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1、系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要 本设计由直流稳压电源、前置放大电路单元、增益控制部分、功率放大部分、单片机自动增益控制部分几个模块构成。输入部分采用高速电压反馈型运放OPA690作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。同时利用可变增益宽带放大器VCA821来提高增益和扩大AGC控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。功率输出部分采用分立元件制作，提高了负载阻值以及输出有效值。控制部分由MSP430系列单片机、A/D和D/A组成。整个系统通频带为1kHz20MHz，最小增益0dB，最大增益
2、80dB。增益步进1dB，60dB以下预置增益与实际增益误差小于0.2dB。不失真输出电压有效值达9.5V，输出4.55.5V时AGC控制范围为66dB，应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制,AGC稳定性好,可控范围大,完成了设计的所有基本要求并做适当的发挥，使设计更完善。关键词：程控；宽带；自动增益控制；AD603；AGC 目录目录摘 要2目录31、方案比较与论证41.1 前级放大模块部分41.2 可控增益放大器部分41.3 功率输出部分71.4测量有效值部分72、具体系统设计82.1总体设计思路82.2系统各模块电路的设计与分析92.2.1直流稳压电源92.2.2前置放大电路单
3、元112.2.3 增益控制部分112.2.4功率放大部分132.2.5自动增益控制（AGC）143、理论分析与参数计算143.1 增益分配的计算143.2 AGC介绍153.3正弦电压有效值的计算154、程序设计部分154.1、程序功能描述与设计思路154.2、程序流程图165、抗干扰措施分析166、实验结果177、误差分析及性能总结187.1 误差分析187.2 性能总结198、心得与体会19参考文献20附录一 整体电路图21附录二 整体实物图22附录三 MSP430F5438主程序22本科生课程设计成绩评定表291、方案比较与论证 1.1 前级放大模块部分方案一：使用分立元件搭建共基级放大
4、器。在三极管搭建的三大放大电路中，共基极放大器有电压增益大、电流增益小、输出电阻小、适合于高频工作等特点。但由于题目中要求的频率范围较大，故对于放大三极管型号的选择以及电路的搭建布线等都要求较大，实行起来比较困难。 方案二：使用THS3092芯片搭建同相放大电路。THS3092是TI公司生产的一款电流反馈型放大器。电流反馈型放大器较常见的电压反馈型放大器相比，具有更好的频率特性，没有固定的贷款增益积，在高频电路中对波形的失真较小。该芯片的噪音小，带宽高，适合于前级的小信号放大。方案三：使用OPA846或OPA847芯片，这两种芯片性能相近，都是具有超低输入电压电流噪声，超高增益带宽带积的芯片，
5、OPA846在放大10倍的情况下，有400MHz的带宽，而OPA847具有3.9GHz的增益带宽积，且两种芯片的输入电压噪声也极低，能有效压制噪声。经实践，我们发现OPA846具有0.85nV的噪声电压，同时增益带宽积为3.9GHz，适合高倍数放大，满足题目要求。为追求更高指标，选用OPA847，所以采用方案3.1.2 可控增益放大器部分方案一：简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图1为分立元件放大器电路图。为了满足增益40dB的要求,可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件,如三极管等,电路比较复杂,工作
6、点难于调整,尤其增益的定量调节非常困难。此外,由于采用多级放大,电路稳定性差,容易产生自激现象。图1 分立元件放大器电路图方案二：原理框图如图2所示，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与对V的分压。采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。 图 2 场效应管放大器电路图方案三：为了易于实现最大40dB增益的调节,可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A转换芯片,其输出Vout=DnVref/210,
7、其中Dn为10位数字量输入的二进制值,可满足210=1024挡增益调节,满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成,具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点,故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求,为使输入信号在mVV每一数量级都有较精确的增益,最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整,再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大,并使前后级增益积为1024,与AD7520的衰减分母抵消,即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求,具体实现起来比较复杂,而且转化非线性误差大,带
8、宽只有几kHz,不能满足频带要求。方案四：使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制（如图3）。根据题目对放大电路的增益可控的要求,考虑直接选取可调增益的运放实现,如AD603、VCA821。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型网络输入端的信号经衰减后,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VCA821能提供由直流到30MHz以上的工作带宽,单级实际工作时可提供超过20dB的增
9、益,两级级联后即可得到40dB以上的增益,通过后级放大器放大输出,在高频时也可提供超过60dB的增益。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。图 3 可变增益的运放放大器电路图综上所述，选用方案四，采用集成可变增益放大器VCA821作增益控制。VCA821是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。1.3 功率输出部分 VCA821构成的放大电路,可对不同大小的输入信号进行前级放大。由于AD603的最大输出电压
10、较小,不能满足题目要求,所以前级放大信号需经过后级放大达到更高的输出有效值。方案一：使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。可是题目要求输出3V以上有效值,而在电子市场很难买到这样的芯片,而我们买到的如AD811,HA-2539，THS3091等芯片,虽然输出电压幅度能满足要求,但是很容易发生工作不稳定的情况。方案二：使用分立元件自行搭建后级放大器。使用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看来较集成电路灵活。因此自行设计后级放大器优势就很明显了。由于THS3091芯片的带
11、宽大，压摆率高，比较适合于组成最后一级较大信号的放大工作。因此，我们采用方案一。1.4测量有效值部分方案一：利用高速ADC对电压进行采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样难且计算量大，增加了软件难度。方案二：对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。 方案三：采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值
12、。这样可以实现对任意波形的有效值测量。综上所述，采用方案三，变换芯片选用AD637。AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高，但不适用于高于8MHz的信号。此方案硬件易实现，并且8MHz以下时候测得的有效值的精度可以保证，在题目要求的通频带10kHz6MHz内精度较高。2、具体系统设计2.1总体设计思路根据题目的要求,结合考虑过的各种方案,充分利用模拟和数字系统各自的优点,发挥其优势,采用单片机预置和控制放大器
13、增益的方法,大大提高了系统的精度和可控性;后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器,提高了输出电压有效值，使信号都在单片机的数字算法控制下得到最合理的前级放大,使其放大倍数精确。下图所示即为本系统原理框图。输入信号通过前级可控增益放大,放大倍数由单片机通过D/A转换提供的电压控制。VCA821的Vg控制增益变化,经过前级放大后的信号最后经过后级放大得到需要的输出信号,前级和后级增益的搭配, ,都是经过精确的测量和计算的。输出电压经有效值检测电路得到,反馈到单片机,经DA输出Vg控制增益的变化。图 4 系统原理框图2.2系统各模块电路的设计与分析2.2.1直流稳压电源 本电源采用桥式全波
14、整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法,产生各种直流电压。正负15V,正负5V等都可以买到相应的固定输出的三端稳压芯片,如LM7815、LM7805。所以我们采用LM317T可变输出的稳压芯片,典型电路图如图5。图 5 直流稳压电源交流输入经过电容滤波后的稳定的直流电送到三端稳压集成电路LM317T的Vin端。LM317T是这样工作的:由Vin端给它提供工作电压以后,它便可以保持其+Vout端比其ADJ端的电压高1.25V。因此,我们只需用极小的电流来调整ADJ端的电压,便可在+Vout端得到比较大的电流输出,并且电压比ADJ端高出恒定的1.25V。在LM317T的ADJ端加一个接地的滤波电
15、容,会使纹波抑制比大幅度地提高,给高频小信号运算放大器提供非常稳定的电源。二极管的作用是当有意外情况使得LM317T的输入电压比输出电压还低的时候防止从输入端上有电流倒灌入LM317T引起其损坏。2.2.2前置放大电路单元图6 前级放大电路图图6为前级放大电路，由于VCA821的输入电阻只有100，要满足输入电阻大于1k的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA847作前级放大电路，同时在电源端加上二极管进行防短接保护。输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA847放大，整体上还是一个跟随器。其输入阻抗大于1k。OPA847的增益带宽积为3.9GHz，这里放大5倍。输入输出端口P1、P2由同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。 2.2.3 增益控制部分增益控制部分采用多点接地和就近接地的方法避免自激，部分电容电阻采用贴片封装，使得输入级连线尽可能短。该部分采用VCA821典型接法中增益为20dB，带宽仍可以达到320MHz，输入控制电压U的范围为02V。图7为V
