程控高增益選頻放大器設(shè)計(jì)

1、第三十組：陳林輝、夏效禹、伍玉程控高增益選頻放大器設(shè)計(jì)摘要：本系統(tǒng)以單片機(jī)和FPGA為控制核心，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)程控高增益選頻放大器 和衰減正弦波信號(hào)發(fā)生器。放大器以一款壓控增益放大器AD603為核心，增益 步進(jìn)1dB，范圍60dB120dB。選頻功能用*階狀態(tài)變量帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，中心頻 率步進(jìn)為1Hz，范圍*Hz*Hz，通帶寬度小于*Hz。在衰減正弦波發(fā)生器的實(shí) 現(xiàn)中，通過(guò)控制D/A轉(zhuǎn)換器參考電壓以改變信號(hào)包絡(luò)，頻率步進(jìn)1Hz，范圍 *Hz*Hz，并在幅度降至2mV時(shí)聲光報(bào)警。另外，系統(tǒng)可以測(cè)試放大器輸出 幅度，測(cè)量誤差小于*。關(guān)鍵字：壓控增益放大器狀態(tài)變量濾波器一、方案論證與選擇1、選頻功能實(shí)現(xiàn)

2、方案方案一：采用并聯(lián)LC選頻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輸入信號(hào)頻率等于其諧振頻率時(shí)，網(wǎng)絡(luò) 呈純阻特性，輸出信號(hào)幅度最大。改變L、C即可改變諧振頻率。Vi.一|基本放大電路M*- -Vo 詵頻網(wǎng)絡(luò)圖1 RC選頻網(wǎng)絡(luò)框圖方案二：采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)。如框圖所 示，它由基本放大電路和雙T形RC圖1 RC選頻網(wǎng)絡(luò)框圖方案三：采用狀態(tài)變量濾波器。該濾波器電路的截止頻率與Q值由其中某些 阻容值決定。電流輸出型DAC可等效為阻值僅受輸入數(shù)據(jù)控制的電阻，用此控 制濾波器的截止頻率和Q值，可實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)精確程控。方案一、二可實(shí)現(xiàn)極窄通頻帶、高Q值的選頻特性，但難以實(shí)現(xiàn)中心頻率以 1Hz為步進(jìn)。方案三中的狀態(tài)變量濾波器若采用較高階數(shù)

3、，可滿(mǎn)足對(duì)Q值的要 求，且可精確程控中心頻率，ADC位數(shù)決定調(diào)節(jié)范圍，因此，我們選取方案三。2、衰減正弦波信號(hào)源設(shè)計(jì)方案方案一：利用模擬電路產(chǎn)生。利用LC振蕩網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成諧振電路，選擇適當(dāng)?shù)腖、C值產(chǎn)生正弦波，再利用一階RC電路產(chǎn)生由初始值衰減的指數(shù)衰減信號(hào)， 將2種信號(hào)疊加相乘，即可得到按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦波輸出信號(hào)。方案二：利用數(shù)字方法產(chǎn)生。分別送入兩組數(shù)據(jù)進(jìn)入2個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器中，令 第一個(gè)DAC產(chǎn)生正弦波形，第二個(gè)DAC產(chǎn)生按指數(shù)規(guī)律衰減的波形，并作為 第一個(gè)DAC的參考電壓，相當(dāng)于兩信號(hào)相乘，由此獲得衰減波形。方案一易于實(shí)現(xiàn)，但由于在電路中存在電阻、電感和電容，產(chǎn)生波形時(shí)會(huì)出 現(xiàn)失真和不穩(wěn)

4、定的現(xiàn)象，且難以控制零初始相位和實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)。方案二可以精 確控制信號(hào)初始相位和頻率步進(jìn)，產(chǎn)生的波形穩(wěn)定。3、幅度檢測(cè)方案方案一：將信號(hào)通過(guò)峰值檢測(cè)電路，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采集信號(hào)峰值實(shí)現(xiàn)。方案二：采用數(shù)字峰值檢波。用A/D轉(zhuǎn)換器在一個(gè)周期內(nèi)大量樣點(diǎn)，根據(jù)采 集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)找出信號(hào)峰值。方案一由于電容充放電特性，輸出電壓存在波紋，若希望減小波紋造成的誤 差，則要以增加檢測(cè)時(shí)間為代價(jià)。由于輸入信號(hào)頻率低，利用不高的采樣率便可 在一個(gè)周期內(nèi)采集到大量樣點(diǎn)，精度完全可滿(mǎn)足題目要求。于是我們采取方案二。二、系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)由兩部分組成，衰減正弦波發(fā)生器和程控高增益選頻放大器。1）衰減正弦波發(fā)生器：在FP

5、GA內(nèi)部由直接數(shù)字頻率合成技術(shù)合成幅度恒 定的正弦信號(hào)，通過(guò)波形發(fā)生DAC輸出，同時(shí)用另一路輸出為衰減指數(shù)波的DAC 的輸出作為前者的參考電壓，由此獲得衰減正弦波信號(hào)。2）程控高增益放大器：可由外部信號(hào)或者衰減正弦信號(hào)源輸入，輸入信號(hào) 通過(guò)程控放大器后送入帶通濾波器，其中心頻率由四路DAC等效的電阻控制， 濾波器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后為最終輸出。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功能，功放輸出信 號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器采集得到幅值，并反饋控制增益，使信號(hào)穩(wěn)定在4.5V5.5V。 二選一電路 外部信號(hào)輸入程控放大電路 J I J I功率放大器* ADC 1fR1 二選一電路 外部信號(hào)輸入程控放大電路 J I J I功率放

6、大器* ADC 1fR1R*帶通濾波器V 4 &q4四路DAC選頻放大器輸出繼電器控制幅度控制DAC繼電器控制信號(hào)控制電壓波形發(fā)生DAC卜一衰減正弦信號(hào)輸出參考電壓DAC卜聲光指示FPGA幅度檢測(cè)LCD增益控制正弦波合成包絡(luò)合成聲光指示濾波器參數(shù) 控制圖1系統(tǒng)框圖三、理論分析與計(jì)算1、程控選頻放大器實(shí)現(xiàn)理論分析系統(tǒng)采用翻轉(zhuǎn)輸入型狀態(tài)變量濾波器原理，將兩個(gè)二階狀態(tài)變量濾波器級(jí) 聯(lián)，獲得四階帶通濾波器。單個(gè)二階狀態(tài)變量濾波器如圖2所示。圖2圖2二階狀態(tài)變量濾波器其濾波器參數(shù)由如下公式設(shè)置：、=!： R02兀RR R CC3 eq1 eq 2 2 3)ZR、=!： R02兀RR R CC3 eq1

7、eq 2 2 3+ L XR R3 Rq2 C 3R123取 R = R = R = 10kQ，R = R = R，C = C，則 f = 1/(2兀R C ) 123eq1eq 2 eq 230eq 2Q = (1 + R /R )/3。當(dāng)固定C2和R5時(shí)，f八僅與R有關(guān)，Q僅與ra有關(guān)。45250eq41)中心頻率范圍、步進(jìn)的實(shí)現(xiàn)分析：采用美信公司的四通道電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器MAX514等效R，如圖4所示，通過(guò)控制MAX514的輸出電流，從而改變其等效電阻值。MA514是 倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器， 則其輸出電壓：Digital Input+ Uref_ data從而改變其等效

8、電阻值。MA514是 倒T形R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器， 則其輸出電壓：Digital Input+ Uref_ dataO out X ref X 4096RGNDMAX514某一通道GNDUout將v與I分別作為輸入和輸ref out出，則每一路MAX514可以等效為電阻，圖3 MAX514等效電阻示意圖阻值 R = Xre = 4096 R。則 f =data，步進(jìn) =1= 1皈。eq I data0 2兀 C X 4096R0 2兀 C x 4096R實(shí)測(cè)得R = 1罵70，則C2取2.8nF。對(duì)應(yīng)的中心頻率f范圍1H；4.096kHz。2）通頻帶寬度實(shí)現(xiàn)分析：品質(zhì)因素Q = f0/

9、BW，由于題目要求BW100Hz，f0 最大為 3.4kHz，則 Qm.n=3400/100=34O 我們調(diào)節(jié) R4 使之為 120k Q，Q=40。2,衰減正弦波產(chǎn)生理論分析在FPGA內(nèi)合成幅度恒定的正弦信號(hào)，通過(guò)第一路DAC輸出，同時(shí)產(chǎn)生一 路指數(shù)衰減信號(hào)作為第一路DAC的參考電壓，獲得包絡(luò)為指數(shù)衰減的正弦信號(hào)。1）直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDFS）合成正弦信號(hào)分析：DDFS以Nyquist時(shí) 域采樣定理為基礎(chǔ)，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成。其工作原理是：每個(gè)參考頻率fclk 上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)容量為2n相位累加器的值便按照頻率控制字k的長(zhǎng)度增加 一次，所得的相位值被輸出至波形查找表，查找表將相位信

10、息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的幅值 信息（具體實(shí)現(xiàn)是以相位累加器中的數(shù)據(jù)高位作為地址讀取波形存儲(chǔ)器中的數(shù) 據(jù)），再由D/A轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的波形。輸出信號(hào)頻率f = f x k/2n。本系統(tǒng)相 位累加器位數(shù)為32位，參考頻率fclk=1MHz :則頻率分辨力 f = 1MHz/232 牝 0.0002Hz，即頻率最小步進(jìn) 0.0002Hz。與）指數(shù)衰減信號(hào)衰減常數(shù)分析：衰減信號(hào)可以表示為y = e-1/t，其中t為衰 減常數(shù)，題目要求衰減到初始幅度的10%需延遲100ms1000ms，我們?cè)O(shè)定在 500ms。則根據(jù)式子e -500/T =10%可計(jì)算出t = 217ms。3） D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)分析：題目要求指數(shù)衰

11、減正弦波最大幅度為1.5Vpp，衰 減至2mVpp時(shí)，保持幅度不變并送入選頻放大器，且幅度精度達(dá)5%。用于指 數(shù)衰減正弦波產(chǎn)生DAC的滿(mǎn)量程輸出Vpp=1.5V，若DAC位數(shù)為N，貝1.5/2N 13.8，于是我們選取美信公司的16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX541。四、主要功能電路設(shè)計(jì)1，程控高增益選頻放大電路的設(shè)計(jì)題目要求增益的程控范圍為60dB120dB，步長(zhǎng)為1dB；選頻網(wǎng)絡(luò)中心頻率范 圍為300Hz3.4kHz，步進(jìn)為1Hz。我們?cè)O(shè)計(jì)將該電路分為三部分，分析如下： 1）前級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)由于輸出電壓范圍為2V20V，可計(jì)算輸入信號(hào)范圍為2uV20mV，若將如 此小的信號(hào)先濾波再放大，濾波選頻

12、效果和輸出信號(hào)信噪比必然很差。于是我們 設(shè)計(jì)了前級(jí)放大電路，其增益范圍為10dB70dB，考慮到后級(jí)電路具有50dB的 固定增益，防止后級(jí)電路輸出信號(hào)截止，在本級(jí)中將信號(hào)調(diào)理至6mV60mV。 開(kāi)關(guān)S1選擇運(yùn)放LT1028的增益為16dB或46dB。小信號(hào)放大電路的設(shè) 計(jì)中，第一級(jí)放大器的噪聲對(duì)整個(gè)電路信噪比起決定性作用。系統(tǒng)采用一款超低噪聲、高精度的高速放大器LT1028，它的溫漂低至0.1hV/C，偏置電壓小于 10pV。它具有300MQ的共模輸入電阻以及126dB的共模抑制比，能夠很好地抑 制共模噪聲，提取小信號(hào)。AD603的輸入電阻為100 Q，由于電阻分壓造成-6dB的衰減。AD60

13、3由一個(gè)可通過(guò)外部反饋電路設(shè)置固定增益的放大器、寬帶壓控精 密無(wú)源衰減器和線(xiàn)性增益控制電路構(gòu)成，取R5=2KQ，即固定增益40.98dB，則 G(dB) = 40 x (V - V ) + 20.98，管腳 2 上 V = 5 x R4/(R3 + R4) = 0.5V。在管腳G +G -G -1上輸入電壓范圍為-0.025V0.726V時(shí)，AD603增益范圍0dB30dB。圖4圖4前級(jí)放大電路圖2)程控濾波電路的設(shè)計(jì)程控濾波電路的設(shè)計(jì)在理論分析與計(jì)算中己作詳細(xì)闡述，值得提出的是我們 設(shè)置品質(zhì)因素Q=40，則在濾波器通帶內(nèi)存在40V/V(32dB)的增益。后級(jí)功率放大電路的設(shè)計(jì)前兩級(jí)的總增益范

14、圍是42dB102dB，為滿(mǎn)足題目的要求，本級(jí)設(shè)置為18dB 的固定增益。THS3001是一款高速電流反饋型運(yùn)放，采用同相輸入方式，提高 了放大電路帶負(fù)載的能力，而且由于輸入阻抗高、輸出阻抗低，可起到對(duì)濾波器 輸出的隔離緩沖作用，防止后級(jí)電路影響濾波器參數(shù)。電路圖見(jiàn)附錄。圖5整形電路圖2，AGC功能中整形電路設(shè)計(jì)圖5整形電路圖如理論分析部分所述，為提高自動(dòng)增益 控制的穩(wěn)定速度，在信號(hào)頻率初掃時(shí)，需 要一級(jí)比較器電路，檢測(cè)濾波器輸出信號(hào) 的幅度。采用比較器LM311，它的輸出為 集電極開(kāi)路，其輸出接上拉電阻，設(shè)定其 邏輯電平為5V。為抑制干擾引起的誤翻 轉(zhuǎn)，我們采取了帶正反饋的滯回比較電路 的形

15、式。采用反相輸入方式，其反向閾值電壓V = 0- 2KX5 q-0.454V，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)上升沿；將調(diào)節(jié)R6使其正向 -20 K + 2 K閾值電壓V = 2KX5 - 2KX5 q0.454V，對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)的下降沿。將比較器 + R6 + 2 K 20 K + 2 K輸出信號(hào)通過(guò)一個(gè)施密特觸發(fā)器與非門(mén)后，方波信號(hào)的沿更陡峭而穩(wěn)定。五、軟件設(shè)計(jì)1，總體軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件包括單片機(jī)C語(yǔ)言和基于FPGA的Verilog HDL。單片機(jī)主要用 于總體程序流程控制和人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)，此外，在單片機(jī)嚴(yán)格的延時(shí)控制下，將衰減正弦波的包絡(luò)序列送入D/A轉(zhuǎn)換器FPGA主要用于大量高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算和復(fù)雜的時(shí)序控制。

16、如直接數(shù)字頻率合成技術(shù)合成正弦波以及后級(jí)D/A轉(zhuǎn)換器的 控制、幅度測(cè)量時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的采樣控制和數(shù)字峰值檢波的實(shí)現(xiàn)。2, AGC實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)由于前級(jí)放大電路具有選頻功能，在調(diào)整電路增益之前，需要將中心頻率設(shè) 置為輸入信號(hào)頻率。為了精確設(shè)定中心頻率，并兼顧穩(wěn)定時(shí)間。我們采用兩級(jí)掃描方式。首先以100Hz為步進(jìn)使濾波器中心頻率由300Hz增長(zhǎng)，當(dāng)濾波器后級(jí) 的比較器電路輸出方波時(shí)，停止掃描，并測(cè)得信號(hào)頻率；由于中心頻率的設(shè)定存 在誤差，第二步是設(shè)定濾波器中心頻率在信號(hào)頻率附近，以1Hz為步進(jìn)，用ADC 采樣求取濾波器輸出信號(hào)峰值，記錄輸出最大值處，并最終確定設(shè)定的中心頻率。之后便可利用反饋控制算法

17、使信號(hào)穩(wěn)幅在4.5V5.5V。流程圖如下所示。六、圖6系統(tǒng)總體軟件流程圖測(cè)試數(shù)據(jù)與分析圖7 AGC控制流程圖六、圖6系統(tǒng)總體軟件流程圖測(cè)試數(shù)據(jù)與分析圖7 AGC控制流程圖1，功能測(cè)試1）程控增益選頻放大器：經(jīng)測(cè)試，中心頻率調(diào)整步長(zhǎng)最小可達(dá)1Hz，增益調(diào)整 步長(zhǎng)最小可達(dá)1dB。2）自制信號(hào)源： 手動(dòng)觸發(fā)一次，用示波器*觀察波形。測(cè)得初始相位為 零，測(cè)得第二個(gè)最大值的時(shí)間點(diǎn)為*ms，幅度值為*V，第三個(gè)最大值時(shí)間點(diǎn)為*ms，幅度值為*V，計(jì)算得衰減系數(shù)為*，誤差為*。用示波器測(cè)試衰減正弦波的最大幅度為*V，與理論值的誤差為*%。衰減至2mVpp時(shí)，具有 聲光指示功能，并保持該幅度不變。頻率步進(jìn)1H

18、z。2，指標(biāo)測(cè)試1）程控增益選頻放大器選頻特性測(cè)試：測(cè)試方法：輸入信號(hào)幅度設(shè)置為2mV，增益設(shè)置為60dB。設(shè)置若十個(gè)中心 頻率f，向系統(tǒng)送入掃頻信號(hào)，用4位半毫伏表觀察輸出信號(hào)幅度。記錄信號(hào)0最大值對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)頻率點(diǎn)，以及幅度為最大幅度0.707倍的兩個(gè)頻率點(diǎn)的值， 計(jì)算出通頻帶寬度。測(cè)試數(shù)據(jù)：主要測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄。表1程控增益選頻放大器選頻特性測(cè)試表序號(hào)設(shè)定f0實(shí)際f0f0誤差-3dB兩頻率點(diǎn)帶寬1300Hz22KHz33.4KHz2）程控增益選頻放大器增益測(cè)試：測(cè)試方法：輸入信號(hào)頻率為1.25kHz和2.5kHz，分別將中心頻率設(shè)置為輸入 信號(hào)頻率，改變?cè)鲆?，用四位半毫伏表測(cè)試輸出信號(hào)幅度以及輸入信號(hào)幅度，計(jì) 算實(shí)際增益和誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)：主要測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄。表2程控增益選頻放大器增益測(cè)試表序號(hào)信號(hào)頻率設(shè)置增益輸入信號(hào)幅度輸出信號(hào)幅度增益誤差11.25kHz60dB2120dB32.5kHz60dB4120dB3）自制衰減信號(hào)源頻率測(cè)試：測(cè)試方法：設(shè)置信號(hào)源頻率，在示波器上用光標(biāo)測(cè)試零點(diǎn)間的間隔，計(jì)算出 信號(hào)頻率，并與設(shè)定頻率比較，計(jì)算誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)：主要測(cè)試數(shù)