宽带放大 论文器.docx
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宽带放大论文器
<封面>
摘要
本作品以低功耗单片机MSP430F27和压控可变增益带宽放大器VCA820为主要控制部件，设计并制作了宽带直流放大器。
该放大器在最大增益为70dB，可连续调节或以步距为5dB进行增益预制并显示，3dB带宽10kHz～6MHz和AGC功能预置并显示。
系统采用高速电压反馈型运放OPA690进行减法运算抑制了直流零点漂移；PCB设计上考虑了电磁兼容处理，抑制高频自激，放大器性能稳定，线性相位好；后级输出采用高速电流反馈行运放制作了驱动，输出电压可达30Vp-p以上,输出电流可达100mA,实现了负载600输出电压有效值达10V无明显失真功能，提高了性价比；选用低功耗表贴器件，降低放大器功耗，提高了电源利用率，系统元件少，性价比高，较好地完成了基本部分和发挥部分的要求。
Abstract
目录
摘要2
Abstract3
第一章：
绪论6
第二章：
系统方案7
一、方案设计7
1．主放大电路7
2.增益控制部分7
3.后级放大电路7
4.有效值测量电路8
5.滤波器设计8
6.稳压电源8
二、理论分析与参数计算9
1.带宽增益积9
2.通频带内增益起伏控制9
3.线性相位9
4.抑制直流零点漂移9
5.放大器稳定性10
第三章：
硬件设计11
1主放大电路和增益控制部分11
2.后级驱动电路11
3.通滤波部分12
4.有效值测量部分14
5.控制部分15
6．MCU及显示键盘系统15
7．电源部分15
8.去耦和降噪15
第四章：
软件设计16
1．开发工具16
2.软件实现功能16
3.软件流程设计16
.软件流程图17
第五章：
测试方案与测试结果18
1.测试条件18
2.测试仪器18
3.测试方法与数据18
（1）输入阻抗测试18
（2）幅频特性测试18
（3）最大有效值输出18
（4）输出噪声测试19
（5）增益步进测试19
（6）AGC性能测量19
（7）误差分析19
第六章总体结论20
第七章附件21
第一章：
绪论
第二章：
系统方案
一、方案设计
分析题目要求，我们将本设计分为：
主放大电路、增益控制、后级放大、键盘显示及处理、有效值测量、滤波器和稳压电源六大功能模块。
1．主放大电路
方案一：
采用分立元件设计。
此方案元器件成本低，易于购置。
但是设计、调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用此方案。
方案二：
采用高速宽带集成运放设计。
此方案优势是电路容易实现，指标和可靠性容易得到保证。
故采用此方案。
本设计中我们采用OPA690高速运放。
2.增益控制部分
方案一：
用继电器或模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。
这种方案存在的不足是使用模拟开关，其导通电阻较大，各通道信号会互相干扰，容易影响系统性能。
而且电阻网络级数多，造成硬件电路复杂，且电阻网络的电阻选择也较为困难，很难做到高精度控制。
方案二：
采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为12位高速D/A转换器DAC902的基准电压，这时的D/A作为一个程控衰减器。
其输出
，其中DN为12位数字量输入的二进制值，可满足212=4096挡增益调节，满足题目的精度要求。
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。
而且很难要实现10MHz带宽。
方案三：
由单片机、D/A转换器和可编程增益放大器VCA820构成压控放大器。
VCA820的增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便利用单片机通过对控制D/A输出直流电压来控制VCA820的内部电阻衰减网络，实现增益调节，精度较高。
其外围元件少，电路简单，由于VCA820带宽最大能达到150MHz，增益范围40dB，增益精度在±0.5dB,通过两级级联的方式，可精确实现增益控制在70dB的范围内调节。
所以设计采用该方案。
3.后级放大电路
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，可以经过计算得到合适的输入输出阻抗，并降低后级放大器制作成本，提高性价比。
但是设计困难，调试繁琐，工作不稳定，而且容易自激。
方案一：
为了达到题目发挥部分要求输出6V有效值，可以采用单片高压集成宽带运算放大器THS3001HV，因为THS3001HV可达30Vp-p输出电压,输出电流可达100mA。
完全满足了600欧姆负载时输出6V有效值。
采用集成电路的特点是电路简单而却稳定。
避免了自激的现象。
该方案电路较简单，容易调试。
因此该设计中采用本方案。
4.有效值测量电路
方案一：
采用真有效值转换器件测量，此方案电路简单、精度高。
但价格较贵，同时器件难找。
现有的有效值转换器件如AD637、AD737在较高频率段无法满足本题测量要求。
方案二：
采用峰值检波测量。
采用峰值检波电路，检出峰值经运放OPA820转换为有效值。
然后送去VCA820的压控端控制增益，电路简单可靠，但前提是信号是正弦波，否则误差较大。
考虑到本题要求测量的是标准正弦波，因此选择本方案。
5.滤波器设计
方案一：
采用巴特沃斯滤波器，虽然带内可以足够平坦。
但是远远不能做到高频和低频点的陡峭度。
方案二：
采用切比雪夫滤波器，虽然在高频和低频点可以做到很陡峭，但带内平坦度不能做到≤1dB。
方案三：
采用复合型滤波器，前段采用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器输出经过两个LC陷波器，一个高频，一个低频，就可以同时做到带内平坦和边沿陡峭。
因此选择此方案。
6.稳压电源
方案一：
线性稳压电源。
其中包括并联型和串联型两种结构。
并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成三端稳压器，更是方便可靠。
方案二：
开关稳压电源。
此方案效率高，但电路复杂,开关电源的工作频率通常为几十～几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易带来串扰。
电源模块选择方案一中的串联型稳压电源。
整个系统框图如图1-1所示。
图1-1系统框图
二、理论分析与参数计算
1.带宽增益积
增益控制部分采用VCA820典型接法中通频带最宽的一种，通频带为150MHz，增益为－20～+20dB，输入控制电压VG为0～＋2V。
使用两级串联，利用VCA820有可控衰减特性，固定放大20dB，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VCA820串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为150MHz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3dB总带宽为100MHz。
假如要实现发挥部分的最大输出电压有效值大于等于6V的要求，即输出电压峰峰值
，为得到最大输出电压,则后级放大至少要有4倍。
VCA820的最大输出电压有效值约为2.5V。
但是VCA820在输出电压过大时，波形会有失真。
为了实现输出不失真，同时尽量扩大输出电压，把VCA820最大输出电压的峰峰值为定为4V左右，则放大倍数
。
故后级需要放大4.23倍。
前级放大芯片选用OPA690，其增益带宽积为500MHz，放大4倍，则125MHz以上的信号均衰减。
后级放大芯片选用420MHz带宽电流反馈型运算放大器THS3001HV，当放大倍数为4.23时，其带宽仍超过300MHz，由以上分析可知整个系统满足题目对带宽的要求。
2.通频带内增益起伏控制
本系统由多级放大单元构成，为了满足题目对同频带内增益起伏控制，设计中均选用高速、宽带运放，使其0.5dB带宽均超过题目要求，经测试发现，VCA820随增益增大的时，带宽略有下降，因此我们在滤波级通过补偿，使信号在通频带内的增益更加平坦，并调整反馈电阻使其在同频带内增益起伏降至最低。
3.线性相位
为了使系统在整个通频带内实现线性相位，在设计中严格按照阻抗匹配原则，使其负载呈纯阻性，构建闭路环。
在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号减少噪声。
各个集成电路均加有退耦电容，减小寄生电感电容的影响。
4.抑制直流零点漂移
由于集成运算放大器本身带有输入失调电压，经过高增益放大，使其输出失调电压变得很大。
为了抑制直流零点漂移，参考器件手册，我们选用了附录一中所示的参考的电路，分别对两级VCA820输入端VIN-与反馈端FB分别通过一个
的精密可调电位器输入/输出级失调电压进行调节。
如图下图所示：
5.放大器稳定性
系统总的增益为0～60dB，前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达60dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声。
我们采用下述方法减少干扰，避免自激，提高放大器的稳定性：
1.构建闭路环。
严格按信号走向布线，在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，缩短地线回路，并可吸收高频信号减少噪声。
在功率级也采用此方法，能有效地避免高频辐射；在增益控制部分和后级功率放大部分也都采用了此方法。
2.使用同轴电缆，输入级和输出级使用BNC接头。
3.各部分摆放位置按照信号走向放置，减小板与板之间的连接线长度，
实践证明,电路的抗干扰措施比较好，在整个通频带范围和整个增益范围内都没有自激，工作稳定。
第三章：
硬件设计
该设计主要由主放大电路、增益控制、后级放大、键盘显示及处理、有效值测量、滤波器和稳压电源等几部分组成。
1主放大电路和增益控制部分
由于前级电路对整个电路的噪声影响非常大，为了提高信噪比。
前端采用高速低噪声电压反馈型运放OPA690作前级跟随，为了抑制前端输入的干扰信号这里放大4倍，125MHz以上的信号被衰减。
输入端口由同轴电缆连接，以防自激。
电容电阻均采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。
同时第一级的输入输出失调电压也会对电路造成很大的影响。
为了避免运放的输入和输出失调电压，在第一级的输出加上一个可调的减法器，减去输入和输出失调电压。
本设计采用的两级程控，所以电路中用到两个这样同样的电路。
电路图如下图所示：
2.后级驱动电路
为了保证该直流宽带放大器的负载能力满足题目要求。
鉴于运压控放大器VCA820自身输出电压和带负载能力的限制，该电路选用THS3001HV运放搭建电压串联负反馈同相放大电路。
如图3-3所示，前级由THS3001HV组成的同相放大器，放大倍数
；由于THS3001HV的高电压大电流输出，使得它作为后级驱动电路足够满足设计要求。
而且电路极其简单，大大提高了稳定性。
经过实验测试，通频带大于10MHz，且带内平坦，同频带内不平坦度小于0.1dB；空载时可对DC到10MHz范围内，峰-峰值为30V的正弦信号无失真输出，输出端接600负载时，无失真的最大输出电压峰-峰值达到28V，并且在整个带宽范围内无明显失真，以上各指标均达到和超过了题目要求。
电路图如图下所示：
后级驱动电路
3.通滤波部分
为了满足对题目带宽的要求，设计了两个带通滤波器串联增加系衰减陡降，并且增加了两个LC陷波器,电路原理图如图3-1、3-2所示，
3-1（高通）
3-2（低通）
选择二阶KRC滤波器与一级LC带阻串联，令R2=R3=R和C1=C2=C，则前级截止频率计算公式：
3-4-1
带内增益：
3-4-2
其仿真结果如图3-3、3-4所示
3-3（低通）
由式3-4-1可知，通过更改R的值改变带宽，调节精密可调电位器R5更改带内增益，通过改变L大小改变谐振点，改变陷波点位置。
调整经测试最大增益≥58dB（3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB）均满足题目要求，并且在带宽范围内相位线性好。
4.有效值测量部分
有效值测量是为了AGC的控制，本设计中采用二极管峰值检波，再通过运放OPA820得到有效值。
而该有效值被送到VCA820的压控端，形成一个闭环的AGC电路。
在以为单块VCA820的控制范围是-20dB到+20dB，当两级级联时，控制范围就可以达到80dB远远超过了设计要求。
而是否该接成AGC还是由D/A输出去控制增益，由单片机控制继电器选择。
AGC电路：
5.控制部分
本设计中控制电路采用MSP430F247单片机为控制核心，通过键盘实现增益和带宽预置，根据预置的增益数控制12位D/A芯片TLV5619输出对应的直流电压控制VCA820的放大增益，根据选择D/A输出的信号去控制还是检波输出的信号去控制增益，实现不同选择，同时将预置结果送LCD显示。
硬件框图如下：
6．MCU及显示键盘系统
单片机采用msp430f247,键盘控制采用4*4矩阵式键盘,方便输入预置的增益和AGC的选择。
按键的处理和控制变得简单、易控。
测量输出有效值、控制增益以及实现自动增益控制都可由具体的软件算法实现。
采用128*64的图形液晶显示模块作为显示界面。
7．电源部分
电源提供+5V/1A、5V/0.5A和18V/0.5A\、-18V/0.5A四路输出，以保证系统正常工作。
首先，主放大器的每块IC都是正负5V供电，而后级驱动为正负18V供电，所以需要四路输出。
再次，单片机以及键盘显示需要5V电源供电，至于MSP430需要3.3V供电，所以在单片机模块上加了以块ASM1117（3.3V）。
对5V电源要求电流为1A.
8.去耦和降噪
（1）放大器级联时采用电容耦合，电容值依据通频带下限频率确定。
（2）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。
磁珠可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰，它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。
其电路形式如图3-9所示。
安装时尽量靠近IC电源和地。
（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴线，以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰。
（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开，同时数字地和模拟地电源地一点相连。
第四章：
软件设计
1．开发工具
MSP430单片机编译器：
IAR
单片机仿真器：
J-LINK
模拟部分仿真：
Multisim
滤波器仿真：
Bodeplotter
2.软件实现功能
由于本系统中单片机只起控制增益和显示的作用，所以软件设计比较简单。
采用C语言设计，由单片机驱动D/A去控制增益，控制继电器选择是否启动AGC。
开机后进入增益控制界面，可以通过按键调节增益，步进5dB，还可以通过菜单切换AGC功能并在增益控制界面上显示。
（1）有效值测量模块该模块利用峰值检波方式实现电压有效值的测量。
（2）程控增益模块增益控制字由式2-5确定。
为了保护系统，软件对设置的增益范围进行了限定，当超出0~60dB时，则视为无效输入，并显示相应提示。
（3）自动增益控制（AGC）模块当执行AGC功能时，输出信号经过检波后，送到继电器一输入端，由单片机控制。
（3）按键处理模块此系统的按键功能包括选定设计要求的九级增益（数字键1～9）、任意增益（10dB～60dB）预设、AGC功能、日期时间的显示和预设。
其中增益预设对输入数据的范围进行了限定，当输入数据超出范围时，显示相应的错误提示。
（4）显示模块采用128*64的图形液晶显示模块显示预设的增益值以及输出电压的有效值，形象直观。
预设时采用反显字符的方式提示正在进行的操作，界面友好。
3.软件流程设计
.软件流程图
第五章：
测试方案与测试结果
1.测试条件
室温25℃，工频220V交流电源
以下所有测试数据都是在接600欧姆负载情况下测得
2.测试仪器
高频信号发生器：
SG-5150
40MHz模拟示波器：
YB4340C
三位半数字万用表：
VC9808+
3.测试方法与数据
（1）输入阻抗测试
在输入端串接1K欧姆电阻，测量输入端电压峰峰值，通过计算可测得输出阻抗。
结果分析：
经过测量，在不同带宽范围内均满足输入阻抗
，满足题目要求。
（2）幅频特性测试
设置增益60dB，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。
表5-1幅频特性测试（5MHz带宽）
频率（KHz）
10
20
40
60
100
200
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Voutp-p（V）
2.60
3.12
3.20
3.15
3.10
3.15
3.12
3.10
3.05
3.17
3.08
2.79
结果分析：
由上表可看出，选择5MHz带宽档时，3dB带宽为10KHz～6MHz，在20KHz～5MHz通频带内增益起伏≤0.8dB；满足设计基本及发挥部分的要求。
（3）最大有效值输出
设置增益
=60dB，调节使输出最大且不失真。
表5-2最大有效值输出
频率（KHz）
10
20
50
100
500
1000
2000
3000
4000
6000
Voutp-pRMS（V）
10.00
10.70
10.61
10.21
10.33
10.47
10.50
10.27
10.35
9.71
结果分析：
在输出信号不失真的情况下，通频带内最大输出电压有效值大于10.00V，满足并超过设计基本及发挥部分的要求。
（4）输出噪声测试
输入交流短路，增益调为60dB，测得输出电压峰峰值为200mV，满足发挥部分要求。
（5）增益步进测试
通过键盘调节增益，通过示波器测量输出电压峰峰值。
表5-35dB增益步进测试（f=500KHz,Vinp-p=3mV）
预设增益（dB）
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Voutp-p（mV）
2.9
5.2
10.2
16.7
32.0
52.1
95.1
173.2
309.1
550.2
1048
1780
3100
实际增益（dB）
-0.3
4.7
10.6
14.9
20.5
24.7
30.1
35.2
40.2
570.2
50.8
55.5
60.3
误差（dB）
0.3
0.3
0.6
0.1
0.5
0.3
0.1
0.2
0.2
0.5
0.8
0.5
0.3
结果分析：
增益值0dB～70dB可调，程控步进间隔5dB。
并且增益预置值与实测误差的最大绝对值为0.8dB，不同带宽范围内均满足并超过设计基本及发挥部分的要求。
（6）AGC性能测量
切换电路到AGC功能，使输入信号从一个较小值逐渐增大，观察输出，找出输出能够稳定在4.5V～5.5V之间的输入信号范围。
图5-4AGC性能测量（f=500kHz）
Vi（mV）
50
100
500
800
1000
2000
5000
10000
Vo
4.89
4.86
5.22
5.17
5.25
5.00
5.23
5.30
结论:
经测试，输入信号幅值从50mV～10V之间变化时，输出能够稳定在4.8V～5.3V之间。
所以，AGC控制系统的调整范围为，输出电压有效值稳定在4.8V到5.3V之间，满足了设计发挥部分的要求。
（7）误差分析
我们测量的误差主要来源是电磁干扰，由于测试场地有许多电脑和仪器使用开关电源，电磁噪声很大，放大与增益控制电路采用的同轴电缆屏蔽效果并不好，所以测量输入端短路的噪声电压时随输入短接方式不同而有很大的误差。
并且仪表精度不够高，人为读数存在误差，测量的数据达不到理论计算值，但是我们通过多次测量去平均把误差降低到最小。
第六章总体结论
综合上述各部分的测试结果：
本设计圆满地完成了题目基本部分的要求，还较好地完成了题目发挥部分的要求，提高了输出电压幅度。
各种去耦和降噪措施的综合应用保证放大器稳定工作并且降低了噪声如果能对输出增益进行进一步实测校正或者使用性能更好的器件，还可以进一步提高指标。
第七章附件
1、文件：
Main.c//主程序
#include"msp430x24x.h"
#include"define.h"
#include"keyboard.h"
#include"GRAPH_Command.h"
#include"control.h"
#include"Menu.h"
#include"clockset.h"
#include"tlv5619.h"
#define_MENU_UPWORD_CYCLE_//菜单向上循环滚动
#define_MENU_DOWNWORD_CYCLE_//菜单向下循环滚动
/***********************
*全局变量声明区*
************************/
structMenuItem（*MenuPoint）=DeskMenu;//打印菜单结构体指针
unsignedcharDisplayStart=0;
charUserChoose=0;
unsignedcharDisplayPoint=0;
unsignedcharMaxItems;
/*****************************
*StructMenuItem:
*
*unsignedcharMenuCount;*
*char*DisplayString;*
*void（*Subs）（）;*
*MenuItem*ChildrenMenus;*
*MenuItem*ParentMenus;*
*****************************/
/***********************
*函数声明区*
***********************/
voidMenuInitialation（void）;
voidSystemInitialation（void）;
voidShowMenu（void）;
/**************************************************************
*函数说明：
系统初始化函数*
**************************************************************/
voidSystemInitialation（void）
{
DAC_init（）;//Da初始化
Writ_DAC（0）;
Ini_Lcd（）;//初始化字库函数定义在
MenuInitialation（）;//初始化菜单
Init_Port（）;
P6DIR=0XFF;
P6OUT=BIT2;//10MHZ
}
/**************************************************************
*函数说明：
目录初始化函数*
**********************
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