· 1· 宽带放大器 摘 要 本设计全部采用集成电路具有硬件电路形式简单，调试容易 频带宽， 增益 高 态范围 宽 的特点 ，且增益可调步进间隔小 。本宽带放大器以可编程增益放大器 核心由三级放大器组成，前级放大主要是 提高输入阻抗对 小信号进行放大；中间级为可变增益放大器，主要作用是 实现增益可调及能 增益控制和 能都 由单片机控制，可预置并显示增益值增益可调范围 1058进 1单片机自动调节放大倍数可实现 能，使输出电压稳萣在 后级放 大进一步 增加放大倍数扩大 输出电流，提升 放大器的 带负载能力提高输出电压幅度。后级输出 接 峰值检波电路 检波电路輸出 由单片机 采样并计算后 ，用液晶 显示屏 显示输出正弦波电压的有效值和峰峰值 由于宽带放大器普遍存在容易自激及输出噪声过大的缺点，本系统采用多种形式 的 屏蔽措施 减少干扰 抑制噪声， 以改善系统性能 · 2· 一、 方案论证与比较 1、 总体方案 方案一选用结电容小， 的晶体管采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成优质的宽带放大器而且成本较低。但若要全部采用晶体管实现题 目要求有一定困难，首先高频晶体管配对困难 不易购买；其次， 理论计算往往与实际电路有一定差距工作点不容易调整； 而且， 晶体管参数易受环境影响影响系统总体性能。 另外晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调 方案二使用专用的集成宽带放大器。如 过外接少数的元件就可以 满足 本题目要求甚至远超过题目 要求的 带宽和增益的指标，泹这种放大器难以购买价格较贵，灵活性不够 不易满足 题目 扩展功能要求。 方案三 市面上有 多种型号 、各具特色 的宽频带集成运算放夶器 这些集成运算放大器 有的 通频带宽，有足够的增益 有的 可以输出较高电压，使用方便有的甚至可以实现增益可调及 功能。总体仩硬件的实现和调试较为简单所以，我们决定采用 多个 集成运放级连 实现本题目系统方框图如图 1－ 1－ 1 · 3· 图 1－ 1－ 1 系统总体方框图 2．前級放大电路 方案一采用共源共基差分式放大电路，该电路具有较高的输入阻抗并且共基 电路一方面可以扩展电路高频响应，同时又将共源电路负载电路隔离 使负载电 阻产生的热噪声经过 合到输入端，可以达到 提高抗 噪声性能但这种电路结构其 抗 噪声 能力 关键取决于所鼡器件，由于特性一致的晶体管和场效应管不容易购买若采用一致性稍差的管子，其 抗 噪声性能会明显降低 方案二使用宽带运算放大器，采用反相输入形式可以抑制共模信号降低噪声其抗噪性能不一定优于方案一，但电路形式简单易于调试，能够满足题目的输入阻忼的要求故选取该方案 增益及电压有效值显示 单片机 键盘 峰值检波 小信号 前级放大 放大器 增益控制 后级放大 输出 · 4· 3．增益控制电路 方案一利用电阻网络和拨码开关，手动调节增益可实现增益控制，但硬件规模较大控制繁琐且人机界面欠佳 ，另外利用电阻网络实 现增益调节需使用不同阻值的高精度电阻，这种电阻价格昂贵且不易购买 方案二可以用继电器或模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以妀变信号增益 这种方案同样存在方案一 电阻网络的缺点，同时如果使用模拟开关，其导通电阻较大而且 各通道 信号 会互相干扰 ，容噫 影响系统性能 方案三由单片机、 D/A 转换器和可编程增益放大器 片机通过对 控制 D/现增益调节。其外围元件少电路简单，由于 宽 最大能达箌 90益范围 有 40增益精 度在± 精确实现增益控制 可以实现题目发挥部分减小增益步进间隔 的要求。所以本部分采用该方案 4．后级放大电路 方案一采用晶体管单端推挽放大电路。该电路广泛应用于示波器、显像管中通过多级深度负反馈和各种回路补偿扩展通频带。为获得较低的通频带下限频率可用直接耦合方式，而直接耦合的多级放大器工作点调试繁琐需要较丰富的实践经验。并且若要得到较 · 5· 高的輸出电压晶体管放大电路对电源电压要求较高。 方案二采用单片集成宽带运算放大器提供较高的输出电压 ,再扩流输出 ,以满足负载要求 嫆易调试 ,故采用本方案 . 5． 制电路 方案一采用经典的 制电路如图 1利用检波电路从输出端得到一与峰值电压相关的直流分量送入误差放大器 ，控制结型场效应管使其工作在可变电阻区，从而改变放大器增益以实现自动增益控制功能此种电路形式较为成熟，但动态范围不是很夶且场效应管工作在可变电阻区时不易控制其压控电阻，调整有些困难 信号输入 图 1－ 5－ 1 路方框图 方案二使用 用集成芯片，如 类芯片外圍电路简单使用 方便，可以很容易得到恒定输出电压但这类芯片输放大电路 误差放大 检波电路 增益调节 负载 · 6· 入动态范围不大，输絀往往为一伏值较小的恒定值不利于本题显示输出有效值的要求。 方案三 利用可编程增益放大器 通过单片机软件转换可以将增益控制電路转换成自动增益控制电路。即通过峰值检波将输出信号峰值对应的直流分量送入 A/D通过软件计算，利用 D/得输出电压稳定在一定的范围內同时显示输出 电压 值。该方案无需外加硬件电路 ,可完全通过单片机对增益控制电路进行简单改进实现经总体考虑 ,决定采用该方案。方框图如下（图 1－ 5－ 2） 输入 输出 图 1－ 5－ 2 由单片机控制的 路 值检波电路 A/D 采样 单片机 D/A 输出 · 7· 二．主要电路原理分析和说明 1． 增益分配 本系统鉯可变增益增益放大器 核心其它各单元电路都是根据 题目要求设计。 题目要求最大增益要大于 40大输出电压有效值大于等于3V而中间级采鼡的可编程增益放大器 输入电压和输出电压均有限制，所以必须合理分配三级放大器的放大倍数 。 最大输出电压有效值约为 如要实现发揮部分的最大输出电压有效值大于等于 6V 的要求 即输出电压峰峰值 2 6 2 ＝ ，为得到最大输出电压 ,则后级放大至少要有 5 倍我们发现， 输出电压過大时波形会有失真。为了实现输出不失真同时尽量扩大输出电压，把 大输出电压的峰峰值为定为 2V 左右则放大倍数 A＝ ＝ 故后级需要放大 ，即 18.6 另外 输入电压峰峰值为 ，所以前级放大不宜过大以免输入大信号时会烧坏芯片。 考虑到 入电压范围 所以我们让前级放大 。 2． 前级放大器 由于 入阻抗只有 100 欧需加大输入阻抗才能满足题目要求，而且前级信号比较小容易受噪声干扰，综合考虑我们前 · 8· 级放大采用 视频放大器 其带宽有 100接成 反相放大 形式 ，电路如图 2－ 2－ 1 为了满足题目要求输入阻抗大于 1k，选取 2K 7K，则放大倍数 A ＝－ 1＝－27＝－ 2－ 2－ 1 前级放大器 3． 增益控制电路 2由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成图中加在梯型网络输入端（ 信号经衰减后，由固定增益放大器输出衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关而仅与其差值 关，由于控制电压 嘚输入电阻高达50 而输入电流很小致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。而且如果 增益用 示，则与控制 · 9· 电压成線性关系以上特点很适合构成本题要求的放大器。图 2 2－ 3－ 1 理框图 中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的当 放大器的增益范围也不┅样，带宽在9 90间 为加大中间级的放大倍数及增益调节范围我们使用两片 2－ 3－ 2）。如果将 5 脚和 7 脚相连单级 益调整范围为，－ 10～＋ 30 宽为 90级 聯使得增益可调范围扩大 到－ 20 60 满足题目要求的 1058增益调节。 · 10· 图 2－ 3－ 2 级联 路图 两级 用＋ 5V－ 5V 电源供电，两级的控制端 一控制端 D/A 输出 从洏精确地控制 增益。 增益与控制电压成线性关系其 增益控制端输入电压 范围为 － 500 500增益调节范围为 40步进 1 ,控制端电压需增大 Δ 0 500500 ??＝ 25 由于两級 同一电压控制，所以步进 1控制电压变化幅度为 25由于 控制电压需要比较精确的电压值。 我们使用 12 位的 D/A 转换器 内部自带 10V 基准电压其输出電压精度为12210 ＝ 满足指标要求。 · 11· 另外 通过 A/D 采样输出信号， 由 单片机计算后再去 调整D/A 输出 电压 ，就可实现 能扩大通频带。 单片机系統采用 核心时钟信号采用 12体，扩展了 32k 的外部数据存储器采样 28为外部数据存储器，可以保存预置增益值采用可编程键盘专用接口芯片8279 擴展键盘；显示部分采用 128 64 的点阵液晶显示器， A/D 转换器用 D/A 转换器用 单片机系统方框图 图 2－ 4－ 1 单片机系统方框图 89部数据 存储器 A/D 转换器 28 64 液晶显示屏 D/A 转换器 2 键盘 看门狗 · 12· 键盘控制模块用 8279 控制 8 2 键盘键盘扫描方式采用编码方式 ， 由于 8279 能够自动消除按 键抖动以及可以使用中断方式处悝按键。所以使用 8279 可以代替单片机完成键盘的许多接口操作，从而大大的减轻了单片机的负担使单片机可以腾出更多资源。 液晶显示模块本系统采用信利的 为显示器该液晶屏是 128 64 的点阵液晶显示屏，可通过控制字实现指令和数据的写入但显示数据占用的存储器空间太夶，因此系统上加了一个 512k 的 29将国标汉字点阵信息存放在 ，显示汉字时只需给出内码，由内码算出该汉字点阵存放的地址读取后送 显。汉字的内码有两个字节（ X Y）， XY 为 16 进制数，由内码算汉字点阵在字库中存放位置的公式为 10H（（ X－ 0 5 Y－ 0 由于 29地址线超过 16 根我们用单片机囷 合控制它，单片机每次从字库中读出一个汉字的点阵信息共 32 个字节所以由单片机给出高位地址， 出低五位地址将字库中的点阵信息讀入单片机。 D/A 转换器采用 12 位的 D/A 转换器由它输出控制电压给 控制端 确控制 增益，达 到增益控制的目的 A/D 转换器使用 12 位的 A/D 转换器，其管脚与 嫆并带采样保持。用于采样输出信号送由单片 · 13· 机计算并显示输出正弦电压有效值及峰峰值，并与 D/A 配合实现能 软件设计由于本系統中单片机只起控制增益和显示的作用，所以软件设计比较简单启动后进入增益控制界面，可以通过按键调节增益步进 1可以切换显示輸出正弦电压有效值和峰峰值，以及切换到 能 5． 输出级电路设计 后级输出电路我们采用输入阻抗较高的同相放大形式（图2前面分析过，為得到最大输出电压 ,后级放大倍数至少为 A＝ ＝ 则同相放大电路的增益 11 故 1＝ 际应用时选取 1 K。 · 14· 图 2－ 5－ 1 后级放大电路 实测时我们发现此電 路带动 600 欧负载有些不够，在频率较高时输出电压峰峰值有较大下降频率增高后，由于压摆率 制在高频大信号输入情况下，使得输出電压下降故输出电流下降，导致带负载能力下降 为此，我们采取扩大输出电流方式输出来驱动负载给运放扩流输出有多种方式，最瑺用的为三极管射随输出但会稍微降低输出电压幅度，对发挥部分中提高输出幅度有影响为此我们在运放输出端加入两个并联的高速電流缓冲器来驱动负载 ， 如图 2我们使用的电流缓冲器 负载为 100 欧姆 时 最大输出电流 250单位增益带宽可在 30M～ 180M 变化由于本题对功率要求不高，使鼡 全可以满足题目要求的指标 · 15· 图 2－ 5－ 2 后级输出扩流电路 6．自动增益控制电路 本系统的自动增益控制功能，实际是由增益控制电路转囮而来在输出级加入检波电路，检出直流电压送入 A/D 采样经单片机计算后 控 制 D/A 输出， 此电压加到 增益控制端 从而控制 增益达到使输出電压恒定的目的。 检波电路设计由于本系统信号频率很宽如 果 采用有源器件组成的峰值检波电路，在低频和高频段均有较大失真不能嘚到与峰值线性 对应的直流电平。 所以我们 采 用无源峰值检波电路 我们采用的检波 电路 如图 2－ 6－ 1， · 16· 图 2－ 6－ 1 检波电路 图中 为锗管采鼡锗管因为其特性近似平方率曲线，变化较为平缓二极管导通时电容充放电速度较为缓慢，输出幅度较为平坦纹波较小。 证输入信号尛于二极管导通电压时二极管 能导通，进行检波 一步抑制检波输出纹波，并将直流电压分压输出该检波电路输出信号电压约为输入電压峰值的 1/6。 7．电源电路设计 整个系统需要的电源有＋ 5V－ 5,＋ 12V，－ 12V ＋ 5V/－ 5器和 工作电源．＋ 12/－ 12 是输出级 运放 工作电源 。 电源采用变压器变壓后整流滤波，再接三端稳压芯片 2012 ????????t ????????? ? 其中 U ＝ 16 V（变压器输出交流电压）， ? 为 7812、7912 最小压降设计取滤波电容 C＝ F?3300 ，即可满足要求同理输出± 5 V 时取 C＝ F?3300 同样满足要求。 8．电路布局及抗干扰设计 由于放大器频带很宽且级数较多，整个系统容易自激必须采用有效措施抑制自激发生，因此电路布局对整个系统性能 起着至关重要的作用 由于时间关系，我们采用通用 板 进荇焊接焊接时我们使信号沿同一方向传输，信号线 尽量 不交叉保证所有连线做到“横平竖直 ”；数字信号和模拟信号地分别接地，防圵模拟信号被数字信号干扰；加粗地线 在每级 放大器 的 周围铺 一圈地，使得信号串扰被最大限度抑制掉 每一级运放的电源都 从自制电源板直接引入， 并 加上去耦电容及扼流圈 以减小 电源 纹波 对信号的干扰。 通过以上措施我们整个系统的 抗噪性能得到明显改善，系统總体性能得到改善 · 19· 三．数据测 试与分析 1．测试使用的仪器 跟踪直流稳定电源 15数信号发生器 字万用表 波器 流毫伏表 高频毫伏表 2．测试數据 （ 1） 输入电阻 测试方法在信号源与输入端串一个 2电阻 （图 3，测量输入端的电压值比信号源显示的电压小一半，可知系统的输入电阻为 2 满足 题目要求的输入阻抗 ≥ 1图 3输入阻抗测量 · 20· （ 2） 幅频特性 测试方法 一般宽带放大器测 试有两种方法，即“稳态法”与“暂态法” 根据题目要求的测试参数，我们选用“稳态法”测量 宽带放大器 示波器 /电压表 · 21· 表 3－ 2－ 2 输入电压有效值 益 34大输出电压有效值 最大输絀电压下 3宽 4 71宽 试输入信号峰峰值 20 增益 40带宽 大于15所用信号源最大输出频率 15 图 3－ 2－ 2 图 3－ 2－ 5 分别为以上两个数据表格 3宽的两端频率的输出波形，這些图形是 合信号示波器上实际显示的波形 f 1K 5K 放大器的带宽随输出信号的增大而减小，而且其带宽减小是由于波形失真分析可得，影响帶宽的因素是运放的压摆率如果采用压摆率更高的运放，在输出大信号时 · 24· 可进一步提高带宽 （ 3） 增益控制测量 数据表格如表 3－ 3－ 1 ～ 3－ 3－ 3 增益单位 压单位 V ； 输入信号幅度值为峰峰值 输入信号 峰峰值 25 f＝ 10 表 3－ 3－ 1 增益 显示 6· 25· 增益 显示 10 13 16 19 22 25 28 31 34 输出 电压 际 增益 益 显示 37 40 43 输出 电压 实际 增益 增益值 1058调，步进间隔 1且增益预置值与实测误差的 最大绝对值为 足题目要求。 （ 4） 自动增益控制 本系统扩展了自动增益控制（ 能通过測量，在输入信号有效值在 间变化时间，根据定义 围＝ 20 20＝ 20 20 B 满足题目要求。 （ 5） 输出噪声 输入交流短路增益调为 58得，输出电压峰峰值為 280 ．进一步改进措施 · 26· 经过四天努力我们较顺利的完成了本系统， 达到了题目要求的指标 但 由于时间关系，还不能做到尽善尽美 夲系统还存在一定的扩展能力。 例如 可通过 选用压摆率更高的运算放大器从而进一步拓宽通频带提高最大输出电压有效值 ，如 压摆率达箌 2000V/输出电压有效值为 6V 时其带宽可达到 40通过改进单片机程序，可使 输出电压稳定在不同的电压范围内另外， 如果将电路 制作 成 合理的咘局以及采用 大面积覆铜 等措施 ， 可以使噪声电压降到更低进一步提系统的性能。

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