5V單電源供電的寬帶放大器的設(shè)計(jì)
1 方案論證與系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 方案論證
直接使用集成高電壓輸出運(yùn)放OPA820,放大器通頻帶從20 Hz~10 MHz,并能驅(qū)動(dòng)50 Ω的負(fù)載,單純用音頻放大的方法來(lái)完成功率輸出。同時(shí)要做到在輸出負(fù)載上放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10 V的難度較大,故采用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級(jí)THS3091放大電路供電,最終設(shè)計(jì)這款高速寬帶放大器。本方案簡(jiǎn)單易行,由于采用單芯片,所以系統(tǒng)體積較小。
1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
利用模擬電子技術(shù)和單片機(jī)信號(hào)采集處理技術(shù),最終完成增益控制及輸出顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2 模擬電路設(shè)計(jì)
利用TI公司的模擬仿真軟件Tina,設(shè)計(jì)出5 V和15 V電源電路和三級(jí)放大電路,并利用峰值檢測(cè)電路的輸出經(jīng)單片機(jī)采樣處理后液晶顯示。Tina仿真軟件模擬出上述電路40 dB時(shí)的通頻帶范圍為10 Hz~10 MHz。圖2所示為三級(jí)放大電路的通頻帶圖。
圖2 三級(jí)放大電路的通頻帶圖
2.1 放大電路
采用OPA820作為一級(jí)、二級(jí)放大電路,THS3091作為末級(jí)放大電路。三級(jí)放大倍數(shù)分別為5倍、5倍和4倍。其中末級(jí)電路通過(guò)兩個(gè)可調(diào)電阻來(lái)控制放大倍數(shù)和保證輸出信號(hào)的不失真。圖3所示為基于OPA820和THS3091芯片設(shè)計(jì)的三級(jí)放大電路。
圖3 基于OPA820和THS3091芯片設(shè)計(jì)的三級(jí)放大電路
2.2 峰值檢測(cè)電路
由于通頻帶范圍中有低頻和高頻兩種不同輸入,所以采用兩種不同檢測(cè)電路。低頻峰值檢測(cè)電路可參考專(zhuān)業(yè)書(shū)上的具體電路,高頻峰值檢測(cè)電路在此利用TPS61087芯片仿真設(shè)計(jì)出的電路,如圖4所示。
圖4 高頻峰值檢測(cè)電路
3 MSP430單片機(jī)控制液晶輸出設(shè)計(jì)
3.1 MSP430單片機(jī)和液晶
MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(TI)1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器。使用了MSP430F149型號(hào)的單片機(jī),利用A/D采樣峰值檢測(cè)電路的信號(hào),編程處理后最終完成在1602液晶上顯示輸出電壓峰峰值和有效值數(shù)據(jù)的功能。為了減少功耗,并降低數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)的干擾,采樣完成后,將微控制器設(shè)低功耗模式。同時(shí)為了實(shí)時(shí)采樣后數(shù)據(jù)顯示不會(huì)閃爍,編程時(shí)利用定時(shí)器定時(shí)1 s后中斷,使液晶每隔1 s才顯示一次采樣數(shù)據(jù)。電路如圖5所示。
圖5 單片機(jī)和液晶電路圖
3.2 軟件流程
軟件流程,如圖6所示。
圖6 軟件流程圖
4 性能測(cè)試與分析
測(cè)試儀器有:泰克公司TS1002 160 M數(shù)字示波器和RIGOL DS1022 20M信號(hào)源。
測(cè)試方法主要分3步:(1)連接+5 V、+15 V電源,在輸入端接入信號(hào)發(fā)生器信號(hào)。(2)輸入通頻帶范圍為10 Hz~10 MHz,電壓峰峰值0~100 mV的信號(hào),測(cè)試通頻帶內(nèi)是否平坦。(3)改變輸入電壓的頻率和有效值,分別記錄輸出電壓的峰峰值和有效值。
相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 40dB時(shí)輸入輸出測(cè)試
如表1所示,放大器在預(yù)置帶寬為10 Hz~10 MHz、最大增益為40 dB的時(shí)候,通頻帶內(nèi)很平坦。此時(shí)最大不失真輸出電壓約為10.20 V。經(jīng)測(cè)試,該電路最大增益為42 dB。制作和調(diào)試出的實(shí)物圖如圖7所示。
圖7 實(shí)物圖
5 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能,完成了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì),解決了較難在輸出負(fù)載上不失真輸出電壓峰峰值≥10 V、輸出電壓的峰值檢測(cè)、A/D采樣顯示等問(wèn)題。
評(píng)論