宽带直流放大器的设计与实现 原创论文.docx
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宽带直流放大器的设计与实现原创论文
宽带直流放大器的设计与实现原创论文
宽带直流放大器的设计与实现
宋加磊1，潘克修2，夏绪超3
（1.解放军理工大学通信工程学院研究生4队，江苏南京210007；
2.解放军理工大学通信工程学院电子信息工程系；
3.解放军理工大学通信工程学院研究生3队，江苏南京210007）
摘要：
本系统采用80C51单片机作为宽带直流放大器电路的控制芯片，采用VCA810组成的放大电路对输入的小信号进行智能的放大，既可以通过电位器来宏观的调整放大增益，也可以通过键盘精确的设定放大增益，设置步进等级可达1dB。
输出的结果准确的显示在LCD上，整个系统输出稳定，数控简单可靠。
关键词：
程控放大器；宽带；直流；VCA810
中图分类号：
TN912文献标识码：
B文章编号：
DesignandRealizeofWidthbandDCAmplifier
SONGJia-lei1,PANKe-xiu2,XIAXu-chao3
（1.PostgraduateTeam4ICE,PLAUST,Nanjing210007,China;
2.DepartmentofElectronicInformationEngineeringICE,PLAUST;
3.PostgraduateTeam3ICE,PLAUST,Nanjing210007,China）
Abstract:
Thisdesignuses80C51asamicrocomputercontrolchiptomakeabroadbanddirect-currentamplifiercircuit,usinganamplifiercircuitcomposedofVCA810toamplifyasmallinputsignalsinanintelligentway.Itnotonlyadjuststheamplificationgainthroughthepotentiometer,butalsoaccuratelysetstheamplifiergainviathekeyboardaslowas1dB,andatthesametimetheresultsoftheoutputareaccuratelydisplayedattheLCD.It’sgoodatastableoutputandasimpleandreliablenumericalcontrol.
Keywords:
procedurecontrolamplifier;widthband;DC;VCA810
1系统介绍
本系统是以80C51单片机为控制芯片，辅以合适的信号放大电路，峰值检波电路和人机交互电路构成的高速宽带直流放大器，简洁的实现了对交直流小信号（不大于20mV）进行放大，即输入信号不只局限于交流，亦可以是直流电压。
本系统的最大放大倍数可以达到60db，带宽为10MHz，是一个性能非常好的宽带放大器。
系统结构图如图1所示。
信号放大电路
峰值检波电路
单片机
输出
图1宽带直流放大器总系统图
输入
LCD显示
键盘
功率放大电路
D/A
A/D
其中：
频带选择通道采用LC低通滤波器实现频带选择；信号放大电路采用TI公司的三种高速运算放大器OPA842、VCA810和THS3001构成直接藕合程控放大器；数字AGC控制由峰值检波、A/D、单片机控制器和D/A实现带内增益控制；功率放大电路实现输出电压放大与功率放大，提高负载能力；整个放大器的控制采用传统8051作为控制核心。
显示使用液晶显示屏显示控制选择方式及输出效果。
2系统方案选择与论证
2.1系统基本方案
根据设计任务的功能要求，本系统可以划分为三大主要模块：
信号放大模块、控制模块和人机交互模块。
2.1.1信号放大模块
方案一：
选用结电容小，fT高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成各种优质的宽带放大器，而且成本较低。
但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，波动较大，影响系统总体性能。
另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。
方案二：
利用多级放大器直接级联实现全带宽信号放大。
采用TI公司的三种高速运算放大器OPA842、VCA810和THS3001构成直接程控放大器。
其中，VCA810是TI公司的一种高增益可调节宽带压控放大器，具有高增益调整范围，低噪声、高带宽和高增益精度等特点。
它的增益连续可控，可调范围80dB，增益精度达+/-0.5dB，信号带宽35MHz。
另外，VCA810提供了精密的可调dB/V增益特性,AGC回路能用增益控制电压作为接收信号强度指示器,有极好的精确度.故此，我们采用方案二。
2.1.2控制模块部分
方案一：
主控制器选择TI公司的MSP430F149，该单片机具有低功耗，强大的数据处理和运算能力，丰富的外围模块，稳定的系统工作状态和方便有效的开发环境等优点。
但是考虑到成本的问题和系统控制模块的简单化，我们放弃了这一方案。
方案二：
采用传统80C51作为控制核心。
该方案不仅价格低廉，使用简单，而且功能较齐备，运行速度适中，控制相对简单，在外扩设备的协助下，完全可满足该题目的设计要求。
故我们采用了这一方案。
2.1.3显示模块
方案一：
采用数码管显示。
其亮度高、体积小，编程较容易，资源占用较少。
但显示的信息简单、有限，无法实现本系统中模式选择、汉字显示等功能。
方案二：
采用液晶显示器（LCD）。
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，而且显示信息丰富、拥有较好的人机界面和强大的显示功能，通过它可以显示控制方式选择及显示输出效果。
基于功能考虑，我们采用方案二。
本系统中，采用了液晶显示屏LCD1602，以显示放大增益及输出电压，便于测试人员及时的控制。
2.2系统分析与理论计算
2.2.1带宽增益积
带宽增益积（GBP）的公式如下：
是频率的函数。
当
（
为开环带宽），GBP是一个常数，且为
（当增益下降到1时所对应的频率点称为单位增益带宽，用
表示）。
上式表明：
运算放大器的带宽与频率成反比。
频率越高，运放增益就会下降。
由此发现，在设计高速运算放大器时，需要关注此指标，在保证放大增益的同时尽最大可能获取更好的带宽性能。
2.2.2增益计算
选用TI公司的VCA810作为压控增益的主要部分，其增益与电压的关系为
其中
当
时，
当
时，
。
这样增益的变化范围为-40dB～40dB，在隔离放大部分，OPA842的增益设定为
，即放大10倍。
后一级THS3001的增益大约20dB，所以总的增益为0dB～80dB。
2.2.3通频带内增益起伏控制
为了实现对频带内增益起伏的控制，需要使用数字AGC来实现。
其控制方法如下：
设定放大倍数为某一值，由此计算出理论出现的信号幅度，再由单片机控制AD采集实际信号的幅度大小，并与理论值比较，并不断进行调整，实现通频带内增益起伏控制。
2.2.4调零电路的设计[1]
当集成运放正常工作时，若将输入端VI接地，则输出端UO应为零，但由于输入失调电压的影响（电路组成不合理，反馈过深），在输入量为零时，输出却产生了一定频率和一定幅度的信号，就产生了自激震荡，因为输入失调电压是直流参数，对直流放大器影响严重，必须加以消除，本系统采用电位器和RC构成高增益同向放大器的调零电路，如图2所示：
基本关系式为：
Utf=[UccR1/（R1+R5）][R3/（R2+R3）]
若R1<其中Utf表示失调电压调整范围，电位器选用温度系数小的线绕电位器。
依据此公式设计出各电阻的阻值，当输入端电压为零时，调整电位器Rp的阻值，使输出端电压为零，消除因自激震荡产生的电路不稳定状态。
图2调零电路
2.2.5RC滤波器的应用
为了增加A/D转换器输入电压的稳定性，峰值检波电路的输出电压先经过滤波器滤波，再接入A/D转换器的输入引脚。
这个滤波器是由RC电路结合OPA300运算放大器形成的有源RC滤波器。
该滤波器有效地滤除了干扰信号，使输入的有用信号更为稳定，更加精确。
3系统硬件设计与实现
3.1信号放大模块
信号放大模块主要由缓冲隔离电路、压控增益电路和固定增益电路组成，如图3所示。
OPA842
VCA810
THS3001
图3信号放大电路
3.1.1缓冲隔离电路（芯片OPA842）
功能说明：
待放大的输入电压里面含有噪声和其他干扰因素，必须经过隔离滤波以后才能输送到下一级放大电路进行有效的放大，此处由芯片OPA842及其辅助电路构成运算放大电路电路，提高了输入阻抗，对小信号进行放大，并完成电路隔离和阻抗变换。
电位器R31和电阻R21,R3,R22,R4构成了调零电路，消除自激震荡的干扰，使电路正常放大。
C为高频滤波电容，取C=1uF胆石电容。
3.1.2压控增益电路（芯片VCA810）
功能说明：
可变增益放大电路，主要作用是实现增益可调及AGC功能，增益控制和AGC功能都由单片机控制，采用反馈的形式，通过调节控制电压（Vc）来控制压控增益放大器VCA810的放大增益，从而控制正确的输出。
3.1.3固定增益电路（芯片THS3001）
功能说明：
单纯的采用前面的缓冲隔离电路和放大电路无法有效的满足发挥部分的电压增益的控制部分，而且VCA810电路应当为微控制电路，所以在这一级要加上固定增益电路，以提高放大倍数，可采用两级三极管进行直接耦合和发射结直流负反馈来构建，也可直接使用运放来进行放大，考虑到用三极管制作使用原件较多，稳定性差，且调试困难，所以我们采用TI公司的高速增益放大器THS3001来搭建，它是一个高速电流反馈运算放大器，具有非常快的转换速率，很宽的带宽，调节电位器R12的阻值使的R12/R11=10即增益为20dB，此电路进一步增大了放大倍数，扩大了输出电流，提升了放大器的驱动负载能力，提高了输出电压幅度。
3.2峰值检波电路
为了精确测量并显示输出信号的有效值,须加入峰值检波电路,最简单的峰值检波电路仅仅由一个二级管和一个电容就可组成,但是为了提高精确度,我们在实验中采用了由运放OP37所构成的峰值检波电路,如图4所示.图中,A1组成一线性半波整流电路,A2组成一加法电路,两者构成一线性全波整流电路,后端接上一电容后就实现了峰值检波的目的.此电路稳定性较好,达到了峰值检波的要求.
图4
3.3单片机，键盘，LCD，A/D，D/A
单片机控制部分（80C51），是整个系统控制部分（AGC）运行的核心器件，一方面它要读取键盘的取值，进行模式的选择，同时将放大增益和放大的实际结果输出在LCD液晶显示屏上，另一方面，它根据AD转换过来的数字值与预定值进行比较，来增大或缩小控制电压VC，以反馈的形式微调VCA810的放大增益。
本系统采用4×4矩阵键盘电路来输入控制信息参数。
液晶显示使用LCD1602（128×64）,因为VCA810是用电压来进行控制的，而单片机的输出不可以直接的对VCA810进行控制,系统采用高速ADC和DAC来进行电平的转换。
ADC芯片采用12位的串行输出芯片ADS7823，DAC芯片采用DAC7571，它是12位的串行输入的芯片，如图5所示。
80C51
4×4键盘
A/D转换器
AD7823
128×64
液晶显示屏
D/A转换器
DA7571
外部数据存储器
看门狗
MAX813
图5
3.4硬件抗干扰及提高可靠性的主要措施
环境影响微机正常工作是值得重视的问题。
解决控制系统的抗干扰问题应从两个方面考虑，一是提高控制系统本身的抗干扰能力，这一点在进行系统设计时已给予了足够的重视。
二是找出强干扰源，采取相应的对策，使其不能串入系统，这主要是在现场调试中进行的。
测试时应注意仪器的摆放，测试仪器（如示波器）的测试线尽量不要与电源线交叉，即使有交叉，也应尽量保持垂直。
3.4.1电源抗干扰措施
控制设备中很多干扰都来自电源系统。
因此，必须对交流供电采取一些措施，以抑制由电源引起的干扰。
抑制交流电源的干扰，除了与大的用电设备分开供电外，还可根据电网的质量及设备要求采取稳压、隔离、滤波和屏蔽等措施。
在本电路中采用三段稳压管LM7805和LM7905来实现电源的稳定输入。
在系统的每一集成芯片的电源与地之间加有0.1u的退耦电容，在无线模块的输入输出端用小电感及小电容进行滤波，传输数据更加稳定可靠。
3.4.2高频布线的注意事项及一般规则
在PCB板中，包含多种类型的电路，为了避免各部分电路中信号相互耦合而产生干扰，对不同类型的电路部分进行分离布局是PCB板设计的一个基本原则。
各部分之间不仅应保持相当距离,还要分开走线。
电源系统的布线包括电源线VDD和地线VSS的布线，是系统抗干扰的一个重要部分。
VDD和VSS应尽可能扩大面积，以防止因电磁能量较强而产生电磁干扰能量的发射，这也是保证高频信号到地之间具有低阻抗的措施。
（1）PCB板的系统布局
对PCB板的整体布局来说，元器件之间排列应尽量紧凑，信号线尽量走短，使得线上的高频信号受电路板分布电容的影响较小。
并且电源线和地线不要布成环状，否则容易产生高频干扰。
对于地线，应尽可能大面积铺铜，让各种杂波信号尽快的进入地中。
（2）模拟地和数字地
对于高频模拟电子线路来说，地应该保持无杂波存在。
但数字地信号比较复杂，所以模拟地和数字地要尽量的隔开，仅仅在一个地方汇合，这样数字地上杂乱无章的信号对模拟部分的影响就会有大大的减弱，这对保证电路的性能是非常关键的。
4系统软件设计与编程
在主程序中，首先设置堆栈，对LCD1602，80C51内部的RAM及各寄存器初始化，并设置有关标志。
然后，系统自检，显示模式选择，系统读取键值，并根据读取的键值转到相应的两种模式。
其主要流程如图6所示。
图6系统主程序流程图
在工作模式1中，单片机通过DA送出一个稳定的电压，并把此电压进行转换后作为控制电压送入VCA810，同时可以利用灵敏的滑动变阻器对输入的控制电压进行调节，实现在0~60dB的连续可调。
在工作模式2中，首先要进行带宽的预置，带宽分为5MHz和10MHZ,然后进行放大倍数的设定，此时的放大倍数也可以利用灵敏的滑动变阻器进行连续的可调。
5系统性能测试与分析
5.1系统性能测试
为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。
具体测试方法如下：
先调整0dB，使输出信号和输入信号幅度相等，接上50Ω的负载电阻进行整机测试。
测试结果如下：
（1）输入阻抗。
电路设计的输入阻抗大于50Ω，满足题目要求。
（2）最大输出电压正弦波有效值测量。
输入加100kHz正弦波，调整输入电压和增益测得不失真最大输出电压有效值大于10V，达到题目要求。
（3）输出噪声电压测量。
增益调节为60dB，将输入端短路，测得输出电压峰-峰值为270mV左右，小于题目要求的0.3V。
（4）频率特性测量。
增益设为40dB，输入端输入有效值为10mV的正弦波，测试数据见表2。
频率/Hz
10
50
100
200
500
800
900
输出RMS/V
0.95
0.96
0.96
0.97
0.98
0.99
1.00
增益/dB
39．55
39.65
39.65
39.74
39.82
39.91
40
频率/kHz
1
10
50
100
200
500
900
输出RMS/V
1.01
1.00
0.99
0.99
1.03
1.02
1.00
增益/dB
40.09
40
39.91
39.91
40.26
40.17
40
频率/MHz
1
2
4
6
8
9
10
输出RMS/V
1.00
0.98
0.97
0.96
0.94
0.93
0.88
增益/dB
40
39.82
39.74
39.65
39.46
39.37
38.88
表2频率特性测试数据表
从上表的数据可以看出在0～10MHz范围内，增益起伏
1dB。
（5）增益误差测量。
输入端加有效值为10mV，频率为100kHz的正弦波，保持幅度稳定，默认增益值，测量输出信号来计算增益误差，测量结果见表3。
预置增益/dB
0
5
10
14
20
30
40
50
60
输出RMS/mV
10
17．5
31．5
49．6
0.1V
0.31V
0.998
3.152
9.96
实际增益/dB
0
4.86
9.97
13.9
20
29.83
39.98
49.97
59.96
增益误差/dB
0.0
+0.14
+0.03
+0.1
+0.0
+0.17
+0.02
+0.03
+0.04
表3增益误差测试数据表
5.2测试结果分析
经过测试，放大器指标可达60dB，带宽可到10MHz,基本上完成了发挥部分的要求。
本设计偏重于模拟电路处理，得到很高的增益和较小的噪声。
选用集成芯片作增益控制，利用分立元件作后级功率放大，设计灵活也很容易实现。
6总结与展望
本系统使用传统的80C51单片机和TI公司提供的高速运算放大器搭建了一个用于智能控制交直流小信号放大的宽带直流放大器电路，由于宽带放大器普遍存在输出噪声大，容易自激等缺点，本系统采用多种形式的屏蔽措施消除干扰，抑制噪声，整个电路简洁实效，没有为达到某一目而刻意增加的冗余设计，使得各种芯片得到充分利用，其功能发挥充分。
.
由于水平有限，加上时间有点仓促，我们系统还有许多带改进的地方：
提高单片机的时钟频率，加快单片机的处理速度，缩短了自动跟踪调整的时间；采用频带范围更宽的运算放大器来搭建峰值检波电路，提高程序增益放大器工作频率，在制作电路板时合理的布局和采用大面积铺铜等措施，可以是噪声电压降到更低等。
参考文献：
[1]王昊，李昕.集成运放应用电路设计[M].北京：
电子工业出版社，2007.
[2]高吉祥.高频电子线路[M].北京：
电子工业出版社.2003.
[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社.2001.
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