基于AD603程控宽带放大器的设计.docx
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基于AD603程控宽带放大器的设计
基于AD603程控宽带放大器的设计
摘要
本设计是采用AD603可控增益放大器芯片设计的一款高增益，高宽带直流放大器，采用两级级联放大电路了，提高了放大增益，扩展了通频带宽，而且具有良好的抗噪声系数，采用AT89S52芯片控制数模转换（DAC0832芯片）进行程控放大控制，在0—20MHz频带内，放大倍数在0-40dB之间进行调节，增益起伏为1dB。
系统具有键盘输入预置，增益可调和液晶显示，具有很强的实际应用能力。
关键词：
AD603,AT89S52,DAC0832，程控放大器，高增益放大器
1、方案论证及比较
1.1总体方案框图
本系统原理方框图如图1所示。
本系统由前置放大器、中间放大器、末级功率放大器、控制器、键盘及稳压电源等组成。
其中前置放大器、中间放大器、末级功率放大器构成了信号通道。
图1系统原理框图
1.2增益控制部分
方案一原理框图如图2所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对V’的分压。
采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。
图2场效应管放大器电路图
方案二采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。
理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高就可以实现很宽范围的精密增益调节。
但是控制的数字量和最后的增益（dB）不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。
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PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图3）。
根据题目对放大电路的增益可控的要求,考虑直接选取可调增益的运放实现,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单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来,从而实现较精确的数控。
此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽,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、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。
图3可变增益的运放放大器电路图
综上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。
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，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。
1.3功率输出部分（末级功率放大器）
两片AD603级联构成放大器，可对不同的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，所以需要前级放大信号需经过后级放大达到较高的输出有效值。
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。
可是题目要求输出3V以上有效值,而在电子市场很难买到这样的芯片,而我们买到的如AD811,HA-2539等芯片,虽然输出电压幅度能满足要求,但是很容易发生工作不稳定的情况。
方案二：
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,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。
因此自行设计后级放大器优势就很明显了。
2、系统硬件设计
根据设计的要求,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,大大提高了系统的精度和可控性;后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器,提高了输出电压有效值，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。
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的Vg（=V1-V2）根据公式:
增益GAIN=80×Vg+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。
2.1输入缓冲和增益控制部分
2.1.1芯片AD603简介
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4所示．
图4AD603内部结构图
AD603的封装引脚及各引脚功能分别如图5和表1所示。
图5AD603引脚图
表1AD603各引脚功能
脚号
符号
功能
1
Vg+
增益控制输入正端
2
Vg-
增益控制输入负端
3
Vin
运放输入
4
GND
运放公共端
5
FDBK
反馈端
6
-Vcc
负电源输入
7
+Vout
运放输出
8
+Vcc
正电源输入
工作模式
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，可设置为以下3种模式：
模式1：
将VOUT与FDBK短路，即宽频带模式（90MHz带宽）时增益变化范围为一10～+30dB；
模式2：
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1与模式3之间的增益值．当REXT=2．15kΩ时，增益变化范围为0～+40dB；
模式3：
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10～50dB，带宽为9MHz。
单个的AD603的增益可以用下式进行计算：
Gain（dB）=40
+
，其中
是差动式输入
的增益控制电压（1脚到2脚），范围是-500一+500mV，为统一单位量纲，在公式中单位应当使用伏特，即一0.5V～+0.5V，
是增益起点，接不同的反馈网络
有所不同。
本设计采用AD603典型接法中通频带最宽的一种（即第二种工作模式），通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。
图6为AD603接成90MHz带宽的典型方法。
图6AD603接成90MHz带宽的典型电路
2.1.2输入缓冲和增益控制电路
输入缓冲和增益控制电路如图7所示，由于AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于1kΩ的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。
故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。
图7输入缓冲和增益控制电路
输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值不超过其极限（2V）。
其输入阻抗大于
2.4kΩ。
OPA642的增益带宽积为400MHz，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。
输入输出端口P1、P2由同轴电缆连接，以防自激。
级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。
增益和控制电压的关系为：
AG（dB）=40×Ug+10，一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为AG（dB）=80Ug+20，增益范围是－20～+60dB，满足题目要求。
由于两级放大电路幅频响应曲线相同，所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz左右，两级放大电路串联后总的3dB带宽对应着单级放大电路1.5dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz。
2.2末级放大部分
为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，宜采用互补推挽和深度电压串联负反馈电路形式，典型电路如图8所示。
高频晶体管2N3904为NPN型，2N3906为PNP型，是配对的互补管，特征频率fT达200MHz，能保证系统性能要求。
由于是深度电压串联负反馈，故输入阻抗较高，输出阻抗低，适合与前端放大器和负载连接。
由图可见，本级AVf≈1/kfV=1+（R10/R9），如R9、R10为图中标注值，则AVf=11，约合20dB。
其中所有电容，均是为了电源去耦或改善频率特性的。
图8末级功率放大部分原理图
2.3控制部分
该部分由这一部分由51系列单片机AT89C52、DAC0832、LM324、键盘等组成。
方框图如图9所示。
图9控制部分电路
2.3.1单片机最小系统设计
单片机最小系统是能补足单片机工作的最简单电路，它由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。
它是本系统的处理单元也是控制单元，负责处理信号、外设的接口与控制，同时它也是所有软件的载体。
本系统采用AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。
其管脚如下图10所示：
图10AT89C52单片机管脚图
本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接。
单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。
本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。
如图11所示。
图11单片机最小系统
2.3.2DAC0832电压输出电路
DAC0832是采样频率为八位的D/A转换器件，芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。
D/A转换结果采用电流形式输出。
要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。
运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。
其内部结构和引脚图如图12所示。
图12DAC0832内部结构和引脚图
DAC0832引脚功能说明：
DI0~DI7：
数据输入线，TLL电平。
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。
CS：
片选信号输入线，低电平有效。
WR1：
为输入寄存器的写选通信号。
XFER：
数据传送控制信号输入线，低电平有效。
WR2：
为DAC寄存器写选通输入线。
Iout1:
电流输出线。
当输入全为1时Iout1最大。
Iout2:
电流输出线。
其值与Iout1之和为一常数。
Rfb:
反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.
Vcc:
电源输入线（+5v~+15v）。
Vref:
基准电压输入线（-10v~+10v）。
AGND:
模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。
DGND:
数字地。
由于本设计要求增益调节范围为10dB~40dB，按照公式AG=80Ug+20（dB），则Ug=-1/8V~1/4V,故要求DAC0832既能输出负电压也能输出正电压。
电路如图13所示。
图13DAC0832的模拟电压输出电路
根据上述电路最终输出电压U=5*（D/128）-5（V）,其中D为单片机输入到DAC0832的值。
要求增益调节范围为10dB~40dB，设定步进级数为6，因此计算的D值如表2所示。
表2增益步进级数对照D值表
增益步进级数
1
2
3
4
5
6
预置增益值/dB
10
16
22
28
34
40
Ug/V
-0.12
-0.05
0.02
0.1
0.18
0.25
D
125
127
129
131
132
135
3、程序设计
系统软件主要包含了系统初始化程序、LCD1602显示程序、键盘程序、DA转换程序等。
程序流程如图14所示．液晶显示程序对单片机处理数据进行显示处理，实现友好人机界面的信息交换．DA转换主要将键盘输人的键值经过相应的处理以后，转换成二进制数据输送给DA芯片的数据口进行转换，经过转换后输出连续可调的模拟电压，用以控制AD603的1脚电压，实现程序控制．通过查询方式实现键控增益，并可实时液晶显示。
图14软件流程图
4、系统调试和测试结果
将系统整体电路在仿真软件PROTUES连接好，检查线路连接无误后就可以进行仿真了。
（1）输入阻抗。
电路的设计保证输入阻抗大于2.4kΩ电阻，满足课设要求。
（2）频率特性测量。
增益设为40dB档，输入端加峰-峰值为10mV正弦波，再测量输出信号。
测试的波形如图15所示，测试数据如表2所示。
图15测试波形
表3频率特性测试数据
输入频率/kHZ
输出信号Vp-p/V
增益/dB
输入频率/kHZ
输出信号Vp-p/V
增益/dB
输入频率/MHZ
输出信号Vp-p/V
增益/dB
（3）增益误差测量。
输入端加峰-峰值为20mV，频率为1MHZ的正弦波信号，保持幅度稳定，然后预设增益值测量输出信号来计算增益误差。
测试的数据如表3所示。
表4增益误差测试数据表
预置增益/dB
输出信号/mV
实际增益/dB
误差增益/dB
5、性能分析
（1）由表3数据可以得到，3dB通频带在低频端达到了1kHZ，高频端在10MHZ以上，由于信号源在10MHZ以上测试时需要运行较长的时间故无法测量，从5MHZ以上增益的趋势来看最终的通频带应大于10MHZ，比较符合猴急功率放大的理论高频截止频率10MHZ。
在20kHZ~5MHZ频带内增益起伏<1dB。
（2）由表4中可以看出增益误差在之内，频率较高时，随着输出电压的增大，增益有下降的趋势，这是因为后级功放管工作状态即将接近饱和，通过提高后级电源电压可以使增益更加稳定。
（3）测试性能总结
本设计偏重模拟电路的处理，得到了很高的增益和较小噪声，同时也和数字电路、单片机等结合。
采用多种抗干扰措施来处理前级放大，选用集成芯片AD603作为增益控制，利用分立元件做后级功率放大，放弃了较难的宽带放大器，因此设计很灵活也比较容易实现。
6、心得与体会
7、参考文献
7
附录一：
源程序
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineda0832XBYTE[0x7fff]
sbitkey1=P2^0;
sbitkey2=P2^1;
sbitkey3=P2^2;
sbitkey4=P2^3;
sbitkey5=P2^4;
sbitkey6=P2^5;
ucharaa[6]={125,127,129,131,132,135};//对应DAC0832输出电压的值
uintm;
voiddelay（charc）/*延时1ms*/
{
chara,b;
for（a=c;a>0;a--）
for（b=110;b>0;b--）;
}
voidkeyscan（）/*按键2进行减1*/
{
if（key1==0）
{
m=aa[0];
}
while（key1==0）;//等待按键释放
if（key2==0）
{
m=aa[1];
}
while（key2==0）;//等待按键释放
if（key3==0）
{
m=aa[2];
}
while（key3==0）;//等待按键释放
if（key4==0）
{
m=aa[3];
}
while（key4==0）;//等待按键释放
if（key5==0）
{
m=aa[4];
}
while（key5==0）;//等待按键释放
if（key6==0）
{
m=aa[5];
}
while（key6==0）;//等待按键释放
}
voidmain（）
{
while
（1）
{
keyscan（）;
da0832=m;
delay（10）;
}
}
附录二:
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程设计题目：
程控宽带放大器的设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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