2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　該系統(tǒng)主要由可控增益放大器、功率放大與峰值檢波、單片機(jī)顯示和控制3大模塊組成。其中可變?cè)鲆娣糯笃饕訲HS7001和AD603為核心。單片機(jī)控制THS7001實(shí)現(xiàn)增益粗調(diào)，并通過D／A轉(zhuǎn)換控制AD603實(shí)現(xiàn)增益細(xì)調(diào)，從而使總增益在- 6～70 dB的寬頻帶范圍內(nèi)線性變化。前置放大器采用由寬帶電壓型反饋運(yùn)放THS4011構(gòu)成的射極跟隨器，可有效提高輸入電阻；后級(jí)功率放大器采用電流型反饋運(yùn)放AD811，提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力。由二極管峰值檢波電路測(cè)量峰值，并通過A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。通過鍵盤手動(dòng)預(yù)置增益值，LCD實(shí)時(shí)顯示預(yù)置增益值并輸出有效值。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　3 器件選型及理論分析

　　3．1 輸入級(jí)電路運(yùn)放選型

　　由于該電路噪聲主要取決于第一級(jí)放大器。所以選擇第一級(jí)運(yùn)放成為決定噪聲大小的關(guān)鍵。電壓反饋型（VFB）運(yùn)算放大器具有同相和反向輸人端阻抗基本相同（均為高阻），低噪聲，更好的直流特性，增益帶寬積為常數(shù)。反饋電阻的取值自由等特點(diǎn)：而電流反饋型（CFB）運(yùn)算放大器則具有同相輸入端為高阻阻，反向輸入端為低阻抗，帶寬不受增益影響，壓擺率更快，反饋電阻的取值有限制等特點(diǎn)。由此看出，CFB放大器適用于那些需要壓擺率快、低失真和可設(shè)置增益而不影響帶寬的電路；而VFB放大器則適用于那些需要低調(diào)電壓、低噪聲的電路。因此選用電壓反饋型運(yùn)放THS4011作為前級(jí)輸入。THS4011是一款高速低噪聲運(yùn)算放大器，其帶寬為290 MHz，壓擺率為310 V／μs，輸入噪聲為

　　4．2 峰值檢波電路

　　峰值檢波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成。其工作原理：當(dāng)輸入電壓正半周通過時(shí)，檢波管 VU2導(dǎo)通，對(duì)電容C1、C2充電，直到到達(dá)峰值。三極管的基極由FPGA控制，產(chǎn)生1Oμs的高電平使電容放電，以減少前一頻率測(cè)量對(duì)后一頻率測(cè)量的影響，提高幅值測(cè)量精度。其中Vu1為常導(dǎo)通，以補(bǔ)償VU2上造成的壓降。適當(dāng)選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣電容兩端的電壓可保持在最大電壓處，從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波。

　　該電路能夠檢測(cè)寬范圍信號(hào)頻率，較低的被測(cè)信號(hào)頻率，檢波紋波較大，但通過增加小電容和大電容并聯(lián)構(gòu)成的電容池可濾除紋波。而后級(jí)隔離，則增加由OPA277構(gòu)成的射極跟隨器，如圖3所示。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　5．1 程序部分設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)化和層次化原則，由一個(gè)主程序及若干子程序構(gòu)成。主程序通過調(diào)用子程序控制子程序間的時(shí)序，從而使整個(gè)程序正常運(yùn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分由單片機(jī)和FPGA組成。單片機(jī)主要完成讀取鍵值、控制增益和顯示功能。而FPGA則作為總線控制器，管理鍵盤、液晶和A／D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。以O(shè)uartus II 7．2為設(shè)計(jì)環(huán)境，用Verilog HDL硬件描述語言編程，完成各功能模塊的設(shè)計(jì)，并仿真測(cè)試設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊，再將各個(gè)模塊相互連接。程序以按鍵中斷為主線，以各項(xiàng)功能為分支，圖4為程序流程。

　　5．2 FPGA部分設(shè)計(jì)

　　FPGA主要完成A／D、D／A轉(zhuǎn)換器的串并轉(zhuǎn)換。采用12位D／A轉(zhuǎn)換器TLV5618，該器件是串行接口，大大節(jié)約系統(tǒng)端口資源，但MCU的P0、 P2端口是并行口，與串行器件的時(shí)序匹配較復(fù)雜，用靜態(tài)口P1端口模擬串行口時(shí)序又會(huì)占用MCU很多處理時(shí)間，影響系統(tǒng)效率。

　　為使MCU對(duì)串行器件操作簡(jiǎn)單，把串行時(shí)序在FPGA中用狀態(tài)機(jī)描述，同時(shí)該控制狀態(tài)機(jī)又對(duì)MCU提供P0口、CS、WR的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序接口形式，這樣MCU只需選中相應(yīng)地址，就可寫入所要得到的電壓數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)會(huì)完成串并轉(zhuǎn)換。

　　以串行接口時(shí)序?qū)?shù)據(jù)寫入器件并鎖存，與寫IO端口操作一樣簡(jiǎn)單方便，而D／A轉(zhuǎn)換器模塊的輸出端既可得到相應(yīng)輸出電壓，又達(dá)到控制增益的目的。

　　AGC部分采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，將A／D轉(zhuǎn)換采樣得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值循環(huán)相比較，再通過D／A轉(zhuǎn)換控制增益倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。

　　6 測(cè)試方案及測(cè)試數(shù)據(jù)

　　該系統(tǒng)使用專門的測(cè)試儀器，包括單片機(jī)仿真器、雙蹤示波器、PC機(jī)、多功能函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和交流電壓表等。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅值和頻率，結(jié)合示波器，測(cè)試寬帶放大器的增益范圍以及通頻帶。測(cè)試結(jié)果表明，寬帶放大器總增益調(diào)節(jié)范圍為-6～70 dB。-3 dB通頻帶為40 Hz～15 MHz。將輸入信號(hào)頻率同定，改變輸入電壓幅值。記錄輸入電壓和輸出電壓的最大值和最小值。結(jié)果表明，AGC動(dòng)態(tài)范圍大于60 dB。將輸入端短接，設(shè)置不同的電壓放大倍數(shù)，測(cè)量輸出電壓。結(jié)果表明，輸出電壓噪聲小于300 mV。

　　7 結(jié)束語

　　寬帶放大器以可編程增益放大器THS7001和可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603為核心，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)增益的步進(jìn)和預(yù)置?？傇鲆娣秶鸀?6～70 dB，通頻帶為40．Hz～15 MHz，AGC動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到60 dB。前置放大器采用低噪聲電壓反饋型運(yùn)放THS4011，大大提高輸人電阻。后級(jí)功率放大采用電流型反饋運(yùn)放AD811，有效提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。系統(tǒng)采用多種抗干擾措施，并結(jié)合軟件修正，實(shí)現(xiàn)較高的精度，具有良好的噪聲，線性性能以及較低的功耗。系統(tǒng)界面友好，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)測(cè)試已投入應(yīng)用。

　　三、5V單電源供電的寬帶放大器的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能。核心部分采用高速運(yùn)算放大器OPA820ID作為一級(jí)放大電路，THS3091D作為末級(jí)放大電路，利用DC-DC交換器TPS61087DRC為末級(jí)放大電路供電，在輸出負(fù)載50 Ω上實(shí)現(xiàn)電壓增益等于40 dB。該放大器通頻帶范圍10 Hz～10 MHz，系統(tǒng)最終可利用示波器測(cè)量輸出電壓的峰峰值和有效值，并利用MSP430單片機(jī)控制1602液晶顯示輸出數(shù)據(jù)的功能。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且綜合應(yīng)用了電容去耦、濾波等抗干擾措施以減少放大器噪聲并抑制高頻自激。經(jīng)驗(yàn)證，本方案完成了設(shè)計(jì)要求和部分?jǐn)U展功能。

　　1 方案論證與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 方案論證

　　直接使用集成高電壓輸出運(yùn)放OPA820，放大器通頻帶從20 Hz～10 MHz，并能驅(qū)動(dòng)50 Ω的負(fù)載，單純用音頻放大的方法來完成功率輸出。同時(shí)要做到在輸出負(fù)載上放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10 V的難度較大，故采用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級(jí)THS3091放大電路供電，最終設(shè)計(jì)這款高速寬帶放大器。本方案簡(jiǎn)單易行，由于采用單芯片，所以系統(tǒng)體積較小。

　　1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　利用模擬電子技術(shù)和單片機(jī)信號(hào)采集處理技術(shù)，最終完成增益控制及輸出顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)框圖

　　2 模擬電路設(shè)計(jì)

　　利用TI公司的模擬仿真軟件Tina，設(shè)計(jì)出5 V和15 V電源電路和三級(jí)放大電路，并利用峰值檢測(cè)電路的輸出經(jīng)單片機(jī)采樣處理后液晶顯示。Tina仿真軟件模擬出上述電路40 dB時(shí)的通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz。圖2所示為三級(jí)放大電路的通頻帶圖。

　　圖2 三級(jí)放大電路的通頻帶圖

　　2.1 放大電路

　　采用OPA820作為一級(jí)、二級(jí)放大電路，THS3091作為末級(jí)放大電路。三級(jí)放大倍數(shù)分別為5倍、5倍和4倍。其中末級(jí)電路通過兩個(gè)可調(diào)電阻來控制放大倍數(shù)和保證輸出信號(hào)的不失真。圖3所示為基于OPA820和THS3091芯片設(shè)計(jì)的三級(jí)放大電路。

　　圖3 基于OPA820和THS3091芯片設(shè)計(jì)的三級(jí)放大電路

　　2.2 峰值檢測(cè)電路

　　由于通頻帶范圍中有低頻和高頻兩種不同輸入，所以采用兩種不同檢測(cè)電路。低頻峰值檢測(cè)電路可參考專業(yè)書上的具體電路，高頻峰值檢測(cè)電路在此利用TPS61087芯片仿真設(shè)計(jì)出的電路，如圖4所示。

　　圖4 高頻峰值檢測(cè)電路

　　3 MSP430單片機(jī)控制液晶輸出設(shè)計(jì)

　　3.1 MSP430單片機(jī)和液晶

　　MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器。使用了MSP430F149型號(hào)的單片機(jī)，利用A/D采樣峰值檢測(cè)電路的信號(hào)，編程處理后最終完成在1602液晶上顯示輸出電壓峰峰值和有效值數(shù)據(jù)的功能。為了減少功耗，并降低數(shù)字系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)的干擾，采樣完成后，將微控制器設(shè)低功耗模式。同時(shí)為了實(shí)時(shí)采樣后數(shù)據(jù)顯示不會(huì)閃爍，編程時(shí)利用定時(shí)器定時(shí)1 s后中斷，使液晶每隔1 s才顯示一次采樣數(shù)據(jù)。電路如圖5所示。

　　圖5 單片機(jī)和液晶電路圖

　　3.2 軟件流程

　　軟件流程，如圖6所示。

　　圖6 軟件流程圖

　　4 性能測(cè)試與分析

　　測(cè)試儀器有：泰克公司TS1002 160 M數(shù)字示波器和RIGOL DS1022 20M信號(hào)源。

　　測(cè)試方法主要分3步：（1）連接+5 V、+15 V電源，在輸入端接入信號(hào)發(fā)生器信號(hào)。（2）輸入通頻帶范圍為10 Hz～10 MHz，電壓峰峰值0～100 mV的信號(hào)，測(cè)試通頻帶內(nèi)是否平坦。（3）改變輸入電壓的頻率和有效值，分別記錄輸出電壓的峰峰值和有效值。

　　相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

　　表1 40dB時(shí)輸入輸出測(cè)試

　　如表1所示，放大器在預(yù)置帶寬為10 Hz～10 MHz、最大增益為40 dB的時(shí)候，通頻帶內(nèi)很平坦。此時(shí)最大不失真輸出電壓約為10.20 V。經(jīng)測(cè)試，該電路最大增益為42 dB。制作和調(diào)試出的實(shí)物圖如圖7所示。

　　圖7 實(shí)物圖

　　5 結(jié)束語

　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)5 V單電源供電的寬帶放大器基本功能，完成了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，解決了較難在輸出負(fù)載上不失真輸出電壓峰峰值≥10 V、輸出電壓的峰值檢測(cè)、A/D采樣顯示等問題。

　　四、駐極體傳聲器小型前置放大器的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著我國(guó)通訊事業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)駐極體傳聲器的需求也越來越大。目前，一些小型的駐極體傳聲器雖然可以將場(chǎng)效應(yīng)管集成于傳聲器內(nèi)部，但由于高端產(chǎn)品的售價(jià)高昂，低端產(chǎn)品傳聲器的精度和靈敏度又無法保證，再加上傳統(tǒng)的前置放大器體積又過于龐大。因此，設(shè)計(jì)一種體積盡可能小，成本低廉而性能優(yōu)良的前置放大器具有十分重要的意義。

　　1 駐極體傳聲器的原理概述

　　傳聲器是一種將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)的電聲換能器。駐極體傳聲器是一種用駐極體材料制造的新型傳聲器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于語言拾音、聲信號(hào)檢測(cè)等方面。

　　駐極體傳聲器內(nèi)部主要包括聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分。聲電轉(zhuǎn)換部分包括振膜、極板、空隙三部分。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是振動(dòng)膜，它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜，然后再經(jīng)過高壓電場(chǎng)駐極后，兩面分別駐有異性電荷，膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開，這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個(gè)電容。當(dāng)聲音傳入時(shí)，振膜隨聲波的運(yùn)動(dòng)發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)振膜與固定電極間的電容量也隨聲音而發(fā)生變化。從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓信號(hào)，如此就完成了聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程。電壓變化的大小，反映了外界聲壓的強(qiáng)弱，這種電壓變化頻率反映了外界聲音的頻率。駐極體傳聲器振膜與極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF。因而這個(gè)電信號(hào)輸出阻抗很高，而且很弱。因此，不能將駐極體傳聲器的輸出直接與音頻放大器相接。而場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低的特點(diǎn)，因此，一般是在傳聲器內(nèi)部接入一只輸入阻抗極高的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管用來放大駐極體電容產(chǎn)生的電壓信號(hào)，同時(shí)以比較低的阻抗在源極S或者漏極G輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)阻抗變換，如圖1所示。

　　圖1可以看出UOUT1或UOUT2為傳聲器的輸出信號(hào)，由于UOUT1不會(huì)受到電源噪聲VDD的影響，具有較強(qiáng)抗電源噪聲干擾能力，所以將UOUT1接到前置放大器進(jìn)行放大。

　　2 前置放大電路的設(shè)計(jì)分析

　　前置放大器的作用一方面是對(duì)電容傳聲頭輸出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，另一方面主要是將電容頭的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出。小型前置放大器的電路主要包括兩部分，其中一部分是場(chǎng)效應(yīng)管組成的阻抗變換電路，另一部分就是下面將詳細(xì)分析的放大電路。

　　2．1 放大電路的簡(jiǎn)化模型

　　傳聲器的前置放大電路如圖2所示。圖中運(yùn)放采用了美國(guó)美信公司的麥克風(fēng)前置放大器MAX4465，MAX4465為5腳SC70封裝，低成本，微功耗。下面對(duì)這一電路的原理進(jìn)行簡(jiǎn)化分析和說明。為便于電路的分析，令Z1＝R1+1／（jωC1），Z2＝R2／／1／（jωC2）＝R2／（1+jωR2C2），根據(jù)理想運(yùn)放所具有的虛短和虛斷的特點(diǎn)，可以得到電路的傳遞函數(shù)為：

　　從式（1）可以看出。當(dāng)ω→∞或ω→0時(shí)，電路的傳遞函數(shù)Au→1。

　　2．2 中頻段通帶增益的估算

　　在語音信號(hào)的頻段（20 Hz～20 kHz）內(nèi)，選擇合適的R2、C2值，使R2C2≈O，則1+jωR2C2≈1，若1+jωR1C1≈jωR1C1則帶入式（1）傳遞函數(shù)中，可得Au≈1+R2／R1。若取R2=10R1，則Au=1+R2／R1≈R2／R1。

　　2．3 上限截止頻率的估算

　　當(dāng)信號(hào)的頻率較高時(shí)，即在通頻帶內(nèi)ω值較大，且R2=10R1時(shí)，式（1）可變?yōu)椋?/p>

　　從上式可以看出，ω=1／（R2C2），即f=1／（2πR2C2）是電路對(duì)應(yīng)的上限截止頻率。

　　2．4 下限截止頻率的估算

　　當(dāng)信號(hào)的頻率較低時(shí)，即在通頻帶內(nèi)ω值較小且R2=10R1時(shí)，則1+jωR2 C2≈1，式（1）可變?yōu)椋?/p>

　　從上式可以看出，ω=1／（R1C1）時(shí)，即f=1／（2πR1C1）是電路對(duì)應(yīng)的下限截止頻率。

　　2．5 前置放大電路的仿真結(jié)果

　　在電路的設(shè)計(jì)過程中，我們用電路仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖3所示。

　　從圖3中可見，上述估算結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，同時(shí)，前置放大電路的實(shí)際調(diào)試結(jié)果也與上述分析基本吻合。

　　3 小型前置放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的前置放大器電路板直徑約為10 mm（1／2inch），其本身具有的微小體積，與高靈敏度的1／2inch駐極體傳聲器配合后可以大大縮小整個(gè)傳聲器系統(tǒng)的總體積，從而可以更好地滿足復(fù)雜情況下對(duì)傳聲器體積的嚴(yán)格要求。

　　4 總結(jié)

　　本文中所設(shè)計(jì)的傳聲器前置放大電路具有體積小，成本低廉，輸入阻抗高，抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在電路加工過程中，使用高精度數(shù)字萬用表，對(duì)元器件進(jìn)行了精細(xì)的篩選，確保了同一批次不同前置放大器之間的一致性。此外，前置電路還可根據(jù)需要選用3～18 V電壓源供電，以滿足不同條件下的工程需求。目前1／2英寸駐極體傳聲器前置電路器在工程實(shí)踐中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。