自动增益控制放大器

吉首大学信息科学与工程学院

课程设计报告书

课程单片机课程设计

课题：自动增益控制放大器

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指导教师：

基地指导教师：

2014 年11 月

一、项目介绍与设计目的

（1）此为2014年湖南电子设计大赛C题的设计报告，要求为：

一、基础部分

1、输入一个电压为0.01-0.03V的直流电压（峰值），要求输出电压为10V（峰值）

2、输入一个电压为0.1V的直流电压（峰值），要求输出电压为10V（峰值）

3、输入一个电压为10V的直流电压（峰值），要求输出电压为10V（峰值）

二、提高部分

1、输入一个电压为0.01-0.03V的交流电压（峰值），要求输出电压为10V（峰值）

2、输入一个电压为0.1V的交流电压（峰值），要求输出电压为10V（峰值）

3、输入一个电压为10V的交流电压（峰值），要求输出电压为10V（峰值）

（2）目的在于培养我们的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文精神和理论联系实际的学风；有助于我们工程实践素质的培养、提高我们针对实际问题进行电子设计制作的能力。

二、设计方案

1．项目环境要求

基于MSP430单片机

2．项目功能模块

1、放大电路：

考虑到负载电阻为10Ω，输出值要等于10V，所以电压仍需放大，第1部分为输入缓冲和固定增益放大模块，运放搭建电压跟随器作为输入缓冲，同时提高输入阻抗，固定增益放大部分将输入的微弱信号放大到适合后级处理的电压范围，前级放大将小信号放大50倍。VCA810增益控制电路增益后达不到所需要求，所以在后又加了一个放大电路图一为前级放大电路，图二为后级放大电路

图一

图二

2、压控增益电路

可控增益调节部分我们使用压控增益放大器 VCA810，VCA810 在宽频带工作模式下，增益控制范围为-40dB～+40dB ，且控制电压与增益dB 数成线性关系，满足设计要求。其中 1 脚为了匹配输入阻抗并接了50Ω的电阻，8 脚接25Ω的偏置电阻，其中 5 脚接 500Ω的负载电阻.......如图所示。

3．设计内容

一、总体设计思想。

根据要求，总体电路可由三个电路构成：1.前级放大电路；2.自动增益电路；3.后级放大电路。

前级放大自动增益后级放大

1、放大电路

方案一：选择运放LM324，LM324是四运放集成电路，正负电源供电，无需外部偏置元件，但对高频信号的放大效果不好。

方案二：选用运放μA74，是高增益单运算放大器，也是正负电源供电，适应电压范围广，对高频信号的放大效果较好。

综合两个方案，选择方案二

2、增益控制部分

方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，本方案由于采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。

方案二：根据题目对放大电路增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现（如运放 VCA810）。其特点是以dB 为单位进行调节，可调增益±40dB，可以用单片机方便地预置增益。

方案三电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。所以本系统采用方案三。二、理论分析与计算

前后级固定增益放大器为同相比例运算电路，根据虚短与虚段的概念，可求出公式uo=（1+Rf/R）u1

根据前后电压放大倍数，及增益的计算公式，gain=20log（VOUT/VIN），可以算出前后放大的固定增益大约为50db。

由于VCA810的线性增益调节范围为-40～40 dB，如图所示。但经实际电路测试当增益高于30 dB或者低于-30db时，电路容易出现自激振荡，由于前后级固定增益大约为50db，加上VCA810的增益调节范围后实际图像不失真范围可达到0-80db的增益，远远达到所需要求。

三、整体方案流程图

1、硬件电路流程图

2、程序流程图：

3、算法：

首先，通过ADC_0采样输入信号的峰值Vpp_0，根据ADC_0的值确定DAC 输出值；然后同ADC_1采样输出信号峰值Vpp_1,经PID 算法处理，反馈调节DAC 输出值，使输出放大电压稳定。

四、

系统测试及数据分析

1、 测试方法

（1）用直流稳压源输入要求幅值的信号 （2）用示波器观察输出信号幅值， 2、 测试仪器

（1）直流稳压源0~30V/2A （2）函数信号发生器 （3）双踪示波器

输入信号

前级 放大 电路

自动 增益 电路

=1

否

是

开始

系统初始化

ADC_V oltage == 1

N

DAC_DAT =ADC_V oltage

PID

算

法

处

理

结束

Y

后级 放大 电路

三、总结和分析

1、测试数据

基础部分

直流信号幅值0.01 0.02 0.03 0.1 10

输出电压9.58 10.4 10.3 10.3 11.6

2、数据分析

由表数据在0.03V以下范围内输出电压控制并不稳定,但是误差较小，在0.1V与10V输出时误差较大，但较稳定，且整体电路增益倍数已超过题目要求。

3、结论

3.1作品达到了题目所有基本和部分扩展功能及指标的要求：

（1）完成了基本要求，但误差较大

（2）。作品在高频率中失真较严重，在低频率下波形较好，但是不太稳定。

（3）输入电压在TFT屏上可以显示，且精度高于稳压源电压，便于数据记录。

3.2存在问题及改进措施：

问题：对电路增益控制不太精确，且电压过小时会出现失真。

措施：需要对软件的程控分析的更加细致，同时硬件进行电路改进减少误差，使用更廉价的芯片或者运放达到所需要要求。