增益帶寬可調(diào)放大器

1、增益帶寬可調(diào)放大器 摘要：本系統(tǒng)是由前級穩(wěn)定放大電路，程控增益放大電路，程控的低通濾波器，功率放大電路，峰峰值顯示和檢測模塊組成。前級穩(wěn)定放大電路，由低噪聲，單位增益穩(wěn)定的OPA637實現(xiàn)。程控增益放大電路則是用VCA810，通過提供偏置電壓來改變放大的倍數(shù)。程控低通濾波則是以控制Max5160來改變電阻值實現(xiàn)對兩階的巴特沃斯低通濾波器截止頻率的調(diào)整，。功率放大電路則是用THs3091。峰峰值顯示和檢測，通過有效值采集芯片AD637，使系統(tǒng)輸入為正弦波時，輸出電壓的峰峰值和有效值的數(shù)字顯示功能。關(guān)鍵字：可變增益放大器，程控濾波器，THS3091，AD637目錄一、系統(tǒng)方案設(shè)計31. 系統(tǒng)總體構(gòu)

2、成（設(shè)計框圖）32.方案比較3（1）緩沖放大部分3（2）壓控增益電路4（3）程控濾波電路4（4）功率放大模塊4（5）有效值采集模塊5二.數(shù)據(jù)分析51.增益帶寬積52. 增益分配分析53.通頻帶內(nèi)增益起伏控制54.抑制零點漂移65.放大電路穩(wěn)定6三.電路設(shè)計61. 緩沖放大部分62.可控增益程控放大73. 程控濾波電路74. 功率放大模塊85.有效值檢測電路9三.測試方法與數(shù)據(jù)101.測試儀器102.測量方案與數(shù)據(jù)10(一)可控電壓增益40dB測量及峰峰值的檢測10（二）濾波器上限截止頻率的檢測11（三）超上限后增益衰減測量12（四）輸出最大不失真峰峰值電壓123.結(jié)果分析12五.參考文獻13六

3、. 附件13一、系統(tǒng)方案設(shè)計1. 系統(tǒng)總體構(gòu)成（設(shè)計框圖）信號經(jīng)過緩沖放大區(qū)，實現(xiàn)10倍的穩(wěn)定放大，然后經(jīng)過用單片機控制的壓控增益電路和截止頻率可控的濾波電路。為了驅(qū)動50歐姆的負載電阻，使信號再通過一個功率放大電路，然后接上負載電阻。經(jīng)過有效值檢測電路，將所測輸出電壓有效值，所控制的放大倍數(shù)以及所處的截止頻率值，顯示在LCD屏幕上。電源緩沖放大壓控增益電路濾波電路功率放大有效值檢測430單片機2.方案比較（1）緩沖放大部分方案一：由三極管等分立元件組成的放大電路實現(xiàn)電壓跟隨,本方案由于主要采用分立元件電路比較復雜,難于調(diào)試,尤其增益的定量調(diào)節(jié)不易實現(xiàn)。方案二：輸入緩沖放大部分采用運算放大器O

4、PA670，其增益寬帶積為500MHz，可以實現(xiàn)輸入信號10倍的增益放大。 因而選擇方案二。（2）壓控增益電路方案一：使用Max5160數(shù)字電位器和opa820，構(gòu)成一個反饋阻值可控的放大電路。Opa820的增益帶寬積為480MHz，可以滿足放大電路增益到100倍時，3MHz頻率信號的通過。方案二：VCA810是一個寬帶、連續(xù)變化、電壓控制增益放大器。增益線性范圍為-40dB到+ 40dB在dB / V。零差分輸入電壓提供了一個帶有小的直流偏移誤差0V輸出。低輸入噪聲電壓，確保在最高增益設(shè)置好輸出信噪比。因而使用方案二，采用VCA810作為壓控增益，電路簡單。（3）程控濾波電路方案一：采用RC

5、 濾波電路，Max5160數(shù)字電位器，改變R阻值，但RC 濾波衰減很大；方案二：利用高速寬帶運放OPA690 設(shè)計二階巴特沃思濾波器，其通頻帶內(nèi)的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。通過Max5160來改變?yōu)V波電路的電阻參數(shù)，以實現(xiàn)控制截止頻率。因而采用方案二（4）功率放大模塊方案一：采用THS3001，可達增益要求，但其增益不可調(diào)。方案二: THS3091是一種高電壓，低失真，低噪聲的放大器，寬帶：210兆赫（G = 2時，基因Rl = 100），其性能高，精度高，性能好，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的放大。（5）有效值采集模塊方案一：采用AD736，其轉(zhuǎn)換精度為（mv±

6、%RD)為0.5±0.5（max），低成本級的AD736的精度與8位A/D轉(zhuǎn)換的精度相同,高等級和AD736的精度高于8位A/D的轉(zhuǎn)換精度,且它的3dB帶寬為0.4MHz，它的性能都不及AD637。方案二：AD637是當前國際上轉(zhuǎn)換精度最高及頻帶最寬的真有效值轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)它的3dB帶寬為8MHz，在電源為正負5V供電情況下，當輸入信號的頻率不大于2MHz時，其輸入信號的電壓有效值在0.7V4V范圍內(nèi)能保證測量誤差。經(jīng)論證，選擇AD637。二.數(shù)據(jù)分析1.增益帶寬積帶寬增益積(GBP)是用來簡單衡量放大器性能的一個參數(shù)，這個參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個乘積是一定的。按

7、照題目發(fā)揮部分的要求，信號的通頻帶為20Hz5MHz，最大電壓增益AV>40dB,則增益帶寬積為：5 M×10（40/20）>500MHz ,又輸出最小不失真峰峰值10V ,我們采用分級放大的方式，使放大器整體增益超過40dB.盡量滿足達到最小峰值的發(fā)揮要求。2. 增益分配分析由于考慮到增益越大，頻帶寬度窄，整個結(jié)構(gòu)的增益設(shè)計，經(jīng)過前級的緩沖放大區(qū)放大10倍（20dB），VCA810可以實現(xiàn)-40dB-+40dB壓控增益，這里設(shè)計其可以實現(xiàn)放大-26dB-+14dB的增益控制，功率放大電路則是采用6dB的增益控制。3.通頻帶內(nèi)增益起伏控制在設(shè)計放大器頻率范圍從DC到5M，

8、在5M的通頻帶內(nèi)增益平坦。所以選擇通帶最平坦的巴特沃紫濾波器來設(shè)計帶寬。OPA690在100MHz頻帶下的增益誤差為0.1dB,VCA810增益起伏為0.3dB，THS3091在±15V電源供電時，增益為2倍的情況下，增益起伏小于0.1dB，均滿足指標要求。4.抑制零點漂移由于集成電路都有輸入失調(diào)電壓，經(jīng)過高增益的放大使得輸入失調(diào)電壓放大。通過在前兩級放大電路間的輸入和反饋間加上電位器，來調(diào)節(jié)輸入輸出級之間的失調(diào)電壓。5.放大電路穩(wěn)定為了盡可能的減小干擾，避免自激，在布線和走向上有做一些考慮。構(gòu)建閉路環(huán)，嚴格按照信號走向布線。整個運放使用較粗的地線包圍，縮短地線回路，并可吸收高頻信號

9、減小噪聲；各部分擺放位置按照信號走向，減小板與板之間的連線長度。三.電路設(shè)計1. 緩沖放大部分使用OPA690，進行正向10倍放大。OPA690增益帶寬積為500MHz，單位增益穩(wěn)定，滿足放大10倍，上限的截止頻率達到5MHz的要求。通過一個正向反饋運算放大的設(shè)計，加正負5伏的電源來供壓。2.可控增益程控放大VCA810在寬頻帶工作模式下，增益控制范圍為-40dB+40dB,且控制電壓與增益dB數(shù)成線性關(guān)系，滿足增益控制要求。采用12位的DAC，TLV5616與單片機連接來產(chǎn)生不同幅值的模擬電壓信號.再通過OPA2340方向放大電壓，來控制VCA810.3. 程控濾波電路采用巴特沃斯二階低通濾

10、波電路，如下圖所示。由于巴特沃斯濾波器的原理，R1和C2構(gòu)成一個低通級，R3和C1構(gòu)成積分環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)H(s)：Hs=V0(s)Vi(s)=-R2R1s2R2R3C1C2+sR2R3C11R1+1R2+1R3+1H0s=-R2R1 f0=12R2R3C1C2 Q=(R1/R2/R3)C2R2R3C1將R3用數(shù)字電位器Max5160來代替，通過430單片機控制Max5160的輸出阻值來達到程控濾波。4. 功率放大模塊末級采用高電壓，低失真，電流反饋運算放大器THS3091 增大驅(qū)動負載的能力。THS3091為功率放大芯片，輸出電流250mA，其增益帶寬積為420MHz，本系統(tǒng)設(shè)計放大2倍，用正

11、負12伏的電壓做提供的電源，來滿足輸出的最大不失真峰峰值可以達到10V。5.有效值檢測電路AD637是集成度高的整流濾波芯片，可以克服小信號的帶來的誤差，有較高的精度。AD637是AD公司RMS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的交直流轉(zhuǎn)換電路，對于1VRMS的信號，它的3dB帶寬為8MHz,并且可以對輸入信號的電平以dB形式指示，另外，AD637還具有電源自動關(guān)斷功能，使得靜態(tài)電流從3mA降至45µA.，可以測出任意波形交變信號的有效值，實驗數(shù)據(jù)表明，在電源為正負5V供電情況下，當輸入信號的頻率不大于2MHz時，其輸入信號的電壓有效值在0.7V4V范圍內(nèi)能保證測量誤差。圖像如下圖所示：

12、三.測試方法與數(shù)據(jù)1.測試儀器序號名稱型號規(guī)格數(shù)量1DG1022任意波形發(fā)生器12普源DS1052E數(shù)字示波器13DF1731-SB3A直流穩(wěn)壓電源14UT39A數(shù)字萬用表12.測量方案與數(shù)據(jù)(一)可控電壓增益40dB測量及峰峰值的檢測測量方法：用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1KHz，峰峰值為27mV的正弦信號，通過調(diào)節(jié)單片機上的按鍵，來控制增益放大倍數(shù)，并做計數(shù)測量。輸入峰峰值（mv）所設(shè)計的增益(dB/倍數(shù))示波器顯示峰峰值/mV示波器顯示有效值/mV峰峰值測量電路顯示值增益誤差峰峰值測試誤差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）濾波器上限截止頻率的檢測測試方法：在系統(tǒng)放大倍數(shù)為40dB時，Vpp=27mV，調(diào)節(jié)信號發(fā)生源頻率值，用示波器觀察輸出峰峰值達到最大值峰峰值0.707倍時，驗證其上限截止頻率范圍。（三）超上限后增益衰減測量測量方法：調(diào)節(jié)系統(tǒng)截止頻率到5MHz，輸入的信號源Vpp為20mv，改變輸入頻率，測量并記錄輸出的電壓峰峰值。信號輸入頻率輸出峰峰值/mV5MHz8246MHz7527MHz6168MHz4809MHz42010MHz280（四）輸出最大不失真峰峰值電壓測量方式，在調(diào)到系統(tǒng)最大增益的條件下，不斷增大信號源的輸入電壓，觀察示波器，看最大不失真電壓：3.結(jié)果分析1.電路系統(tǒng)的

15、放大增益在誤差允許的范圍內(nèi)，可以達到40dB；2.Av的在040dB內(nèi)，可以通過用單片機控制并顯示增益步進，該設(shè)計的增益步為1dB。3.最大增益下，系統(tǒng)的上限的截止頻率可以達到3MHz。4.放大電路的輸出最大不失真峰峰值電壓達到7V。5.峰峰值測量并顯示模塊的測量誤差小于2%，測量范圍可以達到0.5v10v。五.參考文獻1、TI 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應用手冊基礎(chǔ)知識篇黃爭編譯；2、TI 運算放大器應用手冊基礎(chǔ)知識篇黃爭李琰編譯；3、電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版） 康華光高等教育出版社；4、電子線路綜合設(shè)計謝白美華中科技大學出版社；六. 附件430單片機控制與顯示程序：#include <msp43

16、0x14x.h>#include "Config.h"#include <math.h>#define CSnResNEN P5OUT |= BIT2 /CS為P52;#define CSnResEN P5OUT &= BIT2#define INCnSET P5OUT |= BIT3 /INC為P53;#define INCnCLR P5OUT &= BIT3#define UDSET P5OUT |= BIT4 /U/D為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數(shù)據(jù)引腳 P4DIR = 0XFF; P4OUT = 0X00; /此行為12864的引腳，P50為RD/PSB,P51為/RST,P55為RS,P56為RW,P57為EC /此行為輸出點位器的輸出引腳，P52為CS,P53為INC,P54為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口留作中斷 /此行為tlv5616引腳，P30為SCLK,P31為DIN,P32為CSn,P33為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; /復位腳RST置高/*/顯示屏命令寫入函數(shù)/*void LCD_write_com(un

22、signed char com) RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; DataPort = com; delay_ms(5); EN_CLR;/*/顯示屏數(shù)據(jù)寫入函數(shù)/*void LCD_write_data(unsigned char data) RS_SET; RW_CLR; EN_SET; DataPort = data; delay_ms(5); EN_CLR;/*/顯示屏清空顯示/*void LCD_clear(void) LCD_write_com(0x01); delay_ms(5);/*/函數(shù)名稱：DisplayCgrom(uchar hz)顯示CGROM里的漢字/

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); /*/顯示屏初始化函數(shù)/*void LCD_init(void) LCD_write_com(FUN_MODE);/顯示模式設(shè)置 delay_ms(5); LCD_write_com(FUN_MODE);/顯示模式設(shè)置 delay_ms(5); LCD_write_com(DISPLAY_ON);/顯示開 delay_

24、ms(5); LCD_write_com(CLEAR_SCREEN);/清屏 delay_ms(5);/*/ Display()顯示測試結(jié)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,"增益帶寬放大器"); 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;