电子系统综合实训1模板

摘要本设计以STM32F103为控制核心，通过可控增益放大器AD603和OPA847分别实现对信号增益的调节和功率的放大，在0~10MHZ宽带范围内的小信号进行有效的放大，实现增益0dB~60dB范围内的步进程控可调和手动可调，最大不失真输出电压有效值大于10V，该系统主要由五个模块组成：直流稳压源、可控增益放大电路、滤波器模块、功率放大模块和控制与显示模块。本设计在可控增益放大电路中用两片AD603进行级联实现对小信号的放大，在滤波器电路用5MHz和10MHz通频带的滤波器实现对信号的滤波，在后级放大电路中利用软件对放大器电路进行补偿，把系统的失调和漂移抑制在最低。关键字：前级放大电路可控增益放大器滤波功率放大器一、方案论证及比较1、控制器方案一：采用单片机为主控芯片，PSoC单片机可配置成高达67MHZ的频率。充分利用PSoC强大的D/A功能，编程容易实现。PSoC具有成熟而丰富的模块，极大的减少甚至免除了设计者在成千上万的外围器件中选择的烦恼，节省了模拟量处理电路调试及修改的精力和时间，提高了成功率，灵活性和可靠性。具有可配置的数字及模拟区块，可以灵活的构造适用的用户模块，这是传统单片机所不具备的，但是PSoC价格昂贵，电源布局比较麻烦。方案二：考虑到性价比的问题，本设计采用目前性价比较高，应用最广的STM32F103为控制核心，具有处理速度快、内部功能全的特点，充分利用STM32F103内部的D/A对后级放大电路进行补偿，内部的D/A具有速度快、抗干扰强的特点，且STM32F103性价比高，编程容易实现。鉴于上面考虑,我们采用方案二。2、可控增益放大器方案一：采用场效应管或三极管实现控增益。利用场效应管的可变电阻区实现压控增益，本方案由于采用大量的分立元件，电路复杂，稳定性差。方案二：采用多级放大器的级联实现可控增益放大。每一级运放设置不停的放大倍数通过模拟开关选择每一级的放大倍数实现级联信号的放大，达到最终的放大倍数。此方法实现原理简单，但需要使用较多的模拟开关和运放，且级联的运放越多降低了电路的稳定性，尤其是各级的寄生电容等也会增加放大器调试的难度，难以实现放大器增益的连续可调方案三：采用可控增益运放AD603实现。AD603内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器组成，加在梯形网络输入端的信号经过衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量由加在增益控制接口的参考电压决定，这个参考电压可通过单片机运算控制D/A输出得来，从而实现精确的增益控制。AD603实际工作可以提供20dB以上的增益，配合前后级的放大器就可以实现60dB的增益调节。此方案实现了连续可调，易于控制。因此选择方案三。3、功率放大器方案一:采用三极管等分离原件实现功率的放大。此方法运用灵活，成本较低。但是电路设计难度大，调试过程比较复杂，由于其分立元件的分布参数大，增加了放大器幅频特性调试的难度。方案二：采用驱动负载能力较大的运放实现对功率的放大。如TI公司的OPA690等芯片。该方案电路简单，增益可调，且可以通过并联的方法增加其驱动能力。此方案比较常用，实现较简单，方便调试，因此选择方案二。二、理论分析与计算1、宽带增益积宽带增益积(GBP)是用来衡量放大器的的性能的一个参数，这个参数这个参数表示增益和宽带的乘积。这个乘积是为一个常数。题目中要求放大器的最大放大电压增益60AvdB，即1000/GainVV。放大器的通频带0~10MHz，所以本放大器的增益积为1000*1010GBPMG。单个放大器很难达到，所以我们选择多级放大器级联。2、通频带内增益起伏控制题目中要求通频带内增益起伏1dB，本设计采用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内频率响应最大限度平坦，没有起伏，虽然阻频带内缓慢下降为零，但可以增加滤波器的阶数来加快阻带内的衰减。经过计算和仿真4阶巴特沃斯滤波器可以达到题目的要求。这两个滤波器(10MHz和5MHz)可同时作为放大器预置宽带点，通过继电器切换。3、抑制零点漂移的理论分析零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动。放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。抑制零点漂移的措施，除了精选元件、选用高稳定度电源以及用稳定静态工作点的方法外，在实际电路中可采用补偿的方法。补偿是指用另外一个元器件来抵消放大电路的漂移，把漂移抑制在较低的限度之内。前级的放大器引入的直流对整体的系统影响最大，系统通过手动调节分压网络的方式对前级放大器引入的直流进行补偿。后级运算放大器则通过软件调节另一分压网络的方式对后级可控增益放大级引入的直流进行补偿。4、放大器稳定性分析对于放大器的稳定性分析，我们主要考虑三个方面的问题：一、OPA847高速运放的反馈电阻选取问题：反馈电阻Rf的取值影响到运算放大器的频率特性及信号保真度，合适的Rf电阻值有利于消除截止频率出的尖脉冲甚至振铃现象，我们通过参考芯片手册和实际测试，选择合适的Rf有利于提高运放的稳定性。二、系统各部分电路间阻抗匹配问题：我们的设计使本系统各部分电路之间的输入输出阻抗匹配，不仅提高了系统的稳定性，而且对本系统驱动容性负载能力的提高有很大帮助。三、从电路板的布局上进行考虑：我们避免在放大器下方走电源线及地线，以减小寄生电容以提高放大器的稳定性，并且尽量选用贴片元件以减少走线长度来减小寄生效应的影响。5、系统噪声分析本系统的固有噪声来源主要有宽带噪声、电阻热噪声及1/f闪烁噪声。首先：电阻热噪声由导体中电子的不规则运动产生。为了避免电阻热噪声，我们在系统中应用低噪声电阻作为反馈回路的电阻，在不影响放大器频率响应的前提下使用阻值较低的电阻作为反馈电阻，电阻热噪声可利用4nekRTf公式计算。其次：对于宽带噪声，可利用运算放大器官方手册中其电压频谱密度曲线进行计算，该计算较为繁琐，在此不详述。对于1/f闪烁噪声，长可将其归一化为1Hz噪声，利用电压频谱密度曲线给出的数据进行计算。对于我们的设计而言，通过选择低噪声器件已能够较好的解决系统固有噪声的问题。三、系统硬件设计1、总体设计思路本系统的整体框架图如图3-1：前级放大增益调节宽带预置功率放大STM32键盘显示ViVo电源图3-1系统工作原理为：小信号通过前级放大电路放大后，输入至增益调节放大电路，利用STM32内部D/A输出模拟电压控制增益大小，在通过选择宽带电路进行滤波，最后经过功率放大电路输出。2、主要电路分析设计2.1前级放大电路图3-2前级放大电路的设计采用TI公司的低电压噪声芯片OPA847实现可变增益倍数的放大。其增益宽带积可达3.9GHz，在大于1MHz的模拟输入电压噪声为1.85/nVHz,并且有950V/us的摆率。利用继电器实现增益的切换。具体电路如图3-2所示。2.2可控增益放大电路图3-3可控增益放大调节部分使用AD603，将VOUT与FDBK短接为宽频带模式（90MHz宽频带），该模式下增益为-11.07dB~+31.07dB，且控制电压与增益成线性关系，满足设计要求。具体电路如图3-3。2、3滤波电路图3-4本设计采用巴特沃斯滤波电路,巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然阻频带内缓慢下降为零，但是可以通过滤波器的阶数来解决，符合题目要求。经过滤波器设计软件FilterSolutions和仿真软件Multisim仿真，4阶的时候可达到题目的要求。这两个滤波器(10MHz和5MHz)可同时作为放大器预置宽带点，通过继电器切换。如图3-4。2.4功率放大电路图3-5信号经过滤波电路后进入到功率放大电路模块。功率放大采用三级THS3091并联的形式以增强其运放的驱动能力。具体电路如图3-5：三级运放尽量做到对称，输出端都串联一个2欧的小电阻，起到均衡运放输出电流的作用。四、系统软件设计1、系统总程序框图4-1初始化开始键盘空能控制增益功能控制控制数据输出显示结束10M宽带预置控制5M宽带预置控制图4-1五、系统测试1、测试使用的仪器序号仪器名称型号1信号发生器DG10222数字示波器DS22022、测试结果及分析在本次设计的过程中，遇到了许多困难和意料之外的事情，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。我们从中体会了共同协作和团队精神的重要性和提高了自身的综合能力。参考文献[1]吴大正等.电路基础.西安：西安电子科技大学出版社，2007[2]孙肖子等.电子设计指南.北京：高等教育出版社，2006[3]孙肖子等.模拟电子技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，2008[4]黄争等.德州仪器高性能模拟器件在大学生创新设计中的应用与快速选型指南.上海：德州有限公司大学计划部，2009