增益帶寬可調(diào)放大器

1、增益帶寬可調(diào)放大器摘要：本系統(tǒng)是由前級(jí)穩(wěn)定放大電路，程控增益放大電路，程控的低通濾波器，功率放大電路，峰峰值顯示和檢測(cè)模塊組成。前級(jí)穩(wěn)定放大電路，由低噪聲，單位增益穩(wěn)定的OPA637實(shí)現(xiàn)。程控增益放大電路則是用VCA810,通過(guò)提供偏置電壓來(lái)改變放大的倍數(shù)。程控低通濾波則是以控制Max5160來(lái)改變電阻值實(shí)現(xiàn)對(duì)兩階的巴特沃斯低通濾波器截止頻率的調(diào)整,。功率放大電路則是用THS3091。峰峰值顯示和檢測(cè)，通過(guò)有效值采集芯片AD637，使系統(tǒng)輸入為正弦波時(shí)，輸出電壓的峰峰值和有效值的數(shù)字顯示功能。關(guān)鍵字：可變?cè)鲆娣糯笃?，程控濾波器，THS3091，AD637pg1目錄一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)31. 系統(tǒng)總

2、體構(gòu)成（設(shè)計(jì)框圖）32方案比較3（1）緩沖放大部分3（2）壓控增益電路4（3）程控濾波電路4（4）功率放大模塊4（5）有效值采集模塊4二數(shù)據(jù)分析51增益帶寬積52. 增益分配分析53. 通頻帶內(nèi)增益起伏控制54. 抑制零點(diǎn)漂移65. 放大電路穩(wěn)定6三電路設(shè)計(jì)61. 緩沖放大部分62. 可控增益程控放大.73. 程控濾波電路74. 功率放大模塊85. 有效值檢測(cè)電路9三測(cè)試方法與數(shù)據(jù)91測(cè)試儀器92測(cè)量方案與數(shù)據(jù)10（一）可控電壓增益$40dB測(cè)量及峰峰值的檢測(cè)10（二）濾波器上限截止頻率的檢測(cè)10（三）超上限后增益衰減測(cè)量11（四）輸出最大不失真峰峰值電壓113結(jié)果分析12五參考文獻(xiàn)12六.附

3、件13Pg.2一、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1系統(tǒng)總體構(gòu)成（設(shè)計(jì)框圖）信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖放大區(qū)，實(shí)現(xiàn)10倍的穩(wěn)定放大，然后經(jīng)過(guò)用單片機(jī)控制的壓控增益電路和截止頻率可控的濾波電路。為了驅(qū)動(dòng)50歐姆的負(fù)載電阻，使信號(hào)再通過(guò)一個(gè)功率放大電路，然后接上負(fù)載電阻。經(jīng)過(guò)有效值檢測(cè)電路，將所測(cè)輸出電壓有效值，所控制的放大倍數(shù)以及所處的截止頻率值，顯示在LCD屏幕上。430單片機(jī)2方案比較（1）緩沖放大部分方案一：由三極管等分立元件組成的放大電路實(shí)現(xiàn)電壓跟隨,本方案由于主要采用分立元件電路比較復(fù)雜，難于調(diào)試，尤其增益的定量調(diào)節(jié)不易實(shí)現(xiàn)。方案二：輸入緩沖放大部分采用運(yùn)算放大器OPA67O,其增益寬帶積為500MHz,可以實(shí)現(xiàn)輸入信

4、號(hào)10倍的增益放大。因而選擇方案二。（2）壓控增益電路方案一：使用Max5160數(shù)字電位器和opa820，構(gòu)成一個(gè)反饋?zhàn)柚悼煽氐姆糯箅娐?。Opa820的增益帶寬積為480MHz,可以滿(mǎn)足放大電路增益到100倍時(shí)，3MHz頻率信號(hào)的通過(guò)。方案二：VCA810是一個(gè)寬帶、連續(xù)變化、電壓控制增益放大器。增益線(xiàn)性范圍為-40dB到+40dB在dB/V。零差分輸入電壓提供了一個(gè)帶有小的直流偏移誤差0V輸出。低輸入噪聲電壓，確保在最高增益設(shè)置好輸出信噪比。因而使用方案二，采用VCA810作為壓控增益，電路簡(jiǎn)單。（3）程控濾波電路方案一：采用RC濾波電路，Max5160數(shù)字電位器，改變R阻值，但RC濾波衰減

5、很大；方案二：利用高速寬帶運(yùn)放OPA690設(shè)計(jì)二階巴特沃思濾波器，其通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。通過(guò)Max5160來(lái)改變?yōu)V波電路的電阻參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)控制截止頻率。因而采用方案二（4）功率放大模塊方案一：采用THS3001，可達(dá)增益要求，但其增益不可調(diào)。方案二：THS3091是一種高電壓，低失真，低噪聲的放大器，寬帶：210兆赫（G=2時(shí)，基因Rl=100Q）,其性能高，精度高，性能好，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的放大。（5）有效值采集模塊方案一：采用AD736，其轉(zhuǎn)換精度為（mv±%RD）為0.5±0.5（max），低成本級(jí)的AD736的精度與8

6、位A/D轉(zhuǎn)換的精度相同，高等級(jí)和AD736的精度高于8位A/D的轉(zhuǎn)換精度,且它的3dB帶寬為0.4MHz，它的性能都不及AD637。方案二：AD637是當(dāng)前國(guó)際上轉(zhuǎn)換精度最高及頻帶最寬的真有效值轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)它的3dB帶寬為8MHz，在電源為正負(fù)5V供電情況下，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率不大于2MHz時(shí)，其輸入信號(hào)的電壓有效值在0.7V4V范圍內(nèi)能保證測(cè)量誤差。經(jīng)論證，選擇AD637。一擻據(jù)分析1增益帶寬積帶寬增益積(GBP)是用來(lái)簡(jiǎn)單衡量放大器性能的一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個(gè)乘積是一定的。按照題目發(fā)揮部分的要求，信號(hào)的通頻帶為20Hz5MHz,最大電壓增益AV>4

7、0dB,則增益帶寬積為：5MX10(40/20)>500MHz,又輸出最小不失真峰峰值10V,我們采用分級(jí)放大的方式，使放大器整體增益超過(guò)40dB.盡量滿(mǎn)足達(dá)到最小峰值的發(fā)揮要求。2.增益分配分析由于考慮到增益越大，頻帶寬度窄，整個(gè)結(jié)構(gòu)的增益設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)前級(jí)的緩沖放大區(qū)放大10倍(20dB),VCA810可以實(shí)現(xiàn)-40dB-+40dB壓控增益，這里設(shè)計(jì)其可以實(shí)現(xiàn)放大-26dB-+14dB的增益控制，功率放大電路則是采用6dB的增益控制。3通頻帶內(nèi)增益起伏控制在設(shè)計(jì)放大器頻率范圍從DC到5M,在5M的通頻帶內(nèi)增益平坦。所以選擇通帶最平坦的巴特沃紫濾波器來(lái)設(shè)計(jì)帶寬。OPA690在100MHz頻

8、帶下的增益誤差為0.1dB,VCA810增益起伏為0.3dB,THS3091在±15V電源供電時(shí)，增益為2倍的情況下，增益起伏小于0.1dB，均滿(mǎn)足指標(biāo)要求。4抑制零點(diǎn)漂移由于集成電路都有輸入失調(diào)電壓，經(jīng)過(guò)高增益的放大使得輸入失調(diào)電壓放大。通過(guò)在前兩級(jí)放大電路間的輸入和反饋間加上電位器，來(lái)調(diào)節(jié)輸入輸出級(jí)之間的失調(diào)電壓。5放大電路穩(wěn)定為了盡可能的減小干擾，避免自激，在布線(xiàn)和走向上有做一些考慮。構(gòu)建閉路環(huán)，嚴(yán)格按照信號(hào)走向布線(xiàn)。整個(gè)運(yùn)放使用較粗的地線(xiàn)包圍，縮短地線(xiàn)回路，并可吸收高頻信號(hào)減小噪聲；各部分?jǐn)[放位置按照信號(hào)走向，減小板與板之間的連線(xiàn)長(zhǎng)度。三.電路設(shè)計(jì)1.緩沖放大部分使用0PA6

9、90，進(jìn)行正向10倍放大。OPA69O增益帶寬積為500MHz，單位增益穩(wěn)定，滿(mǎn)足放大10倍，上限的截止頻率達(dá)到5MHz的要求。通過(guò)一個(gè)正向反饋運(yùn)算放大的設(shè)計(jì)，加正負(fù)5伏的電源來(lái)供壓。2可控增益程控放大VCA810在寬頻帶工作模式下，增益控制范圍為-40dB+40dB,且控制電壓與增益dB數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系，滿(mǎn)足增益控制要求。采用12位的DAC，TLV5616與單片機(jī)連接來(lái)產(chǎn)生不同幅值的模擬電壓信號(hào)再通過(guò)OPA234O方向放大電壓，來(lái)控制VCA810.3程控濾波電路采用巴特沃斯二階低通濾波電路，如下圖所示。由于巴特沃斯濾波器的原理,R1和C2構(gòu)成一個(gè)低通級(jí)，R3和C1構(gòu)成積分環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)H(s):

10、險(xiǎn)s2+SRRC丄+丄+丄+12312231K1K2K3Hs=20-/=0險(xiǎn)耶卒iQ=(R1/R2/R3)9R2R3C1將R3用數(shù)字電位器Max5160來(lái)代替，通過(guò)430單片機(jī)控制Max5160的輸出阻值來(lái)達(dá)到程控濾波。4功率放大模塊末級(jí)采用高電壓，低失真，電流反饋運(yùn)算放大器THS3091增大驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。THS3091為功率放大芯片，輸出電流250mA，其增益帶寬積為420MHz，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)放大2倍，用正負(fù)12伏的電壓做提供的電源，來(lái)滿(mǎn)足輸出的最大不失真峰峰值可以達(dá)到10V。5有效值檢測(cè)電路AD637是集成度高的整流濾波芯片，可以克服小信號(hào)的帶來(lái)的誤差，有較高的精度。AD637是AD公司R

11、MS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的交直流轉(zhuǎn)換電路，對(duì)于1VRMS的信號(hào)，它的3dB帶寬為8MHz,并且可以對(duì)輸入信號(hào)的電平以dB形式指示，另外，AD637還具有電源自動(dòng)關(guān)斷功能，使得靜態(tài)電流從3mA降至45卩化，可以測(cè)出任意波形交變信號(hào)的有效值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在電源為正負(fù)5V供電情況下，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率不大于2MHz時(shí)，其輸入信號(hào)的電壓有效值在0.7V4V范圍內(nèi)能保證測(cè)量誤差。圖像如下圖所示：)1X1AX5IOOGNDJ-5V-5V14三.測(cè)試方法與數(shù)據(jù)1.測(cè)試儀器序號(hào)名稱(chēng)型號(hào)規(guī)格數(shù)量1DG1022任意波形發(fā)生器12普源DS1052E數(shù)字示波器13DF1731-SB3A直流穩(wěn)壓電源1Pg94

12、UT39A數(shù)字萬(wàn)用表12測(cè)量方案與數(shù)據(jù)（一）可控電壓增益M40DB測(cè)量及峰峰值的檢測(cè)測(cè)量方法：用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生lKHz，峰峰值為27mV的正弦信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)上的按鍵，來(lái)控制增益放大倍數(shù)，并做計(jì)數(shù)測(cè)量。輸入峰峰值（mv）所設(shè)計(jì)的增益（dB/倍數(shù)）示波器顯示峰峰值/mV示波器顯示有效值/mV峰峰值測(cè)量電路顯示值增益誤差峰峰值測(cè)試誤差270/126.319.6200%2%3/1.414027.8265%4%6/2.005234.7343%2%9/2.818057.2585%1%12/3.9811986.38510%0.3%15/5.62160112.61105%0.3%18/7.9421415

13、0.21460.1%0.7%21/11.22280193.91897%0.9%24/15.85412290.42873.7%1.2%27/22.39591418.64152.2%0.8%30/31.62822580.05713.7%1.7%33/44.691100769.77548.8%2%36/63.0917001204.311950.2%0.7%39/9023401655.816424.1%0.8%40/1002670188018671.1%0.6%（二）濾波器上限截止頻率的檢測(cè)測(cè)試方法：在系統(tǒng)放大倍數(shù)為40dB時(shí)，Vpp=27mV，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生源頻率值，用示波器觀察輸出峰峰值達(dá)到最大值峰

14、峰值0.707倍時(shí)，驗(yàn)證其上限截止頻率范圍。urM100thheChi転awflekfroTBS1202B-EDUm如m訕沁（三）超上限后增益衰減測(cè)量測(cè)量方法：調(diào)節(jié)系統(tǒng)截止頻率到5MHz，輸入的信號(hào)源Vpp為20mv，改變輸入頻率，測(cè)量并記錄輸出的電壓峰峰值。信號(hào)輸入頻率輸出峰峰值/mV5MHz8246MHz7527MHz6168MHz4809MHz42010MHz280（四）輸出最大不失真峰峰值電壓測(cè)量方式，在調(diào)到系統(tǒng)最大增益的條件下，不斷增大信號(hào)源的輸入電壓，觀察示波器，看最大不失真電壓：3結(jié)果分析1. 電路系統(tǒng)的放大增益在誤差允許的范圍內(nèi)，可以達(dá)到40dB；2. Av的在040dB內(nèi)，可

15、以通過(guò)用單片機(jī)控制并顯示增益步進(jìn)，該設(shè)計(jì)的增益步為ldB。3. 最大增益下，系統(tǒng)的上限的截止頻率可以達(dá)到3MHz。4. 放大電路的輸出最大不失真峰峰值電壓達(dá)到7V。5. 峰峰值測(cè)量并顯示模塊的測(cè)量誤差小于2%，測(cè)量范圍可以達(dá)到0.5v10v。五滲考文獻(xiàn)1、TI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用手冊(cè)一一基礎(chǔ)知識(shí)篇黃爭(zhēng)編譯；2、TI運(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè)基礎(chǔ)知識(shí)篇黃爭(zhēng)李琰編譯；3、電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）康華光高等教育出版社pg.164、電子線(xiàn)路綜合設(shè)計(jì)謝白美華中科技大學(xué)出版社六.附件430單片機(jī)控制與顯示程序:#include<msp430x14x.h>#include"Config.h&q

16、uot;#include<math.h>#defineCSnResNEN#defineCSnResENP5OUT|=BIT2/CS為P5A2;P50UT&=BIT2#defineINCnSET#defineINCnCLRP5OUT|=BIT3/INC為P5A3;P5OUT&=BIT3#defineUDSET#defineUDCLRP5OUT|=BIT4U/D為P5A4;P5OUT&=BIT4#defineCSnDacEN#defineCSnDacNEN#defineSCLK_H#defineSCLK_L#defineDIN_H#defineDIN_L#def

17、ineFS_H#defineFSLP3OUT&=BIT2P3OUT|=BIT2P3OUT|=BIT0P3OUT&=BIT0P3OUT|=BIT1P3OUT&=BIT1P3OUT|=BIT3P3OUT&=BIT3voidPort_Init();voidLCD_write_com(ucharcom);voidLCD_write_data(uchardata);voidLCD_clear(void);voidDisplayCgrom(ucharaddr,uchar*hz);voidLCD_init(void);voidDisplay();voidresvalup();

18、voidresvaldown();voidampvalup();voidampvaldown();voidADC_Init();ucharTEMP_res=1;intTEMP_amp=5;uintTEMP_adc=1638;staticucharFlag=O;voidmain()uchari;Clock_lnit();WDT_lnit();Close_LED();Portnit();ADCnit();_EINT();Flag=1;delay_ms(100);LCD_init();LCD_clear();for(i=0;i<32;i+)resvalup();ampvaldown();/Di

19、splay©while(1)while(Flag=1)ADC12CTL0|=ADC12SC;ADC12CTL0&=ADC12SC;Flag=0;Display();/*for(i=0;i<32;i+)resvalup();for(i=0;i<32;i+)resvaldown();*/voidPort_lnit()P4SEL=0X00;/12864數(shù)據(jù)引腳P4DIR=0XFF;P4OUT=0X00;此行為12864的引腳，P5A0為RD/PSB,P5A1為/RST,P5A5為RS,P5A6為RW,P5A7為EC此行為輸出點(diǎn)位器的輸出引腳，P5A2為CS,P5T為IN

20、C,P5A4為U/DP5SEL=0X00;P5DIR=0XFF;P5OUT=0XFF;/*P1SEL=0X00;/4X4KEYP1DIR=0X00;P1OUT=0XFF;*/P1IE|=BIT4+BIT5+BIT6+BIT7;P1IES|=BIT4+BIT5+BIT6+BIT7;/P6口留作ADC用P6SEL|=BIT0;P6DIR&=BIT0;/P2口留作中斷此行為tlv5616引腳，P3A0為SCLK,P3A1為DIN,P3A2為CSn,P3A3為FSP3SEL&=(BIT0+BIT1+BIT2+BIT3);P3DIR|=BIT0+BIT1+BIT2+BIT3;P3OUT|

21、=BIT0+BIT1+BIT2+BIT3;液晶并口方式復(fù)位腳RST置高PSB_SET;RST_SET;/顯示屏命令寫(xiě)入函數(shù)/voidLCD_write_com(unsignedcharcom)RS_CLR;RW_CLR;EN_SET;DataPort=com;delay_ms(5);EN_CLR;/顯示屏數(shù)據(jù)寫(xiě)入函數(shù)/voidLCD_write_data(unsignedchardata)RS_SET;RW_CLR;EN_SET;DataPort=data;delay_ms(5);EN_CLR;/顯示屏清空顯示/voidLCD_clear(void)LCD_write_com(0x01);de

22、lay_ms(5);/函數(shù)名稱(chēng)：DisplayCgrom(ucharhz)顯示CGROM里的漢字/voidDisplayCgrom(ucharaddr,uchar*hz)LCD_write_com(addr);delay_ms(5);while(*hz!='0')LCD_write_data(*hz);hz+;delay_ms(5);/顯示屏初始化函數(shù)/voidLCD_init(void)/顯示模式設(shè)置/顯示模式設(shè)置顯示開(kāi)/清屏LCD_write_com(FUN_MODE);delay_ms(5);LCD_write_com(FUN_MODE);delay_ms(5);LCD_

23、write_com(DISPLAY_ON);delay_ms(5);LCD_write_com(CLEAR_SCREEN);delay_ms(5);/Display()顯示測(cè)試結(jié)果/voidDisplay(void)uchartable_amp4;uchartable_rms5;uchartable_fs9;uinttemp,temp_amp;longuinttemp_res;uchari;temp=(uint)(TEMP_adc*6.716);/temp=(uint)(TEMP_adc/1.45);for(i=0;i<4;i+)table_rms3-i=temp%10+'0&#

24、39;temp=temp/10;table_rms4='0'if(TEMP_amp>-1)table_amp0=''temp_amp=TEMP_amp;elsetable_amp0='-'temp_amp=-TEMP_amp;table_amp1=temp_amp/1O+'O'table_amp2=temp_amp%10+'0'table_amp3='0'temp_res=15793223/(32-TEMP_res);for(i=0;i<8;i+)table_fs7-i=temp_res

25、%10+'0'temp_res=temp_res/10;table_fs8='0'DisplayCgrom(0x80,"增益帶寬放大器");DisplayCgrom(0x90,"'增益:");DisplayCgrom(0x93,table_amp);DisplayCgrom(0x88,"Fs:");DisplayCgrom(0x8a,table_fs);DisplayCgrom(0x98,"RMS:");DisplayCgrom(0x9A,table_rms);voidres

26、valup()if(TEMP_res<31)INCnSET;CSnResEN;UDSET;/delay_us(2);INCnCLR;/delay_us(2);UDCLR;CSnResNEN;TEMP_res+;else_NOP();delay_ms(2);voidresvaldown()if(TEMP_res>1)INCnSET;CSnResEN;UDCLR;delay_us(2);INCnCLR;UDCLR;CSnResNEN;TEMP_res-;else_NOP();delay_ms(2);#pragmavector=PORT1_VECTOR_interruptvoidPort1()if(P1IFG&BIT4)P1IFG&=BIT4;resvalup();if(P1IFG&BIT