基于单片机的宽带前置程控放大器设计【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于单片机的宽带前置程控放大器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 宽带放大器在测量、控制、视频、通信等领域有着广泛应用 。 然而单一的运算放大器芯片，面对多样的应用需求时，无法在输入 阻抗、增益、输出功率等方面满足要求。 为此， 文章提出一种宽带程控放大器设计 方案 ， 该方案 采用STC89C51 单片机作为 微 控制器， 以压控增益放大器 VCA824 为放大电路的核心 。利用 Protel99 软件进行电路设计，并对电路进行了实物制作与调试。测试表明放大器的 输入阻抗可以 在 50

2、和 1M 之间 切换，增益 0 40dB 可调， 调节步进 1dB， 最大输出电压峰峰值 25V。 关键词： 宽带放大器； VCA824； 程控放大； 微 控制 器 - 2 - Abstract Broadband amplifiers have wide application in measurement, control, video, communications and other fields. However, when faced with a variety of application requirements,a single operational amplifier

3、chip can not meet the requirements in input impedance, gain, output power etc. Therefore, this article proposed a kind of design scheme about broadband program-controlled amplifier,which adopts STC89C51 as microcontroller, voltage-controlled gain amplifier VCA824 as the core amplifier. Circuit desig

4、n used Protel99 software, and the made the objects of circuit with debugging. Tests show that the input impedance of the amplifier can switch between 50 and 1M, 0 40dB adjustable gain, adjusting step 1dB, the maximum peak output voltage is 25V. Key Words: Broadband amplifier; VCA824; Program-control

5、led amplifier; MCU - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 方案论证 .2 2.1 程控放大器实现方案论证与比较 .2 2.2 系统总体设计方案 .2 3 硬件设计 .4 3.1 阻抗匹配模块 .4 3.2 20dB 固定增益放大模块 .5 3.3 压控增益放大模块 .6 3.4 功率放大电路 .9 3.5 单片机控制电路 .10 3.6 DAC 数模转换模块及电压转换电路 . 11 3.7 人机交互接口 .13 3.7.1 键盘模块 .13 3.7.2 液晶显示模块 .13 4 软件设计 .16 4.1 开发工具和编程语言 .16 4.2 总体程序流程图 .16 4.3 定

6、时器 /计数器初始化子程序 .17 4.4 键盘模块子程序 .18 4.5 增益控制子程序 .18 4.6 液晶模块程序 .19 5 制作和调试 .21 5.1 制作 .21 5.2 调试 .22 5.3 性能测试 .23 6 结论 .27 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .27 附录 1 系统实物图 .29 附录 2 实验原理图 .30 附录 3 毕业设计作品说明书 .32 1 引言 宽带放大器，就是工作频率上限与下限之比甚大于 1 的放大器。习惯上也常把相对频带宽带大于 20% 30%的放大器称为宽带放大器。随着现代科技和信息产业的发展，宽带放大器在测量、控制和通信等领域的 A

7、/D 转换器、 D/A 转换器、有源滤波器、波形发生器、视频放大器等 电路中有广泛应用 1。特别是在视频信号、脉冲信号或射频信号的放大应用中，对宽带放大器的频带也提出了更高要求。如在无线通信、电子战、电磁兼容测试和科学研究等领域，对射频和微波宽带放大器有着极大的要求，且这些领域对宽带放大器的要求各不相同，特别是在通信领域和电子战系统中，对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有着特殊要求。在现代电子设备、通讯设备和科研生产中常需要利用放大电路将传感器输出的微弱信号或通信接收端接收到空中微弱的信号进行提取、放大。为充分发挥传感器或信号接收器的效能，将信号放大为易于处理的信号电平，只 有将信号放大到一定

8、程度才能满足后级设备的要求。同时很多设备还要求具有阻抗匹配和一定输出功率，才能驱动后级设备或使通信的发射端将信号有效传输到接收端。要求前置放大器内部产生的噪声要尽量小，同时也不易受外来噪声的影响，增益 -频率特性能覆盖必要的频带，具有良好的增益线性，失真小。为了能够获得必要的输出电压，输出阻抗要小，且不易受负载的影响 2。 然而面对实际应用中多种多样的放大要求，单一的运算放大器芯片难以实现频带、增益动态范围、功率等多个参数同时满足设计要求 3。为此，这里设计一种宽带前置程控放大器，具有直 流输入阻抗 50和 1M可选的输入阻抗匹配单元（ 允许误差 2%）；具有输入过载能力： 50 阻抗可承受

9、5V 输入过载， 1M阻抗可承受 36V 输入过载；工作带宽为 0 20MHz， 3dB 带宽 30MHz， 0-30MHz范围内的增益波动小于 1dB， 增益调节范围 0 60dB，调节步进 1dB； 直流零点：输入短路时，电路输出直流电压偏离零点在 2mV 范围内； 后级功率放大器输出最高 25V 峰峰值，液晶显示输入阻抗和增益。 2 方案论证 宽带程控放大器一般由程控电压增益放大器和匹配电路组 成，在宽带放大器中，程控电压增益放大器是宽带放大器的核心器件，匹配电路起辅助作用，实现阻抗匹配。 2.1 程控放大器实现方案论证与比较 方案一 通过继电器或模拟开关改变运放的反馈电阻实现电压放大倍

10、数的改变。该方案比较经济实惠，但是通过继电器或模拟开关实现程控放大的方法其电压增益调节的级数有限，而且需要较多的不同阻值的电阻和继电器，且电路受分布参数影响较大，需 减小电路中控制开关导通电阻的影响， 电路较为复杂，使用有些不变。 方案二 使用数字电位器改变放大器反馈电阻。一片数字电位器芯片可实现放大器多级不同放大倍数的 调整，在一定程度上可实现程控放大。但数字电位器的频带普遍不宽，一般为几百 KHz，无法实现本课题的带宽要求。 方案三 采用高速乘法型 DAC 实现。利用 DAC 转换器的基准电压 Vref作为信号的输入端， DAC 的输出端作为输出。用 DAC 转换器的数字输入量控制，传输衰

11、减实现增益控制。此方案较为简单，但要求 DA 转换器具有很大的带宽，且当信号频率较高时，系统容易发生自激。 方案四 采用集成宽带程控 放大 器实现。集成宽带程控放大器主要分为两类：一类为编程增益运算放大器（ PGA），原理是通过改变控制端数字逻辑电平实现增益的控制； 另一类为压控增益运算放大器（ VGA），原理是通过改变控制端电压实现增益的控制 4。压控增益运算放大器具有较宽的频带和很高的转换速率，满足本课题宽频带的要求。利用 DA 输出不同的控制电压，实现放大器增益调节。因此本课题中选用压控增益运算放大器作为程控放大器的主要放大器件。 2.2 系统总体设计方案 为了实现任务书要求的功能和技术

12、指标，本论文设计的宽带程控前置放大器包括阻抗匹配模块、 20dB 固定增益放大模块、压控增益增益放大模块、功率放大模块、单片机控制模块、 DAC 数模转换模块、电压转化电路、按键输入和液晶显示模 块模块。系统总体框图如图 2-1 所示。 2 0 d B 固 定增 益 放 大( O P A 6 5 7 )- 2 0 d B 2 0 d B压 控 增 益 放大 器( V C A 8 2 4 )2 0 d B 功 率放 大( T H S 3 0 0 1 )D A C ( D A C 7 6 1 1 )电 压 转 换 电 路单 片 机 ( S T C 8 9 C 5 1 )1 2 8 6 4 液 晶按

13、 键I nO u t阻抗匹配单元1 M5 0 J D 1J D 2J D 3图 2-1 系统总体框图 信号先经过阻抗匹配单元，通过继电器切换选择相应的输入阻抗 ， 实现 50或 1M阻抗匹配 。 由于单级放大电路无法实现课题的增益 -带宽要求，系统采用3 级放大方式 。第一级是 20dB 的固定增益放大， 第二级采用 VCA824 实现可控增益 放大 ， 第三级是 20dB 的 后级功率放大电路，三级放大 电路级联 实现最大60dB 的增益。压控增益放大器 VCA824 的控制端电压由单片机控制数模转换器DAC7611 提供， STC89C51 单片机是系统数据处理和控制的核心。按键和液晶模块

14、分别实现输入阻抗和增益的控制和状态显示功能。 3 硬件设计 本系统硬件主要由以下几个模块组成：阻抗匹配模块、 20dB 固定增益放大模块、压控增益放大模块、功率放大模块、单片机控制模块、 DA 数模转换模块、按键输入和液晶显示模块。 3.1 阻抗匹配模块 阻抗匹配模块电路原理图如图 3-1 所示。 OPA656 是一款高速低噪声的电压反馈型运放，工作电压 5V，增益为 1 时 -3dB 带宽为 500MHz，具有极高的输入阻抗，其输入阻抗为 1 1012，输出阻抗为 0.01，典型失调电压为 0.25mV，最大失调电压 2.6mV，最大输出电流 70mA。 R150R210 0KR31M+5-

15、5D141 48D241 48C110 4C210 4D541 4834 52 16J D Q 1继电器+ 5 D32674U2O P A 6 56+5-512J3INC510 4R 3 04. 7kQ1P N PJ D Q 1V o ut 1信号输入端图 3-1 阻抗匹配电路 在此电路中 OPA656 组成电压跟随器，进行阻抗变换。电压跟随器具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，起缓冲、隔离、提高带负载能力的作用 5。由于OPA656 的输入阻抗很高，继电器吸合时，系统输入阻抗可看作 R1 和 R3 并联，由于 R3 的阻值是 R1 的 2 万倍，所以系统输入电阻等于 R1（ 50）；继电器未吸

16、合时，系统输入阻抗为 R3（ 1M）与一个阻值极大的电阻相并联，所以系统输入阻抗 等于 R3（ 1M）。 R1（ 50） 在实际电路制作中采用 两个 100标称额定功率 0.5W 的 电阻并联， 一方面是因为标准电阻里面最接近 50的阻值为 51，2%的误差有点大，另一方面是 提高负载 电阻的功率 ，保证 5V 过载情况下 50电阻不烧毁 。 系统输入阻抗的切换通过单片机控制继电器实现，由于系统采用 51 单片机作为控制器，其拉电流能力弱，灌电流能力强，所以 Q1 采用 PNP 管作为为继电器的驱动管，使其在吸合时，可以有较大的电流流入单片机，保证三极管处在饱和的开关状态。 D6 的作用是在继

17、电器断电时，为继电器线圈产生的感应电流 提供一个泄流回路，起保护作用。 D1 和 D2 为输入钳位保护二极管， R2 为限流电阻，当输入电压大于电源电压加上二极管的导通电压时，二极管导通，输入信号和电源形成回路，从而保护运放。保护二极管的导通电压越小越好，肖特基二极管的导通电压较低， 一般小于 0.3V，但是肖特基二极管的漏电流较大，在这里使用不适合。这里选择 1N4148快速开关管作为输入保护二极管， 1N4148 的导通电压约为 0.7V，最大电流150mA， OPA656 内部 ESD 保护二极管可流过电流 30mA,由于元器件的参数离散性，可能内部二极管先导通，为保险起 见并保留一定设

18、计余量，设最高输入过载电压为 100V，二极管流过电流 1mA，则限流电阻 R2 取 100K。 50匹配电阻在高输入过载电压情况下，功耗比较大，有烧毁的危险，为保证安全，系统未通电时，继电器不吸合， 50匹配电阻不连入输入端，输入阻抗为 1M；在系统上电时，程序设置默认输入阻抗也为 1M。 3.2 20dB 固定增益放大模块 20dB 固定增益放大器采用的运放是 OPA657，原理图如图 3-2 所示。 OPA657为电压反馈型运放，电压反馈型运放内部结构决定了带宽受增益带宽积的限制，增益带宽积是增益和带宽的 乘积，是一个常数，当增益变大时，运放的带宽就会减小。 OPA657 的增益带宽积高

19、达 1.6GHz， 10 倍电压增益下的小信号带宽为275MHz，工作的电压为 5V，输出阻抗为 0.02，失调电压为 0.25mV，最大输出电流 70mA，满足本课题的要求。在此电路中 OPA657 组成反相放大方式，其增益为： -R9/R8=-1000/100=-10。 R8、 R9 取值在 K 欧级以下，因为输入和输出的寄生电阻和大电阻作用后会大大降低运放的带宽，不取更低值的是因为本电路的输入阻抗等于 R8， 取值过小会加重前端驱动的负担，而且前端的输出阻抗也将影响到放大倍数。 OPA657 在空载的条件下最大输出电压为 3.9V 峰峰值，在此电路中信号放大 10 倍，所以 OPA657

20、 的最大输入电压为 0.39V。继电器 2 用来控制 20dB 固定增益放大器是否接入电路中。当系统增益小于 40dB 时，继电器断开，输入信号直接接入压控增益放大模块；当系统增益大于 40dB 时，继电器吸合， 20dB 固定增益放大模 块接入电路中，此时后级放大电路总增益大于20dB。任务书要求功率放大电路的最高输出电压为 25V，因此 OPA657 的输出电压小于 25/10=2.5V， OPA657 的输入电压小于 2.5/10=0.25V，小于 OPA657 的最大输入电压，保证 OPA657 正常工作。 R47、 R48、 C25 组成零位调整电路，用于调整运放失调电压引起零点漂移

21、。 345216J D Q 2继电器D341 48+ 5 D32674U3 O P A 6 57+5-5C 1 310 4C 1 410 4R810 0R91KR 3 14. 7kR791Q285 50J D Q 2C 2 510 4R 4 847 KR 4 710 K+5-5V o ut 1V o ut 2J D Q 2图 3-2 20dB 固定增益放大电路 3.3 压控增益放大模块 压控增益放大电路的核心是 TI 公司推出的压控增益放大器 VCA824。VCA824 是一款 DC 耦合的、宽频带、 V/V 线性、持续可变增益放大器，采用 5V供电，最大可输出 90mA 的电流，具有 710MHz的最高带 宽，压摆率 2500V/s。由图 3-3 看出 VCA824 在 100MHz以内频率特性曲线非常平坦 。 图 3-3 VCA824 小信号频率特性 VCA824 独特架构能够提供高度灵活的带宽、增益与模拟输入电压组合，利