宽带放大器.docx
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宽带放大器
全国大学生电子竞赛
2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛
宽带放大器（A题）
参赛队员:
任康夏银龙李爱芹
指导老师：
徐雷钧景亮
参赛学校：
江苏大学
摘要：
本宽带放大器利用TI公司提供的运算放大器和OPA211，能够将20HZ~5MHZ的频带放大达到100倍以上，由MSP430F169单片机的12位的AD采集电压，并在液晶上显示本设计成功的关键点是使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。
【Abstract】:
Thebroadbandamplifierwithgainof100usetheamplifiersofferedbyTIcompanyandOPA211amplifiertoenlargethebandfrom20Hzto5MHz.Thenthe12-bitA/DbasedonMSP430169collectthevoltageanddisplayonLCD.Thekeytosuccessinthedesignisusingkindsofanti-interferencemeasuresinordertorestrainfrequencyofself-excited.
关键字：
宽带放大器OPA820THS3091OPA211有效值检测
目录：
摘要……………………………………………………………………………………1
1方案论证与比较………………………………………………………………….2
1.1有效值检测部分………………………………………………………………2
1.2中间级部分……………………………………………………………………3
2主要电路原理分析与计算…………………………………………………………4
2.1前级放大部分…………………………………………………………………4
2.2中间级放大部分………………………………………………………………5
2.3末级放大部分…………………………………………………………………5
2.4峰值检测部分……………………………………………………………….5
2.5噪声处理及板子布局............................................6
3软件设计……………………………………………………………………………6
4系统测试……………………………………………………………………………6
4.1测试仪器………………………………………………………………………7
4.2测试方法及数据………………………………………………………………7
4.3系统完成情况……………………………………………………………….7
5总结……………………………………………………………………………….7
参考文献……………………………………………………………………………8
附录…………………………………………………………………………………8
一、
方案论证与比较
1.、有效值检测部分
方案一：
采用分离元件搭建峰值检波电路，检出信号的峰峰值，即将交流电转变成直流电压，通过ADC采样并计算其有效值。
利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。
方案二：
采用集成真有效值变换芯片AD637，AD637是AD公司RMS-DC产品中当前国际上转换精度最高（指加外部精调电路后）及频带最宽的真有效值转换器，并且AD637可以对输出电平信号的以dB形式指示，可以测出任意波形交变信号的有效值。
器外围器件少，频带宽；输出有效值用A/D采样来进行单片机处理。
方案三：
利用高速ADC对电路进行一周期数据采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值（式1－1）。
此方案具有抗干扰能力强、设计灵活等优点，但是调试困难，需要高速AD进行采样和高速处理器进行数据处理，不易实现。
（1－1）
方案四：
利用模拟电路测量，采用LM6171和LM356构成基本峰值检波电路，这两个芯片的特点是高增益，低噪声，低失真，能够满足题目的宽带要求，电路如图所示
前级相当于比较器，后级相当于跟随器，二极管导通时，电容充电，输出跟随电输入，由峰值和有效值的关系，得到有效值。
方案比较：
从实现难度和操作难易方面综合考虑，选择方案四。
2中间级部分
方案一：
采用AD811运放实现放大25倍以上，其一般应用电路如图1。
方案二：
采用低功耗精密运算放大器OPA211，由两级OPA211放大电路级联，达到增益40dB以上。
方案比较：
从运放的特点功能来看，选择方案二，因为OPA211是一款双极输入运算放大器，仅需3.6mA电源电流即可实现1.1nV/rtHz的电压噪声与80MHz增益带宽（GBW）。
该器件可提供100μV失调电压、0.2μV/degC失调电压漂移以及不足1μs的建立时间，非常适合驱动数据采集系统中的高精度模数转换器，此外，该器件还支持轨至轨输出振幅，从而扩大了动态范围,OPA211的工作电源电压范围为±2.25V至±18V，双极运算放大器在降低失调电压误差方面表现出色，非常适合信号源阻抗较低的应用。
图1
二、系统原理设计
1、总体设计思路
根据题目要求，前级采用TI公司提供的OPA820ID，该运算放大器能够提供一个宽带，单位增益稳定，具有非常低的输入噪声电压，高输出电压，属于电流反馈放大器，使用低5.6毫安电源电流。
末级采用THS61087DRC,作为功率放大级部分，驱动负载，再通过滤波电路，最后将信号送到单片机430F169进行A/D采样，通过液晶显示。
系统框图如下图2所示。
图2
2、主要电路原理分析与计算
1前级放大部分
该电路主要实现放大两倍以上，该运放属于电流反馈运放，虽然该电路带宽较宽，但工作带宽越宽，工作越不稳定，越容易自激。
为了保证运放工作稳定，反馈电阻的取值小一点。
原理图如图3。
图3
为了提高运放的速度和带宽，尽量减小补偿电容，在R2的两端并联了一个470uF电容。
2中级放大部分
由于题目中的带宽较宽，尤其是输入高频信号时，易受干扰，故电源端都并接上电容，并在输出口设置插针以便进行单元测试。
原理图如图4。
图4
3末级放大电路部分
该级实际上是一个电压跟随器，驱动负载，在输入端和电源端加上电容，尽量减少失真和抑制零点漂移。
原理图如图5。
图5
4峰值检波部分
在前面的方案中已经介绍过峰值检波的雏形，但他但同时存在一个问题，当改变输入信号的频率时，由于电容具有储能作用，将影响下一个频率的有效值检测。
经过我们组员的讨论，加一个继电器作为模拟电子开关，当给三极管一个高低平时，继电器的开关合上，电容通过继电器形成电路放电，放完电后，这时三极管被拉成低电平，电容又开始充电，A/D采样继续采集下一个频率的电压峰峰值进行转换。
原理图如图6。
图6
5噪声处理及板子布局
由于本系统处理对象有高频信号，所以整个系统对噪声的处理要求很高。
噪声来源包括：
波。
电源，外界环境，级间干扰，以及走线间相互干扰……针对不同的噪声，实际中采用了不同的处理措施：
（a）电源干扰，电感和电容构成滤波电路，能有效滤出纹。
（b）外界环境干扰，为了防止外界干扰，可以将电源线和地线加粗加宽，并且在制PCB板时加以敷铜；由于是高频信号，防止外界干扰，又对自动增益级及功率放大级增加屏蔽罩，增加其抗干扰性能。
（c）级间干扰，各级之间，采用了高低频电容来滤除低高频噪声，
（d）走线相互干扰。
走线尽量的短，信号线尽量不相交，焊点要尽量的平滑，以免产生高频自激；
（e）板子布局要合理防止信号之间的串扰，而且要注意数摸两部分之间的隔离和滤波处理，数字地和模拟地之间加上了一个电感和电容滤波。
三、软件设计
软件流程图
四、系统测试
1测试仪器
数字双踪示波器信号发生器万用表负载电阻50
2测试方法及数据
采用信号发生器与示波器组合的静态法进行幅频特性测量，将信号发生器接入宽带放大器的的输入端，记录两个波形的峰峰值及对应的频率。
40dB通频带数据测量表
频率（Hz）
20
30
50
100
500
输出峰峰值（V）
4.85
5.18
6.40
7.12
9.16
放大倍数
65
85
101
105
106
频率（KHz）
1.5
2
3
5
8.5
输出有效值（V）
9.8
10
10.1
10.3
10.1
放大倍数
102
103
104
102
101
频率（MHz）
1
1.5
2
3
5
6
输出有效值（V）
6.73
5.89
5.18
4.85
4.82
4.88
放大倍数
108
101
97
91
82
78
从表格中看出，基本满足基本要求，但还不能完全满足发挥部分的要求。
五、总结
小组3个人完成了比赛题目的基本要求，总结了以下几点：
1由于是信号放大的题目，高频信号对于器件的布局以及导线的走向都要求极高，所以在画PCB的时候，在布局上花了重工夫，让地线和电源线形成包围圈，达到屏蔽干扰信号的作用，跳线时不跳信号线。
2在调试过程中，总是遇到信号不稳定的现象，有时只是换了一个位置，信号的波形就会发生很大的变化，通过不断地去分析问题，不断地改变一些电容电阻电感的值，来达到更好的效果，有一次在分析失真的原因时，发现手机信号也会产生很大的干扰，外部环境的干扰不容忽视。
3虽然对板子做了很多的抗干扰措施，使设计指标达到了题目基本要求，不过若进一步改进处理，指标还可以进一步提高。
由于技术和器件的限制，设计过程中遇到了许多问题，正是系统中出现的问题增加了设计的挑战性，经过努力练习，查阅资料，实现了系统的改进和提高。
4由于小组能力水平有限，未能解决某些问题，但这次的TI比赛给我们提供了一个很好的平台，让我们互相合作，培养团队意识，另一方面又锻炼了我们的动手能力，设计能力，还激发了我们对电子的强烈兴趣。
六、参考文献
[1]全国大学生电子设计竞赛湖北赛区组委会.电子系统设计实践—湖北省大学生电子设计竞赛优秀作品与解析[M].武汉：
华中科技大学出版社，2004.
[2]成立杨建宁模拟电子技术TN710——南京：
东南大学出版社，2006.2
[3]C程序设计/谭浩强3版北京：
清华大学出版社，2005.
[4]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：
华中科技大学出版社.
七、附录
电路的PCB板图
实物图
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