)從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地），當(dāng)基極電壓 UB有一個(gè)微小的變化時(shí)，基極電流 IB也會(huì)隨之有一小的變化，受基極電流 IB的控制，集電極電流 IC會(huì)有一個(gè)很大的變化，基極電流 IB 越大，集電極電流 IC也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用。 IC 的變化量與 IB變化量之比叫做三極管的放大倍數(shù) β （ β=ΔI C/ΔI B, Δ 表示變化量。）， 如圖所示， 三極管 工作 在放大信號(hào)時(shí)，首先要進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，即要先建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn) ，否則會(huì)放大失真。 在三極管的集電極與電源之間接一個(gè)電阻，可將電流放大轉(zhuǎn)換成電壓放大：當(dāng)基極電壓 UB升高時(shí)， IB變大，IC也變大， IC 在集電極電阻 RC的壓降也越大，所以三極管集電極 電壓 UC會(huì)降低，且 UB越高， UC就越 低 ， ΔUC=ΔUB。 該電路 參數(shù)達(dá)到在 100Hz 到 頻段中電壓增益 20DB。該方案數(shù)據(jù)未能達(dá)到題目規(guī)定的要求。 （ 2） 采用 多級(jí)晶體 三極管 使用射極 輸出 器作為輸入 級(jí)，以提高輸入阻抗。中、后級(jí)作為放大級(jí)，級(jí)與級(jí)之間電容耦合，前后級(jí) 靜態(tài) 10 工作點(diǎn)相互獨(dú)立， 互不影響。使用截止頻率為 1000MHz 的三極管 9018 做放大級(jí)，由于放大器本身特性受到結(jié)電容影響，在高頻時(shí)放大倍數(shù)下降，為補(bǔ)償高頻段放大倍數(shù)的下降，采用了 RC 高頻補(bǔ)償電路。 實(shí)驗(yàn)情況如下圖 xxx 所示。 在圖中，由于低頻不能通過(guò) 103，而通過(guò) 220uF，信號(hào)被衰減，而在數(shù)百千赫茲以上的高頻帶，由于電容電抗 減小 ，所以信號(hào)不衰減。這就達(dá)到了降低低頻增益、使頻率特性均勻的目的。 本 電路經(jīng)過(guò)多次調(diào)試， 更改了各個(gè)晶體管的偏 置 電阻，使該放大電路達(dá)到在 高頻帶時(shí)電壓增益20DB，但此參數(shù)還不能達(dá)到題目的要求， 且外圍電路比較復(fù)雜，各偏置電阻需逐個(gè)調(diào)試， 因而不作考慮。 （ 3） 采用一般運(yùn)算放大器 使用了兩級(jí) OP27 低噪聲運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)作電壓增益， 在實(shí)驗(yàn)中， 當(dāng)被測(cè)信號(hào)上升到 1MHz 時(shí)，放大器增益 出現(xiàn)明顯的下降，到了 6MHz 頻段幾乎無(wú)任何增益響應(yīng)，如圖 XXX，說(shuō)明書(shū)上的 xxx。 （ 4） 采用寬帶放大器 AD8055 是 Analog Devices 公司生產(chǎn)的一款低功耗， 300MHz 帶寬的電壓 11 反饋式放大器。使用 此寬帶放大器具有電路簡(jiǎn)潔，效果明顯等特點(diǎn)，無(wú)論對(duì)小信號(hào)還是高頻信號(hào)，其增益系數(shù)均達(dá)到系統(tǒng)要求，而且此款放大器的 增益帶寬 達(dá)到 300MHz。 盡管系統(tǒng)參數(shù)和效果都十分理想，但此款寬帶放大器在市場(chǎng)上難以買(mǎi)到，且價(jià)格不菲，在具體應(yīng)用受到了限制，所以最后還是決定放棄使用。 （ 5） 直接采用比較器 集成電壓比較器 比集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益低，失調(diào)電壓大，共模抑制比?。坏漤憫?yīng)速度快，傳輸延遲時(shí)間短，而且 可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二值信號(hào)，即只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的離散信號(hào) ， 不需外加限幅電路就可直接驅(qū)動(dòng) TTL、 CMOS 等集成 數(shù)字電路 。 所以 采用比較器可以簡(jiǎn)單地地完成設(shè)計(jì)。采用高速比較器 LM361 可以處理高達(dá) 10MHz 的輸入信號(hào)。 LM361有低輸入失調(diào)電壓和電壓范圍靈活等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間最大僅 20ns，輸出電平可與 TTL 電平相配合，且在后置電路中不需整形電路，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。 12 但比較器輸入很容易受到干擾，電路上對(duì)電源凈化要求度高，綜合考慮到本設(shè)計(jì)使用萬(wàn)能板作為線路載體，受電路分布參數(shù)影響較大，故不予采用。 （ 6） 采用 三級(jí) 差動(dòng)放大器和 兩極 三極管 考慮對(duì)小信號(hào)的測(cè)量 ，上述運(yùn)算放大器均是采用直接耦合方式，零點(diǎn)漂移問(wèn)題不能 忽略，由于直接耦合使得各級(jí) Q 點(diǎn)互相影響，如果前級(jí) Q點(diǎn)發(fā)生變化，則會(huì)影響到后面各級(jí)的 Q 點(diǎn)。由于各級(jí)的放大作用，第一級(jí)微弱變化將經(jīng)多級(jí)放大器的放大，使輸出端產(chǎn)生很大的變化。產(chǎn)生零漂問(wèn)題的原因主要是因?yàn)榫w三極管的參數(shù)受溫度的影響，為了解決這個(gè)問(wèn)題，最有效的措施就是采用差動(dòng)放大電路，盡
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