毕业设计-基于AD603的自动增益控制设计与实现.pdf

题目 名称：一基于AD603的自动增益控制设计与实现摘要自动增益控制电路已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中，另外在 光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了 广泛的应用。本课题主要研究AD603以及它在自动增益控制电路中的运用，设计了一个山 AT89 S51单片机控制的、利用AD603和运算放大器组成的自动增益控制电路系统,达到了本课题的研究任务。本课题介绍了自动增益控制的概念原理以及AT89 S51单片机的工作原理，最 后对系统的测试结果以及设计与实现中应该注意的问题也做了详细分析。关键词：放大器；自动增益控制；电压跟随器；滤波器ABSTRACTThe automatic gain control electric circuit has been widely used in all kinds of receivers tape recorders and signal gathering systems,and also been used in communications system radar,the broadcast television system and optical fiber communications,microwave communications,satellite communications.This topic mainly studies to the AD603 and the application in the automatic gain control,and made a system control by AT89S51 single chip,this automatic gain control system consist of AD603 and operational amplifier,this system received the assignment of this topic.This topic also introduced in the concept principle of the automatic gain control as well as to the principle of work of AT89S51 single chip,and it pays attention to the question to the test result of this system.Finally we have make some analysis to the design.Key words：Automatic Gain Control；AD603；AT89S51；Single Chip;Operational Amplifier1目录-绪论.1二自动增益电路.1（）自动增益的概念.11.自动增益控制（AGC）.1（二）自动增益控制电路.11.AGC电路的目的与要求.12.AGC电路框图.23.放大器增益控制的方法.2（三）AGC的性能指标.51.动态范围.52.响应时间.5三AD603及其运用.7（）AD603 概述.71.AD603的特点、内部结构和工作原理.7（2）AD603弓|脚排列、功能及极限参数.7（二）高增益要求下的AD603级联应用.101.顺序控制方式（优化S/N）.102.并联控制方式.103.低增益波动方式（最小增益误差方式）.114.AGC实用电路.115.AD603注意事项.13四 基于AD603的自动增益控制设计.14（-）方案选择.141.放大及增益控制部分.142.有效值测量部分.153.自动增益部分.154.系统总体框图.16（二）具体电路分析.161.输入缓冲及放大部分.162.峰值检波.173.自动增益控制.175.系统总图.18五 软件系统.19（-）核心程序.19（-）单片机控制过程.242（三）系统调试.251.测试仪器.252.测试过程.25结论.27参考文献.28致谢.293绪论随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术等行业的迅速发展，自动增益 控制电路越来越被人们熟知并且广泛的应用到各个领域当中。自动增益控制线 路，简称AGC线路，A是AUTO（自动），G是GAI N（增益），C是CONTROL（控 制）。它是输出限幅装置的一种，是利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出 信号进行调整。当输入信号较弱时，线性放大电路工作，保证输出声信号的强度;当输入信号强度达到一定程度时，启动压缩放大线路，使声输出幅度降低，满足 了对输入信号进行衰减的需要。也就是说，AGC功能可以通过改变输入输出压缩 比例自动控制增益的幅度，扩大了接收机的接收范围，它能够在输入信号幅度变 化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化，不至于因为 输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和 或堵塞。在电路设计中，这种线路被大量的运用，从尖端的雷达技术到日常的广 播电视系统，自动增益控制无疑很好的解决了各种技术中存在的信号强度问题。目前，实现自动增益控制的手段有很多，在本文中，主要研究的是如何以放大器 来实现自动增益控制的目的，也就是自动增益控制放大器。本系统设计利用可变 增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围;通过软件补偿减小增益 调节的步进间隔和提高准确度；输入部分采用低噪声,高速运放0P37作跟随器提 高输入阻抗，使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。1自动增益电路在现代通信系统和电子设备中，为保证通信高度稳定，广泛采用了各种类型 的自动控制电路，以改善设备的性能指标。（）自动增益的概念1.自动增益控制（AGC）自动增益控制能自动控制系统中某级或某几级放大器的增益大小，使电路或 者系统能在外来信号强弱悬殊的条件下，保持输出电平为某一设定值。它主要运 用在各类通信、广播、报警等系统中。自动控制的基本组成框架如图2-1所示：控制信号参考量（参考信号）误差信号图1.1自动控制的基本框架（二）自动增益控制电路自动增益控制电路是接收设备中不可缺少的电路。自动增益控制电路在某种 条件下，也称作自动电压（电平）控制电路。1.AGC电路的目的与要求接收机工作时，它所收到的信号强度有很大的差异，数值可能由几uA到几 口mA,强弱之比约为I O?io,数量级。假如接收机的增益是常数，则过强的输入 信号则会引起大信号堵塞，增加混频的组合频率干扰及非线性失真，输入信号过 强也会引起后级中频放大器的工作范围超出线性区进入饱和区或者截止区，使信 1号产生严重失真。电视接收机若遇到这种情况，信号的同步脉冲会被压缩或者削 去，导致同步失控。使图像严重失真或者使图像同步不稳。自动增益控制的作用是当输入信号强弱变化很大时，能自动保持接收机输出 电压基本不变。也就是，当输入信号较弱时，AGC电路不起作用，接收机的增益 较大；当输入信号较强时，AGC电路进行控制，使接收机的增益自动减小。对于AGC系统的要求主要有：增益控制范围要大，例如电视接收机的AGC 控制范围需在2060 d B以上；要保持整机良好的信号噪声比特性；控制灵敏度 要高，如电视接收机，需在3 d B以内；在控制增益变化时，被控放大器的幅频 特性及群时延特性不能改变，使信号失真尽可能的小；控制特性受温度的影响要 小。2.AGC电路框图图2-2所示的为带有AGC电路的调幅接收机电路结构框图。从接收天线获 得的调幅信号经高放、变频、中放等各电路的作用后，在检波输出端产生带有直 流成分的音频信号或视频信号。检波输出信号经过低通滤波器，滤出反映电台载 波信号强、弱，即uA强、弱的直流成分，经直流放大后，去控制接收机放大器 的增益。受控制的放大器主要是接收机的前级或前几级中频放大器、高频放大器，有 些接收机连变频器的增益也被控制。通常，广播收音机只控制中放级的增益，电 视接收机则先后控制中放和高放的增益。对于一些简单的AGC电路，常常只有滤波器，不加直流放大器，如广播收音 机就是这种情况，而在电视接收机中，毫无例外的都采用带有直流放大器的AGC 系统。图1.2 带有AGC电路的调幅接收机况图3.放大器增益控制的方法自动增益控制的方法很多，这里简单介绍儿种。2(1)放大管工作点电流控制法这种方法常常应用在广播收音机、电视接收机等的整机电路中，使用十分广 泛。小信号放大器的电压增益与放大管集电极电流ic的关系如图1-3所示。图 中，曲线可分为OP、PQ、QR 3个区域。0P区域，称为反向AGC方式。放大管工作在此区域时，增益会随ic的增加而增加，随ic减小而减小。这 种方式的特点是电流ic的数值小、省电，但在信号太强时，ic下降得太厉害，会进入放大管的非线性区域，造成信号的包络失真。广播收音机中常用反向AGC 方式，如图4(a)所示。图中VAGC为负值，当电台信号强时，VAGC负值增加，使放大管的电流ic减小，导致增益下降。电相I WitAGClSM改变ic控制放大器增益QR区域，称为正向AGC方式。此区内，增益将随ic的增加而减小，随ic的减小而增加。正向AGC专用管 QR段曲线较陡，当外加信号过强时，ic增加不多，增益却很快减小，而非线性 失真并不大。电视接收机高频调谐器中的高频放大电路常常采用这种控制方式。如图1-4(b)所示，VAGC为正值，电台信号强时，VAGC值增加，高放管的电流ic 也增加，导致增益下降。(2)放大管集电极电压控制法晶体管的放大量(增益)与集电极供电电压Ve e有直接关系，改变Ve e可 实现放大器的增益控制。这种控制方法无论是在分立元件系统或是集成电路系统 中均有应用。图5是这种控制方法的一种典型电路。图中，在电源供电电路里 串入了较大的电阻R(阻值一般为几千。)，当电台信号增强时，VAGC增大，ic 增大，Ve e减小，从两个方面使增益下降，通常为正向AGC方式。3图1.5改变Ve e实现增益控制图L6增益的负载控制法（3）放大器负载控制法小信号放大器的增益还与负载直接有关，若能使负载受VAGC电压控制，也 就实现了对放大器增益的控制，其原理电路如图6所示。图中，在放大器负载 回路两端并接二极管VD,在电台信号较弱时，VAGC值小，VD截止，对LC回路 无影响，放大器增益较高，随着电台信号的增强，VAGC值增加，VD向导通方向 变化。其等效电阻会减小，使回路的损耗加大，总谐振阻抗降低，放大器的增益 也随之降低。（4）差动电路增益控制法在集成电路中，广泛采用差动电路作为基本单元，其增益控制一般采用分 流方式或采用改变射极负反馈深度方式。图-7是典型电路之一。这个电路是由 两个单差动电路组合而成，信号us由VT3、VT2作共e-b组合放大电路放大,VAGC 由VT1加入控制VTK VT2的分流，达到控制VT2增益的目的。这种双差动AGC 电路被广泛应用在集成电路彩色电视接收机中的图像中放、色度放大、直流音量控制、直流对比度控制、色饱和度控制等的手控或遥控系统中。图1.7差动电路增益控制法 图1.8双栅M OS管增益控制（5）双栅M OS管增益控制双栅M OS管增益控制典型电路如图7-8所示，它常用在电视接收机或调频接 收机的高频放大电路中。图-8（a）中的高频信号由gl栅极输入，g2作AGC控制 极。双栅M OS管实质上可看成是两个场效应管作共源一共栅的级联，即s-gl-4d l(s2)-g2-d。由转移特性可知，在-I VVVglsVlV范围内,I D曲线的斜率大,即放大器的增益高，且线性范围也宽，比晶体管优越得多，可克服大信号阻塞。g2栅极电压的大小可以改变转移特性的斜率，即可以改变放大器的增益，这是 VAGC在g2作增益控制的依据。由双栅M OS管的特性可知，当Vg2s电压增加时,漏极电流I D升高，放大器的增益也升高。因此，当电台信号减弱时，VAGC值增 加而使增益升高，实现自动增益控制目的，此种控制属于反向AGC方式。图(b)中，信号与VAGC电压均由gl栅极加入，双栅M OS管第一栅偏置电压的高低可直 接控制漏极电流I D的大小，起到增益控制作用，其控制原理与晶体管相似，在 此不赘述。上述两种AGC电路在彩色电视接收机的高频放大器中得到广泛的应 用。(三)AGC的性能指标AGC的性能指标主要有两个，一是动态范围，二是响应时间。1.动态范围AGC电路是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之 间的电压误差的自动控制电路。所以当电路达到平衡以后，仍会有电压误差存在0 从对AGC电路的实际要求考虑，一方面希望输出信号振幅的变化越小越好，即要 求输出信号电压振幅的误差越小越好；另一方面也希望容许输入信号振幅的变化 范围越大越好。因此，AGC的动态范围是在给定输出信号振幅变化范围内。由此 可见，AGC电路的动态范围越大，性能越好例如，收音机的AGC性能指标为：输入信号强度变化26d B时，输出电压的变化不超过5d B。在高级通信机中，AGC 指标为输入信号强度变化为60d B时，输出电压的变化不超过6d B；输入信号在 10uV以下时,AGC不起作用。2.响应时间AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制来实现对输出信号振幅变化 的限制，而增益变化又取决于输入信号振幅的变化，随意要求AGC电路的反应既 要能跟得上输入信号振幅的变化速度，又不会出现反调制现象，这就是响应时间 特性。对AGC电路的响应时间长短的要求，取决于输入信号的类型和特点。根据响 应时间长短分别有慢速AGC和快速AGC之分。而响应时间的长短的调节由环路带 宽决定，主要是低通滤波器的带宽。低通滤波器带宽越宽，则响应时间越短，但 5容易出现反调制现象。所谓的反调制是指当输入调幅信号时，调幅信号的有用调 幅变化被AGC电路的控制作用所抵消。6三AD603及其运用（）AD603 概述很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值 有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。AD603正是这样一种具有程控 增益调整功能的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、9 0M Hz带宽 增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆 率为275V/JJ so管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11+30d B 时的带宽为9 0M hz，增益在+9+41d B时具有9 M Hz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益 控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统。1.AD603的特点、内部结构和工作原理（1）AD603的特点AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益 精度的压控VGA芯片。可用于RF/I F系统中的AGC电路、视频增益控制、A/D范 围扩展和信号测量等系统中。（2）AD6O3引脚排列、功能及极限参数AD603的引脚排列如图1所示，表1所列为其引脚功能。序号代号说明1GPOS正电压控制端2GNEG负电压控制端3VINP运算输入端4COMM公共端5VPOS正电压输入端6VOUT运算输出端7VNEG负电压输入端8FDBK反馈端表3.1 AD603引脚功能描述7GNEGI2COMM I 4GPOSI1AD603TOP VIEWVPOS VOUTVNEG FDBK图3.1 AD603引脚排列AD603的极限参数如卜：电源电压Vs：7.5V；输入信号幅度VI NP：+2V；增益控制端电压GNEG和GPOS：Vs；功耗：400mW；工作温度范围：AD603A：-40-85；AD603S：-55-+125；存储温度：-65150c(3)AD603内部结构及原理AD603内部结构图如图2-2所示。AD603由一个可通过外部反馈电路设置固 定增益GF(31.0751.07)的放大器、0-42.14d B的宽带压控精密无源衰减器和 40d B/V的线性增益控制电路构成。OSEGOSNG WVNGPCGE精密无源就入衰戳器AD603I OeB-fi.MsB-1?04dB-11，呻书称-1-1一R-2R2R U2W U福彬网络图3.2 AD603结构框图AD603利用了 X-AM P由一个0-42.14d B的可变衰减器及一个固定增益放大 器构成。其中，可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为 6.02d B,可对输入信号提供0-42.14d B的衰减。X-AM P结构的一个重要优点是 优越的噪声特性，在1M Hz宽带，最大不失真输出为I Vrms时，输出x信噪比为 86.6d B08AD603的简化原理框图如图3-2所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面 和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端(VI NP)的信号经衰减 后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的 调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端 的输入电阻高达50M Q,因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制 电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图2中的“滑动 臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大 器的增益范围也不一样。当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10,这时 的增益范围在TO30d B。当脚5和脚7断开时，其增益为40Vg+30,这时的增 益范围为1050d B。如果在5脚和7脚接上电阻，其增益范围将处于上述两者 之间。AD603的增益控制接口的输入阻抗很高，在多通道或级联应用中，一个控 制电压可以驱动多个运放；同时，其增益控制接口还具有差分输入能力，设计时 可根据信号电平和极性选择合适的控制方案。(4)工作原理概述信号从精密无源梯形网络的输入短输入，对输入信号的衰减量由高阻(50 兆欧)低偏流差分输入的增益控制电路的控制电压VG(VGPOS-VGNEG)决定，即 由VG控制梯形网络的“滑动触点”至相应的“节点”处，可实现0-42.14d B 的衰减。固定增益放大器的增益GF通过VOUT与FDBK端连接形式确定，当VOUT与 FDBK端短路连接时,GF=31.07d B；当VOUT与FDBK之间开路时,GF=5.07d B；在 OUT与FDBK之间外接意的电阻REXT,可将GF设置为31.0751.07d B之间的任意 值。值得注意的是，在该模式下其增益精度有所降低，当外接电阻为2千欧左右 时，增益误差最大。若在VOUT与FDBK端连接一个电阻可获得一个稍高的增益，最大增益约为60d B。设计AD603的增益，可设置位三种形式。模式一：将VOUT与FDBK短路，即为宽频带模式(9 0M Hz宽频带)，AD603的增 益设置为-11.07d B+3L07d B.模式二:VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT,FDBK与COM N端之间接一个5.6uF 的电容频率补偿。根据放大器的增益关系式，选取合适的REXT,可获得所需要 的模式一与模式三之间的增益值。当REXT=2.15千欧时，增益范围为-r+41d B。模式三：VOUT与FDBK之间开路，FDBK对COM N连接一个18uF的电容用于扩展 频率响应，该模式为高增益模式，其增益范围为+8.92+51.07d B,带宽为9 M Hz.在以上三种模式中，增益G(d B)与控制电压VG的关系曲线如图2-3所示。当VG在-500mV+500niV范围内以40d B/V(既25mV/d B)进行线性增益控制，增 益G(d B)与控制电压VG之间的关系为：Gd B)=40VG+Goi(i=l,2,3),其中 9VG二VGPOS-VGNEG(单位为伏特)，Goi分别为三种不同模式的增益常量：G01=10d B,G02=1030d B(由 REXT 决定,当 REXT=2.15 千欧时，G02=20d B),G03=30d Bo当VG-500niV或VG+500mV时，增益(d B)与控制电压VG之间不满足线性关 系，当 VG=-526mV 时，Grain(d B)=GF-42.14；VG=+526mV 时,Gmax(d B)=GF。图3.3增益G(d B)与控制电压VG的关系曲线(二)高增益要求下的AD603级联应用在要求高增益的场合，可采用两片或多片AD603级联的形式，级间通常采用 电容耦合。两片AD603级联时，总增益控制范围为84.28d B=(42.14*2).在级联 应用中，有两种增益控制连接方式，即顺序控制方式和并联控制方式。可根据实 际应用情况选择，其选择取决于是要获得最高即时噪比还是优化增益误差波动。1.顺序控制方式(优化S/N)两片AD603级联的顺序控制方式是将两片AD603的两个正增益控制输入端(GPOS)以并联形式由一个正电压VG(GPOS对地的电压)驱动，而两级的负增 益控制输入端(GNEG)分别加一个稳定的电压,使VG1和VG2满足2*0.526V 的点位差是，则第一级的增益达到最大值是,第二级的增益才从最小值开始提高。在顺序控制方式中，I SNR(即时信噪比)在增益控制范围内维持可能的最高水平。2.并联控制方式两片AD603级联的控制方式是将两级的正增益控制输入端(GPOS)以并联的 形式由一个正电压VG驱动，而两级的负增益控制输入端(GNEG)以并联形式接 地或加一个稳定的电压，即VG1=VG2,于是两级的增益同步变化，并联控制方式 10在线性范围内的控制能力为80d B/V（40d B/V*2）,即在较小的控制电压下便可获 得较高的增益，其总增益是单片AD603的两倍。但在并联方式工作时其增益误差 是顺序控制方式的两倍，输出信造币随着增益的提高而线性降低。3.低增益波动方式（最小增益误差方式）由于即使在增益温度状态下也存在一定的增益误差，且呈现周期性的纹波状 态，若设置两片AD603级联时所对应的VG1和VG2间存在合适的电位差（约 9 3.75mV）,即可使两级的增益误差相互抵消，以实现在所需增益范围内总增益误 差最小。4.AGC实用电路AD603的原理可知，其增益控制VG若与输入信号成反比，便可实现AGC功 能，获得AGV电路的增益控制电压，通常采用半波检测电路或RM S（有效值）电 路。本文结合实际应用给出了一种利用AD59 0与一只三极管等组成宽范围温度补 偿的半波检测电路和两片AD603级联而构成的AGC实用电路，如图2-4所示。图3.4 AGC实用电路宽范围温度补偿的半波检测电路由温度传感器AD59 0（典型值为1A）、Q、R2 和CAV构成，基本原理为：在VOUT为正半周时Q截止，在VOUT为负半周时Q 导通,流入CAV的平均电流I c av=I ad 59 0-I qc（温度在300K时,I ad 59 0=300uA）,当增益控制电压Vc av处于稳定状态时，在一个周期内Q中的整流电流的平均值 必须与I ad 59 0保持平衡，如果AD603的输出幅度太小以至于不满足改条件，则 Vc av将迅速上升，引起增益提高，最终使Q充分导通。R2的选取由带隙基准原 理所确定,适当选择R2使之满足V0UT=VBE+VR2=1.2V（即VR2=500mV）时，V0UT 11在较宽的温度范围内将是稳定的。对方波而言，在输入信号稳定时，Vc av应保 持稳定，则Q在导通的半个周期内发射极电流应为600uA,于是的R2=833欧，实 际应用中时正弦波并非方波，R2的推荐值为806欧。由于AD59 0、R2和Q的配 合适用，在很宽的温度范围内将使VOUT保持稳定。C2用于改善频率特性。另外,改变CAV的值可改变AGC的时间常数，CAV的取值一般在0.lluF之间。两片 AD603以并联控制方式连接，两级的GNEG端布并联接于0.5V的电平上，GPOS 端并联，由半波检测电路的控制。两级的VOUT与FBDK之间均接10千欧电阻，即为模式二工作方式，其输出幅度为L2Vrnis,增杳范围为+3+75d B。频带不小 于 20M Hzo图3-5是由两级AD603构成的具有自动增益控制的放大电路，图中由Q1和 R8组成一个检波器，用于检测输出信号幅度的变化。由CAV形成自动增益控制 电压VAGC,流进电容CAV的电流Q2和Q1两管的集电极电流之差，而且其大小 随A2输出信号的幅度大小变化而变化，这使得加在Al、A2放大器1脚的自动增 益控制电压VAGC随输出信号幅度变化而变化，从而达到自动调整放大器增益的 目的。图3.5 AD603的典型应用电路图3-6是AD603在信号采集系统中的应用电路，两级AD603构成程控增益放 大器。该电路采用二级AD603顺序级联构成，其输出经过高速A/D采样后，由 DSP计算需调节的增益量并控制A/D以获得调节增益控制电压，从而精确地控制 放大器的增益。图中的C16、C17、C18、C19用于电源去耦；C20、C21、C26为 放大器的级间耦合电容；C23,C25用于AD603频响的高频提升。12图3.6 AD603构成的程控增益放大器5.AD603注意事项在AD603的应用中要注意以下儿点：（1）供电电压一般应选为5V,最大不得超过7.5V。（2）在5V供电情况下，加在输入端VI NP的额定电压有效值应为IV,峰值为 1.4V,最大不得超过2V。如要扩大测量范围，应在AD603的前面加一级衰减。这样可使输出电压峰值的典型值达到3.OVo因此AD603后面通常要加一级放大 才能接A/D转换器。（3）电压控制端所加的电压必须非常稳定，否则将造成增益的不稳定，从而增 加放大信号的噪声。（4）信号必须直接连在放大器的脚4,否则将由于阻抗较大而引起放大器精度 的降低。13四 基于AD603的自动增益控制设计（一）方案选择1.放大及增益控制部分方案一:直接采用高带宽的放大器和电阻网络,其增益调节可以通过调节反 馈电阻来控制，其基本电路框图如4-1所示.但是它的增益预先设定，调整困难,且增益与放大倍数成非线性变化,实现步进6d B误差较大,精确度不高.故没有选 用.图4.1高带宽放大器和电阻网络方案二:采用可编程控制放大器的思想,将输入的交流信号作为高速D/A的 基准电压，在其后加上宽带放大器，可以实现增益的自由选择，但是这种方案对 放大器的要求较高，且需要高带宽的运算放大器.若D/A的转换位数为N位,就必 须要求能实现2n倍放大的运算放大器。方框图见图4-2。图4.2可编程程控放大器方案三:使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器AD603,用控 制电压和增益成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制.用电压控制增益,便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰.综上所述，选用方案三，采用电压控制可变增益放大器AD603作为增益控 14制.AD603是一款低噪声，精密控制的可变增益放大器,温度稳定性好,最大增益 误差为0.5d B,满足题目要求的精度，其增益与控制电压成线性关系，因此,可以 很方便的用D/A转换器输出电压来控制放大器的增益.2.有效值测量部分方案一:利用高速AD对电压进行采样，将一周期的数据输入单片机,计算其 均方根，即可得到电压有效值,此方案具有抗干扰能力强，设计灵活,精度高的优 点,但调试困难,高频时采样困难且计算量大,增加了软件难度.方案二:采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的有效值,可以实 现对任意波形的有效值测量，但是芯片价格贵,控制困难.方案三:对信号进行精密整流,利用电容的充电原理测得峰值,利用峰值和有 效值之间的简单换算,计算出有效值.此方案实现简单,调试方便,能够完成设计 要求,故被选用.3.自动增益部分方案一:AD603级联后加入分立元件可以组成具有自动增益控制的放大电路,其电路如下图三所示.图中由2N39 04和R4组成一个检波器,用来检测输出信号幅 度的变化.由C1形成自动增益控制电压Vagc,将Vag接入两级级联的AD603的1 脚.由于流入C1的电流随第二级AD603输出信号的幅度大小变化而变化,这使得 加在两级放大器1脚的自动增益控制电压随之变化,从而达到自动调整放大器增 益的目的.图4.3自动增益电路15方案二:采用模数转换芯片M AX187将输出信号采样到单片机中，与设定值比 较,将调整值输出到数模转换芯片M AX531控制AD603的放大倍数,从而实现自动 增益控制.此方案控制精确,实现容易，故被选用.4.系 统总体框图本系统采用电压控制增益的集成电路AD603为核心，由放大部分、D/A转 换部分、A/D转换，单片机所组成。放大部分采用两级放大，第一级为主，采用可 控增益放大器AD603,第二级主要是为了提高输出电压，采用高速电压反馈型运 放0P37.其总体框图如图四所示：输入缓冲 AD603 5 峰值检波DA转换单片机 厂 AD转换图4.4总体框图(-)具体电路分析1.输入缓冲及放大部分由于题目要求输入阻抗=1KQ，而AD603的输入阻抗仅为100Q,要满足要求,必须加入输入缓冲部分以提高输入阻抗；另外，前级电路对整个电路的影响非常 大,必须尽量减少噪声.故应采用高速低噪声的运放.实验中采用高速低噪声运算 放大器0P37作前级缓冲,它的电源电压范围为4V 22具有40M的带宽 范围,输入阻抗可以达到3G,完全符合题目要求。放大部分采用可变增益宽带放大器AD603oAD603是一款低噪声,精密控制的 可变增益放大器,温度稳定性高,最大增益误差为0.5d B,它有多种选择模式，当 带宽为9 0M Hz时，增益范围为：-10 d B-+30d B;当带宽为9 M Hz时，增益范围为10 d B-50 d B;当带宽为30M Hz时，增益范围为0 d B-40 d B.可根据引脚Vout 和FDBK的连接方式的变化来选择.由于题目要求带宽范围达到34 d B即可,我们 预计选定9 0M Hz的范围，再加上后级的小范围放大就可以达到题目要求.此种方 16式下输入控制电压U的范围为-0.5+0.5V,增益和控制电压的关系 为：Gain(d B)=40*U+10,可见增益随电压成线性变化。考虑到AD603的输出电压仅为2伏左右，而题目要求输出电压要大于等于 3V,故应进行第二级放大以提高输出电压,可采用两级三极管进行直接耦合和发 射结直流负反馈来构建,，也可直接使用运放来进行放大,考虑到用三级管制作使 用元件较多,稳定性较差,且调试困难,我们直接采用运放来实现.选用电压反馈 型运放0P37,调节可变电阻的阻值,给它预制一定的放大倍数，使其增益设定为 3.16 d B.其电路图可见后面系统总图：2.峰值检波为了测量并显示输出信号的有效值,须加入峰值检波电路,最简单的峰值检 波电路仅仅由一个二级管和一个电容就可组成，但是为了提高精确度,我们在实 验中采用了由运放OP37所构成的峰值检波电路，其电路图如下图4-1所示.图 中,A1组成一线性半波整流电路,A2组成一加法电路，两者构成一线性全波整流 电路,后端接上一电容后就实现了峰值检波的目的.此电路稳定性较好,达到了峰 值检波的要求.3.自动增益控制自动增益控制的作用是当信号较强时,使其增益自动降低；当信号较弱时,又 使其增益自动增高,从而保证输出信号基本稳定，因此在实验中设置自动增益控 制电路是很必要的.峰值检波的输出信号经过AD采样，输入到单片机中，再由单 片机数字程控使增益控制在一定值,再经D/A转换产生控制输出电压加到AD603 的1脚来控制AD603输入端.实验中AD转换芯片我们采用现有芯片M AX187.它是1712位串行芯片，内有高速米样保持器和基准电压源,+5V供电,功耗低，正常工作 电压小于1.5mA,最大转换时间为8.5 us,采样时间为1.5 us,采样频率达75ksps,串行数据输出速率可高达5M Hz,完全符合题目要求.数摸转换器我们采用M AX531,是考虑到高速转换和转换精度的基本前提,M AX531型数摸转换器是一款低功耗，电压输出型的串行DA,采用14脚双列直插式封装,分辨率为12位二进制数,+5V 或5V电源供电,转换时间为25us.因此我们首选此两种芯片。4.键盘输入和数码管显示根据题目要求，预置增益步进间隔为6 d B,我们采用键盘输入形式，单片机读 取键盘输入值，运行程序调节AD603的放大倍数以满足要求，实现增益预置的目 的。为了读出输出信号的有效值，我们加上了数码管显示电路.输出信号经过AD采 样后输入到单片机中，单片机运行程序计算出有效值,后输出到数码管显示，以达 到观察有效值的目的。5.系统总图IJIfct-LL图4.6系统总图18五软件系统本课题的软件的功能是控制实现自动增益控制,读取键盘输入和输出有效值 到数码管显示,其软件实现过程为:根据输入的增益调整M AX531的输出从而控制 AD603的放大倍数，由M AX187将输出信号的峰值读入单片机内，经处理后送给数 码管显示有效值。（一）核心程序利用单片机实现AD、DA转换与键盘输入、数码管显示程序如下:#inc lud e#inc lud e#d e fineC0M 8279XBYTE0 x2fff/*8279 命令口*/#d e fineDAT8279XBYTEL0 x2ffe/*8279 数据 口*/#d e fineC0M 8155XBYTE：OxlfOO/*8155 命令口*/#d e finePA8155XBYTEOxlfOl/*8155PA U*/#d e finePB8155XBYTE0 xlf02/*8155PB 口*/#d e finePC8155XBYTEL0 xlf03/*8155PC 口*/#d e fineAD0809XBYTE0 x7fff#d e fine uc har unsigne d c har#d e fine uint unsigne d intuc har c od e HELLO 6=0 x00,0 x3f,0 x38,0 x38,0 x79,0 x76;/*初始化显示*/uc har c od e Table =0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,/*显示字符段*/0 x66,0 x6D,0 x7D,0 x07,0 x7F,0 x6F,0 x77,0 x7C,0 x39,0 x5E,0 x79,0 x71,0 x01,0 x40,0 x08;/16：-up,17：-,18:_uc har c od e ke ytable =/*键盘对应字符表*/0 x00,0 x04,0 x08,0 x0c,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x01,0 x05,0 x09,0 x0d,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x02,0 x06,OxOA,OxOe,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x03,0 x07,0 x0b,OxOf,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,）；uc har id ata d isme m6=0;/*字符显示数组*/uc har id ata bc d d is 6=0,0,0,0,0,1;uc har KbHit=O,uc Ke y=0,DB=O,N=0;uint V0L=1234;sbit CS=P1 3;/*片选端*/sbit SCLK=PrO;/*时钟*/19sbit DI N二Pl；sbit SCLK187=Pr4;sbit CS187=Pr5;sbit Dout=Pl 6;uc har bd ata HD;uc har bd ata LD;sbit HD_7=HD7;sbit HDO=HDO;sbit LD_7=LD-7;sbit LD_O=LD-O;void READ187(void)uc har i;SCLK187=0;SCLK187=1;CS187=0;for(i=0;i10;i+);SCLK187=1;