毕业设计（论文）高频功率放大器

1、摘 要随着社会生产力的发展，人们迫切地要求在远距离随时随地迅速而准确地传送信息。于是，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而高频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。如在发射设备中，就要用高频功率放大器将信号放大到所需的发射功率；在接收设备中，就要高频小信号放大器将非常微弱的信号放大。由此可知，高频放大器在通信系统中起着非常重要的作用，于是人们对它的要求也越来越高。该题目的基本要求是：3dB通频带为10kHz6MHz；基本增益为40dB，可步进调节，步进间隔为6dB；可预置增益值，并显示；最大输出电压3V；输入阻抗1k；负载电阻为600；单端输入、单端输出。此要求并不

2、难，有多种方案可以实现，如：采用场效应管作增益控制，高电压输出的集成运放作功率放大，高速ADC对电压进行采样并计算有效值；采用可编程放大器作增益控制，分立元件实现功率放大，用集成真有效值变换芯片测有效值输出；利用可编程增益放大器作增益控制，分立元件实现功率放大，用二极管包络检波法进行峰值检波计算有效值等等。我们选用了第三种方案进行设计。本设计也就是一个宽带放大器，利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。输入部分采用高速电压反馈运放OPA642作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗

3、干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。功率输出部分采用分立元件制作。整个系统通频带为1KHz5.5V时，AGC控制范围为66dB。关键词：高频 宽带 放大器 高频放大器 宽带放大器目 录1 前言 . 11.1 放大器的发展 . 11.2 放大器的分类 . 11.3 放大器的主要技术指标 . 21.4 本设计指标要求 . 32 方案论证与比较 . 32.1 增益控制部分 . 32.2 功率输出部分 . 52.3 测量有效值部分 . 52.4 自动增益控制 . 62.5 系统整体框图 . 63 理论分析与参数计算 . 63.1 AD603简介 .63.1.1 AD603的主要特点 .63.1.2 AD

4、603的工作原理 .73.1.3 AD603应用要点 .83.2 电压控制增益的原理 . 83.3 AGC的介绍 .83.3.1 AGC的工作原理 .83.3.2 AGC的性能指标 .93.4 正弦电压有效值的计算 . 94 系统各模块电路的设计 . 94.1 输入缓冲和增益控制部分 . 9 输入缓冲部分 . 10 增益控制部分 . 104.2 功率放大和峰值检波 . 11 功率放大部分 . 11 峰值检波部分 . 124.3 系统控制部分 . 13 单片机 . 134.3.2 A/D转换部分 .144.3.2.1 A/D芯片选取 .14.2 ADC0832简介 .154.3.2.3 A/D模

5、块的电路原理 .16 D/A转换部分 .17.1 D/A芯片选取 .17.2 TLC5620简介 .19.3 D/A模块的电路原理 .21 显示部分 . 214.4稳压电源部分 .225 软件部分设计 . 235.1 A/D模块程序设计 .235.2 D/A模块程序设计 .255.3 显示模块程序设计 . 266 高频电路抗干扰措施 . 267 系统调试与测试结果 . 267.1 测试方法 . 267.2 测试数据 . 277.3 数据误差分析 . 288 总结 . 28致谢 . 29参考文献 . 30英文摘要 . 31附录一 . 32附录二 . 46毕业论文（设计）成绩评定表1 前言 放大器

6、的发展众所周知，放大器是音响、有线电视、无线通信等系统中必不可少的设备。现在，让我们伴随着音响的发展来看看放大器的发展吧。自1877年爱迪生发明留声机至今已有127年了，前70年音响发展缓慢且大多停留在象牙塔中，后50余年进入民间，发展日新月异。自从1927年贝尔实验室发表了划时代的负反馈技术后，声频功率放大器开始进入一个崭新时代。1947年，威廉逊（Williamson）在英国无线电世界发表了划时代的高保真放大器设计一文，介绍了一种电子管功率放大器，成功地应用了负反馈技术，其失真度仅为%，音色之靓，堪称古典功放之皇。自威廉逊的论文发表后4年，美国Audio杂志刊登了把超线性放大器经过适当变形

7、后与威廉逊放大器相结合的电路。其超线性设计，大大地降低了非线性失真。可以认为威廉逊放大器和超线性放大器标志着负反馈技术在音频领域中的应用已经日趋成熟和广泛，为十年后脱颖而出的晶体管放大器奠定了坚实基础。60年代，晶体管开始问世，从此揭开了现代放大器的序幕。19701973年，是级间全部直耦OCL（Output Capacitorless）方式的普及期；19741976年是DC（Digital Circuit）放大器全盛时期。70年代末至今，晶体管功率放大器得到了淋漓尽致的发挥，设计形式已相当多，这一切都为集成电路功放技术设计铺平了道路。50年代末，美国在电子器件技术领域率先跨出一步，推出了时代

8、骄子集成电路。到了60年代末70年代初，集成电路以其质优价廉、多功能的特点开始在音频功率放大器上广泛应用。1977年，日立公司生产出了世界上第一只VMOS（Vertical Metal Oxide Semiconductor）功率管。从此来看，放大器经过了电子管、晶体管、集成电路及VMOS功率管等几个时期，它们皆以各自独特的不可取代的优势各领风骚。1.2 放大器的分类（1）按照所用器件可分为晶体管、场效应管和集成电路放大器；（2）按照通过频谱的宽窄可分为窄带和宽带放大器；（3）按照电路形式可分为单级和级联放大器；（4）按照所用负载性质可分为谐振和非谐振放大器；（5）按照放大器的功能可分为普通型

9、放大器、自动增益控制AGC（Automatic Gain Control）放大器、自动增益自动斜率控制放大器、前馈放大器、单向放大器、双向放大器等。1.3 放大器的主要技术指标（1）带宽放大器的带宽是放大器能正常工作的输入信号的频带宽度。（2）频响放大器对信号增益与频率的关系叫放大器的幅频，也叫频响。通俗的讲频响就是指带内平坦度，是在工作频带内各频率点电平相对于其准频率点电平变化量，以分贝表示，取最大变化量。（3）增益放大器的输出电压与输入电压之比称为放大器的增益或放大倍数，用Gp表示。通常用分贝（dB）计算，其公式为：Gp = 20lg（V2/V1），Gp（dB）= V2 - V1式中：V1

10、放大器的输入电平值； V2放大器的输出电平值。（4）噪声系数放大器的噪声性能可用噪声系数（NF）来表示，它是衡量放大器内部杂波的一个指标，表示放大器输入端信噪比相对于输出端信噪比的倍数，以dB计算，NF =（Sin/Nin）/(Sout/Nout),式中Sin/Nin，Sout/Nout分别表示放大器输入和输出信噪比。在放大器中，总是希望噪声系数本身产生的噪声愈小愈好，即要求噪声系数接近1。（5）抑制比放大器对干扰的抑制能力通常称为对干扰的抑制比，表示为：d = Av0/Av，式中：Av0谐振点f0的放大倍数； Av电路对干扰信号的放大倍数；d放大器对干扰的抑制比，单位为dB。（6）工作稳定性

11、工作稳定性是指放大器的工作状态（直流偏置）、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定程度。（7）最大输出电平每个放大器都有一个线性使用范围，其输出电平是有特定的限额值的，当输出电平过大超出线性范围时，信号就会产生失真。放大器的最大输出电平通常是指满频道输入时无失真输出的最大输出电平，放大器的最大输出电平越高，说明放大器的放大特性越好。以上这些技术指标要求，相互之间既有联系又有矛盾。例如增益和稳定性等，因此，设计时应根据要求决定主次，相互配合好。1.4 本设计指标要求现将宽带放大器需要满足的技术指标整理如下：（1）带宽 3dB通频带为10kHz6MHz，可以扩展。（2）

12、增益 最小值为10dB，基本指标为40dB，最大值60dB；可步进调节，在1058dB范围内，步进间隔为6dB，要求更高时，步进间隔为2dB；可预置增益值，并显示；预置增益值与实测增益值的误差要求：在步进间隔为6dB时，误差小于2dB；在步进间隔为2dB时，误差小于1dB；Vo5.5V范围内，AGC范围20dB。（3）最大输出电压幅度（有效值） 基本要求3V；扩展要求6.5V；数字显示正弦电压有效值。（4）输入阻抗1k；负载电阻为600；单端输入、单端输出。（5）自制放大器所需的稳压电源。对题目要求作了如上整理后，在作总体方案设计时，至少有三点思路易于明确：器件必须选择宽带、低噪、增益可程控放

13、大的器件，且这类器件必须从新型的高速宽带运算放大器中去寻找，分立元件很难奏效。硬件系统根据最大输出电压幅度和最大增益要求，可分为3级、2级或1级来实现，每级的增益分配都不会太大，易于实现。增益指标这一项，内容较复杂，但主要都是依靠编程技术来完成。2 方案论证与比较2.1 增益控制部分方案一 原理框图如图1所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对V的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。AGC检波+RV输入高频放大高频放大图1 方案一原理框图方案二 采用可编程放大

14、器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。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。方案三 使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制，如图2所示。用电压控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。根据题目对放大电路的增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现，如可变增益运放AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯

15、型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并控制D/A芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。此外AD603能提供由直流到90MHz的工作带宽，单级实际工作时可提供超过30dB的增益，两级级联后即可得到60dB以上的增益。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。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

16、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。D/A单片机D/A测有效值输入缓冲GVPGAPA图2 方案三原理框图2.2 功率输出部分根据题目要求，放大器通频带从10KHz到6MHz，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到6V有效值输出难度较大，而用高电压输出的运算放大器来做又很不现实，因为市面上很难买到宽带功率运算放大器。这时候采用分立元件就能显示出优势来了。2.3 测量有效值部分方案一 利用高速ADC对电压进行采样，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：。此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样难且计算量大，增加了

17、软件难度。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，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。但它可测量的信号有效值最高只有7V，当输出为最大到8V有效值的电压时，AD637工作将不正常，并且，随着频率的不同，AD637的工作状态会有所不同。方案四 采用二极管和电容将采样回来的电压进行峰值检波，并经过高精度运放进行衰减和保持后输出，这样精度可以得到

18、保证，不过会有一定的管压降，但完全可以通过单片机进行显示上的补偿。综上所述，我们选用方案四，采用检波用IN60二极管和高精度运放OP07，只有0.2V压降，误差也不超过0.5%。2.4 自动增益控制（AGC）利用单片机根据输出信号幅度调节增益。输出信号检波后经过简单2级RC滤波后由单片机采样，截止频率为100Hz。由于放大器通频带低端在1KHz，当工作频率为1KHz时，为保证在增益变化时输出波形失真较小，将AGC响应时间设定为10ms，用单片机定时器来产生10ms中断进行输出有效值采样，增益控制电压也经过滤波后加在可变增益放大器上。AGC控制范围理论上可达05.5V时，AGC范围约为70dB，

19、而当输出为22.5V时，AGC范围可达80dB。2.5 系统整体框图该系统的整体框图如图3所示。峰值检波30MHz宽带放大单片机A/DD/A液晶显示PGAPGAPA输入缓冲90MHz宽带放大输入端输出端图3 系统整体框图3 理论分析与参数计算3.1 AD603简介3.1.1 AD603的主要特点AD603是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪声、90MHz带宽增益可调的集成运算放大器，而且以分贝表示的增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/us。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11+30dB时具有带宽90MHz，增益在+9+41dB时具有带宽9MHz，根据管脚间连接电阻的不

20、同，可使增益落在上述范围之间。3.1.2 AD603工作原理AD603内部结构框图如图4所示。它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图4 AD603内部结构框图AD603各个管脚的定义由表1列出。图4中加在梯型网络输入端（VINP）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电压所决定的，图4中所示的“滑动臂”从左到右是可以连续移动的。 当脚5和脚7短接时，AD603的增益可由下式来计算： 增益Gp（dB）= 40Vg + 10 （1）式（1）中，增益的范围在-10+30dB，Vg的单位为V。当脚5和脚7断开时，增益公式为： 增益Gp（dB）= 40

21、Vg + 30 （2）式（2）中，增益的范围为10+50dB。 如果脚5和脚7接电阻，增益范围在两者之间。表1 AD603管脚描述脚号 符号 功能1 GPOS 增益控制输入正端2 GNEG 增益控制输入负端3 VINP 运放输入4 COMM 运放公共端5 FDBK 反馈端6 VNEG 负电源输入7 VOUT 运放输出8 VPOS 正电源输入3.1.3 AD603应用要点AD603应用中要注意以下几点：（1）供电电压一般选为5V，最大不得超过7.5V。（2）5V供电情况下，加在输入端VINP的信号额定电压有效值为1V，峰值为2V，因此要扩大测量范围，AD603的前面必须加一级衰减；输出电压峰值的

22、典型值可达3V，因此，AD603后面通常要加一级放大才能接AD转换器。（3）电压控制端所加的电压必须非常干净，否则将使增益不稳定，从而增加放大信号的噪声。（4）信号地须直接连在放大器的脚4，否则由于大的阻抗将引起放大器精度的降低。3.2 电压控制增益的原理由上述介绍可知，AD603的基本增益为：Gain（dB）= 40Vg+10，其中，Vg是差分输入电压，单位是V，Gain是AD603的基本增益，单位是dB。从此式可以看出，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地实现。但若要用放大倍数来表示增益的话，则需将

23、放大倍数经过复杂的对数运算转化为以dB为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差。3.3 AGC的介绍3.3.1 AGC的工作原理AGC是自动增益控制电路的简称，是接收机的控制电路之一。接收机工作时，其输出功率是随着外来信号场强的大小而变化的。当外来信号场强大时，接收机输出功率大；当外来信号场强小时，输出功率小。但我们希望接收机输出电平变化范围尽量小，避免过强的信号使晶体管和终端器件过载，以致损坏。因此，在接收弱信号时，希望接收机有很高的增益，而在接收强信号时，接收机的增益应减小一些。这种要求只靠人工增益控制来实现是困难的，必须采用AGC电路，使接收机的增益随输入

24、信号强弱而自动变化。由此可知，自动增益控制电路的作用是，当输入信号电压变化很大时，保持接收机输出电压恒定或几乎不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益控制电路不起作用。而当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益减小。这样，当接收信号强度变化时，保证输出信号基本稳定。3.3.2 AGC的性能指标 AGC电路的主要性能指标有两个，一是动态范围，二是响应时间。（1）动态范围 AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。所以当电路达到平衡状态后，仍会有电压误差存在。从对AGC电路的实际要求考虑，一方面希望输出信号振幅的

25、变化越小越好；另一方面也希望允许输入信号振幅的变化范围越大越好。因此，AGC的动态范围是在给定输出信号振幅变化范围内，允许输入信号振幅的变化范围。由此可见，AGC电路的动态范围越大，性能越好。（2）响应时间 AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化的限制，而增益变化又取决于输入信号振幅的变化，所以要求AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间特性。3.4 正弦电压有效值的计算由于输入输出是标准的正弦信号，峰值检波电压值根据经验公式：Vmax2Vrms，其中，Vmax为信号峰值电压，Vrms为信号有效值。4 系统各模块电路的

26、设计4.1 输入缓冲和增益控制部分由于AD603的输入电阻只有100的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；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。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时输入端加上二极管过压保护。输入缓冲和增益控制电路如图5所示。图5 输入缓冲和增益控制电路 输入缓冲部分。OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。实际上，输入信号基本上没有被放大，OPA642只是用于缓冲。输入输出端口Vin、Vout由同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频的信

27、号。 增益控制部分增益控制部分装在屏蔽盒中，盒内采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容、电阻采用贴片封装，是得输入级连线尽可能短。该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的那种，通频带为90MHz，增益为1030dB，输入控制电压U的范围为0.5V。图6为AD603接成90MHz带宽的典型方法。增益和控制电压的关系为Gp（dB）=40U+10，一级的控制范围只有30dB，使用两级串联，增益为Gp（dB）=40U1+40U2+20，增益范围是2060dB，满足题目要求。 图6 90MHz带宽的典型接法由于两级放大器电路幅频响应曲线相同，所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各

28、级带宽为90MHz左右，两级放大器电路串联后总的3dB带宽对应着单级放大电路1.5带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz。4.2 功率放大和峰值检波 功率放大部分功率放大如图7所示。图7 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600，输出有效值大于6V，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，如果需要更大的驱动能力则需要在后级增加三极管跟随器，实际上加上跟随器

29、后通频带急剧下降，原因是跟随器的结电容被等效放大，当输入信号频率很高时，输出级直流电流很大而输出信号很小。使用两级放大已足以满足题目的要求。选用NSC的2N3904和2N3906三极管（特征频率fT250300MHz）可达到25MHz的带宽。整个电路没有使用频率补偿，可对DC到20MHz的信号进行线性放大，在20MHz以下增益非常平稳，为稳定直流特性。我们将反馈回路用电容串联接地，加大直流负反馈，但这会使低频响应变差，实际上这样做只是把通频带的低频下限频率从DC提高到1kHz，但电路的稳定性提高了很多。该部分电路放大倍数为：AG1+R8/R7，整个功放电路电压放大约10倍。通过调节R12来调节

30、增益，根据电源电压调节R11调节工作点。 峰值检波部分峰值检波电路如图8所示。图8 峰值检波电路该部分电路采用了二极管峰值包络检波的原理。大信号的检波过程，主要是利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程。只要适当选择RC和二极管，就可使C两端的电压的幅度与输入电压的幅度相当接近，即传输系数接近1。因此本设计采用专用于检波的IN60二极管。图中R1为负载电阻，它的数值较大；C1为负载电容，它的值应选取得在高频时，其阻抗远小于R1，可视为短路，而在调制频率（低频）时，其阻抗则远大于R1，可视为开路。此时，经功率放大器放大输出的高频信号（输入信号）的电压较大。由于负载电容C1的高频阻抗很小

31、，因此高频电压大部分加到二极管上。在高频信号正半周，二极管导电，并对电容器C1充电。由于二极管导通时的内阻很小，所以充电电流很大，使电容器上的电压在很短时间内就接近高频电压的最大值。这个电压建立后通过信号源电路，又反方向地加到二极管D的两端。这时二极管导通与否，由电容器C上的电压和输入信号电压共同决定。当高频电压由最大值下降到小于电容器上的电压时，二极管就截止，电容器就会通过负载电阻R放电。由于放电时间常数RC远大于高频电压的周期，故放电很慢。当电容器上的电压下降不多时，高频第二个正半周的电压又超过二极管上的负压，使二极管再次导通。在此短时间内又对电容器充电，电容器上的电压又迅速接近第二个高频

32、电压的最大值。这样不断地循环反复，就可在正弦输入信号的峰值位置得到一条直线的波形，达到检波的目的。经采样后的信号通过高精度运放OP07衰减和保持后送入单片机系统计算并显示有效值。4.3 系统控制部分这部分就像人的大脑，控制着整个电路的运行。由于单片机体积小、功能齐全、使用灵活、价格低廉，在智能化仪器仪表中得到广泛应用，于是这部分选用单片机来控制。它主要由单片机、A/D、D/A、显示部分和基准源五部分组成。图9为控制部分框图。 A/D单 片 机D/A液晶显示减法电路精 密 基 准 源 图9 控制部分框图 单片机单片机是整个放大器系统控制的核心部分，这里选用51系列单片机。它主要完成以下功能：接收

33、用户按键信息以控制增益；接收峰值检波电路的反馈电压以计算输出有效值，并传送给液晶显示屏显示；对AD603的增益控制电压进行控制。它的程序流程图如图10所示。 系统初始化输出控制电压显示预置增益值、电压有效值有按键？AGC取消AGC判断键码增益减少增益增加NY图10 单片机程序流程图4.3.2 A/D转换部分4.3.2.1 A/D芯片选取ADC（Analog-Digital Converter）是A/D转换器的简称。ADC的技术指标是正确选用ADC芯片的基本依据，也是衡量ADC质量的关键问题。ADC的主要技术指标如下：（1）分辨率(Resolution) 指输出数字量变化一个相邻数码时模拟电压的

34、变化量，定义为满刻度与2n的比值，其中n为ADC的位数。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。（2）量化误差(QuantizingError) 是指由ADC的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率ADC的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率ADC的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。（3）转换速率(ConversionRate) 就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需的时间，则是转换速率的倒数。（4）满刻度误差(FullScaleError) 是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。（5）偏移误差(OffsetError) 是指输入信号为零时

35、输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。（6）线性度(Linearity) 是指转换器实际的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括上述三种误差。其他指标还有：绝对精度(AbsoluteAccuracy)，相对精度(RelativeAccuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（TotalHarmonicDistotortion缩写THD）和积分非线性等。用于A/D模数变换的IC芯片有不少，如价格适中、并行输入的ADC0809，串行输入的AD574A和ADC0832等。在选取芯片时，既要依据上述的技术指标，又要考虑实用性和经济性，即性价比要高，并且要结合实际电路的需要。经过市场的调查

36、，ADC0832的价格适中，普遍使用，并且占用单片机的端口不多，于是本设计选用了ADC0832这个型号。.2 ADC0832简介ADC0832是8位逐次逼近模数转换器，使用采样-数据-比较器的结构。与TLC0832可以代换它有两个可多路选择的输入通道。串行输出可配置为和标准移位寄存器或微处理器接口，其多路器可用软件配置为单端或差分输入，差分的模拟电压输入可以抑制共模电压，但输入基准电压不可以调整大小，在内部已经连到VCC。ADC0832的性能是：8位分辨率；易于和微处理器接口或独立使用；用5V基准电压；多路器选择的双通道；可单端或差分输入选择；单5V供电，输入范围O5V；输入和输出与TTL和C

37、MOS兼容；在Fclock250KHz时，转换时间为32us；总非调整误差为1LSB。ADC0832为8脚双列直插式封装，引脚如图11所示。其中，CH0、CH1：组合选择通道（如表2）；CS：片选信号，低电平有效；DO：数据转换。图11 ADC0832引脚图表2 ADC0832多路器的控制逻辑多路器地址 通道号 SG OD CHO CH1 L L + - L H - + H L + GND H H GND +4.3.2.3 A/D模块的电路原理该部分的电路图如图12所示。该部分的主要作用是将经峰值检波电路采样-衰减-保持后输出的模拟信号转换成数字信号，然后传送给单片机计算有效值。在51系列单片

38、机的作用下，ADC0832的启动和转换可以由软件自由控制。其转换过程为：（1）片选 置CS为低电平方能启动转换，使所有逻辑电路使能。此时，DO端为高阻，DI端等待指令。（2）起始 紧接着使DI端输出第一个逻辑高，表示起始位。ADC0832的输入配置在多路器寻址时序中进2起始 紧接着使DI端输出第一个逻辑高，表示启始位。（3）配置 紧接的两位是ADC0832的配置位。在连续的两个时钟的上升跳变沿，两位配置位移入移位寄存器，即由单片机向CLK端输出ADC0832一个转换周期的第二、第三个脉冲。第一位0表示单通道差分输入，1表示双通道单极性输入；第二位表示单通道差分输入时的极性选择或者是表示双通道单

39、极性输入时的通道选择。（4）转换 当起始位和两位配置位移入地址移位寄存器后，转换便开始。即第三个脉冲的下降沿转换开始，同时DI端转为高阻状态，DO端脱离高阻状态，为输出数据做准备。由此可见,ADCO832的DI端只在多路器寻址时被检测，此时DO端为高阻状态，在转换过程中DO端脱离高阻状态，此时DI端和多路器的移位寄存器是关断的。因此，DI和DO端可以连在一起，通过一根线连到处理器的一个双向1O口进行控制。（5）读取 第三个脉冲之后，接着由单片机向CLK端输出第四个脉冲，在第四个脉冲的下降沿，处理器即可读取DO端的第一位数据。然后以此类推，分别读取以下几位，即第4至第11个脉冲，共读取8位数据。

40、ADCO832在输出端以最高位（MSB）开头的数据流后，又以最低位（LSB)开头重输出一遍数据流,最低位共用。结束转换，置CS高电平。图12 A/D模块电路图 D/A转换部分.1 D/A芯片选取1、D/A转换器的主要技术指标 DAC（Digital Analog Converter）是D/A转换器的简称。DAC技术指标是选用DAC芯片型号的依据，也是衡量芯片质量的重要参数。DAC的主要技术指标如下：（1）分辨率(Resolution) 指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为1）与最大量（对应数字量所有有效位为1）之比。（2）线性度（Linearity） 是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之

41、间的最大偏差。（3）建立时间(SettingTime) 是指将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度，而不是AD中常用的转换速率。一般地，电流输出DA建立时间较短，电压输出DA则较长。（4）偏移量误差（Offset Error） 是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。2、D/A转换器比较D/A转换器的内部电路构成无太大差异，一般按能否作乘法运算、输出是电流还是电压等进行分类。以下列出几种类型以作比较：（1）乘算型（如AD7533）D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输

42、入相乘的结果而输出，因而称为乘算型D/A转换器。乘算型D/A转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。（2）一位D/A转换器一位D/A转换器与前述转换方式全然不同，它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出(又称位流方式)，用于音频等场合。（3）电压输出型（如TLC5620）电压输出型D/A转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DA转换器使用。（4）电流输出型(如THS5

43、661A)电流输出型D/A转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流电压转换，二是外接运算放大器。用负载电阻进行电流电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高，所以一般外接运算放大器使用。用于D/A数模变换的IC芯片有不少，在选取芯片时，既要依据上述的技术指标，又要考虑实用性和经济性，即性价比要高，并且要结合实际电路的需要。经过多方面的考虑，本设计选用了TLC5620这个型号。.2 TLC5620简介TLC5620是美国德州仪器公司生产、单电源供电的串联型8位D

44、/A转换器(DAC),它有四路各自独立的电压输出D/A转换器,具备各自独立的基准源,其输出还可编程为2倍或1倍。在控制TLC5620时,只要对该芯片的DATA、CLK、LDAC、LOAD端口进行操作即可，其引脚图和内部结构框图分别如图13和图14所示。图13 TLC5620的引脚图图14 TLC5620的内部结构框图TLC5620命令字为11位,其中8位是数字量,另2位是DAC通道选择,1位是增益选择。其内部寄存器具有双缓冲器,在更新各通道的数据量后,其输出通过LDAC控制，可同时将其命令格式更新成第一位、第二位为A1、A0，第三位为RNG即可编程序放大输出倍率，第四位到第十一位分别为8位数据

45、。最高位在前，最低位在后。其时序波形见图15。转换器的通道取决于A1、A0的值，如表3所示。图15 TLC5620的工作时序图表3 串行输入译码A1 A0 D/A输出0 0 DCAA0 1 DCAB1 0 DCAC1 1 DCAD 对于每一位输出，其输出电压的表达式为：Vout=VREFCODE/256(1+RNG) 式中,VREF为基准电压输入,CODE为数字量,其范围为0255。RNG为0或1。它的输出电压如表4。表4 理想转换输出D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 OUTPUT VOLTAGE 0 0 0 0 0 0 0 0 GND 0 0 0 0 0 0 0 1 （1/25

46、6）REF（1+RNG） 0 1 1 1 1 1 1 1 （127/256）REF（1+RNG） 1 0 0 0 0 0 0 0 （128/256）REF（1+RNG） 1 1 1 1 1 1 1 1 （255/256）REF（1+RNG）.3 D/A模块的电路原理这部分也可称为控制电压模块，其原理是根据用户对增益的设置，由单片机查表得到对D/A转换器的控制字串，并输出给D/A转换器以产生精确的控制电压来控制AD603的增益。电路原理图如图16所示。图16 D/A模块原理图 显示部分这一部分采用LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示模块。字符型液晶显示模块是一类专门用于

47、显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。在显示器件的电极图形设计上，它是由若干个5*7或5*11等点阵字符位组成。每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符之间空有一个点距的间隔起到了字符间距和行距的作用。一般，字符LCD模块的控制器为日本日立公司的HD44780及其替代集成电路，驱动器为HD44100及其替代的兼容集成电路。LCD的内部结构可以分为三个方块来说明：一为LCD控制器，二为LCD驱动器，三为LCD显示装置，如图17所示。LCD与微处理机（Micro Processor Unit,简称MPU）之间是利用LCD的控制器（Controller）进行沟通，目前大部分的点矩阵LCD的

48、控制器都使用一颗编号为HD44780的集成电路为控制器。 图17 LCD的内部结构本设计主要显示最大输出电压有效值和预值增益值，本该可以使用LED大屏幕显示，但结合实际情况，我们采用LCD液晶显示。该部分的电路原理图如图18所示。图18 LCD显示原理图4.4 稳压电源部分电源作为放大器的能量供应部分，在整个放大器电路中起着举足轻重的作用，好的电源能够使放大器的作用发挥得更出色。这部分设计采用了市场上通用的LM317（可调）、LM337（可调）、7805、7815、7915和7905这些三端稳压管做成的，可以给整个系统提供15V直流、5V直流和连续可调30V直流。系统的数字部分和模拟部分用电感

49、隔离，具体电路如图19所示。图19 稳压电源电路图5 软件部分设计由于本设计只要求控制步进增益和显示最大输出电压有效值及预置增益值，因此，软件部分设计并不是很复杂，其中只有用查表来控制D/A输出准确的控制电压较复杂。该系统的程序设计主要分为三部分，即A/D转换部分、D/A转换部分和LCD液晶显示部分。这三部分的程序都可以用执行效率比较高的汇编语言或通俗易懂的C语言来完成。由于C语言相对来说比较直观，故此选择C语言进行编程。其总体程序见附录。5.1 A/D模块程序设计 由于ADC0832直接可以利用的程序很少，必须找出相关的资料进行参考，以下是找到的部分C语言的资料。串行8位ADC TLC083

50、1或TLC0832的C语言源程序#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit adcdo=P15;sbit adccs=P16;sbit adcclk=P13;void delay1(uchar x);uchar readadc(void);void adcck(void);void delay1(uchar x) uchar i; for(i=0;ix;i+); void adcck(void) adcclk=1; delay1(2); adcclk=0; delay1(

51、2); uchar readadc(void) uchar i;adccs=0; adcck(); ch=0;for (;adcdo=1;) adcck();for (i=0; i8; i+) adcck(); ch=(ch1)|adcdo; adccs=1;return(ch);由于TLC0832与ADC0832都是串行输入的IC,在程序上也有共同的地方,但是TLC0832并不象ADC0832那样需要选择通道,所以在程序上也没有那么的复杂,虽然是与ADC0832兼容。但在操作上还是有不同点,经观察, for (i=0; i8; i+) adcck(); ch=(ch1)|adcdo; 这是A

52、D转换的重要点,但是必须由ADC0832的时序图写出通道选择的程序。然后，慢慢调试程序，直到适合本系统。5.2 D/A模块程序设计由于TLC5620的程序设计中并没有像ADC0832那样要进行通道选择。而且能比较容易的找到TLC5620的参考资料，但是由于是针对不同的电路来编写程序的，所以必须要对程序进行修改，纠正，以符合本系统的需要。TLC的C语言参考资料如下：/DA TLC5620#include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit dacload=P10;sbit daccl

53、k=P11;sbit dacdata=P12;void delay1(uchar x);void writedac(uchar x);void dacck(void);void delay1(uchar x) uchar i; for(i=0;ix;i+); void dacck(void) dacclk=1; delay1(2); dacclk=0; delay1(2); void writedac(uchar x) uchar i;ch=x; dacload=1;dacdata=0; dacck(); dacdata=0; dacck(); dacdata=1; dacck();for (

54、i=0; i8; i+) ch=ch1; dacdata=CY; dacck(); dacload=0; delay1(2); dacload=1; delay1(2);5.3 显示模块程序设计 由于该部分使用LCD液晶显示，而LCD液晶附带的说明书里有部分的程序实例，可作参考，且以前课程设计也用过液晶显示，比较熟悉了，于是我们调用了以前调试好的程序（见附录一）。6 高频电路抗干扰措施宽带放大器是高频放大器的一种，属于高频电路，且该系统总的增益为080dB，前级输入和增益控制部分增益最大可达60dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声的影响。于是可以采用下述方法减少干扰，避免自

55、激：（1）将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激。（2）电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功率放大输出级采用隔离供电，各部分电源通过电感隔离，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000F电解电容，盒内接高频瓷片电容，通过这种方法可避免低频自激。（3）所有信号耦合可用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。（4）可构建闭路环。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。在增益控制部分和后级功率放大部分也可采用此方法。在功率级，此法可以有效地避免高频辐射。除此方法外，还可以将增益控制部分和后级功率放大部分电路焊在直接接地的附铜板上，采用多点就近接地和

56、大面积地的方法。（5）数模隔离。数字部分和模拟部分之间除了电源隔离外，还将各控制信号用电感隔离。（6）使用同轴电缆。输入级和输出级两端都使用BNC接头，用同轴电缆输入和输出，输入级和功率级之间也用同轴电缆连接。如果上述的抗干扰措施都做得比较好，那么在1kHz20MHz的通频带范围和080dB增益范围内都没有自激且噪声系数很小，即整个系统的抗干扰能力较强，输出比较准确和稳定。7 系统调试和测试结果7.1 测试方法将各部分电路连接起来，使用信号发生器和示波器进行测试。先调整0dB使输出信号幅度和输入信号幅度相等，然后接上600的负载电阻进行整机测试。7.2 测试数据 以下是使用实验室EE1642B

57、型函数信号发生器和示波器等仪器测得的一组经典数据,如表5、表6、表7所示（详细数据见制作部分）。表5 频率特性测试数据频率（kHz） ViP-P（mV） VOP-P（V） 增益（dB）表6 步进增益误差测试数据预置增益（dB） ViP-P（mV） VOP-P（V） 实际增益（dB） 误差（dB） 50 10 3.15 50.0 0表7 AGC控制测试数据 ViP-P（mV） VOP-P（V） 增益（dB） 10 5.10 57 6 5.08 62 4 4.90 66 3 4.92 687.3 数据误差分析 这次测量的误差主要来源是电磁干扰，由于实验室里有较多的仪器使用开关电源，电磁噪声较大，还

58、有电路本身的内部噪声以及使用的同轴电缆屏蔽效果并不很好，所以测量的数据存在一定的误差。8 总结 从指标来看，本设计各方面的指标都达到或超过了题目的要求。它由三个模块电路构成：前级放大、末级功放和单片机显示与控制。理论上，整个系统可以将频率为1kHz5.5V时，AGC控制范围为66dB。其中，预置增益和输出电压有效值可通过液晶显示出来。由于函数信号发生器只能产生频率为10MHz以内的信号，所以并没有测试到频率为10MHz以上的数据。实际制作中，整个系统的通频带为1kHz20MHz，但可能由于电路元件的问题，频率为10kHz以下的信号输出波形有点模糊，出现了一点纹波；由于软件设计，其最小增益为1d

59、B，最大增益为70dB，步进间隔为1dB；还有由于屏蔽措施做得不太好和焊工问题，系统受到了外部及内部的干扰，使信号不稳定，液晶显示也不稳定。除了上述以外，其他指标都达到了设计的要求。可见，这次设计虽然还存在着一些问题，有待改进，但总的来说，也算是比较成功，令人满意的。 本毕业设计主要是运用模拟电子线路的知识，让我在走向社会前重温及稳固了大学里所学的专业知识。我除了负责该系统的总体设计外，还参加了一部分硬件制作，让我懂得高频电路的接地对整个系统的稳定性起着重要的作用，要让各元件就近接地及大面积接地等。总的来说，这次设计让我受益良多，锻炼了自己动手解决问题的能力，还学会了怎样与别人分工合作。致 谢

60、本设计是在某某老师的指导下完成的。尽管某某老师事务繁忙，但他仍然在百忙中抽时间来指点我们。某某老师很关心我们的进度，他每个星期都会抽出一个早上的时间来跟我们见面，了解我们的进度和帮我们解决一些困难，有时还给我们提供一些市场上比较难找的元器件。有几次，我们都是晚上才去找某某老师，他依然很热情、很有耐心地帮我们解决问题。某某老师每一次的提点，都让我们茅塞顿开，恍然大悟，就像在黑暗的道路上，突然出现了一盏明灯引路似的，让我们朝着正确的方向走和使我们的进度大大地加快。在设计的过程中，我们还得到了很多同学的帮助，特别是某某同学；在制作的过程中，管理实验室的某某老师也给予我们很大的方便。非常感谢你们的帮助