信号放大与整形电路设计

一、设计目的1.掌握电子电路的一般设计方法和设计流程；2.学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图；3.掌握应用EWB对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。二、设计要求设计一个电路：1、可以实现把微弱的信号进行放大、滤波、整形输出的功能；2、要求滤波的截止频率为F=1KHZ,总的放大倍数为4，并对放大后的模拟信号进行整形；3、学会利用PROTEL绘制电路原理图和印刷图，并利用EWB软件进行仿真。三、设计内容1、课程设计背景。一般的当我们接收到一个信号的时候，它并不是可以被我们直接观察和分析的，而而是只有在通过一定的电路使之进行放大、滤波、整形输出以后，才可以变成是让我们可以进行分析和观察的处于稳定状态的信号。所以说对于一般的信号，必须经过有整流电路、滤波电路、放大电路组成的功能模块以后才会变成是对人类观察研究有益的信号。基于此目的，本次的课程设计是我在学习了模电、数电、VHDL硬件描述语言、信号与系统以及EWB软件等学科以后，综合所学的知识而设计的一种简单且可用于电路中对信号进行放大、滤波、整形的可实用模块。2、基本知识点。2.0信号放大的原理。一般的基本放大电路将电路中的各种影响纤毫的因素都进行了理想化的考虑，但是字啊实际的应用中，电路外接的电阻器、电源的电压等也会随着温度和时间的变化而变化，而且连接导线存在电阻、引线存在分布电容和分布电感、印刷电路板的绝缘介质存在漏电等，这些因素都会印响到放大电路的运算误差，所以引入了放大器的主要功能就是实现对于微小信号的放大，在实际的信号检测电路中，通常前端都用传感器来获取信号（即把北被测的物理量通过传感器转换为电信号）然后在进行对信号的放大。但是以传感器的基本原理为例，多数的等效电阻均不是常量，他们所测的物理量和环境的变化而变，这样对于放大电路而言，相当于信号源内阻Rs是变量（即一个变化的量），为保证放大器对不同测试物理量具有稳定的放大倍数，或者说是为了降低Rs对放大倍数的影响，就必须使得放大输入1电阻R》Rs，也就是说，R越大，那么因信号源内阻变化而引起的放大误差就越小。从传感器获得的信号常为差模小信号，并含有较大的共模部分，其数值有时远大于差模信号，因此要求具有对信号进行放大作用的放大器具有较强的抑制共模信号的能力。2.1信号的滤波原理。滤波电路是一种对信号的频率具有选择性的一种电路，也是一种使有用频率的信号通过，同时抑制无用频率成分的电路，在实际的电子系统中，外来的干扰信号多种多样，应当设法将其滤出或衰减到足够小的程度，而在有些场合，有用的信号与其他信号混在一起，必须设法把有用的信号挑选出来，为解决以上的问题，故而需要采用滤波电路来对信号进行滤波，滤波在通信、电子工程和信号的处理等领域得到了广泛的应用。由R、L、C等原件组成的滤波器叫做是无源波器，而由集成运放和R、C组成，通常不用电感，由于集成运放的开环增益和输入阻抗很高，输出阻抗很小，因此有源滤波电路的工作频率难以做的很高。理想的滤波器在通带内应该具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带应具有无限大的幅度衰减，按照通带和阻带的位置分布，滤波器常为分为低通、高通、带通、带阻、全通滤波器，各种滤波器的实际频响特性与理想的频响特性之间有定的差别，滤波器的任务就是除去电路信号中的一些无用信号，力求向着理想特性曲线逼近。2.2信号的整流。最简单的信号整形电路就是一个单门限电压比较器，当输入信号每通过一次零时触发器的输出就要产生一次突然的变化。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。但该信号整形电路抗干扰能力差：由于干扰信号的存在，将导致信号在过零点时会产生多次触发的现象，从而影响本系统中FPGA计数，使单片机无法计算出正确的数值为了避免过零点多次触发的现象，我们使用施密特触发器组成的整形电路。施密特触发器在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。由于正反馈的作用，它2的门限电压随着输出电压叽的变化而改变，因此提高了抗干扰能力。本系统中我们使用两个施密特触发器对两路信号进行整形，比较器LM339连接成施密特触发器的形式，为了保证输入电路对相位差测量不带来误差，必须保证两个施密特触发器的门限电平相等（通过调节电位器R8使得两个施密特触发器的门限电平相等）。由于CMOS门电路有一个固定的阀值电平，对于信号脉冲中低于阀值电平的部分，门电路的输入端不予响应。利用门电路的这一特点，常将其直接用于对脉冲的整形。在实际电子电路中，集成门电路是其中应用最多的电路之一。它的用途除了作控制门之外，还用来组成时钟脉冲发生器。由于一块集成门电路中往往包含几个独立的门电路，在组成一些电路的主要结构之后总有一些多余的部分。可以利用这些多余的部分来作脉冲的整形、反相以及放大等用途。对于某些要求较高的电路，直接用门电路整形，有时还不能满足要求，而是将门电路组成一个施密特触发器，利用施密特触发器的滞后特性，使脉冲的整形符合电路的要求，四、设计过程。1、设计的流程图。（图1）信号的输入信号的滤波信号的放大信号的整流信号的输出3（图2）2.设计的相关知识。1.0、滤波器相关知识。(一阶有源低通滤波器中的同向比例放大电路)图示的传递函数为Au（s）=U0（s）/Ui（s）=（1+Rf/R1）u+=（1+Rf/R1）/（1+sRC）4用jw取代s，且令f0=1/2PiRC.(Pi=3.14)得出的放大倍数为Au=（1+Rf/R1）/（1+jf/f0）上式为一阶LPF的频率特性，f0为特征频率，大小由R和C的值决定。令f=0，可以得到通带的放大倍数为Aup=1+Rf/R1当f=f0时，Aus=0.707Aup，故通带的截止频率为fh=f0，由以上的理论知识可以计算出电路设计模块中的滤波电阻应满足当电容C=10UF时，Rf=3R1，而R=160欧。2.0、放大器的选择。统技术参数转为放大器技术参数的整个过程大致上与模拟/数字转换器的挑选过程无异。高速放大器有多个主要的技术参数，其中包括带宽、增益、噪音及失真。为免信号在传送到模拟/数字转换器之前已出现衰减，放大器的带宽最好比27MHz信号带宽大几倍。由于模拟/数字转换器的全标度输入是2Vpp，而最强的信号只有1Vpp，因此放大器只要有两倍的增益，便可将1Vpp的最强信号放大，达到与模拟/数字转换器的全标度输入信号大致相同的水平。为免已放大的信号过驱动模拟/数字转换器输入端的信号及将其振幅削平，增益应设定为稍低的1.8倍。ADC12DL065芯片的信噪比是69dB。换言之，模拟/数字转换器的全部噪音只有69dB，低于2Vpp的全标度输入电平，亦即约250mVrms。放大器的输出噪音最低限度应该比这个数值小两倍或低于125mVrms。若果为了抑制这些噪音而特别为放大器制定有关噪音电压及电流方面的技术参数，我们便要将放大器输出信号的带宽及放大器的增益所产生的影响一一计算在内。抑制混淆信号滤波器的带宽先前已确定为32MHz，输入模拟/数字转换器的放大器噪音带宽也同样设定为32MHz，而放大器的增益则设定为1.8倍。这方面的噪音可以根据以下公式计算出来：Vnadc=Vnamp*ÖBW*(1+增益)=Vnamp*Ö32MHz*2.8=125mVrms因此放大器的输入噪音(Vnamp)必须小于8nV/ÖHz。差分信号放大器的输入电流也有5可能产生噪音，若放大器四周的电阻值一经设定之后，来自差分信号放大器的噪音最后便会受到控制。失真并不是这个系统的一个重要技术参数，但放大器的失真程度应该与模拟/数字转换器的失真程度在同一范围。每一通道应该各有一个放大器，以便简化个人电脑电路板的布局设计，以及更有效抑制两个放大器之间的输入信号的高频干扰。以下是单端/差分信号放大器的技术规格：若增益为1.8倍，带宽便要高达80MHz以上；输入噪音不可超过8nV/ÖHz；以及失真必须受到70dB以上的抑制。美国国家半导体的全新LMH6550差分高速运算放大器完全符合以上的规定。这款放大器的增益带宽积达400MHz，因此若增益为1.8倍，放大器的带宽可达140MHz(400MHz/(1+1.8))。LMH6550芯片的输入电压噪音是6nV/ÖHz，比规定的8nV/ÖHz更优胜，若以20MHz2Vpp的信号为例来说，这款放大器只有70dB的失真(典型值)，失真程度与模拟/数字转换器大致相同．可按照几条简单的公式，将LMH6550这一类差分信号运算放大器的一系列增益及输入阻抗分别加以设定。放大器的理想增益是1.8倍，而理想的输入电阻是200W。有关的电阻值可按照以下的公式选定：Rin=Rs=200WR=Rin/(1+增益)=200W/(1+1.8)=71.4WRf=增益x(Rg+Rs)=1.8x(71.4W+200W)=488.5WRm=Rg+Rs=(71.4W+200W)=271.4W我们可以根据上述电阻值计算出放大器输入噪音电流所产生的噪音，结果显示放大器噪音主要来自先前已计算出来的电压噪音，因此输入噪音电流所产生的噪音只有微不足道的影响.五、所要求模块的设计（EWB软件实现）1、电路原理图。62、元件报告表的完整正确产生图。3、PCB自动布线后的PCB版图。74、仿真后的三维立体图。5波形图。89六、设计心得体会。通过本次课程设计，我熟悉了电路设计的一些基本要求，并能够独立的完成一定要求的电路设计任务。而且在原有的基础上加深了对所学知识的应用以及对电路软件EWB的熟悉。这是我此次设计中非常高兴的一件事。同时我发现了自己到现在为止还存在很多的不足，知识还是相当的缺乏。此次设计让我对设计工作有了全新的认识——设计者必须有广泛的基础知识，缜密的思路以及认真地工作态度和坚定的毅力。通过设计，发现自己的不足，找到了自己努力方向，改进方向。同时更让我认识到理论和实践必须相结合，通过理论指导实践，在实践中理解理论。同时借此机会，我想对给予我大力帮助的张老师说声：谢谢！是你给了我许多的指导和帮助，让我有了许多的收获和感受。七、参考文献（1）童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2002（2）张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，2004（3）陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：机械工业出版社，2005（4）毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，2005（5）潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：西安电子科技大学出版社，2002（6）张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：航空工业出版社，2004