基于MSP430F449單片機寬帶直流放大器的設計

　　四、程序設計

　　本系統軟件設計部分基于MSP430F449單片機平臺，主要完成增益控制、直流零點(diǎn)自動(dòng)校準功能、按鍵處理和顯示控制。充分利用MSP430F449低功耗模式，當相應控制設置好后，不做其它處理時(shí)，單片機便進(jìn)入低功耗模式。低功耗模式下，單片機可以被任意按鍵中斷喚醒。下圖為主程序流程圖。

　　五、設計和調試中遇到的問(wèn)題

　　整個(gè)系統偏重了模擬設計，數字控制簡(jiǎn)單，控制部分主要是基于MSP430F449進(jìn)行編程實(shí)現，沒(méi)有遇到純數字控制上的問(wèn)題。在模擬設計和調試中遇到的問(wèn)題比較多，需要一一考慮清楚，采用合理的方法解決。本系統為寬帶放大，需要考慮增益帶寬積的問(wèn)題，還有放大器的穩定對整個(gè)系統至關(guān)重要?？刂仆◣鹊脑鲆嫫鸱?，尤其是本系統是一個(gè)直流放大器，直流零點(diǎn)漂移是一個(gè)較難解決的問(wèn)題，特別是在對一個(gè)不確定的電路參量進(jìn)行檢測時(shí)，采用絕對的地作為參照，這樣在任何情況之下都是成立的，并且可以衍生出以地為參照的各種準確的參照。然后依據這樣的方法，我們實(shí)現了在不同時(shí)間溫度情況下能隨時(shí)數控自我校準的功能。
　　
　　1.帶寬增益積
　　
　　帶寬增益積是指放大電路通帶電壓增益與通頻帶的乘積。
　　
　　對電壓反饋型運放，帶寬增益積是一個(gè)常數。
　　
　　典型的電壓反饋型運放構成的同相放大電路的增益可用A表示：

　　其中A(w)為開(kāi)環(huán)增益，是隨頻率增加而減小的函數；Rf為反饋電阻，Rg為接在反相輸入端到地的增益電阻。當(1+Rf／Rg)/A(w)=1時(shí)， 頻率為-3dB頻率f3db，閉環(huán)增益l+(Rf／Rg)越大，f3db越小。
　　
　　對電流型反饋型運放，帶寬增益積并不為常數。
　　
　　其頻率f3db由反饋電阻Rf決定，即電流反饋型運放的頻率特性幾乎不受閉環(huán)增益的影響。
　　
　　本系統設計最大電壓增益≥60dB，通頻帶最大達到10MHz，由于電壓增益和通頻帶都很大，則要求的帶寬增益積就更大。實(shí)際不可能會(huì )具有這么大的帶寬增益積的運放，因此應該設計為多級放大。
　　
　　每一級放大設計時(shí)，若選用電流型運放，首先要選取合適的Rf，再根據放大倍數的設計選取Rg；若選用電壓反饋型運放，則在放大倍數(即閉環(huán)增益)確定時(shí)，要考慮其帶寬增益積足夠大。整個(gè)系統的設計中，要根據通頻帶(5MHz或10MHz)和放大倍數來(lái)考慮整個(gè)放大系統的增益帶寬積。
　　
　　2．通頻帶內增益起伏控制
　　
　　由于各器件的幅頻特性以及濾波器的幅頻特性不平坦等多種因素，系統通頻帶內增益會(huì )出現起伏。
　　
　　如AD603的頻率響應特性有一個(gè)增益尖峰，調節AD603的5腳和7腳間的電阻可以使增益變化范圍進(jìn)行平移。該電阻選取合適時(shí)，將增益尖峰調節在10MHz之后，在10MHz通頻帶以?xún)?，保證AD603構成的前級放大電路輸出信號幅度平坦。后級程控放大和功率放大，選取各參數指標(如增益帶寬積擺率、失調電流、失調電壓、溫度系數等)滿(mǎn)足本系統設計要求的運放，使信號調理時(shí)在10MI_z以?xún)确l特性平坦。再通過(guò)無(wú)源橢圓濾波器實(shí)現題目要求的5MHz和1 0MHz的-3dB截止頻率。
　　
　　橢圓函數濾波器在有限頻帶上既有零點(diǎn)又有極點(diǎn)，極零點(diǎn)在通帶內產(chǎn)生等紋波，通頻帶內出現增益起伏。橢圓濾波器的通帶波紋與反射系數p之間的關(guān)系為：將p減小，通帶如波紋會(huì )減小?？筛鶕◣db=-101g(1-r平方)內的紋波特性，將AD603的控制電壓通過(guò)軟件作一擬合曲線(xiàn)，調整AD603的控制電壓進(jìn)一步減小紋波帶來(lái)的增益起伏。但這樣需要對信號進(jìn)行測頻才能得到對應頻點(diǎn)上的調整控制電壓，會(huì )同時(shí)增加硬件和軟件的復雜性。因此，本系統將橢圓濾波器的通帶紋波設計得盡量小，使滿(mǎn)足通頻帶增益起伏≤1dB的題目要求。
　　
　　3.抑制直流零點(diǎn)漂移
　　
　　零點(diǎn)漂移是直流放大器直流工作點(diǎn)的漸進(jìn)的慢變化。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，電路中任何元器件參數的變化，供電電源的波動(dòng)，都會(huì )造成輸出電壓的漂移，但主要因素還是溫度的影響。零漂是一種不規則的緩慢變化，增益越大，放大級數越多，在輸出端出現的零漂現象越嚴重，因此主要考慮放大電路第一級零漂的抑制。
　　
　　前級放大器AD603后面接入一級放大器作為調零放大器，將本直流放大器輸入短路，以O.1dB步進(jìn)控制AD603的增益，不斷采樣AD603的輸出直流偏置電壓，并通過(guò)單片機控制D/A轉換器在調零放大器的調零端加入對應的校正電壓，使這個(gè)直流偏置電壓驅動(dòng)到零，從而很大程度上抑制了直流零點(diǎn)漂移。
　　
　　后級放大電路中，應盡量采用低溫漂運算放大器，如后級采用了OPA690、OPA699、THS3001和THS3091，它們都具有較低的失調電流和失調電壓，但屬于高速運放，失調電壓溫漂系數不一定都很小，如末級功放采用的n4S3091其失調電壓溫漂為±10μ v/℃，因此在一些運放輸入端采用了電位器調零措施，而且對功放還安裝了小風(fēng)扇進(jìn)行散熱來(lái)抑制溫漂。
　　
　　4.放大器穩定性
　　
　　放大器要達到絕對穩定，放大器不僅不能同時(shí)接近自激振蕩條件：△jt=180°和20lg T(絕對值)=0dB而且要留有適當的富裕量。富裕量越大，放大器愈不易產(chǎn)生自激振蕩，但設計也就越困難，對放大器所使用的元器件的要求更嚴格。
　　
　　不良接地和不充分的供電電源濾波、大容量容性負載、輸入雜散電容的影響、前沿校正(補償)和高頻噪聲都對運算放大器的穩定性有影響。
　　
　　一些高速運放只有在增益大于5或更大時(shí)才會(huì )穩定。
　　
　　本系統具有較好的穩定性。通過(guò)電源旁路電路增加電路的穩定性，許多電源和地之間使用10 μ F的鉭電容再并聯(lián)一個(gè)O.1 μ F的陶瓷電容。每一級輸出端增加了一個(gè)串聯(lián)電阻，減小負載容性影響?？稍诜答侂娮枭喜⒔右粋€(gè)反饋電容，構成超前相位補償來(lái)補償輸入雜散電容的影響。
　　
　　同時(shí)本系統的橢圓濾波器抑制了高頻噪聲，也加強了放大器的穩定性。