通用可變?cè)鲆娣糯笃?DOC)

1、 加密號(hào):加密號(hào):學(xué)校編號(hào):NEFU-B-001學(xué)校名稱：東北林業(yè)大學(xué)隊(duì)員姓名：姚金龍連建君譚婷賽點(diǎn)負(fù)責(zé)人：教務(wù)處章：2008年8月17日通用可變?cè)鲆娣糯笃鳎˙題）摘要本著簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、可靠、通用的原則，采用了分級(jí)設(shè)計(jì)匹配互連的思想。本放大器系統(tǒng)分為前級(jí)放大部分、增益放大與控制電路部分、檔位控制部分、后級(jí)穩(wěn)壓輸出部分四部分。全系統(tǒng)采用單一的模擬電路方式，通過(guò)前級(jí)放大部分獲得所需輸入電壓、輸入阻抗等重要參數(shù)；通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)連接的反饋電阻進(jìn)行精密全局控制，獲得20dB至40dB之間分辨力不低于0.1%的可變?cè)鲆娣秶?；通過(guò)檔位控制部分電路實(shí)現(xiàn)四個(gè)檔位增益值轉(zhuǎn)換，在衰減電路的作用下得到三個(gè)檔位的增益值，即

2、一20dB至0、0至20dB、20dB至40dB；最后通過(guò)后級(jí)穩(wěn)壓輸出部分獲得輸出幅度不低于8V的輸出電壓，此部分電路包括抑制零點(diǎn)漂移的調(diào)零電路。通過(guò)驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以對(duì)輸出電壓數(shù)值的漂移，零點(diǎn)漂移等不良影響進(jìn)行有效地抑制和降低。通過(guò)全面的調(diào)試和測(cè)量，使得本系統(tǒng)基本滿足題目的基本部分和發(fā)揮部分的要求并融入了自己的創(chuàng)新思想，設(shè)計(jì)出了一個(gè)可控范圍大、輸出幅度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、幅頻特性好的通用可變?cè)鲆娣糯笃?。目錄摘?目錄3TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 一、方案論證與比較4 HYPERLINK l bookmar

3、k10 o Current Document 1、前級(jí)放大部分4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2、增益放大與衰減控制電路4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3、后級(jí)電壓輸出5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1、總體設(shè)計(jì)思路5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2、主要電路原理分析與計(jì)算6

4、 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1、前級(jí)放大電路6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2、增益放大與控制電路6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.3、檔位控制電路7 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4、電壓輸出電路7 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 三、系統(tǒng)測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)8 HYPERLINK l bookmark40 o Curr

5、ent Document 1、測(cè)試儀器8 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2、測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)82.1、測(cè)前級(jí)放大電路82.2、測(cè)增益放大與控制電路82.3、各級(jí)電路調(diào)節(jié)好后，進(jìn)行測(cè)量和詳細(xì)記錄83、測(cè)試結(jié)果分析91、測(cè)試結(jié)果分析93.2、誤差分析93、測(cè)試心得10 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 四、總結(jié)10123 56、方案論證與比較1、前級(jí)放大部分方案一：采用分立元件實(shí)現(xiàn)。此方案成本低，元器件易于得到，但是設(shè)計(jì)、調(diào)試難度過(guò)大，硬件電路連接與制作困難，在大賽規(guī)定的時(shí)間內(nèi)很難保證作品的可

6、靠性和指標(biāo)，因此不予采用。方案二：采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)。此方案用可編程放大器芯片級(jí)聯(lián)而成，電路簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，指標(biāo)和可靠性容易保證，因?yàn)镺P37的幅頻特性差，當(dāng)放大倍數(shù)大于3時(shí)波形失真嚴(yán)重，THS3001的輸入阻抗過(guò)低，經(jīng)過(guò)多方面特性和通用性的比較與實(shí)際檢測(cè)，選用高速寬帶集成芯片OPA637可以滿足此次放大器的設(shè)計(jì)要求，因此采用此方案。2、增益放大與衰減控制電路方案一：采用可編程放大器實(shí)現(xiàn)。此方案用單片機(jī)控制繼電器，繼電器控制相應(yīng)的反饋電阻，四個(gè)檔位，分辨力不低于0.1%，這對(duì)于單片機(jī)編程控制要求很高，而目前的編程能力有限，因此不予采用。方案二：2采用可編程控制放大3器和衰減電路實(shí)現(xiàn)。此4方案用單

7、片機(jī)控制最5后一檔即1001000，得到0.1%的分辨力，用單片機(jī)的P口的高低電平控制繼電器，因?yàn)楦鱾€(gè)檔位之間是十倍的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以將可編程放大器芯片輸出的信號(hào)接衰減電路，用撥碼開(kāi)關(guān)接通相應(yīng)的衰減電阻，得到四個(gè)檔位的增益變化，同時(shí)接有調(diào)零電路，很好的抑制了零點(diǎn)漂移，硬件電路連接方便，軟件編程容易實(shí)現(xiàn)，電路圖如圖1所示，但是經(jīng)過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)單片機(jī)的接入對(duì)整個(gè)放大器電路的干擾特別大，為保證穩(wěn)定性和可靠性，決定放棄此套方案，不予采用。19P1.0VDDP1.1P0.0/AD0P1.2P0.1/AD1P1.3P0.2/AD2P1.4P0.3/AD3P1.5/MOSIP0.4/AD4P1.6/MISOP0.

8、5/AD5P1.7/SCKP06AD6RSTP07AD7P3.0/RXD.EAVPP3.1/TXDP3.2/INT0ALE/PROGPSENP3.3/INT1P2.7/AD15P3.4/T0-P2.6/AD14P3.5/TP2.5/AD13P3.6/WRP2.4/AD12P3.7/RDP2.3/AD11XTAL2P2.2/AD10XTAL1P2.1/AD9GNDP2.0/AD889C55WDuFl圖1程控增益放大與控制電路方案三：采用撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。此方案用OPA637放大器芯片實(shí)現(xiàn)電壓放大，方式為同相運(yùn)算電路，放大電路的反饋為十個(gè)不同阻值的電阻串聯(lián)而成，電阻由撥碼開(kāi)關(guān)控制，按照TitleRev

9、isionSizeNumberBDate:26-Aug-2010SheetofFile:C:DocurentsandSettings譚婷ting桌面12864D89S51B路圖Backupo 二進(jìn)制的方式將十個(gè)電阻進(jìn)行組合接入電路，得到在10100內(nèi)分辨力為0.1%的放大倍數(shù)，因?yàn)楦鱾€(gè)檔位之間是十倍的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以將放大器芯片輸出的信號(hào)接衰減電路，用撥碼開(kāi)關(guān)接通相應(yīng)的衰減電阻，得到四個(gè)檔位的增益變化，同時(shí)接有調(diào)零電路，很好的抑制了零點(diǎn)漂移，硬件電路連接與制作簡(jiǎn)單，而且不會(huì)造成很大干擾，指標(biāo)和可靠性容易保證，經(jīng)過(guò)慎重考1慮決定采用此方案。2343、后級(jí)電壓輸出方案一：采用分離元件實(shí)現(xiàn)。為保證高頻

10、端放大器的穩(wěn)定性和帶內(nèi)幅度的平坦度，電壓放大輸出模塊采用分立元器件構(gòu)成的互補(bǔ)推挽和深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路形式，得到較高的輸出電壓范圍和相應(yīng)的輸出阻抗，分離元件的物理特性容易滿足，性能比較穩(wěn)定，連接電路圖如圖2所示，但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)調(diào)試，此方案與前級(jí)放大器級(jí)聯(lián)會(huì)使波形產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，所以在后級(jí)輸出部分級(jí)聯(lián)一個(gè)電壓跟隨器，通過(guò)比較，AD817相比于OPA637能更好的滿足題目的要求，因此采用此方案。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、總體設(shè)計(jì)思路1輸入阻抗變換電路過(guò)壓保護(hù)電壓輸出電路調(diào)零電路檔位控I-制電路-4圖3系統(tǒng)總體框圖根據(jù)題目的要求，結(jié)合考慮過(guò)的各種方案，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，采用撥碼開(kāi)關(guān)預(yù)置和控制放大器增益的方法，大

11、大提高了系統(tǒng)的精度和可控性；系統(tǒng)前端增益放大部分需設(shè)一級(jí)OPA637程控增益放大器，實(shí)現(xiàn)輸入阻抗變換和增益放大，同時(shí)接入了過(guò)壓保護(hù)電路；根據(jù)增益步進(jìn)的要求，需要采用撥碼開(kāi)關(guān)按照二進(jìn)制方式控制增益值，再通過(guò)衰減電路獲得三個(gè)檔位增益，根據(jù)輸出電壓幅度和輸出阻抗的要求，后級(jí)電壓輸出采用AD817連成電壓跟隨器的方式，于是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。輸入信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)獲得大于10MQ或500的輸入阻抗，并連接過(guò)壓保護(hù)功能電路，前級(jí)放大電路運(yùn)用OPA637芯片獲得高性能的放大信號(hào)，此時(shí)的放大倍數(shù)為10倍，中間級(jí)芯片的反饋是由1撥碼開(kāi)關(guān)控制的電阻構(gòu)成，控2制電路的放大倍數(shù)為110，3通過(guò)二進(jìn)制的方式獲得

12、0.1%的步進(jìn)增益值，以滿足題目要求，輸出的信號(hào)再經(jīng)過(guò)由撥碼開(kāi)關(guān)控制的衰減電路，獲得三個(gè)不同檔位增益，最后再由放大器芯片組成的穩(wěn)壓輸出電路獲得高輸出幅值和所需輸出阻抗，其中含有抑制零點(diǎn)漂移的調(diào)零電路，再運(yùn)用衰減控制電路得到其它檔位增益值，整體電路成本低，電路工藝簡(jiǎn)單而獨(dú)特。D2、主要電路原理分析與計(jì)算21、前級(jí)放大電路本部分運(yùn)用一片OPA637集成芯片級(jí)聯(lián)而成，為滿足輸入阻抗可開(kāi)關(guān)設(shè)置為大于10MQ或50Q，將50Q的電阻用開(kāi)關(guān)控制接入電路，因?yàn)镺PA637是由高阻抗的CMOS管構(gòu)成,所以用一個(gè)OPA637可以獲得高阻抗，并連有兩個(gè)二極管構(gòu)成過(guò)壓保護(hù)電路，電路圖如圖一4放大倍數(shù)計(jì)算：已知A=1

13、+Rf/R0,Rf=9kQ，R0=1kQ，可以計(jì)算出A=10。當(dāng)接R1時(shí),有A=12.25。22、增益放大與控制電路本部分電路由OPA637放大器構(gòu)成的集成運(yùn)放電路。此處的運(yùn)放得到的增益范圍是110，集成運(yùn)放的反饋部分由撥碼開(kāi)關(guān)接有十個(gè)電阻，采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)的方式進(jìn)行組合得到0.1%A的步進(jìn)增益值，因此只需計(jì)算出第一個(gè)電阻值就可以知道其它阻值了，如需要接通Rn（n=09），則將對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)即將對(duì)應(yīng)電阻接入電路反饋端，如要得到1.009的增益，由A=1+R1/R0，R0=1KQ，計(jì)算得到R1=9Q，由二進(jìn)制的特點(diǎn)可以算出R2=2R1=18Q，R10=2R9=4608Q，放大倍數(shù)為An=1+Rn/

14、RO，得到n=（An-l）*100,再將n值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制值對(duì)應(yīng)到開(kāi)關(guān)和電阻1，表1例舉了幾個(gè)典型的增2益電阻組合（其中“1”對(duì)應(yīng)位3的電阻接入電路作為負(fù)載）。電路圖如圖5所示。-15圖一5增益放大與控制電路G=10000000000G=60111110100G=20001100100G=71001011000G=30011001000G=81010111100G=40100101100G=91100100000G=50110010000G=1011100001003234表一1增益電阻組合表一2Title2.3、檔位控制電路1SizeBDate:3File:C檔位衰減控制電路采用電阻串聯(lián)的形式

15、連接撥碼開(kāi)關(guān)，電路如圖一6所示，開(kāi)關(guān)控制增益的三個(gè)檔位范圍，不衰減時(shí)輸出值第三檔最大是100,第二檔最大是10,第一檔最大是1,R1/(R1+R2+R3+R4)=(100-10)/10,(R1+R2)/(R1+R2+R3+R4)=(100-1)/1,(R1+R2+R3)/(R1+R2+R3+R4)=(100-0.1)/0.1,令R3=510Q，則可以計(jì)算出R1=51KQ,R2=5.1KQ,R4=56.7圖一6檔位控制電路圖24、電壓輸出電路為了保證放大器在低頻及直流最大不失真輸入的情況下獲得較高的輸出幅值，在高增益寬帶寬的前提下控制輸出信號(hào)幅度的波動(dòng)范圍，較小輸出波形的失真度，電壓放大電路部分

16、采用AD817的電壓跟隨器的電路形式，得到較高較穩(wěn)的輸出電壓幅值和相應(yīng)的輸出阻抗，同時(shí)接有由分離元件構(gòu)成的調(diào)零電路，具體電路如圖7所示，經(jīng)過(guò)精確計(jì)算得到各個(gè)電阻值，具體計(jì)算如下：U1-U2MUU1(1/R1+1/R2+1/Rw)-U2/Rw=15/R1U2(1/R1+1/R2+1/Rw)-U1/Rw=-15/R1TitleSizeBDate:File:5R1=1K，R2=5K可以得到Rw=100Q.三、系統(tǒng)測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)1231、測(cè)試儀器表2測(cè)試儀器儀器名稱型號(hào)規(guī)格雙蹤示波器TDS2002/60MHz/1GS/s標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)發(fā)生器QF1055A直流信號(hào)源EM1715萬(wàn)用表MY-652、測(cè)試

17、方法與測(cè)試數(shù)據(jù)21、測(cè)前級(jí)放大電路。在直流電壓下調(diào)節(jié)反饋電路中的電位器，使放大倍數(shù)為10。22、測(cè)增益放大與控制電路。通過(guò)設(shè)置撥碼開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻串聯(lián)的電位器，使負(fù)載阻值盡可能等于理論值。同理，調(diào)節(jié)衰減電路中的電位器。23、各級(jí)電路調(diào)節(jié)好后，進(jìn)行測(cè)量和詳細(xì)記錄。具體數(shù)據(jù)如表2和表3所示。表3基本部分測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)輸入輸出范圍。采用直流信號(hào)作為輸入，將電壓由0逐漸增大輸入信號(hào)幅度Ui=08輸出信號(hào)幅度Uo=10增益線性度直流信號(hào)每一檔位采用5點(diǎn)測(cè)試Ui=2VG=0.200.400.600.801.00Uo=Ui=0.2V線性度0.9%G=2.04.06.08.010.0Uo=0.4090.812

18、1.2101.6011.981Ui=0.2V線性度1%G=20406080100Uo=0.4300.8081.2081.6682.020信號(hào)帶寬，輸入正弦波信號(hào)Vp=20mV,放大100倍Fin=200kHzUo1=2.76V幅度波動(dòng)1.156%Fin=400kHzUo2=2.76VFin=600kHzUo3=2.76VFin=800kHzUo4=2.76VFin=1MHzUo5=2.80V零點(diǎn)誤差輸入短路，G=100Uo=0.001V增益變化范圍直流信號(hào)輸入增益設(shè)定范圍0100增益分辨力1%輸入輸出阻抗有無(wú)過(guò)壓保護(hù)輸入阻抗Rin=10MQ有輸入阻抗Rin=50Q有輸出阻抗Rout=0Q有輸出

19、阻抗Rout=50Q有有無(wú)過(guò)壓保護(hù)有表4發(fā)揮部分測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)輸入輸出范圍，采用直流信號(hào)輸入，將輸入電壓逐漸升高輸入信號(hào)幅度Ui=8輸出信號(hào)幅度Uo=10增益變化范圍增益設(shè)定范圍0100分辨力0.1%波形失真度測(cè)試，共測(cè)試四個(gè)頻點(diǎn)Fin=1MHzD1=1.80%Fin=4MHzD2=1.95%Fin=7MHzD3=2.1%電路成本、工藝本電路采用小型玻璃盒雙層組件數(shù)量少.裝，工藝制作巧妙簡(jiǎn)單，而且兀器兒價(jià)格低廉特色與創(chuàng)新本電路完全采用模擬電路的形式，運(yùn)用數(shù)字電路的思想達(dá)到所要求的增益范圍3、測(cè)試結(jié)果分析31測(cè)試結(jié)果分析增益：一20dB40dB（分辨力為0.1%）；通頻帶寬：07MHz32誤差分析由于人為讀數(shù)存在誤差，測(cè)量?jī)x器不精準(zhǔn)、周圍環(huán)境如磁場(chǎng)、溫度等一系列因素的影響，測(cè)量的數(shù)據(jù)并不能理想的達(dá)到理論計(jì)算值，但是