1、寬帶放大器、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)報(bào)告參賽院校：山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院參賽隊(duì)員：馬衍慶、趙海明、郭帥帥日期：2010-8-27目錄一、 摘要3 二、 正文3 2.1引言32.2方案論證32.3各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)原理42.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析82.5結(jié)論和改進(jìn)措施11三、 參考文獻(xiàn)11四、 附錄11一、摘要本設(shè)計(jì)基于運(yùn)算放大器TL084進(jìn)行寬帶直流放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)0到40DB可調(diào)，帶寬在300KHz450KHz之間，輸入電阻為50歐姆，輸出電阻為1歐姆左右。并以AVR單片機(jī)為控制核心，對(duì)放大的信號(hào)用液晶12864進(jìn)行波形檢測(cè)顯示，并通過AD、DA可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)回放?；胤挪ㄐ螢檩斎氩ㄐ蔚?

2、/2,并通過軟件計(jì)算出信號(hào)的有效值，顯示在液晶上。關(guān)鍵詞：寬帶直流放大器 數(shù)字示波器 波形還原電路二、正文2.1引言隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，人們迫切的要求能夠遠(yuǎn)距離隨時(shí)隨地迅速而準(zhǔn)確地傳送多媒體信息。于是，無線通信技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟。而寬帶放大器是音響、有線電視、無線通信中不可缺少的部分，于是人們對(duì)它的要求也越來越高。TL084是常用的運(yùn)算放大器芯片，增益帶寬積為2.5MHz4MHz，每一片中含有四個(gè)放大器，是一款非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的芯片。2.2方案論證方案一：輸入級(jí)采用一級(jí)跟隨器，輸出級(jí)采用一級(jí)跟隨器，中間采用兩級(jí)反向放大器，前一級(jí)固定放大在10倍（20DB）左右，后一級(jí)放大調(diào)整到放

3、大倍數(shù)010倍，總的放大增益為040DB。方案二：輸入級(jí)采用一級(jí)正向放大器，中間采用兩級(jí)反向放大器，在第三級(jí)放大器設(shè)置為06.36DB可調(diào)。第一級(jí)放大倍數(shù)為6倍，第二級(jí)放大倍數(shù)為4倍。方案三：輸入級(jí)采用正向放大器，中間采用兩級(jí)反向放大器，輸出級(jí)采用反向放大器，每一級(jí)的放大倍數(shù)10DB，其中第二級(jí)和第三級(jí)設(shè)置成可調(diào)，即（010DB）。方案一和方案二相比較，采用兩級(jí)放大，在相同增益帶寬積和總放大倍數(shù)一定的情況下，其3DB帶寬不如三級(jí)放大。方案三和方案二比較，輸出隔離不理想，輸出電阻偏大。綜上我們?cè)O(shè)計(jì)采用方案二。方案證明：已知TL084的增益帶寬積為GBP（2.5MHz4MHz），放大器的增益為04

4、0DB可調(diào)，即放大器的放大倍數(shù)在0100倍之間。為方便計(jì)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：當(dāng)j=2時(shí)，即采用兩級(jí)放大，當(dāng)時(shí)，的最大值為283KHz當(dāng)j=3時(shí)，即采用三級(jí)放大，當(dāng)時(shí)，的最大值為430.1KHz2.3各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)原理寬帶直流放大器模塊：本模塊設(shè)計(jì)使用三級(jí)放大器和一級(jí)跟隨器，第一級(jí)使用正向放大器，放大倍數(shù)為6倍，第二級(jí)采用反向放大器，放大倍數(shù)為4倍，第三級(jí)采用可調(diào)的反向放大器，放大倍數(shù)為0到6.36倍可調(diào)。由公式三理論推算放大器整個(gè)的放大倍數(shù)為0152.6倍，即043.7DB。由公式一、二理論推算放大器的3DB帶寬范

5、圍：0410KHz。原理圖：圖一：寬帶直流放大器原理圖原理圖仿真：圖二：原理圖仿真圖硬件焊接：AD與DA模塊：本模塊采用MAX118作為AD芯片，以MAX539作為DA芯片，進(jìn)行設(shè)計(jì)，由AVR單片機(jī)進(jìn)行控制。：基本的調(diào)試思路端口初始化時(shí)序產(chǎn)生轉(zhuǎn)換完成讀取輸出是否圖三：的調(diào)試流程簡(jiǎn)介：MAX539是低功率，電壓輸出12-bitDAC，+5 V單電源操作。也可在± 5V電源操作。 MAX539 只有 140A工作電流。MAX539為8引腳DIP和SO封裝。無需外部電阻器或運(yùn)算放大器。輸出緩沖區(qū)是一 個(gè)單位增益穩(wěn)定，軌到軌輸出的BiCMOS 運(yùn)算放大器。 輸入失調(diào)電壓和共模抑制比是修正以達(dá)

6、到更好的超過12位性能。 建立時(shí)間是25s到 0.01的最終價(jià)值?？梢则?qū)動(dòng)一個(gè)2K的直流負(fù)載。基本調(diào)試思路：端口初始化時(shí)序產(chǎn)生預(yù)置數(shù)輸出圖四：MAX539的調(diào)試流程液晶顯示模塊：本ST7920 點(diǎn)矩陣LCD控制/驅(qū)動(dòng)IC，可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、 文字型及自訂圖塊顯示，它可以提供 種控制介面，分別是8位元微處理器介面, 4位元微處理器介面及串列介面；所有的功能，包含顯示RAM，字型產(chǎn)生器，以及液晶驅(qū)動(dòng)電路和控制器，都包含在 個(gè)單晶片里面，只要 個(gè)最小的微處理系統(tǒng)，就可以操作本LCD控制/驅(qū)動(dòng)IC。ST7920 的字型ROM 包括8192個(gè)16X16點(diǎn)的 文字形以及126個(gè)16X8點(diǎn)半寬的字母符

7、號(hào)字型， 另外繪圖顯示畫面提供 個(gè)64x256點(diǎn)的繪圖區(qū)域（GDRAM）及240點(diǎn)的ICON RAM，可以和文字畫面混和顯示，而且ST7920內(nèi)含CGRAM提供4組軟體可程式規(guī)劃的16X16造字功能。ST7920 具有低功率電源消耗 (2.7V to 5.5V) 可以提供電池操作攜帶式產(chǎn)品的省電需求。ST7920 LCD驅(qū)動(dòng)器由33個(gè)common及64個(gè)segment所組成，Segment驅(qū)動(dòng)器的擴(kuò)充可以視需要由ST7921 Segment驅(qū)動(dòng)器來提供擴(kuò)充顯示范圍的任務(wù)， 個(gè)ST7920可以顯示到1行8個(gè)字或是2行4個(gè)字，或是配合ST7921使用2行16個(gè)字的顯示。液晶顯示實(shí)驗(yàn)波形程序框圖：調(diào)

8、試液晶液晶顯示基本字符液晶顯示文字圖五：液晶調(diào)試流程液晶畫圖程序流程：液晶初始化顯示頻率、幅值讀取GDRAM中的數(shù)據(jù)確定地址坐標(biāo)，畫圖顯示判斷圖形是否更新測(cè)頻，測(cè)幅值清屏是否電源模塊:線性穩(wěn)壓電源，具有完全獨(dú)立的四組穩(wěn)壓輸出，分別為兩組5V和兩組12V，可以連成正負(fù)雙電源。其中一個(gè)5V輸出為兩片7805并聯(lián)，可輸出大電流。矩陣鍵盤模塊：采用電阻分壓式結(jié)構(gòu)，只需一個(gè)I/O口就可完成16個(gè)按鍵的掃描，并能解決多建同時(shí)按下時(shí)的沖突。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)只需要7只電阻，并且受電阻阻值誤差的影響小，工作穩(wěn)定可靠。單片機(jī)控制模塊：采用高速的8位單片機(jī)ATMEGA32。其產(chǎn)品特性有：高性能、 低功耗的 8 位AVR

9、® 微處理器、 先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)、131 條指令、 大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期、 32個(gè)8位通用工作寄存器、全靜態(tài)工作、工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS、只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、擦寫壽命:10,000 次、具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)、通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程、1024 字節(jié)的EEPROM、2K字節(jié)片內(nèi)SRAM、可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密、JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容)、符合JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能、支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能、通過JTA

10、G 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。 外設(shè)特點(diǎn)： 兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC、四通道PWM 8路10 位ADC、8 個(gè)單端通道、TQFP 封裝的7 個(gè)差分通道、2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道、面向字節(jié)的兩線接口、可編程的串行USART、可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口、具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、特殊的處理器特點(diǎn)、上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè)。片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器、片內(nèi)/ 片外中斷源

11、，6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、 省電模式、 掉電模式、 Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式。 I/O 和封裝：32 個(gè)可編程的I/O 口，40引腳PDIP 封裝, 44 引腳TQFP 封裝, 與44 引腳MLF 封裝。工作電壓ATmega32L：2.7 - 5.5V、ATmega32：4.5 - 5.5V。速度等級(jí):ATmega32L：0 - 8 MHz、ATmega32：0 - 16 MHz。ATmega32L 在1 MHz,3V, 25°C 時(shí)的功耗為：正常模式: 1.1 mA、空閑模式: 0.35 mA、掉電模式: <1 A。2.4系統(tǒng)

12、測(cè)試和數(shù)據(jù)分析測(cè)試儀器：信號(hào)發(fā)生器，示波器測(cè)試方法和相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)：采用函數(shù)發(fā)生器50歐姆輸出端分別產(chǎn)生10mv輸入信號(hào)和1mv輸入信號(hào)夾在放大器的輸入端，用雙蹤示波器觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，分別將放大倍數(shù)調(diào)整到10DB，20DB，30DB，40DB，測(cè)量3DB帶寬和1DB帶寬，并計(jì)算出相應(yīng)的增益帶寬積，如表一、表二所示。帶寬放大倍數(shù)3 DB帶寬（）帶寬（）增益帶寬積10 DB.1.299MHz20 DB.4503MHz30 DB.9786MHz40 DB.3148MHz表一：輸入不同增益帶寬帶寬放大倍數(shù)3 DB帶寬（）帶寬（）增益帶寬積10 DB.，1296MHz20 DB3.033MHz30

13、 DB8.778MHz40 DB2841MHz表二：輸入不同增益帶寬實(shí)驗(yàn)中我們采用的公式法對(duì)輸出電阻進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量電路為圖五：放大器輸出電阻Ro的測(cè)量測(cè)試方法：分別測(cè)出負(fù)載開路時(shí)輸出電壓Vo和帶上負(fù)載RL的輸出電壓Vo計(jì)算公式：.公式四測(cè)試結(jié)果見表三輸入信號(hào)頻率（KHz）放大倍數(shù)Vpp(mv)VoRL（歐姆）Vo輸出電阻R（歐姆）36.4640DB14.01.40V33136V0.9736.4520DB13.2132mv33128mv1.0336.4510DB12.840.2mv3340mv0165表三：輸出電阻的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中我們采用電阻分壓法對(duì)輸入電阻進(jìn)行測(cè)量圖六：放大器輸入電阻Ri的測(cè)量測(cè)

14、試方法：以信號(hào)源50歐姆內(nèi)阻為基準(zhǔn)，使其和放大器輸入電阻分壓，分別用示波器觀察信號(hào)源開路的信號(hào)的峰峰值Vpp和把信號(hào)源加到放大器輸入端時(shí)信號(hào)峰峰值Vpp。即Vss=Vpp，Vi=Vpp。計(jì)算公式：測(cè)試結(jié)果見表四：輸入信號(hào)頻率Vpp(mv)Vpp（1）(mv)輸入電阻R1Khz23.211.650歐姆表四：輸入電阻測(cè)量波形顯示：2.5結(jié)論和改進(jìn)措施本設(shè)計(jì)基于運(yùn)算放大器TL084進(jìn)行寬帶直流放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)0到40DB可調(diào)，帶寬在300KHz450KHz之間，輸入電阻為50歐姆，輸出電阻為1歐姆左右。輸出波形穩(wěn)定，沒有雜波干擾。改進(jìn)措施：、 本設(shè)計(jì)沒有使用最佳放大增益倍數(shù)，進(jìn)行三級(jí)放大器配置，使得實(shí)際帶寬和理論最佳帶寬有一定的差距。可改變相應(yīng)的電阻，將R1改成.，將改成，使其更為接近理論帶寬。、 本設(shè)計(jì)中放大倍數(shù)為，的帶寬，帶寬與放大倍數(shù)為的帶寬差異并不是很大。可設(shè)置相應(yīng)跳線和開關(guān)使得采用一級(jí)放大，其帶寬可達(dá)到接近，采用兩級(jí)放大，其帶寬可在到