HEU-B-013通用可变增益放大器(黑龙江省2010年电子设计大赛省赛论文).doc

通用可变增益放大器摘要：本系统采用12位串行输入DA DAC8043和低噪声、精密高速运算放大器OPA627结合的方式，通过继电器的切换选择控制增益放大，准确的实现四档位选择性增益放大。可调指标达到了增益放大范围四档0.1001.000，1.0010.00，10.0100.0，100.01000的优良效果。加入加法调零模块，最大限度地减小了放大器电路的零漂问题。系统整体通过键盘选择控制。经测试，各项指标良好，性能稳定。关键词：可控增益放大 ；功率推动1设计题目及要求1.1设计题目：通用可变增益放大器 1.2要求1.2.1基本要求（1）放大器的低频及直流最大不失真输入、输出信号幅度不低于3V； （2）放大器的电压增益可设为三档：0.101.00，1.010.0，10100，放大器在同一档位时增益线性度不低于1%，分辨力不低于1%； （3）增益为100时，在DC1MHz带宽范围内，输出大信号幅度波动不超过5%； （4）增益为100时、输入端短路，输出端电压值不超过5mV； （5）输入端阻抗可开关设置为大于10M或50，并有过压保护能力； （6）放大器输出端阻抗可开关设置为50或0。 1.2.2 发挥部分 （1）放大器的低频及直流最大不失真输入、输出信号幅度不低于8V； （2）放大器的增益可设为四档：0.1001.000，1.0010.00，10.0100.0，100.01000，放大器在同一档位时线性度不低于0.5%，分辨力不低于0.1%；（3）增益为1000，在DC5MHz带宽范围内，输出大信号幅度波动不超过5%； （4）放大器输出端阻抗为50，外接负载50，在DC5MHz频段内，大信号输出时波形失真度小于2%； （5）增益为1000时、输入端短路，输出端电压值不超过20mV； （6）整体电路成本低，电路工艺简单； （7）其他。2.系统方案论证2.1整体方案选择方案一：选用程控放大PGA，此方案高速芯片比较少，档位有限，无法做到连续可调且寻找困难，价格成本昂贵。故不选用方案二：选用模拟乘法器AD835的可实现变量W=XY+Z的线性特征，计划结合自动直流偏移调零模块实现放大器所需的可调放大功能。但实践过程发现AD835自身噪声系数较大。而测试过程中放大精度低。高频条件下出现大幅衰减现象，低频条件下小信号失真严重，性噪比低。整个过程难以调节，不利于整体模块的实现与性能的开发利用。故不采用方案三：选用电压跟随稳定输入，串行输入DA DAC8043为增益控制核心的设计思路，利用DAC8043可实现增益放大与控制电压呈线性关系的特点，先通过键盘控制继电器对增益放大范围做出选择，再通过单片机控制DAC8043输出所需放大电压。由于DAC8043具有良好的增益控制、快速串行数据输入、可自动校准、低成本等特性，可很好的满足题目指标要求。所以通过其来实现增益的可控调节，可做到电路布局合理简洁，方便调试，从而精确、稳定的测试效果。故采用此方案。3.理论分析与计算如图1所示，为10倍反相放大。由反相放大原理=知，当=50,=500时=-10；为稳定放大器性能由（，）知；如图2所示，为10倍同相放大。由同相放大原理=知，当500，=56.2时=1+10.0；为稳定放大器性能由（，）知。 图1反相10倍放大电路 图2 同相10倍放大电路 4.系统硬件设计4.1系统的总体设计输入缓冲10倍增益放大10倍增益放大功率推动D/A单片机键盘控制数码管显示电 源10倍增益放大选择图1 系统框图选择选择 系统框图如上图所示，系统主要由四个模块构成：前级输入缓冲、可控增益放大、后级功率推动、单片机显示控制模块。系统增益调节分四档位，调节范围分别为0.1001.000，1.0010.00，10.0100.0，100.01000。前级电压跟随输入，通过DA的选择线性放大。当选择可调增益范围为0.1001.000倍时，通过键盘控制继电器选择，断开后所有的10倍增益放大电路，通过DAC8043的调节直接实现所需放大；当选择可调增益范围为1.0010.00倍时，通过键盘控制继电器选择，断开第二级和第三级的10倍增益放大，通过DAC8043的调节实现所需放大；选择可调增益范围为10.0100.0倍时，通过键盘控制继电器选择，断开第三级的10倍增益放大，通过DAC8043的调节实现所需放大；当选择可调增益范围为100.01000倍时通过继电器的选择，使后三级10倍增益放大同时接入，通过DAC8043的调节，实现所需放大。在输入、输出级通过开关的选择可选定不同的输入、输出端阻抗值大小。4.2单元电路的设计4.2.1输入输出阻抗设计分析如图2所示，当J1断开时，由于输入端电压跟随本身输入阻抗相当大，故此时10M；当J1闭合时相当于电压跟随输入阻抗与并联， =50。 图3所示当J2断开时，=50；当J2闭合时被短路，0。 图2 输入端输入阻抗设计图 图3 输出端输出阻抗设计图4.2.2档位选择设计分析如图4(a)、(b)所示（1）.当J1、J2、J3、J4、J5、J6均向上闭合时，可进行0.1001.000倍档位的增益放大调节；（2）.当J1 、J2向下闭合，J3、J4、J5、J6向上闭合时，进行1.0010.00倍档位的增益放大调节；（3）.当J1 、J2 、J3、J4向下闭合， J5、J6向上闭合时，进行10.0100.0倍档位的增益放大调节；（4）.当J1、J2、J3、J4、J5、J6均向下闭合时，进行100.01000倍位的增益放大调节。图4(a)、(b) 档位选择原理图4.2.3 后级驱动电路为了保证放大器的负载能力能够推动后级电路。鉴于运算放大器的负载能力有限，在其后搭接乙类功率放大电路。使用户不对2N3904（NPN型）和2N3906（PNP型）（两功率管特征频率=300，最大功率耗损=0.8）推挽输出负载驱动电流。经实验测试，通频带大于5，且带内平坦，通频带内不平坦度很小；空载时可对DC到5范围内，峰-峰值为20V的正弦信号无失真输出，输出端接50负载时，无失真的最大输出电压峰-峰值超过16V，并且在整个带宽范围内无明显失真，以上各项指标均达到题目要求。电路图如图5所示 图5 乙级功率放大电路 4.2.4过压保护设计分析 为防止过大输入电压通过系统回路，对系统造成致命伤害，故采用如图6所示钳位保护方式，利用二极管的单向导通特性，当+15.6V时，二极管导通将图中A点电压下拉至+15.6V；同理，当-15.6V时，二极管导通将图中A点电压提升至-15.6V。整体使得A点电压始终维持在-15.6+15.6V的范围内。对系统整体起到了很好的保护作用。 图6 钳位保护电路4.2.5 放大器稳定性设计分析本作品主要通过采取抗干扰措施提高放大器的稳定性，系统全部采用印制板，减小寄生电容和寄生电感，采用铜板大面积接地，减小地回路。4.3发挥部分的设计与实现在作品总体设计之初。我组就以发挥部分内容要求为设计标准，对作品的设计定位要求较高，故发挥设计都在各部分大多得到了实现。5.系统软件设计开始系统初始化增益档位选择0.1001.0000档1.0010.00档10.0100.0档100.01000档返回增益档位选择数码管显示图7 系统软件框图6.系统的组装与调试6.1 整机结构图及工艺说明如图8所示，系统采用硬质压塑板设计制作作品机箱。 图8 作品机箱 图9 作品机箱底座系统模块排布6.2面板图及可调部件说明如图9所示，将作品固定安放于机箱底座，不同的模块分立排布如图中所示。增益选择模块，通过键盘的控制，供操作人员切换选择增益档位，调节系统放大增益；系统显示模块，通过键盘的控制实时显示操作当前的放大情况；系统放大运行模块，通过系统的实时操作控制运行正常系统工作。6.3系统的测试6.3.1 测试仪器序号名称、型号、规格数量1DS1102E示波器12TFG3150L DDS函数信号发生器13DT9205数字万用表16.3.2 测试方案不同增益条件下，输出电压有效值测量=3VG=0.10; 0.40; 0.70; 1.00=0.3VG=1.0; 4.0; 7.0; 10.0 =0.03VG=10; 40; 70; 100=6V G=0.100; 0.400; 0.700; 1.000=0.6V G=1.00; 4.00; 7.00; 10.00=0.06V G=10.00; 40.00;70.00; 100.00=0.006V G=100.0; 400.0;700.0; 1000.0不同频率条件下输出电压有效值输入正弦波信号，放大50倍 =100kHz =400kHz=700kHz=1MHz输入正弦波信号，放大1000倍=1MHz=2MHz=3MHz=4MHz=5MHz6.4测试结果及其分析 /V /V实测值理论值误差（%）实测值理论值误差（%）实测值理论值误差（%）实测值理论值误差（%）3G=0.10G=0.40G=0.70G=1.000.290.33.31.181.201.72.052.12.42.9531.70.3G=10G=40G=70G=1002.933.02.311.812.01.720.521.02.429.430.02.00.03G=10G=40G=70G=1000.2930.32.31.1971.22.52.032.13.32.943.02.06G=0.100G=0.400G=0.700G=1.0000.5900.61.72.352.42.14.104.22.45.926.01.30.6G=1.00G=4.00G=7.00G=10.000.5850.62.52.332.42.94.114.22.15.906.01.70.06G=10.00G=40.00G=70.00G=100.000.580.63.32.342.42.54.104.22.35.916.01.50.006G=100.0G=400.0G=700.0G=1000.00.5910.61.52.2982.44.254.0954.22.55.9626.06.3 /V /mV实测值理论值误差（%）实测值理论值误差（%）实测值理论值误差（%）实测值理论值误差（%）30 (G=50)=100kHz=400kHz=700kHz=1MHz1.451.53.31.431.54.71.421.55.31.401.56.74 (G=1000)=1MHz=2MHz=3MHz=4MHz=5MHz3.964.01.03.964.01.03.964.01.03.954.