儀放及VGA可控增益電路設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、華中科技大學(xué)啟明學(xué)院電工電子科技創(chuàng)新中心文檔名稱文檔資源編號(hào)儀放及VGA可控增益放大設(shè)計(jì)說(shuō)明書文檔版本012.0儀放及VGA可控增益放大設(shè)計(jì)說(shuō)明書擬制:賴癸仲周汪磊日期：2015-05-09審核:賴癸仲周汪磊日期：2015-05-10文檔版權(quán)聲明本文檔版權(quán)歸華中科技大學(xué)電工電子科技創(chuàng)新中心網(wǎng)站所有，未經(jīng)本網(wǎng)站授權(quán)不得向任何其它企業(yè)、網(wǎng)站、論壇或個(gè)人上傳、拷貝或其它方式傳播本文檔內(nèi)容。修訂記錄日期修訂版本修改描述 作者2015-05-091.0報(bào)告初稿周汪磊,賴癸仲2015-05-102.0附錄補(bǔ)充周汪磊,賴癸仲目 錄目錄1.方案設(shè)計(jì)51.1總體方案系統(tǒng)框圖51.2儀表放大器的選擇51.3 AG

2、C設(shè)計(jì)選擇62.理論分析與計(jì)算62.1.儀表放大器的相應(yīng)計(jì)算62.2 VGA的電路設(shè)計(jì)73.硬件電路設(shè)計(jì)73.1.儀表放大器的電路設(shè)計(jì)73.2 VGA程控放大電路83.3自動(dòng)增益控制AGC的電路設(shè)計(jì)94.軟件設(shè)計(jì)分析104.1軟件流程及框圖105. 系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)115.1.測(cè)試方案111）測(cè)試環(huán)境112）測(cè)試方案：115.2.測(cè)試用例及結(jié)果115.3.總結(jié)12關(guān)鍵詞：INA128,VGA,VCA摘 要：本次系統(tǒng)分為倆個(gè)部分分別為儀放和VGA板的焊接使。其中儀放使用INA128為核心完成放大，VGA及AGC以VCA810為核心完成放大，VGA增益放大通過(guò)程序控制鍵盤調(diào)節(jié)，AGC采用分立元件產(chǎn)生

3、增益控制電壓。測(cè)試表明本系統(tǒng)各功能均已達(dá)到或超出了題目要求。1. 方案設(shè)計(jì)1.1總體方案系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)分為兩部分，一部分為儀表放大器的設(shè)計(jì)，一部分為可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框圖分別如圖一圖二所示。圖一儀表放大器設(shè)計(jì)圖二可變?cè)鲆娣糯笃鰽GC的設(shè)計(jì)1.2儀表放大器的選擇題目所給要求儀放增益400倍，輸出峰峰值10V條件下3dB帶寬不小于10kHz，且儀放共模抑制比優(yōu)于60dB，為了滿足題目要求，本系統(tǒng)選擇常用的INA128，該芯片在增益1000倍的情況下3dB帶寬不小于20KHz，共模抑制比可達(dá)120dB以上，完全符合題目要求，而另一款備選芯片INA118在增益1000倍情況下3dB帶寬為

4、7KHz，與題目400倍3dB帶寬10KHz的要求相近，很可能不滿足要求故而不選用INA118而選用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出題目要求的INA128。1.3 AGC設(shè)計(jì)選擇為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制AGC，我們思考了以下兩種方案方案一：采用與VGA程控放大相同的思路通過(guò)程序檢測(cè)輸入信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)控制信號(hào)使輸出保持穩(wěn)定，這樣的方案硬件電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是對(duì)單片機(jī)運(yùn)算要求高。方案二：采用分立元件產(chǎn)生增益控制電壓達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的，這種方案不需要程序控制，但是硬件電路相對(duì)更為復(fù)雜?？紤]到題目要求輸入峰峰值突變后能在0.5秒內(nèi)，穩(wěn)定輸出峰峰值到1V±0.1V。0.5秒的反應(yīng)時(shí)間，考慮到一般運(yùn)放的壓擺率，分

5、立元件產(chǎn)生增益控制能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出題目要求。而通過(guò)程序控制信號(hào)來(lái)根據(jù)輸入改變信號(hào)的方案，由于涉及對(duì)數(shù)運(yùn)算，0.5秒對(duì)單片機(jī)而言很可能不夠故而最終本系統(tǒng)選擇分立元件產(chǎn)生增益控制電壓的方法。2. 理論分析與計(jì)算2.1. 儀表放大器的相應(yīng)計(jì)算根據(jù)題目要求，儀表放大器儀放增益400倍，輸出峰峰值10V故而輸入的信號(hào)為峰峰值0.025V的信號(hào)。為了產(chǎn)生該信號(hào)采用電阻分壓的方式從峰峰值12.5V的信號(hào)源采集相應(yīng)電阻比為1：500，即采用1M和2K的分壓電路。而對(duì)于400倍的增益產(chǎn)生根據(jù)，可以得出。對(duì)于共模抑制比CMRR有，直接在電路輸入添加共模電壓測(cè)量其最后輸出差模電壓增益與共模電壓增益的比值。2.2 VGA的

6、電路設(shè)計(jì)本次VGA設(shè)計(jì)電路電路增益在 30dB內(nèi)調(diào)節(jié)，且信號(hào)最大頻率為5MHz，芯片VCA810的Vc引腳電壓在-2V0V時(shí)，增益范圍-40dB40dB，其增益控制帶寬為25MHz，且其帶寬和壓擺率不隨增益變化而改變，完全能滿足所需的技術(shù)指標(biāo)，所以選用增益可調(diào)控的芯片VCA810；由VCA810芯片有可知當(dāng)，G=-30dB，G=30dB。在此范圍內(nèi)增益隨電壓的變化線性變化。又最大輸出峰峰值2V，此時(shí)增益為30dB故信號(hào)輸入端峰峰值V，設(shè)計(jì)輸入端電阻分壓50倍，即有峰峰值3.16V的信號(hào)輸入。對(duì)于Vc端的DA輸出，由于DA的帶負(fù)載能力不強(qiáng)故而可以選用電壓跟隨器來(lái)保證，此外，Vc端電壓輸入要求為負(fù)

7、電壓，而DA輸出為正電壓，故而需要一個(gè)反相器。3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1. 儀表放大器的電路設(shè)計(jì)儀表放大器部分相對(duì)較為簡(jiǎn)單，對(duì)于增益500倍的電路如下圖三所示：圖三儀表放大電路利用跳線對(duì)電路進(jìn)行小改動(dòng)即可完成對(duì)共模抑制比的測(cè)量，具體電路如圖四所示：圖四儀放共模抑制比的測(cè)量3.2 VGA程控放大電路由2.2理論分析可知，電路由VCA810的應(yīng)用電路與對(duì)程序輸出DA處理電路兩部分組成。DA的處理先通過(guò)反相器再通過(guò)電壓跟隨器最后進(jìn)入VC810的端，具體電路如圖五：圖五VGA程控放大電路其中主要注意的還是對(duì)VCA810的輸入電源的電容濾波，為了保證電壓的穩(wěn)定同時(shí)并聯(lián)一個(gè)大電容與小電容。3.3自動(dòng)增益控制

8、AGC的電路設(shè)計(jì)AGC的電路設(shè)計(jì)主要由可變?cè)鲆娣糯笃骱蜋z波整流控制反饋兩部分組成，由題目要求輸入50Hz5MHz的交流信號(hào)峰峰值2mV2V，而VCA810的增益帶寬為25MHz完全能滿足題目要求，因此仍選用VCA810作為可變?cè)鲆娣糯蟛糠蛛娐?，由?MHz頻率較高，因而接入了50電阻進(jìn)行阻抗匹配。對(duì)于檢波整流控制反饋部分，由于對(duì)于VCA810，Vc電壓與增益成反比，而電容維持vc電壓，電壓超過(guò)vbe時(shí)三極管導(dǎo)通，電容充電增益減小，電壓小于vbe時(shí)，三極管截止，電容放電，電壓下降，增益增大。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。為了確保輸出電壓的負(fù)載，同樣的我們?cè)谳敵龆私尤肓艘粋€(gè)電壓跟隨器，具體電路圖如圖六所示

9、： 圖六自動(dòng)增益控制AGC電路設(shè)計(jì)4. 軟件設(shè)計(jì)分析4.1軟件流程及框圖軟件設(shè)計(jì)的總體流程框圖如圖七圖七軟件設(shè)計(jì)總體框圖 本次VGA程控放大通過(guò)按鍵輸入增益值或步進(jìn)調(diào)節(jié)增益值，LCD液晶屏顯示相應(yīng)的dB值，通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)化后將相應(yīng)的dB值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的Vc值并對(duì)其作DA轉(zhuǎn)化輸出。5. 系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)5.1.測(cè)試方案1）測(cè)試環(huán)境測(cè)試在正常室內(nèi)環(huán)境下，具體測(cè)試儀器如表一表一 測(cè)試儀器名稱型號(hào)數(shù)量示波器TektronixDPO 2012b數(shù)字示波器1函數(shù)信號(hào)發(fā)生器EE1420型DDS合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1直流穩(wěn)壓電源DF1731SL1ATA 穩(wěn)壓源12）測(cè)試方案：用直流穩(wěn)壓電源對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行供電，輸入函數(shù)信號(hào)

10、發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，用示波器分別測(cè)量?jī)x放的放大倍數(shù)，共模信號(hào)增益，差模信號(hào)增益。用示波器測(cè)量VGA實(shí)時(shí)輸入輸出增益。5.2.測(cè)試用例及結(jié)果1） 儀表放大器放大倍數(shù)測(cè)試：表二儀表放大器放大倍數(shù)測(cè)試分壓后輸入信號(hào)輸出理論輸出偏差頻率5000Hz5001Hz5000Hz0.02%幅值0.025V9.96V10V0.4%2） 儀表放大器共模抑制比的測(cè)量表三儀表放大器共模抑制比的測(cè)量共模輸入共模輸出差分放大倍數(shù)共模抑制比12v0.048V4001003） VGA程控增益的測(cè)量表四VGA程控增益的測(cè)量輸入信號(hào)/v輸出信號(hào)/v程控顯示增益/dB實(shí)際測(cè)試增益/dB誤差0.0632.02V30dB30.10dB0.1dB0.0631.61V28dB28.14dB0.14dB0.0631.28V26dB26.16dB0.16dB4） AGC自動(dòng)增益控制的測(cè)量表五AGC處理后輸出信號(hào)測(cè)試輸入信號(hào)頻率輸入信號(hào)幅值輸出信號(hào)幅值觀察到穩(wěn)定波形時(shí)間800Hz300mV1.01V遠(yuǎn)小于0.5秒2MHz1.00V1.03V遠(yuǎn)小于0.5秒2000Hz30mV0.99V遠(yuǎn)