仪放及VGA可控增益电路设计说明书

1、华中科技大学启明学院电工电子科技创新中心文档名称文档资源编号仪放及VGA可控增益放大设计说明书文档版本012.0仪放及VGA可控增益放大设计说明书拟制:赖癸仲周汪磊日期：2015-05-09审核:赖癸仲周汪磊日期：2015-05-10文档版权声明本文档版权归华中科技大学电工电子科技创新中心网站所有，未经本网站授权不得向任何其它企业、网站、论坛或个人上传、拷贝或其它方式传播本文档内容。修订记录日期修订版本修改描述 作者2015-05-091.0报告初稿周汪磊,赖癸仲2015-05-102.0附录补充周汪磊,赖癸仲目 录目录1.方案设计51.1总体方案系统框图51.2仪表放大器的选择51.3 AG

2、C设计选择62.理论分析与计算62.1.仪表放大器的相应计算62.2 VGA的电路设计73.硬件电路设计73.1.仪表放大器的电路设计73.2 VGA程控放大电路83.3自动增益控制AGC的电路设计94.软件设计分析104.1软件流程及框图105. 系统测试与总结115.1.测试方案111）测试环境112）测试方案：115.2.测试用例及结果115.3.总结12关键词：INA128,VGA,VCA摘 要：本次系统分为俩个部分分别为仪放和VGA板的焊接使。其中仪放使用INA128为核心完成放大，VGA及AGC以VCA810为核心完成放大，VGA增益放大通过程序控制键盘调节，AGC采用分立元件产生

3、增益控制电压。测试表明本系统各功能均已达到或超出了题目要求。1. 方案设计1.1总体方案系统框图本系统分为两部分，一部分为仪表放大器的设计，一部分为可变增益放大器VGA的设计。系统框图分别如图一图二所示。图一仪表放大器设计图二可变增益放大器AGC的设计1.2仪表放大器的选择题目所给要求仪放增益400倍，输出峰峰值10V条件下3dB带宽不小于10kHz，且仪放共模抑制比优于60dB，为了满足题目要求，本系统选择常用的INA128，该芯片在增益1000倍的情况下3dB带宽不小于20KHz，共模抑制比可达120dB以上，完全符合题目要求，而另一款备选芯片INA118在增益1000倍情况下3dB带宽为

4、7KHz，与题目400倍3dB带宽10KHz的要求相近，很可能不满足要求故而不选用INA118而选用远远超出题目要求的INA128。1.3 AGC设计选择为了实现自动增益控制AGC，我们思考了以下两种方案方案一：采用与VGA程控放大相同的思路通过程序检测输入信号，自动调节对应控制信号使输出保持稳定，这样的方案硬件电路设计相对简单，但是对单片机运算要求高。方案二：采用分立元件产生增益控制电压达到自动增益控制的目的，这种方案不需要程序控制，但是硬件电路相对更为复杂。考虑到题目要求输入峰峰值突变后能在0.5秒内，稳定输出峰峰值到1V±0.1V。0.5秒的反应时间，考虑到一般运放的压摆率，分

5、立元件产生增益控制能远远超出题目要求。而通过程序控制信号来根据输入改变信号的方案，由于涉及对数运算，0.5秒对单片机而言很可能不够故而最终本系统选择分立元件产生增益控制电压的方法。2. 理论分析与计算2.1. 仪表放大器的相应计算根据题目要求，仪表放大器仪放增益400倍，输出峰峰值10V故而输入的信号为峰峰值0.025V的信号。为了产生该信号采用电阻分压的方式从峰峰值12.5V的信号源采集相应电阻比为1：500，即采用1M和2K的分压电路。而对于400倍的增益产生根据，可以得出。对于共模抑制比CMRR有，直接在电路输入添加共模电压测量其最后输出差模电压增益与共模电压增益的比值。2.2 VGA的

6、电路设计本次VGA设计电路电路增益在 30dB内调节，且信号最大频率为5MHz，芯片VCA810的Vc引脚电压在-2V0V时，增益范围-40dB40dB，其增益控制带宽为25MHz，且其带宽和压摆率不随增益变化而改变，完全能满足所需的技术指标，所以选用增益可调控的芯片VCA810；由VCA810芯片有可知当，G=-30dB，G=30dB。在此范围内增益随电压的变化线性变化。又最大输出峰峰值2V，此时增益为30dB故信号输入端峰峰值V，设计输入端电阻分压50倍，即有峰峰值3.16V的信号输入。对于Vc端的DA输出，由于DA的带负载能力不强故而可以选用电压跟随器来保证，此外，Vc端电压输入要求为负

7、电压，而DA输出为正电压，故而需要一个反相器。3. 硬件电路设计3.1. 仪表放大器的电路设计仪表放大器部分相对较为简单，对于增益500倍的电路如下图三所示：图三仪表放大电路利用跳线对电路进行小改动即可完成对共模抑制比的测量，具体电路如图四所示：图四仪放共模抑制比的测量3.2 VGA程控放大电路由2.2理论分析可知，电路由VCA810的应用电路与对程序输出DA处理电路两部分组成。DA的处理先通过反相器再通过电压跟随器最后进入VC810的端，具体电路如图五：图五VGA程控放大电路其中主要注意的还是对VCA810的输入电源的电容滤波，为了保证电压的稳定同时并联一个大电容与小电容。3.3自动增益控制

8、AGC的电路设计AGC的电路设计主要由可变增益放大器和检波整流控制反馈两部分组成，由题目要求输入50Hz5MHz的交流信号峰峰值2mV2V，而VCA810的增益带宽为25MHz完全能满足题目要求，因此仍选用VCA810作为可变增益放大部分电路，由于5MHz频率较高，因而接入了50电阻进行阻抗匹配。对于检波整流控制反馈部分，由于对于VCA810，Vc电压与增益成反比，而电容维持vc电压，电压超过vbe时三极管导通，电容充电增益减小，电压小于vbe时，三极管截止，电容放电，电压下降，增益增大。从而实现自动增益控制。为了确保输出电压的负载，同样的我们在输出端接入了一个电压跟随器，具体电路图如图六所示

9、： 图六自动增益控制AGC电路设计4. 软件设计分析4.1软件流程及框图软件设计的总体流程框图如图七图七软件设计总体框图 本次VGA程控放大通过按键输入增益值或步进调节增益值，LCD液晶屏显示相应的dB值，通过运算转化后将相应的dB值转化为对应的Vc值并对其作DA转化输出。5. 系统测试与总结5.1.测试方案1）测试环境测试在正常室内环境下，具体测试仪器如表一表一 测试仪器名称型号数量示波器TektronixDPO 2012b数字示波器1函数信号发生器EE1420型DDS合成函数信号发生器1直流稳压电源DF1731SL1ATA 稳压源12）测试方案：用直流稳压电源对本系统进行供电，输入函数信号

10、发生器产生的信号，用示波器分别测量仪放的放大倍数，共模信号增益，差模信号增益。用示波器测量VGA实时输入输出增益。5.2.测试用例及结果1） 仪表放大器放大倍数测试：表二仪表放大器放大倍数测试分压后输入信号输出理论输出偏差频率5000Hz5001Hz5000Hz0.02%幅值0.025V9.96V10V0.4%2） 仪表放大器共模抑制比的测量表三仪表放大器共模抑制比的测量共模输入共模输出差分放大倍数共模抑制比12v0.048V4001003） VGA程控增益的测量表四VGA程控增益的测量输入信号/v输出信号/v程控显示增益/dB实际测试增益/dB误差0.0632.02V30dB30.10dB0.1dB0.0631.61V28dB28.14dB0.14dB0.0631.28V26dB26.16dB0.16dB4） AGC自动增益控制的测量表五AGC处理后输出信号测试输入信号频率输入信号幅值输出信号幅值观察到稳定波形时间800Hz300mV1.01V远小于0.5秒2MHz1.00V1.03V远小于0.5秒2000Hz30mV0.99V远