一 : 程控高增益选频放大器设计报告 73
程控高增益选频放大器设计报告
[摘要]：本文介绍的选频放大器是以单片机AT89s52为核心,通过控制X9C103P和选频电路模块以及AD603来实现选频和高增益放大功能。该程控高增益选频放大器不仅具有对信号进行选频、放大的功能,还可以实现高增益,以及精确到1HZ的步进调节,具有较高的性能指标。
[关键词]：程控放大器 AT89s52 X9C103P AD603
一、方案设计及论证
1、选频模块设计方案论证与选择
方案一:采用状态变量滤波器进行选频该滤波电路的选频效果很好,但是由于放大倍数A和中心频率f以及带宽B互相制约,即B与放大倍数A成正比,当B在100Hz之内,f在1300Hz到3100Hz之间变化时,放大倍数A会很大,会使信号波形发生畸变失真。另一种方法是采用文氏桥式选频放大器电路作为选频网络以及信号放大。由于它的品质因数Q和放大倍数A成正比,当需要得到很窄的频带B就需要相当大的品质因数Q,即放大倍数A随Q的增加而增大,当Q很大时同样会造成信号波形失真。
方案二:为了克服通频带宽度B,品质因数Q和放大倍数A的相互制约,我们选用“带通滤波器”电路来进行信号选频,此电路可以实现对信号中心频率、放大倍数、通频带宽度的独立调节,三者互不影响。传统选频电路的品质因数受增益的制约,为使信号不失真通频带都很
宽,选频效果很差,而“带通滤波器”恰好可以克服这个缺点,可实现在增益唯一、中心频率可调的条件下,仍有很大的品质因数,使通频带很窄可低于100Hz甚至更低。这只需要调节变阻器的电阻值就可以实现。
综上所述,我们选择方案二，采用“带通滤波器”作为选频模块的核心可以达到很高的指标要求。
2、高增益程控放大模块计方案论证与选择
方案一:通过多级放大器级联的形式实现高增益(当反馈电阻采用数字电位器时,就可以达到程控功能),但这样放大效果很差,各级放大电路互相干扰影响,增益倍数会比理论值下降很多。且多级级连电路复杂,不确定因素很多,不易控制。
方案二:采用高增益程控放大器AD603实现。AD603是一个可以通过单片机来控制放大倍数的程控放大器,其放大倍数可以高达51dB,我们通过改变加在GPOS与GNEG引脚上的电压,就能控制放大器的增益倍数,增益的调整步长最小可以达1dB。由于AD603是通过软件控制实现放大功能,所以整个系统几乎不受外界干扰,即便是多个放大器级联也不会互相干扰,能达到很高的增益倍数。
综上所述，我们选择方案二。
3、MCU模块设计方案论证与选择
方案一:采用普通的80C51系列,可以实现多项功能,但是它的内部没有高速AD、DA、比较器等子系统,需要进行外围电路扩展,电路系统复杂,而且占用单片机引脚,造成资源浪费方案二:采用
C8051F02单片机。C8051F02是一个全集成混合信号SoC(System On Chip)高速、高性能单片机。C8051F02单片机内,集成了两个多通道ADC子系统(每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器)、两个电压输出DAC、两个电压比较器、电压基准、SMBus/I2C总线接口、UART、SPI总线接口、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列(PCA)等,功能齐全。它的引脚可以用软件定义,程序的移植性很强,具有很强的控制能力。
综上所述，由于实际原因，我们选择方案一。
4、键盘与显示模块的设计方案论证与选择
结合我们选用的主控单片机AT89s52的特点,显示部分我们选用键盘,配合1602液晶，通过AD转换显示。
二、硬件系统
1、总体设计
系统框图如下所示:
2、各模块及数据计算:
(1)选频放大模块
电路如图所示,LM324系统用于选频,为了进行程控我们将滑动变阻器R、R2和R3改用数字电位器X9C103作为频率调节电阻。用程序控制数字电位器,可实现小于50HZ的步进,精度高。通过脉冲控制
X9C103来实现对中心频率和步长的调节。选用103的数控电位器,中心频率调节范围在1kHz~3.2kHz,步长调节范围在1HZ~50HZ。
(2)、选频网络计算公式:
通频带B=|3-Auf|*f0=f0/Q;
比例系数 Auf=1+（Rf/R1）；
中心频率f0=1/(2πRC); 其中R2=R,R3=2R;C1=C2=C； 当f=f0时，通带放大倍数 Aup=Q*Auf；
根据上面的公式选取合适的电阻值。R、R2和R3选用数字电位器，根据中心频率范围1.3khz—3.1khz来确定R的大小，令C=10nF，则R=5.16k—12.3k，数字电位器X9C103满量程为10k， 故需要串联400欧的电阻才能满足要求；中心频率的步进小于50hz，故数字电位器的电阻变化要小于500欧，具体做法通过单片机控制数字电位器的接入电路的电阻。根据通频带的宽带不大于100hz，可以确定R1和Rf的大小，f0范围为1.3k—3.1k，故Auf的范围为2.9—2.97，从而可以确定R1和Rf的值。
为了提高稳定性,在选频放大输出端接射极跟随器,以稳定输出电压。在电源接电容滤波以增强电路的抗干扰性。
(3)高增益程控放大模块
程控高增益选频放大器设计报告 73_选频放大器
电路如图所示,采用三个AD603放大系统串联,实现高增益放大功能。第一级和第二级的GPOS与GNEG之间接固定的电压分别实现31dB和51dB放大,第三级将两个引脚接可调的输入电压,其中GNEG的电压是固定值，通过改变GPOS的电压来改变其两脚的电压差值，从而改变增益，增益在-10dB--+30dB范围内,并且调节步长可自己设定为1dB--6dB,三极放大的级联可实现高达112dB的增益。
第三级AD603的引脚GPOS电压通过单片机进行DA0832转换来实现的，如下图
这个电路的优点是,它不受级联和外界的干扰,非常精确的实现放大要求。而且它的灵活性很 强,可通过改变输入和程序中的引脚设置就能改变放大倍数。
三、实验分析与测试
（1）由于放大倍数太大，实验室没有0.01mV交流电，故采取分开测试，测得增益70dB—110dB，调整步长为6dB左右，符合设计要求。
（2）由于实验室条件的限制放大器的中心频率与通频带无法准确的测量，结果大致符合要求，但理论仿真如下：中心频率为1.03khz—
3.26khz；调整步长为3hz--50hz不等；通频带为9hz—95hz；都符合设计要求。
（3）显示部分可以通过单片机用1602显示增益与中心频率，通过修
改程序能准确的显示出来，符合设计的基本要求。
注：由于实际测量的问题，选频模块衰减20dB，故我把放大模块改用四级放大，第一级和第四级采用uA741各放大30dB和40dB，第二级和第三级采用AD603放大，第三级放大30dB，
第二级放大可调增益为﹣10dB—30dB；总体放大增益为70dB—110dB。
[参考文献]：
[1]华成英、童诗白:《模拟电子技术基础》,高等教育出版社出版。
[2]谢佳奎:《电子线路》(第4版),高等教育出版社出版。
[3]http://www.21ic.com/。
[4]AD603芯片资料。
[5]10K数字电位器x9313WP（或x9312wp或x9c103P）芯片资料。
[6]1602资料。
[7]AD0809和AD0832资料。
二 : 求VCA820可控增益放大器原理？？
宽带放大器在工业测量与控制领域应用广泛。在测量与控制电路中，宽带放大器是调理传感器输出信号的重要环节。传感器输出的电平信号通常不是规则的正弦信号，且输出电压范围往往变化很大，这就需要后级放大器具有较高的频带宽度和灵活的电压增益，因此，这里提出一种以压控增益放大器VCA822为核心的可编程宽带放大器，可实现通频带为100 Hz～15 MHz，放大器增益为10～58 dB，6 dB步进可调。该设计可通过矩阵式键盘设置放大器增益，液晶显示器显示输出电压，人机界面友好。
“www.61k.com”1 放大器设计及工作原理
设计一个通过键盘设置增益，且具有AGC功能的宽带放大器。放大器输入端采用同相放大电路进行阻抗匹配，使输入电阻达到MΩ数量级。该系统设计分为宽带放大、峰值采样、人机交互等3个模块。
宽带放大模块中电压增益可预置的功能是由VCA822实现。VCA822一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，最大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定。控制电压的输出是由单片机运算并控制D／A转换器而输出的，因而能够实现较精确的数控。另外，放大器后级接入两档信号处理电路，一档增益0 dB，另一档为衰减档，通过一个控制端口，实现信号在这两档位之间选择。这种方法的优点在于条理清晰，控制方便，易于单片机处理。
针对峰值采样，采用数字检波，即通过高速A／D转换器对输出的正弦信号进行采样，判断一定时间内采集到的数字信号的最大值，该最大值即为该信号的峰值。而这种通用数字峰值检波电路仅能在低频段效果良好，针对系统设计要求中的高频信号，以及某些特定频率信号，将产生一定误差。采用双频数字峰检对信号进行采样，这种方案可有效避免产生误差。
在上述两模块的基础上实现AGC的功能。峰值检波测得的电压值反馈回单片机，单片机对宽带放大电路实现放大精确控制。通过这种方式可将输出信号的峰值稳定在4．8 V左右。该系统总体实现框图如图l所示。
2 系统硬件电路设计
2．1 VCA822简介
该系统采用VCA822型宽带压控增益放大器。在控制电压的作用下，该器件可提供精确的增益，且按V／V线性变化，其基本增益
。其中VC是控制电压输入。电压基本增益为(V／V)。利用单片机进行适当运算可控制以dB为单位的对数增益。给VCA822提供控制电压的D／A转换器为MAX541，其位数为16 bit，因而准确实现增益步进。鉴于VCA822优越的噪声特性和高精度的增益控制，因此选用该器件实现系统的可变增益。
2．2 系统增益分配
放大器其他部分固定增益为34 dB，由中间级OPA699和后级功放共同提供。在测试过程中，发现VCA822的控制电压范围为-1～l V，且该器件为±5 V供电，输出电压峰峰值不能大于4 V，否则输出波形失真。为了尽量提高输入电压的动态范围，实现放大器增益可调，将VCA822设计为放大器前级，且增益的控制在0～24 dB可选，输出信号接OPA699构成的同相放大。经单片机控制，与后级两个档位选择性级联。两档位的增益分别为0 dB、-24 dB。从而能够实现最小增益10 dB，最大增益58 dB的9级可调。
2．3 放大电路
前级输入利用MAX477设计射级跟随器，使得输入电阻趋近于无穷大，从而提高输入阻抗。与VCA822通过电容耦合，其控制电压由MAX54l输出。由于MAX541的转化范同为O～Vref，故在D／A转换器输出端增加一个减法器，输出范围为-l～+1 V，MAX54l的参考电压由MAX6225提供。VCA822后级接入OPA699，OPA699为高增益、高摆率宽带运放。其工作带宽可达到l 000 MHz，采用该器件设计增益G为12的放大器，完全满足带宽为15 MHz的要求。之后为通过电阻网络和模拟开关设计的两档衰减电路，一档衰减O dB，一档衰减24 dB，由模拟开关MAX333控制选通。最后利用电流型、高摆率的运算放大器AD8l1和分立元件设计的后级推挽功放实现功率放大，放大倍数G为+4，并增大负载能力。电路实现原理图如图3所示。
为了提高电路的稳定性，此电路采用一系列的抗干扰措施。其中包括每片器件的供电部分采用4．7μF和104 pF的电容进行电源滤波，各级放大器间的信号输入输出采用屏蔽线进行连接，数字地和模拟地之间采用电感隔离。
2．4 后级功率放大电路
为了增加系统负载能力，考虑到运算放大器AD811自身负载驱动能力的限制，这里选用AD8l1配合高频中小型功率对管2N3904(NPN型)和2N3906(PNP型)(两功率管特征频率fT=300 MHz)搭建0CL功率放大器。前级由AD811组成同相放大器，放大倍数为Av=1+Rf／R3；后级选用功率对管扩流构成甲乙类功率推挽输出形式提供负载驱动电流。经实验测试，输出端接50 Ω负载时，无失真的最大输出电压峰对峰值达到18 V。电路原理图如图4所示。
2．5 数字检波
本设计中的峰值检波电路基于信号频谱搬移理论，由于A／D转换器在单一采样率进行采样时会出现盲区频段，故以2个特殊频率(双频)先后对信号进行采样，提取采样结果中的最大值即可得到周期信号峰值。这种方法可兼顾高低频，适合应用于该系统100 Hz～15 MHz的情况。采用A／D转换器MAXl97，利用2个采样率f=50．000 kHz，f2=50．
005 kHz互补采样盲区，可得到良好采样效果。设置A／D采样率的方波信号由FPGA提供。
3 系统软件设计
该系统软件采用模块化和层次化的设计思想。采用模块化设计思想，要对某一子控制器控制，只需调用相应的控制模块即可。模块内采用层次化设计，把底层的硬件接口处理编制为独立底层子程序，并向上提供处理数据，且对上层功能模块屏蔽底层硬件接口部分；最后，主程序只需调用相关的功能模块就可方便构建系统。
本系统软件部分主要由单片机组成，其中主要包括系统初始化、中断的响应和中断的处理。该设计功能实现以键盘的按键中断为主线，通过读入用户输入的键值，在相应的中断响应函数中与FPGA中对应的控制模块以总线的方式进行及数据的交换，触发FPGA内相应的控制时序，实现对信号的放大和测量。系统软件流程如图5所示。
4 数据测试
该系统利用数字合成信号源、双踪示波器、仿真机、交流电压表进行测试。调节输入信号的频率，并利用交流电压表记录输出电压的有效值。测试结果表明，放大器的放大倍数在10～58 dB内9级可调，-3 dB点为100 Hz～15 MHz，且放大效果稳定。对于放大器的AGC功能，将输入信号频率固定，改变电压大小，输入信号峰值为9 mV～1 V时，可将输出信号稳定在峰值为4．5～5 V的电压范同内，故AGC动态范围大于40 dB。预置放大器放大倍数58 dB时，输入端接地，输出噪声电压小于10 mV。
5 结论
该系统设计是以VCA822为核心的可控增益宽带放大器。经测试，系统通频带为100 Hz～15 MHz，增益10～58 dB内9级可调，且放大器AGC功能的动态范围大于40 dB。此外，系统输入端采用MAX477接成同相放大电路，使得系统输入电阻达到MΩ数量级。后级AD811和分立元件搭建的功率放大电路，提高了系统带负载的能力。系统还采用多种抗干扰措施，有效保证放大器精度，并具有良好噪声和线性。
本文标题：增益可控射频放大器-程控高增益选频放大器设计报告 7361阅读| 精彩专题| 最新文章| 热门文章| 苏ICP备13036349号-1