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。

二、系统总体设计方案
1电路结构图
图2—1 总体电路结构
2基本电路图的设计
1前级放大电路
前级放大由OPA690和OPA820组成，由于工作频率和幅度相差很大，因此在输入级加入继电器，当输入的信号改变很大时继电器会程控跳变至可正常工作的电路中，对电路的保护信号的抗干扰能力有很大的提高。

当输入信号幅度较高时，信号会进行一百分之一的衰减。

前级由两片OPA820组成级联放大器的放大倍数为20dB，图如下所示
图2—2 前级放大电路
2程（压）控放大电路
该部分我们采用VCA810，使可控增益范围在-40-40dB。

VCA810单片增益范围－40dB-40Db, 输入控制电压范围0～2V，增益与控制电压的关系为Gain (dB) = 40 VG + 10，电路如下所示：
图2—3 压控增益电路
3后级功率放大电路
后级功率放大电路由两片THS3091组成并联输出，可提供功率为3.5W输出，放大倍数为5。

电路如下：
图2—4 后级功率放大电路
4峰值检波电路
峰值检波电路为二极管，三极管和OPA277组成，其检波原理为二极管检波。

图2—5 峰值检波电路
5电源转换电路
电源转化电路由7805和7905组成，可提供-5V、+5V、-12V、+12V电压。

电路如下
图2—6 电源转换电路
6数字部分电路
数字部分包括ADC、DAC电路，电路如下图所示，其中MAX197为8通道12位A/D转换电路。

图2—7 A/D D/A转换电路
三程序
1 程序流程图
2 程序清单
#include <reg52.h>
#include <absacc.h>
#define LCD_CW XBYTE[0xFB00] #define LCD_DW XBYTE[0xFB01] #define LCD_CR XBYTE[0xFB02]
#define KEY_H XBYTE[0xFC00] #define KEY_L XBYTE[0xFE00]
typedef unsigned int uint;
typedef unsigned char uchar;
#define WHILE_BUSY while(LCD_CR & 0x80)
#define max_197 XBYTE[0xD000] //cs5
#define DA_0832 XBYTE[0x8000] //cs0
int data_da,n;
char a;
double dy,data_ad,dyb;
sbit hben=P1^0;
sbit ga=P1^1;
uchar date_h , date_l;
void delay(unsigned int z) //延时
{
unsigned int x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
void nint_LCD() //LCD初始化
{
LCD_CW=0x0c;
WHILE_BUSY;
LCD_CW=0x38;
}
void print(uchar *str,uchar addr)//LCD字符串输出{
WHILE_BUSY;
LCD_CW = 0x80 | addr;
while(*str!='\0')
{
WHILE_BUSY;
LCD_DW=*str;
str++;
}
}
void dis_LCD(uchar date,uchar addr)//LCD字符输出
{
WHILE_BUSY;
LCD_CW = 0x80 | addr;
WHILE_BUSY;
LCD_DW = date;
}
void DA() // 数模显示
{
a=-40+5*n;
data_da=255*(a+40)/80;
DA_0832=data_da;
if(a>=-35&&a<5)
{
dis_LCD('-',0x03);
dis_LCD((signed long)(-(a-5))/10+0x30,0x04);
dis_LCD((signed long)(-(a-5))%10+0x30,0x05);
}
else if(a>=5&&a<45)
{
dis_LCD('+',0x03);
dis_LCD((signed long)(a-5)/10+0x30,0x04);
dis_LCD((signed long)(a-5)%10+0x30,0x05);
}
}
void keyscan() // 数模控制{
KEY_H=0xfe;
if (KEY_L==0xfe)
{
delay(125);
if(KEY_L==0xfe)
n=n+1;
}
if (KEY_L==0xfd)
{
delay(125);
if(KEY_L==0xfd)
n=n-1;
}
}
void judge_Prage() //模数显示
{
if(dy>=0&&dy<1)
{
dy=(dy*1000);
dis_LCD('.',0x44);
dis_LCD((unsigned long)dy/100+0x30,0x45);
dis_LCD((unsigned long)dy/10%10+0x30,0x46);
dis_LCD((unsigned long)dy%10+0x30,0x47);
}
else if(dy>=1&&dy<=2)
{
dy=(dy*100);
dis_LCD((unsigned long)dy/100+0x30,0x44);
dis_LCD('.',0x45);
dis_LCD((unsigned long)dy/10%10+0x30,0x46);
dis_LCD((unsigned long)dy%10+0x30,0x47);
}
}
void AD() //模数控制{
while(ga==0)
{
hben=1;
date_h=max_197;
hben=0;
date_l=max_197;
hben=0;
data_ad=256*date_h+date_l;
max_197=0x50;
}
dyb=data_ad*10/4096;
dy=2*dyb-0.8;
}
void main()
{
nint_LCD();
n=0;
dyb=0;
max_197=0x50;
print("ZY=",0x00);
print("dB" ,0x06);
print("DY=",0x41);
dis_LCD('V' ,0x48);
while(1)
{
keyscan();
DA();
AD();
judge_Prage();
}
}
四测量数据
五实验结果分析
1 结果分析
从指标来看我们过方面的指标都达到了题目的要求。

本设计偏重于模拟电路的处理，得到了很高的增益和较小的噪声。

采用了多种抗干扰措施来处理前级放大，选用了集成芯片做增益控制，达到了很好的效果。

2 误差分析
结合该系统调试中出现的各种问题及其最终的解决方案和电磁场理论分析，本系统的误
差来源有：
外界的强电磁干扰，由于本系统中采用了对控制电压非常敏感的可变增益放大器AD603，当外界电磁干扰较大时，如果没有屏蔽措施的话，噪声的电压直接叠加在AD603的电压控制端上，这样就会使实际增益输出极为不稳定，这是整个放大系统最大的增益误差来源。

有效地排除外界干扰是保证整个放大系统增益稳定的有效保证。

（详见第四部分）
电阻分压随着频率的变化而变化是导致增益不准确的主要原因。

加入自动增益控制，自动调整其控制电压，可以是增益稳定于设定值范围内。

可变增益放大器AD600本身的增益亦存在误差，但在输入的控制电压稳定时，该误差可以忽略。