宽带放大器的设计与研究.docx
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宽带放大器的设计与研究
系统设计方案论证和比较
一.1系统总体设计及原理方框图
整体电路方框图如图2-1所示。
采用新型STC89C58RD单片机作为控制器，实现增益控制和人机对话。
放大部分有前级跟随、可控增益放大和后级放大三部分构成。
前级缓冲可以提高放大器的输入阻抗，后级放大实现电压放大和负载驱动。
其中加入滤波装置，设计10MHz的LC巴特沃斯低通滤波器来提高系统控制效果。
用户通过矩阵键盘预置增益值，单片机通过高精度DA转换产生控制电压实现对放大器增益的精确控制。
AD转换将输出电压的有效值送回给单片机，实现液晶显示。
图2-1系统原理方框图
一.2方案论证和比较
一.2.1前级放大部分
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Cgd耦合到输入端，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用器件，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。
[5]
方案二：
使用宽带运算放大器，采用电压跟随器形式可以抑制共模信号降低噪声，并能提高输入阻抗。
方案比较：
方案二其抗噪性能不一定优于方案一，但电路形式简单，易于调试，并且期间易于购买，能够满足题目的输入阻抗的要求故选取该方案。
一.2.2可控增益放大部分
方案一：
采用分立元件。
利用高频三极管构成多极放大电路实现满足增益40dB要求，同时用二极管在输出端检波产生电压反馈，实现自动增益控制的目的。
由于采用分立元件，致使电路复杂，不易实现增益的精确控制，电路稳定度差，容易产生自激，频带内增益的稳定也不易实现。
方案二：
选择高速、宽带放大器，组建两级放大电路，可以用继电器或模拟开关构成电阻网络。
通过单片机控制继电器的导通与关断，来选择不同的增益调节。
但是控制的数字量和最后的增益（dB）不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。
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，容易影响系统性能。
方案三：
直接选择可控增益放大器AD603实现，其内部有梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算被控制D/A转换器输出控制电压得到，从而实现精准的控制。
此外AD603能提供30MHz以上的带宽，两级级联后得到40dB以上的增益，这种电路有优点电路集成度高，条理清晰，控制方便，易于数字化处理。
不足之处是两级可变增益放大器串联会导致零点漂移过大，有可能造成同频带下降，波形失真等不良影响。
方案四：
采用可变增益放大器和固定增益放大器结合方式，通过继电器的通断来控制固定增益放大器的使用与否。
当设定增益较低时，只使用可变增益放大器进行调节；当设定增益较高时，可变增益放大器无法单独完成增益放大要求，通过继电器的切换选择，固定增益放大器投入使用，即可完成任务要求。
解决了两级可变增益放大器串联导致零点漂移过大，但需要元器件难以获得，并且控制规律复杂，不易进行程序设计。
[6]
方案比较：
方案一采用分立元件，弊端极多，不予考虑；方案二存在阻抗匹配的问题，而且自行搭建的电阻网络，可能会导致系统干扰变大，且面临步进难以进一步细分的困难，且增益量（dB）不成线性；方案四能够较好的实现题目，但需要元器件难以获得，并且控制规律复杂，不易进行程序设计。
现阶段很难实现。
方案三可以达到步进0.2dB的精度，单片机易于控制，自动增益控制也可以通过软件方法来实现，考虑到可以实现系统要求，通过一些电路设计改进措施，可以抑制零点漂移，因此最终选择了方案三。
一.2.3功率放大部分
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。
并且若要得到较高的输出电压，晶体管放大电路对电源电压要求较高。
[7]原理图见图2-2。
图2-2功率放大部分方案一原理图
方案二：
采用高速、宽带放大器AD811作为后级放大。
AD811的单位增益带宽为140MHZ，摆率为2500V/uS，输出电流可达100mA，完全可以满足要求。
方案比较：
方案二采用集成运放电路简单，干扰较少，很容易实现放大器的稳定性和带内幅度稳定的要求；方案一采用分立元件虽节省了成本，但系统干扰可能会较大，调试也比较麻烦，综合考虑选择方案二。
一.2.4有效值检测部分
方案一：
利用高速ADC对电路进行一周期数据采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值（式2－1）。
此方案具有抗干扰能力强、设计灵活等优点，但是调试困难，需要高速AD进行采样和高速处理器进行数据处理，不易实现。
[8]
（2－1）
方案二：
对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值并显示。
只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号的有效值的测量。
但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。
方案三：
采用集成真有效值变换芯片AD637，AD637是AD公司RMS-DC产品中当前国际上转换精度最高（指加外部精调电路后）及频带最宽的真有效值转换器，并且AD637可以对输出电平信号的以dB形式指示，可以测出任意波形交变信号的有效值。
器外围器件少、频带宽，输出有效值用A/D采样来进行单片机处理。
方案比较：
从实现难度和操作难易方面综合考虑，选择方案三。
变换芯片选用AD637。
AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5％，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高。
第二章
硬件电路设计
二.1单片机显示控制模块
二.1.1单片机最小系统
1、单片机STC89C58RD
系统核心控制器件采用宏晶科技公司生产的新型单片机STC89C58RD，此款单片机加密性较强。
具有超强抗干扰能力：
（1）高抗静电（ESD保护）；
（2）轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT）测试；（3）宽电压，不怕电源抖动；（4）宽温度范围，-40℃～85℃。
并具有超低功耗和对外部电磁辐射抗干扰性能。
[9]
STC89C58RD含有丰富的硬件资源，提供灵活、高效的多方面控制应用。
芯片内含32Kflash存储器，1280BRAM存储器，16KEEPROM存储器，因为本系统代码量较大，使用此款单片机可以不用再去扩展外部存储器，简化了硬件设计。
其与AT89C51系列可完全兼容，也不需要再去学习新的指令系统，移植性较好。
STC89C58RD提供32个I/O通道、三个16位定时器/计数器、6个中断源以全双工串行接口，片内振荡器及时钟电路。
STC89C58RD支持两种软件可选的接电工作模。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其他所有器件工作知道下一个硬件复位。
较传统51内核单片机，STC89C58RD使用经典的RS232标准串口就可以实现ISP程序下载功能。
STC89C58RD单片机在线编程典型电路如图3-1所示。
图3-1STC89C58RD单片机在线编程典型电路
2、
时钟电路
单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
STC89C58RD单片机的时钟产生方式有两种：
内部震荡方式和外部时钟输入方式。
本系统采用的是内部时钟方式。
STC89C58RD单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别在该放大器的输入端和输出端。
外接石英晶体振荡器及瓷片电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
电容的容量大小有可能影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易以及温度的稳定性。
推荐使用两片30pF陶瓷电容。
本系统采用11.0592MHz晶振和30pF电容构成时钟电路。
时钟电路如图3-2。
图3-2时钟电路
3、复位电路
几乎所有单片机都需要复位电路，复位电路的基本功能是：
在单片机上电时能可靠复位，对单片机进行初始化操作，是单片机内部各寄存器处于一个确定的初试状态，以便进行下一步操作。
图3-3复位电路
要实现复位操作，需要在单片机的RESET引脚上施加5ms的高电平信号。
单片机的复位电路有两种形式：
上电复位和按钮复位。
如图3-3所示，此电路包含了以上两种形式。
上电复位是利用电容的充电来实现的，由于电容两端电压不能突变，上电瞬间RESET端的点位与Vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也增大，充电电流减少，RESET端的电位逐渐下降。
这样在RESET端就会形成一个脉冲电压，调节电容和电阻的大小来改变脉冲电压的宽度。
通常采用10μF的电解电容和1kΩ的电阻。
按键复位电路是通过按下复位按钮时，电源对RESET端维持两个机器周期的高电平来实现复位的。
[10]
二.1.2输入设备—键盘
键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人际对话的纽带。
键盘可以分为：
独立键盘和矩阵键盘两种。
独立键盘与单片机连接时，每一个按键都要占用单片机的一个I/O口，由于本系统需要较多按键，使用独立按键就需要占用过多的I/O口资源。
单片机的I/O口资源往往比较宝贵，当用到多个按键时，往往采用矩阵式键盘。
本系统采用4×4矩阵键盘。
矩阵键盘电路如图3-4，将16个按键排成4行、4列，第一行将每个按键的一端连接在一起构成行线，第一列将每个按键的另一端接到一起构成列线，这样就一共有8根线，我们将这8根线连接到单片机的8个I/O口上，通过程序扫描键盘可检测16个键。
[10]
图3-4矩阵键盘电路图
无论是独立键盘还是矩阵键盘，单片机检测其是否被按下的依据都是一样的，也就是检测与该键对应的I/O口是否为低电平。
独立键盘有一端固定为低电平，单片机写程序时检测比较方便。
而矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此检测时需要人为通过单片机I/O口送出低电平。
检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平，则我们可以确认当前被按下的键值，用同样的方法轮流送各列一次低电平，在轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键，当有键被按下时便可判断出按下的键值。
这就是矩阵键盘检测的原理和方法。
二.1.3输出设备—1602液晶显示
一个单片机应用系统中，显示是人机通道的重要组成部分。
显示器是计算机用来显示数据和结果的必要设备。
目前广泛使用的显示器件主要有LED数码管、LCD液晶。
LED数码管其特点是工作电压低，清晰悦目，体积小，寿命长，工作可靠，颜色丰富，响应速度快等，但其只能显示阿拉伯数字和少量字符，不能完成本系统显示要求。
同时数码管需要动态扫描，占用大量CPU资源，实践中很容易造成时序混乱。
LCD液晶显示器是利用液态晶体的光学特性来工作的。
它具有工作电压低、耗电省，成本低等优点。
缺点是远距离显示不够清晰，工作温度范围较窄。
本系统显示只需要近距离观看，同时工作在室温，可以忽略其缺点。
液晶显示还有一个突出有点，占用I/O口较少，内部含有存储器，不需要占用大量CPU资源去维持显示。
本系统采用1602液晶显示器，每行显示16个字符，可以显示两行。
能够很好完成本系统的显示任务。
1602液晶显示器为5V电压驱动，带背光，内含128个字符的ASCII字符集库，只有并行接口，没有串行接口。
其连接电路如图3-5所示。
图3-51602液晶显示与单片机接口
二.1.4A/D和D/A转换器
1、A/D转换器
本系统在进行系统输出有效值检测时，需要将模拟量通过A/D转换器转换成数字量，通过输入通道传送给单片机。
为了提高测量精度，本系统采用12位A/D转换器MAX197，单5V电源供电，8通道模拟量输入。
MAX197内部有一控制器，通过输入控制字可以决定工作模式：
时钟工作模式、输入电压极性和量程选择、模拟量输入通道选择。
如图3-6为MAX197的典型接法。
由于MAX197是12位A/D转换器，本来需要12根数据线。
为了减少I/O资源的占用，采用8根数据线分时复用，先传送低四位数据D3～D0，再传送高八位数据D11～D4。
这种设计巧妙的减少了I/O资源的使用，程序设计上只要按照时序说明，就可顺利采集到数据。
[11]
图3-6MAX197典型接法
2、D/A转换器
本系统要求进行增益可控，为了实现这一功能，采用可控增益放大器AD603来实现增益可控。
通过改变AD603的1、2管脚间的参考电压进而放大器的增益。
这个参考电压需要通过单片机控制D/A转换器产生。
为了提高控制精度，本系统采用12位D/A转换器DAC667来实现增益可控。
DAC667内部含有精密电压基准，微计算机接口逻辑，双缓冲锁存和一个带有电压输出放大器的D/A转换器。
高速电流开关和激光微调薄膜电阻网络保证D/A转换器的高精度和高速度。
DAC667采用双电源±12V～±15V供电，低功耗。
[12]
DAC667同样采用数据线复用，分时传送的方法。
如图3-7所示，采用4位I/O传送方式，通过改变控制端A3～A0电平，进行数据的分时传送，先传送低四位，再传送中四位，最后传送高四位，大大减少了I/O资源的使用。
图3-7DAC667典型接法
二.2系统核心部分模块
二.2.1前级放大部分
由于AD603输入阻抗小，大约只有100Ω，设计要求放大器的输入阻抗≥1K，故需要加入前级缓冲部分来提高输入阻抗。
本方案前级采用正向跟随器；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声的干扰，增强系统的稳定性。
故采用高速低噪声宽带电流反馈型放大器AD818做前级缓冲，其带宽增益积为100MHz，其输入阻抗为0.5MΩ完全符合设计的要求。
如图3-8所示为输入缓冲级的电路连接原理图。
图3-8输入缓冲级电路连接原理图
二.2.2可控增益放大部分
增益放大控制部分采用可控增益放大器AD603实现，其内部有梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定，即GPOS与GNEG两端电压差，而这个参考电压可通过单片机进行运算被控制D/A转换器输出控制电压得到。
如图3-9所示为AD603内部结构图。
图3-9AD603内部结构图
固定增益放大器的增益Gain通过VOUT与FDBK端的连接形式确定，本设计采用宽频带模式（90MHz带宽），即VOUT与FDBK端短路连接，如图3-10所示，AD603的增益被设置为-10dB～+30dB。
图3-10AD603宽频带连接方式
AD603的基本增益可以用下式3－1算出：
（3－1）
其中，VG是差分输入电压,即GPOS与GNEG两端电压差，单位是V，范围为－0.5V～＋0.5V。
Gain是AD603的基本增益,单位是dB。
变化范围为－10dB～＋30dB。
[13]
为满足题目要求最大增益
40dB要求,需要进行两级级联，如图3-11所示，
图3-11可控增益放大级电路连接原理图
那么级联后总增益为：
（3－2）
总增益变化范围是－20dB～+60dB，能够满足题目增益10dB～+40dB要求。
[14]
从3-2式可以看出，以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。
由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确的实现。
[15]
二.2.3低通滤波部分
为了满足题目带宽要求，同时抑制高频干扰。
在可控增益放大部分之后加入一个低通滤波器。
低通滤波器采用一个无源LC滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。
无源LC滤波器的优点是：
电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：
通带内的信号有能量损耗。
为了使通带内的信尽量平坦，选用通带比较平坦的巴特沃斯滤波器。
[16]
为满足题目要求，设计了一个5阶巴特沃斯10M无源低通滤波器，进行滤波。
由于传统的设计方法，实现繁琐。
需要进行理论推倒和公式化简，不易实现。
本设计使用了专业滤波器设计软件FilterSolutions进行滤波器设计。
如图3-12为FilterSolutions的控制面板。
图3-12FilterSolutions控制面板图
以下是5阶巴特沃斯10M无源低通滤波器的设计步骤：
１、根据滤波器的设计要求，在filtertype中选择滤波器的类型为butterworth（巴特沃斯）；
２、在filterclass中选择滤波器的种类为LowPass（低通）；
３、在filterAttributes中设置滤波器的阶数（Order）为5，通频带频率（Passband frequency）为10M；
４、在Implementation中选择有passive（无源滤波器）；
５、在FreqScale中选择Hertz和Log，如果选择了Rad/Sec，则要注意Rad/Sec＝6.28＊Hertz；
６、在GraphLimits中设置好图像的最大频率和最小频率，最大频率要大于通频带的截止频率；在PassiveDesign/IdealFilterResponse中观察传输函数（TransferFunction）、时域响应（TimeResponse）、零极点图（PoleZeroPlots）、频域响应（FrequencyResponse）的图像；
７、在CircuitParmaters中设置源电阻（SourceRes）和负载电阻（LoadRes）;最后点击Circuits观察滤波器电路图；
根据以上步骤完成了一个5阶巴特沃斯10M无源低通滤波器的设计，如图3-12所示为滤波器电路图。
如图3-13所示为滤波器的频域响应图像。
图3-12低通滤波器电路图
图3-13滤波器的频域响应
二.2.4功率放大部分
输出级承担50Ω的负载，基本要求输出电压的有效值大于3V,同时由于低通滤波电路会造成信号衰减为原来幅值的一半，所以需要加后级功率放大电路。
本设计采用高速单运放AD811完成放大。
AD811为电流反馈型宽带运放，其带宽增益积为140MHz，±12V供电，增益为10dB的情况下，-3dB带宽达100MHz,远远满足本系统的宽带放大要求，有±12V的输出摆幅，且输出电流最大可达100mA，完全可满足峰峰值要求。
如图3-14所示为功率放大级的电路连接原理图。
如图3-14功率放大级电路连接原理图
二.3有效值检测模块
设计引入电压有效值检测芯片AD637检测电压。
AD637可测量的信号有效值可高达7V,AD637是AD公司RMS-DC产品中当前国际上转换精度最高（指加外部精调电路后）及频带最宽的真有效值转换器，并且AD637可以对输出电平信号的以dB形式指示，可以测出任意波形交变信号的有效值。
器外围器件少，频带宽；输出有效值用A/D采样来进行单片机处理，实现液晶显示。
根据芯片手册所给出的计算真有经验公式为：
（3－3）
其中，
为输入电压，
为输出电压有效值。
AD637的典型连接方式如图3-15所示。
图3-15AD637的典型配置方式及内部原理图
二.4直流稳压电源模块
直流稳压电源模块在整个系统中有非常重要的作用。
由于系统信号的频率较高，电源的稳定性决定着整个系统的稳定性，所以要求电源输出稳定，纹波小。
考虑到开关稳压电源虽然效率高，但电路复杂,开关电源的工作频率通常为几十～几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易带来串扰。
线性稳压电源包括并联型和串联型两种结构。
并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是采用集成三端稳压器，更是方便可靠。
综合考虑以上因素，选择串联型线性稳压电源作为直流稳压电源模块。
[10]
直流稳压电源通常由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。
其原理框图如图3-16所示。
图3-15直流稳压电源原理框图
其各部分介绍如下：
1、电源变压器：
将电网交流电电压U1（220V）转换成整流电路所需要的电压U2（15～20V）。
特别需要注意的是电源变压器的选型，由于电源需要提供正负电压，电源变压器需要带有中心抽头作为零电势点，否则无法产生负电压。
2、整流电路：
将交流电压U2转换为单相脉动直流电压U3。
整流电路采用桥式整流电路，整流是利用二极管的单相导电性来实现的。
输出电压的平均值可由公式3－4求得：
（3－4）
3、滤波电路：
将脉动直流电压滤除纹波，转换成纹波小的直流电压U4。
本设计采用大电容滤波。
电容滤波是最简单的滤波方式，它是在整流电路的负载上并联一个大电容C。
电容为带有正、负极性的大电容电容器。
输出平均电压可按公式3－5进行计算：
（3－5）
4、稳压电路：
起作用是将当交流电网电压波动或者负载变化时，保证输出直流电压稳定。
稳压电路采用集成稳压模块实现。
其中正负12V，正负5V都可以使用相应的固定输出的三端稳压芯片，LM7805、LM7905、LM7812、LM7912。
输出电压平均值可按公式3－6进行计算：
（3－5）
式中，
为稳压器的降压，一般为2～15V。
根据以上四个步骤进行直流稳压电源的设计，其电路图如图3-15所示。
图3-17直流稳压电源电路原理图
第三章
软件设计
三.1软件开发环境
软件开发使用常见单片机集成开发环境KeilμVision2来编写程序。
此环境支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，集编辑、编译、仿真等于一体，同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计，在调试程序、软件仿真方面也有很强大的功能。
KeilC51是KeilμVision2的C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构上、可读性、可维护上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
三.2软件设计流程
由于本系统中单片机只进行增益控制和电压有效值显示工作，所以软件设计比较简单。
系统软件显示了友好的人机画面，启动后进入增益控制界面，可以通过按键调节增益，步进5dB。
[17]还可以通过液晶显示当前设定增益值和当前输出电压有效值。
系统软件流程图如图4-1所示，程序清单见附录。
图4-1系统软件流程图
第四章
抗干扰措施
四.1硬件抗干扰技术
四.1.1通带内增益欺负控制
本系统由多级放大单元构成，为了满足同频带内增益起伏控制，设计中均选择高速、宽带运算放大器，使其1dB带宽均满足题目要求，经测试发现，AD603随着增益增大，带宽略有下降，因此通过滤波级补偿，使信号在通频带内的增益更加平坦。
四.1.2线性相位
为了使系统在整个同频带内实现线性相位，在设计中严格按照阻抗匹配原则，使其负载呈纯阻性，构建闭路环。
在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号减少噪声。
各个集成电路均加有退耦电容，减少寄生电感电容的
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