增益可控寬帶放大電路的設(shè)計

1、黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁1 引言放大電路是模擬電子電路中最常用、最基本的一種典型電路。無論日常使用的收音機(jī)、電視機(jī)、或者精密的測量儀表和復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)等，其中一般都有各種各樣不同類型的放大電路。可見，放大電路是應(yīng)用十分廣泛的模擬電路。平時我們討論的模擬信號運算電路、信號處理電路以及波形發(fā)生電路等，實質(zhì)上都是在放大的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而得到的，因此說，放大電路是最基本的模擬電路。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)等行業(yè)的迅速發(fā)展，自動增益控制電路越來越被人們熟知并且廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域當(dāng)中。自動增益控制線路，簡稱AGC線路，A是AUTO（自動），G是GAIN（增益），C是C

2、ONTROL（控制）。它是輸出限幅裝置的一種，是利用線性放大和壓縮放大的有效組合對輸出信號進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)輸入信號較弱時，線性放大電路工作，保證輸出聲信號的強(qiáng)度；當(dāng)輸入信號強(qiáng)度達(dá)到一定程度時，啟動壓縮放大線路，使聲輸出幅度降低，滿足了對輸入信號進(jìn)行衰減的需要。也就是說，AGC功能可以通過改變輸入輸出壓縮比例自動控制增益的幅度，擴(kuò)大了接收機(jī)的接收范圍，它能夠在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化，不至于因為輸入信號太小而無法正常工作，也不至于因為輸入信號太大而使接收機(jī)發(fā)生飽和或堵塞。在電路設(shè)計中，這種線路被大量的運用，從尖端的雷達(dá)技術(shù)到日常的廣播電視系統(tǒng)，自動增益

3、控制無疑很好的解決了各種技術(shù)中存在的信號強(qiáng)度問題。目前，實現(xiàn)自動增益控制的手段有很多，在本文中，主要研究的是如何以放大器來實現(xiàn)自動增益控制的目的，也就是自動增益控制放大器。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁2 方案論證與比較2.1 增益控制部分方案一：原理框圖如圖2.1所示，場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，輸出信號取自電阻與場效應(yīng)管與對V的分壓。采用場效應(yīng)管作AGC控制可以達(dá)到很高的頻率和很低的噪聲，但溫度、電源等的漂移將會引起分壓比的變化,采用這種方案很難實現(xiàn)增益的精確控制和長時間穩(wěn)定。'圖2.1 方案一示意圖方案二：采用可編程放大器的思想，將輸入的交流信號作為高速D/A的基準(zhǔn)電壓，這

4、時的D/A作為一個程控衰減器。理論上講，只要D/A的速度夠快、精度夠高可以實現(xiàn)很寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不成線性關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。輸入緩沖圖2.2 方案三示意圖黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁方案三：如圖2.2所示，使用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA，用控制電壓和增益（dB）成線性關(guān)系的可變增益放大器來實現(xiàn)增益控制。用電壓控制增益，便于單片機(jī)控制，同時可以減少噪聲和干擾1。綜上訴述，可選用方案三，采用集成可變增益放大器AD603作增益控制。AD603是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，最

5、大增益誤差為0.5dB，滿足本課題要求的精度，其增益（dB）與控制電壓（V）成線性關(guān)系，因此能很方便地使用D/A輸出電壓控制放大器的增益。2.2 功率輸出部分根據(jù)題目要求，放大器通頻帶從0到40MHz，單純的用音頻或射頻放大的方法來完成功率輸出，要做到有效值輸出為6V難度較大，而用高電壓輸出的運放來做又很不現(xiàn)實，市面上很難買到寬帶功率運放。這時候采用分立元件就很能顯示其優(yōu)勢2。2.3 測量有效值部分方案一：利用高速ADC對電壓進(jìn)行采樣，將一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)并計算其均方根值，可得出其電壓有效值：U=1NUi=1n2i （2.1）此方案有抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計靈活、精度高等優(yōu)點，但調(diào)試?yán)щy，高

6、頻時采樣困難，且計算量大，增加了軟件難度。方案二：對信號進(jìn)行精密整流并積分，得到正弦電壓的平均值，再進(jìn)行ADC采樣，利用平均值和有效值之間的簡單換算關(guān)系，計算出有效值顯示。只用了簡單的整流濾波電路和單片機(jī)就可以完成交流信號有效值的測量。但此方法對非正弦波的測量會引起較大的誤差。方案三：采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測信號的真有效值。這樣可以實現(xiàn)對任意波形的有效值測量。綜上所述，我們采用方案三，變換芯片選用AD637。AD637是真有效值變換芯片，它可測量的信號有效值可高達(dá)7V，精度優(yōu)于0.5，且外圍元件少，頻帶寬，對于一個有效值為1V的信號，它的3dB帶寬為40MHz,并且可以對輸入信號

7、的電平以dB形式指示，該方案硬件、軟件簡單，精度也很高，但它不適用于高于40MHz的信號。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁此方案硬件易實現(xiàn)，并且40MHz以下時候測得的有效值的精度可以保證，在題目要求的通頻帶040MHz內(nèi)精度較高。40MHz以上輸出信號可采用高頻峰值檢測的方法來測量，但是由于時間關(guān)系，高于40MHz的信號我們未能測量顯示3。2.4 整體系統(tǒng)框圖整體系統(tǒng)框圖如圖2.3所示。圖2.3 系統(tǒng)整體框圖如圖2.3所示，這個系統(tǒng)框圖很重要的一點就是要防止外來和自身的干擾，就這一點，此圖從三個方面采取了措施：一是輸入緩沖和增益控制部分用屏蔽盒給罩住。二是功放電路也用屏蔽盒給隔離了。三

8、是前一級的輸出端口和后一級的輸入端口由同軸電纜連接，防止自激。信號進(jìn)入輸入緩沖和增益控制電路中，經(jīng)過緩沖和兩級放大后由同軸電纜傳送到功率放大電路中，再經(jīng)過放大后通過低通濾波輸入到A/D轉(zhuǎn)換器中，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。將數(shù)字信號經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行簡單的線性計算，采用可編程放大的思想，將輸入的交流信號作為高速D/A的基準(zhǔn)電壓，使用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA，用控制電壓和增益成線性關(guān)系的可變增益放大器來實現(xiàn)增益控制4。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁3 理論分析與參數(shù)計算3.1 電壓控制增益的原理AD603的基本增益可以用下式算出：Gain (dB) = 40 VG &#

9、177;10 (3.1) 其中，VG是差分輸入電壓,單位是V，Gain是AD603的基本增益,單位是dB。 從(3.1)式可以看出，以dB為單位的對數(shù)增益和電壓之間是線性關(guān)系。由此可以得出，只要單片機(jī)進(jìn)行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益，增益步進(jìn)就可以很準(zhǔn)確的實現(xiàn)。若要用放大倍數(shù)來表示增益，則需要將放大倍數(shù)經(jīng)過復(fù)雜的對數(shù)運算轉(zhuǎn)化為以db為單位后再去控制AD603的增益，這樣在計算的過程中會引入較大的運算誤差。3.2 自動增益控制（AGC）3.2.1 自動增益控制的基本概念接收機(jī)的輸出電平取決于其輸入信號電平和接收機(jī)的增益。由于各種原因，接收機(jī)的輸入信號變化范圍通常很大，信號較弱時可以是幾微伏或

10、幾十微伏，信號強(qiáng)時會達(dá)幾百毫伏，最強(qiáng)信號和最弱信號相差可達(dá)幾十分貝。這個變化范圍稱為接收機(jī)的動態(tài)范圍。影響接收機(jī)輸入信號的因素有很多，例如：發(fā)射臺功率的大小、接收機(jī)距離發(fā)射臺的遠(yuǎn)近、信號在傳播過程中傳播條件的一些變化(如電離層和對流層的騷動、天氣的變化)、接收機(jī)環(huán)境的變化(如汽車上配備的接收機(jī))，還有人為產(chǎn)生的噪聲對接收機(jī)的影響等等5。為防止強(qiáng)信號引起的過載，需要增大接收機(jī)的動態(tài)范圍，這就要求有增益控制電路。能夠使放大電路的增益自動地隨信號的強(qiáng)度而調(diào)整的控制電路，簡稱自動增益控制AGC (Automatic Gain Control)電路。它能夠在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號幅度保

11、持在恒定或者僅在較小范圍內(nèi)變化，不至于因為輸入信號太小而無法進(jìn)行正常工作，也不至于因輸入信號太大而使接收機(jī)發(fā)生飽和或堵塞6。常用來使系統(tǒng)的輸出電平保持在一定范圍之內(nèi)，因此也可以稱為自動電平控制。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁目前，此電路已經(jīng)廣泛用于各種接收機(jī)、錄音機(jī)和信號采集系統(tǒng)當(dāng)中，另外在光纖通信、微波通信、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)及雷達(dá)、廣播電視系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。AGC電路目前概括起來有模擬AGC和數(shù)字AGC電路。AGC環(huán)路可以放在模擬與數(shù)字電路之間，增益控制的算法在數(shù)字部分實現(xiàn)，合適的增益設(shè)置反饋給模擬可變增益放大器（VGA）。目前出現(xiàn)的自動增益控制方法可以分為以下3類：基于電

12、路反饋的自動增益控制、基于光路反饋的自動增益控制、光路反饋和電路反饋相結(jié)合的自動增益控制。本文中將要研究的是基于電路反饋的利用放大器實現(xiàn)的自動增益控制。3.2.2 自動增益控制的原理自動增益控制電路的作用是：當(dāng)輸入信號電壓變化很大時，保持接收機(jī)輸出電壓恒定或基本不變。具體的說，當(dāng)輸入信號很弱時，接收機(jī)的增益較大，自動增益控制電路不起作用；當(dāng)輸入信號很強(qiáng)時，自動增益控制電路進(jìn)行控制，使接收機(jī)的增益減小。這樣，當(dāng)接收信號強(qiáng)度變化時，接收機(jī)的輸出端的電壓或功率基本不變或保持恒定。因此對AGC電路的要求是：在輸入信號較小時，AGC電路不起作用，只有當(dāng)輸入信號增大到一定程度后，AGC電路才起控制作用，使

13、增益隨輸入信號的增大而減少。為實現(xiàn)上述要求，必須有一個能隨外來信號強(qiáng)弱而變化的控制電壓或電流信號，利用這個信號對放大器的增益自動進(jìn)行控制。由上述分析可知，調(diào)幅中頻信號經(jīng)幅度檢波后，在它的輸出中除音頻信號外，還含有直流分量。直流分量大小與中頻載波的振幅成正比，也即與外來高頻信號成正比。因此，可將檢波器輸出的直流分量作為AGC控制信號7。利用單片機(jī)根據(jù)輸出信號幅度調(diào)節(jié)增益。輸出信號檢波后經(jīng)過簡單2級RC濾波后由單片機(jī)采樣，截止頻率為100Hz。由于放大器通頻帶低端在1kHz，當(dāng)工 作頻率為1kHz時，為保證在增益變化時輸出波形失真較小，將AGC響應(yīng)時間設(shè)定為10ms，用單片機(jī)定時器0來產(chǎn)生10ms

14、中斷進(jìn)行輸出有效值采樣，增益控制電壓也經(jīng)過濾波后加在可變增益放大器上。AGC控制范圍理論上可達(dá)080dB，實際上由于輸入端加了保護(hù)電路，在不同輸出電壓時AGC范圍不一樣，輸出在4.55.5V時AGC范圍約為70dB，而當(dāng)輸出為2V2.5V時AGC范圍可達(dá)80dB。AGC電路工作原理：可以分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓U0而改變?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考茿GC整流器和低通平滑濾波器，有時也包含門電路和直流放大器等部件。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁3.2.3 正弦電壓有效值的計算AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：根據(jù)AD6

15、37芯片手冊所給出的計算真有效值的經(jīng)驗公式為： Vrms2VIN=Vrms (3.2)其中：VIN為輸入電壓，Vrms為輸出電壓有效值。圖3.1 AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁4 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計4.1 輸入緩沖和增益控制部分圖4.1 輸入緩沖和增益控制電路由于AD603的輸入電阻只有100，要滿足輸入電阻大于2.4k的要求，必須加入輸入緩沖部分用以提高輸入阻抗；另外前級電路對整個電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲。故采用高速低噪聲電壓反饋型運放OPA642作前級跟隨，同時在輸入端加上二極管過壓保護(hù)8。在前級跟隨運放中，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系如下：UO=

16、(1+=R4RR2)U+=(1+4)×Ui R1+R2R3R3R3+R4R2Ui （4.1） R3R1+R2當(dāng)R2=R3,R1=R4時，可得出：UO=Ui。如圖4.1所示，輸入部分先用電阻分壓衰減，再由低噪聲高速運放OPA642放大，整體上還是一個跟隨器，二極管可以保護(hù)輸入到OPA642的電壓峰峰值不超過其極限（2V）。其輸入阻抗大于2.4k。OPA642的增益帶寬積為400MHz，這里放大3.4倍，117.6MHz以上的信號被衰減。增益放大器的輸入與前置緩沖級的輸出端口P1，P2由同軸電纜連接，以防外界干擾。級間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法，兼顧高黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明

17、書 第 9 頁頻和低頻信號。將增益控制部分裝在屏蔽盒中，盒內(nèi)采用多點接地和就近接地的方法避免自激，部分電容電阻采用貼片封裝，使輸入級連線盡可能短。該部分采用AD603典型接法中通頻帶最寬的一種，如圖4.2所示，通頻帶為90MHz，增益為10+30dB，輸入控制電壓U的范圍為0.50.5V。圖4.2 AD603接成90MHz帶寬的典型方法增益和控制電壓的關(guān)系為AG(dB)=40×U±10 （4.2） 一級的控制范圍只有40dB，使用兩級串聯(lián)，增益為AG(dB)=40×U1+40×U2±20 （4.3） 增益范圍是20dB+60dB，滿足題目要求。

18、由于兩級放大電路幅頻響應(yīng)曲線相同，所以當(dāng)兩級AD603級聯(lián)后，其帶寬會有所下降，級聯(lián)前各級帶寬為90MHz左右，兩級放大電路級聯(lián)后總的3db帶寬對應(yīng)著單級放大電路1.5db帶寬，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級聯(lián)后的總帶寬為60MHz.9。4.2 功率放大部分圖4.3 功率放大電路黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁電路如圖4.3所示。參考音頻放大器中驅(qū)動級電路，考慮到負(fù)載電阻為600，輸出有效值大于6V，而AD603輸出最大有效值在2V左右，所以選用兩級三極管進(jìn)行直接耦合和發(fā)射結(jié)直流負(fù)反饋來構(gòu)建末級功率放大，第一級進(jìn)行電壓放大，整個功放電路的電壓增益都在這一級，第二級進(jìn)行電壓合成和電流放大，將第

19、一級輸出的雙端信號變成單端信號，同時提高帶負(fù)載的能力，若需要更大的驅(qū)動能力則需要在后級增加三極管跟隨器，實際上加上跟隨器后通頻帶急劇下降，原因是跟隨器的結(jié)電容被等效放大，當(dāng)輸入信號頻率很高時，輸出級直流電流很大而輸出信號很小。使用2級放大已足以滿足題目的要求。選用NSC的2N3904和2N3906三極管（特征頻率fT250300MHz）可達(dá)到25MHz的帶寬10。整個電路沒有使用頻率補(bǔ)償，可對DC到20MHz的信號進(jìn)行線性放大，在20MHz以下增益非常平穩(wěn)，為穩(wěn)定直流特性。我們將反饋回路用電容串聯(lián)接地，加大直流負(fù)反饋，但這會使低頻響應(yīng)變差，實際上這樣做只是把通頻帶的低頻下限頻率從DC提高到1k

20、Hz，但電路的穩(wěn)定性提高了很多。本電路放大倍數(shù)為：AG1R10/R9 （4.4）整個功放電路電壓放大約10倍。通過調(diào)節(jié)R10來調(diào)節(jié)增益，根據(jù)電源電壓調(diào)節(jié)R7可調(diào)節(jié)工作點。4.3 控制部分這一部分由51系列單片機(jī)、A/D、D/A和基準(zhǔn)源組成，如圖4.4所示。使用12位串行A/D芯片ADS7816和ADS7841（便于同時測量真有效值和峰值）和12位串行雙D/A芯片TLV5618?；鶞?zhǔn)源采用帶隙基準(zhǔn)電壓源MC1403。圖4.4 數(shù)字部分框圖黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁5 電源電路電網(wǎng)提供的交流電一般為220V（或380V），而各種電子設(shè)備所需要直流電壓的幅值卻各不相同，本設(shè)計是將電網(wǎng)電

21、壓經(jīng)過電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓（+/-15V）去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到設(shè)計所需要的直流電壓幅值(+/-12V)。其原理圖如圖5.1所示。圖5.1 電源電路5.1 電源變壓器變壓器技術(shù)參數(shù)對不同類型的變壓器都有相應(yīng)的技術(shù)要求，可用相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)表示.如電源變壓器的主要技述參數(shù)有：額定功率、額定電壓和電壓比、額定頻率、工作溫度等級、溫升、電壓調(diào)整率、絕緣性能和防潮性能，對于一般低頻變壓器的主要技述參數(shù)是：變壓比、頻率特性、非線性失真、磁屏蔽和靜電屏蔽、效率等。變壓器兩組線圈圈數(shù)分別為N1和N2，N1為初級，N2為次級.在初級線圈上加一交流電壓，在次級線圈兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)N

22、2>N1時，其感應(yīng)電動勢要比初級所加的電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器：當(dāng)N2<N1時，其感應(yīng)電動勢低于初級電壓，這種變壓器稱為降變壓器。在額定功率時，變壓器的輸出功率和輸入功率的比值，叫做變壓器的效率，即=(P2÷P1)x100% (5.1)式中為變壓器的效率;P1為輸入功率，P2為輸出功率。當(dāng)變壓器的輸出功率P2等于輸入功率P1時，效率等于100%，變壓器將不產(chǎn)生任何損耗.但實際上這種變壓器是沒有的.變壓器傳輸電能時總要產(chǎn)生損耗，這種損耗主要有銅損和鐵損。銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗。當(dāng)電流通過線圈電阻發(fā)熱時，一部分電能黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12

23、頁就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗.由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。變壓器的鐵損包括兩個方面。一是磁滯損耗，當(dāng)交流電流通過變壓器時，通過變壓器硅鋼片的磁力線其方向和大小隨之變化，使得硅鋼片內(nèi)部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。另一是渦流損耗，當(dāng)變壓器工作時。鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于此電流自成閉合回路形成環(huán)流，且成旋渦狀，故稱為渦流.渦流的存在使鐵芯發(fā)熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。變壓器的效率與變壓器的功率等級有密切關(guān)系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。變壓器鐵心磁通和

24、施加的電壓有關(guān)。在電流中勵磁電流不會隨著負(fù)載的增加而增加。雖然負(fù)載增加鐵心不會飽和，將使線圈的電阻損耗增加，超過額定容量由于線圈產(chǎn)生的熱量不能及時的散出，線圈會損壞，假如你用的線圈是由超導(dǎo)材料組成，電流增大不會引起發(fā)熱，但變壓器內(nèi)部還有漏磁引起的阻抗，但電流增大，輸出電壓會下降，電流越大，輸出電壓越低，所以變壓器輸出功率不可能是無限的。假如變壓器沒有阻抗，那么當(dāng)變壓器流過電流時會產(chǎn)生特別大電動力，很容易使變壓器線圈損壞，雖然你有了一臺功率無限的變壓器但不能用。只能這樣說，隨著超導(dǎo)材料和鐵心材料的發(fā)展，相同體積或重量的變壓器輸出功率會增大，但不是無限大。選擇電源變壓器時要注意兩點：功率和副級的交

25、流電壓U2，其中副邊電壓V2要依穩(wěn)壓電路的輸出電壓Uo變壓器功率要依據(jù)最大輸出電流Io來確定，當(dāng)電壓差太小時，會使穩(wěn)壓器的性能變差而不起穩(wěn)壓作用，同時又會增大穩(wěn)壓器本身的功率消耗，使最大輸出電流有所降低。一般的估算方法是，( Uo12V時，U2=U0;當(dāng)U012V時，U2=U0+2)在具體應(yīng)用時，還需根據(jù)所用電源變壓器的實際來作出調(diào)整。電網(wǎng)提供的交流電一般為220V（或380V），而各種電子設(shè)備所需要直流電壓的幅值卻各不相同，本設(shè)計是將電網(wǎng)電壓經(jīng)過電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓（+/-15V）去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值(+/-12V)。5.2 單相橋式整流整流電路的

26、作用是利用具有單方向?qū)щ娦阅艿恼髟⒄?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓，但是這種單向脈動電壓往往包含著很大的脈動成分，距黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁離理想的直流電壓差得很遠(yuǎn)。本電路應(yīng)用一組副邊線圈的變壓器, 達(dá)到全波整流的目的。電路種采用了四個二極管，接成電橋形式，故稱為橋式整流電路。由表1可知，在同樣的U2之下，半波整流電路的輸出直流電壓最低，而脈動系數(shù) 最高。橋式整流電路和全波整流電路當(dāng)U2相同時，輸出直流電壓相等，脈動系數(shù)也相同，但橋式整流電路中，每個整流管所承受的反相峰值電壓比全波整流電路低，因此它的應(yīng)用比較廣泛。表1 單相整流電路的主要參數(shù)橋式整流電路的工

27、作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3加正向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz 、D3通電回路，在Rfz上形成上正下負(fù)的半波整流電壓，e2為負(fù)半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。如此重復(fù)下去，結(jié)果在Rfz上圖 5.2 橋式整流電路黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖5.2中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電

28、壓的最大值，比全波整流電路小一半。橋式整流電路的工作原理如圖所示。在u2的正半周，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，電流由TR次級上端經(jīng)D1 RL D3回到TR 次級下端，在負(fù)載RL上得到一半波整流電壓。在u2的負(fù)半周，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，電流由Tr次級的下端經(jīng)D2 RL D4 回到Tr次級上端，在負(fù)載RL 上得到另一半波整流電壓。這樣就在負(fù)載RL上得到一個與全波整流相同的電壓波形，其電流的計算與全波整流相同，即UL = 0.9U2 （5.2）IL = 0.9U2RL （5.3）流過每個二極管的平均電流為ID = IL2 = 0.45 U2RL （5.4） 每個二極管所承受的最高反向

29、電壓為:URM2（為全波整流的一半） （5.5） 目前，小功率橋式整流電路的四只整流二極管，被接成橋路后封裝成一個整流器件，稱"硅橋"或"橋堆"，使用方便。橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點，但多用了兩只二極管。在半導(dǎo)體器件發(fā)展快，成本較低的今天，此缺點并不突出，因而橋式整流電路在實際中應(yīng)用較為廣泛。整流元件的選擇和運用需要特別指出的是，二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負(fù)載大小加以選擇。如選擇不當(dāng)，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費。圖5.3 基本整流電路黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明

30、書 第 15 頁圖5.3 是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器B 、整流二極管D 和負(fù)載電阻Rfz組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2，D 再把交流電變換為脈動直流電。另外，在高電壓或大電流的情況下，如果沒有承受高電壓或整定大電濾的整流元件，可以把二極管串聯(lián)或并聯(lián)起來使用。圖5.4 二極管整流圖5.4 示出了二極管并聯(lián)的情況：兩只二極管并聯(lián)、每只分擔(dān)電路總電流的一半；三只二極管并聯(lián)，每只分擔(dān)電路總電流的三分之一?？傊?，有幾只二極管并聯(lián)，流經(jīng)每 只二極管的電流就等于總電流的幾分之一。但是，在實際并聯(lián)運用時，由于各二極管特性不完全一致，不能均分所通過的電流，會使有的管

31、子困負(fù)擔(dān)過重而燒毀。 因此需在每只二極管上串聯(lián)一只阻值相同的小電阻器，使各并聯(lián)二極管流過的電流接近一致。這種均流電阻R一般選用零點幾歐至幾十歐的電阻器。電流越大，R應(yīng)選得越小。二極管串聯(lián)的情況。顯然在理想條件下，有幾只管子串聯(lián)，每只管子承受的反向電壓就應(yīng)等于總電壓的幾分之一。但因為每只二極管的反向電阻不盡相同，會造成電壓分配不均：內(nèi)阻大的二極管，有可能由于電壓過高而被擊穿，并由此引起連鎖反應(yīng)，逐個把二極管擊穿。在二極管上并聯(lián)的電阻R，可以使電壓分配均勻。均壓電阻要取阻值比二極管反向電阻值小的電阻器，各個電阻器的阻值要相等。5.3 濾波電路從上面的分析可以看出，整流電路輸出波形中含有較多的紋波成

32、分，與所要求的波形相去甚遠(yuǎn)。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波，電感濾波和RC濾波等。圖 別是橋式整流電容濾波電路和它的部分波形。這里假設(shè)t<0時，電容器C已經(jīng)充電到交流電壓V2的最大值（如波形圖所示）。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁圖5.5 電容濾波電路電解電容器C1是穩(wěn)壓器輸入端的濾波電容。對于電解電容，在高頻時其自身存在較大的等效電感，故其對于引入的各種高頻干擾的抑制能力較差。為了改善微波電壓和瞬時輸入電壓，在C1旁并聯(lián)一只小容量電容器（容量0.1-0.47F）C3，可有效抑制高頻干擾。另外，穩(wěn)壓器在開環(huán)增益較高，負(fù)載較重的狀態(tài)下

33、，由于分布參數(shù)的影響，有可能產(chǎn)生自激，C3則兼有抑制高頻震蕩的作用。在三端穩(wěn)壓器的輸出端接入電容器C5是為了改善瞬態(tài)負(fù)載相應(yīng)特性和減小高頻輸出阻抗。如對電路的要求不高，C3，C5可不用。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁6 抗干擾措施系統(tǒng)總的增益為080dB，前級輸入緩沖和增益控制部分增益最大可達(dá)60dB，因此抗干擾措施必須要做得很好才能避免自激和減少噪聲。我們采用下述方法減少干擾，避免自激：1 將輸入部分和增益控制部分裝在屏蔽盒中，避免級間干擾和高頻自激。2 電源隔離，各級供電采用電容隔離，輸入級和功率輸出級采用隔離供電，各部分電源通過電容隔離，輸入級電源靠近屏蔽盒就近接上1000uF

34、電解電容，盒內(nèi)接高頻瓷片電容，通過這種方法可避免低頻自激。3 所有信號耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。4 構(gòu)建閉路環(huán)。在輸入級，將整個運放用較粗的地線包圍，可吸收高頻信號減少噪聲。在增益控制部分和后級功率放大部分也都采用了此方法。在功率級，這種方法可以有效的避免高頻輻射。5 數(shù)模隔離。數(shù)字部分和模擬部分之間除了電源隔離之外，還將各控制信號用電容隔離。6 使用同軸電纜，輸入級和輸出級使用BNC接頭，輸入級和功率級之間用同軸電纜連接。實踐證明,電路的抗干擾措施比較好，在040MHz的通頻帶范圍和080dB增益范圍內(nèi)都沒有自激。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁7 系統(tǒng)軟

35、件設(shè)計流程圖及調(diào)試測試7.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖本系統(tǒng)單片機(jī)控制部分采用反饋控制方式，通過輸出電壓采樣來控制電壓增益。由于AD603的設(shè)定增益跟實際增益有誤差，故軟件上還進(jìn)行了校正，軟件流程如圖7.1所示：圖10 軟件流程圖7.2 系統(tǒng)調(diào)試和測試結(jié)果 7.2.1 測試方法將各部分電路連接起來，先調(diào)整0dB，使輸出信號幅度和輸入信號幅度相等。接上600的負(fù)載電阻進(jìn)行整機(jī)測試。 7.2.2 測試結(jié)果1、輸入阻抗：電路的設(shè)計保證輸入阻抗大于2.4k電阻，滿足題目要求。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁2、輸出電壓有效值測量：輸入加100kHz正弦波，調(diào)節(jié)電壓和增益測得不失真最大輸出電壓有效值為

36、9.309.50V，達(dá)到題目大于6V的要求。3、輸出噪聲電壓測量：增益調(diào)到58dB，將輸入端短路時輸出電壓峰峰值為300mV左右。滿足輸出噪聲電壓小于0.5V的要求。4、頻率特性測量：增益設(shè)為40dB檔，輸入端加10mV正弦波，由于信號源不能保證不同頻段的10mV正弦波幅度穩(wěn)定，因此每次測量前先調(diào)節(jié)信號源使得輸入信號保持在10mV左右，再測量輸出信號。測試的數(shù)據(jù)如表1所示。表8.1 頻率特性測試數(shù)據(jù)由于信號源無法產(chǎn)生大于20MHz的信號故無法測量，從5MHz以上增益的趨勢來看最終通頻帶高頻端應(yīng)大于20MHz，比較符合后級功率放大器的理論高頻截止頻率25MHz。在20kHz5MHz頻帶內(nèi)增益起伏

37、0.2dB。5、增益誤差測量:輸入端加有效值為10mV，頻率為1MHz的正弦信號，保持幅度穩(wěn)定，然后預(yù)設(shè)增益值測量輸出信號來計算增益誤差。測試的數(shù)據(jù)如表8.2所示。表8.2 增益誤差測試數(shù)據(jù)有下降的趨勢，這是因為后級功放管工作狀態(tài)即將接近飽和，通過提高后級電源電壓可以使增益更加穩(wěn)定。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁擴(kuò)展功能中的增益步進(jìn)1dB也達(dá)到了，且增益是從080dB可調(diào)。0dB放大是后級功放的調(diào)零點,需事先校正，所有大于0dB的增益都以0dB為基準(zhǔn)。測58dB以上的增益時，以10mV輸入會使輸出飽和，故采用固定輸出的方法：給定增益，然后減小輸入信號，使得輸出信號有效值保持為7.00

38、V，再計算增益。實測數(shù)據(jù)如表8.3所示：表8.3 高增益測試數(shù)據(jù)當(dāng)增益達(dá)到80dB時，輸入1mV就能使輸出飽和，噪聲電平和信號電平差不多，只能看到噪聲信號中有輸入信號的輪廓，且這時輸入信號電壓有效值用示波器無法測量，但是輸出卻有和輸入同頻率的正弦波。由于示波器測量電壓有效值，當(dāng)信號很小時誤差較大，所以增益高時誤差較大。從變化趨勢來看，放大80dB誤差應(yīng)該小于2dB，滿足題目要求。從整體來看，我們設(shè)計的放大器增益為080dB，步進(jìn)1dB，60dB以下增益誤差0.2dB。6、自動增益控制（AGC）測量：將放大器切換到AGC模式，改變輸入信號電壓，觀察輸出信號并記錄輸出電壓。由于我們采用單片機(jī)控制增

39、益，AGC范圍和增益控制范圍一致，理論上AGC控制范圍為080dB。設(shè)定AGC輸出電壓范圍4.5 5.5V，把輸入信號調(diào)到1MHz，把有效值從1mV起往上調(diào)，測量輸出電壓有效值。測試數(shù)據(jù)如表8.4所示。表8.4 AGC控制測試數(shù)據(jù)入信號有效值大于2V時，輸入保護(hù)電路開始起作用，輸出端得到的是畸形的正弦波，故無法測量到增益為0的情況。輸入信號變化范圍為20×log2000/1=66(dB) 輸出信號范圍為20×log5.12/4.98=0(dB) 所以得到AGC范圍為66-066dB。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁調(diào)節(jié)AGC輸出電壓范圍可以讓功放輸出在0.16.5V之間，AGC的最小間隔為0.1V。如將輸出信號限制在1.01.1V以內(nèi)，AGC范圍將達(dá)到70dB以上。7、輸出電壓測量。通過數(shù)碼管顯示輸出電壓有效值，與實際測量值比較，誤差5。7.2.3 誤差分析我們測量的誤差主要來源是電磁干擾，由于試驗場地有許多電腦和儀器使用開關(guān)電源，電磁噪聲很大，而且使用的同軸電纜屏蔽效果并不好，所以測量輸入端短路時的噪聲電壓時隨輸入短接方式不同而有很大的誤差。黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁結(jié) 論在整個電路中所選