本科毕业设计__宽带直流放大器的设计

宽带直流放大器的设计

电子信息工程专业学生：陈朝霞指导老师：许岳兵

摘要：本文以TI公司的压控放大器VCA810为核心，外加ADI公司的运算放大器AD8065作前级，采用ST公司的89C52单片机控制系统增益，通过按键实现对小信号放大增益±6dB步进可调，并通过1602液晶实时显示。系统主要由前级缓冲模块，程控放大模块，人机交换模块，显示模块组成。整个系统结构简单，性能稳定，操作简单可靠。

关键词：程控放大；VCA810；STC89C52

1 引言

宽带放大器在自动控制系统，电子测量技术，智能仪表等领域应用非常广泛。传统放大器由分立元件器搭建而成，且有的采用电容级间耦合方式，因此不具有直流放大能力，但在仪器仪表的应用中，也需要对直流信号或者偏置信号进行采集和还原，因此设计一款具有直流放大功能的宽带直流放大器是很有必要的。而宽带直流放大电路的发展中，为了满足电路的更高性能与控制的便捷性，准确性，程控宽带直流放大电路应时而生。本文就是对程控宽带直流放大器进行研究。

2 系统方案设计与论证

本文所设计的宽带直流放大器基本要求是3dB带宽为0Hz～6MHz；最大增益≥40dB（100倍），增益值6dB步进可调，并实时显示增益；最大输出电压有效值≥3V；负载电阻600Ω。根据设计功能要求，系统分为信号放大模块，控制模块和人机交换模块。

2.1方案比较与选择

方案一：采用分立元件构成，利用高频三极管或场效应管差分对构成多级放大电路，通过负反馈电路来确定增益。但电路比较复杂，且零点漂移严重，难以实现直流信号的放大。

方案二：采用集成运放芯片级联。集成运放芯片使用比较简单，但精度高，且集成运放具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻等优良性能。而对于实用的放大电路，通常要求其输入电阻大，输出电阻小，集成运放刚好能满足上述要求。

方案选定：比较上述的两种方案,决定采用方案二。

2.2系统方案描述

系统框图如图1所示，系统分为信号处理电路和控制电路两部分。信号处理电路主要由前级缓冲模块、可变增益放大模块组成。前级缓冲模块采用AD8065电压反馈型芯片。可变增益放大器采用可控增益放大器VCA810。系统通过STC89C52实现控制，通过STC89C52和按键控制DAC0832的输入数字量，并在LCD1602上实时显示该放大器的增益。

图1 系统框图

3 系统硬件电路设计与实现

为了实现放大器电压增益≥40dB（100倍），且放大器增益歩进可调，由于总增益比较大，为了更好的增益精度和带宽指标。因此整个系统使用多级放大器级联，且具有压控放大功能。

3.1单片机最小系统

本文以STC89C52单片机为整个系统控制部分的核心器件，最小系统主要由复位电路和时钟电路构成。单片机最小系统电路图如图2所示。

图2 单片机最小系统电路图

3.2前级放大电路

第一级芯片的选择对放大电路性能影响很大。前级以AD8065为核心，AD8065是一款具有高输入阻抗，低噪声、亚皮安级输入电流、精密失调、高速等特性的电压反馈型运算放大器。因此，特别适用作前置放大电路。前级采用了同相放大电路，有效的增大了输入阻抗。对于电压反馈型放大器，增益带宽积为一个常数。电压反馈型放大器的增益与带宽成反比，若将其用于高增益下，就会牺牲增益精度和带宽指标。为了保证放大电路的性能，增益不宜取太高，第一级放大电路放大倍数固定为20dB（10倍）。电路如图3所示。

+5V

图3 前级放大电路及仿真波形

3.3压控增益放大电路

可控增益放大电路如图4所示。本文选用TI公司的一款低噪声，高带宽，温度稳定性高，高共模抑制比的压控增益放大器VCA810。VCA810采用±5V电源供电，增益控制电压在0V到-2V时，输出增益为-40dB到+40dB。不变的增益带宽35MHz, dB/V增益线性度±0.3dB，增益控制带宽25MHz。VCA810控制电压与增益的函数关系式为：

G(dB) = –40× (V G + 1)dB (1) 因此，只要利用单片机向DAC0832送D IN，在OP07的输出端便可得到所需的控制电压V G，控制VCA810产生可调增益。从而实现VCA810增益-40dB～40dB可调的。

该D/A转换电路的核心器件是DAC0832芯片。DAC0832是8位D/A转换器，转换时间为

1µs,工作电压为+5V～+15V，基准电压为±10V。它主要由两个8位寄存器和一个8位的D/A转

换器组成。DAC0832以电流形式输出，当输出需要转换为电压时，可外接运算放大器。

3.4硬件抗干扰及提高可靠性措施

由于放大器具有很高的灵敏度，因此很容易接受外界和内部一些无规则的电信号的影响。解决电路的抗干扰问题主要应从两个方面考虑，一是提高系统本身的抗干扰能力；二是找出强干扰源，这主要是在现场调试中进行的。测试时应注意仪器的摆放，测试仪器（如示波器）的测试线尽量不要与电源线交叉，即使有交叉，也应尽量保持垂直。

低频自激振荡是由于放大器各级共用一个直流电源引起的。在系统的每一运放芯片的电源与地之间加有退耦电容，采用大容量电解电容旁边并联一只小电容的电路结构。高频自激振荡主要是由于安装、布线不合理引起的。输入回路的导线和输出回路，电源的导线要分开，不要平行铺设或捆扎在一起，以免相互感应；输入线和输出线不要靠得太近，以免产生正反馈。而对电路板的整体布局来说，元件之间排列应尽量紧凑，信号线尽量走短。并且电源线和地线不要布成环状，否则容易产生高频干扰。

4 系统软件的设计与调试

4.1系统主程序

本文在软件实现方面采用的是C语言，在一定程度上增强了程序的易理解性。系统软件主程序流程图如图5所示。上电后对DAC0832，LCD1602及相关变量进行初始化，然后通过扫描按键值相应地改变DAC0832输入数字量，从而控制压控放大器VCA810的放大衰减倍数，进而改变整个系统的增益并通过液晶实时显示，达到增益可程控可调的目的。4.2按键子程序

系统有两个按键，KEY1为系统增益步进6dB档位，KEY2相应的为-6dB档位。在进行按键程序编写时，运用了状态机和定标思想，先逐步增大DAC的输出值，利用示波器对实物进行观察并记录数据，最后在软件中建立数组，从而使整个系统的输出更为精确。按键子程序如图6所示。

图5主程序流程图图6 按键子程序流程图