《西安交大-闫彬 高博 郑宇龙-宽带直流放大器.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西安交大-闫彬 高博 郑宇龙-宽带直流放大器.doc（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2009年全国大学生电子设计竞赛报告宽带直流放大器（C题）西安交通大学 闫彬 高博 郑宇龙摘要：本系统由前级放大器、可变增益放大器、后级处理三部分构成。前级放大器部分为同相放大器，实现输入小信号的第一级放大。可变增益放大器部分以VCA822芯片为核心，辅以外围电路，实现信号第二级可变增益放大。后级跟随器部分放大电流，实现信号第三级放大并满足带载要求。整个系统由430单片机控制，辅以键盘输入和液晶显示，工作可靠，界面美观。关键字：直流耦合，宽带，放大器，VCA8222009年全国大学生电子设计竞赛报告宽带直流放大器（C题）宽带直流放大器在信号调整与控制电路中有着广泛的应用。本选题要求制作一个宽带
2、直流放大器,实现从直流到高频的宽频带放大。同时要求在输入信号很小的情况下，电压增益较大，输出电压较大并能带动大于50W负载。并要求制作系统的直流稳压电源。在实现以上各要求时需注意控制成本与提高效率。1. 方案比较与论证本系统的核心部分就是实现程控增益，具体可选方案如下：方案一：利用可程控的模拟开关和电阻网络构成放大器的反馈电阻，通过接入不同的电阻来实现放大器的放大倍数改变，以达到程控增益的目的。此方案的优点是控制简单，电路实现较为容易。缺点是多路模拟开关使用频率较低，其导通电阻对信号传输精度影响较为明显，高频时对电压由放大作用，对于较为精确的控制其影响难以进行后期修正，切换时抖动引起的误差比较
3、大，切换速度较慢。控制精度增加一位，电阻网络就增加一级，电阻网络的电阻选择也较为困难，很难做到高精度控制。方案二：利用数字电位器作为放大器的反馈电阻，实现放大器的放大倍数改变。此方案和方案一原理基本相同，都是通过调节反馈电阻来实现对增益的控制，不同的是选用数字电位器来实现，缺点是数字电位器为了扩大使用电压范围，内部附加了由振荡器组成的充电泵，因而会产生有害的高频噪声,它同样不能满足高精度控制要求。方案三：利用专用芯片,由DAC输出直流信号，该直流信号对应的放大倍数与测试信号相乘，可以实现程控放大器。此方案实现较为容易，控制精确较高，频带主要受控于芯片，如选用芯片合适，也可达到较高频率。本设计采
4、用方案三。其他部分都选择了较为成熟，我们也较为熟悉的方案，以达到又快又好的完成题目要求。2. 系统框图与电路设计2.1 系统框图见图2.1。2.2前级放大电路部分此部分的目的主要有两个，第一是提高输入VCA822的电压，防止噪声淹没，第二是提高输入电阻，达到题目要求。故采用AD811宽带放大器，提供5V电源，同相放大输入信号10倍。具体电路图见附图1。单 片 机1V同步放大减法器VCA822DAC同相跟随器输入键盘液晶显示操作面板输出图2.1 系统框图2.3减法器与DAC部分由于我们采用430单片机的DAC，能输出02V的直流电平，而VCA822增益控制电平为-1V+1V，故用此减法器实现。我
5、们的减法器以低噪高精度运放AD811为核心芯片，输出的直流电平比较稳定。具体电路见附图2.2.4可变增益放大器部分此部分我们充分利用了集成芯片VCA822，实现直流到高频输入信号的高增益放大。VCA822芯片本身的放大范围为40dB。具体电路图见附图3。2.5后级跟随器部分此部分我们采用AD811运放实现同相跟随器，放大输出电流，带动50W负载。以供电，实现最终输出信号有效值大于2V。具体电路图见附图4。2.6直流稳压电源本系统由变压器从220V交流电源稳压至24V直流电压，再由LM317、LM337稳出+18V，-18V，其中一路18V稳出15V，一路+18V送给DLM10-24D05稳压出
6、系统所需的5V，进而稳出3.3V。其中DLM10-24D05效率可达80%，符合题目提高电源效率的要求。具体电路图及实物图见附图5和附图8。2.7交互界面采用ZLG7289键盘驱动芯片控制键盘输入，采用FMT0371液晶屏幕显示。其中前者可使键盘与单片机的交互结构简洁，功能完备，通过串行输入数据，节省端口。后者为一般手机用的液晶屏幕，色彩鲜艳，效果较好，且较为经济。本任务中，通过单片机程序控制此二者工作，完成功能，且操作简单，界面美观。交互界面电路图见附图6。实物图见附图8。3. 理论分析与参数计算3.1带宽增益积本系统的带宽主要由所使用的各芯片确定。前级的AD811放大小信号，故选择 5V供
7、电，反馈电阻选为630W左右，增益为10倍时，其带宽约为6080MHz，满足题目要求。同时，当VCA822在最大增益为10倍，10Vpp全功率输出的时候，增益带宽仍可达到137MHz，满足题目要求。综上，本系统时刻注意反馈电阻的大小，确保满足宽带要求。3.2 通频带内增益起伏控制题目要求的放大倍数为040dB,增益分配如表3.1所示。表3.1 增益分配输入信号有效值（mV）放大倍数(倍)输出信号有效值（mV）放大倍数（相对于输入信号）(dB)输入信号1010mV前级放大部分101010020可变增益放大部分100.110101,000040在实际电路中，由于自激和误差等影响，会有局部调整。对于
8、本系统，TA = +25C, RL = 100W, RF = 1kW, RG = 200W, VCA822的增益控制如图3.1。其中横坐标即为控制电压，由430单片机的DAC输出，经减法器送入VCA822。VCA822 是一个直接耦合、宽带、线性增益连续可调，电压控制增益放大器。最大增益由反馈电阻RF和增益电阻RG决定。VG是控制电压输入端，当控制电压VG为+1V时，增益为10倍，控制电压为-1V时，增益为0.1倍，实现从-20dB20dB的放大范围。曲线拟合的计算公式为（3.1）图3.1 VCA822增益控制3.3 线性相位系统的相位也主要受各芯片约束。其中AD811在15V供电时可达到相位
9、误差只有，当供电电压降低时相位误差会有微小增大。而VCA822的相位如附图7所示，并经过扫频仪观察，在从直流到30MHz内有起伏，但基本满足群时延不变，即线性相位。3.4 抑制直流零点漂移系统为宽带直流放大器，故必须采用直流耦合，因此考虑直流零点漂移十分重要。其中AD811，VCA822芯片都会引入直流偏移造成误差。我们主要通过修改无源器件的参数，减少级联数目，加强隔离，加大面积铺地等办法尽量减少零点漂移。实际检测结果见测试结果部分。3.5 放大器稳定性由于我们采用的是VCA822芯片，而此芯片极易自激，尤其在所放大倍数达到最大值的时候。故我们采用加强隔离，加大面积铺地，最短地线，最短信号线等
10、办法，减少自激次数，使放大器稳定。4. 测试方案与测试结果4.1 测试仪器DDS数字信号发生器 SFG-2104DDS函数信号发生器 TPG6010数字频率特性测试仪SUING SA1005 两通道数字示波器 RIGOL DS1022C数字式万用表FLUKE 15B4.2 宽带放大器部分4.2.1测试方案图4.1 测试电路4.2.2测试结果4.2.2.1放大器输入阻抗将放大器输出端开路，将一个150W的电阻串入输入端，计算分压得到输入电阻的大小。具体计算过程为(4.1)满足题目要求的输入阻抗大于50W。测试电路图如图4.2所示。图4.2 输入阻抗测试电路4.2.2.2电压增益输入信号频率为1k
11、Hz,有效值为20mV时输出信号受增益设置的控制结果如表4.1所示。表4.1 电压增益控制设定电压增益（dB）输出信号有效值（mV）实际增益(dB)020.50.2536.75.231065.610.321511615.272020520.342536625.243066230.3935109034.7401790394.2.2.3直流电平偏移在我们所设计的系统中，理论上不存在直流电平偏移，当输入信号无直流电平时输出也没有直流电平。实际测量中，所用的信号源无可避免的引入了直流偏置，输出也相应的将此直流偏置放大了。4.2.2.4 幅频特性用扫频仪对幅频特性进行扫频，得到幅频特性如图4.2所示。图
12、4.2幅频特性4.3直流稳压电源部分4.3.1测试方案直流稳压电源220V交流电源示波器/直流电压表4.3.2 测试结果可测得各输出端口电压均达到要求。具体电压值如表4.3所示。表4.3 直流稳压电源测试端口-15V端口-5V端口+3.3V端口+5V端口+15V实际电压-14.96-5.083.2844.9814.975. 设计总结本系统采用数模结合的方式实现，以模拟电路实现宽带放大器的功能，以单片机输出信号实现控制，既保持了数字信号高精度的优点，又保持了模拟电路易于调试，成本低廉的优点，达到了较好的效果。不足之处有两点，第一，由于我们是自己制作的PCB板，所以走线布局等问题、实验室里众多的干
13、扰源都可能引入误差，解决办法有大面积铺地、最短信号线、最短地线、加屏蔽盒等办法；第二，由于测量仪器与人为读数引入的误差也会影响最终结果，解决办法是采用多次测量取平均值。参考资料【1】孙肖子，邓建国等。电子设计指南【M】 高等教育出版社，2006.1【2】黄争。德州仪器高性能模拟器件在大学生创新设计中的应用及选型指南，德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部，2009年5月【3】童诗白，华成英主编。模拟电子技术基础【M】高等教育出版社【4】VCA822 datasheet【5】AD811 datasheet12附录附图1 前级放大电路附图2 减法器电路图附图3 VCA822及其外围电路附图4 同相跟随器部分附图5 直流稳压电源电路图附图6 底板（单片机液晶键盘）电路图附图7 VCA822群时延特性附图8 系统实物开始系统初始化CPU进入低功耗模式，等待按键中断开始判断按键值响应键盘，进行系统的相关参数设置中断返回刷新液晶显示中断服务程序主程序附图9 程序框图
