一种宽带放大器的设计 (毕业设计48页、17961字+图+程序)

摘要：随着社会生产力的发展，人们迫切地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，无线通信技术得到了迅猛的发展，技术也越来越成熟。而宽带放大器是上述通信系统和其它电子系统必不可少的一部分。由此可知，宽带放大器在通信系统中起到非常重要的作用，于是人们也对它的要求也越来越高。该设计利用多级低噪声高速精密运算放大器OP37G来提高和控制增益。为了实现-15dB至15dB增益调节范围的要求，分别采用了一级正相接入和一级反相接入的OP37G作为放大的主体部分，可以分别实现对正弦信号的放大和衰减。本设计实现增益控制的原理是根据OP37G的放大原理公式计算出实现指标增益所需要的反馈电阻值，使用10K继电器选择相应电阻实现增益。在完成增益指标和自制稳压电源的同时，也考虑了实际使用效果，增加了射极跟随器来提高放大器带负载的能力。根据最后对做出的实物进行调试，本设计充分完成了设计要求，满足通频带指标的同时，实现了增益5级可调，步进间隔5dB，增益预设值和实测值间误差远小于2dB 。数码管也能够正确的显示正弦信号的有效电压。

关键词：宽带放大器；增益可调；OP37G

The design of Wideband amplifier

Abstract: Along with the development of the social productivity, people request urgently at long-distance leave at any time and anywhere and quickly but deliver the information accurately. Hence, the lead-in correspondence technique got the fast development, the technique is more and more maturing .But the Wideband amplifier is an above correspondence system with other electronics system a part of the essential to have. As it describes, the Wideband amplifier is very important in correspond system .hence people to it of the request is higher and higher. This design in fact is making use of low-noise    high-speed-precision operation amplifiers of OP37G which gain can be changed to increase and control the gain. To implementation the objective of the gain of wideband amplifier can be adjusted from -15dB to 15dB, I used two OP37G constitute the main Structure of the wideband amplifier with one is in positive connection and another is in opposition connection ,with this the design can work as a amplifier and can realization the attenuation to the sine signal. The principle of the amplifier is get the value of the feedback  resistance which can change the gain of the amplifier , then make sure the relay on the right stall, we can get the expectation gain. With the consider of the realistic operating environment after finish the target of amplifier and made a Voltage-stabilized source, I have designed emitter follower to promot the ability of actuation following electric circuit. According to the testing of the material object, the design of wideband amplifier has tallies all the Request of this design. The gain of the amplifier can be adjusted divides 30dB into 5 grades. The value of supposes in advance is close to the value of actual survey and the erroneous value is less than 2dB. The nixietube can display the accurate virtual value of AC signal.

Key words: Wideband amplifier;Adjustable Gain;OP37G

目    录

第一章 绪  论 1
1.1 宽带放大器简介 1
1.1.1 什么是宽带放大器及其发展历史 1
1.1.2 放大器的分类 2
1.1.3 宽带放大器的主要参数介绍 2
1.2课题设计要求 4
1.3 课题的意义 5
第二章 方案论证和比较 6
第三章 理论分析与参数计算 8
3.1 增益控制分析 8
3．1．1 OP37G介绍 8
3．1．2 OP37G的接法和相关计算公式 8
3.2 增益控制相关电路 9
3．2．1 增益控制部分 9
3．2．2 射极跟随器 10
3．2．3 精密整流电路 11
第四章 系统各模块的电路设计 12
4.1自制稳压电源 12
4.1.1 三相稳压器7805，7812，7912及其作用 12
4.1.2 桥式整流 13
4.1.3 PCB的绘制及使用经验 15
4.2对于宽带放大器抗干扰措施的一些思考 17
第五章 单片机部分及软件设计 18
5．1单片机部分 18
5.1.1单片机的型号特点 18

5.1.2 A/D转换部分（ATmega8的模数转换功能） 20
5.1.3显示部分 20
5.2 程序设计 23
5.2.1 显示模块的部分程序设计介绍 23
5.2.2 对放大倍数设置的相关程序介绍 23
5.3 程序的写入 24
5.3.1 ISP技术介绍 24
5.3.2 ISP必须具备的条件 25
5.3.3 ISP失败后的补救措施 26
第六章 对系统的整体调试 27
结 论 28
致   谢 29
参考文献 30
附录一  程序清单 31
附录二  电路图 39
附录三  印制板图 41
附录四  实物图片 42

第一章 绪  论

1.1 宽带放大器简介
1.1.1 什么是宽带放大器及其发展历史
宽带放大器是音响、有线电视、无线通信等系统中必不可少的部分，现在对放大器的发展做一个简要介绍。
工作频率上限与下限之比远大于1的放大电路。习惯上也常把相对频带宽度大于20％～30％的放大器列入此类。这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器，所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频。这类放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合。为了扩展带宽，除了使其增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益-频率特性曲线的平坦部分向两端延展。可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器（带宽从几赫到几十或几百兆赫），用于测量仪器的直流放大器（带宽从直流到几千赫或更高），以及音响设备中的高保真度音频放大器（带宽从几十赫到几十千赫）等。用于射频信号放大的宽带放大器（大多属于带通型），如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十。[1]
自1877年爱迪生发明留声机至今已有127年了，前70年音响发展缓慢且大多停留在象牙塔中，后50余年进入民间，发展日新月异。自从1927年贝尔实验室发表了划时代的负反馈技术后，声频功率放大器开始进入一个崭新时代。1947年，威廉逊（Williamson）在英国《无线电世界》发表了划时代的《高保真放大器设计》一文，介绍了一种电子管功率放大器，成功地应用了负反馈技术，其失真度仅为0.5%，音色之靓，堪称古典功放之皇。
自威廉逊的论文发表后4年，美国《Audio》杂志刊登了把超线性放大器经过适当变形后与威廉逊放大器相结合的电路。其超线性设计，大大地降低了非线性失真。可以认为威廉逊放大器和超线性放大器标志着负反馈技术在音频领域中的应用已经日趋成熟和广泛，为十年后脱颖而出的晶体管放大器奠定了坚实基础。
50年代末，美国在电子器件技术领域率先跨出一步，推出了时代骄子——集成电路。到了60年代末70年代初，集成电路以其质优价廉、多功能的特点开始在音频功率放大器上广泛应用。1977年，日立公司生产出了世界上第一只VMOS（Vertical Metal Oxide Semiconductor）功率管。
60年代，晶体管开始问世，从此揭开了现代放大器的序幕。1970—1973年，是级间全部直耦OCL（Output Capacitorless）方式的普及期；1974—1976年是DC（Digital Circuit）放大器全盛时期。70年代末至今，晶体管功率放大器得到了淋漓尽致的发挥，设计形式已相当多，这一切都为集成电路功放技术设计铺平了道路。
70年代到现在, 增加信号幅度或功率的装置。它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。随着射流技术的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系（如运算放大器）。
从此来看，放大器经过了电子管、晶体管、集成电路及VMOS功率管等几个时期，它们皆以各自独特的不可取代的优势各领风骚。[2]
1.1.2 放大器的分类
1、按照所用器件可分为晶体管、场效应管和集成电路放大器。
2、按照通过频谱的宽窄可分为窄带和宽带放大器。
3、按照电路形式可分为单级和级联放大器。
4、按照所用负载性质可分为谐振和非谐振放大器。
5、按照放大器的功能可分为普通型放大器、自动增益控制AGC（Automatic Gain Control）放大器、自动增益自动斜率控制放大器、前馈放大器、单向放大器、双向放大器等。
1.1.3 宽带放大器的主要参数介绍
1、带宽
(1）-3dB带宽（-3dB bandwidth）
将一个恒定幅度的正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3dB（或是相当于运放的直流增益的0.707）所对应的信号频率。这用于很小信号处理。
   （2）单位增益带宽GBW（Gain-bandwidth Product）
     运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒定幅度正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降3dB（或是相当于运放输入信号的0.707）所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，换句话说，就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增益以后，可以计算出单位增益带宽，用以选择合适的运放。这用于小信号处理中运放选型。
    （3）全功率带宽FPBW
     在额定的负载时，运放的闭环增益为1倍条件下，将一个恒定幅度的正弦大信号输入到运放的输入端，使运放输出幅度达到最大（允许一定失真）的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地，全功率带宽=转换速率/2πVop（Vop是运放的峰值输出幅度）。全功率带宽是一个很重要的指标，用于大信号处理中运放选型。
    （4）增益平坦度（Gain Flatness over frequency）
     指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。
2、频响
放大器对信号增益与频率的关系叫放大器的幅频特性，也叫频响。用于考核放大系统的增益、带内平坦度、带外衰减及过度特性等，是在工作频带内各频率点电平相对于标准电平的变化量，以分贝表示。
3、增益
放大器的输出电压与输入电压之比称为放大器的增益或放大倍数，用Gp表示。通常用分贝（dB）计算，其公式为：
                             Gp = 20lg（V2/V1）                         (1—1)
式中：V1——放大器的输入电平值
  V2——放大器的输出电平值
4、噪声系数
放大器的噪声性能可用噪声系数（NF）来表示，它是衡量放大器内部杂波的一个指标，表示放大器输入端信噪比相对于输出端信噪比的倍数，以dB计算，NF =（Sin/Nin）/(Sout/Nout),式中Sin/Nin，Sout/Nout分别表示放大器输入和输出信噪比。在放大器中，总是希望噪声系数本身产生的噪声愈小愈好，即要求噪声系数接近1。
5、干扰抑制比
放大器对干扰的抑制能力通常称为对干扰的抑制比，表示为：
                              d = Av0/Av                           (1—2)
式中：Av0——谐振点f0的放大倍数
  Av——电路对干扰信号的放大倍数
d ——放大器对干扰的抑制比
6、输入失调电压UIO（Input Offset Voltage）
一个理想的集成运放，当输入电压为零时，输出电压也应为零（不加调零装置）。但实际上它的差动输入级很难做到完全对称（Differences in Input Transistors），通常在输入电压为零时，存在一定的输出电压。在室温（约27℃）及标准电压下，输入电压为零时，为了使集成运放的输出电压为零，在输入端加的补偿电压叫做失调电压UIO，也称EOS或VOS。UIO值愈大，说明电路的对称程度愈差，其量级约为±1uV~20mV。越低失调和漂移运放的UIO在±1~20uV之间.解决方法：调零装置补偿（System calibration can compensate for initial offset voltage）选用自动归零的运算放大器（Auto-Zero Op Amps）。
7、最大输出电平
每个放大器都有一个线性使用范围，其输出电平是有特定的限额值的，当输出电平过大超出线性范围时，信号就会产生失真。放大器的最大输出电平通常是指满频道输入时无失真输出的最大输出电平，放大器的最大输出电平越高，放大器的放大特性越好。
以上这些技术指标要求，相互之间既有联系又有矛盾。例如增益和稳定性等，因此，设计时应根据要求决定主次，相互配合好。[9]
1.2课题设计要求
现将宽带放大器需要满足的设计要求整理如下：
1、 输入阻抗≥1kΩ；单端输入，单端输出；放大器负载电阻50Ω。
2、 3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB。
3、 最大增益≥30dB，增益调节范围-15dB～15dB（增益值5级可调，步进间隔6dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB），需显示预置增益值。
4、 最大输出电压有效值不小于3V字数显示输出正弦电压有效值。
  5、自制放大器所需的稳压电源。