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宽带放大器设计报告 武汉大学电子设计基地设计组第1组：许可崔振威谢超摘要：本系统利用可变增益放大器AD600作为核心,通过模拟开关选通不同的控制电压的方式来达到增益步进6dB,总增益从0dB到30dB的目的，其控制电压均由2.5v电压基准MAX873经过精密电阻分压得到,有效的保证了控制电压的稳定度,获得良好的波形。前置放大采用由AD844构成的正向放大器，可以有效的提高输入电阻,使输入电阻达到兆欧级别。后级放大采用增益固定为10dB的同向放大器,从而使整个电路的增益能从10dB变化到40dB，该放大器由高精度宽带运放MAX477构成，在保证良好输出波形的同时,可以使输出电压有效值大于3V。前置放大和后级放大的输出均采用峰值检测电路检测出正半周最大电压值，用于有效值的计算，采用AD603构成的AGC电路，在输入信号在0.05V1.00V内变化时，能将输出有效值稳定在2.052.6 V。整个系统的通频带为1K14.6MHz。由12位A/D 转换器MAX197对输出信号的峰值进行测量，分辨率达到1mV 。AT89S52和CycloneFPGA构成的单片机小系统板可以通过键盘，人为预置增益值来获取相应的放大倍数，同时实时显示实际增益值、输出有效值和当前增益误差。整个系统采用中文显示，界面友好美观，控制方便。 一、方案论证与选择1增益控制部分：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,这种方法构成电路简单,但是反馈控制比较困难，难以实现步进，精度也很低。方案二采用集成可变增益放大器AD600作为增益控制。AD600是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB,满足题目要求的精度,其增益(dB)与控制电压成线性关系,因此可以方便的采用控制电压的方式来控制放大器的增益.采用D/A变换装置输出电压控制高速压控放大器AD600来实现增益的步进，采用此种方法可以获得很小的步进。但是由这种方法得到的控制电压有一定的纹波，而芯片AD600对控制电压非常敏感，微小的电压波动就能造成输出波形上下起伏，波形不佳。 方案三主控芯片采用AD600，利用电压基准源通过精密电阻分压得到各个增益值对应得控制电压，在用模拟开关CD4051来选则不同的控制电压来达到控制增益的目的。电压基准源采用MAXIM公司2.5 V基准MAX873。 经过比较，选用方案三。2有效值测量部分 方案一采用检波二极管构成的峰值检测电路，然后用A/D转换器对其检测结果进行读数。峰值检测的原理是当输入电压正半周通过时，检波管导通，对电容C充电，适当选择电容值，使得电容放电速度大于充电速度，这样，电容两端的电压可以保持在最大电压处，该电压通过一个用运算放大器构成的射极跟随器输出电压峰值。采用这种电路优点是频带响应宽，频率越高检测反而越准确，且电路简单。但是由于检波二极管存在一定的导通压降，且为非线性，测量精度低，小信号时尤其明显。同时电容值的选取也使得电路有一定的局限性，如选取太大，放电时间过长，会改善输出电压发纹波，但是会导致该电路响应速度慢；如果电容选的太小，放电时间过短，能改善电路的响应时间，但也会导致低频时输出电压纹波较大。 方案二采用集成电路AD637作为有效值运算，它测量有效值的范围为0-7V，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，并且可对输入信号的电平以dB形式表示。该方案精度高，直接输出有效值，但电路稍复杂，且不适合高频信号。 经过比较，方案二中AD637对小信号测量具有很大优势，而方案一中在频带方面满足要求，考虑到题目的频带范围和制作成本的因素，采用方案一。3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。 考虑题目要求和现有的器件，本系统采用方案三。二、系统总体设计方案及实现方框图键盘液晶显示 FPGA AT89S52 峰值检测 A/D峰值检测A/D(MAX197)放大输出信号输入后级放大VCA(AD600)前级放大 A/D控制电压发生电路AGC(AD603)AGC输出三、理论分析与计算1电压控制增益原理AD600的基本增益为如下公式：G其中，为差分输入电压，单位为伏，是AD603的增益，单位为dB当=0.625伏时,为最大增益模式=40dB,当=-0.625伏时,为最小增益模式G=40dB。其控制电压与增益的关系如右图所示:2AGC电路的原理 AGC是自动增益控制电路的简称,广泛用于收音机,电视机的信号接受和电平处理。其特点为：当输入信号较强时，自动将增益降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证输出信号的相对稳定。 AGC电路大致上可以分为三种：前馈，反馈和混合型，分别如图1，2，3所示其中前馈电路收敛比反馈的要快，但是不稳定；混合型克服了前馈和反馈电路的缺点，尤其适合用于快速衰落信道，但是电路复杂，功耗大，调试困难。本系统中采用的是反馈型AGC，核心部件使用AD603。AD603是美国AD(Analug Devices)公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。可用于RF/IF系统中的AGC电路、视频增益控制,A/D范围扩展和信号测量等系统中。D603内部结构框图如下所示。AD603由一个可通过外部反馈电路设置固定增益GF(31. 0751. 07dB)的放大器、042.14dB的宽带压控精密无源衰减器和40dB / V的线性增益控制电路构成。AD603利用了X一AMP拓扑结构X一AMP由一个042. 14dB的可变衰减器及一个固定增益放大器构成。其中可变衰减器由一个七级R-2R梯形网络构成，每级的衰减量为6. 02dB，可对输入信号提供0 42.14dB的衰减。X-AMP结构的一个重要优点是其优越的噪声特性，在1MHz带宽，最大不失真输出为1Vrms时，输出信嗓比S/N为86. 6dB 。工作原理在VOUT为正半周时Q1截止，在VOUT为负半周时Q1导通，流人CAV的平均电流 (温度在300K时, )，当增益控制电压处于稳定状态时，在一个周期内Q1中的整流电流的平均值必须与保持平衡，如果AD603的输出幅度太小以致于不满足该条件，则将迅速上升，引起增益提高，最终使Q1充分导通。R2的选取由带隙基准原理所确定，适当选择R2使之满足VOUT= VBE + VR2 = 1.2V(即VR2=5OOmV)时，VOUT在较宽的温度范围内将是稳定的。对方波而言，在输入信号的幅度稳定时，V-应保持稳定，则Q在导通的半个周期内发射极电流应为，于是得R2 = 833欧,实际应用中是正弦波并非方波。R2的推荐值为806欧。由于Q2, R2和Q1的配合使用，在很宽的温度范围内将使VOLT保持稳定。C2用于改善频率特性。另外，改变CAV的值可改变AGC的时间常数,CAV的取值一般在0.1 1之间.两片AD603以并联控制方式连接，两级的GNEG端并联接子0.5V的电平上，GPOS端并联，由半波检测电路的输出控制。两级的VOUT与FBDK之间均接10k欧电阻，即为模式二工作方式，其输出幅度为1.2Vrms ,增益范围为 +3 +75dB频带不小于20MHz。具体电路如下图所示：3系统增益分配的问题 AD600和AD603的输入电阻只有100欧姆，如果不加前置放大电路其输入阻抗显然不满足题目要求，故采用由AD844接成的同向放大电路作为前级放大，其增益设置在20dB，输入电阻被提升到兆级（实测为1.5M）,远大于题目所要求的1K。电路设计时在AD600前串入了一大小为910欧的电阻，由于AD600的输入电阻只有100欧，这样，实际输入AD600的信号幅度被衰减到了原来的十分之一，使前级放大倍数实际为0dB，这样做的好处是降低了AD844的负载，有利于前置器放大工作的稳定。由于AD600在5V供电时最大输出只能达到67V的峰峰值，不能作为最后的输出，故将其增益设定在030dB，而后级则采用一个增益固定在10dB的正向放大器，考虑到输出信号的幅度以及带负载能力，该电路的运算放大器使用宽频带，高精度运放MAX477。四、主要功能电路的设计1输入前级放大为了满足输入电阻大于1K，采用输入电阻很高的同向放大器作为输入的第一级，结合题目对通频带的要求最高在8M，运算放大器选用宽频放大器AD844。具体电路如下所示： 2可变增益部分 该部分以集成可变增益放大器AD600为核心,AD600的放大倍数为dB线性，它有一个电压控制端，通过改变控制端的电压就可以获得不同的放大倍数。,AD600的性能参数如下表所示：增益范围低输入噪声宽频带群时延输入电阻增益控制端输入电阻030dB 1.4nV/HzDC-35MHz2ns100欧15M从上述参数看到，该芯片的性能完全满足需要。据题目要求要实现六级步进，因此需要六种控制电压。由于该芯片对控制端的输入电压非常敏感，充分的保证控制电压的稳定性是极其重要的。实际上我们是通过基准源分压得到。在实现增益步进时，只需通过模拟开关选择来选择不同的控制电压即可。具体电路如下图所示：按照AD600的特性,将第一脚(负增益控制)接-0.625V计算出十六脚(正增益控制)控制电压分别为:增益 0 dB 6 dB 12dB 18dB 24dB 30dB 控制电压 0 V 0.1875V0.375V0.5625V0.75V0.9375V考虑到AD600有一定的增益误差,级联后再进一步细调。 3后级放大部分采用固定增益为10dB的同向放大器 ，兼顾到了AD600带负载能力不够的因素，其核心部件为高精度宽带运算放大器MAX477。该芯片刚好满足输出有效值大于3V，同时带600欧负载电阻所需的输出功率的要求。具体电路如下图所示： 4峰值检测电路利用检波二极管单向导通的特性，在信号正半周时对电容C进行充电，只要充电的速度大与放电的速度，C两端的电压就能保持在最大电压值处，然后由一级用运放AD844构成的射极跟随器输出电压值，有效的隔离了电容C与外部电路的输入电阻，使电容的电压值相对稳定。如下图所示: 5电源部分采用变压器变压再加上三端稳压器LM317的线性直流稳压电源，可以实现电压的连续可调，还可以显示电压值。共有独立的四路，自由组合出正负12v和正负6v的电压，满足系统的需求。整体电路图如右：6抗干扰措施（1）数字部分和模拟部分隔离供电。（2）所有模块的电压输入端采用一个100uF和0.1uF的电容并联接地,形成一个电荷池,有效的抑制了外来干扰。7A/D转换电路根据题目要求最大输出电压有效值3V，数字显示输出正弦电压，有效值输出噪声电压峰-峰值VoN 0.5V，因此用A/D转换器测量峰值检测电路的输出结果时，要求输入范围至少为0到4.28V 分辨率要高于0.1v，就已经满足要求。由于在本系统中加入了实际放大的DB输与设定的DB数之间的误差测量模块，对输入输出信号（特别是幅度较小的输入信号，一般在几十毫伏的数量级）测量的精度要求大为提高，我们采用了Maxim公司的12位A/D转换器MAX197 ，它的输入范围软件可调具有05V ,010V,-55V ,-1010V四种模式，同时具有八个模拟通道，可以巡回测量，大大简化了电路设计。它是以写控制字写信号的下降沿来启动转换，而且每次转换前都要重新写入控制字。相对于FPGA的高速计数器而言是一个慢速设备，因而采用查询的方式读数，否则容易造成读数不准。考虑到Cyclone的电气特性，在A/D的输出端加上TTL型的双向缓冲74LS245，具体的接法见下图所示：8数字控制部分本系统由单片机和FPGA共同来控制。FPGA 中的总线控制器完成对键盘的自动扫描和键值读取、LCM的显示以及A/D与单片机之间的数据交互的控制，而单片机则负责对数据的运算处理，包括键值的判断、增益控制误差的分析以及输出有效值的计算。FPGA中控制器具体如下图所示：五、系统软件的设计1系统设计根据题目要求，要实现增益值6级可调，步进间隔6dB、增益预置值与实测值误差的绝对值2dB、显示预置增益值以及显示输出正弦电压有效值的控制和界面显示功能，我们硬件上采用8位CPU AT89S52，通过C51编程实现。单片机主要完成读键值、计算当前误差和送显示的功能。而FPGA（采用Atera公司的Cyclone系列的EP1C6QC240）则作为一个总线控制器，对键盘、液晶和A/D与单片机之间的数据交换进行管理。采用VerilogHDL语言在Quartus5.0的环境下编程实现。2软件流程图系统初始化送默认增益控制字测量当前输出有效值和增益控制误差显示测量结果否有调整键按下是是递减键是递增键增益控制字减6增益控制字加6送新的增益控制字六、测试数据与分析1使用仪器及型号清华同方计算机：CPU+内存+操作系统直流稳压稳流电源：型号SG1733SB 直流稳压电源 60M数字存储示波器：型号 Tektronix TDS 1002 数字信号源：型号Tektronix AFG310 万用表：型号 FLUKE 17B DIGETAL MULTIMETER 2测试方法 将各级电路级联起来,输入100KHz，峰峰值为100mV的正弦信号，接入600欧姆的负载。先调整10dB增益,即调节后级放大电路的反馈电阻.然后分别将增益设置在16、22、28、34、40dB，细调输出控制电压的分压电阻。通过这种方法理论上可以将误差控制到极小的范围。3测试数据（1）输入阻抗 在输入端串入一滑动电阻，改变电阻值，当输出信号为串入电阻前的一半时，得到的即是电路的输入电阻。经过测试，其大小为1.5兆，满足题目的要求（2）输出最大有效值 输入频率为100KHz ，峰峰值为100 mV的正弦信号，设置增益为40dB，得到输出电压有效值为3.75V。满足题目要求大于3V的要求。（3）输出噪声电压 增益设为40dB，将输入端短接，得到输出噪声电压为68 mV，满足题目要求小于500mV的要求。（4）频率特性测量 将增益设置28dB，输入100mV的电压峰峰值，将频率从20K变化到5M测试的结果（频率KHz，输出dB）。 频率 20 40 50 70 90 100 200输出2.68 2.702.702.702.722.722.74dB 数29.2429.2129.2329.1829.1629.1629.14频率 300 400 500 600 800 900 1000输出2.72.742.742.742.762.762.76dB 数29.1929.1229.1729.1029.0329.0729.05频率1200140016001800200025002700输出2.762.762.762.762.762.762.76dB 数29.0529.0629.0929.1729.2529.3629.41频率3000330037004000440048005200输出2.762.762.782.822.822.862.90dB 数29.4329.4329.4529.4929.4829.4229.28频率5600600065007000750080008500输出2.902.942.942.963.023.083.10dB 数29.2129.1729.1229.0428.9328.8328.76频率9000100001100012000130001400015000输出3.103.062.882.742.462.101.54dB 数28.6528.5828.4228.1927.7427.5827.50经过以上测试该系统的频带范围为：1K 到 14.6 M（5）增益误差测量预置增益 10dB 16dB 22dB 28dB 34dB 40dB显示增益8.73 16.28 22.97 29.16 35.32 41.09由于我们采用选通控制电压的方式实现步进，因此通过对精密电阻的调节可以使各个步进值的增益刚好满足要求，也就是说增益的实际值与设定值之间的误差几乎为零，但是为了方便的看到当前的增益，我们在系统中加入了增益监测功能，即对系统的输入和输出进行监测，然后算出测量出的增益值，如上表所示，可以看到，监测部分的测量误差也不超过1.5dB。（6）AGC电路的测试由于器件限制，我们没有做后级功率放大部分，不能满足AGC输出有效值在4.5V以上但是AGC效果明显。（以下数据均为峰峰值，单位均为伏特，测试频率为200K）输入0.1060.1700.2100.2500.3100.420.450.52输出5.806.086.166.286.406.646.726.80输入0