【文章內(nèi)容簡介】 GNEG（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=，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。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，~+ dB。，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，~+。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。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)換成模擬電壓。MAX539采用的這種“倒置”R 2R梯形網(wǎng)絡(luò)布。局可使 DACs輸出電壓和基準(zhǔn)電壓同極性。MAX539的輸出緩沖放大器是單位增益穩(wěn)定的BICMOS運(yùn)算放大器，輸出緩沖放大器的輸出具有短路電流保護(hù)功能，能驅(qū)動2kΩ和100pF的負(fù)載。在MAX539的應(yīng)用中，基準(zhǔn)電壓必須為正，而且基準(zhǔn)電壓值不能大于VDD 2V(如果 VDD為5V，基準(zhǔn)電壓不能大于3V)。故基準(zhǔn)電壓決定了 DAC全碼時轉(zhuǎn)換輸出電壓的大小。DAC的輸入電阻取決于待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的大小，當(dāng)待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為 555H時，輸入電阻為40kΩ，當(dāng)為000H時，輸入電阻為 ∞，基準(zhǔn)電壓輸入端的輸入電容的大小也依賴于待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。推薦使用的基準(zhǔn)電壓源為 MAXIM公司的MAX873A。由于MAX539的最高串行時鐘頻率為 14MHz ，數(shù)字量的轉(zhuǎn)換時間約為1. 14μs (877kHz)， DAC的12位建立時間為 25μs，因此全碼轉(zhuǎn)換的頻率只能限制在40kHz。圖45 MAX539內(nèi)部電路圖MAX539采用單極性輸出，輸出電壓范圍為0V～2VREFI N， VREFI N不能大于 VDD 2V，當(dāng)輸入為FFFH時 ，輸出電壓為 (2VREFI N4095) / 4096 ，當(dāng)輸入為 001H時 ，輸出電壓為(2VREFI N1) / 4096。其輸入數(shù)字量和輸出電壓的關(guān)系如表41所示。表41 MAX539輸入數(shù)字量和輸入電壓值的關(guān)系輸入數(shù)字量輸出電壓值1111 1111 1111+2(VREFIN)*4095/40961000 0000 0001+2(VREFIN)*2049/40961000 0000 0000+2(VREFIN)*2048/4096=+VREFIN0111 1111 1111+2(VREFIN)*2047/40960000 0000 0001+2(VREFIN)*1/40960000 0000 00000而控制電壓由MAX539產(chǎn)生，在MAX539的基準(zhǔn)電壓腳接2V電壓這樣在0~1V之間便有1024個檔位，實現(xiàn)60/1024= dB的步進(jìn)，完全滿足設(shè)計中的要求。MAX539產(chǎn)生控制電壓電路如圖46所示。圖46 MAX539產(chǎn)生控制電壓電路 濾波電路設(shè)計設(shè)計要求放大器的帶寬在5MHz、10MHz 兩點(diǎn)可預(yù)置并顯示。而且要求通帶內(nèi)平坦，帶內(nèi)增益起伏控制在1 dB以內(nèi)。經(jīng)過比較，選擇二階有源巴特沃斯濾波器作為本課題濾波器，經(jīng)典濾波電路如圖47所示。圖47 二階有源巴特沃斯濾波器該電路將截止頻率和電路的Q點(diǎn)分別由電路參數(shù)決定。避免了一般濾波電路中兩個參數(shù)互相影響，造成電路設(shè)計的困難。該電路的參數(shù)關(guān)系為：R=R1=R2，C=C1=C2。電路的截止頻率f=1/2πRC ，電路的增益K=31/Q=1+R4/R3。其中Q為電路的等效品質(zhì)因數(shù)。Q點(diǎn)決定電路幅頻特性曲線的穩(wěn)定度。查表可知點(diǎn)Q=，電路幅頻特性曲線最穩(wěn)定。設(shè)計要求截止頻率為10MHz和5MHz。經(jīng)過計算選用R3=，R4= kW。而當(dāng)系統(tǒng)的截止頻率為5MHz時R=R1=R2=， C=C1=C2=15pF。當(dāng)截止頻率為5MHz時R=R1=R2=1kW， C=C1=C2=15pF。通過單片機(jī)給信號控制一組繼電器來實現(xiàn)系統(tǒng)的的帶寬的變化，電路設(shè)計如圖48所示。圖48帶寬可變?yōu)V波電路 末級功率放大電路設(shè)計要求末級功率電路最大輸出電壓正弦波有效值Vo≥10V，負(fù)載電阻（50177。2）W，在通頻帶內(nèi)的起伏控制在1 dB以內(nèi)，且最高頻率能達(dá)到10MHz。OPA603作為超寬帶低噪聲電流型運(yùn)放，內(nèi)部原理圖如圖49所示。圖49 OPA603內(nèi)部原理圖能在177。 ~18V電壓下供電正常工作，在增益為1 ~10倍時 帶寬為100 MHz，電壓擺率為1000V/uV，最高輸出電壓有效值為12V，最大電流為150mA。設(shè)計要求能帶動50W的負(fù)載，并且最大輸出電壓正弦波有效值≥10V，這就要求最大電流為300 mA。如果用單片的OPA603達(dá)不到設(shè)計要求，所以根據(jù)BURRBROWN公司應(yīng)用手冊中介紹，使用寬帶高壓運(yùn)放OPA603和高速緩沖器和BUF634配合，加入適當(dāng)?shù)姆答?，即可可以提供電壓增益和電流放大，從而達(dá)到題設(shè)的要求。BUF634是超寬帶高壓高速緩沖器，內(nèi)部原理圖如圖410所示。圖410 BUF634內(nèi)部原理圖其最高輸出電流能達(dá)到250 mA，電壓擺率為2000V/uV，在寬帶模式下最大帶寬能達(dá)到180 MHz，在177。 ~18V電壓下供電正常工作。而且有八腳貼片式和便于散熱的五腳立式，由于五腳立式便于裝散熱器，所以最終選用五腳立式裝，而且選擇寬帶模式即V腳和BW腳相聯(lián)。最終選用一片OPA603和2片BUF634搭配從而能較好滿足題設(shè)的要求，最終設(shè)計電路如圖411所示圖中OPA642提供16 dB的電壓增益，通過和BUF634的搭配，提供至少300mA的電流輸出。圖411 末級功率放大圖 液晶接口電路本課題顯示裝置采用128*64的點(diǎn)陣式液晶顯示屏。該液晶12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊就是由128*64個液晶顯示點(diǎn)組成的一個128列*64行的陣列。每個顯示點(diǎn)對應(yīng)一位二進(jìn)制數(shù)，1表示亮，0表示滅。存儲這些點(diǎn)陣信息的RAM稱為顯示數(shù)據(jù)存儲器。要顯示某個圖形或漢字就是將相應(yīng)的點(diǎn)陣信息寫入到相應(yīng)的存儲單元中。圖形或漢字的點(diǎn)陣信息當(dāng)然由自己設(shè)計，問題的關(guān)鍵就是顯示點(diǎn)在液晶屏上的位置（行和列）與其在存儲器中的地址之間的關(guān)系。 由于多數(shù)液晶顯示模塊的驅(qū)動電路是由一片行驅(qū)動器和兩片列驅(qū)動器構(gòu)成，所以12864液晶屏實際上是由左右兩塊獨(dú)立的64*64液晶屏拼接而成，每半屏有一個512*8 bits顯示數(shù)據(jù)RAM。左右半屏驅(qū)動電路及存儲器分別由片選信號CS1和CS2選擇。通過向指定顯示位置對應(yīng)的DDRAM中寫數(shù)據(jù)來顯示字符。該液晶采用8位數(shù)據(jù)口，2組電源和地控制，5位命令控制端口和3位液晶屏亮度控制接口共20個接口端。其中5位命令控制端口和8位數(shù)據(jù)口與單片的數(shù)據(jù)端口相連。液晶接口連接圖如圖412所示，通過調(diào)節(jié)滑動電位器R1可以調(diào)節(jié)液晶屏的亮度，從而選擇適宜的亮度來進(jìn)行顯示。同時液晶采用+5V供電，接地為模擬地，要和數(shù)字地分開不然會對液晶顯示產(chǎn)生一定干擾。圖412 液晶接口電路 鍵盤接口電路系統(tǒng)為方便輸入輸出，才用4*4的陣列式鍵盤作為本課題的輸入設(shè)置端口。4*4的鍵盤有4個行向接口和4個列向接口共計8為接口，如果直接接入單片機(jī)步進(jìn)可能由于模擬電流過大而損壞單片機(jī)的引腳而且還會占用單片機(jī)的接口資源。考慮上述因素決定采用成熟的鍵盤接口芯片，經(jīng)過查找最終選用鍵盤接口管理芯片ZLG7290作為鍵盤和單片機(jī)中間級，大大節(jié)省了單片機(jī)接口資源。ZLG7290是一種I2C接口鍵盤及LED驅(qū)動管理器件，提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制。能夠直接驅(qū)動 8位共陰數(shù)碼管（或 64 只獨(dú)立的 LED） ，同時還可以掃描管理多達(dá) 64 只按鍵。其中有 8 只按鍵還可以作為功能鍵使用，就像電腦鍵盤上的 Ctrl、Shift、Alt 鍵一樣。另外 ZLG7290B 內(nèi)部還設(shè)置有連擊計數(shù)器，能夠使某鍵按下后不松手而連續(xù)有效。采用I2C總線方式，與微控制器的接口僅需兩根信號線。ZLG7290的從地址為70H，器件內(nèi)部通過I2C總線訪問的寄存器地址范圍為00H~17H，任一寄存器都可按字節(jié)直接讀寫，并支持自動增址功能和地址翻轉(zhuǎn)功能。ZLG7290內(nèi)部原理圖如圖413所示圖413 ZLG7290內(nèi)部原理圖其中SegH ~ SegA為鍵盤接口，Dig0 ~ Dig7驅(qū)動LED接口。SCL為其與微機(jī)的時鐘接口而SDA為其與微機(jī)的數(shù)據(jù)接口。INT為其中斷標(biāo)志輸出接口，當(dāng)有按鍵式改接口將輸出負(fù)電平。ZLG7290的I2C接口傳輸速率可達(dá)32kbit/s 容易與處理器接口并提供鍵盤中斷信號 提高主處理器時間效率。但是，如果采用硬件I2C總線，則通信波特率可以更高，因為硬件I2C的總線競爭和同步邏輯，是軟件無法模擬的。ZLG7290的I2C總線通信接口主要由3個引腳構(gòu)成：SDA、SCL和INT，引腳接口如圖414所示。圖414 ZLG7290I C接口引腳分布簡圖在圖415中，U17就是ZLG7290。為了使電源更加穩(wěn)定，一般要在Vcc到GND之間接入47～470uF的電解電容C30。P11和P10與單片機(jī)MSP430F169的接口，按照 I2C總線協(xié)議的要求，信號線SCL和SDA上必須要分別加上上拉電阻，其典型值是10KΩ。晶振通常取值8MHz，調(diào)節(jié)電容C3和C4 通常取值在 10pF左右。復(fù)位信號是低電平有效，一般只需外接簡單的 RC復(fù)位電路，也可以通過直接拉低 RST 引腳的方法進(jìn)行復(fù)位。，不然會給單片機(jī)帶來不穩(wěn)定因素。圖中的J1～J8為鍵盤接口。圖415 鍵盤管理芯片ZLG7290電路圖 穩(wěn)壓電源電路由于設(shè)計要求自制穩(wěn)壓電源，從220V交流電要得到177。5V和177。15V直流電壓，作為系統(tǒng)的供電電壓。由于系統(tǒng)的的輸入信號是小信號，所以電源中的低頻諧波和高頻分量要盡量去除，否則會對電路產(chǎn)生很嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)?dǎo)致整個電路的波形失真。例如本課題信號有效值在10mV，如果電源的紋波有1 mV，在增益為60dB時即放大1000倍，會造成1V的失調(diào)電壓，從而導(dǎo)致信號的失真。直流穩(wěn)壓的電路圖如圖416所示，交流電220V經(jīng)過變壓器后分出兩路電壓，兩路電壓經(jīng)過單相橋式整流電路后，再經(jīng)過電容濾波后初步整出所需的電壓。在經(jīng)過三端集成穩(wěn)壓器(7805，7905，7815，7915)整出穩(wěn)定177。5V和177。15V直流電壓。注意給數(shù)字器件和模擬器件的供電的電源要分開給出。在數(shù)字電源端口和模擬電源端口之間經(jīng)過電感隔離后，還經(jīng)過電容隔離，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時數(shù)字地端口和模擬地端口也用電感隔離。為了保護(hù)電源由于輸出電流過高而被燒壞，在變壓器和整流電路的中間加上規(guī)格為3A的保險絲。同時由于接觸到了220V的交流電壓，220V注意要標(biāo)準(zhǔn)的電源線同時將電源220V部分用絕緣材料做成的外殼包好，防止安全的事故的發(fā)生。圖416 系統(tǒng)供電穩(wěn)壓電源電路第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計本課題采用MSP430F169作為系統(tǒng)微處理器，系統(tǒng)軟件功能框圖如圖51所示。圖51 系統(tǒng)軟件總體功能框圖系統(tǒng)軟件要完成增益和帶寬的設(shè)定和顯示功能，同時還要控制DA給出設(shè)定的電壓值和帶寬選擇信號。單片機(jī)先根據(jù)鍵盤的按鍵判斷是選擇是設(shè)定增益還是帶寬鍵，然后根據(jù)輸入的數(shù)字顯示在液晶顯示屏上，同時確定設(shè)定值后給出相應(yīng)的控制信號，軟件流程圖如圖52