输出幅值可数控的放大电路设计

编号：129050641039研究生 论 文题 目：输出幅值可数控的放大电路设计 学 院：信息与通信工程学院 专 业： 年级：2015级 姓 名： 指导教师： 完成日期：2016年3月26日 目 录中文摘要与关键词Abstract and Key Words引 言11 系统设计方案及其分析12 设计方案论证2 2.1电路组成部分介绍2 2.2 有关器件介绍33 系统实现4 3.1 系统框图4 3.2 测试电路注意事项5 3.3 组成电路有关说明5 3.3.1 增益自动整定电路5 3.3.2 增益数控电路7 3.3.3 末级 VCA822 放大电路85 结语9参考文献10致谢11内蒙古民族大学本科生毕业论文输出幅值可数控的放大电路设计摘 要放大电路不论在生活还是其他有关领域中，都是实用性非常强的一种电路。基本放大电路的组成是差不多的，且其功能也是对信号进行基本的放大处理，使其达到较为理想的效果。但是，我们在实际中，有时难免要对信号进行特殊处理，以达到我们预期想实现的功能,这就可以通过在基本放大电路的基础上进行改造组合来实现。而本文则是提出设计一种放大电路，此放大电路可以实现放大后的信号稳定，而且输出幅值是可以数控的，也即输出信号稳定，幅度可控，数控简单，以此来满足不同要求下的需要。关键词：放大电路；数控；输出幅值I内蒙古民族大学本科生毕业论文Design of digital control amplifier with output amplitudeAbstractAmplifier circuit in life or other related fields,Its practicality is very strong.The composition structure of the amplifying circuit is similar.Its function is to amplify the signal,to achieve the ideal effect.But in practice,we sometimes need to make special the processing of the signal,in order to achieve the desired function,it is through the transformation of amplifier circuit to realize.This paper puts forward a kind of amplifier circuit,it can make the signal stability after amplification,it can make the output amplitude of NC,the output signal is also stable,the amplitude can be numerically controlled and easy,in order to satisfy different needs.Key Words: Amplifier circuit; numerical control; output amplitudeII内蒙古民族大学本科生毕业论文引 言 近年来在有关研究领域或是高校科研项目里，对放大电路的研究也是有所关注的，因为放大电路是很多实现某些功能的器件的基本结构本。而在此基础上我们又可以做一些技术上的延伸，使放大电路能实现更多的研究项目。比如本文则是要提出设计一种输出幅值可数控的放大电路，这个题目算是比较简单的一个研究课题，所以相关的有高校学生选择为出外比赛的竞赛题目，而本文题目现来源于导师自拟题目，而现在选择这个题目是因为在对信号测量时，可能需要对信号进行某些特殊处理，以满足测量的需要或要求。有时需要一种能将一定范围内变化的输入信号转换为一稳定输出，并能实现输出幅度可调的放大电路来实现。因此有必要去用一种放大电路去实现这一功能。本电路主要是实现将一定范围内的电压输入信号经过整定后使之输出幅值成为在一定范围内可调的稳定信号。 在这一电路中，需要的主要元件就是放大器，因为器件放大的能力不同。可根据具体要求选择适当运放。整个实现系统大致需要自动整定电路，数控电路和输出级放大电路三部分组成。自动整定电路和输出级电路可选择合适的压控放大器进一步放大信号，使系统的性能提高便于处理信号。而数控电路则需要选择合适的数字电位器以实现将整定输出电压细分级数。整个电路需要根据具体要求选择合适的器件来实现。1 系统设计方案及其分析自动增益整定电路输出级放大电路 输入 输出 数控电路 本电路主要是为了实现对信号输出幅值进行数控而设计的。在这个设计方案中，我们要知道主要的关键词就是三个，放大电路、输出幅值、数控。而要完成这个设计方案，最基础的就是放大电路，放大电路是整个设计方案的基础核心，它能放大信号，使信号更便于处理，而其他两项功能是在放大电路的基础上实现的，所以构建好放大电路是很有必要的。整个设计方案的实现可选用的芯片有很多，而在这里我查找到的有关芯片有 VCA822 、VCA810 ，还有AD603,都是可控增益放大器 周大敏. 一种低噪声可变增益放大器J. 微电子学,2000,04.，只是增益调控范围不一样，它可以实现将一定合适范围内的正弦波以及其他波形的输入信号转换为一稳定的输出幅值，且输出能力达到一定水平。该系统主要由增益自动整定电路、数控电路和输出级放大电路三部分组成。整个电路要实现的功能就是将一定范围内的输入信号经过处理后可以达到一个稳定输出，并且可以在稳定输出范围内通过数控电路对输出幅值加以控制，使其输出幅值成为我们需要的。其中先是由外部给一个一定范围内的输入信号，比如要实现 20mVpp2Vpp 输入，而且输出幅值要达到的一定范围是5V,这时候增益自动整定电路的功能就是将这个输入信号处理为一个适合输出级放大电路处理的信号，而输出放大电路则是将经过自动增益整定电路处理的信号放大，使其达到想要实现的稳定输出幅值，比如5V。至于数控电路则是可以实现在一定范围内对输出幅值进行以不同步进级放大倍数而进行控制。比如在这个例子里，数控实现 则是要实现05Vpp 范围内可调，其中可以包括细调 100 级以 0.05V 步进、粗调 10级以 0.5V 步进。选用适当的器件将输出信号线性划分为 100 等份，并通过脉冲信号控制来达到调制具体的信号幅值。2 设计方案论证2.1电路组成部分介绍（1）增益自动整定电路 增益自动整定也即是增益自动控制，首先要知道的是自动增益控制使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。自动增益控制是限幅输出的一种,它利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。当弱信号输入时,线性放大电路工作,保证输出信号的强度。当输入信号达到一定强度时, 会启动压缩放大电路,使输出幅度降低。也就是说,增益自动控制的功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度。增益自控制细分为输入自动增益控制和输出自动增益控制。在自动增益整定电路中，自动增益控制电路的功能是在输入信号幅度变化较大时，能使输出信号幅度稳定不变或限制在很小范围内变化的特殊功能电路。其主要的核心器件和电路有压控放大器以及峰值检波电路。其中压控放大器主要是对输入信号进行放大，在这里也可能不光有一个压控放大器，也即多级放大，要结合电路具体分析，总的来说都是都是为了将信号放大到一定数值，以满足峰值检波电路的需要。在本文此前提到的VCA822 张霆.基于VCA822的正弦信号发生器程控放大器J.成都电子机械高等专科学校学报,2009,12（3）：35-36.、VCA810、OPA300 都是压控放大器，只不过是放大能力不一样。在例子中，VCA822整定后的信号较小，不利于进一步处理，则用压控放大器 VCA810 进一步放大，以提高系统性能。其次反馈信号可通过反馈电路检测压控放大器的峰值，检波器的设计需保证VCA根据输入信号的幅度，得到所需的控制电压和合适的增益,一定要使峰值达到满足检波效果最佳。（2）输出级放大电路输出级放大电路就是对前一级整定处理后的信号进行放大，然后达到设计要求的那个幅度值，输出级放大电路的输出要达到 5V pp 。而且在整个设计方案里，放大电路是基础，而且是必须的。因此放大电路也可以选用之前提到过的压控放大器。输出级放大电路的输出要达到 5V pp，根据前级整定电路的信号变化，可通过调节增益电阻与反馈电阻设置最大增益。（3）数控电路数控电路则是控制幅值的，使其输出能在一定范围内可调。比如要在 05Vpp 范围内实现可调，则可分为细调 100 级以 0.05V 步进、粗调 10级以0.5V步进，也以可选用数字电位器将整定输出电压线性细分为级数，其受脉冲信号发生电路的单脉冲和 10 个脉冲为一组的组脉冲输出控制，分别实现 100 级细调及 10 级粗调。也可以用AD558芯片来控制，输出 256 级的可变的控制电压，实现对 VCA822 的 VG 端的控制，完成对 0dB40dB 的程控放大。2.2 有关器件介绍VCA822是一种 DC 耦合、宽频带、V/V 线性、持续可变压控增益放大器，可以利用外置电阻器在 0dB(1V/V)至 40dB(100V/V)的范围内设置最大增益。通过对外部提供的增益电压进行动态调整，设计人员可实施超过 40dB 的增益调整范围，同时，还能在 dB/V 或 V/V 的线性增益间进行选择。并且其采用节省空间的小型封装，实现了引脚兼容，从而能够轻松升级至更高带宽。其最大频带宽度可达 150MHz ，在 G=10V/V 时峰峰值输出5V 的全功率情况下，带宽仍然可达 137MHz 。对于我们要求的 10MHz 的最高输出频率， VCA822 完全能达到要求。同时 VCA822 具有 40dB 的增益可调能力，既可完成我们要求的信号衰减功能，又可完成信号的 0.5V5V 可调的放大功能VCA822 的典型应用包括差动线路接收机与均衡器、脉冲幅度衰减、可调衰减器、电压调谐有源滤波器、线性 V/V 增益控制。VCA810 是一种宽带电压控制放大器，具有高增益调整范围，低噪音，高带宽和高增益精度等特点。它的增益连续可变，可调范围 80dB，增益精度+/-0.5dB，信号带宽 35MHz。VCA810 提供差分输入到单端输出放大器，主要用在脉冲或时域系统的模拟信号处理。VCA810 的典型应用包括光接收器时间增益控制和远距离测量，声纳系统，电压可调有源滤波器，对数放大器功能和差分接收器。OPA300 是一种低噪声高速 CMOS 运算放大器，具有高带宽(180MHz) 、低噪声(3nV/rtHz) 、极短的建立时间(150ns 到 0.0015%)以及低谐波失真等特性，可驱动最高性能 16 位模数转换器(ADC)，包括超过 1MSPS(1.25MSPS)的 16 位SAR 数据转换器 ADS8401 与 ADS8402。OPA300 还非常适用于低噪声前置放大器、IF/RF 放大器及有源滤波应。3 系统实现3.1 系统框图数字电位器构成的数控电路 输出级放大电路增益可调放大电路1增益可调放大电路2 输入 输出 固定增益放大电路峰值检波电路 自动增益整定电路 刘强,虞忠辉.宽带低噪声AGC放大器的设计与实现J.通信技术,2003,(1).在前级电路中实现增益控制。比如将 20mVpp2Vpp 的输入信号调节为0.15Vpp 输出CA822 实现增益控制功能，又或者可以通过峰值检波电路所产生的控制电压 VG 把 0.5V1V 的 正弦信号衰减为 0.25V 的固定峰峰值信号，VCA822 构成的增益可调电路，总之要用几级增益放大电路，要看具体要求，并且在电路中可以根据需要将前级输出信号放大，以满足后级处理的需要；而在输出级放大电路中的VCA822 在输出级放大电路中实现增益放大作用，将整定后的信号放大到 5Vpp。数控电路则是主要利用压控放大器对输出幅值进行调控。3.2 测试电路注意事项模拟信号的稳定性会易受到各种干扰信号的影响，在单元电路调试完成后，其性能在整调时往往不理想，原因有很多，为了取得比较好的效果，在设计、调试电路时应尽量注意以下几点：（1）阻抗匹配考虑不足。单模块调试时，输入输出阻抗往往与仪器的阻抗匹配得到测试结果，整调时各单元模块的阻抗不匹配成为影响性能的主要原因之一。（2）电容的选用不当。在信号的传输过程中，哪怕是几厘米的传输距离，所产生的干扰也可能会很大，在单元电路的输入输出接口处应尽可能的选用适合稳定信号的电容类型与电容大小，电容的选用需要理论与经验结合，大多数时候都需要多试几次，确定最好的选择。（3）周围仪器的干扰。测试时应注意仪器的摆放，测试仪器（如示波器）的测试线尽量不要与电源线交叉，即使有交叉，也应尽量保持垂直。（4）地线越多越好。地线在电路中构成网络有利于抗干扰稳定信号。（5）测试小信号时，如果用小信号本身作为示波器触发信号，则很难让图像稳定，往往容易走入迷途。为了能更好的观察输出信号，可采用外部触发的方式，但比较麻烦，最简单的方法是利用示波器另一通道取电路中的稳定信号作为触发信号。3.3 组成电路有关说明3.3.1 增益自动整定电路 增益自动整定电路由增益整定电路、固定增益电路、OPA300 放大电路、峰值检波电路构成。（1）增益整定电路 可引用芯片VCA822 功能说明：通过反馈回路的小信号输入 VCA822 的 VG 端，使输入信号为一个合适的范围时，根据输入的信号来自动调整增益，将小信号进行放大、大的信号进行衰减，最终达到要进入后级放大的一个比较合适的幅值。 图1 由VCA822构成的增益可调整电路 （2）固定增益电路 林 磊,沈海根.低噪声可变增益放大电路的设计和应用J.沿海企业与科技,2009,04. 可引用芯片OPA300 功能说明：由于输入信号的幅值是变化的，为了实现增益自动控制，在前一级输出后，我们采用了固定增益放大器、峰值检波电路以及电压比较电路组成的反馈电路，实现 VCA822 的增益自动控制。在输入信号变化的情况下，自动衰减为固定峰峰值 0.25V 的信号输出。通过设定电阻 R 4 =3R 3 来设定该放大器的放大倍数为四倍，即V out =(1+R f / R) V in ，将 VCA810 的输出信号放大到能满足检波需要的信号。 图2 固定增益电路（3） 放大电路 可引用芯片VCA810功能说明：通过调节基准电压来控制输入 VC 端的电压，从而控制该电路的增益V out =-V in *G,，达到设计要求。当 VC 端的电压为-1V 时 G=0dB;，当 VC 端的电压为-2V 时 G=40dB（4）峰值检波电路功能说明：选择 RC 电路时间常数大一些，则输出信号的波形很好，选择 RC 电路时间常数小一些，则会发现检波前后的信号幅值的差异变小，信号之中的快变分量明显变好。将 OPA300 的信号通过二极管进行整流并且有 0.7V 的管压降，再通过电阻、电容的组合进行检波。经过由 OPA727 构成的比较器处理后输出。 图3 峰值检波电路3.3.2 增益数控电路 周晋安,杨昆霞.数控电位器步进式自动增益控制电路Z.计量技术,1999,03：26-27.致 谢功能说明：用芯片 NE555 构成一个多谐波发生器其频率 f = 1/0.7（R 1 +2R 2 ）C 提供脉冲波，用 RS 触发器、十进制计数器和与非门能够达到每按一下按键就能通过十个脉冲，平时该输出口处于高电平。用一个按键与一个上拉电阻构成一个开关，平时处于高电平，每按一次形成一个脉冲。将这两个脉冲输出连接到与非门的输入端，再将与非的结果输入到 X9C102P 的 INC 端调节输出电压。 图4 增益数控电路 3.3.3 末级 VCA822 放大电路功能说明：信号在前级的增益自动调整之后，比较适合于后级放大电路放大，以达到想要的那个幅4.系统测试方法介绍值，符合一定的范围要求。而具体的放大后的输出幅值，要达到