2015可控增益射频放大器设计报告.docx

摘要系统采用四级放大，电源选用LM1875将单电源转换为双电源，选用LM317、LM337和四输出变压器组成两组直流可调稳压电源，用作正负电源，选用LMH6552芯片搭建全差分放大电路，选用宽频带压控增益放大器VCA821控制增益。放大器输入5mV,100MHz时，输出电压有效值为2.9V大于2V，增益大于52dB；50MHz-160MHz频率范围内增益波动都在2dB内；通频带在60MHz-200MHz内。完成了所有基本部分的要求和部分发挥部分的要求。关键词：射频放大器、VCA821、可控增益、VGA一、系统方案论证与选择11.1 系统电源转换选择11.2 系统电源稳压方案21.3 高频放大器的选择21.4 MCU的选择2二、理论分析与参数计算32.1 射频放大器设计32.2 频带内增益起伏控制32.3 射频放大器稳定性32.4 增益调整3三、 电路与程序设计43.1 电路设计43.11电源模块43.12 放大模块43.13 增益控制模块53.2 程序设计53.21 软件设计原理及设计工具53.22 程序流程图5四、测试方案与测试结果64.1 测试方案及条件64.11 测试仪器64.12 系统测试64.13 测试结果分析7五、 附录9 1、总电路图92、程序代码11一、系统方案论证与选择系统主要由电源模块、放大模块、增益控制模块、最小系统模块组成。下面分别讨论这几个模块的选择。1.1 系统电源转换选择该系统提供+12V单电源。在放大器设计中，若采用单电源Vcc供电，则需将运放的输入端的一端电压抬高为Vcc/2，这样才能获得最大幅值，但是这样的设计方案会增加系统的复杂性，运放的工作电流会非常大，运放发热量大，使系统难以保证稳定工作。为此，该射频放大器采用双电源供电。图 1方案一：如图1.1.1，采用两只阻值一样的大功率电阻，用电阻分压的方式获得正负电源，但是这种电路自身消耗大，阻值较大时带负载的能力又太弱。图 1.1.1方案二：在方案一上加以改进，如图1.1.2增加两个三极管，加强了电路的带负载能力，其输出电流的大小取决于Q1和Q2的最大集电极电流ICM。通过反馈回路可使两路负载不相同时也能保持正负电源基本对称。图 2方案三：将运放接成电压跟随器，输出电流取决于运放的负载能力。如需较大的输出功率，可采用开环增益提高的功放集成块，例如TDA2030、LM1875等。这种电路简单，但性能较前面电路都好。综上，选择方案三。该芯片价格较便宜，外围器件简单，纹波小，效率高，输出功率高，符合供电要求。1.2 系统电源稳压方案由于射频放大器的频率非常高，对电源的要求也十分苛刻，必须保证能提供低纹波的电源。方案一：采用7905，7805芯片设计正直流稳压电源，此系列芯片最大输出电流1.5A，能满足系统的电源要求，但是该系列稳压芯片的输出纹波比较大。方案二：采用LM317和LM337和四输出变压器组成两组直流可调稳压电源，用作正负电源，调压范围在1.26-37V之间，纹波可低于4mv，最大输出电流为1.5A，带负载能力强。可满足题目要求。综合分析，选择方案二。1.3 高频放大器的选择方案一：使用分立元件搭建共基极放大器。在三极管搭建的三类放大电路中，共基极放大器电压增益大，电流增益小，输出电阻小，适合于高频工作。但由于题目要求的频率范围大，故对于放大三极管型号的选择以及电路的搭建布线等都要求较大，实行起来比较困难。方案二：使用LMH6552芯片搭建的全差分放大电路。该芯片适用频率高，增益Av=1时，带宽可达1Ghz，带宽大，带宽内增益波动小，电路搭建布线等相对容易。VCA821是一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，按V/V线性变换，最大工作频率宽度可达710MHz。放大器增益由控制电压决定，增益调节范围超过40dB，需单极性电压进行控制，不易产生自激。正负5V供电。有较高的输出电流和增益精确度。综合分析，选择方案二。满足题目要求（3dB的通频带不窄于40MHz200MHz）。增益可控放大器在75MHz108MHz频率范围内增益波动小，最大频率大于130MHz，满足题意（3dB的通频带不窄于60MHz130MHz），并且输出电流较大和增益精确度较高。1.4 MCU的选择方案一：选择STC89C52RC单片机STC89C52RC以8051为内核的8位微处理器。4K程序存储器（ROM），128B数据存储器（RAM）,5V左右供电，4组8位并行I/O口，两个定时器，外接612M晶振。操作简单，价格最便宜，但51单片机内部没有ADC和DAC功能，需要外接专用芯片。增加了电路的复杂程度。方案二：选择MSP430F169单片机MSP430F169是16位超低功耗，具有精简指令集的混合信号微处理器。工作电压范围3.3V左右。内含有定时器A和定时器B，具有捕获，比较功能。12位ADC和12位DAC，有较高的转换速度，能够满足大多数数据采集应用的需要。6组I/O口满足一般情况下使用。与此同时，价格相对便宜，且易于控制。综合分析，我们组选择方案二。该单片机价格适中，操作较为简单，内含12位DAC，输出电压范围02.5V，可以控制射频放大器增益。二、理论分析与参数计算2.1 射频放大器设计题目中要求放大器增益可控并且通频带上限截止频率至少为160MHz，增益至少为52dB，在50MHZ-160MHz范围内波动不大于2dB。因此射频放大器的选择需要宽带范围大，增益可变且线性控制的放大器，VCA821在性能上满足要求。题目要求放大器电压增益至少52dB,当输入电压为5mV是输出电压有效值至少为2V 。 2 x 2=5.656 V即峰峰值至少为5.656 V 放大器既要保证有很大的增益又需要宽频带，高平坦度。因此设计四级放大电路，以满足题目52dB的增益和40MHz-200MHz的通频带以及在50MHz-160MHz范围内增益波动小于2dB的要求。2.2 频带内增益起伏控制造成频带内增益起伏的原因很多，其中包括运放幅频响应不平坦及供电电源不稳定等。为了防止因为放大倍数过高而使起伏变大，所以我们将电路增加级数，将每一级的放大倍数变小，并且引入电压并联负反馈，稳定输出电压，减小输出电阻，提高带负载能力，这样可以满足带宽及增益要求且减小频带内增益起伏。调节耦合电容容值改变容抗可以控制频带内增益起伏变化。2.3 射频放大器稳定性本系统为射频宽带放大器，频率很高，并且放大倍数较大，为不影响宽带，采用多级级联，但是系统稳定性容易受到影响并且容易产生自激现象。为了提高放大器的稳定性，必须要将供电电压滤波，否则容易混入高频噪声，这里我们通过屏蔽盒进一步对外界影响进行巩固。系统的稳定性主要取决于系统的相位裕量，所以必须要留有适当的相位裕量。在本系统中，将高频信号部分全部采用双面板印制，并且采用铜板大面积接地，减小接地回路，电容电阻全部采用贴片封装，减小元器件的影响。2.4 增益调整VCA821增益控制引脚电压在0-2V内可线性控制增益。题目要求放大器电压增益大于52dB，增益控制步长为4dB。信号通过三级放大并且在最后一级增益可控射频放大器0-40dB范围的线性控制下可以使增益达到52dB（放大倍数约398倍）且步进为4dB。52/4=13 次 2/130.15 V因此DAC需要步进0.15V就可以达到要求。3、 电路与程序设计3.1 电路设计3.11电源模块按照题意要求将单电源转换为双电源，LM1875芯片将+12V转化为10V。图 3LM317和LM337组成双电源将10V转化为5V为系统图 43.12 放大模块LMH6552构成三级全差分放大电路。图 53.13 增益控制模块VCA821压控增益放大器,负载50。 图 63.2 程序设计3.21 软件设计原理及设计工具使用MSP430F169单片机作为控制芯片，通过对I/O端口，DAC，和液晶的初始化设置实现题目的增益步进控制和显示功能。设计工具使用软件开发平台IAR FOR MSP430 6.33.22 程序流程图开始系统初始化液晶初始化DAC初始化PORT1初始化使能总中断显示DAC控制的增益值是否有按键被按下？是否进入PORT1中断，DAC电压增加或减少0.2V结束 四、测试方案与测试结果4.1 测试方案及条件4.11 测试仪器DS4054示波器，直流稳压电源，负载电阻50，EE5113型无线电综合测试仪，SP30120型数字合成扫描仪。4.12 系统测试测试方法：测试采用点频法测量电压增益。测试数据：表1MHz1020304050607080V10.20.20.20.420.550.730.91.06V20.220.240.30.460.620.861.061.31V30.410.420.971.472.062.442.752.94MHz90100110120130140150160V11.171.31.41.471.421.411.451.5V21.521.711.922.012.032.022.032.01V32.922.92.92.722.622.562.472.47MHz170180190200210220230240V11.51.51.51.471.441.471.441.37V22.032.012.021.941.811.821.81.75V32.352.312.342.222.122.212.152.09MHz250260270280290300V11.31.251.21.21.21.2V21.651.521.521.51.451.42V31.971.91.941.941.941.97图 74.13 测试结果分析根据测试结果可知，三组幅频曲线中第三组效果最好。1、 放大器输入5mV,100MHz时，输出电压有效值为2.9V大于2V，增益大于40dB；2、 50MHz-160MHz频率范围内增益波动都在2dB内；3、 通频带在60MHz-200MHz内，小于题目要求的40MHz-200MHz；4、 电压增益大于52dB时，当信号频率小于20MHz时，输出电压有效值为0.42V，不满足题意小于20dB的要求；系统基本满足题目中的各项要求，系统能够完成各项指标得益于选择器件的准确性。选择了高增益高带宽运放LMH6552和可调高增益可衰减器件VCA821，并且采用了多种抗干扰的措施，如使用了SMA头作为输入级，严格遵守芯片厂商的布线意见。在进行个别项目测试时由于空气中以及各种仪器中存在的噪声干扰，所以对前级放大电路做了屏蔽。但是由于比赛时间限制和调参数对整体电路性能有很大影响，高通滤波器的设计达不到要求，不能达到20MHz以下频率有效滤除。5、 附录1、总电路图2、程序代码/*1、按键控制DAC输出电压控制高频放大器增益2、液晶显示增益值*/#include msp430.h#include 12864.hvoid system_init();void DAC();void xianshi();void port1_initial();float num=0;uint shiwei,gewei;void main() system_init(); xianshi(); _EINT(); DAC(); port1_initial(); while(1) shiwei=(uchar)(num*20/10); /增益十位 gewei=(uchar)(num*20)%10; /增益个位 display_graphic_8x16(1,40,*(ASCII_table+shiwei); display_graphic_8x16(1,48,*(ASCII_table+gewei); void system_init()/*外部时钟，看门狗配置*/ uint i; /声明变量 WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /关闭看门狗 BCSCTL1 &= XT2OFF; /打开外部高速晶振 do IFG1 &= OFIFG; /清除时钟未就绪标志 for (i = 0xFF; i 0; i-); /等待外部高速时钟就绪 while (IFG1 & OFIFG); /外部高速时钟就绪？ BCSCTL2 |= SELM_2; /主时钟=外部高速时钟void xianshi() initial_lcd(); /12864液晶显示初始化 clear_screen(); /clear all dots display_graphic_16x16(1,0,zeng); display_graphic_16x16(1,16,yi); display_graphic_8x16(1,32,maohao); display_graphic_8x16(1,64,zimu_d); display_graphic_8x16(1,72,zimu_B);void DAC() ADC12CTL0 |= REF2_5V+REFON; /在ADC中设置DAC的参考电压,开启参考电压 DAC12_0CTL |= DAC12IR+DAC12AMP_5;void port1_initial() P1DIR=0x0f;