HEUB013通用可变增益放大器黑龙江省电子设计大赛省赛论文Word格式.docx
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1.2.2发挥部分
8V；
（2）放大器的增益可设为四档：
0.100—1.000，1.00—10.00，10.0—100.0，100.0—1000，放大器在同一档位时线性度不低于0.5%，分辨力不低于0.1%；
（3）增益为1000，在DC—5MHz带宽范围内，输出大信号幅度波动不超过5%；
（4）放大器输出端阻抗为50，外接负载50，在DC—5MHz频段内，大信号输出时波形失真度小于2%；
（5）增益为1000时、输入端短路，输出端电压值不超过±
20mV；
（6）整体电路成本低，电路工艺简单；
（7）其他。
2.系统方案论证
2.1整体方案选择
方案一：
选用程控放大PGA，此方案高速芯片比较少，档位有限，无法做到连续可调且寻找困难，价格成本昂贵。
故不选用
方案二：
选用模拟乘法器AD835的可实现变量W=XY+Z的线性特征，计划结合自动直流偏移调零模块实现放大器所需的可调放大功能。
但实践过程发现AD835自身噪声系数较大。
而测试过程中放大精度低。
高频条件下出现大幅衰减现象，低频条件下小信号失真严重，性噪比低。
整个过程难以调节，不利于整体模块的实现与性能的开发利用。
故不采用
方案三：
选用电压跟随稳定输入，串行输入DADAC8043为增益控制核心的设计思路，利用DAC8043可实现增益放大与控制电压呈线性关系的特点，先通过键盘控制继电器对增益放大范围做出选择，再通过单片机控制DAC8043输出所需放大电压。
由于DAC8043具有良好的增益控制、快速串行数据输入、可自动校准、低成本等特性，可很好的满足题目指标要求。
所以通过其来实现增益的可控调节，可做到电路布局合理简洁，方便调试，从而精确、稳定的测试效果。
故采用此方案。
3.理论分析与计算
如图1所示，为10倍反相放大。
由反相放大原理=知，当=50,=500时==-10；
为稳定放大器性能由（，）知；
如图2所示，为10倍同相放大。
由同相放大原理=知，当500，=56.2时=1+10.0；
为稳定放大器性能由（，）知。
图1反相10倍放大电路图2同相10倍放大电路
4.系统硬件设计
4.1系统的总体设计
系统框图如上图所示，系统主要由四个模块构成：
前级输入缓冲、可控增益放大、后级功率推动、单片机显示控制模块。
系统增益调节分四档位，调节范围分别为0.100—1.000，1.00—10.00，10.0—100.0，100.0—1000。
前级电压跟随输入，通过DA的选择线性放大。
当选择可调增益范围为0.100—1.000倍时，通过键盘控制继电器选择，断开后所有的10倍增益放大电路，通过DAC8043的调节直接实现所需放大；
当选择可调增益范围为1.00—10.00倍时，通过键盘控制继电器选择，断开第二级和第三级的10倍增益放大，通过DAC8043的调节实现所需放大；
选择可调增益范围为10.0—100.0倍时，通过键盘控制继电器选择，断开第三级的10倍增益放大，通过DAC8043的调节实现所需放大；
当选择可调增益范围为100.0—1000倍时通过继电器的选择，使后三级10倍增益放大同时接入，通过DAC8043的调节，实现所需放大。
在输入、输出级通过开关的选择可选定不同的输入、输出端阻抗值大小。
4.2单元电路的设计
4.2.1输入输出阻抗设计分析
如图2所示，当J1断开时，由于输入端电压跟随本身输入阻抗相当大，故此时10M；
当J1闭合时相当于电压跟随输入阻抗与并联，=50。
图3所示当J2断开时，=50；
当J2闭合时被短路，0。
图2输入端输入阻抗设计图图3输出端输出阻抗设计图
4.2.2档位选择设计分析
如图4（a）、（b）所示
（1）.当J1、J2、J3、J4、J5、J6均向上闭合时，可进行0.100—1.000倍档位的增益放大调节；
（2）.当J1、J2向下闭合，J3、J4、J5、J6向上闭合时，进行1.00—10.00倍档位的增益放大调节；
（3）.当J1、J2、J3、J4向下闭合，J5、J6向上闭合时，进行10.0—100.0倍档位的增益放大调节；
（4）.当J1、J2、J3、J4、J5、J6均向下闭合时，进行100.0—1000倍位的增益放大调节。
图4（a）、（b）档位选择原理图
4.2.3后级驱动电路
为了保证放大器的负载能力能够推动后级电路。
鉴于运算放大器的负载能力有限，在其后搭接乙类功率放大电路。
使用户不对2N3904（NPN型）和2N3906（PNP型）（两功率管特征频率=300，最大功率耗损=0.8）推挽输出负载驱动电流。
经实验测试，通频带大于5，且带内平坦，通频带内不平坦度很小；
空载时可对DC到5范围内，峰-峰值为20V的正弦信号无失真输出，输出端接50负载时，无失真的最大输出电压峰-峰值超过16V，并且在整个带宽范围内无明显失真，以上各项指标均达到题目要求。
电路图如图5所示
图5乙级功率放大电路
4.2.4过压保护设计分析
为防止过大输入电压通过系统回路，对系统造成致命伤害，故采用如图6所示钳位保护方式，利用二极管的单向导通特性，当+15.6V时，二极管导通将图中A点电压下拉至+15.6V；
同理，当-15.6V时，二极管导通将图中A点电压提升至-15.6V。
整体使得A点电压始终维持在-15.6～+15.6V的范围内。
对系统整体起到了很好的保护作用。
图6钳位保护电路
4.2.5放大器稳定性设计分析
本作品主要通过采取抗干扰措施提高放大器的稳定性，系统全部采用印制板，减小寄生电容和寄生电感，采用铜板大面积接地，减小地回路。
4.3发挥部分的设计与实现
在作品总体设计之初。
我组就以发挥部分内容要求为设计标准，对作品的设计定位要求较高，故发挥设计都在各部分大多得到了实现。
5.系统软件设计
6.系统的组装与调试
6.1整机结构图及工艺说明
如图8所示，系统采用硬质压塑板设计制作作品机箱。
图8作品机箱图9作品机箱底座系统模块排布
6.2面板图及可调部件说明
如图9所示，将作品固定安放于机箱底座，不同的模块分立排布如图中所示。
增益选择模块，通过键盘的控制，供操作人员切换选择增益档位，调节系统放大增益；
系统显示模块，通过键盘的控制实时显示操作当前的放大情况；
系统放大运行模块，通过系统的实时操作控制运行正常系统工作。
6.3系统的测试
6.3.1测试仪器
序号
名称、型号、规格
数量
1
DS1102E示波器
2
TFG3150LDDS函数信号发生器
3
DT9205数字万用表
6.3.2测试方案
不同增益条件下，输出电压有效值测量
=3V
G=0.10;
0.40;
0.70;
1.00
=0.3V
G=1.0;
4.0;
7.0;
10.0
=0.03V
G=10;
40;
70;
100
=6V
G=0.100;
0.400;
0.700;
1.000
=0.6V
G=1.00;
4.00;
7.00;
10.00
=0.06V
G=10.00;
40.00;
70.00;
100.00
=0.006V
G=100.0;
400.0;
700.0;
1000.0
不同频率条件下输出电压有效值
输入正弦波信号，放大50倍
=100kHz
=400kHz
=700kHz
=1MHz
输入正弦波信号，放大1000倍
=2MHz
=3MHz
=4MHz
=5MHz
6.4测试结果及其分析
/V
/V
实测值
理
论
值
误差
（%）
误
差
G=0.10
G=0.40
G=0.70
G=1.00
0.29
0.3
3.3
1.18
1.20
1.7
2.05
2.1
2.4
2.95
G=10
G=40
G=70
G=100
2.93
3.0
2.3
11.8
12.0
20.5
21.0
29.4
30.0
2.0
0.03
0.293
1.197
1.2
2.5
2.03
2.94
6
G=0.100
G=0.400
G=0.700
G=1.000
0.590
0.6
2.35
4.10
4.2
5.92
6.0
1.3
G=4.00
G=7.00
G=10.00
0.585
2.33
2.9
4.11
5.90
0.06
G=40.00
G=70.00
G=100.00
0.58
2.34
5.91
1.5
0.006
G=100.0
G=400.0
G=700.0
G=1000.0
0.591
2.298
4.25
4.095
5.962
6.3
/mV
30（G=50）
1.45
1.43
4.7
1.42
5.3
1.40
6.7
4（G=1000）
3.96
4.0
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