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1、宽带直流放大器的设计宽带直流放大器的设计 摘要：宽带直流放大器在科研和测量仪器中具有重要作用，本设计以可编程增益放大器VCA822、12位串行D/A芯片DAC7611和TI公司的MSP430F149单片机为核心，设计一种可编程控制电压增益的宽带直流放大器。宽带直流放大器的电压增益从0dB到60dB，可以通过按键手动连续调节，输出电压有效值从5mV到12V，控制误差不大于5%，放大器带宽达到10MHz。最大输出电压正弦波有效值Vo10V，输出信号波形无明显失真。在AV60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP0.3V。放大器所用的直流稳压电源的效果比较理想，符合设计的大部分要求。关键词：宽带直
2、流放大器；MSP430F149；D/A；A/D；可编程。1.作品简介本设计以VCA822、MSP430F149、DAC7611芯片构成的电路为核心，加上峰点检测电路，滤波放大电路，功率放大电路，按键控制电路，显示电路模块，以实现对宽带直流放大器的电压放大倍数、输出电压进行精确控制并显示。宽带直流放大器的电压增益从0dB到60dB，可以通过按键手动连续调节，输出电压有效值从5mV到12V，控制误差不大于5%，放大器带宽达到10MHz，在0到9MHz通频带内增益起伏小于等于1dB。最大输出电压正弦波有效值Vo10V，输出信号波形无明显失真。在AV60dB时，输出端噪声电压的峰峰值VONPP0.3V
3、。所设计的放大器所用的直流稳压电源部分的特性比较好，稳压效果相当理想。按键和显示电路部分实现人机交互，完成对电压放大倍数和输出电压的设定和显示。2.方案设计2. 1方案论证与选择本设计采用程控的方法对宽带直流放大器的电压放大倍数进行准确控制，同时也能够在当输入电压在一定的范围内变化时输出电压进行自动稳幅。由于要实现对该宽带直流放大器的电压增益可调的目的，经过分析，电压增益可控制部分的设计得到如下的三种方案。方案一：利用场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管的分压的这个原理。控制场效应管可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移都会引起分压比的变化。用这种方案很难实现增益
4、的精确控制和长时间稳定。方案二：采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压， 此时D/A为一个程控衰减器，因此要求D/A的速度够快、精度够高，故难以实现。而且控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。方案三：直接选取可调增益的芯片实现，如VCA822。由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。此外VCA822能提供由直流到130MHz以上的工作带宽，可得到40dB以上的电压增益，通过后级放大器放大输出。这种方法的优
5、点是电路集成度高、控制方便、易于数字化用单片机处理。综合以上考虑，所以选择方案三。2. 2 理论分析与计算221 电路带宽增益积的计算VCA822增益控制电路的电压增益设为AV1，后级功率放大电路的电压增益为AV2，则总设计电路的电压增益AV=AV1*AV2。闭环跟踪模块对总设计电路的电压增益有一定的调整作用，对该电路起到稳定输出的作用。设计电路为宽带直流放大效果，所以该电路的通频带应该是从0-fmax,电路的通频带BW=fmax。则该电路的带宽增益积AV*BW=AV1*AV2*BW。2.2.2 增益控制放大器电路实现该宽带直流放大器的核心部分是电压增益控制放大器，电压增益控制放大器原理框图如
6、图2-1所示，放大器增益取决于增益控制电压VG的大小。图2-1 电压增益控制放大器原理框图本设计使用VCA822构成的增益控制放大器电路，VCA822是德州仪器 (TI) 宣布推出的集成宽频带可变增益放大器产品系列。它能够为设计人员提供高度灵活的带宽、增益与模拟输入电压组合，从而能够满足各种应用的设计需求，其中包括自动增益控制 (AGC) 以及电压可调滤波器。VCA822是宽带、电压控制增益可变放大器，最高频率达150 MHz，工作电压5v。VCA822构成的增益控制放大器的典型应用电路见图2-2。VG是控制电压的输入端，其控制电压范围为-1+1V。电压放大倍数表达式为：G=2*(Rf/Rg)
7、*(VG+1)/2 ,在该电路中Rf为R4，是可变电阻器，最大阻值为1K。Rg为R2，阻值为51欧。在Rf和Rg一定的情况下，该控制放大器的电压增益通过VG电压来控制，可以通过控制Rf的大小，来适当的调整该电压放大器的电压放大倍数。图2-2 增益控制放大器电路2.2.3 VG控制电压的产生可采用D/A来产生控制电压VG，原理框图如图2-3所示。图2-3 D/A产生控制电压VG原理框图D/A 转换选用TI 公司的DAC7611。DAC7611为串行输入的12 位数/模转换芯片，输出电压范围是0V+1V，工作电压是+5V，2.435V内部参考电压，由DAC和高速轨到轨输出放大器组成。由于该数模转换
8、芯片输出电压范围是0V+1V，所以在该电路中加入了电压变换部分，将输出的正电压变为负电压，以达到题目的要求。2.2.4闭环跟踪调整宽带直流放大器幅频特性示意图如图2-4所示。 图2-4 幅频特性示意图放大器稳定性和通频带内增益起伏控制通过闭环跟踪电路调整，如图2-5所示，对电压控制增益放大器的输入和输出进行峰点检测，峰点检测后的信号进行A/D 转换，以A/D 转换后的输出作为程控增益放大器增益调整依据。此种方法能够对放大器的进行实时跟踪,增加该系统电路的稳定性，也符合系统设计过程中要求电压增益可控制的要求。图2-5 峰点检测电路本电路的设计是为了VCA822的输出电压达到可控制调节的目的，如图
9、2-5中，VCA822_IN为电压增益可控制芯片VCA822的信号输入端,VCA822_OUT为VCA822的输出端。采集这两个信号，同时进行A/D采样后送入MSP430F149单片机中，对这两个信号进行比较处理，然后进行适当的调整，使得最终输出的信号和输入信号的比值，也就是电压增益为预先的设定值。2.2.5直流零点漂移的抑制在电路设计过程中以使用集成芯片为主，比如可调增益控制电路使用VCA822，D/A电路部分使用DAC7611和OPA228，峰点检测部分使用AD811和OP07。集成芯片相应比较好的特性，集成芯片的使用大大的抑制了零点漂移。3. 系统实现3.1硬件设计3.1.1系统框图图3
10、-1 系统框图宽带电压控制放大器是由VCA822构成的典型应用电路构成的。程控放大器的电路原理框图如图3-1所示，这个电路是由增益可调放大器电路、增益控制电压产生电路、用于数据处理产生控制信号的单片机应用电路、检测VCA822的输入和输出电压的峰点检测电路组成。由宽带电压控制放大器电路工作原理可知，对其电压放大倍数以及输出电压的控制，其实质是能产生正确的控制电压。工作时通过键盘设定放大器的电压放大倍数或应输出的电压值，通过显示电路实时进行显示，设置完毕，经过MSP430F149单片机处理，输出相应的控制数据，由DAC7611将数字量转换为相应的模拟电压。低噪声集成运放OPA228 构成电压变换
11、电路，把DAC7611输出的正向电压转换成符合电压控制放大器电路的VG要求的电压值。为了使电压放大倍数调节更加准确，增加了峰点检测、A/D转换电路，把VCA822的输入和输出电压的峰值转换成相应的数字量，经MSP430F149 分析处理，进行比较后，进行适当的处理，并对电压控制放大器电路的VG电压再次进行调整，使设定的电压放大倍数和输出电压更加准确。3.1.2各模块电路的设计；（1）VCA822构成的增益控制放大电路设计如图2-2。（2）VG电压产生电路设计VG电压产生电路由两部分组成，一部分由DAC761112 位串行D/A 完成数字量到模拟量的转换。另一部分由OPA228构成的电压变换电路
12、，实现01V电压变化到-1+1V电压变化的转换。其原理电路如图3-2所示。图3-2 VG电压产生电路数模转换电路DAC7611 为串行输入的12 位数模转换芯片。内部参考电压为2.435V，满刻度电压输出4.095V, 1mV /LSB,设计中要求输出电压范围为01V，其对应输入数据范围为0000H03E8H。电压转换电路VCA822构成的增益控制放大电路的控制电压VG为：-1+1V，DAC7611的输出电压为：0+1V。所以需要该电路完成01V 到-1+1V转换。OPA228是一个高精度，低噪声的运算放大器，带宽33MHz, 10V/us,共模抑制比138dB，开环增益160dB，输入偏置电
13、流10nA，反馈电压75uV,供电电源范围2.5V 18V。（3）MSP430F149电路设计MSP430F149电路是宽带直流放大器系统电路的控制核心，它由单片机电路、按键电路、显示电路组成。（4）峰点检测电路设计峰点检测电路由峰值检波器电路和输出跟随级组成。详细电路如图 3-3所示。峰值检波器电路主要由元件AD811、二极管、1uF的电容等组成，完成交流到直流的转换。图3-3 峰点检测电路（5）A/D转换电路设计由于MSP430F149内部包括12位的ADC12，且为可以多通道选择的特点。所以A/D转换电路利用MSP430F149单片机内部提供的ADC12外部模块完成。（6）功率放大电路设
14、计由于VCA822芯片输出的信号由于电压答不到题目的要求，加上负载后的功率比较小，达到不到指标，所以在VCA822的输出端加上一级功率放大电路，提高该电路的输出功率。功率放大电路见图3-4。图3-4 功率放大电路（7）电源电路设计根据系统电路设计的需要，供电电路应能提供5V、12V、18V和24V的电源。由桥式全波整流，电容滤波电路和三端固定输出的集成稳压器组成。三端固定输出的集成稳压器选择7805、7905、7812、7912、7818、7918、7824、7924，设计相应的电源电路。3.2软件设计开始系统初始化按键检测输出设定值峰点检测，A/D转换电压增益显示3.2.1软件流程系统软件流
15、程图如右所示。3.2.2 MSP430F149的ADC使用AD 模数转换采用MSP430 内部自带的ADC12功能模块，考虑到采样的稳定性和准确性，我们选用外部参考电压，由一个高精度的能带隙基准电压源提供1.2V 基准电压。由公式N =V *1023/1200采样值计算得到采样理论值数据。ADC转换完成后，应及时关闭ADC12功能模块，以降低功耗。4.测试结果与分析4.1重要模块电路测试结果与分析4.1.1 VCA822增益控制放大电路测试当频率为800KHz，有效值为20mv的正弦波信号， VG端-1V+1V 控制电压通过电位器调节。可以看出VG与放大倍数基本呈线性关系，符合设计要求。但曲线的一些地方线性稍差，对于这种情况，可以通过在软件中加补偿进行修正。4.1.2 VG 电压产生电路测试在MSP430F149开发平台上，编制DAC7611测试程序，改变DAC7611输入数据，逐点测试其输出电压和OPA228的输出电压值。4.2系统总电路测试结果与分析421 系统总电路的通频带和电压增益测量选择合适的输入信号，对系统总电路的电压增益进行测试。利用函数信号发生器和双踪示波器，不同的频率通过函数信号发生器产生，得到的测量结果见表一。 先预置该系统电路的电压增益，然后再根据数据得到实际的预置电压
