设计高频小信号放大器

设计高频小信号放大器（精选7篇）

设计高频小信号放大器 篇1

设计题目：高频小信号放大电路

专业班级

学 号 学生姓名 指导教师 教师评分

目 录

一、设计任务与要求………………………………….………………………..2

二、总体方案…………….………………………….…………………………..2

三、设计内容…………………………….………….…………………………..2 3.1电路工作原理………………………………..………………….……….3 3.1.1 电路原理图……………………………………………………….3 3.1.2 高频小信号放大电路分析……………......….……….………….3 3.2 主要技术指标…………………………………...………….……………6 3.3仿真结果与分析……………………………………………..…….……10

四、总结及体会…………………………………………………………………12

五、主要参考文献………………………………………………………………13

电路原理图如图1：

图1高频小信号谐振放大器multisim电路

分析电路：

（1）增益要高，即放大倍数要大。

（2）频率选择性要好，即选择所需信号和抑制无用信号的能力要强，通常用Q值来表示，其频率特性曲线如图2所示,带宽BW=f2-f1= 2Δf0.7，品质因数Q=f0/2Δf0.7.

图4 谐振放大器电路的等效电路

放大器在谐振时的等效电路如图4所示，晶体管的4个y参数分别如下：

输入导纳：

输出导纳：

正向传输导纳：

反向传输导纳：

式中为晶体管的跨导，与发射极电流的关系为：

有关，其关系为：，为发射结电导，与晶体管的电流放大系数及。

为基极体电阻，一般为几十欧姆；

为集电极电容，一般为几皮法；

为发射结电容，一般为几十皮法至几百皮法。

图5 小信号放大器分析电路 如上图图5所示，输入信号分别用于测量输入信号

由高频小信 号发生器提供，高频电压表，与输出信号的值。直流毫安表mA用于测量放大器的集电极电流ic的值，示波器监测负载RL两端输出波形。表征高频小信号谐振放大器的主要性能指标有谐振频率f0，谐振电压放大系数Avo，放大器的通频带BW及选择性（通常用矩形系数Kr0.1），采用图5所示电路可以粗略测各项指标。谐振放大器的性能指标及测量方法如下。

(1)谐振频率

放大器的谐振回路谐振时所对应的频率f0称为谐振频率。f0的表达式为：

式中，L为谐振放大器电路的电感线圈的电感量；的表达式为：

式中，为晶体管的输出电容；

为晶体管的输入电容。

为谐路的总电容，谐振频率f0的测试步骤是，首先使高频信号发生器的输出频率为f0，输出电压为几毫伏；然后调谐集电极回路即改变电容C或电感L使回路谐振。LC并联谐振时，直流毫安表mA的指示为最小（当放大器工作在丙类状态时），电压表

图6放大器的频率选择性曲线

由BW得表达式可知：

通频带越宽的电压放大倍数越小。要想得到一定宽度的通频带，同时又能提高放大器的电压增益，由式可知，除了选用yfe较大的晶体管外，还应尽量减少调谐回路的总电容量。

(4)矩形系数

谐振放大器的选择性可用谐振曲线的矩形系数Kr0.1来表示，如上图所示，矩形系数Kr0.1为电压放大倍数下降到0.1Avo时对应的频率范围与电压放大倍数下降到0.707 Avo时对应的频率偏移之比，即

上式表明，矩形系数Kr0.1越接近1，临近波道的选择性越好，滤除干扰信号的能力越强。可以通过测量谐振放大器的频率特性曲线来求得矩形波系数Kr0.1。

(5)噪声系数

信噪比：用来表示噪声对信号的影响程度，电路中某处信号功率与噪声功率之比称为信噪比。信噪比大，表示信号功率大，噪声功率小，信号受噪声影响小，信号质量好。

噪声系数：用来衡量放大器噪声对信号质量的影响程度，输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值称为噪声系数。在多级放大器中，最前面一、二级对

.有扫频仪（波特图示仪）得出放大器的频率选择性曲线图如下：

由图可知通频带BW=

得

五、主要参考文献

设计高频小信号放大器 篇2

高频小信号放大器是放大中心频率在几百兆赫兹到几百千兆赫兹的高频小信号的放大器。它在通信电子系统中有着重要的用途,通常应用在广播、电视、通信、雷达等无线通信的前段接收机中,其对接收机的灵敏度、抗干扰性和选择性等整机指标有关键性影响。

高频小信号放大的理论比较简单,但实际制作却非常困难。其中最容易出现的问题是自激振荡,同时频率选择和各级间阻抗匹配也很难实现。因此,电路设计时,需考虑到电源滤波、退偶电路、级间耦合电路、阻抗匹配电路及匹配电路对整体电路的影响。

本文需设计并制作一个低功耗LC谐振放大器,要求满足的条件:(1)谐振频率f0=12MHz,允许偏差±100kHz;(2)增益不小于40dB;(3)输入电阻Rin=50Ω;(4)在放大器的输入端插入一个40dB固定衰减器,特性阻抗50Ω。为了便于放大器的设计,采用了NI Multisim电路仿真软件进行辅助设计。

1 系统方案设计

高频小信号放大器主要由衰减网络模块、LC谐振放大模块、电压跟随器模块和电源模块组成。工作流程为:信号经衰减网络后得到一个微弱信号,通过电压跟随器进行阻抗匹配,再输入给一级放大电路,放大后的信号在通过电压放大器进行阻抗匹配的同时也能起到放大的作用,再通过二级放大电路,从而实现高增益、低损耗的LC谐振放大功能。系统框图如图一所示:

2 模块分析

2.1 衰减网络模块

衰减器是一种在指定的频率范围内引入一预定衰减的电路,一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。经典的衰减器有π型、T型和桥型衰减器,衰减效果较好,但是对于高频小信号,无源衰减网络选择π型或T型网络更加适合。本文选择π型电阻型网络做衰减,如图二所示:

2.2 LC谐振放大模块

LC谐振放大器由LC谐振回路和放大器两部分组成,可以用于选出有用频率信号并加以放大。谐振部分采用经典的无源LC并联谐振电路,它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的,电路简单稳定。

本模块的另一部分就是放大,也是关键的一步。本设计要求使用3.6V的稳压电源,功耗不超过360mW的放大器。根据要求,本文选用了功耗较小的2N2222三极管,用于放大高频小信号,并通过两级放大实现增益的要求。放大电路如图三所示:

2.3 电压跟随模块

电压跟随器是输出电压与输入电压相同的一种放大器,就是放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点是输入阻抗高而输出阻抗低,在电路中可以起到缓冲、隔离、提高带载能力和阻抗匹配的作用。本文采用电压跟随器很方便地设计了在两级放大电路间的一个匹配电路,同时也起到了隔离的效果。本文设计的电压跟随器采用运放OPA355和两个阻值大小相等的电阻组成。电压跟随电路如图四所示:

2.4 电源模块

为了给放大电路和跟随电路提供稳压电源,本文设计了一个3.6V的稳压直流电源,采用的LM317稳压芯片。电路如图五所示:

3 电路仿真与测试

整体电路如图六所示,仿真结果如图七所示。

电路采用protel制图,制作出PCB板,并加上了一些屏蔽措施,防止外界干扰与级间串扰。端口采用SMA接头的高频屏蔽同轴电缆,高频信号发生器使用EE1412F型合成(DDS)函数信号发生器,示波器采用TDS2012B测试。当输入信号为12MHz、1mVrms时,两级放大器的电压增益分别为19dB、22dB,最终负载上的电压增益可达41dB,且波形无明显失真,满足了设计要求。

参考文献

[1]张肃文,陆兆雄.高频电子线路(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1993.

[2]全国电子设计竞赛组委会.全国电子设计竞赛获奖作品汇编[Z].2004.

[3]李研达.单调谐回路谐振放大器与双调谐回路谐振放大器特性分析[J].安阳师范学院学报,2009,(02):50-52.

[4]任青莲.高频小信号放大器的设计与仿真[J].计算机仿真,2009,26(12):315-319.

[5]杜新林,田力波.放大器自激振荡产生原因及消除方法探讨[D].长春:装甲兵技术学院,2004.

高频谐振功率放大器的研究与分析 篇3

关键词：高频谐振功率放大器；工作状态；外部特性

1 高频谐振功率放大器工作原理

高频谐振功率放大器是采用选频网络作为负载回路的丙类功率放大器。高频谐振功率放大器的电路构成，除电源电路外，主要由晶体管、输入激励电路和输出谐振回路组成。

[ub]为输入交流信号，[EB]是基极偏置电压，调整[EB]，可以改变放大器的导通角，使放大器工作在导通角[θ≤900]的丙类状态。[EC]是集电极电源电压。集电极外接LC并联谐振回路的功用是作放大器负载，实现滤波选频和阻抗匹配

2 高频谐振功率放大器工作状态

高频谐振功率放大器根据集电极电流是否进入饱和区可以分为欠压、临界和过压三种状态。当谐振功率放大器的静态工作点、输入信号、负载发生变化时，谐振功率放大器的工作状态也将发生变化。

当C点落在输出特性（对应UBEmax的那条）的放大区时，功放工作在欠压状态；当C点正好落在临界点上时，功放工作在临界状态；当C点落在饱和区时，功放工作在过压状态。

3 高频谐振功率放大器外部特性

3.1 谐振功率放大器的负载特性

负载特性是指当保持Ec、EB、Ubm不变而改变Re时，谐振功率放大器的电流Ic0、IC1M，电压Ucm，输出功率Po，集电极损耗功率PC，电源功率PE及集电极效率ηC随之变化的曲线。根据特性曲线随Re变化的分析可以看出，Re由小到大，功放的工作状态由欠压状态到临界，再进入过压状态。相应的集电极电流由余弦脉冲变为凹陷脉冲

3.2 谐振功率放大器的集电极调制特性

集电极调制特性是指当保持EB、Ubm、Re不变而改变Ec时，功率放大器电流IC0、IC1M，电压UCM以及功率、效率随之变化的曲线。当Ec由小增大时，UCEmin=Ec-Ucm也将由小增大，动特性曲线将随Ec的变化左右平移，由特性的饱和区向放大区移动，功放的工作状态由过压工作状态到临界，再进入到欠压状态，集电极电流ic波形从凹顶的脉冲变化到一完整的余弦脉冲。

3.3谐振功率放大器的基极调制特性

基极调制特性是指当Ec、Ubm、Re保持不变，仅改变EB时，功率放大器电流Ico、Ic1m，电压Ucm、功率以及效率的变化特性。当增大EB时，同时会引起0、icmax的增大，从而引起Ico、Ic1m、Ucm的增大。因为Ec不变，所以UCEmin=Ec-Ucm会减小，这样就会导致工作状态由欠压变到临界再进入过压状态。当进入过压状态以后，集电极电流脉冲的高度会有增加，但凹陷也会不断的加深，ic波形。

3.4 谐振功率放大器的放大特性

放大特性是指当Ec、EB、Re保持不变，仅Ubm变化时，功率放大器的电流Ico、Ic1m，电压Ucm、功率以及效率的变化特性。Ubm的变化对谐振功率放大器性能的影响与基极调制特性基本相似。Ubm波形及Ico、Ic1m、Ucm、Po、PE随Ubm的变化曲线如图3.4-1所示。由图可知，在欠压区域，输出电压振幅与输入电压振幅基本成正比，即电压增益近似为常数。我们可以利用这个特点，将谐振功率放大器用作放大器，因此称这组曲线为放大特性曲线。

3.5 谐振功率放大器的调谐特性

一般我们都会认为高频功放的负载回路处于谐振状态，因而呈现为一电阻RL，其实在实际使用时需要进行调谐，这是通过改变回路原件来实现的。功放的外部电流Ico、Ic1和电压Uc等随回路电容C的变化特性称为调谐特性。

当回路谐振时，阻抗最大，此时，电路中Ico、Icm1最小，而Ucm最大。当回路参数变化后，将使LC回路失谐，则使阻抗Zp的模值减小，根据负载特性可知，功放的工作状态将由临界向欠压状态或过压状态变化，此时Ico和Icm1要增大，而Ucm将下降。

当回路失谐时，无论是容性失谐还是感性失谐，阻抗的模值Zp要减小，而且会出现一幅角，工作状态也将发生变化。如图3.5-1所示。可以利用Ico或Icm1最小，或者利用Ucm最大来指示放大器的调谐。通常因Ico变化明显，又只用直流电流表，故采用Ico指示调谐的较多。

由此可见，高功放的回路失谐后直流输入功率Po=IcoEc将随Ico的增加而增加，而输出功率Pc=Icm1Ucmcosφ将主要因为因子cosφ而下降，因此失谐后集电极功耗Pc将迅速增加。这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。

4 结束语

高频谐振功率放大器研究的主要问题就是如何提高效率，减小损耗及获得大的输出功率。高频谐振功率放大器在很多领域和方面都有应用，并且涉及到很多方面的知识点。它主要用于发射机的末级，将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。实际上也不仅仅应用于发射机中，高频加热装置，高频换流器，微波炉等许多电子设备中都有广泛的应用。

参考文献：

[1] 曾兴雯：高频电路原理与分析，西安电子科技大学出版社，2013.1，P74-P92

第一章小信号谐振放大器作业 篇4

2图示的单调谐回路谐振放大器.已知 f0=10.7MHz, BW0.7=500KHz, Avo=-100.回路空载品质因数Q0=60.三极管y参数同上题,试计算回路元件R, L, C的值。由相同三极管组成的同步调谐放大器,已知:f0=465KHz, gie=0.49ms,cie=142pf,goe=55us,coe=18pf, yfe=36.8ms,∮fe=0,yre=0.回路接入系数n1=0.35, n2=0.035, 等效电容Ce=200pf.(1)若回路Q0=80, 试求Qe=？

(2)求单级放大器的谐振电压增益Avo.由相同三极管组成的同步调谐放大器如图示，已知:f0=465KHz，gie=0.49ms,cie=140pf,goe=50us,coe=20pf, yfe=36.8ms,yre=0.中频变压器各引出端子如图所示，其中W12=35匝，W23=65匝，W45=3.5匝，回路空载品质因数Q0=100，等效电容Ce=200pf, <1>画出放大器的交流等效电路

第五章 高频功率放大器习题答案 篇5

一、简答题

1．什么叫做高频功率放大器？它的功用是什么？应对它提出哪些主要要求？为什么高频功放一般在B类、C类状态下工作？为什么通常采用谐振回路作负载？ 答：高频功率放大器是一种能将直流电源的能量转换为高频信号能量的放大电路，其主要功能是放大放大高频信号功率，具有比较高的输出功率和效率。对它的基本要求是有选频作用、输出功率大、自身损耗小、效率高、所以为了提高效率，一般选择在B或C类下工作，但此时的集电极电流是一个余弦脉冲，因此必须用谐振电路做负载，才能得到所需频率的正弦高频信号。

2．已知高频功放工作在过压状态，现欲将它调整到临界状态，可以改变哪些外界因素来实现，变化方向如何？在此过程中集电极输出功率如何变化？ 解：可以通过采取以下措施

1）减小激励Ub，集电极电流Ic1和电压振幅UC基本不变，输出功率和效率基本不变。

2）增大基极的负向偏置电压，集电极电流Ic1和电压振幅UC基本不变，输出功率和效率基本不变。

3）减小负载电阻RL，集电极电流Ic1增大，IC0也增大，但电压振幅UC减小不大，因此输出功率上升。

4）增大集电极电源电压，Ic1、IC0和UC增大，输出功率也随之增大，效率基本不变。

3．丙类功率放大器为什么要用谐振回路作为负载？

解：利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。同时，谐振回路还可以将含有电抗分量的外接负载转换为谐振电阻RP，而且调节LA和CA还能保持回路谐振时使RP等于放大管所需要的集电极负载值，实现阻抗匹配。因此，在谐振功率放大器中，谐振回路起到了选频和匹配的双重作用。

4．改正图示线路中的错误，不得改变馈电形式，重新画出正确的线路。解：

改正后

二、计算题

1.已知集电极电流余弦脉冲iCmax100mA，试求通角120，70时集电极电流的直流分量Ic0和基波分量Ic1m；若Ucm0.95VCC，求出两种情况下放大器的效率各为多少？

解：(1)120，0()0.406，1()0.536

Ic00.40610040.6mA,Ic1m0.53610053.6mAL2C2E2c11()Ucm10.5360.9562.7%20()VCC20.406

(2)70，0()0.253，1()0.436

Ic00.25310025.3mA,Ic1m0.43610043.6mA10.436c0.9581.9%20.253

2.已知谐振功率放大器的VCC24V，IC0250mA，Po5W，Ucm0.9VCC，试求该放大器的PD、PC、C以及Ic1m、iCmax、。

解：

PDIC0VCC0.25246W PCPDPo651WCIc1mPo583.3%PD62Po250.463AUcm0.924

g1()2CiCmaxVCC120.8331.85,50 Ucm0.9IC00.251.37A 0()0.1833.一谐振功率放大器，VCC30V，测得IC0100mA，Ucm28V，70，求Re、Po和C。

解： iCmaxIc0100395mA

0(70)0.253Ic1miCmax1(70)3950.436172mA ReUcm28163Ω Ic1m0.17211PIU0.172282.4W oc1mcm22P2.4Co80%

PD0.130UBB0.3V，4.已知VCC12V，放大器工作在临界状态Ucm10.5V，UBE(on)0.6V，要求输出功率Po1W，60，试求该放大器的谐振电阻Re、输入电压Uim及集电极效率C。

21Ucm110.5255 解： Re2Po21UimUBE(on)VBB0.6(0.3)1.8Vcos0.511(60)Ucm10.39110.5C78.5%20(60)VCC20.21812

5.高频功率晶体管3DA4参数为fT＝100MHz，20，集电极最大允许耗散功率PCM ＝20W，饱和临界线跨导gcr＝0.8A/V，用它做成2MHz的谐振功率放大器，选定VCC＝24V，c700,iCmax2.2A，并工作于临界状态。试计算Rp、Po、Pc、c与P＝。

[1(700)0，0.43[6]0(70)0.253]。

icgcrvc,当vcvCmin时，ic＝icmax，因此得：vCmin＝iCmax2.2A2.75Vgcr0.8A/VVCMVCCvCmin(242.75)V21.25V解：

Icm1iCmax1(c)(2.20.436)A0.96A[1(700)0.436]11ICM1VCM0.9621.2510.2W22Ic0iCmax0(c)2.20.2530.557A[0(700)0.253]P0PVCCIC0240.55713.36W

设计高频小信号放大器 篇6

教 -- 评 -- 教是个螺旋上升的过程,评价的最终目的是为教来服务。如何来体现评价结果对教的服务呢 ? 就是对教学评价的反馈,即教学反馈。在我国多数高校中,对教学反馈的评价还停留在对一个或几个具体指标的分析之上,缺少对教学结果的分析,不能真实的反应教师的教学效果,因此,建立合理的反馈途径,是解决当前反馈问题的行之有效的办法。

那么,什么是课堂教学反馈行为呢?课堂教学反馈行为是指课堂教学过程中师生之间、生生之间或师生自己对教学活动的反应。教学反馈行为是一种互动性行为,既包括教师的行为,又包括学生的行为,因而它是不连续的一系列的行为。教学反馈的重要实践意义,就在于通过反馈的调节作用,能确保教学活动正常有效地开展并取得应有的教学成效。本文将从教学成效检验目标、教学成效检验内容及教学成效检验方法三方面来具体分析

1 教学成效检验目标

我校所招收的应用电子技术专业的学生,对象生源分普通高考和中职技能高考两类,录取途径有三类 : 普通高考,单独招生考试及技能高考。针对这些教学对象,“单级低频小信号放大器的测调项目”的成效检验目标为 :使对象熟练使用万用表、示波器等常用仪器仪表 ;

正确使用函数信号发生器 ;掌握单级低频放大器的测调方法。

2 教学成效检验内容

为了体现测调过程的形成性评价与终结性评价并根据定量与定性相结合基本原则,我们将该项目的教学成效检验内容分为四个部分。1. 检查万用表的表笔连接、档位选择和测量值读取是否正确 ;2. 检查示波器的面板功能操作、示波器校验、信号幅值、频率数值读取以及示波器扫描系数读取是否正确 ;3. 检查函数信号发生器的面板功能操作、不同波形输出选择方法和信号波频率和幅值调试是否熟练 ;4. 检查低频小信号放大器的测调,内容包括静态工作点测调及交流放大倍数的测试两部分。目标设定内容如表1所示,成效检验内容如表2所示。

从表1可以看出,我们将整个项目的检验目标分为对万用表、示波器及函数信号发生器的使用熟练程度的检验和对低频小信号放大器静态工作点的测调两大部分。其中,前一部分的检验目标主要为形成性评价,即通过学生使用仪器的过程来评价学生操作的熟练度。而后一部分检验目标为终结性评价,即通过学生的测试数据来评价学生对该项目的掌握情况。

同样,我们将检验标准也按照检验目标分为了两大部分。每一个项目模块的目标完成度都分为了A、B、C、D四个等级,如果全部完成了目标,就为A等 ;完成了目标的75% 就为B等,以此类推。并且,我们给每个项目模块都划分了权重,最终的总体评价就可以按照总体评价 = ∑各模块目标完成度×模块权重这个公式来得出结论。

3 教学成效检验方法

该项目的教学成效检验方法采用的是三层渐进一体化式检验方法。从课堂过程检验到项目模块检验再到项目终结性检验,逐层递进,归为一体。

3.1 课堂过程检验

课堂过程检验,采取布置围绕知识点设计的测试题,知识点内容涵盖本次课的讲授内容,进行过程普适性检验。此种检验方法为普适方法。

3.2 项目模块检验

项目模块教学结束时,给出涵盖该模块知识点的操作案例,对学生进行分组并让其轮换分工,按照随机抽签原则,选取分组中的一名学生进行演讲式实操,既可以提高学生操作熟练程度,也可以锻炼学生语言表达能力,如时间允许还可进行竞表1目标设定内容赛排名,提高学生积极性。此种检验方法为互动方法。

3.3项目终结性检验

在项目教学完结后,需组织学生进行终结性考核,可规定项目场地开放时限,通常一周内,对象与教师提前预约,分批或单独到项目场地进行考核能力操作的部分,并填写项目教学成效反馈表,对未达到良好的学生允许其在规定时间内进行一次重考。此种检验方法为开放性检验方法。

普适、互动及开放三种检验方法三层一体,逐层渐进,组成了该项目的检验方法。

4教学成效反馈

对于教学情况的反馈效果,我们可以用表3教学成效反馈表来实施。

通过该反馈表,学生可以将本次项目实施过程中遇到的问题勾选出来,方便教师及时了解学生的掌握情况,哪些问题需要加强讲解,也可以通过该表格清楚的反映出来。

设计高频小信号放大器 篇7

湿度是一个重要的物理量,在很多行业中,如发电、纺织、食品、医药、仓储、农业等,对于湿度参量的要求都非常严格。这便离不开湿度传感器这一湿度检测装置在各行业中的应用。湿度传感器的发展历程在很大程度上就是新的湿敏材料的发现、研制及其特性改善的过程。无论是何种传感器,都要选择恰当的材料来制作。近年来,在传感器技术领域,所应用的新型材料主要有:半导体硅材料、石英晶体材料、功能陶瓷材料。而陶瓷湿敏材料具有许多突出的优点,是一类富有生命力的湿敏材料。其中,以TiO2为基成分,再掺入其他组分合成的一大类湿敏陶瓷称为TiO2基湿敏陶瓷。由于TiO2来源广泛、结构稳定、感湿性能优良,因而TiO2基湿敏陶瓷得到了广泛的研究和应用,成为最具代表性和竞争力的一类湿敏材料。

本文中所采用的便是烧结温度在500℃下制备的TiO2基湿敏陶瓷材料。可用它来测试中、高湿度的环境变化。在相对湿度为40%～98%的范围内,其阻抗值随湿度的增加而减小,变化范围从109Ω到105Ω变化了4个数量级,具有较高的感湿性能。如此大范围的电学量变化,普通的程控放大器很难满足。这需要宽范围的增益调节以满足信号处理的要求。本文将重点介绍的就是一款采用单片机实现的宽范围自动调整增益变化的程控放大电路。

2 硬件电路设计

2.1 信号发生电路

信号发生电路如图1所示,它是通过湿敏电阻和固定电阻分压,将信号直接送到放大器的输入端。

2.2 系统框图

整个系统的框图如图2所示。

2.3 程控放大部分介绍

图2中的可编程增益放大芯片使用了德州仪器公司生产的INA128通用仪表放大器。此放大器具有低功耗、高精度的特点,它的3运放设计(3-op amp)和体积小巧使其应用范围广泛。反馈电流输入电路即使在高增益条件下(G=100时,200kHz)也可提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择,INA128提供工业标准的增益等式:

式中的RG是INA128的外接电阻,当RG是无穷大时,增益则保持1倍,RG的不断缩小增益倍数随之增大,最大可到达10000倍。INA128的管脚图如图3所示。在有噪声或高阻抗供电电源的应用中要在器件的引脚附近接去耦电容器。输出端可参考输出基准(Ref)端,该终端通常接地。在引脚1和引脚8之间外接一个电阻RG可对增益进行设置,增益等式在上面已经给出。高增益要求低电阻值,关键在于配线的阻值,要求配线的电阻值很低。INA128的输入阻抗极高,大约1010Ω。在INA128的应用过程中,直流电源需要对其进行供电,可以选择的直流电压源的幅值范围是+/-18v,而为了保证电压源中可能含有的交流分量不与INA128中的器件发生关联,影响工作效果,要在INA128的供电管脚处加上旁路电容器,如图5中的C1和C2,其值为0.1μF。

INA128外部电阻的变换,本实验中使用了数控模拟开关MAX4639来实现。MAX4639是MAXIM公司生产的一款低导通电阻(约为3.5Ω)双重数字式4路模拟开关。其单端供电电压为1.8V到5V。工作速度也很迅速,ton=18ns,toff=7ns。在4路开关的每一端外接一只上述提及的阻值不同的电阻,在需要时,通过数字量的控制,来决定开启哪一路开关,从而为放大器配置不同的外接电阻,达到增益变化的目的。MAX4639的管脚图如图4所示,其引脚功能和真估表分别见表1和表2。

图5所示为程控放大环节的核心部分。通过单片机对数字电位器MAX4639的使能端EN,及数字量控制端A0、A1的控制,使其可以选择四路之一的通路接通,而每一个通路均接有阻值不同的电阻,来作为集成放大器的外接电阻,以调整放大器的放大倍数。因为设计中应用的传感器的湿敏材料的阻止变化范围很大,达到了105Ω,这就造成信号幅值会有相应的变化范围,所以程控放大器共有4种放大倍数可供选择,加上对使能端EN是否有效的控制(使能端如果无效,相当于断路,进而外接阻值无穷大,根据公式放大倍数为1),共有5种状态,将增益的调整分为5个大的层次,相邻的增益层次之间均相差10倍,去适应不同的信号幅值。

集成放大器的输出端电压直接进入交直流转换装置,选用高精度真有效值电压转换芯片——AD637。真有效值电压转换芯片,克服了以往交直流转换器件受波形失真影响大的缺点,不论何种复杂的波形都可以稳定、精确的输出结果。器件所输出的直流电压除了进入模拟-数字转换芯片以外,也将电压值提供给一比较器件。本文中选用了比较经典的电压比较器集成块——LM339。LM339内含4个相同的电压比较器,可以设置外部的参考电压,利用其翻转电压小的特点,与输入的电压进行高精度的比较,确定比较器输出端的电平高低,以通知单片机输入电压的幅值是否符合模拟-数字转换芯片的量程,并对模拟-数字转换芯片做出相应的动作。

2.4 程控放大环节工作流程

集成放大器、数字电位器、真有效值电压转换芯片和电压比较器,配合单片机的控制,组成了程控放大环节。首先,不论电压值是多少,单片机最初都使数字电位器和模拟数字转换芯片的使能端无效,放大器的放大倍数为1,并关闭模数转换。这时,电压保持不变的进入A/D电路,输出的直流信号与比较器的参考电压进行比较,如果电压的幅值不符合模数转换器的量程,则输出的信号通知单片机开启数字电位器并增加放大倍数。被放大后的电压再次与参考电压比较,如果仍然不能达到所需范围,则单片机控制数字电位器再次增加放大倍数,直到符合模数转换的量程时,单片机此时会开启模数转换器的使能,将当前幅值的电压转化成数字量,传递于单片机,处理后显示于显示器件之上。

2.5 采集电路及显示器件

本文所采用的模拟-数字转换模块为8位8通道模数转换芯片——MAX118采用28引脚封装,具有转换速度快、功耗低、精度高等特点。8列并行输出,直接与单片机的P0口相连接。所采用的显示器件为8位数码管,简单直接。可显示出当前湿度的百分值。

3 软件设计概述

3.1 主程序设计流程图

本次设计采用了单片机汇编语言编程,简单直观,易于仿真。其主要包括主程序、增益调整子程序、数据处理子程序和显示子程序组成。主程序的流程图在下面图6给出。采用中断0方式介入增益调整子程序。

3.2 程控增益调整子程序流程图

增益调整子程序的框图如图7所示。初值设定主要是为MAX4639的A0、A1和EN设定0值。为了等待集成放大器、真有效值电压芯片和比较器的工作,所以设置了延时程序,确保比较器的输出是正确的、稳定的。放大过程结束后,单片机会自动记录下当前的放大倍数,以便之后处理数据时方便运算。

4 结语

本文所描述的是一套完整的湿度传感器信号处理系统,但核心部分是程控放大环节的实现。文中程控放大环节的主要特点是能够适应宽范围的增益变换,很好的与传感器的大跨度输出电压值相匹配,使测量结果更加精确、有效。经过实验的验证,本系统能较为顺畅的完成工作,系统功耗低,制作成本低廉,输出准确稳定,具有良好的应用前景。

参考文献

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