应用可编辑逻辑器件控制的信号放大器设计 【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 应用可编辑逻辑器件控制的 信号 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 摘 要 本文旨在设计一个放大倍数可调的程控放大器。根据信号放大器的基本原理和功能要求，该系统采用模块化的方法进行设计 。系统设计包括程控放大模块、电源电路、按键输入电路、数码显示电路等内容。 程控放大设计的硬件部分基于 美国 Altera公司的 EP2C5T144C8N可编程逻辑器件 芯片， 通过键盘输入改变信号的放大倍数，同时驱动数码管完成放大倍数的显示。可编程逻辑器件 芯片 根据不同的放大值控制模拟开关的电阻网络，通过运算放大器完

2、成信号放大。系统软件部分根据 EP2C5T144C8N芯片所属的 MAX系列的特性，使用 VHDL语言来设计。该设计完成的技术指标是通频带为 100Hz 40kHz,放大倍数 1 100倍，没有明显的失真和干扰。 关键词： 程控放大器 ； 可编辑逻辑器件； 通频带 Abstract This paper aims to design a program-controlled amplifier with adjustable magnification. According to the basic principles and functional requirements of the s

3、ignal amplifier， the system uses a modular approach to design. System design consists of programmable amplifier module, power supply circuit, key input circuit, the digital display circuit and so on. Programmable Gain Amplifier applications EP2C5T144C8N of Altera company in the U.S. programmable log

4、ic device chip, changing the magnification signal by keyboard input, drive to complete digital display magnification at the same time, programmable logic device chip according to the different values of the control amplification of the resistance network analog switch, complete signal amplification

5、by operational amplifier. System software is based in part on the chip belongs EP2C5T144C8N MAX series features, application of VHDL programming. Specifications of the programmable amplifier consist of pass band of 100Hz 40000Hz, amplification of 1100 times, and no obvious distortion and interferenc

6、e. Key Words: Programmable Gain Amplifier; Programmable logic devices; Passband - 2 - 目 录 1 引言 . - 1 - 1.1 信号放大器分类 . - 1 - 1.2 低噪声信号放大器 . - 1 - 1.3 课题研究的主要内容 . - 2 - 2信号放大设计概述 . - 4 - 2.1 多路开关和反相运算放大器 . - 4 - 2.2 基于 DAC 数字芯片控制的放大设计 . - 5 - 2.3 数字通道控制芯片控制的放大设计 . - 6 - 3 可编程控制器件概述 . - 7 - 3.1 FPGA 配置

7、. - 7 - 3.2 可编程逻辑器件 . - 8 - 3.3 EDA 技术和 VHDL 语言介绍 . - 9 - 4 信号放大器的硬件设计 . - 10 - 4.1 总体方案设计说明 . - 10 - 4.2 EP2C5T144C8N 芯片简介 . - 10 - 4.3 信号放大器放大模块 .- 11 - 4.3.1 OP07 芯片 . - 13 - 4.3.2 模拟开关 CD4051. - 13 - 4.3.3 NE5532 芯片 . - 15 - 4.4 数码管显示模块 . - 15 - 4.5 电源模块 . - 16 - 4.6 键盘输入模块 . - 18 - 4.7 总电路设计 .

8、- 18 - 5 信号放大器的 软件设计 . - 20 - 5.1 键盘控制设计 . - 20 - 5.2 信号放大器控制模块程序设计 . - 22 - 5.3 分频模块 . - 23 - 5.4 软件总设计 . - 23 - 6 信号放大器安装与调试 . - 24 - 6.1 信号放大器的安装 . - 24 - 6.2 信号放大器的调试 . - 26 - 结论 . - 30 - 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . - 31 - 附录 1 键盘程序源代码 . - 32 - 附录 2 程控放大程序源代码 . - 35 - 附录 3 分频程序源代码 . - 36 - - 1 - 1 引言

9、放大器是自动化技术工具中处理信号的重要元件，它是增加信号幅度或功率的装置。放大器是由输入信号的控制能源来实现放大作用的，由能源提供放大所需的功耗。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定的函数关系。 1.1 信号放大器分类 放大器按处理信号物理量分为机械放大器 、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。随着射流技术（如射流元件）的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信

10、号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷 -电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器） 1。 1.2 低噪声信号放 大器 近年来，随着微波、毫米波技术的迅速发展，微波通信、导航、制导、卫星通信以及军事电子对抗战和雷达等领域对放大器件的需求量也越来越大。特别是由于无线电通信频率资源的日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，这对接受系统的前端器件，特别是低噪声放大器件，提出了更高的要求，来减少不需要的干扰因素，放大接受到的有用信号。另一方面，由于新材料、新工艺的不断出现，以及半导体技

11、术的迅速发展，各种新的射频模块层出不穷，使得微波、毫米波有源电路的研制周期不断缩短，且电路集成度越来越高，体积越来越小。所以，为了适应未 来形势的发展需要，有必要缩短研制设计周期，研制高性能、低噪声、小体积的信号放大器，这已经是目前国内国际各个应用领域的关键环节之一。 - 2 - 在接受系统中，低噪声放大器总是处于前端的位置。低噪声放大器的噪声决定了整个接收系统的噪声。和普通放大器相比，低噪声放大器一方面可以减小系统的杂波干扰，提高系统的灵敏度；另一方面放大系统的信号，保证系统工作的正常运行。可以不夸张的说，低噪声放大器的性能不仅制约了整个接收系统的性能，而且对于整个接收系统的技术水平的提高，

12、也起了决定性的作用。所以，研制合适的宽频带、高性能、更低噪声的 放大器，已经成为了微波系统设计中的核心技术之一。 在计算机时代到来之前，传统的设计有源低噪声电路的方法是采用旋转Smith 圆图法，再经过人工的计算逐步进行设计。这种方法简单、易于掌握，但是操作起来麻烦，而且人工计算复杂，出现错误不易检查；设计的周期往往较长，如果一次不能成功，则设计周期将变得更长，浪费了大量财力，增加了研制成本2。 1.3 课题 研究的主要内容 进入 21 世纪以来，信息产业得到迅速的发展，在国家经济发展中扮演着越来越重要的角色，并且成为了国民生活中不可或缺的一部分。随着电子技术的飞速发展，对信 号处理要求的提升

13、，信号可控放大显示出其重要性。当输入信号为弱信号的时候，信号处理电路需要具有放大功能。程控放大器设计，能够针对输出信号的要求，方便的选择与控制增益的大小，提高应用效果。由于信号源的多样性，经常需要采集系统的前向通道具有可变的放大倍数，使之能够对测量信号进行满量程放大，以保证测量的精度。 因此，对本课题的研究有极其广阔的发展前景和巨大的经济价值 。 在研究信号放大器的过程中，本论文的主要工作如下： 1. 确定系统的设计方案； 2. 采用模块化的设计方法对系统进行设计，包括程控放大模块、电源电路、按键输入电路 、数码显示等内容； 3. 利用 Protell 画出放大电路，按照所画出的电路搭建实物电

14、路； 4. 利用 VHDL 语言对放大电路和键盘模块进行程序的编写，检查无误后下载到EP2C5T144C8N 芯片中 ，进行调试，以达到具体指标要求； - 3 - 5. 对整个放大器进行测试、精心调试，达到指标要求。 本设计完成的技术指标为通频带 100Hz 40kHz，放大倍数（ 0 100）可调，没有明显的失真和干扰。 - 4 - 2 信号放大设计概述 信号放大的方式多种多样，但是一般都是由放大模块、电源模块和显示模块组成。由于igv uulA 020 ，而 0u 或 iu 的值是由电路中的电阻大小决定的 ，所以放大的控制一般是通过改变电路中电阻的阻值来实现，显示部分则采用 FPGA 或单

15、片机来控制。 为达到上述的目的，课题设计采用多路开关和反相运算放大器、 DAC 数字芯片控制的放大设计及数字通道控制芯片控制的放大设计。 2.1 多路开关和反相运算放大器 由运算放大器构成的基本电压放大器，其增益由反馈电阻与输入电阻之间的比例确定（如图 2-1）。基于这个原理，可通过程控选择多路开关的通路，改 变基本运算放大器放大电路中的反馈电阻大小来改变增益。最为直观的解决方案是由输入选择控制的模拟开关，选择多路不同阻值的电阻，使其相应电阻接入反馈回路中，以达到反馈电阻的变化。通常，单片机或可编辑逻辑器件用以控制模拟开关的选择，从而达到程控放大的目的。 图 2-1 反向输入程控放大原理图 如

16、图，当流过 R 和 iR （ i=1,2,3, ,8）的电流远大于流过 FR 的电流时，iiFi RRRRRVV 10 ， 从计算中可知 ，改变 R 和 iR 的值，就可以改变放大器的放大倍数。但要注意，这种电路是用改变负反馈的深度来实现增益变化的。 - 5 - 该方案明显的缺点是增益的变化时非连续的，设计中根据应用需要选择增益变化的增量，若要使各级增益更为细化无疑要有庞大的电阻数量和较多的模拟开关。而模拟开关的导通电阻将会使放大器增益的精度降低，当反馈电阻较小时该影响更为强烈。 2.2 基于 DAC 数字芯片控制的放大设计 使用一片 DAC0832 作为数控模块，运算放大器 LF351 提供

17、 D/A 转换器的基准电压。使用 DAC0832 系列 D/A 变换器和 LF351 集成运算放大器构成的程控增益放大器电路如图 2-2 所示： 图 2-2 程控放大电路 在测试时，将输入信号接到 DAC0832 的 fbR 引脚，输出接到 DAC0832 的 refV 引脚。根据 D A 变换器 R-2R 网络结构特点和图 2-2中的连接方式，便能得到： INOUT VDV 0256，放大增益 VK 为0256DVVKINOUTV 由 上述公式可知，放大器的增益 VK 随输入数字量 0D 的变化而变化。倘若想增加增益变化范围，只要将 8 位 DAC 换为 12 位 DAC，此时 04 0 96DVVKINOUTV 该方案虽然简化了电路的实现，提高了放大器的精度，但对于增益精度较高- 6 - 的应用仍不适合 5。 2.3 数字通道控制芯片控制的放大设计 利用模拟开关 CD4051的原理，在外部衔接上电阻网络，结合放大器 OP07，实现了电路简单、噪声低、增益范围可调的特点（如图 2-3所示）。采用这种方法的程控放大器，增益的大小取决于模拟开关与电阻网络之间连接的电阻值 4。 图 2-3 数字通道控制芯片的程控放大原理图 该方案简单易行，实现效果好，本设计采用该方案实现程控放大。