2015年东南大学电子设计竞赛
校题A
★Asgard★荣誉出品
SaVy LU
摘要：
本系统用单片机MSP430 6638作为控制器，实现小信号的放大，同时系统的增益与带宽同时可以调节，并能用单片机实现在LCD屏幕上的显示。系统主要分为以下几个模块：电源模块、压控放大模块、低通滤波模块、峰值检测模块、功率放大模块、控制显示模块。
关键词：增益可调 宽带放大 预置
一、 系统方案
·系统框图
·电源模块
功能与性能指标分析：DC-DC电源模块，实现稳定电压输入与输出，为不同模块供电。
方案论证与选择：①直接采用提供的稳压源输出电压；②采用稳压芯片实现稳定直流电压输出。
考虑到本次设计中，选取了VCA810作为压控放大模块的芯片，需要±5V
供电；而
应题目对输出电压的要求，末级的功率放大模块需要±15V供电；而稳压源至多只能提供三个电压值，因此需要一个降压的DC-DC模块。而降压模块更易实现，所以用7805与7905构成该模块，电路图如下所示。
图1 DC-DC电源模块
电路结构介绍：图左侧为220V电压输入，经二极管整流后供给电源模块输入口，而由于有稳压电源，所以输入±15V电压由稳压源提供，供给电源模块的同时也为末级功率放大模块供电；此电路输出±5V，为压控放大器等模块供电。
·压控放大模块
功能与性能指标分析：根据控制电压，以一定的函数关系改变压控放大器的增益，从而实现增益可调，选取VCA（Voltage Control Amplifier）芯片。
方案论证与选择：①选择VCA810实现压控放大；②选择VCA822实现压控放大。 尽管VCA822性能较好，增益与带宽均较优，但考虑到VCA822管脚较多，控制原理较复杂，将会为调试过程带来困难，而VCA810外围电路简单易实现，且本题带宽要求为——上限截止频率6MHz，同时能达到增益40dB，VCA810压控放大器完全能够实现所需功能，因此采用方案①。所用电路原理图如下所示。
图2 VCA810压控放大模块
电路结构介绍： VCA810采用±5V供电，3脚为控制电压输入端，根据数据手册，控制电压Vc范围为-2V~0V，根据一定的函数关系实现增益的变化。值得一提的是，由于系统中采用MSP430系列单片机6638的控制输出只能为正电压，于是在Vc端还需要一个反相器来实现电压的反相；反相器对带宽与增益基本上没有要求，因此利用常见的运放UA741与简单的外围电路即可实现。
·低通滤波模块
功能与性能指标分析：在指定频宽范围内波形无明显失真，滤除噪声，改善输入信号。 方案论证与选择：①使用FPGA实现数字滤波器；②用RCL实现无源低通滤波器；③采用运放构成有源低通滤波器。
使用FPGA实现数字滤波，主要是通过数模模数转换——AD、DA实现，但由于实际实现中的种种问题，包括动态范围、位数与精度等问题，而放弃使用。对于RCL无源低通滤波器，尽管引入了L不会造成幅度的衰减，但由于衰减速度的要求以及处于性能的考虑，最终决定采用有源滤波器，即方案③。
电路原理图如下：
图3 低通滤波器
电路结构介绍：本题要求通频带上限截至频率为6MHz，考虑电路选择运算放大器芯片OPA842，其增益带宽积为200M，可以满足题设要求。又采用二阶滤波以达到衰减速度的要求。外围电路结构示例如上图，根据截止频率的不同，电阻值与电容值有所变化但变化不大。
·峰值检测模块
功能与性能指标分析：能实现输出电压的检测，并用显示屏显示。
方案论证与选择：①使用AD637集成模块实现峰值检测；②采用二极管、电阻、运算放大器共同搭试峰值检测模块。
尽管AD637模块性能较优，但其带宽理论上能达到8MHz，实际测试中仅能达到2MHz，不能满足题设要求，因此放弃方案①，选择方案②。
电路原理图如下：
图4 峰值检测电路
电路结构介绍：如图所示电路输入采用差分输入，实际测试时可将开路线的信号线和接地线分别接入输入口，为方便调试同时减少噪声，常常把差分的负向输入接地。此外，此模块的输出为直流电压，直流电压幅度可以通过电位器调节，以满足不同模数转换（AD）模块的输入电压要求。其中，输出电压与输入电压峰值呈简单的一次函数关系，而非比例函数关系。一次函数关系可通过观测少数几个点的输入电压峰值与输出电压值，来得到函数的系数。
·功率放大模块
功能与性能指标分析：放大输出功率，增加驱动负载能的能力，同时输出波形无明显失真。
方案论证与选择：①采用简单运算放大器诸如UA741、OPA27等构成放大模块；②采用电流反馈放大器THS3091实现功放；③采用TPA3112集成功放模块实现放大。
考虑到简单运放的输出电流限制，没有足够的驱动力，此外并没有集成功放模块可以使用，并且完全没有必要使用集成功放模块，因此采用方案②。
电路原理图如下：
图5 功率放大器
电路结构介绍：用THS3091实现，信号从同相端输入，固定电阻实现反馈，以满足放大功率的需要。实际实现中，将滤波器的输出信号放大10倍作为功率放大器的输出，负载为50Ω。
·控制显示模块
功能与性能指标分析：要实现放大器的增益预置、步进，同时还要满足增益与带宽的显示需要。
方案论证与选择：①采用机械开关与数码管，利用数字电路与模拟电路相结合的方法；②选择TI的MSP430系列6638单片机作为控制器，辅助以LCD模块作为显示器。 考虑到数字电路会对模拟电路产生较大干扰，它们之间的连接复杂性高，同时电路比较繁琐，因此选用低功耗单片机MSP430系列6638实现控制。
控制器结构介绍：单片机作为本系统的主控制器，外围LCD与键盘模块作为辅助，也使用了LED来标志显示。其中，LCD屏实现显示功能，显示内容包括——增益（dB）、带宽（MHz）、电压幅度（V）等，也能实时显示键盘输入的预置增益值。键盘模块主要用于实现题目要求的增益预置功能、步进功能，即良好的用户体验。此外，系统还采用了若干LED灯作为步进状态的有效与否的标志。
二、 测试方案与结果
·电源模块
用稳压电源输出±15V电压，作为DC-DC模块的输出，在输出端测量得±5V电压，可见电源模块工作正常。
·压控放大模块
给压控放大器VCA810一个控制电压（-2V~0V），观察输出波形的增益。以Vc=-1V作为基本测试点，此时，增益A=1，即输出电压与输入电压幅值相同。经测，VCA810工作正常，其增益范围可达-26dB~30dB，且抗噪性能较好。
·低通滤波模块
采用函数发生器的输入输出双踪显示的方法，并采取点测，对衰减速度与频带内波动做粗略的测试。测试中，滤波器约有值为2的固定增益，衰减性能较好。
·功率放大模块
实际测试时，THS3091的输出能在不失真的前提下，实现峰峰值Vpp至少为12V的有效放大，且噪声性能较好。
·峰值检波模块
采用差分输入，输出电压与输入电压峰值成一次函数关系，且据测试点计算出的函数系数较为精确，可见本模块的性能尚佳。
·控制模块
采用单片机控制，能实现增益的准确预置和现实，也能实现带宽的显示。除了LCD模块，键盘模块也可以有效使用，能实时显示输入值，自动检测与读入输入值。
附：
实验感想
实验一开始我们进度比较慢，在仔细研究题设要求、难点要点后，定下了大概方案，并开始着手准备系统所需的必须模块，包括压控放大模块、功率放大模块。压控放大模块的准备时间比较长，这一定程度上是由于芯片的缺少造成的。待所有芯片都准备到位后，进度也随之加快。
实验中，有一点导致我们的实验方案迟迟不能最终定下来，就是滤波方案的选择。由于用FPGA实现数字滤波将会大大简化我们的硬件结构，所以我们开始准备这个模块时便着重于数字滤波。这一方案是我们从来没有尝试过的，克服了种种困难之后，虽然实现了数字滤波，且波形较佳；但考虑到其输入电压达到一定幅度方能保证AD的精度，以保证后续优良的性能，而题设要求的增益范围导致FPGA输入的动态范围受限，不管将数字滤波器置于系统的哪个位置，均不能达到所需指标，因此最后抱憾放弃了我们努力已久的成果。在此之后，我们只能退而求其次，放弃数字滤波，转而将精力集中于有源模拟滤波器的制作。
在整个系统的搭建过程中，有一次，在所有硬件都联调完成后，突然出现了无论如何都无法消除的噪声，整个系统完全不能工作。经排查，并不是电路中的寄生电容、寄生电感造成的自激，我们于是休整了一段时间，再测试时，噪声源已经消失。这件事之后，我们意识到了要对自己的电路与设计有足够的信心，并且要掌握检查电路的技巧，遇到困难要淡定，着力解决问题，绝不是以消极情绪对待。
本次的题目难度较高，加之芯片缺乏、方案摆动等等原因，总的来说，这一周的竞赛
精力消耗量很大。
单片机核心程序
2015年东南大学电子设计竞赛
校题A
★Asgard★荣誉出品
SaVy LU
摘要：
本系统用单片机MSP430 6638作为控制器，实现小信号的放大，同时系统的增益与带宽同时可以调节，并能用单片机实现在LCD屏幕上的显示。系统主要分为以下几个模块：电源模块、压控放大模块、低通滤波模块、峰值检测模块、功率放大模块、控制显示模块。
关键词：增益可调 宽带放大 预置
一、 系统方案
·系统框图
·电源模块
功能与性能指标分析：DC-DC电源模块，实现稳定电压输入与输出，为不同模块供电。
方案论证与选择：①直接采用提供的稳压源输出电压；②采用稳压芯片实现稳定直流电压输出。
考虑到本次设计中，选取了VCA810作为压控放大模块的芯片，需要±5V
供电；而
应题目对输出电压的要求，末级的功率放大模块需要±15V供电；而稳压源至多只能提供三个电压值，因此需要一个降压的DC-DC模块。而降压模块更易实现，所以用7805与7905构成该模块，电路图如下所示。
图1 DC-DC电源模块
电路结构介绍：图左侧为220V电压输入，经二极管整流后供给电源模块输入口，而由于有稳压电源，所以输入±15V电压由稳压源提供，供给电源模块的同时也为末级功率放大模块供电；此电路输出±5V，为压控放大器等模块供电。
·压控放大模块
功能与性能指标分析：根据控制电压，以一定的函数关系改变压控放大器的增益，从而实现增益可调，选取VCA（Voltage Control Amplifier）芯片。
方案论证与选择：①选择VCA810实现压控放大；②选择VCA822实现压控放大。 尽管VCA822性能较好，增益与带宽均较优，但考虑到VCA822管脚较多，控制原理较复杂，将会为调试过程带来困难，而VCA810外围电路简单易实现，且本题带宽要求为——上限截止频率6MHz，同时能达到增益40dB，VCA810压控放大器完全能够实现所需功能，因此采用方案①。所用电路原理图如下所示。
图2 VCA810压控放大模块
电路结构介绍： VCA810采用±5V供电，3脚为控制电压输入端，根据数据手册，控制电压Vc范围为-2V~0V，根据一定的函数关系实现增益的变化。值得一提的是，由于系统中采用MSP430系列单片机6638的控制输出只能为正电压，于是在Vc端还需要一个反相器来实现电压的反相；反相器对带宽与增益基本上没有要求，因此利用常见的运放UA741与简单的外围电路即可实现。
·低通滤波模块
功能与性能指标分析：在指定频宽范围内波形无明显失真，滤除噪声，改善输入信号。 方案论证与选择：①使用FPGA实现数字滤波器；②用RCL实现无源低通滤波器；③采用运放构成有源低通滤波器。
使用FPGA实现数字滤波，主要是通过数模模数转换——AD、DA实现，但由于实际实现中的种种问题，包括动态范围、位数与精度等问题，而放弃使用。对于RCL无源低通滤波器，尽管引入了L不会造成幅度的衰减，但由于衰减速度的要求以及处于性能的考虑，最终决定采用有源滤波器，即方案③。
电路原理图如下：
图3 低通滤波器
电路结构介绍：本题要求通频带上限截至频率为6MHz，考虑电路选择运算放大器芯片OPA842，其增益带宽积为200M，可以满足题设要求。又采用二阶滤波以达到衰减速度的要求。外围电路结构示例如上图，根据截止频率的不同，电阻值与电容值有所变化但变化不大。
·峰值检测模块
功能与性能指标分析：能实现输出电压的检测，并用显示屏显示。
方案论证与选择：①使用AD637集成模块实现峰值检测；②采用二极管、电阻、运算放大器共同搭试峰值检测模块。
尽管AD637模块性能较优，但其带宽理论上能达到8MHz，实际测试中仅能达到2MHz，不能满足题设要求，因此放弃方案①，选择方案②。
电路原理图如下：
图4 峰值检测电路
电路结构介绍：如图所示电路输入采用差分输入，实际测试时可将开路线的信号线和接地线分别接入输入口，为方便调试同时减少噪声，常常把差分的负向输入接地。此外，此模块的输出为直流电压，直流电压幅度可以通过电位器调节，以满足不同模数转换（AD）模块的输入电压要求。其中，输出电压与输入电压峰值呈简单的一次函数关系，而非比例函数关系。一次函数关系可通过观测少数几个点的输入电压峰值与输出电压值，来得到函数的系数。
·功率放大模块
功能与性能指标分析：放大输出功率，增加驱动负载能的能力，同时输出波形无明显失真。
方案论证与选择：①采用简单运算放大器诸如UA741、OPA27等构成放大模块；②采用电流反馈放大器THS3091实现功放；③采用TPA3112集成功放模块实现放大。
考虑到简单运放的输出电流限制，没有足够的驱动力，此外并没有集成功放模块可以使用，并且完全没有必要使用集成功放模块，因此采用方案②。
电路原理图如下：
图5 功率放大器
电路结构介绍：用THS3091实现，信号从同相端输入，固定电阻实现反馈，以满足放大功率的需要。实际实现中，将滤波器的输出信号放大10倍作为功率放大器的输出，负载为50Ω。
·控制显示模块
功能与性能指标分析：要实现放大器的增益预置、步进，同时还要满足增益与带宽的显示需要。
方案论证与选择：①采用机械开关与数码管，利用数字电路与模拟电路相结合的方法；②选择TI的MSP430系列6638单片机作为控制器，辅助以LCD模块作为显示器。 考虑到数字电路会对模拟电路产生较大干扰，它们之间的连接复杂性高，同时电路比较繁琐，因此选用低功耗单片机MSP430系列6638实现控制。
控制器结构介绍：单片机作为本系统的主控制器，外围LCD与键盘模块作为辅助，也使用了LED来标志显示。其中，LCD屏实现显示功能，显示内容包括——增益（dB）、带宽（MHz）、电压幅度（V）等，也能实时显示键盘输入的预置增益值。键盘模块主要用于实现题目要求的增益预置功能、步进功能，即良好的用户体验。此外，系统还采用了若干LED灯作为步进状态的有效与否的标志。
二、 测试方案与结果
·电源模块
用稳压电源输出±15V电压，作为DC-DC模块的输出，在输出端测量得±5V电压，可见电源模块工作正常。
·压控放大模块
给压控放大器VCA810一个控制电压（-2V~0V），观察输出波形的增益。以Vc=-1V作为基本测试点，此时，增益A=1，即输出电压与输入电压幅值相同。经测，VCA810工作正常，其增益范围可达-26dB~30dB，且抗噪性能较好。
·低通滤波模块
采用函数发生器的输入输出双踪显示的方法，并采取点测，对衰减速度与频带内波动做粗略的测试。测试中，滤波器约有值为2的固定增益，衰减性能较好。
·功率放大模块
实际测试时，THS3091的输出能在不失真的前提下，实现峰峰值Vpp至少为12V的有效放大，且噪声性能较好。
·峰值检波模块
采用差分输入，输出电压与输入电压峰值成一次函数关系，且据测试点计算出的函数系数较为精确，可见本模块的性能尚佳。
·控制模块
采用单片机控制，能实现增益的准确预置和现实，也能实现带宽的显示。除了LCD模块，键盘模块也可以有效使用，能实时显示输入值，自动检测与读入输入值。
附：
实验感想
实验一开始我们进度比较慢，在仔细研究题设要求、难点要点后，定下了大概方案，并开始着手准备系统所需的必须模块，包括压控放大模块、功率放大模块。压控放大模块的准备时间比较长，这一定程度上是由于芯片的缺少造成的。待所有芯片都准备到位后，进度也随之加快。
实验中，有一点导致我们的实验方案迟迟不能最终定下来，就是滤波方案的选择。由于用FPGA实现数字滤波将会大大简化我们的硬件结构，所以我们开始准备这个模块时便着重于数字滤波。这一方案是我们从来没有尝试过的，克服了种种困难之后，虽然实现了数字滤波，且波形较佳；但考虑到其输入电压达到一定幅度方能保证AD的精度，以保证后续优良的性能，而题设要求的增益范围导致FPGA输入的动态范围受限，不管将数字滤波器置于系统的哪个位置，均不能达到所需指标，因此最后抱憾放弃了我们努力已久的成果。在此之后，我们只能退而求其次，放弃数字滤波，转而将精力集中于有源模拟滤波器的制作。
在整个系统的搭建过程中，有一次，在所有硬件都联调完成后，突然出现了无论如何都无法消除的噪声，整个系统完全不能工作。经排查，并不是电路中的寄生电容、寄生电感造成的自激，我们于是休整了一段时间，再测试时，噪声源已经消失。这件事之后，我们意识到了要对自己的电路与设计有足够的信心，并且要掌握检查电路的技巧，遇到困难要淡定，着力解决问题，绝不是以消极情绪对待。
本次的题目难度较高，加之芯片缺乏、方案摆动等等原因，总的来说，这一周的竞赛
精力消耗量很大。
单片机核心程序