低频低噪声高增益放大器
1 系统设计
低频低噪声高增益放大器设计主要包含7部分，信号发生器、滤波器、前置放大级、功率放大级、稳压电源模块、单片机控制增益调节和显示模块。
1.1信号发生器模块
方案一、由简单的分立元件产生，可以利用晶体管、LC振荡回路，积分电路的实现正弦波的产生。此方案原理简单但是调试麻烦，不稳定，受干扰严重。 方案二、采用集成运放搭建RC文氏正弦振荡器产生正弦波，正弦波的频率，幅度均可调。此方案电路简单，在集成运放的作用下，可以较容易的测到所需的波形。通过调整参数可以得到较完美的小信号波形。本设计采用此方案。
RC桥式振荡电路由 RC串并联选频网络和同相放大电路组成RC 选频网络形成正反馈电路,决定振荡频率 f 0 ，R1、R3、R4形成反馈回路,决定起振的幅值条件，D1 、 D2 是稳幅元件。 该电路振荡频率，
f?12?R2R5C1C2,令R=R2=R5，C=C1=C2，则，f?1 2?RCR3//rd>=3.（rd 为二极管的正向动态电阻） 起振幅值条件AV?1?R1?R4
图1-1RC桥式振荡电路
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1.2滤波器模块
滤波采用 压控电压源二阶带通滤波电路，由低通滤波器和高通滤波器串联而成，前者的截至频率fp1=5KHz，fp2 =3KHz。此电路设计方便，制作简单，性能稳定，故用此电路。
图1_2 带通滤波器
1.3 前置放大模块
第一级是射极跟随器，提高输入阻抗，减少对上一级输出信号的噪声波动。 第二级是放大部分，运放负输入端与地之间连接数控电位器，其阻值改变来控制电路的放大倍数。可实现增益步进调节。
第三级是固定增益放大器，由于第二级的放大倍数达不到要求，所以在第三级进行放大。
图1-3前置放大模块电路
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1.4 功率放大模块
方案一：采用三极管为核心做功率放大电路，这种功放电路输出小，效率低，功耗大很难满足题目要求。
方案二：采用分立的MOS管做功率放大电路，虽然分立元件低频功率放大器可对每级工作状态和性能逐级调整有很大灵活性和自由度，但是此类分立元件低频功率放大器快被淘汰性能上不能满足此次设计的指标。
方案三：功率放大部分采用专用的集成MOS芯片功率放大器，采用专用的集成MOS功率放大器可以达到要求，可以保证低失真、低噪声还有输出短路保护、IC过热保护等功能，运用起来也方便。
图1_4功率放大器
1.5 单片机控制
利用STC89C52单片机将增益步进值通过换算控制数控电位器，改变放大模块运放的电阻比例系数，从而改变运放的放大倍数，达到增益可调。如下图单片机及外围电路，P1.0~P1.2分别控制数控电位器MCP41010的片选CS，串行时钟输入SCLK和SI数据线。数控电位器MCP41010，它在单一芯片上集成一个10 kΩ数字电位器，电位器的滑动端共有256个离散的调节节点，并有一个8 b的E2PROM数据寄存器，直接控制滑刷在电位器上滑动端的位置。用户可以通过相应指令往数据寄存器写8位字，调节精度可达256。
Key2~5,为增益调节按键，分别为增益加、增益减、增益加加、增益减减。 显示模块:
方案一：使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根据题目要求，如果需要同时显示给定值和测量值，需显示的内容较多，要使用多个数码管动态显示，使电路变得复杂，加大了编程工作量。不宜采用。
方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。
综上所述，选择方案二。采用1602液晶显示器，同时显示电流给定值和实
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测值。
本设计LCD1602液晶显示器， 与单片机接口，采用8位并行接法，显示电压增益，电路连接如图所示。
图1-5 单片机最小系统图
1.6 稳压电源
本系统需要多个电源，运放D/A转换芯片的正负15V，单片机系统用正5V。且要求电源波动±10%时可正常工作。
方案一：采用升压型稳压电路。该电源减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作。
方案二：采用线性稳压电路。交流市电经桥式全波整流，电容滤波，三端稳压器件稳压产生各种直流电压。由于需求功率较大，故采用输出电流为3A的可调三端稳压器，正电源由LM317稳压输出，负电源由LM337稳压得到。采用此方案。原理图如图1-6所示：
图1-6 稳压电源电路
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2 软件设计
软件设计采用C语言，对STC89C52单片机进行编程实现各种功能。 软件实现的功能是： （1） 测量输出电流值
（2） 控制MCP41010工作
（3） 驱动液晶显示器显示增益值
（4） 通过键盘扫描，确定电流步进调整
软件流程图：
开始
无键被按下 键盘检测 有键被按下 放大倍数改变 调MCP41010子程序
调显示子程序
结束
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3 测试数据记录
实测数据：
放大倍数：200~3000; 步进:130 通频带：3KHZ~5KHZ;
输入电阻:80K ; 输出电阻：22? 噪声电压峰-峰值：700nV; 最大不失真输出幅度:11V;
4 总结
本设计采用RC正弦波振荡器产生信号源；带通滤波器滤波并控制其通频带为3KHZ~5KHZ；射极跟随器提高输入阻抗，输出信号的噪声波动；两级放大提高增益并通过单片机控制实现增益可调；功率放大电路，提高带负载能力，减小输出阻抗，并进一步提高放大倍数；单片机作为辅助控制器，控制数控电位器实现增益步进调节，并控制1602液晶显示器显示增益值。
经测试，该低频低噪声高增益放大器各性能指标，如放大倍数、增益步进、通频带、输入阻抗、输出阻抗、最大不失真输出幅度、噪声电压峰-峰值，满足满足设计要求，而且很多还超过基本要求，实践证明我们本次的设计是成功的！
这次比赛中我们由于没有什么经验，所以在诸如时间分配，分工合作等方面安排的不很合理。该设计涉及了太多模拟电路，由于干扰太大，给电路的调试带来了很多麻烦。由于这是我们第一次真正参加模拟全国大学生电子竞赛，一开始都非常的不适应，但是我们最终还是坚持下来了。
这次竞赛让我们认识到理论计算和实际结果的差距，让我们在以后的设计中更加注重现实制作中的困难。同时我们也学到了许多宝贵的知识，那是在我们书本上学不到的东西，在比赛中，我们的实践能力得到锻炼，使我们能够将书本上学到的知识运用到实践当中去。同时在这个过程中我们也积累了许多宝贵的经验。
参考文献
【1】郭天祥.51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2008 【2】康光华.电子技术基础模拟部分.北京：高等教育出版社，2005 【3】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计.北京：北京航空航天大学出版社，2010 【4】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2010
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