VCA820可控增益放大器原理

1、VCA820可控增益放大器原理寬帶放大器在工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在測(cè)量與控制電路中，寬帶放大器是調(diào)理傳感器輸出信號(hào)的重要環(huán)節(jié)。傳感器輸出的電平信號(hào)通常不是規(guī)則的正弦信號(hào)，且輸出電壓范圍往往變化很大，這就需要后級(jí)放大器具有較高的頻帶寬度和靈活的電壓增益，因此，這里提出一種以壓控增益放大器 VCA822為核心的可編程寬帶放大器，可實(shí)現(xiàn)通頻帶為100 Hz15 MHz，放大器增益為1058 dB，6 dB步進(jìn)可調(diào)。該設(shè)計(jì)可通過(guò)矩陣式鍵盤(pán)設(shè)置放大器增益，液晶顯示器顯示輸出電壓，人機(jī)界面友好。1放大器設(shè)計(jì)及工作原理設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置增益，且具有AGC功能的寬帶放大器。放大器輸入端采用同相放大電路

2、進(jìn)行阻抗匹配，使輸入電阻達(dá)到 MQ數(shù)量級(jí)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為寬帶放大、峰值采樣、人機(jī)交互等3個(gè)模塊。寬帶放大模塊中電壓增益可預(yù)置的功能是由VCA822實(shí)現(xiàn)。VCA822 一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，最大工作頻帶寬度可達(dá)150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定?？刂齐妷旱妮敵鍪怯蓡纹瑱C(jī)運(yùn)算并控制D/ A轉(zhuǎn)換器而輸出的，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的數(shù)控。另外，放大器后級(jí)接入兩檔信號(hào)處理電路，一檔增益0 dB，另一檔為衰減檔，通過(guò)一個(gè)控制端口，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在這兩檔位之間選擇。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于條理清晰，控制方便，易于單片機(jī)處理。針對(duì)峰值采樣，采用數(shù)字檢波，即通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出的正弦

3、信號(hào)進(jìn)行采樣，判斷一定時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)字信號(hào)的最大值，該最大值即為該信號(hào)的峰值。而這種通用數(shù)字峰值檢波電路僅能在低頻段效果良好，針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求中的高頻信號(hào)，以及某些特定頻 率信號(hào)，將產(chǎn)生一定誤差。采用雙頻數(shù)字峰檢對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，這種方案可有效避免產(chǎn)生誤差。在上述兩模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn) AGC的功能。峰值檢波測(cè)得的電壓值反饋回單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)寬帶放大電路實(shí)現(xiàn)放大精確控制。通過(guò)這種方式可將輸出信號(hào)的峰值穩(wěn)定在4 . 8 V左右。該系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖I所示。圖t系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 2 . 1 VCA822 簡(jiǎn)介V/V線(xiàn)性變化，其基本增益該系統(tǒng)采用VCA822型寬帶壓控增益放大器。在控

4、制電壓的作用下，該器件可提供精確的增益，且按fiiit其中VC是控制電壓輸入。電壓基本增益為(V/ V)。利用單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)算可控制以dB為單位的對(duì)數(shù)增益。給 VCA822提供控制電壓的 D/ A轉(zhuǎn)換器為MAX541，其位數(shù)為16 bit，因而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)。鑒于VCA822優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制，因此選用該器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可變?cè)鲆?。圖2 VCA822外圍電路2 . 2系統(tǒng)增益分配放大器其他部分固定增益為34 dB，由中間級(jí)OPA699和后級(jí)功放共同提供。在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)VCA822的控制電壓范圍為-1I V,且該器件為±5V供電，輸出電壓峰峰值不能大于4V，否則輸出波

5、形失真。為了盡量提高輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)放大器增益可調(diào)，將VCA822設(shè)計(jì)為放大器前級(jí)，且增益的控制在024 dB可選，輸出信號(hào)接 OPA699構(gòu)成的同相放大。經(jīng)單片機(jī)控制，與后級(jí)兩個(gè)檔位選擇性級(jí)聯(lián)。兩檔位的增益分別為0 dB、-24 dB。從而能夠?qū)崿F(xiàn)最小增益10 dB，最大增益58 dB的9級(jí)可調(diào)。2 . 3放大電路前級(jí)輸入利用 MAX477設(shè)計(jì)射級(jí)跟隨器，使得輸入電阻趨近于無(wú)窮大，從而提高輸入阻抗。與VCA822通過(guò)電容耦合，其控制電壓由MAX54I輸出。由于MAX541的轉(zhuǎn)化范同為 OVref，故在D/ A轉(zhuǎn)換器輸出端增加一個(gè)減法器，輸出范圍為-I+1 V，MAX54I的參考電壓由

6、MAX6225提供。VCA822后級(jí)接入OPA699，OPA699為高增益、高擺率寬帶運(yùn)放。其工作帶寬可達(dá)到I 000 MHz，采用該器件設(shè)計(jì)增益G為12的放大器，完全滿(mǎn)足帶寬為15 MHz的要求。之后為通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的兩檔衰減電路，一檔衰減O dB，一檔衰減24 dB，由模擬開(kāi)關(guān) MAX333控制選通。最后利用電流型、高擺率的運(yùn)算放大器AD8I1和分立元件設(shè)計(jì)的后級(jí)推挽功放實(shí)現(xiàn)功率放大，放大倍數(shù)G為+4 ,并增大負(fù)載能力。電路實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。I ViOT- MU-RETA雹LCnrNiVCl：jt*綁IIKS*1- L1Ki；HzVrrfVCCAhi Al IVdl：TME

7、沁14. 7"和104 pF的電容進(jìn)行電源濾波,為了提高電路的穩(wěn)定性，此電路采用一系列的抗干擾措施。其中包括每片器件的供電部分采用 各級(jí)放大器間的信號(hào)輸入輸出采用屏蔽線(xiàn)進(jìn)行連接，數(shù)字地和模擬地之間采用電感隔離。2 . 4后級(jí)功率放大電路為了增加系統(tǒng)負(fù)載能力，考慮到運(yùn)算放大器 AD811自身負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的限制，這里選用AD 811配合高頻中小型功率對(duì)管 2N3904（NPN型）和2N3906（PNP型）（兩功率管特征頻率fT=300 MHz）搭建0CL功率放大器。前級(jí)由 AD811組成同相放大器，放大倍數(shù)為Av=1+Rf /R3;后級(jí)選用功率對(duì)管擴(kuò)流構(gòu)成甲乙類(lèi)功率推挽輸出形式提供負(fù)載驅(qū)

8、動(dòng)電流。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，輸出端接50 0負(fù)載時(shí)，無(wú)失真的最大輸出電壓峰對(duì)峰值達(dá)到18 V。電路原理圖如圖 4所示。AD811510Y1贏ITWXZh 7lOOIi «Ik£i4+ 7kO巖oLkfl2.2L1Vqi NPh8.PYP2, 2。-15 V圖斗功率放大電路2 . 5數(shù)字檢波本設(shè)計(jì)中的峰值檢波電路基于信號(hào)頻譜搬移理論，由于A/D轉(zhuǎn)換器在單一采樣率進(jìn)行采樣時(shí)會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)頻段，故以2個(gè)特殊頻率（雙頻）先后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣， 提取采樣結(jié)果中的最大值即可得到周期信號(hào)峰值。這種方法可兼顧高低頻， 適合應(yīng)用于該系統(tǒng)100 Hz15 MHz的情況。采用 A/ D轉(zhuǎn)換器MAXI97，利用

9、2個(gè)采樣率仁50 . 000 kHz，f2=50 .005 kHz互補(bǔ)采樣盲區(qū)，可得到良好采樣效果。設(shè)置A/D采樣率的方波信號(hào)由 FPGA提供。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思想。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，要對(duì)某一子控制器控制，只需調(diào)用相應(yīng)的控制模塊即可。模塊內(nèi)采用層次化設(shè)計(jì)，把底層的硬件接口處理編制為獨(dú)立底層子程序，并向上提供處理數(shù)據(jù)，且對(duì)上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分；最后，主程序只需調(diào)用相關(guān)的功能模塊就可方便構(gòu)建系統(tǒng)。本系統(tǒng)軟件部分主要由單片機(jī)組成，其中主要包括系統(tǒng)初始化、中斷的響應(yīng)和中斷的處理。該設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)以鍵盤(pán)的按鍵中斷為主線(xiàn)，通過(guò)讀入用戶(hù)輸入的鍵值，在相應(yīng)的中斷響應(yīng)

10、函數(shù)中與FPGA中對(duì)應(yīng)的控制模塊以總線(xiàn)的方式進(jìn)行及數(shù)據(jù)的交換，觸發(fā)FPGA內(nèi)相應(yīng)的控制時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和測(cè)量。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。f鍵曲掃描輸出惜號(hào) 峰值采樣說(shuō)置為AGCLCD顯示圖5系統(tǒng)軟件流程4數(shù)據(jù)測(cè)試該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號(hào)源、雙蹤示波器、仿真機(jī)、交流電壓表進(jìn)行測(cè)試。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值。測(cè)試結(jié)果表明，放大器的放大倍數(shù)在 1058 dB內(nèi)9級(jí)可調(diào)，-3 dB點(diǎn)為100 Hz15 MHz，且放大效果穩(wěn)定。對(duì)于放大器的 AGC 功能，將輸入信號(hào)頻率固定，改變電壓大小，輸入信號(hào)峰值為9 mV1 V時(shí)，可將輸出信號(hào)穩(wěn)定在峰值為4. 55 V的電壓范同內(nèi)，故AGC動(dòng)態(tài)范圍大于40 dB。預(yù)置放大器放大倍數(shù) 58 dB時(shí)，輸入端接地，輸出噪聲電壓小于10 mV。5結(jié)論該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以 VCA822為核心的可控增益寬帶放大器。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)通頻