基于MSP430F449單片機(jī)寬帶直流放大器的設(shè)計

　　四、程序設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計部分基于MSP430F449單片機(jī)平臺，主要完成增益控制、直流零點自動校準(zhǔn)功能、按鍵處理和顯示控制。充分利用MSP430F449低功耗模式，當(dāng)相應(yīng)控制設(shè)置好后，不做其它處理時，單片機(jī)便進(jìn)入低功耗模式。低功耗模式下，單片機(jī)可以被任意按鍵中斷喚醒。下圖為主程序流程圖。

　　五、設(shè)計和調(diào)試中遇到的問題

　　整個系統(tǒng)偏重了模擬設(shè)計，數(shù)字控制簡單，控制部分主要是基于MSP430F449進(jìn)行編程實現(xiàn)，沒有遇到純數(shù)字控制上的問題。在模擬設(shè)計和調(diào)試中遇到的問題比較多，需要一一考慮清楚，采用合理的方法解決。本系統(tǒng)為寬帶放大，需要考慮增益帶寬積的問題，還有放大器的穩(wěn)定對整個系統(tǒng)至關(guān)重要?？刂仆◣?nèi)的增益起伏，尤其是本系統(tǒng)是一個直流放大器，直流零點漂移是一個較難解決的問題，特別是在對一個不確定的電路參量進(jìn)行檢測時，采用絕對的地作為參照，這樣在任何情況之下都是成立的，并且可以衍生出以地為參照的各種準(zhǔn)確的參照。然后依據(jù)這樣的方法，我們實現(xiàn)了在不同時間溫度情況下能隨時數(shù)控自我校準(zhǔn)的功能。
　　
　　1.帶寬增益積
　　
　　帶寬增益積是指放大電路通帶電壓增益與通頻帶的乘積。
　　
　　對電壓反饋型運放，帶寬增益積是一個常數(shù)。
　　
　　典型的電壓反饋型運放構(gòu)成的同相放大電路的增益可用A表示：

　　其中A(w)為開環(huán)增益，是隨頻率增加而減小的函數(shù)；Rf為反饋電阻，Rg為接在反相輸入端到地的增益電阻。當(dāng)(1+Rf／Rg)/A(w)=1時， 頻率為-3dB頻率f3db，閉環(huán)增益l+(Rf／Rg)越大，f3db越小。
　　
　　對電流型反饋型運放，帶寬增益積并不為常數(shù)。
　　
　　其頻率f3db由反饋電阻Rf決定，即電流反饋型運放的頻率特性幾乎不受閉環(huán)增益的影響。
　　
　　本系統(tǒng)設(shè)計最大電壓增益≥60dB，通頻帶最大達(dá)到10MHz，由于電壓增益和通頻帶都很大，則要求的帶寬增益積就更大。實際不可能會具有這么大的帶寬增益積的運放，因此應(yīng)該設(shè)計為多級放大。
　　
　　每一級放大設(shè)計時，若選用電流型運放，首先要選取合適的Rf，再根據(jù)放大倍數(shù)的設(shè)計選取Rg；若選用電壓反饋型運放，則在放大倍數(shù)(即閉環(huán)增益)確定時，要考慮其帶寬增益積足夠大。整個系統(tǒng)的設(shè)計中，要根據(jù)通頻帶(5MHz或10MHz)和放大倍數(shù)來考慮整個放大系統(tǒng)的增益帶寬積。
　　
　　2．通頻帶內(nèi)增益起伏控制
　　
　　由于各器件的幅頻特性以及濾波器的幅頻特性不平坦等多種因素，系統(tǒng)通頻帶內(nèi)增益會出現(xiàn)起伏。
　　
　　如AD603的頻率響應(yīng)特性有一個增益尖峰，調(diào)節(jié)AD603的5腳和7腳間的電阻可以使增益變化范圍進(jìn)行平移。該電阻選取合適時，將增益尖峰調(diào)節(jié)在10MHz之后，在10MHz通頻帶以內(nèi)，保證AD603構(gòu)成的前級放大電路輸出信號幅度平坦。后級程控放大和功率放大，選取各參數(shù)指標(biāo)(如增益帶寬積擺率、失調(diào)電流、失調(diào)電壓、溫度系數(shù)等)滿足本系統(tǒng)設(shè)計要求的運放，使信號調(diào)理時在10MI_z以內(nèi)幅頻特性平坦。再通過無源橢圓濾波器實現(xiàn)題目要求的5MHz和1 0MHz的-3dB截止頻率。
　　
　　橢圓函數(shù)濾波器在有限頻帶上既有零點又有極點，極零點在通帶內(nèi)產(chǎn)生等紋波，通頻帶內(nèi)出現(xiàn)增益起伏。橢圓濾波器的通帶波紋與反射系數(shù)p之間的關(guān)系為：將p減小，通帶如波紋會減小?？筛鶕?jù)通帶Rdb=-101g(1-r平方)內(nèi)的紋波特性，將AD603的控制電壓通過軟件作一擬合曲線，調(diào)整AD603的控制電壓進(jìn)一步減小紋波帶來的增益起伏。但這樣需要對信號進(jìn)行測頻才能得到對應(yīng)頻點上的調(diào)整控制電壓，會同時增加硬件和軟件的復(fù)雜性。因此，本系統(tǒng)將橢圓濾波器的通帶紋波設(shè)計得盡量小，使?jié)M足通頻帶增益起伏≤1dB的題目要求。
　　
　　3.抑制直流零點漂移
　　
　　零點漂移是直流放大器直流工作點的漸進(jìn)的慢變化。產(chǎn)生零點漂移的原因很多，電路中任何元器件參數(shù)的變化，供電電源的波動，都會造成輸出電壓的漂移，但主要因素還是溫度的影響。零漂是一種不規(guī)則的緩慢變化，增益越大，放大級數(shù)越多，在輸出端出現(xiàn)的零漂現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此主要考慮放大電路第一級零漂的抑制。
　　
　　前級放大器AD603后面接入一級放大器作為調(diào)零放大器，將本直流放大器輸入短路，以O(shè).1dB步進(jìn)控制AD603的增益，不斷采樣AD603的輸出直流偏置電壓，并通過單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換器在調(diào)零放大器的調(diào)零端加入對應(yīng)的校正電壓，使這個直流偏置電壓驅(qū)動到零，從而很大程度上抑制了直流零點漂移。
　　
　　后級放大電路中，應(yīng)盡量采用低溫漂運算放大器，如后級采用了OPA690、OPA699、THS3001和THS3091，它們都具有較低的失調(diào)電流和失調(diào)電壓，但屬于高速運放，失調(diào)電壓溫漂系數(shù)不一定都很小，如末級功放采用的n4S3091其失調(diào)電壓溫漂為±10μ v/℃，因此在一些運放輸入端采用了電位器調(diào)零措施，而且對功放還安裝了小風(fēng)扇進(jìn)行散熱來抑制溫漂。
　　
　　4.放大器穩(wěn)定性
　　
　　放大器要達(dá)到絕對穩(wěn)定，放大器不僅不能同時接近自激振蕩條件：△jt=180°和20lg T(絕對值)=0dB而且要留有適當(dāng)?shù)母辉Ａ?。富裕量越大，放大器愈不易產(chǎn)生自激振蕩，但設(shè)計也就越困難，對放大器所使用的元器件的要求更嚴(yán)格。
　　
　　不良接地和不充分的供電電源濾波、大容量容性負(fù)載、輸入雜散電容的影響、前沿校正(補償)和高頻噪聲都對運算放大器的穩(wěn)定性有影響。
　　
　　一些高速運放只有在增益大于5或更大時才會穩(wěn)定。
　　
　　本系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。通過電源旁路電路增加電路的穩(wěn)定性，許多電源和地之間使用10 μ F的鉭電容再并聯(lián)一個O.1 μ F的陶瓷電容。每一級輸出端增加了一個串聯(lián)電阻，減小負(fù)載容性影響?？稍诜答侂娮枭喜⒔右粋€反饋電容，構(gòu)成超前相位補償來補償輸入雜散電容的影響。
　　
　　同時本系統(tǒng)的橢圓濾波器抑制了高頻噪聲，也加強了放大器的穩(wěn)定性。