宽带前置放大电路设计报告

宽带前置放大电路设计报告专科组(F题)摘要本文介绍了一种宽带前置放大电路，可以应用在很多信号高电平传送中，它是由输入阻抗匹配单元、无源衰减网络、有源放大电路、波形转换和AT89C51单片机控制液晶显示等几部分电路组成。利用阻抗单元匹配输入和无源衰减电路完成工作同时线路简单功能完善好，还利用AD8066进行前后阻抗匹配和DA8084运算放大器来实现任务，并用芯片进行波形转换和AT89C51单片机控制15864液晶显示屏显示频率，它具有很强应用灵活性、输入阻抗可调、过负载能力强、电路工作带宽、可靠性强等优点本电路使用贴片元件进行焊接，外形美观、小巧、亲便、抗干扰能力强，应用前景非常广泛。关键词：阻抗匹配，衰减网络，放大电路，单片机一、方案比较与选择1.1任务与要求1.任务设计一个前置放大电路，使其在较宽的频带范围内具有良好的直流和交流特性。电路包括输入阻抗匹配、无源衰减网络、有源放大等环节，采用单端输入单端输出方式实现信号变换2.要求（1）输入阻抗：直流输入阻抗可以50Ω和1MΩ可选，允许误差2%；（2）用单片机测量并显示信号频率；（3）直流零点：输入短路时，电路输出直流电压偏离零点在3mV范围内；（4）大信号1倍放大宽带特性：输入峰值为1V的正弦信号，电路的工作带宽为DC～1MHz，在1MΩ输入阻抗条件下测试，示波器监视无明显失真；（5）大信号衰减10倍带宽特性：输入峰值为5V的正弦信号，电路的工作带宽为DC～1MHz，在1MΩ输入阻抗条件下测试，示波器监视无明显失真；（6）10倍放大带宽特性：输入峰值为0.1V的正弦信号，放大10倍，电路的工作带宽为DC～5MHz，示波器监视无明显失真；（7）大信号1倍放大扩展宽带特性：输入峰值为1V的正弦信号，电路的工作带宽为DC～20MHz；（8）输出阻抗尽可能小；（9）静态工作电流≤2mA(正5V电源)。1.2方案比较和确定方案一：利用三极管实现前置放大，但是在三极管放大电路放大要把1兆的阻抗衰减10倍这个问题上遇到了问题，且要使输入阻抗是50欧时也遇到了问题，因此，放弃了这个方案。方案二：用电阻进行输入阻抗值，并用两个电阻串联接地来完成无源衰减电路，此电路元器件少、电路简单、干扰少、功能实现好，所以我们选用这个方案二、电路设计2.1整体电路设计图1-1整体电路框图本电路是高频率电路，因此必须考虑干扰问题，我们选择用PCB制板，元器件摆放、线路的排布都是非常重要的，而且在电路设计过程中一定要注意各部分电路前后的阻抗是否匹配，否则前部分电路中的信号无法检测到，在考虑每一部分的同时要顾及整个电路的功能完善。2.2模块电路设计1.阻抗单元匹配和无源衰减网络本电路要求输入匹配值为50欧和1兆欧，并进行无源1倍和10倍衰减，因此本电路应用4个电阻先串联后并联实现50欧输入，并利用900欧和100欧电阻串联实现阻抗1兆的输入，与此同时还实现了无源衰减10倍的功能，还有一部分用两个500千欧的电阻串联接地实现了无源衰减1倍的功能如下图2-1所示。4个电阻输入阻抗单元输入串联电阻进行衰减AD8066AD8084有源放大输出单片机AT89C511602液晶显示CD4093转化波形C110nFC21pFC33.3nFC415pFINR1900kΩR2100kΩR3500kΩR4500kΩR550ΩR650ΩR750ΩR850ΩININOUTOUTOUT图2-1阻抗单元匹配电路和无源衰减电路2.前后电路阻抗匹配调整电路由于前部分这里匹配电路和无源衰减电路的输出阻抗值和后面有源放大电路的阻抗不匹配，因此，加入由AD8084运放电路放大前部分的阻抗，放大的倍数是芯片3脚电阻10欧比上并联在上面的电阻的比，使前后阻抗匹配，如下图2-2所示。R951ΩR1010kΩR111MΩC5100nFR1210kΩU2AD848AQ3247681VCC5VVEE-5VINout图2-2前后级阻抗匹配电路3.有源放大电路有源放大电路也是利用运算放大电路来放大信号的，芯片AD8065三脚上阻值比上并联在上面的电阻的阻值就是输入的阻抗值比上输出信号的阻值，就是输入值和输出值的比值，ad8065芯片放大倍数大，还可以放大高频率的信好设计图如下图2-3所示。图2-3有源放大电路4.波形转换和显示首先因为输入频率是波形为正弦波，单片机只能识辨高低电平所以要利用74LS00、7４LS90两块芯片组和，利用与非门将直流电转换成交流电压，在这之前利用三极管实现一级放大，如下图2-4所示。U1A74LS00NU1B74LS00NU1C74LS00NU274LS90NQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023U374LS90NQA12QB9QD11QC8INB1R916R927R012INA14R023R15kΩR250kΩR31.0kΩR41kΩJ1AKey=AJ1BKey=AJ1CKey=AU4AAD8066AR32481VCC5VVCC5VOUTIN图2-4波形转换电路单片机控制15864液晶显示，如图附录图2-5所示三、调试3.1输入阻抗匹配本电路的给定输入阻抗匹配单元有50欧和1M欧两个选择，因此选用四个50欧的电阻并联欧来实现输入阻抗匹配单元，四个电阻分担干扰电路，具有较强的过载能力。连接的电阻为50欧先并串联后有并联连接在其两端输出计算结果：R=（50+50）/2=50欧当输入1M阻抗时，950千欧和50千欧的电阻串联接地和两个500千欧电阻串联接地在其两端输出计算结果：R=900K+100K=1千欧、R=500K+500K=1千欧3.2无源衰减网络是利用串联电路风压的性质设计电路的，可以对信号1倍和10倍的衰减，将1兆欧分成950千欧和5千欧两个部分，在50欧部分取输出，可以对信号10倍衰减，由一个900欧的电阻和一个100欧的串联，取出其中一个电阻对信号1倍衰减。开关选择跳线式开关，做为本电路系统的选择开关。为了让电路的性能更加稳定，在电路系统中放入1PF、13PF、10Nf的电容进行去耦，这几个电容式根据信号的频率而定的，并在电源电路中加入数值较大的滤波电容。使整个电路更加稳定。50欧输入时在实现10倍衰减时用了900千欧和100千欧电阻衰减在其两端输出其计算结果：C=100(900+100)=1/1050欧输入时在实现1倍衰减时用了l两个500千欧的电阻衰减在其两端输出其计算结果：C=500/(500+500)=13.3有源放大电路的设计有源放大单元是选用AD8048和AD8065两种型号的运算放大器，这两种型号的运算放大电路的带宽跟输入电流等参数适合本电路对于不同频率信号的衰减和放大。运算放大器反馈方式选用电压串联负反馈方式ad8065芯片放大倍数大，还可以放大高频率的信好。当对信号放大1时在其两端输出计算结果：Ｄ＝Ｒ１１／Ｒ９＝１００欧／１００欧＝１当对信号放大１０时在其两端输出计算结果：Ｄ＝Ｒ１０／Ｒ９＝１千欧／１００欧＝１０3.4频率转换和单片机控制显示因为输入频率的波形为正弦波，而单片机只能识辨高低电平，所以用７４LS00和74LS90芯片进行转换，用YB1605P功率函数信号发生器发出一个直流信号经过这电路的转换用DS1022C示波器接收其波形转换为矩形波输入信号附录如图2-1所示输出信号为附录图2-2所示单片机控制15864液晶显示，如图附录图4-1所3.5、整体调试输入电压衰减倍数带宽1v1倍25MHz5v10倍21MHz2、扩展部分输入电压放大倍数带宽0.1V1020.7MHz1V136.68MHz五、总结与体会经过三天三夜的的努力，我们的电路基本完成要求。但是还是有好多地方可以改进方案，还有好多地方是必须要注意的，比如说电路的排版，对这种高频电路来说元器件的摆放都有可能会影响干扰到电路，经过这次的比赛，我们不管是专业上还是其他方面都得到了提升，在每一次的失败后都继续改进我们的方案，这也是不段提升自己的过程。六、附录图3-1输入正弦波图3-2输出矩形波图2-5液晶显示图七、参考文献1谢自美编《电子线路设计.实验.测试》华中科技大学出版社2黄智伟编《全国大学生电子竞赛系统设计》北京航空航天出版社3郭培源编《电子电路及电子器件》高等教育出版社