基于AT89C52单片机的宽带直流放大器.docx
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基于AT89C52单片机的宽带直流放大器.docx
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基于AT89C52单片机的宽带直流放大器
目录
1引言3
1.1设计要求3
2系统设计与选择3
2.1总体方案设计3
2.2控制器的选择4
2.3显示模块的选择4
3硬件电路设计5
3.1前置放大电路5
3.2中间级放大电路5
3.2.1固定增益模块6
3.2.1增益控制模块6
3.3末级功率放大7
3.4各级增益控制8
3.5通频带选择网络9
4系统测试10
4.1测试条件与测试仪器10
4.2测试数据10
5总结10
6参考文献11
7附录11
7.1附录111
7.2附录212
宽带直流放大器
摘要
本设计为宽带直流放大器,主要由前级放大模块、可控增益放大模块、带宽预置模块、功率放大模块以及显示模块和电源模块构成,该系统采用STC89C52单片机为控制核心,结合8位并行D/A芯片DAC0832、可编程增益运放AD603以及前级增益放大OPA620和功率放大D669A和B649A等构成,组成了可控增益宽带直流放大器。
该电路系统增益调节范围为0~62dB,步进间距为5dB,频带为0~10MHz,输出电压有效值为10V,矩阵键盘预置增益值步进。
关键字STC89C52单片机宽频带功率放大器
1引言
在现代电子设备、通讯设备和科研生产中常需要利用放大电路将传感器输出的微弱信号进行提取、放大。
只有将信号放大到一定程度才能满足后级设备的要求,使分析结果正确。
同时很多设备还要求具有一定的输出功率,才能驱动后级设备或使通信的发射端将信号有效传输到接受端。
然而面对多种多样的放大要求,现在的放大电路难以在频带、增益动态范围、功率等参数满足设备要求。
为此设计一种宽带直流放大器,该直流放大器的频率从0Hz-60Hz,频带为0-10MH,增益调节范围为0-62dB,后级放大电路可输出20V的峰峰值。
该系统成本低廉,精度高,可满足一般生产科研的实验要求,可应用于低频信号放大、波形发生器、视频放大器等电路的多种场合,具有推广性。
1.1设计要求
本次设计完成的宽带直流放大器要满足如下要求:
(1)输入电压有效值Vi≤10mV,输入电阻≥50,在负载电阻为(50±2)时,输出电压有效值Vo≥10V。
系统的3dB通频带在0~5MHz和0~10MHz之间变换,能预置并显示通频带、放大倍数,放大倍数步进可调且可手动连续调节。
在0~9MHz的通频带内,电压增益起伏≤1dB。
(2)系统最大增益不小于60dB,并且在增益为60dB时,输出噪声电压的峰峰值要不大于0.3V。
系统所用电源自制,尽量降低制作成本并提高电源效率,。
2系统设计与选择
2.1总体方案设计
系统的设计框图如下图1所示。
图1系统框图
本设计为宽带直流放大器,输入信号通过前级放大器实现了输入电阻≥50,放大倍数最大为32dB的目的。
经可控增益放大后,放大倍数达到32~42dB,再经过通频带选择网络实现放大器通频带预置。
最后经末级放大器放大为60dB,达到了输出功率的指标要求。
整个过程中,控制器控制电压增益和通频带带宽的预置输入与显示。
2.2控制器的选择
方案一:
采用Atmega16单片机作为系统主控制器。
Atmel公司的Atmega16单片机具有先进的RISC(精简指令集计算机)结构、非易失性程序和数据存储器,16KB可编程Flash存储器、512B的EEPROM和1KB片内SRAM,具有丰富的外设接口,其USART(通用同步和异步接收器和转发器)是一个高度灵活的串行通信设备,SPI(串行外设接口)允许Atmega16与外设或其他AVR器件进行高速的同步数据传输。
内部集成高精度10位A/D转换器。
方案二:
采用STC89C52单片机作为系统主控制器。
STC89C52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器,内置8KB可在线编程闪存。
片内程序存储器允许重复在线编程,允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。
通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上,STC89C52便成为一个高效的微型计算机。
方案一主控制系统内部集成了A/D转换器,可以节省外部器件,简化外部电路,但是mega16单片机价格较贵,运用技术不够成熟。
方案二STC89C52单片机的应用范围广,可用于解决复杂的控制问题,且成本较低。
它需要外接A/D转换电路,相对比较复杂,但是成本低。
综合比较,考虑到成本和设计需要,采用方案二比较合适。
2.3显示模块的选择
电压数据的显示模块我们一共有三种选择方案,分别是:
数码管显示,LCD1602液晶屏显示,LCD12864显示。
方案一:
采用通用的LED数码管,这样显示的相对来说要简单许多。
对程序的编程也相对来说较方便。
方案二:
1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码。
这样在显示温度数据的时候就比较的直观同时在一定程度上也增加了字符的丰富感。
方案三:
采用LCD12864显示,带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
12864液晶屏显示更全面、字符更多。
相比于1602液晶屏、12864能更形象具体的实现显示功能。
因此我们采用方案三。
3硬件电路设计
3.1前置放大电路
前置放大电路使用电压跟随器实现,如图2所示。
考虑到本系统的通频带为0~10MHz,为避免引入噪声,其输入阻抗必须限定在50~100之间,若电压跟随器的阻抗为Rj,电路的输入阻抗为
。
实际电路取Rk=100,则
>50。
此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能,其电压增益接近于1,运算放大器选用OPA642,此放大器的增益带宽积为400MHz。
图2前置放大电路
3.2中间级放大电路
本级放大器由固定增益模块和增益控制模块组成,增益达42dB,带宽为10MHz,实现增益从0dB到42dB可控。
3.2.1固定增益模块
第一级放大器,取R1=100,R2=100,由公式
dB
得R4=530,Av1=6.3倍;同理可得第二级放大器:
R7=530,Av2=6.3倍。
图3前级放大电路
3.2.1增益控制模块
在两级6.3倍(16dB)单闭环放大器级联后,再级联一级可变增益放大器(AD603),以实现对电压增益预置和步进的控制,如下图4所示。
AD603采用通频带为90MHz,增益为-10~+30dB的典型接法。
AD603增益与控制电压的关系为AG(dB)=40Ug+10,输入控制电压Ug由AD603的1脚输入,控制电压范围为-0.5~+0.5。
单片机可以通过D/A(将数字量转换为对应的模拟电压量Ug)来控制AD603的放大倍数,中放的最大增益=31dB+16dB×2。
设计时Ug取值范围为-0.5~0,从而实现增益从22dB到42dB可控,并能实现增益为5dB步进。
图4增益控制模块原理图
3.3末级功率放大
当系统负载电阻为(50±2)时,最大输出电压Vo≥10V,,则由公式
可得,系统输出功率的最大值为
。
经前置放大和中放电路放大后,不具备驱动负载的能力,需经末级功率放大电路放大后才能达到系统对输出功率的要求。
参考音频放大器中驱动级电路,考虑到负载电阻为(50±2),输出有效值大于10V,末级采用二级三极管直接耦合功率放大器,如下图5所示。
末级放大电路的电压增益在第一级,第二级采用了一对孪生功放管D669A和B649A(特征频率fT=140MHz,Ic=1.5A)进行功率放大。
整个电路设计有频率补偿,可对0到10MHz的信号进行线性放大,放大倍数
,在实际制作过程中通过调节可变电阻R10调整反馈深度获得20dB增益,使整个放大器的总增益为62dB,在10MHz以下的通频带内增益非常稳定,可有效抑制通频带内增益起伏的变化。
图5功率放大模块
3.4各级增益控制
通过以上论述可得,系统总增益可调范围是42dB~62dB,不能满足题目的要求。
利用两组衰减网络分别将系统增益衰减20dB和42dB,如下图6所示,可实现系统增益分别在0~20dB、22~42dB和42~62dB间变化,再结合增益控制模块实现了系统增益手动连续可调、5dB步进和预置。
实验测试得,经42dB衰减网络后,系统频率特性仍较好。
而经20dB衰减网络后,输入信号频率在1MHZ以上时,增益有所下降,为稳定增益,在衰减电阻上并联15pF的电容进行频率补偿。
采用三组继电器对增益范围进行切换,由单片机的I/O口P2.0、P2.1和P2.2控制继电器的动作。
图6增益衰减网络
3.5通频带选择网络
通过对继电器L1和L2触点的控制实现了系统通频带0~5MHz和0~10MHz两个范围预置,如下图7所示。
系统默认选择10MHz通频带。
通过键盘选择通频带,当单片机的P0.5和P0.6口分别向三极管T1和T2的基极送高电平时,继电器的触点动作,使输入信号V2经5MHz的低通滤波器输出,即实现了预置0~5MHz的通频带。
5MHz选频
10MHz选频
图7选频网络
4系统测试
4.1测试条件与测试仪器
测试使用的仪器设备如下表1所示:
序号
仪器名称型号
主要技术指标
数量
1
模拟示波器GOS6051
50MHz
1
2
EE1642C型函数信号发生器
——
1
3
变压器
12V×2
1
4
数字万用表VC890C+
3位
1
表1测试使用仪器与设备
4.2测试数据
不同频率下的输出的增益变化
表2测试数据
5总结
经过测试,发现本次实验不能满足赛题的所有要求,还存在许多待改进和完善的地方。
对于本次实验,在制作和调试的过程中,我们遇到了不少困难,由于芯片准备的不及时导致前两天一直无法调试,再加上后来的进程安排不合理等也耽误了不少时间,但我们三个队友没有放弃一直在默默的坚持,相互之间不断鼓励与坚持,最终我们完成了实验的一部分要求,通过本次实验的经验与教训相信我们在下次的实验中一定完成的更好。
6参考文献
【1】康华光.电子技术基础(数字部分)[M].高等教育出版社.2009
【2】康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].高等教育出版社.2009
【3】郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京.电子工业出版社.2009.
【4】杨欣.电子设计从零开始[M].北京.清华大学出版社2005.
【5】胡斌.吉玲.胡松.电子工程师必备.[M].北京.人民邮电出版社.2006
7附录
7.1附录1
实物模块
图7电源模块图8功放模块
图9选频模块图10程控模块
图11衰减模块图12数据显示
7.2附录2
主程序
#include
#include"delay.h"
#include"12864.h"
#include"display.h"
#include"da0832.h"
#include"jidianqi.h"
#include"keyscan.h"
voidmain()
{
relay_init();
lcd_init();
display_char();
lcd_pos(2,5);
display_Av();
while
(1)
{
keyscan();
relay();
keyscan();
shuju();
display_Av();
}
}
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