輸出幅值可數(shù)控的放大電路設(shè)計(jì)

1、 編號(hào)：129050641039研究生 論 文題 目：輸出幅值可數(shù)控的放大電路設(shè)計(jì) 學(xué) 院：信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 年級(jí)：2015級(jí) 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期：2016年3月26日 目 錄中文摘要與關(guān)鍵詞Abstract and Key Words引 言11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其分析12 設(shè)計(jì)方案論證2 2.1電路組成部分介紹2 2.2 有關(guān)器件介紹33 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4 3.1 系統(tǒng)框圖4 3.2 測(cè)試電路注意事項(xiàng)5 3.3 組成電路有關(guān)說明5 3.3.1 增益自動(dòng)整定電路5 3.3.2 增益數(shù)控電路7 3.3.3 末級(jí) VCA822 放大電路85 結(jié)語9參考文獻(xiàn)10致謝11內(nèi)蒙古民族大學(xué)

2、本科生畢業(yè)論文輸出幅值可數(shù)控的放大電路設(shè)計(jì)摘 要放大電路不論在生活還是其他有關(guān)領(lǐng)域中，都是實(shí)用性非常強(qiáng)的一種電路?；痉糯箅娐返慕M成是差不多的，且其功能也是對(duì)信號(hào)進(jìn)行基本的放大處理，使其達(dá)到較為理想的效果。但是，我們?cè)趯?shí)際中，有時(shí)難免要對(duì)信號(hào)進(jìn)行特殊處理，以達(dá)到我們預(yù)期想實(shí)現(xiàn)的功能,這就可以通過在基本放大電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造組合來實(shí)現(xiàn)。而本文則是提出設(shè)計(jì)一種放大電路，此放大電路可以實(shí)現(xiàn)放大后的信號(hào)穩(wěn)定，而且輸出幅值是可以數(shù)控的，也即輸出信號(hào)穩(wěn)定，幅度可控，數(shù)控簡(jiǎn)單，以此來滿足不同要求下的需要。關(guān)鍵詞：放大電路；數(shù)控；輸出幅值I內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文Design of digital co

3、ntrol amplifier with output amplitudeAbstractAmplifier circuit in life or other related fields,Its practicality is very strong.The composition structure of the amplifying circuit is similar.Its function is to amplify the signal,to achieve the ideal effect.But in practice,we sometimes need to make sp

4、ecial the processing of the signal,in order to achieve the desired function,it is through the transformation of amplifier circuit to realize.This paper puts forward a kind of amplifier circuit,it can make the signal stability after amplification,it can make the output amplitude of NC,the output sign

5、al is also stable,the amplitude can be numerically controlled and easy,in order to satisfy different needs.Key Words: Amplifier circuit; numerical control; output amplitudeII內(nèi)蒙古民族大學(xué)本科生畢業(yè)論文引 言 近年來在有關(guān)研究領(lǐng)域或是高校科研項(xiàng)目里，對(duì)放大電路的研究也是有所關(guān)注的，因?yàn)榉糯箅娐肥呛芏鄬?shí)現(xiàn)某些功能的器件的基本結(jié)構(gòu)本。而在此基礎(chǔ)上我們又可以做一些技術(shù)上的延伸，使放大電路能實(shí)現(xiàn)更多的研究項(xiàng)目。比如本文則是要提出設(shè)

6、計(jì)一種輸出幅值可數(shù)控的放大電路，這個(gè)題目算是比較簡(jiǎn)單的一個(gè)研究課題，所以相關(guān)的有高校學(xué)生選擇為出外比賽的競(jìng)賽題目，而本文題目現(xiàn)來源于導(dǎo)師自擬題目，而現(xiàn)在選擇這個(gè)題目是因?yàn)樵趯?duì)信號(hào)測(cè)量時(shí)，可能需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行某些特殊處理，以滿足測(cè)量的需要或要求。有時(shí)需要一種能將一定范圍內(nèi)變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定輸出，并能實(shí)現(xiàn)輸出幅度可調(diào)的放大電路來實(shí)現(xiàn)。因此有必要去用一種放大電路去實(shí)現(xiàn)這一功能。本電路主要是實(shí)現(xiàn)將一定范圍內(nèi)的電壓輸入信號(hào)經(jīng)過整定后使之輸出幅值成為在一定范圍內(nèi)可調(diào)的穩(wěn)定信號(hào)。 在這一電路中，需要的主要元件就是放大器，因?yàn)槠骷糯蟮哪芰Σ煌？筛鶕?jù)具體要求選擇適當(dāng)運(yùn)放。整個(gè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大致需要自動(dòng)整定電

7、路，數(shù)控電路和輸出級(jí)放大電路三部分組成。自動(dòng)整定電路和輸出級(jí)電路可選擇合適的壓控放大器進(jìn)一步放大信號(hào)，使系統(tǒng)的性能提高便于處理信號(hào)。而數(shù)控電路則需要選擇合適的數(shù)字電位器以實(shí)現(xiàn)將整定輸出電壓細(xì)分級(jí)數(shù)。整個(gè)電路需要根據(jù)具體要求選擇合適的器件來實(shí)現(xiàn)。1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其分析自動(dòng)增益整定電路輸出級(jí)放大電路 輸入 輸出 數(shù)控電路 本電路主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)輸出幅值進(jìn)行數(shù)控而設(shè)計(jì)的。在這個(gè)設(shè)計(jì)方案中，我們要知道主要的關(guān)鍵詞就是三個(gè)，放大電路、輸出幅值、數(shù)控。而要完成這個(gè)設(shè)計(jì)方案，最基礎(chǔ)的就是放大電路，放大電路是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)核心，它能放大信號(hào)，使信號(hào)更便于處理，而其他兩項(xiàng)功能是在放大電路的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的

8、，所以構(gòu)建好放大電路是很有必要的。整個(gè)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)可選用的芯片有很多，而在這里我查找到的有關(guān)芯片有 VCA822 、VCA810 ，還有AD603,都是可控增益放大器 周大敏. 一種低噪聲可變?cè)鲆娣糯笃鱆. 微電子學(xué),2000,04.，只是增益調(diào)控范圍不一樣，它可以實(shí)現(xiàn)將一定合適范圍內(nèi)的正弦波以及其他波形的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為一穩(wěn)定的輸出幅值，且輸出能力達(dá)到一定水平。該系統(tǒng)主要由增益自動(dòng)整定電路、數(shù)控電路和輸出級(jí)放大電路三部分組成。整個(gè)電路要實(shí)現(xiàn)的功能就是將一定范圍內(nèi)的輸入信號(hào)經(jīng)過處理后可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定輸出，并且可以在穩(wěn)定輸出范圍內(nèi)通過數(shù)控電路對(duì)輸出幅值加以控制，使其輸出幅值成為我們需要的。其中先

9、是由外部給一個(gè)一定范圍內(nèi)的輸入信號(hào)，比如要實(shí)現(xiàn) 20mVpp2Vpp 輸入，而且輸出幅值要達(dá)到的一定范圍是5V,這時(shí)候增益自動(dòng)整定電路的功能就是將這個(gè)輸入信號(hào)處理為一個(gè)適合輸出級(jí)放大電路處理的信號(hào)，而輸出放大電路則是將經(jīng)過自動(dòng)增益整定電路處理的信號(hào)放大，使其達(dá)到想要實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定輸出幅值，比如5V。至于數(shù)控電路則是可以實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)對(duì)輸出幅值進(jìn)行以不同步進(jìn)級(jí)放大倍數(shù)而進(jìn)行控制。比如在這個(gè)例子里，數(shù)控實(shí)現(xiàn) 則是要實(shí)現(xiàn)05Vpp 范圍內(nèi)可調(diào)，其中可以包括細(xì)調(diào) 100 級(jí)以 0.05V 步進(jìn)、粗調(diào) 10級(jí)以 0.5V 步進(jìn)。選用適當(dāng)?shù)钠骷⑤敵鲂盘?hào)線性劃分為 100 等份，并通過脈沖信號(hào)控制來達(dá)到調(diào)制

10、具體的信號(hào)幅值。2 設(shè)計(jì)方案論證2.1電路組成部分介紹（1）增益自動(dòng)整定電路 增益自動(dòng)整定也即是增益自動(dòng)控制，首先要知道的是自動(dòng)增益控制使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制方法。自動(dòng)增益控制是限幅輸出的一種,它利用線性放大和壓縮放大的有效組合對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)弱信號(hào)輸入時(shí),線性放大電路工作,保證輸出信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí), 會(huì)啟動(dòng)壓縮放大電路,使輸出幅度降低。也就是說,增益自動(dòng)控制的功能可以通過改變輸入輸出壓縮比例自動(dòng)控制增益的幅度。增益自控制細(xì)分為輸入自動(dòng)增益控制和輸出自動(dòng)增益控制。在自動(dòng)增益整定電路中，自動(dòng)增益控制電路的功能是在輸入信號(hào)幅度變化較大時(shí)，能使輸出

11、信號(hào)幅度穩(wěn)定不變或限制在很小范圍內(nèi)變化的特殊功能電路。其主要的核心器件和電路有壓控放大器以及峰值檢波電路。其中壓控放大器主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，在這里也可能不光有一個(gè)壓控放大器，也即多級(jí)放大，要結(jié)合電路具體分析，總的來說都是都是為了將信號(hào)放大到一定數(shù)值，以滿足峰值檢波電路的需要。在本文此前提到的VCA822 張?chǎng)?基于VCA822的正弦信號(hào)發(fā)生器程控放大器J.成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2009,12（3）：35-36.、VCA810、OPA300 都是壓控放大器，只不過是放大能力不一樣。在例子中，VCA822整定后的信號(hào)較小，不利于進(jìn)一步處理，則用壓控放大器 VCA810 進(jìn)一步放大，以

12、提高系統(tǒng)性能。其次反饋信號(hào)可通過反饋電路檢測(cè)壓控放大器的峰值，檢波器的設(shè)計(jì)需保證VCA根據(jù)輸入信號(hào)的幅度，得到所需的控制電壓和合適的增益,一定要使峰值達(dá)到滿足檢波效果最佳。（2）輸出級(jí)放大電路輸出級(jí)放大電路就是對(duì)前一級(jí)整定處理后的信號(hào)進(jìn)行放大，然后達(dá)到設(shè)計(jì)要求的那個(gè)幅度值，輸出級(jí)放大電路的輸出要達(dá)到 5V pp 。而且在整個(gè)設(shè)計(jì)方案里，放大電路是基礎(chǔ)，而且是必須的。因此放大電路也可以選用之前提到過的壓控放大器。輸出級(jí)放大電路的輸出要達(dá)到 5V pp，根據(jù)前級(jí)整定電路的信號(hào)變化，可通過調(diào)節(jié)增益電阻與反饋電阻設(shè)置最大增益。（3）數(shù)控電路數(shù)控電路則是控制幅值的，使其輸出能在一定范圍內(nèi)可調(diào)。比如要在

13、05Vpp 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)，則可分為細(xì)調(diào) 100 級(jí)以 0.05V 步進(jìn)、粗調(diào) 10級(jí)以0.5V步進(jìn)，也以可選用數(shù)字電位器將整定輸出電壓線性細(xì)分為級(jí)數(shù)，其受脈沖信號(hào)發(fā)生電路的單脈沖和 10 個(gè)脈沖為一組的組脈沖輸出控制，分別實(shí)現(xiàn) 100 級(jí)細(xì)調(diào)及 10 級(jí)粗調(diào)。也可以用AD558芯片來控制，輸出 256 級(jí)的可變的控制電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì) VCA822 的 VG 端的控制，完成對(duì) 0dB40dB 的程控放大。2.2 有關(guān)器件介紹VCA822是一種 DC 耦合、寬頻帶、V/V 線性、持續(xù)可變壓控增益放大器，可以利用外置電阻器在 0dB(1V/V)至 40dB(100V/V)的范圍內(nèi)設(shè)置最大增益。通過對(duì)外

14、部提供的增益電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，設(shè)計(jì)人員可實(shí)施超過 40dB 的增益調(diào)整范圍，同時(shí)，還能在 dB/V 或 V/V 的線性增益間進(jìn)行選擇。并且其采用節(jié)省空間的小型封裝，實(shí)現(xiàn)了引腳兼容，從而能夠輕松升級(jí)至更高帶寬。其最大頻帶寬度可達(dá) 150MHz ，在 G=10V/V 時(shí)峰峰值輸出5V 的全功率情況下，帶寬仍然可達(dá) 137MHz 。對(duì)于我們要求的 10MHz 的最高輸出頻率， VCA822 完全能達(dá)到要求。同時(shí) VCA822 具有 40dB 的增益可調(diào)能力，既可完成我們要求的信號(hào)衰減功能，又可完成信號(hào)的 0.5V5V 可調(diào)的放大功能VCA822 的典型應(yīng)用包括差動(dòng)線路接收機(jī)與均衡器、脈沖幅度衰減、可

15、調(diào)衰減器、電壓調(diào)諧有源濾波器、線性 V/V 增益控制。VCA810 是一種寬帶電壓控制放大器，具有高增益調(diào)整范圍，低噪音，高帶寬和高增益精度等特點(diǎn)。它的增益連續(xù)可變，可調(diào)范圍 80dB，增益精度+/-0.5dB，信號(hào)帶寬 35MHz。VCA810 提供差分輸入到單端輸出放大器，主要用在脈沖或時(shí)域系統(tǒng)的模擬信號(hào)處理。VCA810 的典型應(yīng)用包括光接收器時(shí)間增益控制和遠(yuǎn)距離測(cè)量，聲納系統(tǒng)，電壓可調(diào)有源濾波器，對(duì)數(shù)放大器功能和差分接收器。OPA300 是一種低噪聲高速 CMOS 運(yùn)算放大器，具有高帶寬(180MHz) 、低噪聲(3nV/rtHz) 、極短的建立時(shí)間(150ns 到 0.0015%)以

16、及低諧波失真等特性，可驅(qū)動(dòng)最高性能 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，包括超過 1MSPS(1.25MSPS)的 16 位SAR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 ADS8401 與 ADS8402。OPA300 還非常適用于低噪聲前置放大器、IF/RF 放大器及有源濾波應(yīng)。3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)框圖數(shù)字電位器構(gòu)成的數(shù)控電路 輸出級(jí)放大電路增益可調(diào)放大電路1增益可調(diào)放大電路2 輸入 輸出 固定增益放大電路峰值檢波電路 自動(dòng)增益整定電路 劉強(qiáng),虞忠輝.寬帶低噪聲AGC放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.通信技術(shù),2003,(1).在前級(jí)電路中實(shí)現(xiàn)增益控制。比如將 20mVpp2Vpp 的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)為0.15Vpp 輸出CA822

17、實(shí)現(xiàn)增益控制功能，又或者可以通過峰值檢波電路所產(chǎn)生的控制電壓 VG 把 0.5V1V 的 正弦信號(hào)衰減為 0.25V 的固定峰峰值信號(hào)，VCA822 構(gòu)成的增益可調(diào)電路，總之要用幾級(jí)增益放大電路，要看具體要求，并且在電路中可以根據(jù)需要將前級(jí)輸出信號(hào)放大，以滿足后級(jí)處理的需要；而在輸出級(jí)放大電路中的VCA822 在輸出級(jí)放大電路中實(shí)現(xiàn)增益放大作用，將整定后的信號(hào)放大到 5Vpp。數(shù)控電路則是主要利用壓控放大器對(duì)輸出幅值進(jìn)行調(diào)控。3.2 測(cè)試電路注意事項(xiàng)模擬信號(hào)的穩(wěn)定性會(huì)易受到各種干擾信號(hào)的影響，在單元電路調(diào)試完成后，其性能在整調(diào)時(shí)往往不理想，原因有很多，為了取得比較好的效果，在設(shè)計(jì)、調(diào)試電路時(shí)應(yīng)

18、盡量注意以下幾點(diǎn)：（1）阻抗匹配考慮不足。單模塊調(diào)試時(shí)，輸入輸出阻抗往往與儀器的阻抗匹配得到測(cè)試結(jié)果，整調(diào)時(shí)各單元模塊的阻抗不匹配成為影響性能的主要原因之一。（2）電容的選用不當(dāng)。在信號(hào)的傳輸過程中，哪怕是幾厘米的傳輸距離，所產(chǎn)生的干擾也可能會(huì)很大，在單元電路的輸入輸出接口處應(yīng)盡可能的選用適合穩(wěn)定信號(hào)的電容類型與電容大小，電容的選用需要理論與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，大多數(shù)時(shí)候都需要多試幾次，確定最好的選擇。（3）周圍儀器的干擾。測(cè)試時(shí)應(yīng)注意儀器的擺放，測(cè)試儀器（如示波器）的測(cè)試線盡量不要與電源線交叉，即使有交叉，也應(yīng)盡量保持垂直。（4）地線越多越好。地線在電路中構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)有利于抗干擾穩(wěn)定信號(hào)。（5）測(cè)試小信號(hào)

19、時(shí)，如果用小信號(hào)本身作為示波器觸發(fā)信號(hào)，則很難讓圖像穩(wěn)定，往往容易走入迷途。為了能更好的觀察輸出信號(hào)，可采用外部觸發(fā)的方式，但比較麻煩，最簡(jiǎn)單的方法是利用示波器另一通道取電路中的穩(wěn)定信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)。3.3 組成電路有關(guān)說明3.3.1 增益自動(dòng)整定電路 增益自動(dòng)整定電路由增益整定電路、固定增益電路、OPA300 放大電路、峰值檢波電路構(gòu)成。（1）增益整定電路 可引用芯片VCA822 功能說明：通過反饋回路的小信號(hào)輸入 VCA822 的 VG 端，使輸入信號(hào)為一個(gè)合適的范圍時(shí)，根據(jù)輸入的信號(hào)來自動(dòng)調(diào)整增益，將小信號(hào)進(jìn)行放大、大的信號(hào)進(jìn)行衰減，最終達(dá)到要進(jìn)入后級(jí)放大的一個(gè)比較合適的幅值。 圖1 由

20、VCA822構(gòu)成的增益可調(diào)整電路 （2）固定增益電路 林 磊,沈海根.低噪聲可變?cè)鲆娣糯箅娐返脑O(shè)計(jì)和應(yīng)用J.沿海企業(yè)與科技,2009,04. 可引用芯片OPA300 功能說明：由于輸入信號(hào)的幅值是變化的，為了實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)控制，在前一級(jí)輸出后，我們采用了固定增益放大器、峰值檢波電路以及電壓比較電路組成的反饋電路，實(shí)現(xiàn) VCA822 的增益自動(dòng)控制。在輸入信號(hào)變化的情況下，自動(dòng)衰減為固定峰峰值 0.25V 的信號(hào)輸出。通過設(shè)定電阻 R 4 =3R 3 來設(shè)定該放大器的放大倍數(shù)為四倍，即V out =(1+R f / R) V in ，將 VCA810 的輸出信號(hào)放大到能滿足檢波需要的信號(hào)。 圖2

21、固定增益電路（3） 放大電路 可引用芯片VCA810功能說明：通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓來控制輸入 VC 端的電壓，從而控制該電路的增益V out =-V in *G,，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng) VC 端的電壓為-1V 時(shí) G=0dB;，當(dāng) VC 端的電壓為-2V 時(shí) G=40dB（4）峰值檢波電路功能說明：選擇 RC 電路時(shí)間常數(shù)大一些，則輸出信號(hào)的波形很好，選擇 RC 電路時(shí)間常數(shù)小一些，則會(huì)發(fā)現(xiàn)檢波前后的信號(hào)幅值的差異變小，信號(hào)之中的快變分量明顯變好。將 OPA300 的信號(hào)通過二極管進(jìn)行整流并且有 0.7V 的管壓降，再通過電阻、電容的組合進(jìn)行檢波。經(jīng)過由 OPA727 構(gòu)成的比較器處理后輸出。 圖3

22、峰值檢波電路3.3.2 增益數(shù)控電路 周晉安,楊昆霞.數(shù)控電位器步進(jìn)式自動(dòng)增益控制電路Z.計(jì)量技術(shù),1999,03：26-27.致 謝功能說明：用芯片 NE555 構(gòu)成一個(gè)多諧波發(fā)生器其頻率 f = 1/0.7（R 1 +2R 2 ）C 提供脈沖波，用 RS 觸發(fā)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和與非門能夠達(dá)到每按一下按鍵就能通過十個(gè)脈沖，平時(shí)該輸出口處于高電平。用一個(gè)按鍵與一個(gè)上拉電阻構(gòu)成一個(gè)開關(guān)，平時(shí)處于高電平，每按一次形成一個(gè)脈沖。將這兩個(gè)脈沖輸出連接到與非門的輸入端，再將與非的結(jié)果輸入到 X9C102P 的 INC 端調(diào)節(jié)輸出電壓。 圖4 增益數(shù)控電路 3.3.3 末級(jí) VCA822 放大電路功能說明：信號(hào)在前級(jí)的增益自動(dòng)調(diào)整之后，比較適合于后級(jí)放大電路放大，以達(dá)到想要的那個(gè)幅4.系統(tǒng)測(cè)試方法介紹值，符合一定的范圍要求。而具體的放大后的輸出幅值，要達(dá)到