一種基于AT89S52單片機的寬帶直流放大器設計

江蘇自動化研究所 李景銀 歐國峰

1 設計目標

1)放大器的輸入電阻≥50?。

2)3dB通頻帶0～5MHz；在0～4MHz通頻帶內增益起伏≤1dB。

3)在AV＝60dB時，輸出端噪聲電壓的峰－峰值VONPP≤0.3V。

2 詳細設計

2.1 主要設計選型

2.1.1 控制核心

采用AT89S52單片機作為核心控制，AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K設計可編程Fl ash存儲器，在眾多嵌入式控制應用設計中得到廣泛應用。

2.1.2 可調增益放大器

采用AD8336可調增益放大器。AD8336是一款低噪聲、單端、線性dB、通用型可變增益放大器，可以在較大的電源電壓范圍內工作。可調增益范圍為0~60dB，通頻帶寬為100MHz，并且在通頻帶內增益起伏很小，其增益的電壓調節范圍為1V，易于調節。

2.1.3 顯示

采用串口LCD顯示。串口LCD所占用的IO口較少，與單片機連接簡單。本設計采用的LCD具有中英文字庫，顯示內容豐富，便于對操作進行指示。

2.2 整體設計

2.2.1 信號處理

信號處理電路主要包括信號輸入級的電壓跟隨器電路、可變增益放大器電路和功率放大電路三部分。信號輸入端的電壓跟隨器采用超高速運放THS3001，最大帶寬為115MHz。電壓跟隨器提高了設計的輸入阻抗，且在不影響電路性能的條件下給電路加入保護功能。可變增益放大器采用AD8336，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節輸出阻抗的功率放大網絡，提高帶載能力。

2.2.2 控制電路

控制部分主要通過AT89S52實現設計的控制，將鍵盤和ALPS旋鈕輸入信號通過DAC輸出，以控制AD8336的放大增益。采用鍵盤來控制步進增益，使用ALPS完成連續增益。所采用的DAC為12位的TLV5638。使用SPI接口方式與單片機進行通信，接口簡單。顯示采用串口的LCD，減少布線的復雜性的同時可以有效顯示中英文。設計框圖如圖1所示：

圖1 設計框圖

2.3 硬件設計

2.3.1 跟隨電路

前級跟隨電路由THS3001構成。THS3001具有高達6500V/us的轉換速率，420MHz的-通頻帶和良好的帶內平坦度，在110MHz時，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，同時電路加入保護功。

圖2 THS3001為主的跟隨電路

2.3.2 可變增益放大電路

信號放大采用可變增益放大器AD8336，通過單片機控制數模轉換器TLV5638輸出來改變AD8336的增益大小，根據不同的要求可以實現增益連續變化、穩定增益變化和預置增益等功能。圖3中GPOS和GNEG為DAC數據的接入口，用于控制信號的增益。電路的電源均用電感隔離避免自激干擾，信號輸入輸出全部采用同軸電纜，減小電路的噪聲干擾，使輸出信號滿足 要求，并且具有良好的帶內平坦。

圖3 可變增益電路

2.3.3 單片機控制電路

單片機控制電路以51單片機AT89S52為主，由鍵盤和ALPS旋鈕輸入所需要的控制信號，經過處理通過DAC輸出，以控制增益，并將當前增益從串口LCD顯。

圖4 單片機控制電路

2.3.4 鍵盤控制

為了實現比較好的人機交互，利用單片機控制鍵盤和LCD，與用戶進行方便快捷的信息交換。通過鍵盤向單片機發送固定的鍵值（單片機以中斷的方式提取鍵盤發來的信息）。同時單片機會以串口通信的方式與LCD進行交流，以顯示需要的信息值，讓用戶獲得需要的反饋信息。人機交互界面如圖5所示。

圖5 人機交互界面

2.4 軟件設計

本設計使用模塊化的程序設計，由液晶模塊、按鍵掃描模塊、串口驅動模塊和DA控制等模塊構成。主程序采用狀態機的設計來實現。程序流程見圖6。液晶控制通過使用串口發送命令來實現，控制靈活，且占用較少的cup資源。鍵盤采用定時器進行掃描，并將掃描到的鍵值存儲到一個先入先出的緩沖區內，等待設計對其進行處理，增強設計對按鍵的處理能力。串口驅動模塊將對串口的處理模塊化，封裝成串口接收和發送函數，降低設計流程的設計難度。通過使用單片機IO口模擬SPI接口時序來實現對DA的控制。

在主函數設計中由于模擬SPI接口對時序要求較嚴格，不能被打斷，而且發送一次數據所需的時間較短，所以在向DA發送數據時關掉定時器中斷這樣既可以保證發送數據成功，而且對設計的影響較小。而其他模塊之間互相獨立，使主程序設計靈活能夠實現控制要。

圖6 程序流程圖

3 測試方法和結果

3.1 輸入阻抗測試

1)用萬用表直接測量所制作儀表的輸入端，測得輸入阻抗為50.0歐。

2)用函數發生器產生峰值峰為0～0.5v的波形，接入系統，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。測試結果見表1。

表1 輸入阻抗測試結果

由上述數據可以看出，輸入阻抗滿足≥50?，滿足設計目標。

3.2 增益通頻帶測試

通過TINA軟件仿真，得到圖7所示結果。

圖7 同頻帶仿真結果

由圖7可以看出，3dB通頻帶大于0～10MHz；在0～9MHz通頻帶內增益起伏≤1dB。滿足設計目標。

3.3 DA輸出的值與放大倍數的關系

保持輸入信號峰值40mV，頻率1MHz不變，改變DA輸出，查看輸出電壓的峰值，計算放大倍數。數據如表2所示。

表2 DA輸出與放大倍數的關系

由表中的數據可以看出，系統的DA可以準確放大可調增益的放大倍數。

滿足設計目標。

4 設計結論

本設計以51單片機為主控芯片，可變增益放大器（VGA）AD8336為主要放大芯片，通過DA輸出控制信號，系統設計過程中，力求避免硬件線路產生干擾，充分發揮軟件編程方便靈活的特點，完成了設計目標。

[1]宋雪松,李冬明,崔長勝.手把手教你學51單片機(C語言版)[M].清華大學出版社,2014.

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

[3]Newbold Richard.數字信號處理及應用[M].機械工業出版社,2005.

[4]鄔春明,雷宇凌,李蕾.數字電路與邏輯設計[M].清華大學出版社,2015.

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