宽带直流放大器(电子设计竞赛)

摘要本系统以单片机ST89C52为主控器件，分为前级放大、增益控制、程控滤波、功率放大、自制电源等模块。

采用可变增益放大器AD603配合后级程控放大实现增益调节，通过软件校正提高增益精度，利用程控滤波模块实现5MHz、10MHz、15MHz的通带选择。

选用温漂小的期间并采用自校零点路来抑制零点漂移。

功率放大部分采用具有高驱动力的运放搭建，驱动50Ω负载时，输出电压有效值可达10V。

电源模块采用低压差稳压芯片提高效率。

系统的输入动态范围为0~10Vpp，增益调节范围为0~95dB，步进可预置，也可手动连续调节，预置增益与实际增益误差小于2%。

系统还设置了输入信号的幅度测量功能。

关键词：功率放大高增益直流放大器低压差设计报告一、前言随着微电子技术的发展，人们迫切地要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。

于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。

而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。

由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们也对它的要求也越来越高。

直宽带放大器在科研中具有重要作用，宽带运算放大器广泛应用于A∕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。

例如在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。

因此宽带直流放大器应用十分广泛，有非常好的市场前景。

宽带直流能够放大直流信号或变化极其缓慢的交流信号，它广泛应用于自动控制仪表，医疗电子仪器，电子测量仪器等。

目前在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DBS)、ITS通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景，在光传输系统中，宽带直流放大器也同样占有重要地位。

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极大需求，且这些领域对宽带放大器要求各不相同，特别是在通信系统和电子战系统的应用中，对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有特殊要求。

在设计上传统窄带放大器的端口匹配，一般是按照低噪声或者共扼匹配来设计的，以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率。

但是，在宽带的条件下，输入∕输出阻抗变化是比较大的，此时使用共扼匹配的概念是不合适的。

这些电路要求运算放大器具有较高的频带宽度，电压增值。

为此，以可变增益放大器AD603为核心，设计一种可编程宽带运算放大器。

二、总体方案设计在本系统中，输入信号先经过50Ω阻抗匹配和前级放大，将幅值调理到AD603的输入范围内，然后采用AD603与后级电路相配合实现0-95dB范围内的增益控制。

使用继电器切换滤波器模块，实现5MHz、10MHz、15MHz的通带选择。

信号经过滤波器后一路送模拟峰值检波电路检出峰值，由ST89C52单片机控制增益步进；另一路经三档放大后送入由搭建的功率放大电路，驱动50Ω负载，最大输出电压有效值为10V。

图1 系统方案框图三、单元模块设计1、增益控制方案方案一：简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,为了满足增益60dB的要求,可以采用多级放大电路实现。

对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。

本方案由于大量采用分立元件,如三极管等,电路比较复杂,工作点难于调整,尤其增益的定量调节非常困难。

此外,由于采用多级放大,电路稳定性差,容易产生自激现象。

方案二：DAC控制增益。

如图1-2，输入信号放大后作为基准电压送给DAC的Vref脚，相当于一个程控衰减器。

再接一级放大，这两级放大可实现要求的放大倍数。

输出接到有效值检测电路上，反馈给单片机。

单片机根据反馈调节衰减器，实现AGC。

还可通过输入模块预置增益值，控制DAC的输出，实现程控增益。

但增益动态范围有限，故不采用。

图2 增益控制部分方案二示意图方案三：电压控制增益。

如图1-3，信号经缓冲器后进入可编程增益放大器PGA--AD603，放大后进入峰值测量部分，得出的峰值采样后送入单片机，再由DAC输出给AD603控制放大倍数，实现自动增益控制。

同时可通过输入模块设置增益值，控制DAC的输出，实现程控增益放大。

图3 增益控制部分方案三示意图综上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。

AD603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。

2、后级放大电路由于AD603的最大输出电压较小，不能满足题目要求，所以前级放大信号需经过后级功率放大达到更高的输出有效值。

方案一: 使用集成电路芯片。

使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。

可是题目要求输出10V以上有效值,而在电子市场很难买到这样的芯片,而且很容易发生工作不稳定的情况。

方案二: 使用分立元件设计后级放大器。

使用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看来较集成电路灵活。

因此,我们决定自行设计后级放大器。

3、有效值测量电路方案一：采用真有效值转换器件AD637测量，直接输出被测信号的真有效值。

这样可以实现对任意波形的有效值测量。

但AD637可测量的有效值最大为7V，不能满足发挥部分输入有效值大于10V的要求。

方案二：采用峰值检波测量。

采用峰值检波电路，检出峰值经A/D转换后由单片机转换为有效值。

电路简单可靠，但前提是信号是正弦波，否则误差较大。

考虑到本题要求测量的是标准正弦波，因此选择本方案。

4、自制电源方案方案一：线性稳压电路，其中包括并联型和串联型两种结构，并联型电路设计复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求高的场合；串联型电路比较简单，效率较高。

方案二：开关稳压电源，此方案效率高，但电路复杂，含有很多谐波，极易引入串扰。

综上所述，电源模块采用方案一中的串联型稳压电源，使用三端式稳压器，以此减小功耗、提高效率。

图4 直流稳压电源结构框图四、系统调试：1、放大电路设计前级使用高速电流反馈型运放THS3001实现两档放大，放大倍数分别为20倍和0.2倍，通道的切换由继电器实现。

AD603的2脚电压固定，1脚电压受16位电压输出型串口DAC芯片调节，实际测试得AD603的增益调节范围为-0.44dB~37.64dB。

AD603后接由低失真运放OPA842构成的2倍同相放大器，补偿后级滤波器的衰减。

为扩展增益范围，在后级增加了由THS3001和2.5倍衰减网络构成的三档放大，增益分别为0dB、-13.98dB、8.47dB。

增益的手动连续调节通过调节滑动变阻器，改变AD603的控制电压实现。

当前增益由单片机采样滑动变阻器滑动端的电压，送单片机计算得出。

设置ADC的输出范围为0~3.3V。

2、后级功率放大电路参考音频放大器中驱动级电路，考虑到负载电阻为（50±2）Ω，输出有效值大于10V，而AD603输出最大有效值在2V左右，故选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力。

选用低失真电流反馈型运放THS3091构成同相放大电路将信号放大2.8倍，THS3091输出电流为250mA（50Ω负载）。

再用三个THS3091并联提高后级驱动力，每个运放后串接2Ω的均流电阻，功放级与前级分别供电，对运放电源引脚就近接高频去耦电容，防止自激。

由于功放过程中发热厉害，会严重影响运放性能，因此应采用良好的散热措施。

将铝片固定在转接板背面散热，并加用风扇以获得更好的散热效果。

整个功放电路电压放大约10倍。

3、滤波器电路设计根据课题扩展指标要求，需满足3dB 通频带为0～5MHz 和0～10MHz 两种带宽要求。

由于本放大器带宽较宽，故设计了两组低通滤波器来满足课题要求。

本设计采用两组9阶切比雪夫低通滤波器，3dB 通频带为0～5MHz 和0～10MHz ，带内波动小于0.1dB ，可由单片机控制加以切换。

若选择旁路滤波器，则输出信号带宽大于20MHz 。

4、峰值检测部分取样回来的输出电压经过二极管和电容进行峰值检波,并经过高精度运算放大器进行衰减和保持后输入A/D 转换器转换为数字信号进行显示,这样精度可以得到保证,不过会有一定的管压降,使用检波用肖特基二极管大概会有0.2V 压降,完全可以通过单片机进行显示上的补偿。

5稳压电源电路设计直流稳压电源是电子设备中最基本、最常用的仪器之一。

它作为能源，可保证电子设备的正常运行。

直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路三部分组成。

整流电路部分电路中用了四个二极管，接成电桥形式，利用二极管的单向导电性，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。

滤波电路部分利用电容元件储能的特性，将整流后输出的电压的能量储存起来，然后缓慢的释放给负载。

尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。

稳压电路部分采用不同型号的三脚型稳压器，最终可以输出不同的电压值。

五、系统功能 1、系统软件设计 软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图六、设计总结：1、误差分析我们测量的误差主要来源是电磁干扰，由于试验场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，所以测量输入端短路时的噪声电压时随输入短接方式不同而有很大的误差。

2、设计总结本系统采用可编程增益放大器AD603，实现了增益连续可调，在0-9Mhz带宽范围内增益起伏≤1dB；同时，输出电压在一定范围内，波形无明显失真。

自制的基于DC/DC的直流稳压电源具有很高的效率。

本系统从方案设计，理论计算，实际制作，软硬件调试等方面进行了紧张而又认真仔细的工作，实现了宽带直流放大系统。

在理论设计计算方面，我充分运用了我所掌握的知识，力争做到更好。

但在实际制作过程中，经常会卡在一些小问题上，说明了我还是缺少实际的工程经验，导致加工工艺和板子的可靠性方面做得不是很好。

通过此次毕业设计，我获益匪浅，尤其对电子设计的整个制作流程和设计过程中遇到的问题有了深入的体会。

如果在设计与制作中利用数模隔离、电源隔离、滤波和去耦等技术，不但能有效减少噪声和干扰的影响,同时还能提高系统的稳定性。

在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题，导致整机会有一个50HZ的工频干扰。

改进措施是系统地线不能出现环路，所有地线最好一点接地，包括单片机的数字地和模拟地。

在方案实施过程中，由于时间比较紧，来不及制版，而实验板的结构受限，导致频率过高的时候会引入干扰。