通用可变增益放大器

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加密号：

学校编号：NEFU-B-001

学校名称：东北林业大学

队员姓名：姚金龙连建君谭婷

赛点负责人：

教务处章：

2008年8月17日

通用可变增益放大器（B题）

摘要

本着简单、准确、可靠、通用的原则，采用了分级设计匹配互连的思想。本放大器系统分为前级放大部分、增益放大与控制电路部分、档位控制部分、后级稳压输出部分四部分。全系统采用单一的模拟电路方式，通过前级放大部分获得所需输入电压、输入阻抗等重要参数；通过拨码开关连接的反馈电阻进行精密全局控制，获得20dB至40dB之间分辨力不低于0.1%的可变增益范围；通过档位控制部分电路实现四个档位增益值转换，在衰减电路的作用下得到三个档位的增益值，即—20dB至0、0至20dB、20dB至40dB；最后通过后级稳压输出部分获得输出幅度不低于±8V的输出电压，此部分电路包括抑制零点漂移的调零电路。通过验证，本系统可以对输出电压数值的漂移，零点漂移等不良影响进行有效地抑制和降低。通过全面的调试和测量，使得本系统基本满足题目的基本部分和发挥部分的要求并融入了自己的创新思想，设计出了一个可控范围大、输出幅度高、稳定性好、抗干扰能力强、幅频特性好的通用可变增益放大器。

目录

摘要 (2)

目录 (3)

一、方案论证与比较 (4)

1、前级放大部分 (4)

2、增益放大与衰减控制电路 (4)

3、后级电压输出 (5)

二、系统设计 (5)

1、总体设计思路 (5)

2、主要电路原理分析与计算 (6)

2．1、前级放大电路 (6)

2．2、增益放大与控制电路 (6)

2．3、档位控制电路 (7)

2．4、电压输出电路 (7)

三、系统测试方法与测试数据 (8)

1、测试仪器 (8)

2、测试方法与测试数据 (8)

2．1、测前级放大电路 (8)

2．2、测增益放大与控制电路 (8)

2．3、各级电路调节好后，进行测量和详细记录 (8)

3、测试结果分析 (9)

3．1、测试结果分析 (9)

3．2、误差分析 (9)

3．3、测试心得 (10)

四、总结 (10)

一、方案论证与比较

1、前级放大部分

方案一：采用分立元件实现。此方案成本低，元器件易于得到，但是设计、调试难度过大，硬件电路连接与制作困难，在大赛规定的时间内很难保证作品的可靠性和指标，因此不予采用。

方案二：采用集成运放设计。此方案用可编程放大器芯片级联而成，电路简单，调试容易，指标和可靠性容易保证，因为OP37的幅频特性差，当放大倍数大于3时波形失真严重，THS3001的输入阻抗过低，经过多方面特性和通用性的比较与实际检测，选用高速宽带集成芯片OPA637可以满足此次放大器的设计要求，因此采用此方案。

2、增益放大与衰减控制电路

方案一：采用可编程放大器实现。此方案用单片机控制继电器，继电器控制相应的反馈电阻，四个档位，分辨力不低于0.1%，这对于单片机编程控制要求很高，而目前的编程能力

二进制的方式将十个电阻进行组合接入电路，得到在10—100内分辨力为0.1%的放大倍数，因为各个档位之间是十倍的对应关系，所以将放大器芯片输出的信号接衰减电路，用拨码开关接通相应的衰减电阻，得到四个档位的增益变化，同时接有调零电路，很好的抑制了零点

信号输入

输入阻抗

变换电路

过压

保护

增益放大

与控制电路

十倍增益

放大电路

档位控

制电路

调零

电路

电压输

出电路

负载

图—3 系统总体框图

根据题目的要求，结合考虑过的各种方案，充分发挥其优势，采用拨码开关预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性；系统前端增益放大部分需设一级

OPA637程控增益放大器，实现输入阻抗变换和增益放大，同时接入了过压保护电路；根据增益步进的要求，需要采用拨码开关按照二进制方式控制增益值，再通过衰减电路获得三个档位增益，根据输出电压幅度和输出阻抗的要求，后级电压输出采用AD817连成电压跟随器的方式，于是系统总体设计方案如图—3所示。

输入信号通过转换开关获得大于10MΩ或50Ω的输入阻抗，并连接过压保护功能电

路作为负载)。电路图如图—5所示。

D

1、测试仪器

仪器名称型号规格

双踪示波器TDS2002/60MHz/1GS/s 标准高频信号发生器QF1055A

直流信号源EM1715

万用表MY-65

2、测试方法与测试数据

2．1、测前级放大电路。在直流电压下调节反馈电路中的电位器，使放大倍数为10。

2．2、测增益放大与控制电路。通过设置拨码开关，调节负载电阻串联的电位器，使负载阻值尽可能等于理论值。同理，调节衰减电路中的电位器。

2．3、各级电路调节好后，进行测量和详细记录。具体数据如表—2和表—3所示。

信号输入输出范围。采用直流信号作为输入，将电压由0逐渐

增大输入信号幅度Ui=0~8 输出信号幅度Uo=10

增益线性度

直流信号每一档位采用5点测试

Ui=2V

G=0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Uo=

Ui=0.2V 线性度0.9%

G=2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

Uo=0.409 0.812 1.210 1.601 1.981 Ui=0.2V 线性度1%

G=20 40 60 80 100

Uo=0.430 0.808 1.208 1.668 2.020

信号带宽，输入正弦波信号Vp=20mV，放大100倍Fin=200kHz Uo1=2.76V

幅度波动1.156% Fin=400kHz Uo2=2.76V

Fin=600kHz Uo3=2.76V

Fin=800kHz Uo4=2.76V

Fin=1MHz Uo5=2.80V

零点误差输入短路，G=100 Uo=0.001V

增益变化范围直流信号输入增益设定范围0~100 增益分辨力1%

输入输出阻抗有无过压保护输入阻抗Rin>=10MΩ有输入阻抗Rin=50Ω有输出阻抗Rout=0Ω有输出阻抗Rout=50Ω有有无过压保护有

信号输入输出范围，采用直流信号输入，将输入电压逐

渐升高

输入信号幅度Ui=8 输出信号幅度Uo=10

增益变化范围增益设定范围0—100 分辨力0.1%

波形失真度测试，共测试四

个频点Fin=1MHz D1=1.80% Fin=4MHz D2=1.95% Fin=7MHz D3=2.1%

电路成本、工艺本电路采用小型玻璃盒双层组装，工艺制作巧妙简单，而且元器

件数量少，价格低廉

特色与创新本电路完全采用模拟电路的形式，运用数字电路的思想达到所要

求的增益范围

3、测试结果分析

3．1测试结果分析

增益：—20dB ~ 40dB（分辨力为0.1%）；

通频带宽：0 ~ 7MHz

3．2误差分析

由于人为读数存在误差，测量仪器不精准、周围环境如磁场、温度等一系列因素的影响，测量的数据并不能理想的达到理论计算值，但是我们通过多次测量取平均值把误差降低到最小，整个电路系统由手工制作完成，无法实现严格的阻抗匹配，布线无法避免线路之间