基于89S52宽带直流放大器

第1页共9页宽带直流放大器(C题)所获奖项：国一参第2页共9页宽带直流放大器(C题)(一)系统总体设计1.系统总体方案根据题目要求,本系统总共分为四大部分：第一部分输入信号放大模块通过OPA2690双运放实现对有效值10mV输入小信号放大10dB的功能，使输入信号有效值达到30.16mV。第二部分为分档滤波模块，题目要求放大器带宽可预置，至少得设计5MHz，10MHz两个低通滤波器,我们分别设计了5MHz，10MHz的LC巴特沃兹低通滤波器，通过单片机控制继电器可以切换档位以达到分档滤波功能。第三部分为-40dB～40dB的程控放大，一级VCA810理想情况下放大可达-40dB～40dB，但考虑到外界环境的影响和系统的稳定性，我们设计两级VCA810级联的形式来得到-40dB～40dB的放大，而且在其频率带宽范围内，可以保证其幅频曲线稳定，为后级的功率放大电路稳定提供了保证。最后一部分是功率放大器，我们采用运放THS3001，其压摆率高，且能支持15V的供电,最具特色的是我们采用浮电源技术将输出的电压扩压,再利用场管实现其输出电流扩流,就能实现功率到达2W。通过单片机AT89S52控制既实现了放大器带宽和电压增益AV可预置并显示又降低了整个系统的成本。本系统效率高，成本低，工作可靠稳定。2.系统总体框图3.理论分析及计算3.1集成运放扩压电路原理集成运放扩压电路如图二所示。当输入信号Vi为0时,输出信号Vo也为0。两个二极管的VB1=+15V,VB2=-15V，集成运放的正负电源端分别为+14.3V和-14.3V,它之间压差为28.6V,加入信号Vi后,两二极管基极电位分别为:，第3页共9页与Vi为0时的静态情况几乎一样,但经扩压后,Vo输出可以达到24V。通过浮电源技术我们可以实现输出电压的扩压。图二集成运放扩压电路3.2带宽增益积(GBP)带宽增益积是衡量放大器性能的一个参数，这个参数表示的是增益和带宽的乘积，即GDP＝AVBW，根据整个系统，最大电压增益为+60dB，也就是+1000V/V，带宽为10MHz，根据上式可得整个系统的最大带宽增益积为10GHz。3.3通频带内增益起伏控制随着频率的增高，放大器的增益会随之下降，可以通过补偿电容来添加极点，进而实现相位补偿和增益补偿，这样就可以将放大器的增益在通频带内的起伏控制在最小范围内。3.4抑制直流零点漂流零点漂移现象是输入电压为零但输出电压不为零的现象，其产生的主要原因是温度漂移使得半导体元器件的参数变化,致使输出电压不为零。抑制零点漂移的方法有:(1)利用超级伺服电路将零点漂移强制拉回零,但此方法不能放大直流信号.（2）采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化,但效果不明显。（3）采用加入直流偏置调节零偏,此方法可以放大交流.我们则是采用方法（3）。3.5放大器稳定性放大器的稳定性是指放大器在其带宽范围内幅频曲线的稳定性。提高放大器的稳定性,可以采用相位提前补偿的方法,增加其零点，抵消极点来实现。4.硬件电路设计以及方案比较1.前级输入信号放大模块按题目要求对10mV有效值以下的小信号经行放大，要求对信号的干扰要小，所以必须采用一定方法减小对采集信号的干扰。采用以下几种方法：1.前级采用低噪声高共模抑制比运放OPA2690，最小可放大1mV有效值信号。2.可采取对前级加屏蔽盒，减少外界环境电磁波干扰。3.采用光电耦合器将送给DA0832以及继电器的数字信号与模拟信号彻底隔离，减小数字电路噪声对模拟放大的干扰,电路如图三。第4页共9页图三前级输入信号放大电路2.程控放大模块由于题目要求放大范围在0dB～60dB可调放大，必须采用程控增益放大的方法，并且动态变化范围有60dB，而题目又要求输出幅度达到10V有效值，并驱动50欧姆负载，使得最后一级放大倍数固定，因此必须对前级放大的信号经行一定的衰减才能够达到0dB输出。对于程控放大有以下几种方案：方案一：用两级AD603实现-40dB～40dB的程控放大。此方案虽然简单，但由于放大频率范围从直流到15MHz，使得放大器输入失调电压要小，而AD603输入失调电压可达30mv，并且随放大倍数不同而不同，再经过后级放大直流漂移显得严重。方案二：采用高速低零偏的放大器，加D/A转换电阻网络构成AD603程控放大原理。此方法可以有效解决失调电压问题，但电路实现对放大器及D/A转换器要求均较高。方案三：用两级VCA810级联实现-40dB～40dB的程控放大。VCA810具有低失调电压，一级放大倍数最大范围可达-40dB～40dB，并且外围电路简单。但由于单级放大倍数过大容易引起自激，故两级级联放大。方案比较：方案一虽然简单，但不适应直接耦合方式的放大器电路。方案二虽然效果较好，但实现有一定难度。方案三虽然需要两级级联，但放大效果好，电路简单，并且可提升空间大。3.功率放大模块方案一：用BUF634来实现功率放大。方案二：利用集成运放扩压和MOSFET实现扩流来实现放大。方案比较:方案一中,虽然BUF634外围电路简单,容易实现,但BUF634的最大输出功率为1.8W,达不到题目发挥部分2W的要求；方案二中,该方案虽然实现较为麻烦,但是成本低廉,效果较好，故采用方案二。4.自制电源模块方案一：采用开关电源。方案二：采用线性稳压电源。方案比较：由于开关电源制作虽然效率高但需花费时间较多，并且纹波较大，故采用制作简单的线性稳压电源。并且要求电源在正负30V附近。5．分档滤波模块为了实现放大器带宽可设置,设计了两路滤波器,使得放大器带宽分别为5MHz和10MHz,通过单片机控制继电器来切换档位以得到不同带宽的幅频曲线。第5页共9页6.单片机及液晶显示模块由于控制与处理部分较为简单,使用AT89S52完全可以实现功能,液晶显示采用1602.7.软件设计流程系统软件流程图(二)制作及调试1.集成运放扩压电路在实际制作时发现虽然THS3001的压摆率足够高，但是实际情况下在10MHz附近改电路便产生自激现象，芯片温度迅速上升，工作进入不稳定状态，这不是我们所想要的。为解决自激，使得放大器工作在更高的频率，工作更稳定，必须加入相位补偿和做好电源退耦，如图二所示，C1,C2为电源退耦电容C3,C4为相位补偿电容，R为减小容性阻抗带来自激的电阻。图中各值为实际调试时不断更换试出的最佳值，最终工作频率达到15M依然工作稳定，带内衰减很小。2.前级放大电路及程控放大电路由于本系统要把输入信号放大60dB，所以前级的低噪声就显得尤为重要。实际调试中发现，前级如果有1mV的波动，则会引起后级的自激，系统很不稳定。另外，系统要求在直流到10MHz范围内带内起伏要足够小，这就要求前级处理时幅频特性要平稳。所以，我们最后选择了具有低噪声和高带宽特性的OPA2690做最前级的处理，把信号放大到适合增益可变放大器处理的幅度，同时加电容进行补偿，尽量减小带内起伏。由于OPA2690是双运放，于是第一级做跟随器同时具有匹配阻抗的效果，第二级放大10dB方便后级处理，如图四（a）所示。开始显示当前带宽、增益有键按下N设置通频带带宽Y设置电压增益切换滤波器，调节可控增益放大器电压第6页共9页（a）程控放大模块是系统的核心之一，同时这里也是数字和模拟结合的地方。为了减少数字信号对模拟信号的干扰，我们采用光电耦合器将数字和模拟彻底分开，实际调试发现，效果明显。另外，刚开始制作时，两级之间没有进行50欧姆的阻抗匹配，调试中发现，容易引起系统的自激，而阻抗匹配后效果变好，如图四（b）所示。(b)图四OPA2690及两级VCA810级联硬件电路图3.功率放大电路图五为扩压及功放电路PCB原理图。由于手中有的性能较好的MOS管仅有IRF610与IRF9610，但需配对好。于是借用晶体管图示仪花费1个小时选出一对性能最好最合适的管子。开启电压在4V附近，于是用稳压管和电阻分压组合，经反复挑选电阻值使场效应管恰好工作在甲乙类放大状态，各阻值如图五所示。将前后级一起联调时又发现问题，电路的频响特性变得复杂，既存在自激，又存在高频响应特性下降。为继续消除自激，在两级连接处加入电阻R7,R8。为提升电路高频特性，经反复不断加入电容，最后C7-C14构成了补偿电容。最终调试结果为R7,R8为并联的两个240欧，C7,C9,C11,C12分别为121，121，501，501。C8,C10,C12,C14为对应值。最终在蜂窝板上搭建效果十分好，用示波器FFT观察频谱特性，从直流到13MHz,14MHz附近均为一条直线。第7页共9页图五运放扩压及功率放大电路图4.自制电源电压经过变压器后输出为有效值为12V的交流，经过整流桥后分别送入稳压芯片LM7824和LM7924中，通过稳压扩压电路将5.1V稳压二极管分别与LM7824和LM7924相连使得输出有效值稳定为29.1V,以供给主要模块使用，PCB原理图如图六所示。图中K1,K2,K3,K4为开关，HEAT1,HEAT2为散热片，D14为电源指示灯，稳压芯片两端的为保护二极管。图六电源模块电路图5.分档滤波通过滤波软件设计得到模型,再经过仿真后最终确定滤波器参数分别如图七、八所示。图七5MHzLC低通滤波器图八10MHzLC低通滤波器设计这两套滤波器的时候，我们选择了滤波设计软件AADE来进行设计，设置滤波器的通带频率、截止频率以及通带和截止频带的起伏大小，得到大概的LC模型。因为软件所算得到电感和电容的值不一定是平常的所能见到的值，我们根据标准低通的传递函数进行改变电感和电容的大小，再通过AADE仿真滤波器波形，进而更换适合的电感电容，最后经过不停地调试，通过示波器观察其幅频曲线，最后得到理想的滤波器的成品。6.单片机及液晶显示模块由于该模块设计程序并不复杂，故略。(三)指标测试方案以及测试结果①.测试仪器清单序号仪器名称型号指标1双踪示波器TDS1012B100MHz带宽1GS/s采样率2数字合成函数信号发生器F40100uHz~40MHz第8页共9页3三路直流稳压电源YB1732A4数字万用表DT92034位半②.放大器增益测试测试方案选择:通过函数发生器产生直流和10MHz以内有效值10mV的正弦波，通过双踪示波器分别观测系统输入和输出信号的大小。测试结果FreAv直流0.1Hz1Hz10Hz100Hz1KHz10KHz100KHz1MHz10MHz0dB0.20.10.10.40.20.10.20.10.20.45dB4.85.15.24.95.35.25.15.24.94.810dB10.110.210.310.29.910.110.210.09.89.715dB15.115.115.215.215.214.915.215.215.014.720dB20.120.120.220.020.120.220.320.319.919.725dB25.025.125.025.225.125.225.225.124.824.630dB29.830.030.130.130.230.230.130.030.029.635dB34.935.035.135.035.235.235.335.234.834.740dB39.839.940.140.140.140.240.240.139.739.545dB45.045.145.145.045.145.145.245.344.544.450dB49.950.150.250.250.250.350.350.250.049.355dB55.155.155.155.055.155.255.255.154.654.360dB59.860．060．160．060．260．260．260．159．759．6③.最大输出电压有效值测试：测试方案选择：在增益为40dB时,增大输入信号幅度,观察最大不失真输出信号幅度测试结果：Vipp=420mVVopp=41.60V④.通频带内增益起伏测试测试方案选择：以1MHz为基准,在增益为60dB时,输入峰峰值为20mV信号,从DC到4MHz(9MHz)改变输入信