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纯净的硅(初级)

MSP430F449单片机的功率放大电路设计

根据设计要求,在较宽的信号带宽(0~10MHz)内,实现最大电压增益≥60dB,且能够连续调节增益或能够以5dB步距预置增益是最大难点,也是设计的重点之一。另一难点是后级功率放大模块在100Q负载上最大输出电压正弦波有效值Vo≥10V。由于带宽低端为0Hz即直流信号,放大电路的零点漂移也是一个很难解决的问题。此外,在整个放大器的设计中,还需要考虑其成本。

1.数据处理和控制核心选择

方案一:采用AT89S52+FPGA来实现信号增益控制、数据处理和人机界面控制等功能。由于本系统不涉及大量的数据存储和复杂处理,FPGA的资源得不到充分利用,成本较高。

方案二:采用单片机实现整个系统的统一控制和数据处理。而单片机MSP430F449是一种16位超低功耗微处理器,具有丰富的片上外设和较强的运算能力,支持在线编程,使用十分方便,性价比高。故采用方案二。

2.信号增益控制及功率放大方案设计

方案一:采用三极管构成多级放大电路实现≥60dB的增益,并使用分立元件自行搭建后级功放。本方案成本低,但晶体管配对困难,电路设计复杂,增益的步进调节难以实现,工作点调试繁琐,且电路稳定性差,容易产生自激现象。

方案二:采用集成芯片,如采用低噪声、精密控制的可变增益放大器AD603作增益控制核心器件,采用高电压输出的宽带运放完成功率输出。

AD3603温度稳定性高,其增益(dB)与控制电压(V)成线性关系,使用D/A输出控制电压能实现精确数控。但成本较高。电路集成度高、设计简洁,设计周期短。

综上所述,采用方案二。

二、总体方案设计及系统方框图

系统总体框图如下图所示。

image.png

总体方案描述:本系统输入信号经过前级放大电路、后级程控放大和末级功率放大,实现了90dB的最大电压增益。后级功率放大器使用高电压输出的宽带运放,提高了输出电压有效值。采用单片机MSP430F449作为数据处理和控制核心。通过D/A转换器调整AD603的控制电压,程序控制调节增益,通过继电器切换后级程控放大电路通道,实现了放大器增益×1,×10,×100……的控制功能。

通过继电器切换两路椭圆滤波器实现了通频带选择。手动调节连续可调电位器,连续改变AD603的控制电压,实现了增益连续调节功能。

零点漂移问题。放大器零漂、失调主要由AD603输入端产生,每当调节AD603不同的增益时,输出的直流偏离电压也不同。本系统在每次测试前先将AD603输入短路,用MSP430F449内部ADC对调零放大器输出电压采样,利用单片机和数字算法控制D/A转换器输出对应的调节电压,控制调零放大器输出为零。这样既抑制了直流零点漂移,又实现了自动调零校准功能。


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