儀放及VGA可控增益電路設(shè)計(jì)說明書

1、華中科技大學(xué)啟明學(xué)院電工電子科技創(chuàng)新中心文檔名稱文檔資源編號儀放及VGA可控增益放大設(shè)計(jì)說明書文檔版本012.0儀放及VGA可控增益放大設(shè)計(jì)說明書擬制:賴癸仲周汪磊日期：2015-05-09審核:賴癸仲周汪磊日期：2015-05-10文檔版權(quán)聲明本文檔版權(quán)歸華中科技大學(xué)電工電子科技創(chuàng)新中心網(wǎng)站所有，未經(jīng)本網(wǎng)站授權(quán)不得向任何其它企業(yè)、網(wǎng)站、論壇或個(gè)人上傳、拷貝或其它方式傳播本文檔內(nèi)容。修訂記錄日期修訂版本修改描述 作者2015-05-091.0報(bào)告初稿周汪磊,賴癸仲2015-05-102.0附錄補(bǔ)充周汪磊,賴癸仲目 錄目錄1.方案設(shè)計(jì)51.1總體方案系統(tǒng)框圖51.2儀表放大器的選擇51.3 AG

2、C設(shè)計(jì)選擇62.理論分析與計(jì)算62.1.儀表放大器的相應(yīng)計(jì)算62.2 VGA的電路設(shè)計(jì)73.硬件電路設(shè)計(jì)73.1.儀表放大器的電路設(shè)計(jì)73.2 VGA程控放大電路83.3自動增益控制AGC的電路設(shè)計(jì)94.軟件設(shè)計(jì)分析104.1軟件流程及框圖105. 系統(tǒng)測試與總結(jié)115.1.測試方案111）測試環(huán)境112）測試方案：115.2.測試用例及結(jié)果115.3.總結(jié)12關(guān)鍵詞：INA128,VGA,VCA摘 要：本次系統(tǒng)分為倆個(gè)部分分別為儀放和VGA板的焊接使。其中儀放使用INA128為核心完成放大，VGA及AGC以VCA810為核心完成放大，VGA增益放大通過程序控制鍵盤調(diào)節(jié)，AGC采用分立元件產(chǎn)生

3、增益控制電壓。測試表明本系統(tǒng)各功能均已達(dá)到或超出了題目要求。1. 方案設(shè)計(jì)1.1總體方案系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)分為兩部分，一部分為儀表放大器的設(shè)計(jì)，一部分為可變增益放大器VGA的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框圖分別如圖一圖二所示。圖一儀表放大器設(shè)計(jì)圖二可變增益放大器AGC的設(shè)計(jì)1.2儀表放大器的選擇題目所給要求儀放增益400倍，輸出峰峰值10V條件下3dB帶寬不小于10kHz，且儀放共模抑制比優(yōu)于60dB，為了滿足題目要求，本系統(tǒng)選擇常用的INA128，該芯片在增益1000倍的情況下3dB帶寬不小于20KHz，共模抑制比可達(dá)120dB以上，完全符合題目要求，而另一款備選芯片INA118在增益1000倍情況下3dB帶寬為

4、7KHz，與題目400倍3dB帶寬10KHz的要求相近，很可能不滿足要求故而不選用INA118而選用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出題目要求的INA128。1.3 AGC設(shè)計(jì)選擇為了實(shí)現(xiàn)自動增益控制AGC，我們思考了以下兩種方案方案一：采用與VGA程控放大相同的思路通過程序檢測輸入信號，自動調(diào)節(jié)對應(yīng)控制信號使輸出保持穩(wěn)定，這樣的方案硬件電路設(shè)計(jì)相對簡單，但是對單片機(jī)運(yùn)算要求高。方案二：采用分立元件產(chǎn)生增益控制電壓達(dá)到自動增益控制的目的，這種方案不需要程序控制，但是硬件電路相對更為復(fù)雜。考慮到題目要求輸入峰峰值突變后能在0.5秒內(nèi)，穩(wěn)定輸出峰峰值到1V±0.1V。0.5秒的反應(yīng)時(shí)間，考慮到一般運(yùn)放的壓擺率，分

5、立元件產(chǎn)生增益控制能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出題目要求。而通過程序控制信號來根據(jù)輸入改變信號的方案，由于涉及對數(shù)運(yùn)算，0.5秒對單片機(jī)而言很可能不夠故而最終本系統(tǒng)選擇分立元件產(chǎn)生增益控制電壓的方法。2. 理論分析與計(jì)算2.1. 儀表放大器的相應(yīng)計(jì)算根據(jù)題目要求，儀表放大器儀放增益400倍，輸出峰峰值10V故而輸入的信號為峰峰值0.025V的信號。為了產(chǎn)生該信號采用電阻分壓的方式從峰峰值12.5V的信號源采集相應(yīng)電阻比為1：500，即采用1M和2K的分壓電路。而對于400倍的增益產(chǎn)生根據(jù)，可以得出。對于共模抑制比CMRR有，直接在電路輸入添加共模電壓測量其最后輸出差模電壓增益與共模電壓增益的比值。2.2 VGA的

6、電路設(shè)計(jì)本次VGA設(shè)計(jì)電路電路增益在 30dB內(nèi)調(diào)節(jié)，且信號最大頻率為5MHz，芯片VCA810的Vc引腳電壓在-2V0V時(shí)，增益范圍-40dB40dB，其增益控制帶寬為25MHz，且其帶寬和壓擺率不隨增益變化而改變，完全能滿足所需的技術(shù)指標(biāo)，所以選用增益可調(diào)控的芯片VCA810；由VCA810芯片有可知當(dāng)，G=-30dB，G=30dB。在此范圍內(nèi)增益隨電壓的變化線性變化。又最大輸出峰峰值2V，此時(shí)增益為30dB故信號輸入端峰峰值V，設(shè)計(jì)輸入端電阻分壓50倍，即有峰峰值3.16V的信號輸入。對于Vc端的DA輸出，由于DA的帶負(fù)載能力不強(qiáng)故而可以選用電壓跟隨器來保證，此外，Vc端電壓輸入要求為負(fù)

7、電壓，而DA輸出為正電壓，故而需要一個(gè)反相器。3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1. 儀表放大器的電路設(shè)計(jì)儀表放大器部分相對較為簡單，對于增益500倍的電路如下圖三所示：圖三儀表放大電路利用跳線對電路進(jìn)行小改動即可完成對共模抑制比的測量，具體電路如圖四所示：圖四儀放共模抑制比的測量3.2 VGA程控放大電路由2.2理論分析可知，電路由VCA810的應(yīng)用電路與對程序輸出DA處理電路兩部分組成。DA的處理先通過反相器再通過電壓跟隨器最后進(jìn)入VC810的端，具體電路如圖五：圖五VGA程控放大電路其中主要注意的還是對VCA810的輸入電源的電容濾波，為了保證電壓的穩(wěn)定同時(shí)并聯(lián)一個(gè)大電容與小電容。3.3自動增益控制

8、AGC的電路設(shè)計(jì)AGC的電路設(shè)計(jì)主要由可變增益放大器和檢波整流控制反饋兩部分組成，由題目要求輸入50Hz5MHz的交流信號峰峰值2mV2V，而VCA810的增益帶寬為25MHz完全能滿足題目要求，因此仍選用VCA810作為可變增益放大部分電路，由于5MHz頻率較高，因而接入了50電阻進(jìn)行阻抗匹配。對于檢波整流控制反饋部分，由于對于VCA810，Vc電壓與增益成反比，而電容維持vc電壓，電壓超過vbe時(shí)三極管導(dǎo)通，電容充電增益減小，電壓小于vbe時(shí)，三極管截止，電容放電，電壓下降，增益增大。從而實(shí)現(xiàn)自動增益控制。為了確保輸出電壓的負(fù)載，同樣的我們在輸出端接入了一個(gè)電壓跟隨器，具體電路圖如圖六所示

9、： 圖六自動增益控制AGC電路設(shè)計(jì)4. 軟件設(shè)計(jì)分析4.1軟件流程及框圖軟件設(shè)計(jì)的總體流程框圖如圖七圖七軟件設(shè)計(jì)總體框圖 本次VGA程控放大通過按鍵輸入增益值或步進(jìn)調(diào)節(jié)增益值，LCD液晶屏顯示相應(yīng)的dB值，通過運(yùn)算轉(zhuǎn)化后將相應(yīng)的dB值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的Vc值并對其作DA轉(zhuǎn)化輸出。5. 系統(tǒng)測試與總結(jié)5.1.測試方案1）測試環(huán)境測試在正常室內(nèi)環(huán)境下，具體測試儀器如表一表一 測試儀器名稱型號數(shù)量示波器TektronixDPO 2012b數(shù)字示波器1函數(shù)信號發(fā)生器EE1420型DDS合成函數(shù)信號發(fā)生器1直流穩(wěn)壓電源DF1731SL1ATA 穩(wěn)壓源12）測試方案：用直流穩(wěn)壓電源對本系統(tǒng)進(jìn)行供電，輸入函數(shù)信號

10、發(fā)生器產(chǎn)生的信號，用示波器分別測量儀放的放大倍數(shù)，共模信號增益，差模信號增益。用示波器測量VGA實(shí)時(shí)輸入輸出增益。5.2.測試用例及結(jié)果1） 儀表放大器放大倍數(shù)測試：表二儀表放大器放大倍數(shù)測試分壓后輸入信號輸出理論輸出偏差頻率5000Hz5001Hz5000Hz0.02%幅值0.025V9.96V10V0.4%2） 儀表放大器共模抑制比的測量表三儀表放大器共模抑制比的測量共模輸入共模輸出差分放大倍數(shù)共模抑制比12v0.048V4001003） VGA程控增益的測量表四VGA程控增益的測量輸入信號/v輸出信號/v程控顯示增益/dB實(shí)際測試增益/dB誤差0.0632.02V30dB30.10dB0.1dB0.0631.61V28dB28.14dB0.14dB0.0631.28V26dB26.16dB0.16dB4） AGC自動增益控制的測量表五AGC處理后輸出信號測試輸入信號頻率輸入信號幅值輸出信號幅值觀察到穩(wěn)定波形時(shí)間800Hz300mV1.01V遠(yuǎn)小于0.5秒2MHz1.00V1.03V遠(yuǎn)小于0.5秒2000Hz30mV0.99V遠(yuǎn)