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1、精选优质文档-倾情为你奉上宽带前置放大电路宽带前置放大电路【摘要】：本系统设计的宽带前置放大电路由频率显示装置、输入阻抗匹配单元、无源衰减网络、有源放大电路四部分组成，带宽可达40MHz,具有良好的直流和交流特性。频率显示部分使用TI公司的OPA842、TLV3501及MSP430F149单片机进行信号处理，使用12864液晶进行显示。输入阻抗匹配单元有50和1M可选，由电阻电容组成的无源衰减网络与后级相匹配可实现不低于DC35MHz的1倍和10倍衰减，有源放大单元选用TI公司的OPA690和OPA684可实现对信号1倍和10倍放大，电路输出电阻近似为0。 一、 系统整体方案论证与比较题目要求
2、有源放大电路采用正负5V供电，在正负5V电源及1M欧输入阻抗的条件下进行1倍、10倍衰减，以及1、10倍有源放大，可供选择方案如下：方案一：为了实现衰减和放大的功能，考虑直接选取可调增益的运放实现，如AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在梯形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电压决定的，优点是电路集成度高、结构简单。缺点是此芯片的衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定的，要手动精准控制，难度大；梯形电阻网络的输入阻抗低，不能满足1M的要求；且工作频带仅为50MHz，很难满足题目工作带宽要求。方案二、根据题目对电路衰减和放大
3、倍数的要求，特别是工作频带高的要求，采用宽带运放，如TI的OPA690、OPA684构成后级有源放大环节，其增益带宽积带宽均在500M以上，满足题目要求的DC35M工作带宽的要求，1、10倍放大分开，10倍放大采用5倍与2倍相乘的形式可以降低对单级运放带宽的要求，无源衰减网络采用电阻分压构成，采用电阻分压不会限制输入信号的带宽，阻抗匹配部分采用电阻串并联形式。综上所述：我们选择方案二作为本次比赛的总体方案。二、 系统整体框图系统整体框图如图2-1所示。图2-1 系统整体框图三、 系统硬件设计1、 单片机及显示装置小信号经过OPA842构成的21倍有源放大电路放大，而大信号则经过无源衰减网络衰减
4、。之后，信号通过过零比较器变成可捕脉冲，低频脉冲经过无源衰减网络直接由单片机测得频率，高频脉冲经过74LS163和74LS00构成的10分频、100分频、1000分频或10000分频电路进行分频，再经过无源衰减网络即可由单片机测得频率。最后由12864液晶进行显示。（1）21倍有源放大电路采用TI公司的宽带高速运放OPA842，其增益带宽积为200MHz。电路图如图3-1所示。图 3-1 21倍有源放大电路（2）2倍无源衰减电路采用电阻串联分压，电路图如图3-2所示。图 3-2 2倍无源衰减电路（3）波形转换电路采用TI公司的轨对轨高速比较器TLV3501搭建过零比较电路。使用单电源+5V供电
5、。经过21倍有源放大电路或者2倍无源衰减电路的信号被控制在2V左右，比较适合作为TLV3501的输入信号。经过过零比较电路之后，输出频率和输入信号的频率相同的脉冲信号。TLV3501的轨对轨输出能够直接驱动CMOS或者TTL逻辑电路，因此，这给我们之后的逻辑分频电路带来了方便。电路如图3-3所示。图 3-3 波形转换电路（4）分频电路采用74LS163四位十六进制计数器和74LS00四二输入与非门搭建10分频电路。再通过10分频电路的级联，实现100分频、1000分频、10000分频电路。使用分频电路对高频信号进行分频处理。电路如图3-4所示。图 3-4 分频电路（5）单片机处理及显示装置采用
6、TI公司的MSP430F149单片机对输入信号进行处理。在单片机对信号进行处理之前首先要用无源衰减电路对波形转换电路或者分频电路的输出信号进行衰减，同样采用电阻串联分压的形式，使输入单片机的信号稳定在3V左右，电路图不再赘述。使用F149的定时器A的捕获/比较功能，捕获输入脉冲的上升沿，优先级较高的定时器B定时50ms，测得1s内的上升沿数目，即可得到输入信号的频率。再通过12864液晶对测得频率进行显示。源程序如下：#include #include cry12864.cvoid InitSys();unsigned long upflag = 0;unsigned long f_50ms
7、= 0;unsigned long frequency = 0;uint fy7; /=用于存放频率显示数据=const unsigned char pinlv=频率为:(Hz) ;void process(void); /=函数声明=void delay(); /=延时函数=/*主函数*/void main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT InitSys(); / MCLK , SMCLK-8M /- /Timer_B的设置,用于产生定时中断，中断时间为50000us P1DIR |= BIT3; / Set P1.3 to output
8、 direction TBCCTL0 = CCIE; / TBCCR0 interrupt enabled TBCCR0 = 50000; TBCTL = TBSSEL_2 + ID_3 + MC_1; / SMCLK,1M, upmode /- /Timer_A的设置,用于捕获外部信号的边沿触发，可以设置为上升沿触发，或者下降沿触发 P1DIR&=BIT2; P1SEL = BIT2; /=设置P1.2端口为功能模块使用,即：做捕获源= TACTL = TASSEL_2+TACLR+TAIE+MC1;/=定时器A时钟信号选择ACLK, CCTL1 = CM_1+SCS+CAP+CCIE; /
9、=输入上升沿捕获,CCI0A为捕获信号源= _EINT(); Ini_Lcd(); /=初始化液晶= Disp_HZ(0x80,pinlv,8); while(1) process(); Write_Cmd(0x90);/=写地址= Write_Data(0x30+fy6); delay(); Write_Data(0x30+fy5); delay(); Write_Data(0x30+fy4); delay(); Write_Data(0x30+fy3); delay(); Write_Data(0x30+fy2); delay(); Write_Data(0x30+fy1); delay(
10、); Write_Data(0x30+fy0); delay(); /*函数名称：InitSys功 能：初始化时钟函数参 数：无返回值 ：无*/void InitSys() unsigned int i; BCSCTL1&=XT2OFF; /=打开XT2振荡器= do IFG1 &= OFIFG; /=清除振荡器失效标志= for (i = 0xFF; i 0; i-); /=延时，等待XT2起振= while (IFG1 & OFIFG) != 0); /=判断XT2是否起振= BCSCTL2 =SELM_2+SELS; /=选择MCLK、SMCLK为XT2,8M= /*函数名称：Timer
11、_B功 能：定时器B中断服务子函数,产生50ms定时参 数：无返回值 ：无*/ Timer B0 interrupt service routine#pragma vector=TIMERB0_VECTOR_interrupt void Timer_B (void) P1OUT = BIT3; / 定时50ms f_50ms = upflag; upflag = 0;/*函数名称：Timer_A功 能：捕获待测信号上升沿*/#pragma vector=TIMERA1_VECTOR /=定时器A中断处理=_interrupt void Timer_A(void) switch(TAIV) /向
12、量查询 case 2: /捕获中断 if(CCTL1&CM0) /捕获到上升沿 upflag+; break; default: break; /*延时函数*/void delay() unsigned int i; unsigned int j=10; for(i=10;i0;i-) while(j-); /*数据处理 */void process(void) frequency=f_50ms*20; fy6=frequency/; fy5=(frequency-*fy6)/; fy4=(frequency-*fy6-*fy5)/10000; fy3=(frequency-*fy6-*fy5
13、-10000*fy4)/1000; fy2=(frequency-*fy6-*fy5-10000*fy4-1000*fy3)/100; fy1=(frequency-*fy6-*fy5-10000*fy4-1000*fy3-100*fy2)/10; fy0=frequency%10;2、 输入阻抗及无源衰减部分设计（1）输入阻抗匹配部分输入阻抗要求最大允许误差为2%，同时50输入阻抗可承受5V的过载能力。若采用单个电阻作为输入，不仅没有标称值为50的电阻，而且该电阻承受的功率为： 大于电阻的额定功率，电阻会由于功率过大而毁坏，故考虑选用6个300电阻并联组成的输入电阻网络，这样输入阻抗仍为50
14、，且每个电阻承受的功率为： 1M输入阻抗直接采用单个1M电阻作为输入电阻，题目要求能承受36V输入过载，当输入电压为36V时，电阻承受的功率为： 满足要求。（2）无源衰减电路10倍衰减采用电阻串联分压的形式，实际上一个电阻等效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串连，在低频情况下电容和电感效应表现不是很明显，而在高频情况下，等效值会增大，不能忽略，小电阻在高频时的寄生电容比大电阻小，本设计采用180和20电阻串联进行分压实现10倍衰减。当输入电阻选为1M时，会与200的电阻衰减网络相并联，致使输入阻抗降到199.96，所以在中间加入高速运放AD811缓冲作为隔离，使前级输入阻抗与此无源衰减网络相
15、互不影响，由于输入的大信号峰峰值达到10V，故运放AD811采用+/-12V供电。AD811在增益为1时具有140MHz的带宽，不会限制输入信号的带宽。采用二级管进行过压保护。输入阻抗匹配和无源衰减部分的电路图如图3-5所示。图 3-5阻抗匹配及无源衰减网络2、有源放大部分设计有源放大电路由放大倍数分别为1、10倍电路组成。且均采用题目要求的+/-5V电源供电。（1）1倍放大电路1倍放大采用TI公司的高速运放OPA684，增益为1时带宽为210MHz，压摆率为820V/us, 满足题目DC35MHz的带宽要求，OPA684为电流反馈型运放，其增益和带宽是相互独立的，即其增益带宽积不随输入信号频
16、率的增高而减小。1倍放大电路电路图如图3-6所示。图3-6 1倍放大电路（2）10倍放大电路10倍放大采用TI公司的高速宽带放大器OPA690，其增益带宽积为500M，转换速率为1800V/us。 10倍放大电路需达到DC-35MHz的带宽，采用两级放大以降低电路对芯片大带宽和高转换速率的要求。采用两片TI公司的OPA690级联放大，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，采用前级放大5倍后级放大2倍，根据芯片数据手册，在两级级联时匹配50电阻以防止电路自激。为了减小电源和地线对高频信号的干扰，电路加入去耦电容，用屏蔽线传输信号，以减小对信号的干扰，10倍放大电路图如图3-7所示
17、。图3-7 10倍放大电路图四、 电路调试与测试1、 电路调试电路调试采用逐级调试的方法。由于本题属于高频电路，易产生寄生电容和噪声等干扰，故调试过程相对复杂。（1）对无源衰减网络进行调试，刚开始采用K欧级电阻分压进行10倍衰减误差较大，经分析是由于高频时大电阻的容性感性效应比较明显导致衰减比例严重偏离设定值，改用百欧级电阻即为180和20后误差较小，小电阻在高频时虽然也有容性和感性效应但没有大电阻明显故采用小电阻分压来减小误差。（2）对1倍放大电路进行调试。接通信号源，用示波器对信号进行跟踪，不断改变信号源输入频率，观察示波器输出波形的变化。随着信号频率的增加，输出幅度的衰减趋势明显，而解决
18、这个问题的方法是在运放的反馈电阻上并一个5pF的小电容，作用是与电路寄生电容相抵消，这样1倍放大调试基本完成，输出符合要求。经过测量调整再测量再调整的反复过程，达到题目要求。2、 电路测试（1）测试工具： SG1005SP型数字函数信号发生器LDS22010型示波器UT51型数字万用表（2）数据测试与分析1、数据测试频率显示部分测试：在不分频的情况下，单片机所能测得的频率上限为240kHz。当频率高于该值时，必须先分频再测量。由于显示值只能是整数，故在测低频时会产生误差。在高频时，由于脉冲的上升时间和下降时间也会产生越来越大的误差。故在中频段测量精度较好。对输入阻抗的测量：直接用数字万用表对输
19、入阻抗进行测量，接通选择不同输入阻值的开关，测得误差均在2%以内。过载能力的测试：输入端加入了二级管进行过压保护当输入电压大于+12v或小于-12v时电压就会被钳位在+/-12v，使输入到后级电压不会超过+/-12v。 直流零点的测试：在输入短路时，用数字万用表测得的电路输出直流电压为0.800mV。频率特性测试：表1 大信号衰减10倍带宽特性输入信号峰值：5V 输入阻抗：1M最大衰减：0.2% 最大过冲：0.0% 频率（Hz）1100K500K1M3M5M10M15M输出幅度（mV）500499500500500500500500表2 10倍放大带宽特性输入峰值为：0.1V 输入阻抗1M 最
20、大衰减为：7% 最大过冲为：1%频率（Hz）1100K500K1M5M10M15M20M输出幅度（V）1.011.011.001.000.990.960.930.93表3 大信号1倍放大扩展宽带特性输入峰值：1V 输入阻抗1M最大衰减为5% 最大过冲为：1%频率（Hz）1100K500K1M5M10M15M20M25M30M35M输出幅度（V）1.001.001.001.001.011.001.011.011.011.000.99表4 小信号扩展带宽特性 (输入峰值为0.1V时，电路设置衰减10倍，再放大10倍)输入峰值：0.1V 输入阻抗1M最大衰减为：9% 最大过冲为：0%频率（Hz）11
21、00k500k1M5M10M15M20M30M36M40M输出幅度(mV）1001001001009996929310095912、数据分析（1）频率测试部分的大信号带宽DC20MHz，带宽上限受限于仪器性能，未能测出。小信号带宽受限于OPA842的增益带宽积，只能达到DC10MHz。若将OPA842的一级放大变为多级放大，小信号的测量带宽将大大增加，但受限于资金问题，未能实现。（1）10倍放大输出带宽均可达到20MHz，超出题目发挥部分10MHz的要求。输出信号峰值最大过冲在1%以内，最大衰减在7%以内。（2）大信号10倍衰减信号输出带宽可达13M，超出题目10MHz的要求。输出信号峰值最大过冲在0.4%以内，最大衰减在0.3%以内。（3）小信号扩展带宽可达40MHz，输出信号峰值最大过冲在3%以内，最大衰减在9%以内，满足题目最大过冲10%的要求。五、 总结经测试各项指标均达到题目基本部分和发挥部分的要求，有些指标还超过了题目要求的指标，电路在设计之初，便考虑到抗干扰措施，尽量减少使用导线焊接，并使用屏蔽线传输信号。注：受限于仪器性能，实际测试频率范围为DC20MHz，20MHz以上为仿真结果。专心-专注-专业