一种基于AT89S52单片机的宽带直流放大器设计

江苏自动化研究所 李景银 欧国峰

1 设计目标

1)放大器的输入电阻≥50Ω。

2)3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB。

3)在AV＝60dB时，输出端噪声电压的峰－峰值VONPP≤0.3V。

2 详细设计

2.1 主要设计选型

2.1.1 控制核心

采用AT89S52单片机作为核心控制，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K设计可编程Fl ash存储器，在众多嵌入式控制应用设计中得到广泛应用。

2.1.2 可调增益放大器

采用AD8336可调增益放大器。AD8336是一款低噪声、单端、线性dB、通用型可变增益放大器，可以在较大的电源电压范围内工作。可调增益范围为0~60dB，通频带宽为100MHz，并且在通频带内增益起伏很小，其增益的电压调节范围为1V，易于调节。

2.1.3 显示

采用串口LCD显示。串口LCD所占用的IO口较少，与单片机连接简单。本设计采用的LCD具有中英文字库，显示内容丰富，便于对操作进行指示。

2.2 整体设计

2.2.1 信号处理

信号处理电路主要包括信号输入级的电压跟随器电路、可变增益放大器电路和功率放大电路三部分。信号输入端的电压跟随器采用超高速运放THS3001，最大带宽为115MHz。电压跟随器提高了设计的输入阻抗，且在不影响电路性能的条件下给电路加入保护功能。可变增益放大器采用AD8336，其在60dB的增益范围提供100 MHz带宽，并且易于DAC控制。输出部分采用分立的高频元件组成能调节输出阻抗的功率放大网络，提高带载能力。

2.2.2 控制电路

控制部分主要通过AT89S52实现设计的控制，将键盘和ALPS旋钮输入信号通过DAC输出，以控制AD8336的放大增益。采用键盘来控制步进增益，使用ALPS完成连续增益。所采用的DAC为12位的TLV5638。使用SPI接口方式与单片机进行通信，接口简单。显示采用串口的LCD，减少布线的复杂性的同时可以有效显示中英文。设计框图如图1所示：

图1 设计框图

2.3 硬件设计

2.3.1 跟随电路

前级跟随电路由THS3001构成。THS3001具有高达6500V/us的转换速率，420MHz的-通频带和良好的带内平坦度，在110MHz时，增益仅下降0.1dB。

因此，该跟随电路在保证电路性能的前提下，有效地增大了输入阻抗，同时电路加入保护功。

图2 THS3001为主的跟随电路

2.3.2 可变增益放大电路

信号放大采用可变增益放大器AD8336，通过单片机控制数模转换器TLV5638输出来改变AD8336的增益大小，根据不同的要求可以实现增益连续变化、稳定增益变化和预置增益等功能。图3中GPOS和GNEG为DAC数据的接入口，用于控制信号的增益。电路的电源均用电感隔离避免自激干扰，信号输入输出全部采用同轴电缆，减小电路的噪声干扰，使输出信号满足 要求，并且具有良好的带内平坦。

图3 可变增益电路

2.3.3 单片机控制电路

单片机控制电路以51单片机AT89S52为主，由键盘和ALPS旋钮输入所需要的控制信号，经过处理通过DAC输出，以控制增益，并将当前增益从串口LCD显。

图4 单片机控制电路

2.3.4 键盘控制

为了实现比较好的人机交互，利用单片机控制键盘和LCD，与用户进行方便快捷的信息交换。通过键盘向单片机发送固定的键值（单片机以中断的方式提取键盘发来的信息）。同时单片机会以串口通信的方式与LCD进行交流，以显示需要的信息值，让用户获得需要的反馈信息。人机交互界面如图5所示。

图5 人机交互界面

2.4 软件设计

本设计使用模块化的程序设计，由液晶模块、按键扫描模块、串口驱动模块和DA控制等模块构成。主程序采用状态机的设计来实现。程序流程见图6。液晶控制通过使用串口发送命令来实现，控制灵活，且占用较少的cup资源。键盘采用定时器进行扫描，并将扫描到的键值存储到一个先入先出的缓冲区内，等待设计对其进行处理，增强设计对按键的处理能力。串口驱动模块将对串口的处理模块化，封装成串口接收和发送函数，降低设计流程的设计难度。通过使用单片机IO口模拟SPI接口时序来实现对DA的控制。

在主函数设计中由于模拟SPI接口对时序要求较严格，不能被打断，而且发送一次数据所需的时间较短，所以在向DA发送数据时关掉定时器中断这样既可以保证发送数据成功，而且对设计的影响较小。而其他模块之间互相独立，使主程序设计灵活能够实现控制要。

图6 程序流程图

3 测试方法和结果

3.1 输入阻抗测试

1)用万用表直接测量所制作仪表的输入端，测得输入阻抗为50.0欧。

2)用函数发生器产生峰值峰为0～0.5v的波形，接入系统，用示波器察看波形的幅度是否衰减一半及波形的畸变程度。测试结果见表1。

表1 输入阻抗测试结果

由上述数据可以看出，输入阻抗满足≥50Ω，满足设计目标。

3.2 增益通频带测试

通过TINA软件仿真，得到图7所示结果。

图7 同频带仿真结果

由图7可以看出，3dB通频带大于0～10MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB。满足设计目标。

3.3 DA输出的值与放大倍数的关系

保持输入信号峰值40mV，频率1MHz不变，改变DA输出，查看输出电压的峰值，计算放大倍数。数据如表2所示。

表2 DA输出与放大倍数的关系

由表中的数据可以看出，系统的DA可以准确放大可调增益的放大倍数。

满足设计目标。

4 设计结论

本设计以51单片机为主控芯片，可变增益放大器（VGA）AD8336为主要放大芯片，通过DA输出控制信号，系统设计过程中，力求避免硬件线路产生干扰，充分发挥软件编程方便灵活的特点，完成了设计目标。

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