宽带放大器

宽带放大器

毛伟张良周旭

摘要

本系统采用AT89S52单片机为控制核心实现在0Hz～6MHz带宽内对小信号进行有效程控放大。系统由控制和显示模块、程控可变增益放大器（PGA）模块、AGC模块和电源模块组成。其中可变增益放大器VCA810作为核心,通过12位串行DAC给予不同的控制电压的方式来达到增益步进5dB,总增益从-40dB到40dB的目的。前置放大采用由低噪声电压反馈型运放OPA690构成的同向放大器，可以有效的抑制噪声和提高输入电阻。后级放大采用电流型反馈放大器VCA820,可以使输出电压有效值大于6V。通过良好的屏蔽和滤波措施使控制电压稳定度高,获得良好的波形。采用VCA810构成的AGC电路，在输入信号在50mV～1.00V内变化时，能将输出有效值稳定在6V左右，经峰值检测后，由8通道12位A/D 转换器MAX197对输出信号的峰值进行读取。单片机提供了友好而方便的人机交互界面，并通过总线和可编程逻辑器件连接，协助可编程逻辑器件对信号进行相应的处理，以完成相应的宽带放大的任务。

关键词AT89S51 VCA AGC

一、方案论证与选择

1．题目要求及指标分析

本题目任务为设计并制作一个宽带放大器。具体要求与相关指标如下：（1）输入阻抗≥50Ω；（2）3dB 通频带0Hz～8MHz，在0Hz～7MHz 频带内增益起伏≤1dB；（3）最大增益≥60dB，增益调节范围-40dB～40dB（增益值多级可调，步进间隔5dB，增益预置值与实测值误差的绝对值≤2dB）；（4）最大输出电压有效值≥6V；（5）增加自动增益控制（AGC）功能，在AGC 稳定范围内输出电压有效值应稳定在 4.5V≤Vo≤5.5V。从上可看出，增益控制需用程控放大且此为设计核心。

2．方案的比较与选择

a)增益控制

方案一：采用普通宽带运算放大器组成的放大电路,同时由分立元件构成的AGC控

制电路,通过包络检波再反馈回放大器的方法来控制放大倍数。原理框图如图1所

示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对V’的分压。

采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的

漂移将会引起分压比的变化,用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定

图1—1场效应管控制AGC电路

方案二：采用可编程放大器的思想，将输入的交流信号作为高速D/A的基准电压，

这时的D/A作为一个程控衰减器。理论上讲，只要D/A的速度够快、精度够高可

以实现很宽范围的精密增益调节。但是控制的数字量和最后的增益(dB)不成线性关

系而是成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降。

方案三：如图2所示，使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器PGA，

用控制电压和增益（dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。用电压

控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。

图1—2 可编程控制增益放大

由于场效应管控制精度难以掌握，因此选择方案3

b)有效值测量

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：

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

困难而且计算量大，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，选用方案三，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。8MHz以上输出信号可采用高频峰值检

测的方法来测量。

c)自动增益控制部分（AGC）

方案一：AGC电路实际上是一个根据输出电压的动态的调整放大倍数，从而使输出

稳定在预定范围的反馈型电路。根据该特点可以引入CPU、A/D和D/A转换器通过

程序对放大倍数进行控制，即数字式AGC，此种AGC电路的输出范围完全由人为设

定，可以很容易满足题目要求，但是需要对输出的电压值进行不间断的采样，而且

D/A转换器的位数直接决定了AGC电路输出的稳定度，硬件组成方面比较复杂。

方案二：采用场效应管和宽带运放制作，信号进入自动增益控制电路后，放大电路

输出的交流电压经二极管和RC电路构成的包络检波器后，输出一个随平均电压变

化的电压，用此电压控制工作于可变电阻区的场效应管的栅极，改变场效应管的导

通电阻，使放大倍数受输入信号大小控制。当输入信号强时自动减小放大倍数，信

号弱时自动增大放大倍数，从而实现了输出幅度的自动调整。特点在于电路简单，

但频带范围较窄、精度低、输出波形也不理想。

方案三：采用可变增益放大器AD603作为放大部分，同时用由高频小功率管2M3906、

2M3904构成的包络检波、反馈电路来控制放大倍数，达到自动调整增益的目的。

精度高，波形好，但电路较复杂。

综上所述，选用方案三。