基于MSP430F449单片机宽带直流放大器的设计

　　1．数据处理和控制核心选择
　　
　　方案一：采用单片机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MSP430F449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。
　　
　　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。

　　三、主要单元电路介绍

　　1、AD603构成的前级放大电路
　　
　　如下图所示，信号经SMA接头输入放大器。
　　
　　由于AD603的输入阻抗为100Q，故在输入端接100Q的电阻R1到地，使放大器输入阻抗为50Q。
　　
　　电路增益由1、2脚间电压差VG控制，2脚接固定参考电压，1脚电压由D/A转换器控制，(或由单刀双掷开关转手动调节连续调节)。AD603的增益为G(dB)=40×VG+GO，AD603的5、7脚间接3k的反馈电阻Rf，使G0=2158dB，改变1脚电压使增益调节在1.58～4158dB范围内。

　　2、调零放大器电路
　　
　　该部分为电压反馈型运放OPA690构成的一个加法电路，如下图所示。OPA690具有1800V/μs摆率，单位增益带宽积为500MHz，完全能够将AD603输出信号放大3倍。一路输入是D/A输出调零电压，第二路是AD603信号输出，(当AD603输入短路时为零漂、失调信号)，第三路是一5V负偏压共同加在OPA690输入端，对失调电压进行校正。
　　
　　因为D/A输出是单极性电压(O～4096V)，第三路输入使OPA690第2脚偏压约(-005～+O15V)。
　　
　　调零用的采样ADC利用MSP430内部AD，节约了ADC，降低了系统的成本。

　　3．椭圆滤波器
　　
　　分别设计了一3dB截止频率为5MHz和10MHz的9阶无源椭圆滤波器。根据滤波器设计手册中的归一化设计表格，可以查表得到所需要的电容电感值。并通过滤波器软件仿真，根据仿真得到的幅频特性曲线对电容电感值做调整。下图为10MHz的椭圆滤波器的电路及仿真幅频特性曲线图。实际测试结果为：截止频率为10.02MHz，带内起伏≤O.8dB。
　　

　　4.程控放大电路
　　
　　如下图所示，该程控放大电路为降低成本，仅用到一款运放OPA699，构成增益为1和10两个挡，后面为两个继电器切换电阻衰减网络，一个衰减为0.1倍，另一个为O.01倍。该程控放大电路加上前级AD603的4158dB最大增益、14dB的末级功率放大等，最终整个系统实现了90dB的最大电压增益。

　　
　　5.后级功率放大电路
　　
　　采用电流反馈型运放THS3091做5倍功率放大，如下图所示。THS3091具有高达7300V/μs的摆率，带宽不小于200MHz，采用±18V供电。其最大输出电流为250mA，若采用一片THS3091，驱动不了题目要求的最大电压有效值不小于10V的输出，因此采用两片T卜tS3091并联，每片THS3091为50Ω负载提供一半电流。