宽带直流放大器的设计方案.docx

带宽直流放大器参赛队号:宽带直流放大器(C题)摘要本作品三个模块电路构成:前级放大电路、后级功率放大电路和单片机显示与控制模块。在前级放大电路中，用宽带可控增益运算放大器AD603两级级联放大输入信号以达到足够的电压增益，再经过后级功率放大电路提供足够的功率输出。AT89S52单片机的显示、控制和数据处理模块除可以程控调节放大器的增益外，还可以预置并显示输出电压增益及放大器的带宽。作品完成了题目的基本要求和大部分发挥要求。，藉此提高整体电路的性价比，是本设计的一大特色。 一、方案论证与比较 1.可控增益放大器部分方案一： 放大电路可由分立器件搭建而成，由于60dB的增益要求较高，单级放大电路较难实现，故可采用多级放大电路级联。输出端采用三极管射极包络检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于采用分立元件较多，而且必须采用高速BJT或FET，电路较为复杂，设计难度大，工作点难于调整，增益的定量调节、AGC自动增益控制和高带宽均非常困难，而且电路稳定性差，容易产生自激现象，不可控因素较多，调试难度大，故不予考虑。 方案二： 为了易于实现发挥部分中要求的最大60dB的增益调节，本着优质低价的原则，可以采用较为廉价的D/A芯片DAC0832，利用DAC0832当中的电阻T型网络改变反馈电压，进而控制环路增益。同时考虑到DAC0832是一种廉价的8位D/A转换芯片，其输出Vout=DnVref/256，其中Dn为8位数字量输入的二进制值，可满足256挡增益调节，满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用DAC0832来实现信号的程控衰减。但由于控制的数字量和最后的增益不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度降低，故放弃此方案。方案三：由于题目要求放大电路的增益可控，以此可以考虑直接选取增益可调的运放实现，如AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定;而这个参考电压可通过嵌入式系统进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。此外根据芯片手册，AD603在模式二工作条件下能够提供由直流到30MHz的工作带宽以及0-40db的增益，单级实际工作时可提供超过20dB的增益，两级级联后即可得到40dB以上的增益，通过后级放大器放大输出，在高频时也可提供超过60dB的增益。这种方法的优点是电路集成度高、总体电路较为简单，根据芯片手册即可迅速搭建高性能的实际电路，所需要解决的问题就是极间的调试及外围电路的去耦，合理的级联、阻抗匹配及去耦技术，其工作量在四天三夜之内应该可以完成，而且总体思路较为清晰、控制方便、易于数字化，便于使用嵌入式系统进行处理，故此方案可行性较高。综上所述，选用方案三。AGC稳定性高，增益可控范围大，加入后级负反馈互补输出电路，完成增益带宽积的提高与功率提升。因为AD603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。5db，满足题目要求的精度，其增益（db）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便的使用D/A输出电压控制放大器的增益。2.后级功率放大部分 由两片AD603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AD603的最大输出电压较小，不能满足题目要求，所以前级放大信号需经过后级放大达到更高的输出有效值。 方案一： 使用分立元件自行搭建后级放大器。使用分立元件设计困难，调试繁琐，本题要求信号频谱宽度较大，普通晶体管高频响应较差，即便使用高速功率管稳定性依然较差，必然对反馈信号造成影响，且容易产生自激而又较难消除，不可控因素较多，因此放弃此方案。 方案二： 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，只需按照题目要求的指标选取合适的芯片即可。而且本题题眼并不在此，因而不应将主要精力放在此处，故而使用集成电路芯片是快速完成后级功率放大部分的最佳选择。二、系统设计 按照题目的要求，结合前期的方案论证比较，我们小组充分利用模拟系统与数字系统各自的特点，发挥其优势，采用单片机预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性;后级放大器使用由高带宽的集成电路芯片设计的功率放大器，提高了输出电压有效值，再辅以电阻与地之间串接的小电感在信号高频时提供的额外阻抗，进一步提高了输出电压有效值及带宽。通过单片机的数字算法控制使信号能够得到最合理的前级放大，使其放大倍数精确。图1所示即为本系统原理框图。 图1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。AD603在模式2时的Vg(=V1-V2)根据公式:增益GAIN=40Vg+20(dB)来设定，而在AGC模式下，此控制电压Vg是由AGC电路的反馈电压得到，不受单片机控制。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。输出电压经峰值检波电路得到，反馈到单片机，经运算和线性补偿得到有效值，同时又由单片机进行显示。为了使得人机交互界面更加人性化,我们决定采用12864大液晶进行显示，由于本系统中单片机资源过剩,而控制所需要的按键又比较少,所以我们采用独立按键控制,以降低软件设计的复杂程度。工作流程可简单概括为：采用键盘输入初值,然后通过DA转换来控制AD603的增益并通过显示器件来显示预置初值，从而达到人机交互的目的。三、 主要电路以及原理分析1.直流稳压电源 本电源采用桥式整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法，产生各种直流电压，我们设计的电路需要的电压为正负15V和正负5V，而市面上很容易买到相应的固定输出的三端稳压芯片，如LM7815、LM7915、LM7805、 LM7905。因此我们采用固定输出的稳压芯片，典型电路图如图2。 图2 2.前级放大器和AGC 前级由两级AD603级联而成，AD603是美国AD公司推出的一款宽频带、低噪声、低畸变、增益变化范围连续可调的可控增益放大器其内部结构如图3所示。 图3AD603的封装引脚图如图4所示。图4AD603的管脚功能如图5所示。图5 一般,利用反馈网络(VOUT与FDBK端的连接方式)来设计AD603的增益时,可设置为一下三种模式：模式一: 将VOUT与FDBK短路,即宽频带模式(90MHz带宽)时增益变化范围为-10dB+30dB；模式二: VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT, FDBK与COMM端之间接一个5.6pF的电容用于频率补偿.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=2.15k时,增益变化范围为0+40dB；模式三: VOUT与FDBK之间开路, FDBK与COMM连接一个18pF的电容用于扩展频率响应,该模式为高增益模式,增益范围为10dB50dB,带宽为9MHz。参考以上三种模式，我们选择了使用模式二作为两个AD603的工作模式，此模式兼顾带宽与增益，其原理电路如图6所示。图6使用AD603制作前置放大器时，主要考虑了共模干扰问题。前置放大器采用单端输入方式，这时要求运算放大器的另一个输入端与信号输入端阻抗平衡，否则在相位相同的电磁干扰情况下，将产生共模信号输出。AD603输入阻抗为100，低的输入阻抗将带来如功率、阻抗匹配等若干问题，因此我们在输入前级用AD847搭设了射极跟随器，用以提高输入阻抗，使输入阻抗大于50。 有时由于接收环境的不同、外界干扰的影响，接收到信号的强弱可能变化很大。特别是在研究本题要求的信号时，由于频带宽、电磁干扰严重，不可能无失真地放大。为了较好地解决这个问题，可使用自动增益控制电路，即AGC电路。它取出放大器输出的峰值作为增益的控制电压，使最终输出的电压信号保持在某一峰峰值之间，输出较稳定的信号。 在图6中，两级AD603可构成具有自动增益控制的放大电路，其输出信号送到由 2N3904和R7组成的三极管包络检波器当中（图6中未画出，我们制PCB版时只先做了前级放大），用于检测输出信号幅度的变化。由C11形成自动增益控制电压Vagc，流进电容C11的电流为2N3906和2N3904两管的集电极电流之差，而且其大小随第二级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。 3.手动增益预置和控制的实现 开环增益手动控制的基本思路是由单片机数字程控，经D/A转换产生控制输出电压，加到图5中两块AD603的1脚来控制。我们本想利用ADUC812单片机自带的D/A转换功能，但经实践发现其D/A输出很不稳定，难以滤除，而控制电压要求纹波非常小，否则就会给输出信号带来很大噪声。故我们改变了设计，考虑使用电阻网络AD7520进行控制，其原理如图7所示。单片机通过74LS373给AD7520赋值，电阻R0用于调节AD7520的参考电压，从而由AMP1得到D/A结果，再由AMP2幅度搬移至前放所需的控制电压-0。5+0。5V之间，提供给AD603。 图74.后级放大原理 后级放大电路由AD847构成的电压跟随器构成，因为前级放大器仅能放大电压，而不能放大电流，如果直接带上50欧负载会导致输出电压迅速降低。而加入电压跟随器后电压输出不变，但是电流放大能力大大增强，从而保证了足够的功率输出。 5.峰值检波电路将取样回来的输出电压经过二极管和电容进行峰值检波，并经过高精度运算放大器进行衰减和保持后输入A/D转换器转换为数字信号进行显示，这样精度可以得到保证，不过会有一定的管压降，使用检波用肖特基二极管大概会有0。2V压降，完全可以通过单片机进行显示上的补偿。 6.单片机系统 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;接收峰值检波电路的反馈电压以计算有效值;对AD603的增益控制电压进行控制。程序流程图如附录中图8所示。各个功能由不同的模块实现： 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，查表得到对D/A转换器的控制字串，输出给D/A转换器以产生精确的控制电压。有效值模块 由于输入输出是标准的正弦信号，峰值检波电压值根据经验公式Vmax=2Vrms计算，并经过线性修正得到有效值，经测试显示误差不超过0。5%。显示模块 按用户需要将预置增益值或者有效值显现在液晶屏上。 四、总结本次设计通过综合运用模电、数点、单片机等技术完成了基本设计要求，发挥部分大部分达到设计要求。下面就设计当中出现的一些问题谈谈自己的体会。存在的问题及未完成的原因：高频干扰还是设计当中存在的最大障碍。本设计偏重于模拟电路处理，需要得到很高的增益和较小的噪声。采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片作增益控制，利用高带宽集成芯片作后级功率放大，对于基本的理论知识和实际动手能力提出了很高的要求，从指标来看我们各方面的指标基本都达到了或超过了赛题要求。由于时间仓促，用来测量输出电压有效值的峰值检波电路没有试验成功，实际增益为45.667dB，离发挥要求还有一定差距。在软件上，我们参考了一些资料，编制了我们的程序。最后的结果让我们有些激动，想到我们这么长时间的付出终于有了收获。心中有说不出的高兴。这几天的竞赛我们确实付出了全部的精力，尽了我们最大的努力，也从中学到了不少的知识。这些知识都是书本上所学不到的，我们也体会到了团队的力量，一个人的力量是有限的，但一个团队却可以创造一个人无法达到的力量。也正是我们能够同心协力，才使得我们最后有所收获。虽然比赛只有仅仅的四天的时间，但我们学到的知识是我们以前花更多时间都学不到。我们组员之间的感情也越加深厚了，通过这次的比赛，以及这么长时间的培训，对于电子竞赛又有了不一样的认识，通过参与电路的设计与制作，学会了很多，包括硬件电路的设计，电路板的制作，程序的编写以及小车硬件的制作，特别是我们队队员之间的合作以及与知道老师的交流，都受益非浅。我想用我的亲身经历告诉那些准备参加竞赛的同学，只要你付出了，就一定会有收获！哪怕得不到奖项，你在竞赛培训中所学习到的知识，那都是受用一生的！在以后的学习和工作中，我们将从实践中不断的完善提高自己！最后对各位评委老师表示最最衷心的感谢，感谢各位老师对我们的悉心指导！（附录）一、系统调试及测试结果1.测试条件：信号发生器：GFG-8250A示波器：VP-5220A-1 20MHz万用表:粤制 MC 03000125负载电阻:RL=50测试方法：将各部分电路连接起来，先调整0dB，使输出信号幅度与输入信号幅度相等。接上50的负载电阻进行整机测试。2.测试结果：题目基本要求发挥要求作品实际性能电压增益AV40dB，输入电压有效值Vi20mV。AV可在040dB范围内手动连续调节。最大电压增益AV60dB，输入电压有效值Vi10 mV。3dB通频带15.213MHz，电压增益45.677最大输出电压正弦波有效值Vo2V，输出信号波形无明显失真。在AV60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP0。3V噪声电压小于0。3V峰峰值3dB通频带05MHz;在04MHz通频带内增益起伏1dB010MHz09MHz3dB通频带15.213MHz，9.309MHz时增益比最大值小1dB放大器的输入电阻50W，负载电阻（502）W最大输出电压正弦波有效值Vo10V，输出信号波形无明显失真。最大输出有效值大于10V自制电源进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。自制稳压电源，无压增益AV可预置并显示，预置范围为060dB，步距为5dB可实现步进调节增益，并可用液晶显示，预置值和实测值的误差，小于1dB无其他采用单片机、数字图像处理技术，增加抗干扰措施，合理布线减少干扰，模拟地和数字地分开处理，射随器和对耦电路的合理运用。（附录）二、扫频仪显示结果 0 10MHz 20MHz三、程序流程图 图8（附录）五、关于本作品中采用的几处技巧与特色1.跳线帽的使用（1）基本要求中的Av可在0-40dB范围内手动连续调节。我在AD603的可变增益调节引脚1、2之间加装了一个跳线，通过跳线即可实现通过滑动变阻器调节增益或者使用键盘通过单片机控制实现增益的变化。（2）基本要求中负载电阻50欧。为了方便测量，我把负载电阻上端接在电路输出端，而下端插在插槽中并与跳线中间位置相连。这样在需要测量负载电阻的时候只需要将电阻下端从插槽中取出便可准确测量负载电阻的大小，可以避免电路输出电阻对测量结果的影响。（3）上面（2）中的跳线左端通过一个电感接地，而右端直接接地。这样即可方便的测试负载与地之间串接电感对电路性能的改善。2.电感对电路性能的改善由于603内部结构的原因，输出电流取决于内部R-2R梯形网络的接法，因此外部输出电压Vo=输出电流*外部负载。当信号频率较低时，电感不起作用，电阻起主要作用，将电流输出转化为电压有效值输出：当信号频率增大时，由于器件的非线性与高频响应，会造成输出电流减小，若外接阻抗不变，必然导致输出电压有效值的降低。如果在负载与地之间加入合适的电感，电感会在信号频率升高的同时增大感抗，从而补偿了部分由于输出电流减小带来的输出电压有效减小问题。3.关于为什么使用8位A/D、D/A本着“少花钱、多办事，低功耗、价比的”的精神，经过缜密的计算，我认为完全没有必要使用10位甚至12位的A/D、D/A。计算过程如下：AD603的2脚加0.5V电压，那么1脚电压应控制在01V这个范围以内，因此我的DAC0832只需1.28V，作为一个8位的D/A，2的8次幂为256，那么其分辨率为1.28V/256=5mV。题目要求040地dB可调，首先假设步进为1dB，那么Av=40Vg+20。从而算出Av变化1dB,则要求Vg变化量为25mV。与刚才的DAC控制精度5mV相比，发现8位DAC已经能够胜任本题的控制精度。而发挥的第六小题才要求按照5dB进行步进，比刚才1dB的假设粗糙的多。因而得出结论，8位DAC已经足够完成精度控制要求。至于转换速率本题并没有要求，而且联系实际也发现没有使用高速DAC的必要，故而我们使用的是8位DAC0832.