本设计实现了一个5 V单电源供电的宽带放大器基本功能。核心部分采用高速运算放大器OPA820ID作为一级放大电路,THS3091D作为末级放大电路,利用DC-DC交换器TPS61087DRC为末级放大电路供电,在输出负载50 Ω上实现电压增益等于40 dB。该放大器通频带范围10 Hz~10 MHz,系统最终可利用示波器测量输出电压的峰峰值和有效值,并利用MSP430单片机控制1602液晶显示输出数据的功能。整个系统结构简单,而且综合应用了电容去耦、滤波等抗干扰措施以减少放大器噪声并抑制高频自激。经验证,本方案完成了设计要求和部分扩展功能。
1 方案论证与系统设计
1.1 方案论证
直接使用集成高电压输出运放OPA820,放大器通频带从20 Hz~10 MHz,并能驱动50 Ω的负载,单纯用音频放大的方法来完成功率输出。同时要做到在输出负载上放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10 V的难度较大,故采用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级THS3091放大电路供电,最终设计这款高速宽带放大器。本方案简单易行,由于采用单芯片,所以系统体积较小。
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利用模拟电子技术和单片机信号采集处理技术,最终完成增益控制及输出显示。系统框图如图1所示。
图1 系统框图
利用TI公司的模拟仿真软件Tina,设计出5 V和15 V电源电路和三级放大电路,并利用峰值检测电路的输出经单片机采样处理后液晶显示。Tina仿真软件模拟出上述电路40 dB时的通频带范围为10 Hz~10 MHz。图2所示为三级放大电路的通频带图。
图2 三级放大电路的通频带图
由于通频带范围中有低频和高频两种不同输入,所以采用两种不同检测电路。低频峰值检测电路可参考专业书上的具体电路,高频峰值检测电路在此利用TPS61087芯片仿真设计出的电路,如图4所示。
图4 高频峰值检测电路
3.1 MSP430单片机和液晶
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。使用了MSP430F149型号的单片机,利用A/D采样峰值检测电路的信号,编程处理后最终完成在1602液晶上显示输出电压峰峰值和有效值数据的功能。为了减少功耗,并降低数字系统对模拟信号的干扰,采样完成后,将微控制器设低功耗模式。同时为了实时采样后数据显示不会闪烁,编程时利用定时器定时1 s后中断,使液晶每隔1 s才显示一次采样数据。电路如图5所示。
图5 单片机和液晶电路图
软件流程,如图6所示。
图6 软件流程图
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