宽带直流放大器.docx
《宽带直流放大器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《宽带直流放大器.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
宽带直流放大器
宽带直流放大器
2013-7-11
宽带直流放大器的设计与制作
摘要
本作品利用TexasInstruments公司的可编程运算放大器VC810对输出的微弱信号进行提取并放大到一定程度来满足后级设备的要求。
同时还要求一定输出功率，才能驱动后级设备或使通信的发射端将信号有效传输到接收端。
本作品所完成的宽带直流放大器由信号放大模块、滤波模块、程控放大模块及功率放大模块构成。
增益调节范围为0～40dB，带宽可设置为5MHz，满足后期信号处理的需求。
本系统以三级可控增益放大器VC810为核心，实现了宽带直流放大器的功能。
后级采用电流型运放THS3001构成功率放大电路，实现50Ω负载上2V有效值无明显失真的波形输出。
本系统控制核心为MSP430F149单片机最小系统，其主要功能为程控调节放大器增益和抑制直流零点漂移，还可以实时显示放大器增益。
电路设计条理清晰，电路的集成度和精度都很高，而且人机交互界面友好，控制方便，很好地完成了题目的所有基本和发挥要求。
关键词：
VCA810；宽带直流放大器；数字程控；增益可调
Abstract
ThisworkistheuseofaweaksignalontheoutputVC810beextractedandamplifiedtoacertainextenttomeettherequirementsofpost-classequipment.Italsorequiresacertainoutputpowertodriveaftertheclasscommunicationsequipmentormakeefficienttransmissionofthesignaltransmittertothereceiver.ThisworkisdonebyaDCamplifierwidebandsignalamplificationmodules,filtermodules,programmableamplifiermoduleandpoweramplifiermodules.Gainadjustmentrangeis0~40dB,thebandwidthcanbesetto5MHz,tomeettheneedsofpost-signalprocessing.ThissystemtakesthreecontrollablegainamplifierVC810asthecore,toachieveabroadbandDCamplifierfunctions.LaststageopampTHS3001current-constitutedpoweramplifiercircuit,toachieve50Ωload2VRMSnoobviousdistortionwaveformoutput.ThesystemcontrolcenterfortheMSP430F149microcontrollerminimumsystem,itsmainfunctionistoadjusttheamplifiergainandsuppressionProgrammableDCzerodriftamplifiergaincanalsobedisplayedinrealtime.Circuitdesign,clarity,andprecisionintegratedcircuitsarehigh,andinteractiveuser-friendly,easytocontrol,welldoneallthebasicquestionsandplayrequirements.
Keywords:
VCA810;widebandDCamplifier;digitalprogram-controlled;adjustablegain.
1引言
本题要求制作一个高增益的宽带直流放大器，该放大器在带宽范围内有较好的线性度、较大的输出幅度和较强的负载驱动能力。
另外，能够步进和预置增益值，并能够数字显示。
发挥部分希望能够进一步提高增益，提高输出电压的幅度，减少噪声。
此题的指标较多，要求较高，重点和难点如下：
（1）对宽带信号（0～5MHz）进行可变增益放大。
（2）在50Ω负载下，输出电压有效值≥2V。
（3）进一步提高增益，提高输出电压的幅度。
本设计采用压控增益器件，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级功率输出，全面提高了增益带宽积和输出电压幅度。
应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。
而且综合应用了电容去耦、滤波、使用屏蔽线传输信号等抗干扰措施以减少放大器的噪声并抑制高频自激。
经验证，本方案完成了全部基本功能和部分扩展功能。
2.方案设计与论证
2.1总体方案描述
本系统最前级为一级OPA691电流反馈行运算放大器，其后为第二级程控放大VCA810。
最后为利用THS3001所做成的第三级功率放大电路。
通过峰峰值检测电路将反馈信息及时输出。
利用MSP430F149单片机、触摸彩屏组成的最小系统作为控制系统，具有控制方便、功耗低的特点。
另外，还制作了满足放大器要求所用的直流稳压电源。
具体方案流程图如图2-1所示。
图2-1系统总体框图
2.2微处理器模块的比较与论证
方案一：
用单片机MSP430F149作为系统的主控核心。
此单片机具有体积小，使用灵活的，易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能等优点。
方案二：
用FPGA等可编程器件作为控制模块。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，密度高，速度快，稳定性好等许多有点。
FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置，因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序。
并且FPGA作为数字逻辑器件，竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。
在此系统中，采用单片机作为控制比采用FPGA实现更简便。
基于综合性价比，确定选择方案一。
2.3信号放大模块的比较与论证
方案一：
利用OPA691单运放实现对有效值15mV输入的小信号放大15dB的功能，使输入信号有效值达到106.06mV。
方案二：
利用IN128仪表运放作为前期的信号处理，差分放大可以处理10mV一下的信号，但是考虑到本作品的带宽范围比较广，而IN128的带宽不达要求，小组讨论决定放弃此方案。
最后经小组讨论利用OPA691运放实现前期信号的放大。
2.4程控放大模块的比较与论证
方案一：
采用场效应管或三极管控制增益。
主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，本方案由于采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。
方案二：
为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用高速乘法器型D/A实现，比如AD7420。
利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出。
用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。
此方案简单易行，精确度高，但经实验知：
转化非线性误差大，带宽只有几kHz，而且当信号频率较高时，系统容易发生自激，因此未选此方案。
方案三：
根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现（如运放VCA810）。
其特点是以dB为单位进行调节，可调增益±40dB，可以用单片机方便地预置增益。
方案三电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。
所以本系统采用方案三。
2.5滤波模块的比较与论证
方案一：
LC无源滤波器，利用FilterSolutions2009软件仿真LC无源滤波电路，由于此次课题是第一次使用FilterSolutions2009软件，以防此软件设计出来的高频率电路不可靠，所以经小组成员讨论后，此次作品没有采用此方案。
方案二：
RC有源滤波器，RC网络起着滤波的作用，它将使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号，通过运放的跟随它具有输入阻抗高，输出阻抗很低的特点,有前后级的匹配容易，而且效果良好，经小组讨论选择采用此方案，搭建四阶的有源滤波电路。
2.6程控放大模块的比较与论证
方案一：
使用分立元件搭建的功率放大电路，这种方法制作成本低，但是电路制作比较复杂，而且稳定度和精度难以达到很高。
方案二：
采用多级集成电流型运放并联推挽的方法，采用两片集成运算放大器并联组成末级功率放大电路。
并联不仅结构简单，还可以提供较大的输出电流。
方案三：
使用THS3001单运放，具有420MHz的-3dB带宽和良好的带内平坦度，且不用多级并联扩大电流，十分方便。
且输出波形无明显失真。
为了达到更高的稳定度和精度，系统选用方案三。
2.7显示模块比较与论证
方案一：
采用普通LED显示。
其优点是元器件价格低廉，而且外围电路简单。
但是扫描要占用大量的I/O口资源，还增大了单片机的运算开销，显示的信息也不够丰富。
方案二：
采用LCD液晶彩屏显示。
其优点是显示信息非常丰富，可以很形象的显示信号发生器的各个参数。
同时颜色多样，不会很单调。
占用的I/O资源比较少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。
鉴于本系统的扩展要求，我们采用LCD液晶作为我们的显示模块。
同时写入彩屏程序，使其更生动直观。
2.8理论分析及计算
2.8.1带宽增益积
带宽增益积（GBP）是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数表示增益和带宽的乘积。
按照放大器的定义，这个乘积是一定的。
题目中发挥部分要求放大器最大电压增益AV_60dB，即Gain_1000V/V。
放大器的通频带0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积为
GBP=1000*10M=10G
另有AV_40dB，即Gain_100V/V。
放大器的通频带0～5MHz，带宽增益积为：
GBP=100*5M=5G
单个放大器是很难达到10G的GBP，所以我们考虑多级放大器级联。
经过查阅手册，OPA691的GBP为450M，级联上后级的VCA810和THS3001，足以达到题目要求。
2.8.2通频带内增益起伏控制
题目中要求通频带内增益起伏_1dB，本设计采用的是巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减，符合题目要求。
经过滤波器设计软件FilterSolutions和仿真软件Multisim仿真，发现4阶的时候即可达到题目要求。
2.8.3放大器稳定性
（1）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。
安装时尽量靠近IC电源和地。
（2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。
（3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用屏蔽线，信号输入输出使用
SMA-BNC接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。
（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和电源地一点相连。
3系统硬件及软件的实现
3.1硬件实现
3.1.1微处理器电路
本作品用的MSP430F149最小系统电路如图3-1所示。
图3-1微控制器电路图
3.1.2信号放大模块
本作品的信号放大模块利用OPA691运放实现对有效值10mV输入小信号,放大15dB的功能，使输入信号有效值达到106.6mV。
电路图如图3-2所示。
图3-2信号放大电路图
3.1.3滤波模块
本作品采用OPA691搭成5M的滤波电路，电路图如图3-3所示。
图3-35M滤波电路图
3.1.4程控放大模块
本作品可控增益调节部分使用了压控增益放大器VCA810，VCA810在宽频带工作模式下，增益控制范围为-40dB～+40dB，且控制电压与增益dB数成线性关系，满足设计要求。
如图3-4所示。
图3-4VCA810程控放大原理图
3.1.5功率放大模块
采用两片集成运算放大器并联组成末级功率放大电路。
并联不仅结构简单，还可以提供较大的输出电流，输出波形无明显失真。
该电路选用电流反馈型放大器THS3001，两片并联最大输出电流可达500mA。
电路图如图3-6所示。
图3-6THS3001功率放大原理图
3.1.6直流稳压模块
系统需要±18V的供电，稳压电源的设计采用7805、7905等三端稳压芯片，产生±5V、±12V的电源电压。
具体电路如附图3-7所示。
图3-7线性电源原理图
3.2软件实现
系统以单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程。
程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。
系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现，主要负责波形及参数，控制档位的切换和人机交互。
而人机交互采用触摸彩屏输入，通过触摸彩屏可设置波形类型、频率等参数。
其主要流程图如图3-8所示：
图3-8软件流程图
4.系统测试
4.1主要测试用的仪器及条件
●数字信号源：
SG1040数字合成信号发生器
●60M数字存储示波器：
型号TektronixTDS1002
●万用表：
型号FLUKE17B
●自制电源
●温度：
35℃
4.2测量方案及测试结果
（1）电压增益测试
根据题目要求，当测试的增益Av≤40dB时，输入电压有效值固定为10mV；当测试的增益Av≥40dB时，输入电压有效值固定为15mV，并选取频率为1MHz进行电压增益测试。
测试数据表格见表4-1。
表4-1电压增益测试数据
Vi有效值
设置增益
Vo有效值
实际增益
10mV
40dB
1.10V
40.8dB
15mV
40dB
1.61V
40.6dB
20mV
40dB
1.98V
39.9dB
（2）通频带带宽及增益起伏测试
这项指标的测试方法为：
设定系统带宽，在通频带内选择一些频率点进行电压测试，对测试表进行分析得出通频带带宽及增益起伏。
测试条件为增益40dB，输入电压有效值10mV，测试数据表格见表4-2。
表4-25MHz带宽通频带测试数据
频率
输入VI（有效值）
输出VO（有效值）
增益
10Hz
10.0mV
1.04V
40.3dB
10KHz
10.0mV
1.06V
40.5dB
1MHz
10.0mV
1.10V
40.8dB
5MHz
10.0mV
1.09V
40.7dB
（3）平稳度测试
在输入峰峰值为20mV时的增益及测量频率，见表4-3。
表4-3平稳度测试数据
频率
频
益
增
增益
1M
2M
3M
4M
5M
20dB
1.70V
1.60V
1.52V
1.50V
1.41V
40dB
3.21V
3.14V
3.03V
2.99V
2.82V
4.3测试结果分析
系统在所有指标和功能上都满足题目要求，由于信号源发出的小信号自身带有较大的偏置电压，当增益较大时，偏置电压也会被放大到较大幅度，对系统指标测试造成影响。
所以在放大小信号时采用大电压通过电阻网络衰减输入的方法进行测试，测试数据符合设计指标要求。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础.（模拟部分）[M].（5版）.高等教育出版社,2005
[2]童诗白等.模拟电子技术基础.第3版[M].高等教育出版社,2001
[3]柯常志等.精通ProtelDXP[M].中国青年出版社,2003
[4]阎石.数字电子技术基础（5版）[M].高等教育出版社,2006
[5]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京理工大学出版社，2009
[6]黄立春等.全国大学生电子设计竞赛教程.基于TI器件设计方法[M].电子工业出版社，2011
附录
附录1题目完成情况
题目要求完成情况如表5-1所示。
表5-1题目要求完成情况
题目要求
完成情况
基本部分
输入电阻≥50Ω
完成
负载电阻50Ω
完成
最大输出电压正弦波有效值Vo≥2V，输出信号波形无明显失真
完成
电压增益AV≥40dB，输入电压有效值Vi≤20mV。
AV可在0～40dB范围内手动连续调节。
完成
3dB通频带0～5MHz；在0～4MHz通频带内增益起伏≤1dB
完成
设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压线性电源
完成
附录2系统部分电路
升级会员 