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1、2015年全国大学生电子设计竞赛增益可控射频放大器（D题）2015年8月12日I1摘 要 随着信息化时代的到来，对于高频宽带放大器的要求越来越高。本设计采用stm32103ZET6为控制核心，OPA847为前级放大器，可控增益放大器VCA821为中间放大器，后级主要为THS3091构成的放大电路，三者级联实现了宽带可控增益的射频放大器，OPA847对前级输入信号进行程控放大，后级THS3091射随输出以达到功率要求，并且进行了阻抗变换。单片机和按键，显示模块实现数控增益，人机界面好。为降低纹波干扰，提高信噪比，设计了高精度低纹波线性电源给放大电路和单片机供电。整个系统稳定性强，干扰能力强。本系
2、统制作简单，经测试能达到题目要求。关键词：高频宽带放大器、单片机、stm32103ZET6、OP847、THS3091、VCA821目 录1系统方案11.1 可控增益方案的论证与选择11.2 电源系统的论证与选择11.3 控制系统的论证与选择12系统理论分析与计算22.1 可控增益放大倍数的分析22.1.1 VCA82422.2 固定增益放大倍数的计算22.2.1OPA84723电路与程序设计33.1电路的设计33.1.1系统总体框图33.1.2 前级放大子系统框图与电路原理图43.1.3 可控增益子系统框图与电路原理图53.1.4后级放大子系统框图与电路原理图53.1.5控制系统框图与电路原
3、理图63.1.6电源73.2程序的设计73.2.1程序功能描述与设计思路73.2.2程序流程图84测试方案与测试结果84.1测试方案84.2 测试条件与仪器84.3 测试结果及分析94.3.1测试结果(数据)94.3.2测试分析与结论95总结心得96参考文献9附录1：电路原理图10附录2：源程序12射频宽带放大器（D题）【本科组】1系统方案本系统主要由可控增益模块、电源模块、单片机模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1可控增益部分的论证与选择方案一：由晶体管和运算放大器实现，为了满足增益大于40db要求，可以采用多级放大电路实现。此方案需要大量采用分立元件，系统设计复杂，调试困难，尤其
4、是增益的定量调节很难。此外，犹豫采用分立元件以及多级放大，稳定性差，容易自激震荡。 方案二：使用多级运算放大器+电位器实现。选择高带宽高增益的运算放大器如VCA824,AD820等级联使用，再通过电位器手动调节其增益，实现可控增益。方案优点在于可选器件较多，带宽，放大倍数容易满足，缺点是无法实现程控，而且由于电位器引入的噪声非常容易自激，稳定性较差。方案三：采用前后级固定增益，中间两级程控增益的方式。前级对小信号做初步处理放大，并进行阻抗变换，中间两级用工作带宽大于130M的程控放大器VCA821进行放大或者衰减，后级再用一级固定做增益，最后再接一级射随放大，实现阻抗变换，提高了带载能力。此方
5、案中，每一级的增益都不大，保证了工作带宽，系统稳定性好，但是程控增益不好调节。综合以上三种方案，选择方案三。1.2 电源模块的论证与选择方案：为了满足小信号放大，使输出波形不失真，该电源对纹波要求较高，并且为了给放大器供正负电压，我们采用LM317和LM337芯片降压到正负12伏，然后通过LT1117系列降压到正负5伏，此方案能很好的满足我们对电源低纹波的要求。跟其它常用稳压电源的不同显而易见，优势正是在此，所以我们选择此方案。1.3 控制系统的论证与选择方案：本题只需要提供一个控制信号给程控放大器，对运算要求不高，我们使用了成熟的stm32103ZET6这款单片机，来提供控制和显示。2系统理
6、论分析与计算2.1 VCA824可控增益放大的分析 2.1.1 VCA821增益放大计算 用VCA821做的增益放大器，我们采用它的典型电路，根据它的计算公式来控制增益，以下为它的相关资料。2.2 OPA847固定放大增益分析2.2.1为了符合题目要求的宽带，我们采用OPA847来做固定增益模块。根据它的标准电路来搭建符合我们要求的电路，使它放大相应的倍数。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图所示，信号输入 后级放大前级放大程控放大信号输出DA转换单片机显示按键 输入信号通过前级固定增益放大，将信号放大两倍送给程控增益级，单片机经过计算，通过DA提供控制电压，
7、控制VCA824的增益，使得系统放大倍数可控。后级先经过THS3201固定十倍增益，再跟随输出，提高输出功率，又达到了阻抗匹配的目的。同时，由单片机控制液晶，显示出放大的倍数。 系统总体框图3.1.2 前级子系统电路原理图1、前级子系统电路前级由OPA847搭成同向放大器，放大倍数两倍，目的在于进行阻抗匹配，提高信噪比。OPA847是一款的电压反馈型放大器，增益带宽积是3.9GHZ，体统增益稳定，用5V电源供电，能够很好的实现降噪并拓宽带宽的作用，压摆率为625V/us，且其放大倍数为12，前级输入信号有效值小于等于20mV.放大倍数A=(R28/R20)+1=510/510+1=2 3.1.
8、3可控增益子电路原理图1、可控增益子系统电路VCA824是是宽带压控放大器，10倍增益带宽为320MHZ，完全达到题目要求，通过调节VCA824压控端控制输出增益，实现增益可调。VG是控制电源输入端，其控制电压范围为-1v1v。当G+=1V时，电压放大倍数最大。公式为G=2*（Rf/Rg）*(VG+1)/2在Rf与Rg都确定的情况下其增益只取决于控制电压VG。3.1.4后级子电路原理图为了满足增益要求，我们使用TH3201在后级设计了一个放大器，固定放大十倍，并且在最后设计了一个跟随器以提高带载能力并实现阻抗匹配。原理图如下 后级子系统电路3.1.5控制系统本题只需要提供一个控制信号给程控放大
9、器，对运算要求不高，我们使用了成熟的stm32103ZET6单片机控制DA输出的电压经过减法运算，使其输出在-11v，满足控制要求。51单片机，按键，液晶原理图如下3.1.6电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1）键盘实现功能：设置增益倍数。2）显示部分：显示幅度值和增益倍数。2、程序设计思路通过单片机控制增益，同时将输出波形的幅度值显示在液晶屏上，通过按键来控制增益
10、3.2.2程序流程图1、主程序流程图系统软件设计开始1 系统总框图 初始化按键扫描DA控制放大器显示结束4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试每级分开，单独测试，然后级联测试，测试是否达到要求。2、软件仿真测试液晶屏是否显示，按键是否能够控制增益3、硬件软件联调全部连接起来后，通过按键来控制增益，显示输出幅度，并用仪器检测，看是否显示准确4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)VI
11、NOUT增益频率1mvpp0.123vpp123倍10MHZ1mvpp0.224vpp224倍10MHZ1mvpp0.566vpp566倍10MHZ1mvpp1.031vpp1031倍10MHZ1mvpp1.001vpp1001倍50MHZ1mvpp0.991vpp991倍100MHZ1mvpp0.651vpp651倍80MHZ4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，该射频宽带放大器可以在0到60DB增益范围内可调，并且输出波形不失真，宽带可以达到基础部分要求，输出波形幅度也满足，由此可以得出以下结论：1、最大增益60DB，并且可调。2、宽带030MHZ，只能满足基本部分要求。3、输出波形不
12、失真，最大可以达到1vpp输出值，完全满足综上所述，本设计总体来说可以达到大部分设计要求。5 、总结与心得 通过此次四天三夜的比赛，我们看到了自身的不足，特别是在画电路图等基础部分上还要努力。对于问题的发现和分析这种能力我们还需要提高，在今后的学习过程中得加强这方面。我们还明白了团队合作的重要性，任何事只有协调好团队才能赢得双赢，获得最大的成就。6、参考文献1.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（19941995）2.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2001）M.北京：北京理工大学出版社，2003年第1版.3.全国大学生电子设计竞
13、赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1999）M.北京：北京理工大学出版社，2000年第1版.4.高吉祥，黄智伟，陈和.高频电子线路M.北京：电子工业出版社，2003年第1版5.黄智伟.无线数字收发电路设计M.北京：电子工业出版社，2003年第1版6.黄智伟.电子电路计算机仿真设计M.北京：电子工业出版社，2004年第1版7.黄智伟.射频集成电路原理与应用M.北京：电子工业出版社，2004年第1版1附录1：电路原理图附录2：源程序#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define Channal_A 1 /通道A#define Channal_B 2 /通道B#define Channal_AB 3 /通道A&B/*一下为函数声明修*static void DA_conver(uint Dignum);extern void Write_A_B(uint Data_A,uint Data_B,uchar Channal,bit Model);/*修改硬件时要修改的部分*sbit TLV5618DIN = P35; /数据输入端sbit TLV5618S
