寬帶前置放大器設(shè)計報告

1、寬帶前置放大器設(shè)計報告專業(yè)：電氣自動化班級：自動化111班成員：王夢瑤學(xué)號：116040094成員：方煒敏學(xué)號：116040158成員：覃坤勇學(xué)號：116040069指導(dǎo)老師：鄒楊波、李宏、謝建軍、勵金祥摘要：本設(shè)計是一個通過50。和1MC的輸入阻抗切換，用THS3091芯片做電壓跟隨器，經(jīng)過可以按鍵切換的衰減1倍和10倍的兩個無源衰減網(wǎng)絡(luò)和兩個可以按鍵切換的由THS3091構(gòu)成的1倍和10倍的有源放大網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個可以把輸入信號放大1倍，衰減10倍，放大10倍，和先衰減10倍再放大10倍的頻帶寬度為10M的寬帶放大器。本設(shè)計還通過外接一個波形整形電路，經(jīng)過FPGA分頻后接入單片機C8051F

2、020的P0.0口，用等精度測量頻率方法來測量輸入的頻率，并通過數(shù)碼管分三個頻段顯示。關(guān)鍵字：阻抗切換，波形整形，無源衰減，有源放大，F(xiàn)PGA,單片機1方案設(shè)計與論證1.1 FPGA前的波形整形電路設(shè)計方案一：選擇用MAX913芯片構(gòu)成的比較器來整形，整形電路如圖1圖1MAX913比較器波形整形電路圖方案二：選擇用高頻三極管9018放大至失真后和與非門構(gòu)成的門電路組合整形。方案三：選擇使用比較器LM311構(gòu)成的波形整形電路。如圖2所示。31LM311DVEE+-5V圖2LM913比較器構(gòu)成的波形整形電路圖總結(jié)：由于本設(shè)計的的頻帶寬度要求甚高，方案三在高頻時反應(yīng)時間過慢，無法使用，故排除方案三，

3、而方案一的MAX913是高頻比較器，可以在設(shè)計要求的全頻段內(nèi)實現(xiàn)整形，但因其價格過高，故排除方案一，方案二的價格低廉，又因9018是高頻三極管，其工作頻率高達1GHz,故選用方案二。1.2 阻抗匹配單元：方案一：使用六個300Q的電阻并聯(lián)來提供50Q的輸入阻抗匹配，一個1MQ的電阻為第二輸入阻抗。方案二：使用一個50Q的電阻來實現(xiàn)，一個1MQ的電阻為第二輸入阻抗?？偨Y(jié)：對于輸入信號為5V時，單個50Q電阻承受功率約為0.5W,功率過大，且實驗室沒有50Q的電阻，選用6個300。電阻并聯(lián)時每個電阻所承受的功率為0.083W,功率不大，且實驗室有300Q電阻，在36V的輸入信號時，單個1MQ的電阻

4、所承受的功率為0.0013W,功率亦不大，故選擇方案一作為輸入阻抗單元。1.3 無源衰減網(wǎng)路電路的設(shè)計(1)(2)(3)方案一：典型的PI型衰減電路，如圖3所示，其中(101 Zin Zout 10L.c(6)10L10-1方案三：典型的橋式衰減電路，如圖 5所示，其中R7 =20 M，0L20 -1 ；(7)Rg=R=20(8)20/、R10=-L(9) 204(說明：L=需要的衰減值；zin=需要的輸入阻抗；zout=需要的輸出阻抗) 方案四：串聯(lián)電阻分壓電路，這種設(shè)計可以對信號進行1倍和10倍的衰減, 將200Q分成180。和20Q兩個部分，其中20Q由5Q的電阻和50Q的滑阻組成書/Z

5、in,01l0_1j_1R3(10L10書/Zout，0110_1j_1R31ZinZout3=210%-1110110方案二：典型的T型衰減電路，如圖4所示，其中101101R=J0Zin-R(4：10110-1101101Rs=產(chǎn)Zout-R(5)10110-1210倍衰減；取100。以方便更準確地測量，在20Q部分取輸出，可以對信號的電阻可以對信號進行1倍衰減。圖3 PI型衰減圖4 T型衰減圖6低通濾波電路3-圖5橋式衰減總結(jié)：由于根據(jù)題目要求輸出阻抗盡量小，輸入阻抗盡量大，所以當使用方案二時假如當輸入阻抗為1MQ時它的輸出阻抗會變得很大，不符合題目要求；使用方案三具輸出阻抗和輸入阻抗要

6、求相同，有一定的局限性。方案一與方案四相比較，方案四更靈活簡單，所以最后選擇方案四作為無源衰減網(wǎng)絡(luò)部分。1.4有源放大電路部分：方案一：使用TI公司生產(chǎn)的THS3091型高精度運算放大器來實現(xiàn)的，通過選擇合適電阻，可以達到放大1倍、10倍的效果。方案二：使用低通濾波電路進行放大，電路如圖四所示?？偨Y(jié)：方案一與方案二都可以完成該實驗的要求，由于方案一的電路設(shè)計更為簡單且不會在高頻信號輸入時產(chǎn)生更多的衰減，而方案二在高頻時會衰減輸入信號，因此本設(shè)計選用方案一。2系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)整體設(shè)計流程圖如圖3所示，經(jīng)過一個匹配的輸入阻抗后再經(jīng)過匹配好的無源衰減和有源放大電路輸出。圖7系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖63系統(tǒng)

7、硬件電路的設(shè)計3.1 FPGA前的波形整形電路設(shè)計波形整形電路是通過高頻三極管對輸入信號放大至失真，然后通過由三個與非門和一個二極管構(gòu)成的簡易施密特觸發(fā)器對輸入的正弦信號整形成FPG撕識別的TTL信號，其電路圖如圖8所示。VCC5VC1220(1FC2|R70kQ2 k R1K?Q3U1A o 7400NU2A17400N9018100pF7400NU3AD1-H4-1N4149圖8波形整形電路圖3.2 輸入阻抗匹配單元電路設(shè)計根據(jù)題目要求，直流輸入阻抗50Q和1MQ可選，用開關(guān)切換，為了達到題目要求的輸入過載能力，選用6個300。電阻并聯(lián)，其設(shè)計電路如圖9所示。圖9輸入阻抗匹配電路3.3 無

8、源衰減網(wǎng)絡(luò)單元電路設(shè)計如果無源衰減網(wǎng)絡(luò)直接連接輸入阻抗電路會改變輸入阻抗的值，因此我們在兩者之間串聯(lián)一個電壓跟隨器來保護輸入阻抗不被改變。電壓跟隨器的運放用THS3091s計，從而不影響電路帶寬要求。根據(jù)電阻分壓來確定各阻值的大小，并用單刀雙擲開關(guān)來進行選擇，其設(shè)計電路如圖10所示。3.4 有源放大單元電路設(shè)計根據(jù)題目的帶寬要求，此處放大器運放選用THS3091用開關(guān)選擇放大倍數(shù),開關(guān)斷開時，運放作為電壓跟隨器，放大倍數(shù)為1,閉合時，通過放大倍數(shù)公式(10)選擇合適電阻。RfAu=1-(10)R100Q40%Key=B圖11有源放大電路圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計由于單片機的外部晶振最大為24MHz故單片

9、機最大的檢測頻率越為1MHz左右，但是在測量10MHz勺高頻時就需要對信號先進行分頻，其實現(xiàn)方案是：經(jīng)過波形整形電路后，將信號送入FPGA勺PIO4口，通過編程FPGAK現(xiàn)對低頻信號不分頻直接輸入單片機中，而對高頻信號進行100倍的分頻后通過PIO8口送入單片機，控制其分頻與否在單片機的P0.2口，輸出低電平不分頻，高電平則分頻。單片機程序設(shè)計流程圖如圖12所示。5系統(tǒng)測試5.1測試使用儀器測試儀器如下表1:表1系統(tǒng)測試所用儀器列表序號儀器數(shù)量1SP-F10A信號發(fā)生器1臺2DF2172A交流毫伏表1臺3LPS-305數(shù)控式線性直流穩(wěn)壓電源1臺4UT53數(shù)字萬用表1只5GDS-2064數(shù)字存儲

10、示波器1臺6MOS-620B模擬示波器1臺5.2測試數(shù)據(jù)及其處理5.2.1輸入阻抗測試在整體電路的輸入端串聯(lián)一個R=982Q的電阻，當切換到理論輸入阻抗為50Q時,從信號發(fā)生器中引出峰值為1V的正弦波到電阻的一端，用模擬示波器分別觀察電阻兩端波形的電壓值，得Us=1.00V,Ui=48mV由圖13得公式（11）,算得輸入阻抗R=49.51Q。誤差為0.98%。當切換到理論值為1MQ時，在其輸入端串聯(lián)一個R=9.85kQ的電阻，從信號發(fā)生器中引出峰值為2V的正弦波到電阻的一端，用模擬示波器分別觀察電阻兩端波形的電壓值，得Us=2.02V,Ui=2.00V,由公式（11）計算得輸入阻抗R=985k

11、Q。誤差為1.5%。輸入阻抗皆符合不超過2%勺誤差，設(shè)計可行。(11)URiUs一RR圖13輸入阻抗示意圖5.2.1 大信號1倍放大寬帶特性直流零點0.14mV最大過沖15%其具體數(shù)據(jù)如表2所示。表2大信號1倍放大寬帶特性測試數(shù)據(jù)表Hz(V)輸VdB)V)%DC1.000.015-50.5600501.001.0005001001.001.0009915001.001.0004980.41k1.001.0009950.55k1.001.00049870.2610k1.001.0009.96k0.420k1.001.00019.9k0.550k1.001.00049.8k0.4100k1.001

12、.00099.7k0.3200k1.001.000199.5k0.25500k1.001.000498.7k0.261M1.001.000997.3k0.272M1.001.0001.99M0.55M1.001.0004.98M0.48M1.001.050.427.97M0.37510M1.001.151.219.97M0.35.2.2 大信號衰減10倍帶寬特性直流零點0.14mV最大過沖0其具體數(shù)據(jù)如表3所示。表3大信號衰減10倍寬帶特性測試數(shù)據(jù)表頻率(Hz)輸入幅值(V)輸出幅值(V)增益(dB)頻率(Hz)輸入幅值(V)輸出幅值(V)增益(dB)DC5.000.015-50.56100k

13、5.000.46-20.72505.000.46-20.72200k5.000.46-20.721005.000.46-20.72500k5.000.46-20.725005.000.46-20.721M5.000.42-21.511k5.000.46-20.722M5.000.40-21.945k5.000.46-20.725M5.000.38-22.3810k5.000.46-20.728M5.000.36-22.8520k5.000.46-20.7210M5.000.34-23.4050k5.000.46-20.725.2.3 小信號10倍放大帶寬特性直流零點0.14mV最大過沖0其具體

14、數(shù)據(jù)如表4所示。9表4小信號10倍放大寬帶特性測試數(shù)據(jù)表頻率(Hz)輸入幅值(V)輸出幅值(V)增益(dB)頻率(Hz)輸入幅值(V)輸出幅值(V)增益(dB)DC0.100.015-50.56100k0.101.0020500.101.0020200k0.101.00201000.101.0020500k0.101.00205000.101.00201M0.101.00201k0.101.00202M0.101.00205k0.101.00205M0.100.8518.5910k0.101.00208M0.100.8018.0620k0.101.002010M0.100.7517.5050k

15、0.101.00205.2.4 小信號衰減10倍放大10倍帶寬特性直流零點0.14mV最大過沖0其具體數(shù)據(jù)如表5所示。表5小彳ft減10倍放大10倍寬帶特性測試數(shù)據(jù)表頻率輸入幅值輸出幅值增益頻率輸入幅值輸出幅值增益(Hz)(V)(V)(dB)(Hz)(V)(V)(dB)DC0.100.015-50.56100k0.100.100500.100.100200k0.100.1001000.100.100500k0.100.1005000.100.1001M0.100.095-0.451k0.100.1002M0.100.09-0.925k0.100.1005M0.100.08-1.9410k0.1

16、00.1008M0.100.075-2.5020k0.100.10010M0.100.07-3.1050k0.100.1006設(shè)計總結(jié)本設(shè)計通過測試，輸入阻抗誤差不超過2%頻率測試誤差不超過1%且大信號與小信號在各種情況下的頻帶寬度均超出DC10MH范圍，且在小信號衰減10倍放大10倍過沖為0,本項目基本完成了設(shè)計指標。10附錄1 FPGA源程序：1.1 分頻模塊源代碼LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYfenpinISPORT(clk:INSTD_LOGIC;y:OUTSTD_

17、LOGIC);ENDfenpin;ARCHITECTURErtlOFfenpinISSIGNALq:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALa:std_logic;BEGINPROCESS(clk,q)BEGINIFclk'EVENTANDclk='1'THENq<=q+'1'IF(q=50)THENq<="0000000”;a<=NOTa;ENDIF;ENDIF;y<=a;ENDPROCESS;ENDrtl;1.2 切換模塊源代碼LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_11

18、64.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYqiehuanISPORT(clkin1,clkin2,en:INSTD_LOGIC;y:OUTSTD_LOGIC);ENDqiehuan;ARCHITECTURErtlOFqiehuanISBEGINPROCESS(clkin1,clkin2,en)BEGINIFen='1'THENy<=clkin1;ELSEy<=clkin2;ENDIF;18ENDPROCESS;ENDrtl;1.3頂層設(shè)計圖2單片機源代碼：#include<ZLG7289.h>unsigned

19、chara8=0,0,0,0,0,0,0,0;unsignedlongf=0,fx=0,temp00=0;unsignedchartime=0,X=0;sbitout=P0A2;intkey_num;/*系統(tǒng)初始化函數(shù)*/voiddelay10ms(inti)/長延時intj,k;for(k=0;k<120;k+)for(j=0;j<i*10;j+);voidshortdelay()/短延時inti;for(i=0;i<1000;i+);voidinit_gmg()/關(guān)門狗初始化EA=0;WDTCN=0xDE;WDTCN=0xAD;void system_clk() /系統(tǒng)時

20、鐘初始化OSCXCN=0xE7;/選擇外部時鐘24Mshortdelay();while(!(OSCXCN&0x80);OSCICN=0x18;void init_jckg() /XBR0=0X00;XBR1=0X08;/XBR2=0x40;/void init_zlg() /.delay10ms(10); /ZLG7289_Init(100); key_num=0xff;交叉開關(guān)初始化使能 T1E,T1EXE使能交叉開關(guān)周立功初始化延時100ms等待ZLG穩(wěn)定voidTimer0_init()/定時器初始化.TH0=(65536-40000)/256;TL0=(65536-40000

21、)%256;voidTimer1_init()/定時器初始化void InterruptInit() EIE2=0x20;/P3IF =0x00;/EIP2=0x20;/*TH1=255;TL1=255;/中斷7初始化外部中斷7中斷允許下降沿觸發(fā)，軟件清零設(shè)置外部中斷7為高優(yōu)先級顯示函數(shù)*/voidxianshi1()unsignedchari;ZLG7289_Reset();a0=X%10;a3=temp00/10000%10;a4=temp00/1000%10;a5=temp00/100%10;a6=temp00/10%10;a7=temp00%10;ZLG7289_Download(0,

22、0,0,a0);for(i=3;i<=7;i+)ZLG7289_Download(0,i,0,ai);voidxianshi2()unsignedchari;ZLG7289_Reset();a0=X%10;a4=temp00/1000%10;a5=temp00/100%10;a6=temp00/10%10;a7=temp00%10;ZLG7289_Download(0,0,0,a0);for(i=4;i<=7;i+)if(i=6)ZLG7289_Download(0,i,1,ai);elseZLG7289_Download(0,i,0,ai);voidxianshi3()unsignedchari;ZLG7289_Reset();a0=X%10;a4=temp00/1000%10;a5=temp00/100%10;a6=temp00/10%10;a7=temp00%10;ZLG7289_Download(0,0,0,a0);for(i=4;i<=7;i+)if(i=5)ZLG7289_Download(0,i,1,ai);elseZLG7289_Download(0,i,0,ai);/*中斷處理函數(shù)*/voidT1_ISR(void)interrupt3.f=f+1;voidT0_ISR(v