基于MSP430F449单片机宽带直流放大器的设计

　　6．直流稳压电源
　　
　　直流稳压电源核心部分包括：电源变压器、桥式全波整流电路、大电容滤波电路、低压差稳压器件稳压电路。电源变压器由一个初级线圈和三个次级线圈构成，为低压差稳压器件LTl963和LT1175提供三个独立转换电压。LTl963、LT1175均为可变输出的稳压芯片，LT1963输出正电压，LT1175输出负电压，调节每一稳压芯片外围的两个取样电阻值的比例，灵活得到±18V、±15V和±5V输出。
　　
　　低压差稳压器件的使用提高了直流稳压电源的效率。

　　四、程序设计

　　本系统软件设计部分基于MSP430F449单片机平台，主要完成增益控制、直流零点自动校准功能、按键处理和显示控制。充分利用MSP430F449低功耗模式，当相应控制设置好后，不做其它处理时，单片机便进入低功耗模式。低功耗模式下，单片机可以被任意按键中断唤醒。下图为主程序流程图。

　　五、设计和调试中遇到的问题

　　整个系统偏重了模拟设计，数字控制简单，控制部分主要是基于MSP430F449进行编程实现，没有遇到纯数字控制上的问题。在模拟设计和调试中遇到的问题比较多，需要一一考虑清楚，采用合理的方法解决。本系统为宽带放大，需要考虑增益带宽积的问题，还有放大器的稳定对整个系统至关重要。控制通带内的增益起伏，尤其是本系统是一个直流放大器，直流零点漂移是一个较难解决的问题，特别是在对一个不确定的电路参量进行检测时，采用绝对的地作为参照，这样在任何情况之下都是成立的，并且可以衍生出以地为参照的各种准确的参照。然后依据这样的方法，我们实现了在不同时间温度情况下能随时数控自我校准的功能。
　　
　　1.带宽增益积
　　
　　带宽增益积是指放大电路通带电压增益与通频带的乘积。
　　
　　对电压反馈型运放，带宽增益积是一个常数。
　　
　　典型的电压反馈型运放构成的同相放大电路的增益可用A表示：

　　其中A(w)为开环增益，是随频率增加而减小的函数；Rf为反馈电阻，Rg为接在反相输入端到地的增益电阻。当(1+Rf／Rg)/A(w)=1时， 频率为-3dB频率f3db，闭环增益l+(Rf／Rg)越大，f3db越小。
　　
　　对电流型反馈型运放，带宽增益积并不为常数。
　　
　　其频率f3db由反馈电阻Rf决定，即电流反馈型运放的频率特性几乎不受闭环增益的影响。
　　
　　本系统设计最大电压增益≥60dB，通频带最大达到10MHz，由于电压增益和通频带都很大，则要求的带宽增益积就更大。实际不可能会具有这么大的带宽增益积的运放，因此应该设计为多级放大。
　　
　　每一级放大设计时，若选用电流型运放，首先要选取合适的Rf，再根据放大倍数的设计选取Rg；若选用电压反馈型运放，则在放大倍数(即闭环增益)确定时，要考虑其带宽增益积足够大。整个系统的设计中，要根据通频带(5MHz或10MHz)和放大倍数来考虑整个放大系统的增益带宽积。
　　
　　2．通频带内增益起伏控制
　　
　　由于各器件的幅频特性以及滤波器的幅频特性不平坦等多种因素，系统通频带内增益会出现起伏。
　　
　　如AD603的频率响应特性有一个增益尖峰，调节AD603的5脚和7脚间的电阻可以使增益变化范围进行平移。该电阻选取合适时，将增益尖峰调节在10MHz之后，在10MHz通频带以内，保证AD603构成的前级放大电路输出信号幅度平坦。后级程控放大和功率放大，选取各参数指标(如增益带宽积摆率、失调电流、失调电压、温度系数等)满足本系统设计要求的运放，使信号调理时在10MI_z以内幅频特性平坦。再通过无源椭圆滤波器实现题目要求的5MHz和1 0MHz的-3dB截止频率。
　　
　　椭圆函数滤波器在有限频带上既有零点又有极点，极零点在通带内产生等纹波，通频带内出现增益起伏。椭圆滤波器的通带波纹与反射系数p之间的关系为：将p减小，通带如波纹会减小。可根据通带Rdb=-101g(1-r平方)内的纹波特性，将AD603的控制电压通过软件作一拟合曲线，调整AD603的控制电压进一步减小纹波带来的增益起伏。但这样需要对信号进行测频才能得到对应频点上的调整控制电压，会同时增加硬件和软件的复杂性。因此，本系统将椭圆滤波器的通带纹波设计得尽量小，使满足通频带增益起伏≤1dB的题目要求。
　　
　　3.抑制直流零点漂移
　　
　　零点漂移是直流放大器直流工作点的渐进的慢变化。产生零点漂移的原因很多，电路中任何元器件参数的变化，供电电源的波动，都会造成输出电压的漂移，但主要因素还是温度的影响。零漂是一种不规则的缓慢变化，增益越大，放大级数越多，在输出端出现的零漂现象越严重，因此主要考虑放大电路第一级零漂的抑制。
　　
　　前级放大器AD603后面接入一级放大器作为调零放大器，将本直流放大器输入短路，以O.1dB步进控制AD603的增益，不断采样AD603的输出直流偏置电压，并通过单片机控制D/A转换器在调零放大器的调零端加入对应的校正电压，使这个直流偏置电压驱动到零，从而很大程度上抑制了直流零点漂移。
　　
　　后级放大电路中，应尽量采用低温漂运算放大器，如后级采用了OPA690、OPA699、THS3001和THS3091，它们都具有较低的失调电流和失调电压，但属于高速运放，失调电压温漂系数不一定都很小，如末级功放采用的n4S3091其失调电压温漂为±10μ v/℃，因此在一些运放输入端采用了电位器调零措施，而且对功放还安装了小风扇进行散热来抑制温漂。
　　
　　4.放大器稳定性
　　
　　放大器要达到绝对稳定，放大器不仅不能同时接近自激振荡条件：△jt=180°和20lg T(绝对值)=0dB而且要留有适当的富裕量。富裕量越大，放大器愈不易产生自激振荡，但设计也就越困难，对放大器所使用的元器件的要求更严格。
　　
　　不良接地和不充分的供电电源滤波、大容量容性负载、输入杂散电容的影响、前沿校正(补偿)和高频噪声都对运算放大器的稳定性有影响。
　　
　　一些高速运放只有在增益大于5或更大时才会稳定。
　　
　　本系统具有较好的稳定性。通过电源旁路电路增加电路的稳定性，许多电源和地之间使用10 μ F的钽电容再并联一个O.1 μ F的陶瓷电容。每一级输出端增加了一个串联电阻，减小负载容性影响。可在反馈电阻上并接一个反馈电容，构成超前相位补偿来补偿输入杂散电容的影响。
　　
　　同时本系统的椭圆滤波器抑制了高频噪声，也加强了放大器的稳定性。