仪放及VGA可控增益电路设计说明书

仪放及VGA可控增益放大

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1.方案设计 (5)

1.1总体方案系统框图 (5)

1.2仪表放大器的选择 (5)

1.3 AGC设计选择 (6)

2.理论分析与计算 (6)

2.1.仪表放大器的相应计算 (6)

2.2 VGA的电路设计 (7)

3.硬件电路设计 (7)

3.1.仪表放大器的电路设计 (7)

3.2 VGA程控放大电路 (8)

3.3自动增益控制AGC的电路设计 (9)

4.软件设计分析 (9)

4.1软件流程及框图 (9)

5. 系统测试与总结 (11)

5.1.测试方案 (11)

1）测试环境 (11)

2）测试方案： (11)

5.2.测试用例及结果 (11)

5.3.总结 (12)

关键词：INA128,VGA,VCA

摘要：本次系统分为俩个部分分别为仪放和VGA板的焊接使。其中仪放使用INA128为核心完成放大，VGA及AGC以VCA810为核心完成放大，VGA增益放大通过程序控制键盘调节，AGC采用分立元件产生增益控制电压。测试表明本系统各功能均已达到或超出了题目要求。

1.方案设计

1.1总体方案系统框图

本系统分为两部分，一部分为仪表放大器的设计，一部分为可变增益放大器VGA的设计。系统框图分别如图一图二所示。

图一仪表放大器设计

图二可变增益放大器AGC的设计

1.2仪表放大器的选择

题目所给要求仪放增益400倍，输出峰峰值10V条件下3dB带宽不小于10kHz，且仪放共模抑制比优于60dB，为了满足题目要求，本系统选择常用的INA128，该芯片在增益1000倍的情况下3dB带宽不小于20KHz，共模抑制比可达120dB以上，完全符合题目要求，而另一款备选芯片INA118在增益1000倍

情况下3dB 带宽为7KHz ，与题目400倍3dB 带宽10KHz 的要求相近，很可能不满足要求故而不选用INA118而选用远远超出题目要求的INA128。

1.3 AGC 设计选择

为了实现自动增益控制AGC ，我们思考了以下两种方案

方案一：采用与VGA 程控放大相同的思路通过程序检测输入信号，自动调节对应控制信号使输出保持稳定，这样的方案硬件电路设计相对简单，但是对单片机运算要求高。

方案二：采用分立元件产生增益控制电压达到自动增益控制的目的，这种方案不需要程序控制，但是硬件电路相对更为复杂。

考虑到题目要求输入峰峰值突变后能在0.5秒内，稳定输出峰峰值到1V ±0.1V 。0.5秒的反应时间，考虑到一般运放的压摆率，分立元件产生增益控制能远远超出题目要求。而通过程序控制信号来根据输入改变信号的方案，由于涉及对数运算，0.5秒对单片机而言很可能不够故而最终本系统选择分立元件产生增益控制电压的方法。

2. 理论分析与计算

2.1. 仪表放大器的相应计算

根据题目要求，仪表放大器仪放增益400倍，输出峰峰值10V 故而输入的信号为峰峰值0.025V 的信号。为了产生该信号采用电阻分压的方式从峰峰值12.5V 的信号源采集相应电阻比为1：500，即采用1M 和2K 的分压电路。而对于400倍的增益产生根据501G

k G R Ω

=+，可以得出125.31G R =Ω。对于共模抑制比CMRR 有

20log d

c A

CMRR A ⎛⎫

= ⎪⎝⎭

，直接在电路输入添加共模电压测量其最后输出差模电压增益与共模电压增益的比值。

2.2 VGA 的电路设计

本次VGA 设计电路电路增益在 30dB 内调节，且信号最大频率为5MHz ，芯片VCA810的Vc 引脚电压在-2V~0V 时，增益范围-40dB~40dB ，其增益控制带宽为25MHz ，且其带宽和压摆率不随增益变化而改变，完全能满足所需的技术指标，所以选用增益可调控的芯片VCA810；由VCA810芯片有

C 40V +1dB G =-∙（）

可知当C V =-0.25V ，G=-30dB ，C V =-1.75V ，G=30dB 。在此范围内增益随电压的变化线性变化。又最大输出峰峰值2V ，此时增益为30dB 故信号输入端峰峰值()30/20V=2100.06325÷=V ，设计输入端电阻分压50倍，即有峰峰值3.16V 的信号输入。对于Vc 端的DA 输出，由于DA 的带负载能力不强故而可以选用电压跟随器来保证，此外，Vc 端电压输入要求为负电压，而DA 输出为正电压，故而需要一个反相器。

3. 硬件电路设计

3.1. 仪表放大器的电路设计

仪表放大器部分相对较为简单，对于增益500倍的电路如下图三所示：

图三仪表放大电路

利用跳线对电路进行小改动即可完成对共模抑制比的测量，具体电路如图四所示：

图四仪放共模抑制比的测量

3.2 VGA程控放大电路

由2.2理论分析可知，电路由VCA810的应用电路与对程序输出DA处理电路两部分组成。DA的处理先通过反相器再通过电压跟随器最后进入VC810的

V

C 端，具体电路如图五：

图五VGA程控放大电路

其中主要注意的还是对VCA810的输入电源的电容滤波，为了保证电压的稳定同时并联一个大电容与小电容。

3.3自动增益控制AGC的电路设计

AGC的电路设计主要由可变增益放大器和检波整流控制反馈两部分组成，

由题目要求输入50Hz~5MHz的交流信号峰峰值2mV~2V，而VCA810的增益带宽

为25MHz完全能满足题目要求，因此仍选用VCA810作为可变增益放大部分电路，由于5MHz频率较高，因而接入了50 电阻进行阻抗匹配。对于检波整流控制

反馈部分，由于对于VCA810，Vc电压与增益成反比，而电容维持vc电压，电

压超过vbe时三极管导通，电容充电增益减小，电压小于vbe时，三极管截止，电容放电，电压下降，增益增大。从而实现自动增益控制。为了确保输出电压

的负载，同样的我们在输出端接入了一个电压跟随器，具体电路图如图六所示：

图六自动增益控制AGC电路设计

4.软件设计分析

4.1软件流程及框图

软件设计的总体流程框图如图七