【文章內(nèi)容簡介】 率（Passband　frequency）為10M；４、在Implementation中選擇有passive（無源濾波器）；５、在Freq Scale中選擇Hertz和Log，如果選擇了Rad/Sec，則要注意Rad/Sec＝＊Hertz；６、在Graph Limits中設(shè)置好圖像的最大頻率和最小頻率，最大頻率要大于通頻帶的截止頻率；在Passive Design/Ideal Filter Response中觀察傳輸函數(shù)(Transfer Function)、時域響應(Time Response)、零極點圖(Pole Zero Plots)、頻域響應(Frequency Response)的圖像；７、在Circuit Parmaters中設(shè)置源電阻(Source Res)和負載電阻(Load Res)。最后點擊Circuits觀察濾波器電路圖；根據(jù)以上步驟完成了一個5階巴特沃斯10M無源低通濾波器的設(shè)計，如圖312所示為濾波器電路圖。如圖313所示為濾波器的頻域響應圖像。圖312 低通濾波器電路圖圖313 濾波器的頻域響應 功率放大部分輸出級承擔50Ω的負載，基本要求輸出電壓的有效值大于3V,同時由于低通濾波電路會造成信號衰減為原來幅值的一半，所以需要加后級功率放大電路。本設(shè)計采用高速單運放AD811完成放大。AD811為電流反饋型寬帶運放，其帶寬增益積為140MHz，177。12V供電，增益為10 dB的情況下，3 dB帶寬達100MHz,遠遠滿足本系統(tǒng)的寬帶放大要求，有177。12V的輸出擺幅，且輸出電流最大可達100mA，完全可滿足峰峰值要求。如圖314所示為功率放大級的電路連接原理圖。如圖314 功率放大級電路連接原理圖 有效值檢測模塊設(shè)計引入電壓有效值檢測芯片AD637檢測電壓。AD637可測量的信號有效值可高達7V, AD637是AD公司RMSDC產(chǎn)品中當前國際上轉(zhuǎn)換精度最高(指加外部精調(diào)電路后)及頻帶最寬的真有效值轉(zhuǎn)換器，并且AD637可以對輸出電平信號的以dB形式指示，可以測出任意波形交變信號的有效值。器外圍器件少，頻帶寬；輸出有效值用A/D采樣來進行單片機處理，實現(xiàn)液晶顯示。根據(jù)芯片手冊所給出的計算真有經(jīng)驗公式為： （3－3）其中，為輸入電壓，為輸出電壓有效值。AD637的典型連接方式如圖315所示。圖315 AD637的典型配置方式及內(nèi)部原理圖 直流穩(wěn)壓電源模塊直流穩(wěn)壓電源模塊在整個系統(tǒng)中有非常重要的作用。由于系統(tǒng)信號的頻率較高，電源的穩(wěn)定性決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以要求電源輸出穩(wěn)定，紋波小。考慮到開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然效率高，但電路復雜, 開關(guān)電源的工作頻率通常為幾十～幾百KHz，基波與很多諧波均在本放大器通頻帶內(nèi)，極容易帶來串擾。線性穩(wěn)壓電源包括并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型電路復雜，效率低，僅用于對調(diào)整速率和精度要求較高的場合；串聯(lián)型電路比較簡單，效率較高，尤其是采用集成三端穩(wěn)壓器，更是方便可靠。綜合考慮以上因素，選擇串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源作為直流穩(wěn)壓電源模塊。[10]直流穩(wěn)壓電源通常由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。其原理框圖如圖316所示。圖315 直流穩(wěn)壓電源原理框圖其各部分介紹如下：電源變壓器：將電網(wǎng)交流電電壓U1（220V）轉(zhuǎn)換成整流電路所需要的電壓U2（15～20V）。特別需要注意的是電源變壓器的選型，由于電源需要提供正負電壓，電源變壓器需要帶有中心抽頭作為零電勢點，否則無法產(chǎn)生負電壓。整流電路：將交流電壓U2轉(zhuǎn)換為單相脈動直流電壓U3。整流電路采用橋式整流電路，整流是利用二極管的單相導電性來實現(xiàn)的。輸出電壓的平均值可由公式3－4求得： （3－4）濾波電路：將脈動直流電壓濾除紋波，轉(zhuǎn)換成紋波小的直流電壓U4。本設(shè)計采用大電容濾波。電容濾波是最簡單的濾波方式，它是在整流電路的負載上并聯(lián)一個大電容C。電容為帶有正、負極性的大電容電容器。輸出平均電壓可按公式3－5進行計算： （3－5）穩(wěn)壓電路：起作用是將當交流電網(wǎng)電壓波動或者負載變化時，保證輸出直流電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路采用集成穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)。其中正負12V，正負5V都可以使用相應的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片，LM780LM790LM781LM7912。輸出電壓平均值可按公式3－6進行計算： （3－5）式中，為穩(wěn)壓器的降壓，一般為2～15V。根據(jù)以上四個步驟進行直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，其電路圖如圖315所示。圖317 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖第四章 軟件設(shè)計 軟件開發(fā)環(huán)境軟件開發(fā)使用常見單片機集成開發(fā)環(huán)境Keil μVision2來編寫程序。此環(huán)境支持眾多不同公司的MCS51 架構(gòu)的芯片，集編輯、編譯、仿真等于一體，同時還支持PLM、匯編和C 語言的程序設(shè)計，在調(diào)試程序、軟件仿真方面也有很強大的功能。Keil C51是Keil μVision2的C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)上、可讀性、可維護上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 軟件設(shè)計流程由于本系統(tǒng)中單片機只進行增益控制和電壓有效值顯示工作，所以軟件設(shè)計比較簡單。系統(tǒng)軟件顯示了友好的人機畫面，啟動后進入增益控制界面，可以通過按鍵調(diào)節(jié)增益，步進5dB。[17]還可以通過液晶顯示當前設(shè)定增益值和當前輸出電壓有效值。系統(tǒng)軟件流程圖如圖41所示，程序清單見附錄。圖41 系統(tǒng)軟件流程圖第五章 抗干擾措施 硬件抗干擾技術(shù) 通帶內(nèi)增益欺負控制本系統(tǒng)由多級放大單元構(gòu)成，為了滿足同頻帶內(nèi)增益起伏控制，設(shè)計中均選擇高速、寬帶運算放大器，使其1dB帶寬均滿足題目要求，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，AD603隨著增益增大，帶寬略有下降，因此通過濾波級補償，使信號在通頻帶內(nèi)的增益更加平坦。 線性相位為了使系統(tǒng)在整個同頻帶內(nèi)實現(xiàn)線性相位，在設(shè)計中嚴格按照阻抗匹配原則，使其負載呈純阻性，構(gòu)建閉路環(huán)。在輸入級，將整個運放用較粗的地線包圍，可吸收高頻信號減少噪聲。各個集成電路均加有退耦電容，減少寄生電感電容的影響。 抑制零點漂移本系統(tǒng)主要由前置放大級、可控增益級和功率放大級這三部分組成，由于系統(tǒng)采用直接耦合，對于高增益電路，直接耦合時前級的微小變化對經(jīng)放大后在后級產(chǎn)生較大偏置。故采用低壓、低溫漂的寬帶運算放大器AD818構(gòu)成前級放大電路，同時各級放大器引入負反饋共同抑制零點漂移。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的總增益為0～40dB，因此抗干擾措施必須要做得很好才能避免自激和減小噪聲。我們采用下述方法減少干擾，避免自激，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：構(gòu)建閉路環(huán)。在輸入級，將整個運放用較粗的地線包圍，縮短地線回路，并可吸收高頻信號減少噪聲。在功率級、增益控制級也采用這種方法，能有效避免高頻輻射；使用同軸電纜進行級聯(lián)，輸入級和輸出級使用BNC接頭。盡力避免信號傳輸過程中的高頻干擾。合理布線。各部分擺放位置按照信號走向放置，減少板與板之間的連線長度。電源線、信號線采用跳線的方式代替裸露錫線，并加有濾波電容降低高頻自激。為解決數(shù)字模塊和模擬模塊之間的共地問題，將數(shù)字部分和模擬部分分別共地，使用了0Ω電阻連接兩部分公共地。[18] 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)是當系統(tǒng)收到干擾后使系統(tǒng)恢復正常運行或輸入信號受干擾后去偽存真的一種輔助方法。所以軟件抗干擾是被動措施，硬件抗干擾是主動措施。但是軟件設(shè)計靈活，節(jié)省硬件資源。軟件抗干擾的內(nèi)容，其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲的影響，其二是由于干擾而使運行程序發(fā)生混亂，導致程序亂飛或者陷入死循環(huán)時，采取使程序納入正規(guī)軌道的措施和方法。 數(shù)字濾波技術(shù)考慮到本系統(tǒng)在有可能受到偶然因素的影響，造成輸出不穩(wěn)定，進而影響輸出電壓有效值的顯示。采用中值濾波技術(shù)可以消除偶然因素造成的脈沖干擾。本設(shè)計中值濾波主要是對系統(tǒng)輸出有效值進行經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)值進行處理，對這一被測量進行連續(xù)采樣N次，然后把N次的采樣值從小到大排隊，再取中間值為本次采樣值。用C語言編寫的，利用“冒泡”程序設(shè)計算法實現(xiàn)的中值濾波程序如下：int p (int num){ unsigned int temp i,j。 for(i=0。inum1。i++) for(j=0。jnum1。j++) if(val[j]val[j+1]) /*比較A/D值的大小*/ { temp = val[j]。 /*反序則做“冒泡”處理*/ val[j]=val[j+1]。 cal[j+1]=temp。 ｝ return(val[num/2])。 /*返回中值結(jié)果*/}中值濾波的采集次數(shù)N不易選得太大，否則濾波效果反而不好。一般選取N為3～5即可。[19] 軟件看門狗在由單片機構(gòu)成的微型計算機系統(tǒng)中,由于單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾,造成程序的跑飛,而陷入死循環(huán),程序的正常運行被打斷,由單片機控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作,會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài),發(fā)生不可預料的后果,所以出于對單片機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的考慮,便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機程序運行狀態(tài)的芯片,俗稱看門狗(watchdog)。軟件看門狗技術(shù)是用軟件的方法實現(xiàn)，我們還是以51系列來講，我們知道在51單片機中有兩個定時器，我們就可以用這兩個定時器來對主程序的運行進行監(jiān)控。我們可以對T0設(shè)定一定的定時時間，當產(chǎn)生定時中斷的時候?qū)σ粋€變量進行賦值，而這個變量在主程序運行的開始已經(jīng)有了一個初值，在這里我們要設(shè)定的定時值要小于主程序的運行時間，這樣在主程序的尾部對變量的值進行判斷，如果值發(fā)生了預期的變化，就說明T0中斷正常，如果沒有發(fā)生變化則使程序復位。對于T1我們用來監(jiān)控主程序的運行，我們給T1設(shè)定一定的定時時間，在主程序中對其進行復位，如果不能在一定的時間里對其進行復位，T1 的定時中斷就會使單片機復位。在這里T1的定時時間要設(shè)的大于主程序的運行時間，給主程序留有一定的的裕量。而T1的中斷正常與否我們再由T0定時中斷子程序來監(jiān)視。這樣就夠成了一個循環(huán)，T0監(jiān)視T1，T1監(jiān)視主程序，主程序又來監(jiān)視T0，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。[20]第六章 實驗結(jié)果及總結(jié) 測試儀器利用實驗室現(xiàn)有條件進行測試，測試儀器為：100MHz模擬示波器、位數(shù)字萬用表、合成函數(shù)發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源。 測試方法與數(shù)據(jù) 輸入阻抗測量將50k電位器串在放大電路的輸入端，輸入正弦信號，先調(diào)節(jié)電位器RP，使其阻值為零。則得U2=U1，然再調(diào)節(jié)電位器RP。使得U2=，此時需調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使其輸出維持為U1不變。那么，此時電位器電阻值就為放大器的輸入阻抗，經(jīng)測試輸入阻抗為3K。 3dB通頻帶測量為了測試系統(tǒng)的性能，在測量通頻帶的時候，選取增益為40dB，輸入10mVpp正弦信號。由于實驗設(shè)備的原因，只能用示波器結(jié)合抽樣的方法來描繪幅頻特性，見表61。表61 40dB通頻帶數(shù)據(jù)測量表頻率（Hz）10k100k1M3M6M8M9M輸出峰峰值（Vpp）放大倍數(shù)1001001009186827562增益（dB）結(jié)論分析：從表格中可以看出3dB點的通頻帶值在9MHz附近。可見本設(shè)計符合題目要求的，通頻帶的要求，且1K～6MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。滿足題目要求。 增益測量增益測量方法同上，數(shù)據(jù)見表62。表62 增益測量數(shù)據(jù)（頻率為1MHz）預置增益（dB）10152025303540輸入信號峰峰值（v）輸出信號峰峰值（v）放大倍數(shù)50誤差（dB）結(jié)論分析：由于所用的示波器和數(shù)字信號源并不是很匹配，所以在數(shù)據(jù)測量的時候存在著誤差，會給測試結(jié)果帶來一定誤差。但實現(xiàn)了題目要求增益值6級可調(diào)，步進間隔5dB，增益預置值與實測值誤差的絕對值≤2dB的要求。 輸出電壓有效值測量輸入加10KHz正弦波， 范圍內(nèi)浮動，達到題目要求輸出電壓有效值大于3V。 系統(tǒng)完成情況對系統(tǒng)綜合測試，完成題目要求情況如表63所示。表63 系統(tǒng)總體完成情況表測試項目基本要求實際完成情況電壓增益≥40dB，在10～40dB內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)在10～45dB內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)，可5dB步進輸出電壓有效值最大輸出電壓正弦波有效值≥3V，輸出信號波形無明顯失真，輸出信號波形無明顯失真3dB通頻帶10kHz～6MHz10kHz～通頻帶平坦度20kHz～5MHz內(nèi)增益起伏≤1dB10Hz～6MH內(nèi)增益起伏≤1dB輸入阻抗≥1KΩ3KΩ自制電源——完成 總結(jié)系統(tǒng)綜合了高頻模擬電路和數(shù)字電路兩部分，在實現(xiàn)該系統(tǒng)的過程中，充分體現(xiàn)了電子技術(shù)的高要求性，以及高頻電路的難調(diào)性；不同參數(shù)的電阻、電容、電感在不同頻率條件下呈現(xiàn)出不同的容抗和感抗，所以選擇電器參數(shù)的時候，經(jīng)過多次對比不同量級的參數(shù)，最后選擇出最佳的器件參數(shù)從前級跟隨器到中間增益調(diào)控器再到后級功放器，適當選擇元件，并綜合了已掌握的抗干擾措施保證了放大器穩(wěn)定工作，并