信号调理电路设计方案详解

宽带放大器的设计方案

本设计由直流稳压电源、前置放大电路单元、增益控制部分、功率放大部分、单片机自动增益控制部分几个模块构成。输入部分采用高速电压反馈型运放OPA642作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。同时利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。功率输出部分采用分立元件制作，提高了负载阻值以及输出有效值。控制部分由51系列单片机、A/D、D/A和基准源组成。整个系统通频带为1kHz～20MHz，最小增益0dB，最大增益80dB。增益步进1dB，60dB以下预置增益与实际增益误差小于0.2dB。不失真输出电压有效值达9.5V，输出4.5～5.5V时AGC控制范围为66dB，应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制,AGC稳定性好,可控范围大,完成了设计的所有基本要求并做适当的发挥，使设计更完善。

1总体方案

方案一：简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图3.1为分立元件放大器电路图。为了满足增益60dB的要求，可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二：为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D ／A转换芯片，其输出Vout=Dn×Vref/1024，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足1024挡增益调节，满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mV～V每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整，再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与AD7520的衰减分母抵消，即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求，具体实现起来比较复杂，而且转化非线性误差大，带宽只有几kHz，不能满足频带要求。

方案三：根据题目对放大电路的增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的集成运放实现，如运放AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A 芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。此外AD603能提供由直流到30MHz 以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过20dB的增益，两级级联后即可得到40dB 以上的增益，通过后级放大器放大输出，在高频时也可提供超过60dB的增益。这种

方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理，选择此方案。

图3.2 总体设计方案

1.1增益控制电路设计方案

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，电路简单，调试复杂。

方案二：采用高速乘法器型D/A实现。利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。此方案简单易行，但经实验知：当信号频率较高时，系统容易发生自激。

方案三：利用能够压控增益的放大器实现。其特点是可以用单片机方便地预置增益。由于主放大器可以找到压控增益的器件AD603,故选用此方案。

1.2功率输出部分设计方案

放大器通频带从10kHz到6MHz，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到6V有效值输出难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不现实，因为市面上很难买到宽带功率运放。AD603输出最大有效值在2V左右，选用两级三极管进行直流耦合和发射极直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压放大在这一极，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力。这时候采用分立元件就能显示出优势来了。

1.3有效值测量电路设计方案

方案一利用高速ADC对电压进行采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：

U=

此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样难且计算量大，增加了软件难度。

方案二对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。只用了简单的

整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。

方案三采用集成真有效值变换芯片，直接输出被测信号的真有效值。这样可以实现对任意波形的有效值测量。

综上所述，采用方案三，变换芯片选用AD637。AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5％，且外围元件少，频带宽，对于一个有效值为1V的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB 形式指示，该方案硬件、软件简单，精度也很高，但不适用于高于8MHz的信号。此方案硬件易实现，并且8MHz以下时候测得的有效值的精度可以保证，在题目要求的通频带10kHz～6MHz内精度较高

1.4自动增益控制（AGC）设计方案

利用单片机根据输出信号幅度调节增益。输出信号检波后经过简单2级RC滤波后由单片机采样，截止频率为100Hz。由于放大器通频带低端在1kHz，当工作频率为1kHz时，为保证在增益变化时输出波形失真较小，将AGC响应时间设定为10ms，用单片机定时器0来产生10ms中断进行输出有效值采样，增益控制电压也经过滤波后加在可变增益放大器上。AGC控制范围理论上可达0～80dB，实际上由于输入端加了保护电路，在不同输出电压时AGC范围不一样，输出在4.5～5.5V时AGC 范围约为70dB，而当输出为2～2.5V时AGC范围可达80dB。

2系统各模块的电路设计

2.1直流稳压电源部分

电源部分输出正负5V、正负15V电压供给整个系统。本电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法，产生各种直流电压，正负15V,正负5V固定输出的三端稳压芯片，如LM7815、 LM7915、LM7805 、LM7905。

2.2输入缓冲和增益控制部分

输入缓冲和增益控制电路，由于AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于 2.4kΩ的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642 的电压峰峰值不超过其极限（2V）。其输入阻抗大于2.4kΩ。OPA642的增益带宽积为400MHz，跟随线性度好，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。输入输出端口用同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。

2.3增益控制部分

该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。该部分将AD603接成90MHz 带宽的典型方法。增益和控制电压的关系为：AG(dB)=40×U+10，一级的控制范围