通用可变增益放大器_报告.docx

通用可变增益放大器作者：杨带稳 钟水安 吴土华作者单位：广东科学技术职业学院 邮编：519090摘要：本着简单、准确、可靠通用的原则，采用了分级设计匹配互联的思想。本放大器以AD603为核心构成可变增益放大器的实现电路，以带宽大的运放芯片AD811和MAX412作为辅助放大。系统分为过压保护电路、前级跟随电压输入电路、增益放大电路、程控增益电路、增益档位控制选择电路、输出功率驱动电路、单片机显示电路七个部分组成。全系统采用模拟电路方式，通过前级电压跟随部分获得所需输入电压、输入阻抗等重要参数。通过档位控制的电路部分实现四个档位增益值转换，在衰减电路的作用下得到四个档位的增益值，即-20dB至0、0至20dB、20dB至40dB和40dB至60dB，还有用单片机通过AD转换来控制系统放大器的增益，从而达到程序控制的，增益值显示在单片机控制的1602中，最后通过后级获得输出幅度不低于8V的输出电压。关键词：增益放大，模拟电路，电压跟随，程控增益Abstract: In a simple, accurate, and reliable general principle, adopts a hierarchical design matching Internet thinking. The amplifier which is taking AD603 as the core of the variable gain amplifier circuit, with a large bandwidth amplifier chip AD811 and MAX412 as the auxiliary magnifying. System for overvoltage protection circuit, before following the voltage input circuit, gain of the amplifier circuit, programmable gain amplifier circuit, a gain control circuit, the output gear selection of power drive circuit, SCM display circuit is composed of seven parts. The system adopts analog circuit, through the preceding stage voltage follower portion to obtain the desired input voltage, input impedance and other important parameters. Through the gear position control circuit part four stalls gain value conversion, the attenuation circuit obtained under the action of four stalls in the gain value, namely the - 20dB to 0, 0 to 20dB, 20dB to 40dB and 40dB to 60dB, also useful SCM through AD conversion to control the gain of the amplifier, so as to achieve program control, gain the value shown in the MCU control 1602, finally obtained after output amplitude less than 8V output voltage.Key words: gain amplifier, analog circuit, a voltage follower, programmable gain15目录一、方案比较与论证11. 剖析赛题12.各方案比较与选择21）增益控制模块：22）输入电压跟随23）程控增益模块24）后级增益模块35）输出功率驱动电路3二、体统硬件设计31. 系统的总体设计32.模块电路设计51）前级输入跟随模块电路（如图2所示）52）AD603增益控制模块电路（如图3所示）63）增益档位控制模块电路64）输出功率驱动电路75）程控增益电路8三、系统软件设计81.程控增益模块的流程92.各模块的仿真设计9四、系统的组装91.PCB板图101）电路原理图请参照附录（二）102）电路PCB图请参照附录（三）102.整机结构图及工艺说明103.元件清单10五、系统调试101.初步的调试112.最终方案的确定11六、总结11一、方案比较与论证1. 剖析赛题本赛题要求实现一套通用可变增益放大器，依赛题的要求，该系统应具有过压保护电路、前级跟随电压输入电路、增益放大电路、程控增益电路、增益档位控制选择电路、输出功率驱动电路、单片机显示电路七个部分组成。系统整体模块图如图1所示。图12.各方案比较与选择1）增益控制模块：方案一：仅使用一片AD603和后级LM6361运算放大来实现电压增益控制，对于使用单片的AD603芯片可以比较简单的实现电路的增益，同样也方便了程控高分辨率的增益可调。后级使用的宽带运放，避免单级AD603增益太大而使带宽变窄。方案二：使用两片AD603级联的顺序控制方式来实现增益的控制，这样就可以避免单片的AD603增益过大而使带宽变窄，但是我们在考虑到要用高分辨力的程控增益可调的，当程序控制一个AD603时，次级的也同样受到影响，这样就会减低分辨力。方案三：使用两片AD603的并联控制方式，但是考虑到并联方式工作时，其增益误差是顺序控制方式的两倍，输出信噪比随着增益的提高而线性降低。综上所述和分析，本项目使用了方案一。2）输入电压跟随方案一：使用NE5532作为前级的电压跟随输入，NE5532在输入阻抗，输出阻抗失真度个方面都比较好，可是对于本题来说，其要求带宽宽度大于1MHz。然而根据我们的实践经验，NE5532很难达到兆级以上的带宽频率。所以放弃这个方案。方案二：用max412作为前级的电压跟随输入，max412的最大带宽大于5Mhz，前级接成电压跟随对带宽几乎没有太大的影响，所以这样可以满足题目的要求。3）程控增益模块方案一：使用实验室现有的DAC7513（12位的数模转换）来实现数字信号向模拟信号的转换，然后用模拟电压控制AD603的一个输入参考电压，从而达到程序控制的效果。然而，该芯片采用串口输入转换模式，而且相关参考资料过少，难于使用。所以放弃这一方案。方案二：使用AD7520（10位数模转换）来实现输出模拟电压控制AD603D的电压控制输入端，从而达到程控的效果。并且输入是采用并口模式，方便使用，因此选择这一方案。方案三：用嘴常用的数模转换芯片DAC0832来实现数字向模拟信号的转换。这一方案是备用，也就是在芯片还没有买到的时候，先尝试用这一方案，这一方案唯一的缺点是只有8位的数模转换，也就是精度的问题，达不到题目的要求。4）后级增益模块方案一：使用OP07的电压反馈型芯片，OP07是电压反馈型器件，对于控制和级联都会带来一定的方便。但是考虑到OP的带宽问题，跟题目中要求的带宽相差甚远，因此也放弃此方案。方案二：使用LM6361的电流反馈型期间来进行增益加大，其芯片的带宽能达到题目中的要求，而且电流反馈型运放的带宽只与反馈电阻有关，与增益无关，但这样的运放在控制起来有点困难，况且这芯片没有库存，这样就会带来调试方面的不便。方案三：同样是用电流反馈型运放AD811，而且有库存，方便前期的调试。而且AD811的性能比LM6361要好得多，5）输出功率驱动电路方案一：用tip41和tip42对管作输出驱动负载模块的核心芯片。这两个对管的功率比较高，可以满足电路的基本要求。可是其高频的特性不好，最高的输出频率只有3MHz，很难达到5MHz的要求。所以放弃此方案。方案二：用两片ths3091作为输出负载驱动电路的主要芯片，该芯片的带宽大，最大频率高，带负载的能力也很强，完全可以满足题目的要求。二、体统硬件设计1. 系统的总体设计如图1所示：图12.模块电路设计1）前级输入跟随模块电路（如图2所示）图2用输入阻抗、输出阻抗、带宽等参数都比较好的运算放大器，来作为前级的电压跟随，这样可以改善整机电路的输入级，同样也可以起到缓冲的作用，防止输入电压直接对AD603的直接影响。为满足输入阻抗可开关设置为大于10M或50，将50的电阻用开关控制接入电路，并连有两个二极管构成过压保护电路。2）AD603增益控制模块电路（如图3所示）图3AD603最大的特点是042.14dB的带宽压控精密无源衰减器和40dB/V的线性增益控制电路构成。当脚5和脚7短接时，AD603的增益为40Vg+10，这时的增益范围为-10dB30dB。当5脚和7脚断开时，其增益为40Vg+30，这时的增益范围为1050dB。如果在5脚接上电阻，其增益范围将处于上述两种之间。而要实现电路有负增益的输出，则如图所示把5脚跟7脚短接，然后从1脚和2脚中输入不同参考电压，从而得到不同的增益。3）增益档位控制模块电路在AD603的后级，采用了由AD811构成的增益放大，AD811是电流反馈型运放，其带宽只与反馈电阻有关，但反馈电阻不能设计得太小，否则容易引起自己振荡。而经过我们的反复调试，最终我们确定了一组放大10的电阻数据，如图所示。对于AD811还有一个严重的发热问题，而实验中可以发现当电压不超过12V的时候，发热并不严重，而且电压可以正常工作。图44）输出功率驱动电路图5如图5所示为输出级的功率驱动，用两块THS3091作为驱动芯片，THS3091的带宽可以达到几百兆赫兹，带负载的能力强。是一种非常理想的后记功率输出器件。5）程控增益电路本模块用红外线遥控发送器发送数据，单片机接收到信号之后进行处理之后，经过DA转换输出模拟信号给到AD603的1脚，使AD603D的1脚和2脚之间形成电压差，从而实现改变增益的效果。三、系统软件设计1.程控增益模块的流程程序的控制并没有采用以往的按键控制，而是用到红外线发送按键信号来控制单片机输出的电压，从而使AD603的1脚和2脚形成电压差，达到控制电压增益的效果。2.各模块的仿真设计各模块的设计参照附录（四），首先，用Multisim进行初步电路个模块的设计和仿真，用multisim里的器件进行信号的发生和波形的检测。从而初步确定方案。然而对于带宽要求很高的，我们对仿真的依赖不会太大，很多东西只能从实践中发现问题解决问题。这样才能够提高效率，增强实践性四、系统的组装1.PCB板图1）电路原理图请参照附录（二）2）电路PCB图请参照附录（三）2.整机结构图及工艺说明由于项目要求的带宽非常高，属于高频的范围，所以很容易受到外界和电源的干扰，因此，我们选择用PCB来进行项目的实现，同时。在每一个芯片接电源端都加上两个电容，一个47u的电解电容和一个104的瓷片电容，从而达到去耦的效果。在布线方面，地线尽可能的宽，减少一定的干扰，并且去耦电容进可能的靠近芯片，这样效果会更加的好。因为本项目涉及到一些高频，所以线会尽量的短而且粗，从而减少高频干扰。对于这个项目还应该注意的就是发热问题，因为后级用到了功率放大，而且AD811是一个电流反馈型运放，发热也相当的严重，所以在电路的焊接是要加上散热片来对有功率放大和大电流的器件进行散热。3.元件清单参照附录（一）五、系统调试1.初步的调试先用万能板把电路原理焊接好，在进行初步的调试，直到发现最好的方案和确定最终的方案为止。这里的初步调试不能马虎，因为该电路的带宽要求特别高，调试的结果很容易受到外界的干扰。2.最终方案的确定前级的MAX412和AD603都很容易调试好了，所以前两级的方案已经定了下来，可以接下来的档位增益控制模块，候选芯片有LM6361和AD811两块都是电流反馈型运放，而在之前我们都没有接触过电流反馈型的运放，这里做起来就开始困难了。经过在对网上相关资料的查阅，我们把这两块芯片都设计了一个相对应的方案，各自进行实现，最终方案视效果而定。经过不断的调试，最终确定了AD811这个芯片来进行增益档位控制的模块。六、总结本系统带宽宽、增益范围大、模拟前端由高性能集成带宽宽、低噪声可变增益放大器AD603构成，负责信号放大并与实现增益控制；为保证高频端放大器的稳定性和带内幅度的平坦度，采用高性能的AD811集成放大器芯片；设计与制作中利用分级设计、数模搭配等技术，采用PCB板的安装固定，以及合理的走线布局、芯片加去耦电容等措施，有效的减少了噪声和干扰的影响，同时有效提高了系统稳定性。我们在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行的稳定性，本着稳定性和精确性并重的原则，我们采取了很多有效措施，不断地调试，进行众多方案的比较与试验，完成了设计题目所规定的部分指标和要求，达到基本的性能指标，而且对于有些指标我们的设计还有了一定的的提高，功能也有所扩展。虽然在设计和调试过程中遇到了很多问题，但是我们都会努力地去