可控射頻放大器設(shè)計報告畢業(yè)設(shè)計論文

PAGE1PAGE12增益可控射頻放大器（D題）【參賽隊編號】增益可控射頻放大器（D題）摘要:本作品以壓控增益放大器VCA821為核心，外加運放OPA847、THS3091配合，放大器的電壓增益從12dB到40dB以4dB為步長設(shè)定，控制誤差不大于2dB實現(xiàn)了輸出振幅可調(diào)的增益可控放大器。系統(tǒng)主要由四個模塊組成：前置放大電路、中間級程控放大電路、后級放大電路和電源模塊。在前級放大模塊中，用電壓反饋型放大器OPA847進(jìn)行固定增益放大，同時進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制；中間級采用VCA821進(jìn)行程控增益控制，以實現(xiàn)高增益、寬帶寬和增益可變的平衡；后級利用反饋型放大器THS3091進(jìn)行放大；電源模塊完成對各級電路的供電。經(jīng)檢驗，本方案完成了全部基本功能和部分拓展功能。關(guān)鍵詞：射頻放大器增益可控VCA821OPA847THS30911設(shè)計目標(biāo)（1）放大器的電壓增益Av≥40dB，輸入電壓有效值Vi≤20mV，其輸入阻抗、輸出阻抗均為50，負(fù)載電阻50，且輸出電壓有效值Vo≥2V，波形無明顯失真；（2）在75MHz～108MHz頻率范圍內(nèi)增益波動不大于2dB；（3）－3dB的通頻帶不窄于60MHz～130MHz，即fL≤60MHz、fH≥130MHz；（4）實現(xiàn)AV增益步進(jìn)控制，增益控制范圍為12dB～40dB，增益控制步長為4dB，增益絕對誤差不大于2dB，并能顯示設(shè)定的增益值。2系統(tǒng)論證與比較2.1系統(tǒng)基本方案本系統(tǒng)主要由前級放大模塊模塊、中間級程控放大模塊、后級放大模塊、電源模塊組成，實現(xiàn)了增益可控的射頻放大，系統(tǒng)框圖如圖一所示。 信號輸出后級放大程控放大信號輸入信號輸出后級放大程控放大信號輸入前級放大前級放大DA轉(zhuǎn)換DA轉(zhuǎn)換電源供電液晶顯示STM32按鍵電源供電液晶顯示STM32按鍵圖一系統(tǒng)總體框圖（2）前級放大模塊的論證與選擇方案一：采用TI公司提供的OPA820ID芯片，采用反相輸入比例運算放大電路，提高放大倍數(shù)。方案二：采用OPA847芯片，具有超低輸入電壓電流噪聲，超高增益帶寬積，能夠有效的抑制噪聲，在放大10倍的情況下，具有3.9GHZ的增益帶寬積。綜合比較，由于方案一設(shè)計簡單，但容易產(chǎn)生自激振蕩，電路穩(wěn)定性差。而OPA847具有0.85nv/Hz噪聲電壓，同時具有3.9GHZ的增益帶寬積，適合高倍數(shù)的放大，更適合題目要求，故選擇方案二。（3）中間級程控放大模塊的論證與選擇方案一：固定增益與電阻網(wǎng)絡(luò)衰減。通過前級放大電路進(jìn)行固定增益放大，后級由電阻網(wǎng)絡(luò)衰減，如電位器，實現(xiàn)0~40dB范圍內(nèi)增益可調(diào)。方案二：為了易于實現(xiàn)增益范圍0~52dB的調(diào)節(jié)，可以采用高速乘法器型D/A實現(xiàn)，比如AD7420。利用D/A轉(zhuǎn)換器的VRef作信號的輸入端，D/A的輸出端做輸出。用D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端控制傳輸衰減實現(xiàn)增益控制。方案三：使用寬帶程控集成放大器，利用VCA821進(jìn)行程控放大，VCA821在增益為10dB時帶寬可達(dá)到710MHz,控制電壓在0V~2V。方案一中由于大量分立元件的引入，使得電路復(fù)雜且穩(wěn)定性差。方案二雖然簡單易行，精確度高，但查閱相關(guān)資料可知：轉(zhuǎn)化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz，而且當(dāng)信號頻率較高時，系統(tǒng)容易發(fā)生自激，因此未選此方案，方案三在增大可調(diào)范圍的同時，為了保證中間級有足夠大的帶寬，穩(wěn)定性好。綜合以上三種方案，，故選擇方案三。（4）后級放大模塊的論證與選擇方案一：利用電流反饋放大電路THS3901作為后級放大帶動負(fù)載，THS3901為電流反饋放大電路，沒有嚴(yán)格的帶寬增益積適合高頻設(shè)計，其優(yōu)點是輸出電壓大。方案二：選用電流反饋型放大器OPA693作為后級放大器，是目前最快的正負(fù)5V固定增益放大器，高達(dá)700MHz的帶寬。綜合考慮上述兩種方案，都能滿足帶寬要求，但因單電源供電電路較為簡單，減小放大倍數(shù)可以提高輸出電壓的品質(zhì)，減小噪聲，故采用方案一。2系統(tǒng)硬件設(shè)計及相關(guān)分析計算2.1增益帶寬積的分析帶寬和增益存在一定關(guān)系：直流到由反饋回路決定得主極點Ｆｃ之間，帶寬增益積恒定，在該頻率以上，如果頻率升高一倍增益就會降低一半，運算放大器的3db寬頻率就是Fc放大器帶寬增益積BW*Au=C常數(shù)，所以設(shè)計電路時進(jìn)行折衷選擇。題目要求通頻帶范圍為20HZ-5MHZ,增益大于等于40dB，即Gain>=100V,故考慮多級放大器級聯(lián)。假設(shè)放大電路的高頻響應(yīng)用下面單極點函數(shù)表示：帶寬增益積（GBP）是衡量放大器性能的一個重要參數(shù)。電壓反饋型運放A()=/(1+/);(2--1)式中為放大器的中頻增益，w為角頻率，為上限角頻率，當(dāng)引入正反饋并假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)與頻率無關(guān)的實數(shù)B時，則有：()=A()/[1+BA()];(2--2)將式（2--1）代入式（2--2）中得=(2--3)由此，反饋中頻增益為Am=Am/(1+AmB),上限角頻率為Whf=Wh(1+AmB)這說明引入負(fù)反饋后，放大電路的上限頻率擴(kuò)展了擴(kuò)展程度與反饋深度F有關(guān)。對本系統(tǒng)直流放大器，放大器下限角頻率為零赫茲，所以無饋時放大器通頻帶為BW=接入正反饋后，放大器通頻帶為B==(1+B)B(2--4)式（2—4）表明：引入負(fù)反饋后放大器通頻帶擴(kuò)展到無反饋時的（1+AmB）倍。而且?guī)捲鲆娣e為一常數(shù)。改善系統(tǒng)幅頻特性不僅考慮帶寬增益積就足夠，還有其他因素的考慮，如運放的擺率，驅(qū)動負(fù)載的能力小信號的放大后輸出信號的質(zhì)量等。3電路與程序設(shè)計3.1前級放大電路第一級的作用主要是進(jìn)行阻抗匹配和噪聲抑制，所以信號輸入端加了50Ω電阻接地進(jìn)行匹配，并且使用屏蔽線連接信號源，從而達(dá)到阻抗匹配和抑制噪聲的作用。而電路本身又必須具有高信噪比，并盡量減少噪聲的帶入，尤其是電源方面，除了采用在總電源入口端用大電容進(jìn)行濾波之外，還可以在芯片的電源入口處加10UF的電容進(jìn)行濾波。并且PCB布局和布線時，信號源盡量遠(yuǎn)離電源地。圖二為OPA847的前級放大電路圖：圖二OPA847的前級放大電路圖3.2中間級程控放大電路中間級采用兩級串聯(lián)的VCA821，它在放大20dB時的帶寬仍可以達(dá)到320MHz，滿足題目要求，其有多種配置方式，不同的配置方式隨著最大增益的提高，帶寬會下降，綜合考慮題目的要求和需要，本設(shè)計將其配置成最大增益20dB的模式，從而使其帶寬達(dá)到260MHZ以上，增益在0-52dB之間可調(diào)。圖三為VCA821程控電路圖。圖三VCA824程控電路圖3.3后級放大電路后級采用THS3091，提供了一個易于使用的寬帶，固定增益緩沖放大器，電路帶寬受增益影響較小，可以在放大的同時滿足帶寬要求，其帶寬主要受反饋電阻的影響，考慮到電路的噪聲和及供電，我們采用正負(fù)5V對其供電，使THS3091的通頻帶較高。圖五為THS3091的后級放大電路：圖四OPA693的后級放大電路3.4電源電路設(shè)計穩(wěn)壓電源采用通過變壓器、7812芯片7805芯片，將220V轉(zhuǎn)化為正12V和正負(fù)5V直流電源，給各級電路供電。3.5軟件流程圖及程序開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化按鍵掃描按鍵掃描AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換液晶顯示液晶顯示結(jié)束結(jié)束4電路測試與調(diào)試結(jié)果4.1硬件軟件聯(lián)調(diào)全部連加起來后，通過按鍵來控制步進(jìn)增益，同時連接示波器以及信號發(fā)生器，觀察顯示波形及幅值。4.2測試條件與儀器測試使用的儀器設(shè)備如表1所示。表1測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1DF1731SL1ATA型直流穩(wěn)壓電源1無2SDS1202DL數(shù)字存儲示波器1300MHz3F120型函數(shù)發(fā)生器1無4UNI-TUT805A數(shù)字萬用表1無4.3測試結(jié)果及分析測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）如表2-表9所示：（1）基本要求表2輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益表3增益波動值輸入頻率波動值表4-3dB的通頻帶寬通頻帶寬表5增益步進(jìn)控制增益步長絕對誤差(2)發(fā)揮部分表6輸出電壓增益值輸入電壓有效值輸出電壓有效值電壓增益表7增益波動值輸入頻率波動值表8-3dB的通頻帶寬通頻帶寬表9電壓增益輸入電壓增益輸出電壓增益4.4系統(tǒng)實現(xiàn)的功能整機測試指標(biāo)完全達(dá)到題目要求，具體見表10。因受競賽場地、實際環(huán)境等條件影響，各參數(shù)測試會因外界影響而略有誤差。表10系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

功能實現(xiàn)情況實際性能

基本要求發(fā)揮部分其它

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附錄：附錄1：電路原理圖附錄2：源程序基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進(jìn)電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)基于單片機的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)單片機嵌入式以太網(wǎng)防盜報警系統(tǒng)基于51單片機的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)單片機監(jiān)測系統(tǒng)在擠壓機上的應(yīng)用MSP430單片機在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)與應(yīng)用單片機在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計基于MSP430單片機具有數(shù)據(jù)存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計的設(shè)計基于單片機的氨分解率檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)鍋爐的單片機控制系統(tǒng)基于單片機控制的電磁振動式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計基于單片機技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測試儀的研制HYPERLINK"/detail.htm?388