增益带宽可调放大器

1、增益带宽可调放大器 摘要：本系统是由前级稳定放大电路，程控增益放大电路，程控的低通滤波器，功率放大电路，峰峰值显示和检测模块组成。前级稳定放大电路，由低噪声，单位增益稳定的OPA637实现。程控增益放大电路则是用VCA810，通过提供偏置电压来改变放大的倍数。程控低通滤波则是以控制Max5160来改变电阻值实现对两阶的巴特沃斯低通滤波器截止频率的调整，。功率放大电路则是用THs3091。峰峰值显示和检测，通过有效值采集芯片AD637，使系统输入为正弦波时，输出电压的峰峰值和有效值的数字显示功能。关键字：可变增益放大器，程控滤波器，THS3091，AD637目录一、系统方案设计31. 系统总体构

2、成（设计框图）32.方案比较3（1）缓冲放大部分3（2）压控增益电路4（3）程控滤波电路4（4）功率放大模块4（5）有效值采集模块5二.数据分析51.增益带宽积52. 增益分配分析53.通频带内增益起伏控制54.抑制零点漂移65.放大电路稳定6三.电路设计61. 缓冲放大部分62.可控增益程控放大73. 程控滤波电路74. 功率放大模块85.有效值检测电路9三.测试方法与数据101.测试仪器102.测量方案与数据10(一)可控电压增益40dB测量及峰峰值的检测10（二）滤波器上限截止频率的检测11（三）超上限后增益衰减测量12（四）输出最大不失真峰峰值电压123.结果分析12五.参考文献13六

3、. 附件13一、系统方案设计1. 系统总体构成（设计框图）信号经过缓冲放大区，实现10倍的稳定放大，然后经过用单片机控制的压控增益电路和截止频率可控的滤波电路。为了驱动50欧姆的负载电阻，使信号再通过一个功率放大电路，然后接上负载电阻。经过有效值检测电路，将所测输出电压有效值，所控制的放大倍数以及所处的截止频率值，显示在LCD屏幕上。电源缓冲放大压控增益电路滤波电路功率放大有效值检测430单片机2.方案比较（1）缓冲放大部分方案一：由三极管等分立元件组成的放大电路实现电压跟随,本方案由于主要采用分立元件电路比较复杂,难于调试,尤其增益的定量调节不易实现。方案二：输入缓冲放大部分采用运算放大器O

4、PA670，其增益宽带积为500MHz，可以实现输入信号10倍的增益放大。 因而选择方案二。（2）压控增益电路方案一：使用Max5160数字电位器和opa820，构成一个反馈阻值可控的放大电路。Opa820的增益带宽积为480MHz，可以满足放大电路增益到100倍时，3MHz频率信号的通过。方案二：VCA810是一个宽带、连续变化、电压控制增益放大器。增益线性范围为-40dB到+ 40dB在dB / V。零差分输入电压提供了一个带有小的直流偏移误差0V输出。低输入噪声电压，确保在最高增益设置好输出信噪比。因而使用方案二，采用VCA810作为压控增益，电路简单。（3）程控滤波电路方案一：采用RC

5、 滤波电路，Max5160数字电位器，改变R阻值，但RC 滤波衰减很大；方案二：利用高速宽带运放OPA690 设计二阶巴特沃思滤波器，其通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。通过Max5160来改变滤波电路的电阻参数，以实现控制截止频率。因而采用方案二（4）功率放大模块方案一：采用THS3001，可达增益要求，但其增益不可调。方案二: THS3091是一种高电压，低失真，低噪声的放大器，宽带：210兆赫（G = 2时，基因Rl = 100），其性能高，精度高，性能好，能够实现很好的放大。（5）有效值采集模块方案一：采用AD736，其转换精度为（mv±

6、%RD)为0.5±0.5（max），低成本级的AD736的精度与8位A/D转换的精度相同,高等级和AD736的精度高于8位A/D的转换精度,且它的3dB带宽为0.4MHz，它的性能都不及AD637。方案二：AD637是当前国际上转换精度最高及频带最宽的真有效值转换器，转它的3dB带宽为8MHz，在电源为正负5V供电情况下，当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V4V范围内能保证测量误差。经论证，选择AD637。二.数据分析1.增益带宽积带宽增益积(GBP)是用来简单衡量放大器性能的一个参数，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。按

7、照题目发挥部分的要求，信号的通频带为20Hz5MHz，最大电压增益AV>40dB,则增益带宽积为：5 M×10（40/20）>500MHz ,又输出最小不失真峰峰值10V ,我们采用分级放大的方式，使放大器整体增益超过40dB.尽量满足达到最小峰值的发挥要求。2. 增益分配分析由于考虑到增益越大，频带宽度窄，整个结构的增益设计，经过前级的缓冲放大区放大10倍（20dB），VCA810可以实现-40dB-+40dB压控增益，这里设计其可以实现放大-26dB-+14dB的增益控制，功率放大电路则是采用6dB的增益控制。3.通频带内增益起伏控制在设计放大器频率范围从DC到5M，

8、在5M的通频带内增益平坦。所以选择通带最平坦的巴特沃紫滤波器来设计带宽。OPA690在100MHz频带下的增益误差为0.1dB,VCA810增益起伏为0.3dB，THS3091在±15V电源供电时，增益为2倍的情况下，增益起伏小于0.1dB，均满足指标要求。4.抑制零点漂移由于集成电路都有输入失调电压，经过高增益的放大使得输入失调电压放大。通过在前两级放大电路间的输入和反馈间加上电位器，来调节输入输出级之间的失调电压。5.放大电路稳定为了尽可能的减小干扰，避免自激，在布线和走向上有做一些考虑。构建闭路环，严格按照信号走向布线。整个运放使用较粗的地线包围，缩短地线回路，并可吸收高频信号

9、减小噪声；各部分摆放位置按照信号走向，减小板与板之间的连线长度。三.电路设计1. 缓冲放大部分使用OPA690，进行正向10倍放大。OPA690增益带宽积为500MHz，单位增益稳定，满足放大10倍，上限的截止频率达到5MHz的要求。通过一个正向反馈运算放大的设计，加正负5伏的电源来供压。2.可控增益程控放大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，满足增益控制要求。采用12位的DAC，TLV5616与单片机连接来产生不同幅值的模拟电压信号.再通过OPA2340方向放大电压，来控制VCA810.3. 程控滤波电路采用巴特沃斯二阶低通滤

10、波电路，如下图所示。由于巴特沃斯滤波器的原理，R1和C2构成一个低通级，R3和C1构成积分环节，传递函数H(s)：Hs=V0(s)Vi(s)=-R2R1s2R2R3C1C2+sR2R3C11R1+1R2+1R3+1H0s=-R2R1 f0=12R2R3C1C2 Q=(R1/R2/R3)C2R2R3C1将R3用数字电位器Max5160来代替，通过430单片机控制Max5160的输出阻值来达到程控滤波。4. 功率放大模块末级采用高电压，低失真，电流反馈运算放大器THS3091 增大驱动负载的能力。THS3091为功率放大芯片，输出电流250mA，其增益带宽积为420MHz，本系统设计放大2倍，用正

11、负12伏的电压做提供的电源，来满足输出的最大不失真峰峰值可以达到10V。5.有效值检测电路AD637是集成度高的整流滤波芯片，可以克服小信号的带来的误差，有较高的精度。AD637是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的交直流转换电路，对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，另外，AD637还具有电源自动关断功能，使得静态电流从3mA降至45µA.，可以测出任意波形交变信号的有效值，实验数据表明，在电源为正负5V供电情况下，当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V4V范围内能保证测量误差。图像如下图所示：

12、三.测试方法与数据1.测试仪器序号名称型号规格数量1DG1022任意波形发生器12普源DS1052E数字示波器13DF1731-SB3A直流稳压电源14UT39A数字万用表12.测量方案与数据(一)可控电压增益40dB测量及峰峰值的检测测量方法：用函数发生器产生1KHz，峰峰值为27mV的正弦信号，通过调节单片机上的按键，来控制增益放大倍数，并做计数测量。输入峰峰值（mv）所设计的增益(dB/倍数)示波器显示峰峰值/mV示波器显示有效值/mV峰峰值测量电路显示值增益误差峰峰值测试误差270/ 126.319.6200%2%3/ 1.414027.8265%4%6/2.005234.7343%2

13、%9/2.818057.2585%1%12/3.9811986.38510%0.3%15/5.62160112.61105%0.3%18/7.94214150.21460.1%0.7%21/11.22280193.91897%0.9%24/15.85412290.42873.7%1.2%27/22.39591418.64152.2%0.8%30/31.62822580.05713.7%1.7%33/44.691100769.77548.8%2%36/63.0917001204.311950.2%0.7%39/9023401655.816424.1%0.8%40/1002670188018671

14、.1%0.6%（二）滤波器上限截止频率的检测测试方法：在系统放大倍数为40dB时，Vpp=27mV，调节信号发生源频率值，用示波器观察输出峰峰值达到最大值峰峰值0.707倍时，验证其上限截止频率范围。（三）超上限后增益衰减测量测量方法：调节系统截止频率到5MHz，输入的信号源Vpp为20mv，改变输入频率，测量并记录输出的电压峰峰值。信号输入频率输出峰峰值/mV5MHz8246MHz7527MHz6168MHz4809MHz42010MHz280（四）输出最大不失真峰峰值电压测量方式，在调到系统最大增益的条件下，不断增大信号源的输入电压，观察示波器，看最大不失真电压：3.结果分析1.电路系统的

15、放大增益在误差允许的范围内，可以达到40dB；2.Av的在040dB内，可以通过用单片机控制并显示增益步进，该设计的增益步为1dB。3.最大增益下，系统的上限的截止频率可以达到3MHz。4.放大电路的输出最大不失真峰峰值电压达到7V。5.峰峰值测量并显示模块的测量误差小于2%，测量范围可以达到0.5v10v。五.参考文献1、TI 数据转换器应用手册基础知识篇黄争编译；2、TI 运算放大器应用手册基础知识篇黄争李琰编译；3、电子技术基础模拟部分（第五版） 康华光高等教育出版社；4、电子线路综合设计谢白美华中科技大学出版社；六. 附件430单片机控制与显示程序：#include <msp43

16、0x14x.h>#include "Config.h"#include <math.h>#define CSnResNEN P5OUT |= BIT2 /CS为P52;#define CSnResEN P5OUT &= BIT2#define INCnSET P5OUT |= BIT3 /INC为P53;#define INCnCLR P5OUT &= BIT3#define UDSET P5OUT |= BIT4 /U/D为P54;#define UDCLR P5OUT &= BIT4#define CSnDacEN P3OUT

17、&= BIT2#define CSnDacNEN P3OUT |= BIT2#define SCLK_H P3OUT |= BIT0#define SCLK_L P3OUT &= BIT0#define DIN_H P3OUT |= BIT1#define DIN_L P3OUT &= BIT1#define FS_H P3OUT |= BIT3#define FS_L P3OUT &= BIT3void Port_Init();void LCD_write_com(uchar com);void LCD_write_data(uchar data);void

18、LCD_clear(void);void DisplayCgrom(uchar addr,uchar *hz);void LCD_init(void);void Display();void resvalup();void resvaldown();void ampvalup();void ampvaldown();void ADC_Init();uchar TEMP_res = 1;int TEMP_amp = 5;uint TEMP_adc = 1638;static uchar Flag=0;void main() uchar i; Clock_Init(); WDT_Init(); C

19、lose_LED(); Port_Init(); ADC_Init(); _EINT(); Flag = 1; delay_ms(100); LCD_init(); LCD_clear(); for(i=0;i<32;i+) resvalup(); ampvaldown(); /Display(); while(1) while(Flag=1) ADC12CTL0 |= ADC12SC; ADC12CTL0 &= ADC12SC; Flag = 0; Display(); /* for(i=0;i<32;i+) resvalup(); for(i=0;i<32;i+)

20、 resvaldown(); */ void Port_Init() P4SEL = 0X00; /12864数据引脚 P4DIR = 0XFF; P4OUT = 0X00; /此行为12864的引脚，P50为RD/PSB,P51为/RST,P55为RS,P56为RW,P57为EC /此行为输出点位器的输出引脚，P52为CS,P53为INC,P54为U/D P5SEL = 0X00; P5DIR = 0XFF; P5OUT = 0XFF;/* P1SEL = 0X00; /4X4KEY P1DIR = 0X00; P1OUT = 0XFF;*/ P1IE |= BIT4+BIT5+BIT6+B

21、IT7; P1IES |= BIT4+BIT5+BIT6+BIT7; /P6口留作ADC用 P6SEL|= BIT0; P6DIR &= BIT0; /P2口留作中断 /此行为tlv5616引脚，P30为SCLK,P31为DIN,P32为CSn,P33为FS P3SEL &= (BIT0+BIT1+BIT2+BIT3); P3DIR |= BIT0+BIT1+BIT2+BIT3; P3OUT |= BIT0+BIT1+BIT2+BIT3; PSB_SET; /液晶并口方式 RST_SET; /复位脚RST置高/*/显示屏命令写入函数/*void LCD_write_com(un

22、signed char com) RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; DataPort = com; delay_ms(5); EN_CLR;/*/显示屏数据写入函数/*void LCD_write_data(unsigned char data) RS_SET; RW_CLR; EN_SET; DataPort = data; delay_ms(5); EN_CLR;/*/显示屏清空显示/*void LCD_clear(void) LCD_write_com(0x01); delay_ms(5);/*/函数名称：DisplayCgrom(uchar hz)显示CGROM里的汉字/

23、*void DisplayCgrom(uchar addr,uchar *hz) LCD_write_com(addr); delay_ms(5); while(*hz != '0') LCD_write_data(*hz); hz+; delay_ms(5); /*/显示屏初始化函数/*void LCD_init(void) LCD_write_com(FUN_MODE);/显示模式设置 delay_ms(5); LCD_write_com(FUN_MODE);/显示模式设置 delay_ms(5); LCD_write_com(DISPLAY_ON);/显示开 delay_

24、ms(5); LCD_write_com(CLEAR_SCREEN);/清屏 delay_ms(5);/*/ Display()显示测试结果/*void Display(void) uchar table_amp4; uchar table_rms5; uchar table_fs9; uint temp,temp_amp; long uint temp_res; uchar i; temp = (uint)(TEMP_adc*6.716); /temp = (uint)(TEMP_adc/1.45); for (i=0;i<4;i+) table_rms3-i=temp%10+'

25、;0' temp=temp/10; table_rms4 = '0' if(TEMP_amp>-1) table_amp0=' ' temp_amp=TEMP_amp; else table_amp0='-' temp_amp=-TEMP_amp; table_amp1=temp_amp/10+'0' table_amp2=temp_amp%10+'0' table_amp3='0' temp_res = 15793223/(32-TEMP_res); for (i=0;i<8;

26、i+) table_fs7-i=temp_res%10+'0' temp_res = temp_res/10; table_fs8='0' DisplayCgrom(0x80,"增益带宽放大器"); DisplayCgrom(0x90,"增益："); DisplayCgrom(0x93,table_amp); DisplayCgrom(0x88,"Fs: "); DisplayCgrom(0x8a,table_fs); DisplayCgrom(0x98,"RMS:"); Displ

27、ayCgrom(0x9A,table_rms);void resvalup() if(TEMP_res<31) INCnSET; CSnResEN; UDSET; /delay_us(2); INCnCLR; /delay_us(2); UDCLR; CSnResNEN; TEMP_res+; else _NOP(); delay_ms(2);void resvaldown() if(TEMP_res>1) INCnSET; CSnResEN; UDCLR; /delay_us(2); INCnCLR; UDCLR; CSnResNEN; TEMP_res-; else _NOP(); delay_ms(2);#pragma vector = PORT1_VECTOR_interrupt void Port1() if(P1IFG & BIT4) P1IFG &= BIT4; resvalup(); if(P1IFG & BIT5) P1IFG &= BIT5; resvaldown(); if(P1IFG & BIT6) P1IFG &= BIT6;