可编程增益放大器.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.25M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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宽带直流放大器（C 题）摘要摘要摘要摘要本设计以 TI 公司 16 位超低功耗单片机 MSP430F247 为核心，前级高共模抑制比放大器、滤波电路、后级放大电路和显示与控制模块构成。在前级放大电路中，由 OPA690 和压控可变增益宽带运算放大器 VCA820 对输入信号进行放大；后级由 THS3001 和分立元件构成功率放大并达到大于 10V 的有效值输出。单片机控制和数据处理模块可以程控调节放大器的增益，可预置 3dB 带宽预置并显示，预置数据发生到 DA 转换器 TLV5619 输入端实现程控增益放大。本设计进行合理的级联和阻抗匹配，兼顾电磁兼容合理的 PCB 布板，加入后级负反馈互补输出级，全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制，系统稳定性好，抗干扰能力强，可控范围大，能很好的抑制直流零点漂移。 - 2 -

目录目录目录目录 .................................................................................................................................................. 2 .................................................................................................................................................. 3 ...................................................................................................................... 4 ........................................................................................................ 4 .................................................................................................................... 4 .................................................................................................................................. 4 .................................................................................................................... 4 .............................................................................................. 5 ........................................................................................................ 5 ............................................................................................................ 5 ................................................................................................................ 6 ................................................................................................ 7 ............................................................................................................ 7 .......................................................................................................................... 8 ................................................................................................................ 8 ...................................................................................................... 8 ............................................................................................................................ 8 ........................................................................................................ 9 .................................................................................................................... 9 .......................................................................................................................................... 9 ................................................................................................................................................ 10 ...................................................................................... 10 ................................................................................................. 11 摘要目录一、方案论证与比较 1、可控增益放大器部分 2、功率放大部分二、系统设计 1、总体设计思路 2、主要电路原理分析与计算 2.1、直流稳压电源 2.2、前级放大器 2.3、增益控制 2.4、后级功率放大部分 2.5、单片机控制三、系统软件设计 1、系统总程序框图四、系统测试方法与测试数据 1、测试仪器 2、测试方法与测试数据 3、测试结果分析五、总结附录附录1、直流稳压电源电路原理图附录2、滤波器电路原理图 - 3 -

一一一一、、、、方案论证与比较方案论证与比较方案论证与比较方案论证与比较 1111、、、、可控增益放大器部分可控增益放大器部分可控增益放大器部分可控增益放大器部分方案一：由晶体管和运算放大器实现。为了满足增益大于 60dB 的要求，可以采用多级放大电路实现。本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象，但电路成本较低。方案二：采用一级程控放大器+运算放大器实现。前级运放完成高增益放大，后级程控放大器实现程控功能，本方案控制简单，能对较大增益范围实现程控，但由于前段高倍数放大，使得程控步进较小，精度不高。方案三：采用两级程控级联构成的前级放大电路。对不同大小的输入信号进行前级放大。由于程控放大器具有放大和衰减功能，因此本方案能实现微小步进的程控，也能对较大范围的增益实现程控，但电路调试困难，控制复杂，对 PCB 有较高要求。通过对题目要求的程控步进（5dB），增益范围（0~60dB），以及信号频率 (DC~10MHZ)的分析，最终我们采用方案三。 2222、、、、功率放大功率放大部分部分部分部分功率放大功率放大方案一：使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。可是难以实现题目要求的输出 10V 有效值和 0-10MHz 的带宽。方案二：使用分立元件自行搭建后级放大器。有不同电路分别对电压和电流进行放大，前级由运放对信号电压进行放大，后级由分立元件搭成功率放大电路对信号进行功率放大。使用分立元件设计困难，调试繁琐，可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数，电阻电容可根据需要更换，在此时看来较集成电路灵活。通过方案比较，考虑到时间关系，我们决定采用分离元件自行设计后级功率放大器。二二二二、、、、系统设计系统设计系统设计系统设计 1111、、、、总体设计思路总体设计思路总体设计思路总体设计思路根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，充分利用模拟和数字系统各自的优点，发挥其优势，采用单片机预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系 - 4 -

统的精度和可控性；后级放大器使用对管推挽互补输出驱动，提高了输出电压有效值。我们使信号都在单片机的数字算法控制下得到最合理的前级放大，使其放大倍数精确。图-1 所示即为本系统框图。图-1 系统原理框图输入信号通过前级可控增益放大，放大倍数由单片机通过 D/A 转换提供的电压控制。VCA820 增益 AGC 模式下，此控制电压 Vg 是由 AGC 电路的反馈电压得到，经过前级放大后的信号最后经过后级放大得到需要的输出信号，前级和后级增益的搭配，都是经过精确的测量和计算的。同时单片机控制 LCD128*64 显示。 2222、、、、主要电路原理分析主要电路原理分析与计算与计算与计算与计算主要电路原理分析主要电路原理分析 2.1、直流稳压电源本电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法，产生各种直流电压，如正负 18V,正负 5V，正 3.3V 等都可以买到相应的固定输出的三端稳压芯片，如 LM317、LM337。所以我们采用 LM317T 可变输出的稳压芯片，典型电路图见附录 1 图-2。交流输入经过电容滤波后的稳定的直流电送到三端稳压集成电路 LM317T 的 Vin 端。 LM317T 是这样工作的：由 Vin 端给它提供工作电压以后，它便可以保持其+Vout 端比其 ADJ 端的电压高 1.25V。因此，我们只需用极小的电流来调整 ADJ 端的电压，便可在+Vout 端得到比较大的电流输出，并且电压比 ADJ 端高出恒定的 1.25V。在 LM317T 的 ADJ 端加一个接地的滤波电容，会使纹波抑制比大幅度地提高，给高频小信号运算放大器提供非常稳定的电源。二极管的作用是当有意外情况使得 LM317T 的输入电压比输出电压还低的时候防止从输入端上有电流倒灌入 LM317T 引起其损坏。 2.2、前级放大器电压增益控制放大器原理框图如图-3 所示，放大器增益取决于增益控制电压 VG。由 D/A 转换器输出的控制电压 VG 输出到 VG 端，即可实现连续线性增益控制。 - 5 -

图-3 电压增益控制放大器原理框图 VCA820 具有 dB 线性可变增益控制放大器的 150MHz BW ，VCA820：可变增益放大器；150 MHz 带宽与 1700 V/μs 压摆率；可利用外置电阻器在 0 dB (1 V/V) 至 40 dB (100 V/V) 的范围内设置最大增益；括差分线路接收机与均衡器、脉冲成形、持续可变增益与衰减级、自动增益控制 (AGC) 以及电压可调滤波器；在 dB/V 或 V/V 的线性增益间进行选择；由于单片 VCA820 增益范围 0 dB (1 V/V) 至 40 dB (100 V/V)，为了满足题目要求，本设计中采用两级 VCA820 可变增益放大对输入信号进行放大。单级可变增益放大电路原理图如图-4 所示。 VCA820 的典型应用电路见图-4，VG 是控制电压输入端，其控制电压范围为 -1～1V。当 G=+1V 时，电压放大倍数最大。电压放大倍数表示式为：在 RF 与 RG 都确定的情况下其增益只取决于控制电压 VG。该电路的特点是 -4 图 = G *2 单级可变增益放大电路原理图 + VG 2 RF RG 1 * R11 和 R1123 的调节可有效抑制失调电压。 2.3、增益控制 - 6 -

手动连续增益控制和单片机自动增益控制带宽预置，手动连续增益控制由可调电位器控制。单片机数字程控，经 D/A 转换产生控制输出电压。单片机自动增益控制模式下，带宽预置功能设计由单片机控制继电器输出控制 5MHz 带宽滤波器输出，或是 10MHz 带宽滤波器输出。手动连续增益控制模式下由功能选择开关控制连续增益。滤波器电路见附录 3。 2.4、后级功率放大部分在信号输出端增加功率放大模块，以系统的带负载能力满足题目要求。鉴于运算放大器 THS3001 自身负载驱动能力有限，本模块选用 THS3001 配合高频功率对管 2N2905A 硅平面外延型 PNP 晶体管和 2N22219A （两功率管特征频率 Ft=200MHz，功率损耗 PD=3w）搭建电压串联负反馈的同相放大器电路。如图-7 所示，前级由 THS3001 组成同相放大器，放大倍数为 Av = + 1 R R 3 2 ;后级选用功率对管构成乙类功率推挽输出形式提供负载驱动电流。经过实际测试，整个电路输出阻抗小于 15 欧姆，通频带大于 10MHz,输出端接 50 欧姆负载时，无失真最大输出正弦波电压峰-峰值大于 10v，以上各个指标均达到和超过了题目发挥不份要求。 2.5、单片机控制单片机是整个放大器控制的核心部分，它主要完成以下功能：接收用户按键信息以控制增益；对 VCA820 的增益控制电压进行控制。各个功能由不同的 -7 图后级功率放大部分模块实现：键盘检测模块记录用户对键盘的操作，将设定的增益数值记录下来。控制电压模块：根据用户对增益的设置，得到 D/A 转换器 TLV5619 的控制字串，输出给 D/A 转换器以产生精确的控制电压。也可采用调节电位器来控制压控增益放大器 VCA820 的控制电压，从而实现增益控制的连续可调。 - 7 -

显示模块：按用户需要将预置增益值或者带宽选择显示在 LCD(128*64)上。三三三三、、、、系统软件设计系统软件设计系统软件设计系统软件设计 1111、、、、系统总程序框图系统总程序框图系统总程序框图系统总程序框图四四四四、、、、系统系统系统系统测试方法与测试数据测试方法与测试数据测试方法与测试数据测试方法与测试数据 1111、、、、测试仪器测试仪器测试仪器测试仪器 -1 仪器名称数字示波器双踪示波器数字万用表表测试仪器 YB1605函数信号发生器频率特性测试仪高频信号发生器系统总程序框图 -8 型号规格 VC9800 四位半图 YB43020H 20M TDS1002 60M 1GS/s TRONDA SG-5150 BT-30 5MHz - 8 -

2222、、、、测试测试测试测试方方方方法与测试数据法与测试数据法与测试数据法与测试数据（1）用示波器和信号发生器手动扫描测带宽。（2）用串入电阻法测输入电阻 10MHz 带宽测试结果：打开带宽控制开关选择不同带宽进行设置增益 40dB，Vinp-p=3mV 观察示波器测试信号源的频率及步进，并记录电压峰值。 2-1 5MHz 1 2 4 6 100 500 1000 2000 3000 4000 5000 300 302 310 305 312 317 318 313 318 302 282 279 ，表表 2-2 10MHz 20 10 系统幅频特性测试（幅频特性测试（ 318 315 318 4 2 3 325 带宽）带宽） 315 6 5 312 0.1 0.5 1 309 317 316 7 8 9 10 316 313 285 211 结果分析：由上表可看出，选择 5MHz 带宽档时，3dB 带宽为 0～5MHz，在 0～ 4MHz 通频带内增益起伏≤0.9dB；选择 10MHz 带宽档时，3dB 带宽为 0～10MHz，在 0～9MHz 通频带内增益起伏≤0.9dB。满足设计基本及发挥部分的要求。 KHz MHz Vout p-p(mV) 频率（））频率（ Vout p-p(mV) 3333、、、、测试结果测试结果分析分析分析分析测试结果测试结果（1）测试结果分析增益：1~100（Avd<=500 时，步距为 1）；通频带宽有两个：0~10MHz；0~5MHz （2）误差分析由于人为读数存在误差，周围环境如磁场，温度等一因数影响，测量的数据达不到理论计算值，但是我们通过多次测量取平均把误差降低到最小控制在 5% 以内。整个电路系统由手工制作完成，无法实现严格的阻抗匹配，布线无法避免线路之间以及外界磁场的干扰，干扰抑制还不够。五五五五、、、、总结总结总结总结本系统带宽宽，增益范围大，模拟前端由两块高性能集成宽带、低噪声可变增益放大器 VCA820 级联而成，负责信号放大并与单片机电路配合实现了增益控制；后级功率输出模块采用分立元器件构成，得到较高的输出电压范围；设计与制作中利用数模隔离、电源隔离、滤波和去耦等技术，以及 PCB 板合理布线、级间阻抗匹配和软件算法误差补偿等措施，有效减少了噪声和干扰的影响，同时提高了系统的稳定性。 - 9 -

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