宽带放大器、数字滤波设计报告-山东大学电子竞赛参赛作品

宽带放大器、数字滤波器设计报告参赛院校：山东大学信息科学与工程学院参赛队员：马衍庆、赵海明、郭帅帅日期：2010-8-27目录一、 摘要3 二、 正文3 2.1引言32.2方案论证32.3各个模块实现原理42.4系统设计和数据分析82.5结论和改进措施11三、 参考文献11四、 附录11一、摘要本设计基于运算放大器TL084进行宽带直流放大器进行设计，实现了放大倍数0到40DB可调，带宽在300KHz450KHz之间，输入电阻为50欧姆，输出电阻为1欧姆左右。并以AVR单片机为控制核心，对放大的信号用液晶12864进行波形检测显示，并通过AD、DA可以对信号进行实时回放。回放波形为输入波形的1/2,并通过软件计算出信号的有效值，显示在液晶上。关键词：宽带直流放大器 数字示波器 波形还原电路二、正文2.1引言随着微电子技术的发展，人们迫切的要求能够远距离随时随地迅速而准确地传送多媒体信息。于是，无线通信技术得到迅猛的发展，技术越来越成熟。而宽带放大器是音响、有线电视、无线通信中不可缺少的部分，于是人们对它的要求也越来越高。TL084是常用的运算放大器芯片，增益带宽积为2.5MHz4MHz，每一片中含有四个放大器，是一款非常经济实用的芯片。2.2方案论证方案一：输入级采用一级跟随器，输出级采用一级跟随器，中间采用两级反向放大器，前一级固定放大在10倍（20DB）左右，后一级放大调整到放大倍数010倍，总的放大增益为040DB。方案二：输入级采用一级正向放大器，中间采用两级反向放大器，在第三级放大器设置为06.36DB可调。第一级放大倍数为6倍，第二级放大倍数为4倍。方案三：输入级采用正向放大器，中间采用两级反向放大器，输出级采用反向放大器，每一级的放大倍数10DB，其中第二级和第三级设置成可调，即（010DB）。方案一和方案二相比较，采用两级放大，在相同增益带宽积和总放大倍数一定的情况下，其3DB带宽不如三级放大。方案三和方案二比较，输出隔离不理想，输出电阻偏大。综上我们设计采用方案二。方案证明：已知TL084的增益带宽积为GBP（2.5MHz4MHz），放大器的增益为040DB可调，即放大器的放大倍数在0100倍之间。为方便计算取GBP=4MHz，A=100.公式一.公式二公式三由公式一、公式二、公式三和基本不等式可以推出：当j=2时，即采用两级放大，当时，的最大值为283KHz当j=3时，即采用三级放大，当时，的最大值为430.1KHz2.3各个模块的实现原理宽带直流放大器模块：本模块设计使用三级放大器和一级跟随器，第一级使用正向放大器，放大倍数为6倍，第二级采用反向放大器，放大倍数为4倍，第三级采用可调的反向放大器，放大倍数为0到6.36倍可调。由公式三理论推算放大器整个的放大倍数为0152.6倍，即043.7DB。由公式一、二理论推算放大器的3DB带宽范围：0410KHz。原理图：图一：宽带直流放大器原理图原理图仿真：图二：原理图仿真图硬件焊接：AD与DA模块：本模块采用MAX118作为AD芯片，以MAX539作为DA芯片，进行设计，由AVR单片机进行控制。：基本的调试思路端口初始化时序产生转换完成读取输出是否图三：的调试流程简介：MAX539是低功率，电压输出12-bitDAC，+5 V单电源操作。也可在± 5V电源操作。 MAX539 只有 140A工作电流。MAX539为8引脚DIP和SO封装。无需外部电阻器或运算放大器。输出缓冲区是一 个单位增益稳定，轨到轨输出的BiCMOS 运算放大器。 输入失调电压和共模抑制比是修正以达到更好的超过12位性能。 建立时间是25s到 0.01的最终价值。可以驱动一个2K的直流负载。基本调试思路：端口初始化时序产生预置数输出图四：MAX539的调试流程液晶显示模块：本ST7920 点矩阵LCD控制/驱动IC，可以显示字母、数字符号、 文字型及自订图块显示，它可以提供 种控制介面，分别是8位元微处理器介面, 4位元微处理器介面及串列介面；所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，以及液晶驱动电路和控制器，都包含在 个单晶片里面，只要 个最小的微处理系统，就可以操作本LCD控制/驱动IC。ST7920 的字型ROM 包括8192个16X16点的 文字形以及126个16X8点半宽的字母符号字型， 另外绘图显示画面提供 个64x256点的绘图区域（GDRAM）及240点的ICON RAM，可以和文字画面混和显示，而且ST7920内含CGRAM提供4组软体可程式规划的16X16造字功能。ST7920 具有低功率电源消耗 (2.7V to 5.5V) 可以提供电池操作携带式产品的省电需求。ST7920 LCD驱动器由33个common及64个segment所组成，Segment驱动器的扩充可以视需要由ST7921 Segment驱动器来提供扩充显示范围的任务， 个ST7920可以显示到1行8个字或是2行4个字，或是配合ST7921使用2行16个字的显示。液晶显示实验波形程序框图：调试液晶液晶显示基本字符液晶显示文字图五：液晶调试流程液晶画图程序流程：液晶初始化显示频率、幅值读取GDRAM中的数据确定地址坐标，画图显示判断图形是否更新测频，测幅值清屏是否电源模块:线性稳压电源，具有完全独立的四组稳压输出，分别为两组5V和两组12V，可以连成正负双电源。其中一个5V输出为两片7805并联，可输出大电流。矩阵键盘模块：采用电阻分压式结构，只需一个I/O口就可完成16个按键的扫描，并能解决多建同时按下时的冲突。经过优化设计只需要7只电阻，并且受电阻阻值误差的影响小，工作稳定可靠。单片机控制模块：采用高速的8位单片机ATMEGA32。其产品特性有：高性能、 低功耗的 8 位AVR® 微处理器、 先进的RISC 结构、131 条指令、 大多数指令执行时间为单个时钟周期、 32个8位通用工作寄存器、全静态工作、工作于16 MHz时性能高达16 MIPS、只需两个时钟周期的硬件乘法器、非易失性程序和数据存储器、32K 字节的系统内可编程Flash、擦写寿命:10,000 次、具有独立锁定位的可选Boot 代码区、通过片上Boot 程序实现系统内编程、1024 字节的EEPROM、2K字节片内SRAM、可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密、JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容)、符合JTAG 标准的边界扫描功能、支持扩展的片内调试功能、通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。 外设特点： 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器、具有独立振荡器的实时计数器RTC、四通道PWM 8路10 位ADC、8 个单端通道、TQFP 封装的7 个差分通道、2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道、面向字节的两线接口、可编程的串行USART、可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口、具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器、特殊的处理器特点、上电复位以及可编程的掉电检测。片内经过标定的RC 振荡器、片内/ 片外中断源，6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、 省电模式、 掉电模式、 Standby 模式以及扩展的Standby 模式。 I/O 和封装：32 个可编程的I/O 口，40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装。工作电压ATmega32L：2.7 - 5.5V、ATmega32：4.5 - 5.5V。速度等级:ATmega32L：0 - 8 MHz、ATmega32：0 - 16 MHz。ATmega32L 在1 MHz,3V, 25°C 时的功耗为：正常模式: 1.1 mA、空闲模式: 0.35 mA、掉电模式: <1 A。2.4系统测试和数据分析测试仪器：信号发生器，示波器测试方法和相关测试数据：采用函数发生器50欧姆输出端分别产生10mv输入信号和1mv输入信号夹在放大器的输入端，用双踪示波器观察输入信号和输出信号，分别将放大倍数调整到10DB，20DB，30DB，40DB，测量3DB带宽和1DB带宽，并计算出相应的增益带宽积，如表一、表二所示。带宽放大倍数3 DB带宽（）带宽（）增益带宽积10 DB.1.299MHz20 DB.4503MHz30 DB.9786MHz40 DB.3148MHz表一：输入不同增益带宽带宽放大倍数3 DB带宽（）带宽（）增益带宽积10 DB.，1296MHz20 DB3.033MHz30 DB8.778MHz40 DB2841MHz表二：输入不同增益带宽实验中我们采用的公式法对输出电阻进行测量，其测量电路为图五：放大器输出电阻Ro的测量测试方法：分别测出负载开路时输出电压Vo和带上负载RL的输出电压Vo计算公式：.公式四测试结果见表三输入信号频率（KHz）放大倍数Vpp(mv)VoRL（欧姆）Vo输出电阻R（欧姆）36.4640DB14.01.40V33136V0.9736.4520DB13.2132mv33128mv1.0336.4510DB12.840.2mv3340mv0165表三：输出电阻的测量实验中我们采用电阻分压法对输入电阻进行测量图六：放大器输入电阻Ri的测量测试方法：以信号源50欧姆内阻为基准，使其和放大器输入电阻分压，分别用示波器观察信号源开路的信号的峰峰值Vpp和把信号源加到放大器输入端时信号峰峰值Vpp。即Vss=Vpp，Vi=Vpp。计算公式：测试结果见表四：输入信号频率Vpp(mv)Vpp（1）(mv)输入电阻R1Khz23.2