程控高增益选频放大器设计

1、第三十组：陈林辉、夏效禹、伍玉程控高增益选频放大器设计摘要：本系统以单片机和FPGA为控制核心，实现了一个程控高增益选频放大器 和衰减正弦波信号发生器。放大器以一款压控增益放大器AD603为核心，增益 步进1dB，范围60dB120dB。选频功能用*阶状态变量带通滤波器实现，中心频 率步进为1Hz，范围*Hz*Hz，通带宽度小于*Hz。在衰减正弦波发生器的实 现中，通过控制D/A转换器参考电压以改变信号包络，频率步进1Hz，范围 *Hz*Hz，并在幅度降至2mV时声光报警。另外，系统可以测试放大器输出 幅度，测量误差小于*。关键字：压控增益放大器状态变量滤波器一、方案论证与选择1、选频功能实现

2、方案方案一：采用并联LC选频网络。当输入信号频率等于其谐振频率时，网络 呈纯阻特性，输出信号幅度最大。改变L、C即可改变谐振频率。Vi.一|基本放大电路M*- -Vo 诜频网络图1 RC选频网络框图方案二：采用RC选频网络。如框图所 示，它由基本放大电路和双T形RC图1 RC选频网络框图方案三：采用状态变量滤波器。该滤波器电路的截止频率与Q值由其中某些 阻容值决定。电流输出型DAC可等效为阻值仅受输入数据控制的电阻，用此控 制滤波器的截止频率和Q值，可实现滤波器参数精确程控。方案一、二可实现极窄通频带、高Q值的选频特性，但难以实现中心频率以 1Hz为步进。方案三中的状态变量滤波器若采用较高阶数

3、，可满足对Q值的要 求，且可精确程控中心频率，ADC位数决定调节范围，因此，我们选取方案三。2、衰减正弦波信号源设计方案方案一：利用模拟电路产生。利用LC振荡网络构成谐振电路，选择适当的L、C值产生正弦波，再利用一阶RC电路产生由初始值衰减的指数衰减信号， 将2种信号叠加相乘，即可得到按指数规律衰减的正弦波输出信号。方案二：利用数字方法产生。分别送入两组数据进入2个D/A转换器中，令 第一个DAC产生正弦波形，第二个DAC产生按指数规律衰减的波形，并作为 第一个DAC的参考电压，相当于两信号相乘，由此获得衰减波形。方案一易于实现，但由于在电路中存在电阻、电感和电容，产生波形时会出 现失真和不稳

4、定的现象，且难以控制零初始相位和实现频率步进。方案二可以精 确控制信号初始相位和频率步进，产生的波形稳定。3、幅度检测方案方案一：将信号通过峰值检测电路，并通过A/D转换器采集信号峰值实现。方案二：采用数字峰值检波。用A/D转换器在一个周期内大量样点，根据采 集到的数据点找出信号峰值。方案一由于电容充放电特性，输出电压存在波纹，若希望减小波纹造成的误 差，则要以增加检测时间为代价。由于输入信号频率低，利用不高的采样率便可 在一个周期内采集到大量样点，精度完全可满足题目要求。于是我们采取方案二。二、系统总体框图系统由两部分组成，衰减正弦波发生器和程控高增益选频放大器。1）衰减正弦波发生器：在FP

5、GA内部由直接数字频率合成技术合成幅度恒 定的正弦信号，通过波形发生DAC输出，同时用另一路输出为衰减指数波的DAC 的输出作为前者的参考电压，由此获得衰减正弦波信号。2）程控高增益放大器：可由外部信号或者衰减正弦信号源输入，输入信号 通过程控放大器后送入带通滤波器，其中心频率由四路DAC等效的电阻控制， 滤波器的输出信号经过功率放大后为最终输出。为了实现自动功能，功放输出信 号由A/D转换器采集得到幅值，并反馈控制增益，使信号稳定在4.5V5.5V。 二选一电路 外部信号输入程控放大电路 J I J I功率放大器* ADC 1fR1 二选一电路 外部信号输入程控放大电路 J I J I功率放

6、大器* ADC 1fR1R*带通滤波器V 4 &q4四路DAC选频放大器输出继电器控制幅度控制DAC继电器控制信号控制电压波形发生DAC卜一衰减正弦信号输出参考电压DAC卜声光指示FPGA幅度检测LCD增益控制正弦波合成包络合成声光指示滤波器参数 控制图1系统框图三、理论分析与计算1、程控选频放大器实现理论分析系统采用翻转输入型状态变量滤波器原理，将两个二阶状态变量滤波器级 联，获得四阶带通滤波器。单个二阶状态变量滤波器如图2所示。图2图2二阶状态变量滤波器其滤波器参数由如下公式设置：、=!： R02兀RR R CC3 eq1 eq 2 2 3)ZR、=!： R02兀RR R CC3 eq1

7、eq 2 2 3+ L XR R3 Rq2 C 3R123取 R = R = R = 10kQ，R = R = R，C = C，则 f = 1/(2兀R C ) 123eq1eq 2 eq 230eq 2Q = (1 + R /R )/3。当固定C2和R5时，f八仅与R有关，Q仅与ra有关。45250eq41)中心频率范围、步进的实现分析：采用美信公司的四通道电流输出型D/A转换器MAX514等效R，如图4所示，通过控制MAX514的输出电流，从而改变其等效电阻值。MA514是 倒T形R-2R电阻网络D/A转换器， 则其输出电压：Digital Input+ Uref_ data从而改变其等效

8、电阻值。MA514是 倒T形R-2R电阻网络D/A转换器， 则其输出电压：Digital Input+ Uref_ dataO out X ref X 4096RGNDMAX514某一通道GNDUout将v与I分别作为输入和输ref out出，则每一路MAX514可以等效为电阻，图3 MAX514等效电阻示意图阻值 R = Xre = 4096 R。则 f =data，步进 =1= 1皈。eq I data0 2兀 C X 4096R0 2兀 C x 4096R实测得R = 1骂70，则C2取2.8nF。对应的中心频率f范围1H；4.096kHz。2）通频带宽度实现分析：品质因素Q = f0/

9、BW，由于题目要求BW100Hz，f0 最大为 3.4kHz，则 Qm.n=3400/100=34O 我们调节 R4 使之为 120k Q，Q=40。2,衰减正弦波产生理论分析在FPGA内合成幅度恒定的正弦信号，通过第一路DAC输出，同时产生一 路指数衰减信号作为第一路DAC的参考电压，获得包络为指数衰减的正弦信号。1）直接数字频率合成技术（DDFS）合成正弦信号分析：DDFS以Nyquist时 域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。其工作原理是：每个参考频率fclk 上升沿到来时，计数容量为2n相位累加器的值便按照频率控制字k的长度增加 一次，所得的相位值被输出至波形查找表，查找表将相位信

10、息转化为相应的幅值 信息（具体实现是以相位累加器中的数据高位作为地址读取波形存储器中的数 据），再由D/A转换得到相应的波形。输出信号频率f = f x k/2n。本系统相 位累加器位数为32位，参考频率fclk=1MHz :则频率分辨力 f = 1MHz/232 牝 0.0002Hz，即频率最小步进 0.0002Hz。与）指数衰减信号衰减常数分析：衰减信号可以表示为y = e-1/t，其中t为衰 减常数，题目要求衰减到初始幅度的10%需延迟100ms1000ms，我们设定在 500ms。则根据式子e -500/T =10%可计算出t = 217ms。3） D/A转换器位数分析：题目要求指数衰

11、减正弦波最大幅度为1.5Vpp，衰 减至2mVpp时，保持幅度不变并送入选频放大器，且幅度精度达5%。用于指 数衰减正弦波产生DAC的满量程输出Vpp=1.5V，若DAC位数为N，贝1.5/2N 13.8，于是我们选取美信公司的16位D/A转换器MAX541。四、主要功能电路设计1，程控高增益选频放大电路的设计题目要求增益的程控范围为60dB120dB，步长为1dB；选频网络中心频率范 围为300Hz3.4kHz，步进为1Hz。我们设计将该电路分为三部分，分析如下： 1）前级放大电路的设计由于输出电压范围为2V20V，可计算输入信号范围为2uV20mV，若将如 此小的信号先滤波再放大，滤波选频

12、效果和输出信号信噪比必然很差。于是我们 设计了前级放大电路，其增益范围为10dB70dB，考虑到后级电路具有50dB的 固定增益，防止后级电路输出信号截止，在本级中将信号调理至6mV60mV。 开关S1选择运放LT1028的增益为16dB或46dB。小信号放大电路的设 计中，第一级放大器的噪声对整个电路信噪比起决定性作用。系统采用一款超低噪声、高精度的高速放大器LT1028，它的温漂低至0.1hV/C，偏置电压小于 10pV。它具有300MQ的共模输入电阻以及126dB的共模抑制比，能够很好地抑 制共模噪声，提取小信号。AD603的输入电阻为100 Q，由于电阻分压造成-6dB的衰减。AD60

13、3由一个可通过外部反馈电路设置固定增益的放大器、宽带压控精 密无源衰减器和线性增益控制电路构成，取R5=2KQ，即固定增益40.98dB，则 G(dB) = 40 x (V - V ) + 20.98，管脚 2 上 V = 5 x R4/(R3 + R4) = 0.5V。在管脚G +G -G -1上输入电压范围为-0.025V0.726V时，AD603增益范围0dB30dB。图4图4前级放大电路图2)程控滤波电路的设计程控滤波电路的设计在理论分析与计算中己作详细阐述，值得提出的是我们 设置品质因素Q=40，则在滤波器通带内存在40V/V(32dB)的增益。后级功率放大电路的设计前两级的总增益范

14、围是42dB102dB，为满足题目的要求，本级设置为18dB 的固定增益。THS3001是一款高速电流反馈型运放，采用同相输入方式，提高 了放大电路带负载的能力，而且由于输入阻抗高、输出阻抗低，可起到对滤波器 输出的隔离缓冲作用，防止后级电路影响滤波器参数。电路图见附录。图5整形电路图2，AGC功能中整形电路设计图5整形电路图如理论分析部分所述，为提高自动增益 控制的稳定速度，在信号频率初扫时，需 要一级比较器电路，检测滤波器输出信号 的幅度。采用比较器LM311，它的输出为 集电极开路，其输出接上拉电阻，设定其 逻辑电平为5V。为抑制干扰引起的误翻 转，我们采取了带正反馈的滞回比较电路 的形

15、式。采用反相输入方式，其反向阈值电压V = 0- 2KX5 q-0.454V，对应输出信号上升沿；将调节R6使其正向 -20 K + 2 K阈值电压V = 2KX5 - 2KX5 q0.454V，对应输出信号的下降沿。将比较器 + R6 + 2 K 20 K + 2 K输出信号通过一个施密特触发器与非门后，方波信号的沿更陡峭而稳定。五、软件设计1，总体软件设计本系统软件包括单片机C语言和基于FPGA的Verilog HDL。单片机主要用 于总体程序流程控制和人机交互的实现，此外，在单片机严格的延时控制下，将衰减正弦波的包络序列送入D/A转换器FPGA主要用于大量高速的数据运算和复杂的时序控制。

16、如直接数字频率合成技术合成正弦波以及后级D/A转换器的 控制、幅度测量时A/D转换器的采样控制和数字峰值检波的实现。2, AGC实现算法设计由于前级放大电路具有选频功能，在调整电路增益之前，需要将中心频率设 置为输入信号频率。为了精确设定中心频率，并兼顾稳定时间。我们采用两级扫描方式。首先以100Hz为步进使滤波器中心频率由300Hz增长，当滤波器后级 的比较器电路输出方波时，停止扫描，并测得信号频率；由于中心频率的设定存 在误差，第二步是设定滤波器中心频率在信号频率附近，以1Hz为步进，用ADC 采样求取滤波器输出信号峰值，记录输出最大值处，并最终确定设定的中心频率。之后便可利用反馈控制算法

17、使信号稳幅在4.5V5.5V。流程图如下所示。六、图6系统总体软件流程图测试数据与分析图7 AGC控制流程图六、图6系统总体软件流程图测试数据与分析图7 AGC控制流程图1，功能测试1）程控增益选频放大器：经测试，中心频率调整步长最小可达1Hz，增益调整 步长最小可达1dB。2）自制信号源： 手动触发一次，用示波器*观察波形。测得初始相位为 零，测得第二个最大值的时间点为*ms，幅度值为*V，第三个最大值时间点为*ms，幅度值为*V，计算得衰减系数为*，误差为*。用示波器测试衰减正弦波的最大幅度为*V，与理论值的误差为*%。衰减至2mVpp时，具有 声光指示功能，并保持该幅度不变。频率步进1H

18、z。2，指标测试1）程控增益选频放大器选频特性测试：测试方法：输入信号幅度设置为2mV，增益设置为60dB。设置若十个中心 频率f，向系统送入扫频信号，用4位半毫伏表观察输出信号幅度。记录信号0最大值对应的输入信号频率点，以及幅度为最大幅度0.707倍的两个频率点的值， 计算出通频带宽度。测试数据：主要测试数据如表1所示。详细测试数据见附录。表1程控增益选频放大器选频特性测试表序号设定f0实际f0f0误差-3dB两频率点带宽1300Hz22KHz33.4KHz2）程控增益选频放大器增益测试：测试方法：输入信号频率为1.25kHz和2.5kHz，分别将中心频率设置为输入 信号频率，改变增益，用四位半毫伏表测试输出信号幅度以及输入信号幅度，计 算实际增益和误差。测试数据：主要测试数据如表2所示。详细测试数据见附录。表2程控增益选频放大器增益测试表序号信号频率设置增益输入信号幅度输出信号幅度增益误差11.25kHz60dB2120dB32.5kHz60dB4120dB3）自制衰减信号源频率测试：测试方法：设置信号源频率，在示波器上用光标测试零点间的间隔，计算出 信号频率，并与设定频率比较，计算误差。测试数据：主要测试数