一種基于AT89S52單片機(jī)的寬帶直流放大器設(shè)計(jì)

江蘇自動(dòng)化研究所 李景銀 歐國(guó)峰

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1)放大器的輸入電阻≥50?。

2)3dB通頻帶0～5MHz；在0～4MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。

3)在AV＝60dB時(shí)，輸出端噪聲電壓的峰－峰值VONPP≤0.3V。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)選型

2.1.1 控制核心

采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K設(shè)計(jì)可編程Fl ash存儲(chǔ)器，在眾多嵌入式控制應(yīng)用設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

2.1.2 可調(diào)增益放大器

采用AD8336可調(diào)增益放大器。AD8336是一款低噪聲、單端、線(xiàn)性dB、通用型可變?cè)鲆娣糯笃?，可以在較大的電源電壓范圍內(nèi)工作?？烧{(diào)增益范圍為0~60dB，通頻帶寬為100MHz，并且在通頻帶內(nèi)增益起伏很小，其增益的電壓調(diào)節(jié)范圍為1V，易于調(diào)節(jié)。

2.1.3 顯示

采用串口LCD顯示。串口LCD所占用的IO口較少，與單片機(jī)連接簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)采用的LCD具有中英文字庫(kù)，顯示內(nèi)容豐富，便于對(duì)操作進(jìn)行指示。

2.2 整體設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)處理

信號(hào)處理電路主要包括信號(hào)輸入級(jí)的電壓跟隨器電路、可變?cè)鲆娣糯笃麟娐泛凸β史糯箅娐啡糠?。信?hào)輸入端的電壓跟隨器采用超高速運(yùn)放THS3001，最大帶寬為115MHz。電壓跟隨器提高了設(shè)計(jì)的輸入阻抗，且在不影響電路性能的條件下給電路加入保護(hù)功能?？勺?cè)鲆娣糯笃鞑捎肁D8336，其在60dB的增益范圍提供100 MHz帶寬，并且易于DAC控制。輸出部分采用分立的高頻元件組成能調(diào)節(jié)輸出阻抗的功率放大網(wǎng)絡(luò)，提高帶載能力。

2.2.2 控制電路

控制部分主要通過(guò)AT89S52實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的控制，將鍵盤(pán)和ALPS旋鈕輸入信號(hào)通過(guò)DAC輸出，以控制AD8336的放大增益。采用鍵盤(pán)來(lái)控制步進(jìn)增益，使用ALPS完成連續(xù)增益。所采用的DAC為12位的TLV5638。使用SPI接口方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，接口簡(jiǎn)單。顯示采用串口的LCD，減少布線(xiàn)的復(fù)雜性的同時(shí)可以有效顯示中英文。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：

圖1 設(shè)計(jì)框圖

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 跟隨電路

前級(jí)跟隨電路由THS3001構(gòu)成。THS3001具有高達(dá)6500V/us的轉(zhuǎn)換速率，420MHz的-通頻帶和良好的帶內(nèi)平坦度，在110MHz時(shí)，增益僅下降0.1dB。

因此，該跟隨電路在保證電路性能的前提下，有效地增大了輸入阻抗，同時(shí)電路加入保護(hù)功。

圖2 THS3001為主的跟隨電路

2.3.2 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

信號(hào)放大采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8336，通過(guò)單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5638輸出來(lái)改變AD8336的增益大小，根據(jù)不同的要求可以實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)變化、穩(wěn)定增益變化和預(yù)置增益等功能。圖3中GPOS和GNEG為DAC數(shù)據(jù)的接入口，用于控制信號(hào)的增益。電路的電源均用電感隔離避免自激干擾，信號(hào)輸入輸出全部采用同軸電纜，減小電路的噪聲干擾，使輸出信號(hào)滿(mǎn)足 要求，并且具有良好的帶內(nèi)平坦。

圖3 可變?cè)鲆骐娐?/p>

2.3.3 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路以51單片機(jī)AT89S52為主，由鍵盤(pán)和ALPS旋鈕輸入所需要的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理通過(guò)DAC輸出，以控制增益，并將當(dāng)前增益從串口LCD顯。

圖4 單片機(jī)控制電路

2.3.4 鍵盤(pán)控制

為了實(shí)現(xiàn)比較好的人機(jī)交互，利用單片機(jī)控制鍵盤(pán)和LCD，與用戶(hù)進(jìn)行方便快捷的信息交換。通過(guò)鍵盤(pán)向單片機(jī)發(fā)送固定的鍵值（單片機(jī)以中斷的方式提取鍵盤(pán)發(fā)來(lái)的信息）。同時(shí)單片機(jī)會(huì)以串口通信的方式與LCD進(jìn)行交流，以顯示需要的信息值，讓用戶(hù)獲得需要的反饋信息。人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5 人機(jī)交互界面

2.4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用模塊化的程序設(shè)計(jì)，由液晶模塊、按鍵掃描模塊、串口驅(qū)動(dòng)模塊和DA控制等模塊構(gòu)成。主程序采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。程序流程見(jiàn)圖6。液晶控制通過(guò)使用串口發(fā)送命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制靈活，且占用較少的cup資源。鍵盤(pán)采用定時(shí)器進(jìn)行掃描，并將掃描到的鍵值存儲(chǔ)到一個(gè)先入先出的緩沖區(qū)內(nèi)，等待設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行處理，增強(qiáng)設(shè)計(jì)對(duì)按鍵的處理能力。串口驅(qū)動(dòng)模塊將對(duì)串口的處理模塊化，封裝成串口接收和發(fā)送函數(shù)，降低設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)難度。通過(guò)使用單片機(jī)IO口模擬SPI接口時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DA的控制。

在主函數(shù)設(shè)計(jì)中由于模擬SPI接口對(duì)時(shí)序要求較嚴(yán)格，不能被打斷，而且發(fā)送一次數(shù)據(jù)所需的時(shí)間較短，所以在向DA發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)掉定時(shí)器中斷這樣既可以保證發(fā)送數(shù)據(jù)成功，而且對(duì)設(shè)計(jì)的影響較小。而其他模塊之間互相獨(dú)立，使主程序設(shè)計(jì)靈活能夠?qū)崿F(xiàn)控制要。

圖6 程序流程圖

3 測(cè)試方法和結(jié)果

3.1 輸入阻抗測(cè)試

1)用萬(wàn)用表直接測(cè)量所制作儀表的輸入端，測(cè)得輸入阻抗為50.0歐。

2)用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生峰值峰為0～0.5v的波形，接入系統(tǒng)，用示波器察看波形的幅度是否衰減一半及波形的畸變程度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 輸入阻抗測(cè)試結(jié)果

由上述數(shù)據(jù)可以看出，輸入阻抗?jié)M足≥50?，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 增益通頻帶測(cè)試

通過(guò)TINA軟件仿真，得到圖7所示結(jié)果。

圖7 同頻帶仿真結(jié)果

由圖7可以看出，3dB通頻帶大于0～10MHz；在0～9MHz通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.3 DA輸出的值與放大倍數(shù)的關(guān)系

保持輸入信號(hào)峰值40mV，頻率1MHz不變，改變DA輸出，查看輸出電壓的峰值，計(jì)算放大倍數(shù)。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 DA輸出與放大倍數(shù)的關(guān)系

由表中的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的DA可以準(zhǔn)確放大可調(diào)增益的放大倍數(shù)。

滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 設(shè)計(jì)結(jié)論

本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為主控芯片，可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）AD8336為主要放大芯片，通過(guò)DA輸出控制信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求避免硬件線(xiàn)路產(chǎn)生干擾，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]宋雪松,李冬明,崔長(zhǎng)勝.手把手教你學(xué)51單片機(jī)(C語(yǔ)言版)[M].清華大學(xué)出版社,2014.

[2](美)尼曼.電子電路分析與設(shè)計(jì)(第3版)——模擬電子技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2007.

[3]Newbold Richard.數(shù)字信號(hào)處理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]鄔春明,雷宇凌,李蕾.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社,2015.

[5](美)Bruce Carter.運(yùn)算放大器權(quán)威指南(第4版)[M].人民郵電出版社,2014.