1、寬帶前置放大電路(F題)【專科組】設計報告金華職業技術學院應用電子技術專業楊國龍、葉世榮摘要：本設計采用TI器件OPA820 、THS4051等實現0-20MHZ寬帶正弦信號的輸入阻抗匹配、無源衰減網絡、有源放大等環節，并采用MSP430單片機為控制核心，TLV3501比較器、SN74HC390分頻器實現0-20MHZ寬帶正弦信號的頻率測量。關鍵詞：0-20MHZ寬帶正弦信號；MSP430；OPA820；THS4051；TLV3501；SN74HC390；輸入阻抗匹配；無源衰減網絡：有源放大；頻率測量。Abstract: This design uses a TI device OPA820,

2、 THS4051, etc. to achieve 0-20MHZ broadband impedance matching the input sinusoidal signal, passive attenuation network, active amplification and other sectors, and to control the use of MSP430 MCU core, TLV3501 comparator, SN74HC390 divider to achieve 0 -20MHZ broadband sine signal of frequency mea

3、surement.Key words: 0-20MHZ broadband sine signal; MSP430; OPA820; THS4051; TLV3501; SN74HC390; input impedance matching; passive attenuation network: active amplification; frequency measurement.一 系統方案1系統設計要求設計一個前置放大電路，使其在較寬的頻帶范圍內具有良好的直流和交流特性。電路包括輸入阻抗匹配、無源衰減網絡、有源放大等環節，采用單端輸入單端輸出方式實現信號變換，電路方框如圖1所示。要求

4、（1）輸入阻抗：直流輸入阻抗可以50和1M可選，允許誤差2%。（2）用單片機測量并顯示信號頻率。（3）直流零點：輸入短路時，電路輸出直流電壓偏離零點在3mV范圍內。（4）大信號1倍放大寬帶特性：輸入峰值為1V的正弦信號，電路的工作帶寬為DC1MHz，在1M輸入阻抗條件下測試，示波器監視無明顯失真。（5）大信號衰減10倍帶寬特性：輸入峰值為5V的正弦信號，電路的工作帶寬為DC1MHz，在1M輸入阻抗條件下測試，示波器監視無明顯失真。（6）10倍放大帶寬特性：輸入峰值為0.1V的正弦信號，放大10倍，電路的工作帶寬為DC5MHz，示波器監視無明顯失真。（7）大信號1倍放大擴展寬帶特性：輸入峰值為1

5、V的正弦信號，電路的工作帶寬為DC20MHz。（8）輸出阻抗盡可能小。（9）靜態工作電流2mA(正5V電源)。輸入輸出輸入阻抗匹配單元無源衰減 網絡有源放大 電路單片機及顯示裝置圖1 電路系統框圖2模塊方案選擇（1）輸入阻抗匹配單元方案選擇阻抗匹配是為了保證能量傳輸損耗最小。在低頻電子電路中，輸入阻抗一般都要求越大越好，但是在寬帶電路中，因為要考慮電阻、電感、電容在不同頻率下的作用，阻抗匹配的計算一般比較復雜，主要通過改變阻抗力與傳輸線來達到。本設計的頻帶在一般高頻段，主要考慮電阻作用。主要方法有兩種：方案一：設計電阻網絡。用電阻串并聯方法來改變電阻值。方案二：在同相跟隨器基礎上并聯電阻網絡。

6、同相跟隨器具有無窮大的輸入電阻和極小的輸出電阻，跟隨器起隔離緩沖的作用，使前后級電路信號不互相影響。本設計選用方案二。（2）無源衰減網絡方案選擇無源衰減網絡能起到調整信號強度，控制阻抗的不匹配和作為電路級間的耦合與隔離作用。依據無源器件的連接方式有不同的方案如：PI型衰減、T型衰減、橋型衰減等。本設計利用串聯電路分壓的性質設計電路，由于電路在不同信號頻率下工作， 頻率的高低將對電路的性能產生不同的影響，在電路系統中放入多個去耦電容。（3）有源放大電路方案選擇選用OPA820 和THS4051寬帶運算放大器，采用TI公司的FilterProTM有源濾波器設計軟件與TINA-TI模擬仿真軟件仿真相

7、結合，運用現代設計方法提高寬帶有源放大電路的設計效率。（4）單片機及顯示裝置方案一：一般STC89C51單片機,加顯示方案二：TI的MSP430單片機加顯示。TI單片機具有16位定時器，控制精度比較高。本設計選用方案二,測頻方案組成框圖2。圖3 輸入阻抗匹配單元 圖2 單片機測頻電路組成框圖二 主要單元電路設計1輸入阻抗單元電路 輸入阻抗單元采用OPA820構成的同相跟隨器，當他與R1（50并聯時），輸入阻抗單元阻抗為50；當他與R2（1M并聯時），輸入阻抗單元阻抗為1M。如圖32無源衰減網絡無源衰減電路的設計，利用串聯電路分壓的性質設計電路。電路如圖4所示。圖5有源放大電路圖4無源衰減網絡3

8、有源放大電路本設計采用TI器件具有靜態調零功能的THS4501運放做成二階低通濾器，基本方法是FilterPro有源濾波器設計軟件與TINA-TI模擬仿真軟件仿真相結合。有源二階低通濾波器計算（二節RC網路）電路原理如圖3所示，截止頻率：，當頻率低于時為正常的電壓增益，頻率高于時，衰減斜率為每10倍頻率40 dB。放大倍數直流零點： THS4501具有靜態調零功能的運放。4單片機測頻模塊及顯示裝置(1)信號整形與外部分頻對0.3伏以下的輸入正弦信號進行幅度放大，放大電路如圖6所示，使放大后的正弦信號通過比較器轉換成方波,比較器采用TLV3501實現,比較器電路如圖7所示,對比較器輸出的大于20

9、KHz的方波信號通過1000分頻的分頻電路分頻，分頻電路如圖8所示。圖6 幅度放大圖7 比較器圖8 分頻電路(2)單片機測頻原理本設計采用計時、計頻相結合的方法對頻率信號進行采集。如圖9所示, 既要計頻, 設定時間閾值, 并對該時間段內的脈沖進行計數, 記為N；又要計時, 精確測量N 個脈沖所用的時間, 記為T,計時計頻法頻率測量所遵循的公式為其中: F為頻率； N為時間閾值內輸入被測脈沖數；T 為N 個脈沖所用的時間。圖9測頻原理圖所以測準頻率的關鍵是準確測出在某時間閾值內脈沖個數N 和N 個脈沖的確切時間。基準時鐘的頻率:8MHz,周期為0.125s。本設計運用MSP430F155 單片機

10、TimerA 的捕獲功能實現上述功能，測頻精度為1Hz。（3）1602LCD顯示模塊本設計采用1602LCD顯示模塊,顯示內容: 第一行顯示“Singal Frequency”; 第二行顯示頻率值.三 系統軟件設計四 測試儀器與測試結果1測試儀器及設備表1 測試儀器及設備清單序號儀器名稱型號用途數量1PC機+仿真軟件海爾；模擬仿真軟件TINA-TI；MSP430程序調試軟件IAR調試及下載程序12數字萬用表VC890D my07測量各電路工作情況13雙通道直流穩壓電源LuYang YB1731C線路板調試用電源14100MHz數字示波器CA8022my-2000A092測量各類脈沖波，PWM波

11、形15任意波信號發生器120MHzSPF120型信號輸入16數字頻率計SP3000B測頻率17游標卡尺測長度12. 測試結果（1）輸入阻抗（；）序號理論Ri測量誤差UiUsRix150132V270V4964072%21M269V270V現有儀器測不準（2）單片機測量并顯示信號頻率信號源1HZ100HZ10K100K1M45M頻率計10100210000100000K1000，000M4500，000M本系統1 HZ99HZ9999HZ10000010000004000000（3）直流零點：最大2.48mV（4）大信號1倍放大寬帶DC1MHz特性的測試：帶寬頻率0Hz100HZ10K100K1

12、M輸入信號電壓峰值0.508V0.504V0.504V0.5040.496輸出信號電壓峰值0.503V0.512V0.488V0.4980.480（5）大信號衰減10倍帶寬DC1MHz特性：帶寬頻率0Hz100HZ10K100K1M輸入信號電壓峰值4V4V4V4V4V輸出信號電壓峰值354mV376mV376mV384mV384mV（6）10倍放大帶寬DC5MHz特性：帶寬頻率0 Hz100K1M5 M10M輸入信號電壓峰值01V01V01V01V01V輸出信號電壓峰值0.86V1.00V1.00V0.70V0.50V（7）大信號1倍放大擴展寬帶DC20MHz特性：帶寬頻率0Hz100K1M1

13、0 M20M25 M輸入信號電壓峰值1V1V1V1V1V1V輸出信號電壓峰值0.98V1.00V1.00V1.00V0.810.65V（8）輸出阻抗（；）。序號測量UOLUOCRO1880mV880mV0（9）靜態工作電流測量值：0.002mA五 特色創新與設計結果運用TI公司濾波器設計軟件設計二階低通濾波器，運用TINA-TI模擬電路仿真軟件測試電路，依據仿真結果進行實際電路調試，本設計所有核心器件全部采用TI器件，設計周期短，電路性能高，全部功能實現，參數指標最穩定的時候能符合甚至超過設計要求。但是由于時間太緊，并且由于調試與PCB布線方面的經驗不足，電路之間的轉接多，信號聯接不穩定，導致

14、有時測試出現故障或偏差，特別是高頻頻率測量過程中，信號穩定性不夠，測頻記數不精確。通過這次練習，讓我們感受到面上的學習很重要，但是在細節上精耕細作，耐心冷靜，積極查找方法，還是能夠解決問題的。學習了很多新知識，開闊了眼界，進步很大，感謝競賽組委會辛苦工作讓我們有一次很好的鍛煉機會。也感謝在炎炎夏日放棄休息指導我們的老師們，更感謝朝夕共研共患難的同學們！參考文獻1 白 玉，基于AD8065 和TH4052 的寬帶前置放大電路設計與實現J科技信息2009 年第13 期P104-P105.2 賀虎,王萬順,田冬成,孫建會,熊成林,基于MSP430 單片機的高精度測頻模塊設計J 數據采集與處理Vo l

15、. 24 No. SO ct. 2009, P242-P244.3 洪利、章揚等，MSP430單片機原理與應用實例M，北京航空航天大學出版社.2010.4 TLV3501.pdf；THS4501.pdf；OPA820.pdf；SN74HC390.pdf；MSP430F155手冊；TINA-TI幫助文件；FilterPro手冊5 6 7 .hk/附件1：完整程序流程圖圖1 主流程圖TIMERA0捕獲脈沖處理流程圖TIMERA1 2S溢出處理流程圖附件2：程序清單主程序：#include <MSP430x15x.h>#include "lcd1602.h"#incl

16、ude "keyboard.h"#include "BuHuo.h"void Init_CLK(void) unsigned int i; BCSCTL1 = 0X00; do IFG1 &= OFIFG; for (i = 0xff; i > 0; i-); while (IFG1 & OFIFG) = OFIFG); BCSCTL2 = 0X00; BCSCTL2 = SELM_2; BCSCTL2 |= SELS;void main( void ) / Stop watchdog timer to prevent time o

17、ut reset WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; Init_CLK(); port_init(); lcd1602_init(); LCD_write_str(0,0,str0); LCD_write_str(2,1,str2); LCD_write_char(4,1,','); LCD_write_char(8,1,','); LCD_write_str(12,1,"HZ "); InitBhTimerA(); _EINT(); for(;) if(flag) flag=0; freq_measure(); if(key

18、_press() key_scan(); LCD程序：#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuchar str2="0000000000"uchar str1="0123456789"uchar str0="Signal Frequency"void delay(uint cnt) while(cnt-);void port_init(void) P6SEL=0; P5SEL=0; P5DIR=0xff; P5OUT=0xff; P6DIR=0xff; P6OUT=0x04;voi

19、d WaitForEnable(void) P5DIR &= 0x00; /將P5口切換為輸入狀態 P6OUT&=BIT2; P6OUT&=BIT0; P6OUT|=BIT1; _NOP(); P6OUT|=BIT2; _NOP(); _NOP(); while(P5IN & 0x80)!=0); /檢測忙標志 P6OUT&=BIT2; P5DIR |= 0xFF; /將P5口切換為輸出狀態void LCD_write_com(ucharcom) WaitForEnable();P6OUT &= BIT2;P6OUT &= BIT0;P6

20、OUT &= BIT1; _NOP();P5OUT = com; _NOP();P6OUT |= BIT2;_NOP(); _NOP();P6OUT &= BIT2;void LCD_write_Data(uchardat) WaitForEnable();P6OUT &= BIT2;P6OUT |= BIT0;P6OUT &= BIT1; _NOP();P5OUT = dat; _NOP();P6OUT |= BIT2;_NOP(); _NOP();P6OUT &= BIT2;voidlcd1602_init(void)LCD_write_com(0x38);delay(1600);LCD_write_com(0x0c);delay(1600);LCD_write_com(0x06);delay(1600);LCD_write_com(0x01);delay(1600);/*/* 寫入字符串函數 */*/ void LCD_write_str(unsigned char x,unsigned char y,un