可变增益宽带直流放大器(绝密文件)

1、中南民族大学 计算机科学学院电子设计竞赛报告竞赛题目 可变增益宽带直流放大器 学院 计算机科学学院 专业 自动化 参赛学生 组长 陈明 学号 2012213408联系电话组员 邓贵 学号 2012213477 组员 雷建国 学号 2012213457 指导老师 王超 张志俊 自动化电赛实验室 12级测控组通用可变增益放大器（D）摘要 通过对目前放大器的增益和控制方法进行分析和比较，该设计提出了一种简单易行的控制方案，采用了分级设计匹配互连的思想。该设计分为电源部分、电压控制放大部分、档位选择控制部分、两级固定增益部分和后级电压输出部分。此设计通过继电器对各个部分的连接

2、进行匹配切换，使整个系统的放大倍数在所需的-20dB0dB，0dB20dB，20dB40dB，40dB60dB四个档位之间转换。通过最后一级功率的放大，使输出部分获得幅度远大于±8V，并且很好的抑制了零点漂移问题。该设计除了满足题目的基本部分和发挥部分要求外，我们还充分发挥各级之间的创新，并把它融入系统中，设计出一个可控范围大、输出稳定高、低温漂、幅频特性良好、抗干扰能力强的可变增益放大器。该设计采用单端输入，单端输出方式实现增益连续调节，输入阻抗有50和大于10M可选，电路输出阻抗有0和50可选。 ABSTRACT Through the current amplifier gai

3、n and control methods for analysis and comparison of the design of a simple control scheme is proposed , using a hierarchical design to match the interconnect ideas. The design is divided into power section , the voltage control amplification section , gear selection control section , rear section a

4、nd two fixed gain level voltage output section. By this design of various parts of the relay connection switching match , so the magnification of the entire system 0dB, 0dB 20dB, 20dB 40dB, 40dB 60dB conversion between four gear required -20dB . By the end of a power amplification, the output sectio

5、n to get much larger than ± 8V, and good suppression of the zero drift problem. In addition to meeting the basic part of the design of the subject and played part of the requirements , we also give full play between levels of innovation , and put it into the system , the design of a controllabl

6、e range, high output stability , low temperature drift , amplitude-frequency characteristics good , strong anti-jamming capability variable gain amplifier. The design uses a single-ended input , single-ended output achieved continuous gain adjustment, input impedance of 50 and greater than 10M optio

7、nal circuit output impedance of 0 and 50 optional 目录目录3要求31、基本要求32发挥部分4一、方案论证与比较41、电压控制放大部分4方案一：4方案二：5方案三：52、档位选择控制部分5方案一：5方案二：5方案三：53、末级电压输出部分6方案一：6方案二：6方案三：6二、 系统设计7A.硬件设计部分71、总体设计思路72、主要电路原理分析与计算72.1、电压控制放大部分72.2、档位控制及固定增益部分82.3、末级电压输出部分9B.软件设计部分10三、系统测试方法与测试数据111、测试仪器112、测试方法与测试数据113、测试结果分析1331测

8、试结果分析1332误差分析1333 测试心得13四、总结13五、 附录113附录214要求1、基本要求（1）放大器在DC1MHz带宽范围内最大不失真输入、输出信号幅度不低于±3Vpp；（2）放大器的电压增益可设为三档：-20dB0dB，0dB20dB，20dB40dB，放大器在同一档位时增益线性度不低于1%；（3）增益为100时，输出大信号幅度波动不超过5%；（4）增益为100时、输入端短路，输出端电压值不超过±5mVpp；（5）放大器输入端阻抗大于10MW，并有过压保护能力；（6）放大器输出端阻抗为50W。2发挥部分（1）放大器在DC1MHz带宽范围内最大不失真输入、输出

9、信号幅度不低于±6Vpp；（2）放大器的增益可设为四档：-20dB0dB，0dB20dB，20dB40dB，40dB60dB，放大器在同一档位时线性度不低于0.5%；（3）增益为1000，在DC5MHz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50W，外接负载50W，在DC5MHz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±20mVpp；（6）其他一、方案论证与比较1、电压控制放大部分方案一： 利用模拟乘法器实现可变增益（具有放大和衰减两个功能），其中模拟乘法器的一路输入需要放大的信号，另一路通过单

10、片机控制DAC来实现数值的改变从而实现对放大倍数的调整；再利用单片机控制继电器进而实现所要求的输入阻抗值，输出阻抗值。由于乘法器电路的性能主要取决于电路的对称精度以及对非线性部分去除能力，而在实际设计过程在很难达到这两方面。因此不宜使用此方案。方案二： 采用数控电位器实现增益控制。主要思想把输入的直流宽带信号先放大20dB,然后用数控电位器进行分压衰减。1024等分的电位器可以实现最小小于1dB。但是控制的数字量和放大倍数在后级不成比例，所以造成增益调节不协调，精度不准。因此难以达到此题目要求，故不选择此方案。方案三：采用具有高输入阻抗的芯片THS3091在VCA810前面做电压跟随器。因为T

11、HS3091集成芯片放大信号频率可到210MHz，并且集成运放构成的电路性能比较好，易于调试，满足题目的高带宽要求，同时也满足题目对输入阻抗的要求。因此采用此方案。2、档位选择控制部分方案一：分别设计放大和衰减电路，采用程控开关芯片进行电路选择。此方案方便对电路进行控制，但对放大和衰减电路要求非常高，且程控开关芯片对信号的干扰也比较严重，多路选择之间漂移误差严重，因此只能放弃。 方案二： 用程控放大芯片（可实现放大和衰减）设计多级增益电路，通过用单片机控制各级的增益，实现题目要求。但因程控芯片在单片机控制下不稳定，无法实现稳定的增益值，且多级串联误差更大，很难实现精确的信号处理，因此只能放弃。

12、方案三： 通过单片机来控制继电器的通断，进而实现输入阻抗值，输出阻抗值的选择匹配。同时使用单片机来控制继电器对电压控制放大部分、档位控制两级固定增益部分和后级电压输出部分三个模块进行选择性级联，同时利用单片机输出电压调节VCA810可控增益部分，达到切换档位及其可调的目的。此方案简单实用，是目前实验条件下最好的选择，流程如下图。因此采用此方案。3、末级电压输出部分方案一：采用桥接推挽功率放大电路，该电路无信号输入时，电桥处于平衡状态，可以用较低的电源供电获取足够大的输出功率，但由于该电路需要两个大小相等，方向相反的信号进行激励，且对电路调试要求高，很难做出理想的电路，因此不采用此方案。方案二：

13、 采用功率放大芯片TDA2030做后级放大，TDA2030A能在最低±6V最高±22V的电压下工作在±19V、8阻抗时能够输出16W的有效功率，完全可以驱动50的负载，但是因为输入信号频率太高，TDA2030适合做音频放大的功率放大部分或小型功放，不能满足本题要求，因此不采用此方案。方案三：采用THS3091放大输出。由于前级放大部分主要是放大电压，电流很小，所以要带负载就得在末级放大电流。THS3091是一款具有高输出电流、低偏置电压、高压摆率的芯片，能稳定放大输出电压和带负载能力很强。该方案完全满足了题目的要求，因此采用此方案。2、 系统设计A.硬件设计部分1

14、、总体设计思路图-1 系统总体框图 综合各方面的考虑后，该设计通过采用单片机控制增益可变部分VCA810和控制继电器选择固定增益部分进行级联来控制档位，设置过压保护。系统程控增益放大部分采用VCA810压控放大器进行控制，使增益在0.1-10.0的范围内可调，根据输出电压幅度和输出阻抗的要求，中间级芯片由继电器控制级数构成，控制电路的放大倍数为10100，1001000通过控制电压获得0.1%的步进增益值，后级电压输出采用THS3091两级并联的方法输出电压，设置抑制零点漂移的调零电路，整体电路成本低，可行性高。系统总体设计方案如图1所示。2、主要电路原理分析与计算2.1、电压控制放大部分 本

15、部分由THS3091跟随电路、VCA810压控放大、OP07控制电压三部分组成，为满足输入阻抗可开关设置为大于10M或50，将50的电阻用开关控制接入电路，因为THS3091有很高阻抗，所以用一个THS3091获得高阻抗，再并连有两个二极管构成过压保护电路，电路图如图2所示。 图-2放大倍数计算： VCA810的增益控制电压在0 -2V之间（VCA810引脚3号脚），增益范围在-40dB+40dB之间可调。但单片机只能提供正电压，所以在VCA810前面运用OP07做反相器。根据题目要求，要实现整体放大倍数的档位匹配，所以单片机对VCA810的控制电压为0.5V+1.5V之间，放大倍数在-20d

16、B0dB，0dB20dB之间。VCA810的增益与控制电压取值相应关系如图-3。 图-32.2、档位控制及固定增益部分 本部分电路由继电器、OPA820和THS3061组成。此处两个运放得到两个固定的增益，都是10倍的关系。集成运放由继电器选择性的接入电路，使得电路有10100、1001000的档位。由单片机控制前级VCA810的控制电压，就可以得到0.1%的步进增益值。固定增益部分设计电路图如（图-4）： 图-4放大倍数的计算：该设计采用同相放大，计算如（11）所示：Vout=(1+R2/R1)*Vin (11)2.3、末级电压输出部分 由于前级主要放大电压，电流很小，要带一定的负载，就得选

17、择合适的功放芯片，此部分电路选择THS3091高输出电流、低偏置电压、高压摆率芯片。高增益宽带宽的前提下控制输出信号幅度的波动范围，较小输出波形的失真度，电压放大电路部分采用THS3091两级并联的电路形式，输出电流是单个运放电流的两倍，得到较高输出电流、较稳的输出电压幅值和相应的输出阻抗，具体电路如图4所示：图5B.软件设计部分程序流程图说明：开始系统初始化键盘扫描（是否有键盘按下）按键控制电压输出变化根据按键执行各子程序刷新数码管显示（送至ADC转换）继续键盘扫描。三、系统测试方法与测试数据1、测试仪器表1 测试仪器仪器名称（型号规格）：双踪示波器：TDS2002/60MHz/1GS/s标

18、准高频信号发生器：QF1055A直流信号源：EM1715万用表：MY-652、测试方法与测试数据21、测试选择-20dB0dB档。用单片机产生0.9V1.1V控制电压，继电器选择相应级数控制为0.11档。 22、测试选择0dB20dB档。用单片机产生0.9V1.1V控制电压，继电器选择相应级数控制为110档。 23、测试选择20dB40dB档。用单片机产生0.9V1.1V控制电压，继电器选择相应级数控制为10100档。 24、测试选择40dB60dB档。用单片机产生0.9V1.1V控制电压，继电器选择相应级数控制为1001000档。基本部分和发挥部分的测试数据记录于表-2表2 基本部分测试数据信号输入（mV） 直流信号输入： 0mV10mV可选择输入频率 增益Ui=6mV(预设)前级测试点Uo1=_中级测试点Uo2=_末级测试点Uo3=_结果测试点Uo=9V（预得结果）f=100Hzf=10KHzf=100KHzf=1Mf=2Mf=4Mf=5M过压保护输入阻抗 都有过压保护输出阻抗整个电路表4 发挥部分测试数据直流信号输入（mV） 信号输入范围：幅度Ui=010mV 信号输出信号幅