程控放大器(ad603)

1、程控放大器(ad603) 本設(shè)計(jì)由三個(gè)模塊電路構(gòu)成:前級(jí)放大電路(帶AGC部分)、后級(jí)放大電路和單片機(jī)顯示與控制模塊。在前級(jí)放大電路中,用寬帶運(yùn)算放大器AD603兩級(jí)級(jí)聯(lián)放大輸入信號(hào),輸出放大一定倍數(shù)的電壓,經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路達(dá)到大于8V的有效值輸出。ADUC812的單片機(jī)顯示、控制和數(shù)據(jù)處理模塊除可以程控調(diào)節(jié)放大器的增益外,還可以實(shí)時(shí)顯示輸出電壓有效值。 本設(shè)計(jì)采用高級(jí)壓控增益器件,進(jìn)行合理的級(jí)聯(lián)和阻抗匹配,加入后級(jí)負(fù)反饋互補(bǔ)輸出級(jí),全面提高了增益帶寬積和輸出電壓幅度。應(yīng)用單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)增益進(jìn)行預(yù)置和控制,AGC穩(wěn)定性好,可控范圍大,完成了題目的所有基本和發(fā)揮要求。 方案論證與比較

2、 1.可控增益放大器部分 方案一 簡(jiǎn)單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實(shí)現(xiàn),圖1為分立元件放大器電路圖。為了滿(mǎn)足增益60dB的要求,可以采用多級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)。對(duì)電路輸出用二極管檢波產(chǎn)生反饋電壓調(diào)節(jié)前級(jí)電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益的調(diào)節(jié)。本方案由于大量采用分立元件,如三極管等,電路比較復(fù)雜,工作點(diǎn)難于調(diào)整,尤其增益的定量調(diào)節(jié)非常困難。此外,由于采用多級(jí)放大,電路穩(wěn)定性差,容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。 方案二 為了易于實(shí)現(xiàn)最大60dB增益的調(diào)節(jié),可以采用D/A芯片AD7520的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進(jìn)而控制電路增益。又考慮到AD7520是一種廉價(jià)型的10位D/A轉(zhuǎn)換芯片,其輸出Vout=Dn×Vref/2

3、10,其中Dn為10位數(shù)字量輸入的二進(jìn)制值,可滿(mǎn)足210=1024擋增益調(diào)節(jié),滿(mǎn)足題目的精度要求。它由CMOS電流開(kāi)關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線(xiàn)簡(jiǎn)化等特點(diǎn),故可以采用AD7520來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的程控衰減。但由于AD7520對(duì)輸入?yún)⒖茧妷篤ref有一定幅度要求,為使輸入信號(hào)在mVV每一數(shù)量級(jí)都有較精確的增益,最好使信號(hào)在到達(dá)AD7520前經(jīng)過(guò)一個(gè)適應(yīng)性的幅度放大調(diào)整,再通過(guò)AD7520衰減后進(jìn)行相應(yīng)的后級(jí)放大,并使前后級(jí)增益積為1024,與AD7520的衰減分母抵消,即可實(shí)現(xiàn)程控放大。但AD7520對(duì)輸入范圍有要求,具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜,而且轉(zhuǎn)化非線(xiàn)性誤差

4、大,帶寬只有幾kHz,不能滿(mǎn)足頻帶要求。 方案三 根據(jù)題目對(duì)放大電路的增益可控的要求,考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn),如運(yùn)放AD603。其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成,加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后,由固定增益放大器輸出,衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定;而這個(gè)參考電壓可通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制D/A芯片輸出控制電壓得來(lái),從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬,單級(jí)實(shí)際工作時(shí)可提供超過(guò)20dB的增益,兩級(jí)級(jí)聯(lián)后即可得到40dB以上的增益,通過(guò)后級(jí)放大器放大輸出,在高頻時(shí)也可提供超過(guò)60dB的增益。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高、條

5、理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。 2.后級(jí)固定增益部分 由兩片AD603級(jí)聯(lián)構(gòu)成的前級(jí)放大電路,對(duì)不同大小的輸入信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大。由于AD603的最大輸出電壓較小,不能滿(mǎn)足題目要求,所以前級(jí)放大信號(hào)需經(jīng)過(guò)后級(jí)放大達(dá)到更高的輸出有效值。 方案一 使用集成電路芯片。使用集成電路芯片電路簡(jiǎn)單、使用方便、性能穩(wěn)定、有詳細(xì)的文檔說(shuō)明?？墒穷}目要求輸出6V以上有效值,而在電子市場(chǎng)很難買(mǎi)到這樣的芯片,而我們買(mǎi)到的如AD811,HA-2539 等芯片,雖然輸出電壓幅度能滿(mǎn)足要求,但是很容易發(fā)生工作不穩(wěn)定的情況。 方案二 使用分立元件自行搭建后級(jí)放大器。使用分立元件設(shè)計(jì)困難,調(diào)試繁瑣,可是卻可以經(jīng)過(guò)

6、計(jì)算得到最合適的輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等參數(shù),電阻電容可根據(jù)需要更換,在此時(shí)看來(lái)較集成電路靈活。因此,我們決定自行設(shè)計(jì)后級(jí)放大器。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.總體設(shè)計(jì)思路 根據(jù)題目的要求,結(jié)合考慮過(guò)的各種方案,我們認(rèn)真取舍,充分利用模擬和數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn),發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),采用單片機(jī)預(yù)置和控制放大器增益的方法,大大提高了系統(tǒng)的精度和可控性;后級(jí)放大器使用由分立元件設(shè)計(jì)的推挽互補(bǔ)輸出放大器,提高了輸出電壓有效值。我們使信號(hào)都在單片機(jī)的數(shù)字算法控制下得到最合理的前級(jí)放大,使其放大倍數(shù)精確。圖2所示即為本系統(tǒng)原理框圖。 輸入信號(hào)通過(guò)前級(jí)可控增益放大,放大倍數(shù)由單片機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換提供的電壓控制。AD603的Vg(=

7、V1-V2)根據(jù)公式:增益GAIN=40×Vg+20(dB)來(lái)設(shè)定,而在AGC模式下,此控制電壓Vg是由AGC電路的反饋電壓得到,不受單片機(jī)控制。經(jīng)過(guò)前級(jí)放大后的信號(hào)最后經(jīng)過(guò)后級(jí)放大得到需要的輸出信號(hào),前級(jí)和后級(jí)增益的搭配,都是經(jīng)過(guò)精確的測(cè)量和計(jì)算的。輸出電壓經(jīng)峰值檢波電路得到,反饋到單片機(jī),經(jīng)運(yùn)算和線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)玫接行е?同時(shí)單片機(jī)推動(dòng)數(shù)碼管顯示出來(lái)。 2.主要電路原理分析 (1)直流穩(wěn)壓電源 本電源采用橋式全波整流、大電容濾波、三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法,產(chǎn)生各種直流電壓,如正負(fù)15V,正負(fù)5V等都可以買(mǎi)到相應(yīng)的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片,如LM7815、LM7805。而電子市場(chǎng)上沒(méi)有我們要

8、求的前級(jí)和后級(jí)放大器所需要的+10V和+30V固定輸出的三端穩(wěn)壓器件,所以我們采用LM317T可變輸出的穩(wěn)壓芯片,典型電路圖如圖3。 交流輸入經(jīng)過(guò)電容濾波后的穩(wěn)定的直流電送到三端穩(wěn)壓集成電路LM317T的Vin端。LM317T是這樣工作的:由Vin端給它提供工作電壓以后,它便可以保持其+Vout端比其ADJ端的電壓高1.25V。因此,我們只需用極小的電流來(lái)調(diào)整ADJ端的電壓,便可在+Vout端得到比較大的電流輸出,并且電壓比ADJ端高出恒定的1.25V。 在LM317T的ADJ端加一個(gè)接地的濾波電容,會(huì)使紋波抑制比大幅度地提高,給高頻小信號(hào)運(yùn)算放大器提供非常穩(wěn)定的電源。二極管的作用是當(dāng)有意外情

9、況使得LM317T的輸入電壓比輸出電壓還低的時(shí)候防止從輸入端上有電流倒灌入LM317T引起其損壞。其電源電路見(jiàn)本刊網(wǎng)站。 (2)前級(jí)放大器和AGC AD603為單通道、低噪聲、增益變化范圍連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器。帶寬90MHz時(shí)增益變化范圍為-11+3ldB;帶寬為9MHz時(shí)為951dB。增益變化范圍可分三種模式進(jìn)行控制:當(dāng) 5腳與7腳斷開(kāi)時(shí),增益變化范圍為951dB,當(dāng)5腳與7腳短接時(shí),增益變化范因?yàn)?11+3ldB,當(dāng)5腳與7腳之間接一電阻時(shí),可使增益變化范圍進(jìn)行平移。 AD603的簡(jiǎn)化原理框圖如圖4所示,它由無(wú)源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端

10、(VINP)的信號(hào)經(jīng)衰減后,由固定增益放大器輸出,衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整與其自身電壓值無(wú)關(guān),而僅與其差值Vg有關(guān),由于控制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達(dá)50M,因而輸入電流很小,致使片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響減小。以上特點(diǎn)很適合構(gòu)成程控增益放大器。為了增大控制范圍,我們采取兩級(jí)AD603級(jí)聯(lián)的方法,如圖5所示。 使用AD603制作前置放大器時(shí),主要考慮了共模干擾問(wèn)題。前置放大器采用單端輸入方式,這時(shí)要求運(yùn)算放大器的另一個(gè)輸入端與信號(hào)輸入端阻抗平衡,否則在相位相同的電磁干擾情況下,將產(chǎn)生共模信號(hào)輸出。 AD603輸入阻抗為100,低的輸入阻抗將帶

11、來(lái)如功率、阻抗匹配等若干問(wèn)題,因此我們?cè)谳斎肭凹?jí)用三極管搭設(shè)了射極跟隨器,用以提高輸入阻抗。根據(jù)公式:RinRe,我們?nèi)?150的高頻三極管,取Re=1k,使輸入阻抗大于150k。 有時(shí)由于接收環(huán)境的不同、外界干擾的影響,接收到信號(hào)的強(qiáng)弱可能變化很大。特別是傳輸圖像信號(hào)時(shí),由于頻帶寬、電磁干擾嚴(yán)重,不可能無(wú)畸變地遠(yuǎn)距離傳輸。當(dāng)信號(hào)較弱時(shí),圖像的對(duì)比度變小,清晰度差且同步不穩(wěn)定,無(wú)法成像;當(dāng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí),會(huì)使后級(jí)接收端放大器進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū),導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重失真,而且還會(huì)將同步脈沖切割掉,得不到良好的圖像。 為了較好地解決這個(gè)問(wèn)題,可使用自動(dòng)增益控制電路,即AGC電路。它取出放大器輸出的峰值作為增益

12、的控制電壓,使最終輸出的電壓信號(hào)保持在某一峰峰值之間,輸出較穩(wěn)定的視頻信號(hào)。 在圖5中,兩級(jí)AD603可構(gòu)成具有自動(dòng)增益控制的放大電路,圖中由2N3904和R7組成一個(gè)檢波器,用于檢測(cè)輸出信號(hào)幅度的變化。由C11形成自動(dòng)增益控制電壓Vagc,流進(jìn)電容C11的電流為2N3906和2N3904兩管的集電極電流之差,而且其大小隨第二級(jí)AD603輸出信號(hào)的幅度大小變化而變化,這使得加在兩級(jí)放大器1腳的自動(dòng)增益控制電壓Vagc隨輸出信號(hào)幅度變化而變化,從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)整放大器增益的目的。 為了去除50Hz工頻干擾和其它低頻干擾,我們?cè)趦杉?jí)AD603中作了巧妙的處理,級(jí)間加入的串聯(lián)電容可以與AD603的輸入

13、阻抗形成一個(gè)高通濾波器,轉(zhuǎn)折頻率為1/2RC,其中R為AD603的輸入阻抗100,C為典型的104磁片電容,得結(jié)果約15kHz,經(jīng)測(cè)試正好滿(mǎn)足衰減3dB起始點(diǎn)為10kHz,從20kHz開(kāi)始幅頻特性曲線(xiàn)平坦的要求。 (3)手動(dòng)增益預(yù)置和控制的實(shí)現(xiàn) 開(kāi)環(huán)增益手動(dòng)控制的基本思路是由單片機(jī)數(shù)字程控,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生控制輸出電壓,加到圖5中兩塊AD603的1腳來(lái)控制。我們本想利用ADUC812單片機(jī)自帶的D/A轉(zhuǎn)換功能,但經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)其D/A輸出很不穩(wěn)定,難以濾除,而控制電壓要求紋波非常小,否則就會(huì)給輸出信號(hào)帶來(lái)很大噪聲。故我們改變了設(shè)計(jì),考慮使用電阻網(wǎng)絡(luò)AD7520進(jìn)行控制,其原理如圖6所示。單片機(jī)通過(guò)

14、74LS373給AD7520賦值,電阻R0用于調(diào)節(jié)AD7520的參考電壓,從而由AMP1得到D/A結(jié)果,再由AMP2幅度搬移至前放所需的控制電壓-0.5+0.5V之間,提供給AD603。 (4)后級(jí)放大原理 圖7為后級(jí)放大電路圖,它是PSPICE 電路仿真時(shí)候的電路圖, 可見(jiàn)本電路是一個(gè)典型的單電源供電的對(duì)稱(chēng)互補(bǔ)電路。三極管選用的是B649A和D669A高頻孿生對(duì)管,T1、T2組成前置放大級(jí),T3、T4組成對(duì)稱(chēng)輸出級(jí)。在輸入信號(hào)為0時(shí),調(diào)整R1的阻值,可以供給三極管適當(dāng)?shù)钠?從而使R9和R10間的電位為Vcc/2。 靜態(tài)時(shí),通常輸出點(diǎn)電位為Vcc/2,為了保證電路工作點(diǎn)的穩(wěn)定性,我們使用R9

15、、R10和C5將輸出端和T1、T2輸入端相連,以引入負(fù)反饋。 晶體管的ft在很大程度上決定了放大器的帶寬。因?yàn)橛性簇?fù)載的頻率特性和噪聲特性較差,因此我們?cè)陔娐分胁捎秒娮枳鲐?fù)載。使用分立元件制作后級(jí)放大器時(shí),在指標(biāo)允許的情況下,我們盡量降低輸入阻抗,以減少空間輻射帶來(lái)的干擾。 (5)峰值檢波電路 圖8為峰值檢波電路。峰值檢波有兩種方案,第一種是使用AD637。 AD637真有效值檢測(cè)器將輸出的交流信號(hào)取樣回來(lái)轉(zhuǎn)換為直流,經(jīng)過(guò)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換后,顯示在數(shù)碼管上。輸入電壓不大的時(shí)候,AD637尚可正常工作;但是,當(dāng)輸出為最大到8V有效值的電壓時(shí),AD637工作將不正常,并且,隨著頻率的不同,AD6

16、37的工作狀態(tài)會(huì)有所不同,所以不宜使用。另一種方案是,取樣回來(lái)的輸出電壓經(jīng)過(guò)二極管和電容進(jìn)行峰值檢波,并經(jīng)過(guò)高精度運(yùn)算放大器進(jìn)行衰減和保持后輸入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示,這樣精度可以得到保證,不過(guò)會(huì)有一定的管壓降,使用檢波用肖特基二極管大概會(huì)有0.2V壓降,完全可以通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行顯示上的補(bǔ)償。 (6)單片機(jī)系統(tǒng) 單片機(jī)是整個(gè)放大器控制的核心部分,它主要完成以下功能:接收用戶(hù)按鍵信息以控制增益;接收峰值檢波電路的反饋電壓以計(jì)算有效值;對(duì)AD603的增益控制電壓進(jìn)行控制。程序流程圖如圖9所示。各個(gè)功能由不同的模塊實(shí)現(xiàn): 鍵盤(pán)檢測(cè)模塊 記錄用戶(hù)對(duì)鍵盤(pán)的操作,將設(shè)定的增益數(shù)值記錄下來(lái)。 控制

17、電壓模塊 根據(jù)用戶(hù)對(duì)增益的設(shè)置,查表得到對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的控制字串,輸出給D/A轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生精確的控制電壓。 有效值模塊 由于輸入輸出是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào),峰值檢波電壓值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Vmax=2Vrms計(jì)算,并經(jīng)過(guò)線(xiàn)性修正得到有效值,經(jīng)測(cè)試顯示誤差不超過(guò)0.5%。 顯示模塊 按用戶(hù)需要將預(yù)置增益值或者有效值顯現(xiàn)在數(shù)碼管上。 總 結(jié) 通過(guò)對(duì)輸入輸出、頻帶、增益、AGC等各方面的測(cè)試,我們得到了如附表所列的性能。 專(zhuān)家點(diǎn)評(píng):作品包括模擬和數(shù)字兩大部分,采用集成電路與分立元器件結(jié)合的方案,集中了各自?xún)?yōu)勢(shì),收到設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、實(shí)現(xiàn)較容易等效果。其中模擬前端由兩塊高性能集成寬帶、低噪聲可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603級(jí)聯(lián)而成,負(fù)責(zé)信號(hào)放大并與單片機(jī)電路配合實(shí)現(xiàn)了增益控制;后級(jí)功率輸出模塊采用分立元器件構(gòu)成,得到較高的輸出電壓范圍;系統(tǒng)控制模塊以ADUC812單片機(jī)為主,可完成增益設(shè)定、電壓有效值計(jì)算和相