1、程控放大器(ad603) 本設計由三個模塊電路構成:前級放大電路(帶AGC部分)、后級放大電路和單片機顯示與控制模塊。在前級放大電路中,用寬帶運算放大器AD603兩級級聯放大輸入信號,輸出放大一定倍數的電壓,經過后級放大電路達到大于8V的有效值輸出。ADUC812的單片機顯示、控制和數據處理模塊除可以程控調節放大器的增益外,還可以實時顯示輸出電壓有效值。 本設計采用高級壓控增益器件,進行合理的級聯和阻抗匹配,加入后級負反饋互補輸出級,全面提高了增益帶寬積和輸出電壓幅度。應用單片機和數字信號處理技術對增益進行預置和控制,AGC穩定性好,可控范圍大,完成了題目的所有基本和發揮要求。 方案論證與比較

2、 1.可控增益放大器部分 方案一 簡單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實現,圖1為分立元件放大器電路圖。為了滿足增益60dB的要求,可以采用多級放大電路實現。對電路輸出用二極管檢波產生反饋電壓調節前級電路實現自動增益的調節。本方案由于大量采用分立元件,如三極管等,電路比較復雜,工作點難于調整,尤其增益的定量調節非常困難。此外,由于采用多級放大,電路穩定性差,容易產生自激現象。 方案二 為了易于實現最大60dB增益的調節,可以采用D/A芯片AD7520的電阻權網絡改變反饋電壓進而控制電路增益。又考慮到AD7520是一種廉價型的10位D/A轉換芯片,其輸出Vout=Dn×Vref/2

3、10,其中Dn為10位數字量輸入的二進制值,可滿足210=1024擋增益調節,滿足題目的精度要求。它由CMOS電流開關和梯形電阻網絡構成,具有結構簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點,故可以采用AD7520來實現信號的程控衰減。但由于AD7520對輸入參考電壓Vref有一定幅度要求,為使輸入信號在mVV每一數量級都有較精確的增益,最好使信號在到達AD7520前經過一個適應性的幅度放大調整,再通過AD7520衰減后進行相應的后級放大,并使前后級增益積為1024,與AD7520的衰減分母抵消,即可實現程控放大。但AD7520對輸入范圍有要求,具體實現起來比較復雜,而且轉化非線性誤差

4、大,帶寬只有幾kHz,不能滿足頻帶要求。 方案三 根據題目對放大電路的增益可控的要求,考慮直接選取可調增益的運放實現,如運放AD603。其內部由R-2R梯形電阻網絡和固定增益放大器構成,加在其梯型網絡輸入端的信號經衰減后,由固定增益放大器輸出,衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定;而這個參考電壓可通過單片機進行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得來,從而實現較精確的數控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬,單級實際工作時可提供超過20dB的增益,兩級級聯后即可得到40dB以上的增益,通過后級放大器放大輸出,在高頻時也可提供超過60dB的增益。這種方法的優點是電路集成度高、條

5、理較清晰、控制方便、易于數字化用單片機處理。 2.后級固定增益部分 由兩片AD603級聯構成的前級放大電路,對不同大小的輸入信號進行前級放大。由于AD603的最大輸出電壓較小,不能滿足題目要求,所以前級放大信號需經過后級放大達到更高的輸出有效值。 方案一 使用集成電路芯片。使用集成電路芯片電路簡單、使用方便、性能穩定、有詳細的文檔說明。可是題目要求輸出6V以上有效值,而在電子市場很難買到這樣的芯片,而我們買到的如AD811,HA-2539 等芯片,雖然輸出電壓幅度能滿足要求,但是很容易發生工作不穩定的情況。 方案二 使用分立元件自行搭建后級放大器。使用分立元件設計困難,調試繁瑣,可是卻可以經過

6、計算得到最合適的輸入輸出阻抗、放大倍數等參數,電阻電容可根據需要更換,在此時看來較集成電路靈活。因此,我們決定自行設計后級放大器。 系統設計 1.總體設計思路 根據題目的要求,結合考慮過的各種方案,我們認真取舍,充分利用模擬和數字系統各自的優點,發揮其優勢,采用單片機預置和控制放大器增益的方法,大大提高了系統的精度和可控性;后級放大器使用由分立元件設計的推挽互補輸出放大器,提高了輸出電壓有效值。我們使信號都在單片機的數字算法控制下得到最合理的前級放大,使其放大倍數精確。圖2所示即為本系統原理框圖。 輸入信號通過前級可控增益放大,放大倍數由單片機通過D/A轉換提供的電壓控制。AD603的Vg(=

7、V1-V2)根據公式:增益GAIN=40×Vg+20(dB)來設定,而在AGC模式下,此控制電壓Vg是由AGC電路的反饋電壓得到,不受單片機控制。經過前級放大后的信號最后經過后級放大得到需要的輸出信號,前級和后級增益的搭配,都是經過精確的測量和計算的。輸出電壓經峰值檢波電路得到,反饋到單片機,經運算和線性補償得到有效值,同時單片機推動數碼管顯示出來。 2.主要電路原理分析 (1)直流穩壓電源 本電源采用橋式全波整流、大電容濾波、三端穩壓器件穩壓的方法,產生各種直流電壓,如正負15V,正負5V等都可以買到相應的固定輸出的三端穩壓芯片,如LM7815、LM7805。而電子市場上沒有我們要

8、求的前級和后級放大器所需要的+10V和+30V固定輸出的三端穩壓器件,所以我們采用LM317T可變輸出的穩壓芯片,典型電路圖如圖3。 交流輸入經過電容濾波后的穩定的直流電送到三端穩壓集成電路LM317T的Vin端。LM317T是這樣工作的:由Vin端給它提供工作電壓以后,它便可以保持其+Vout端比其ADJ端的電壓高1.25V。因此,我們只需用極小的電流來調整ADJ端的電壓,便可在+Vout端得到比較大的電流輸出,并且電壓比ADJ端高出恒定的1.25V。 在LM317T的ADJ端加一個接地的濾波電容,會使紋波抑制比大幅度地提高,給高頻小信號運算放大器提供非常穩定的電源。二極管的作用是當有意外情

9、況使得LM317T的輸入電壓比輸出電壓還低的時候防止從輸入端上有電流倒灌入LM317T引起其損壞。其電源電路見本刊網站。 (2)前級放大器和AGC AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍連續可調的可控增益放大器。帶寬90MHz時增益變化范圍為-11+3ldB;帶寬為9MHz時為951dB。增益變化范圍可分三種模式進行控制:當 5腳與7腳斷開時,增益變化范圍為951dB,當5腳與7腳短接時,增益變化范因為-11+3ldB,當5腳與7腳之間接一電阻時,可使增益變化范圍進行平移。 AD603的簡化原理框圖如圖4所示,它由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網絡輸入端

10、(VINP)的信號經衰減后,由固定增益放大器輸出,衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調整與其自身電壓值無關,而僅與其差值Vg有關,由于控制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達50M,因而輸入電流很小,致使片內控制電路對提供增益控制電壓的外電路影響減小。以上特點很適合構成程控增益放大器。為了增大控制范圍,我們采取兩級AD603級聯的方法,如圖5所示。 使用AD603制作前置放大器時,主要考慮了共模干擾問題。前置放大器采用單端輸入方式,這時要求運算放大器的另一個輸入端與信號輸入端阻抗平衡,否則在相位相同的電磁干擾情況下,將產生共模信號輸出。 AD603輸入阻抗為100,低的輸入阻抗將帶

11、來如功率、阻抗匹配等若干問題,因此我們在輸入前級用三極管搭設了射極跟隨器,用以提高輸入阻抗。根據公式:RinRe,我們取=150的高頻三極管,取Re=1k,使輸入阻抗大于150k。 有時由于接收環境的不同、外界干擾的影響,接收到信號的強弱可能變化很大。特別是傳輸圖像信號時,由于頻帶寬、電磁干擾嚴重,不可能無畸變地遠距離傳輸。當信號較弱時,圖像的對比度變小,清晰度差且同步不穩定,無法成像;當信號較強時,會使后級接收端放大器進入飽和區和截止區,導致信號嚴重失真,而且還會將同步脈沖切割掉,得不到良好的圖像。 為了較好地解決這個問題,可使用自動增益控制電路,即AGC電路。它取出放大器輸出的峰值作為增益

12、的控制電壓,使最終輸出的電壓信號保持在某一峰峰值之間,輸出較穩定的視頻信號。 在圖5中,兩級AD603可構成具有自動增益控制的放大電路,圖中由2N3904和R7組成一個檢波器,用于檢測輸出信號幅度的變化。由C11形成自動增益控制電壓Vagc,流進電容C11的電流為2N3906和2N3904兩管的集電極電流之差,而且其大小隨第二級AD603輸出信號的幅度大小變化而變化,這使得加在兩級放大器1腳的自動增益控制電壓Vagc隨輸出信號幅度變化而變化,從而達到自動調整放大器增益的目的。 為了去除50Hz工頻干擾和其它低頻干擾,我們在兩級AD603中作了巧妙的處理,級間加入的串聯電容可以與AD603的輸入

13、阻抗形成一個高通濾波器,轉折頻率為1/2RC,其中R為AD603的輸入阻抗100,C為典型的104磁片電容,得結果約15kHz,經測試正好滿足衰減3dB起始點為10kHz,從20kHz開始幅頻特性曲線平坦的要求。 (3)手動增益預置和控制的實現 開環增益手動控制的基本思路是由單片機數字程控,經D/A轉換產生控制輸出電壓,加到圖5中兩塊AD603的1腳來控制。我們本想利用ADUC812單片機自帶的D/A轉換功能,但經實踐發現其D/A輸出很不穩定,難以濾除,而控制電壓要求紋波非常小,否則就會給輸出信號帶來很大噪聲。故我們改變了設計,考慮使用電阻網絡AD7520進行控制,其原理如圖6所示。單片機通過

14、74LS373給AD7520賦值,電阻R0用于調節AD7520的參考電壓,從而由AMP1得到D/A結果,再由AMP2幅度搬移至前放所需的控制電壓-0.5+0.5V之間,提供給AD603。 (4)后級放大原理 圖7為后級放大電路圖,它是PSPICE 電路仿真時候的電路圖, 可見本電路是一個典型的單電源供電的對稱互補電路。三極管選用的是B649A和D669A高頻孿生對管,T1、T2組成前置放大級,T3、T4組成對稱輸出級。在輸入信號為0時,調整R1的阻值,可以供給三極管適當的偏置,從而使R9和R10間的電位為Vcc/2。 靜態時,通常輸出點電位為Vcc/2,為了保證電路工作點的穩定性,我們使用R9

15、、R10和C5將輸出端和T1、T2輸入端相連,以引入負反饋。 晶體管的ft在很大程度上決定了放大器的帶寬。因為有源負載的頻率特性和噪聲特性較差,因此我們在電路中采用電阻做負載。使用分立元件制作后級放大器時,在指標允許的情況下,我們盡量降低輸入阻抗,以減少空間輻射帶來的干擾。 (5)峰值檢波電路 圖8為峰值檢波電路。峰值檢波有兩種方案,第一種是使用AD637。 AD637真有效值檢測器將輸出的交流信號取樣回來轉換為直流,經過單片機的A/D轉換后,顯示在數碼管上。輸入電壓不大的時候,AD637尚可正常工作;但是,當輸出為最大到8V有效值的電壓時,AD637工作將不正常,并且,隨著頻率的不同,AD6

16、37的工作狀態會有所不同,所以不宜使用。另一種方案是,取樣回來的輸出電壓經過二極管和電容進行峰值檢波,并經過高精度運算放大器進行衰減和保持后輸入A/D轉換器轉換為數字信號進行顯示,這樣精度可以得到保證,不過會有一定的管壓降,使用檢波用肖特基二極管大概會有0.2V壓降,完全可以通過單片機進行顯示上的補償。 (6)單片機系統 單片機是整個放大器控制的核心部分,它主要完成以下功能:接收用戶按鍵信息以控制增益;接收峰值檢波電路的反饋電壓以計算有效值;對AD603的增益控制電壓進行控制。程序流程圖如圖9所示。各個功能由不同的模塊實現: 鍵盤檢測模塊 記錄用戶對鍵盤的操作,將設定的增益數值記錄下來。 控制

17、電壓模塊 根據用戶對增益的設置,查表得到對D/A轉換器的控制字串,輸出給D/A轉換器以產生精確的控制電壓。 有效值模塊 由于輸入輸出是標準的正弦信號,峰值檢波電壓值根據經驗公式Vmax=2Vrms計算,并經過線性修正得到有效值,經測試顯示誤差不超過0.5%。 顯示模塊 按用戶需要將預置增益值或者有效值顯現在數碼管上。 總 結 通過對輸入輸出、頻帶、增益、AGC等各方面的測試,我們得到了如附表所列的性能。 專家點評:作品包括模擬和數字兩大部分,采用集成電路與分立元器件結合的方案,集中了各自優勢,收到設計簡單、性能優良、實現較容易等效果。其中模擬前端由兩塊高性能集成寬帶、低噪聲可變增益放大器AD603級聯而成,負責信號放大并與單片機電路配合實現了增益控制;后級功率輸出模塊采用分立元器件構成,得到較高的輸出電壓范圍;系統控制模塊以ADUC812單片機為主,可完成增益設定、電壓有效值計算和相