基于FPGA的宽带直流放大器设计

论文摘要

日常生活中，人们使用的收音机、精密测量仪器和一些自动控制系统都会有各种各样的放大电路。在电子设备中，放大电路可以将微弱的生物电信号及电子设备、通讯设备和传感器输出的微弱信号放大，以满足后续设备的需求；运算放大器加上深度负反馈常常用来放大低频信号和高频信号。放大器在放大低频段信号时，频率响应很好；但是在放大高频信号时，随着放大器的增益升高，信号的频带越来越窄。因此在多级放大器中，如何在放大高频信号的同时有效的展宽频带就成为了一个突出的问题。本文在分析了运算放大器的应用需求以及针对制作运算放大器的时候如何放大高频信号并有效的展宽通频带，利用现场可编程门阵列——FPGA可在线编程、超高速的特点，设计了基于FPGA的宽带直流放大器。其基本设计原理是利用单片机AT89S52作为微控制器，运用FPGA-EP2C8Q208C8N实现峰值的高速数据采集、处理和实时控制。放大电路由前级放大、自动增益控制和功率放大三部分组成。系统输出端信号通过有效值检波电路传输到A/D转换电路，A/D转换电路把输出的模拟电压有效值转换成数字信号，输入FPGA处理与初始采样峰值进行比较。如果输出信号较弱或较强，则将两个峰值的差值作为可控增益放大器的增益调整依据，输入到D/A转换器当中，再将D/A输出的控制电压送入到可控增益放大器，从而实现增益可调控制，并使输出值达到预设值，将宽带直流放大器的高频带宽展宽，实现宽带直流放大器对高频信号的放大，形成一个闭环控制系统。该宽带直流放大器价格低廉、频带宽、增益动态范围大、适用于多种场合，具有良好的应用前景。本文介绍了宽带直流放大器的发展以及其主要技术指标，然后提出了几种实现系统目标的设计方案，对可行性方案分析后结合EDA软件对放大器电路进行了计算机功能仿真，采用VHDL硬件描述语言实现了数据采集控制、存储控制、触发控制等复杂逻辑控制。接着对实物放大器进行调试，再仿真，再调试，经过多次反复仿真和调试，最终计算机功能仿真达到了预计的效果。文中还提到了宽带直流放大器的实现过程中需要注意的几个问题，最后给出了宽带直流放大器的设计总结及未来宽带直流放大器的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 宽带放大器发展史
• 1.2 宽带直流放大器概述及其应用
• 1.3 直流放大器与交流放大器的比较
• 1.3.1 交流放大器
• 1.3.2 直流放大器
• 1.4 本课题的研究意义
• 1.5 本文主要内容
• 第二章 宽带直流放大器功能设计要求与分析
• 2.1 系统功能设计要求
• 2.2 宽带直流放大器的主要参数介绍
• 2.3 宽带放大器的频带展宽
• 2.4 宽带直流放大器理论分析与计算
• 2.4.1 带宽增益积
• 2.4.2 各级增益分配
• 2.4.3 通频带内增益起伏控制
• 2.4.4 直流零点漂移
• 2.4.5 系统稳定性
• 第三章 系统总体方案构建
• 3.1 宽带直流放大器基本原理
• 3.2 系统方案设计与选择
• 3.2.1 控制核心和数据处理选择
• 3.2.2 增益控制部分
• 3.3 器件的选取与系统方案确立
• 3.3.1 数据采集技术
• 3.3.1.1 高速数据采集的现状及研究意义
• 3.3.1.2 数据采集系统的主要性能指标
• 3.3.1.3 A/D 器件的选择
• 3.3.1.4 高速 A/D 芯片 TLC5510
• 3.3.2 可编程逻辑器件
• 3.3.2.1 FPGA 基本结构
• 3.3.2.2 FPGA 选型
• 3.3.2.3 VHDL 硬件描述语言
• 3.3.2.4 FPGA 设计原则
• 3.3.2.5 FPGA 设计软件
• 第四章 系统电路设计与软件实现
• 4.1 前级放大器
• 4.2 增益控制部分
• 4.2.1 AD603 内部结构及其应用
• 4.2.2 可控增益电路
• 4.3 功率放大级电路
• 4.4 有效值检测电路
• 4.4.1 AD637 的工作原理
• 4.4.2 检测电路
• 4.5 信号变化放大器
• 4.6 控制电路设计
• 4.6.1 FPGA 硬件电路设计
• 4.6.1.1 电源电路设计
• 4.6.1.2 AS 和 JTAG 接口设计
• 4.6.1.3 FPGA 与单片机的接口设计
• 4.6.2 控制电路系统
• 4.7 输入信号频率测量
• 4.7.1 多周期同步测量原理
• 4.7.2 信号处理电路设计
• 4.8 系统软件设计
• 4.8.1 系统软件的总体框架
• 4.8.2 FPGA 的逻辑设计
• 4.8.3 VHDL 语言元件的例化
• 4.8.4 A/D 数据采集模块
• 4.8.5 测频模块
• 第五章 系统仿真及其结果分析
• 5.1 仿真工具 MULTISIM 简介及应用
• 5.2 各级电路模块功能仿真
• 5.2.1 信号变化放大器仿真
• 5.2.2 AD603 增益控制
• 5.2.3 整体电路设计仿真
• 5.3 实物仿真结果与分析
• 5.3.1 峰值检测电路精度分析
• 5.3.2 信号变化放大器
• 5.3.3 AGC 与宽带直流放大器仿真测试
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 研究生期间的研究成果
• 致谢
• 附录 A
• 附录 B