电子竞赛题目可变增益宽带电流放大

1、目录1、方案论证.31.1、控制器选择.32、分析与计算.4 2.1 增益带宽积.42.2 通频带内增益起伏控制.42.3 线性相位.42.4 抑制直流零点漂移.42.5 放大器的稳定性.43、硬件设计3.1 放大电路的设计.43.2 D/A 转换电路.53.3 滤波器电路.53.4 调零电路.63.5 驱动级放大电路.63.6 键盘与显示电路.64、软件设计.6 4.1 程序流程图.64.2 程序分析75、测试方案与测试结果8可变增益宽带直流放大器摘要：本文设计了一种前置放大电路，在较宽的频率范围内具有良好的直流和交流特性。该电路输出频率(DC-5MHz),电压增益连续可调等优点。该设计前级

2、放大电路由AD8056 两级串联组成，通过继电器控制实现 -20、0dB、20dB、40dB 放大。利用乘法型 D/A 转换芯片 TLC7628 组成增益的乘法器。高带宽的电流反馈型运放 AD811 组成的后级放大电路是本系统的驱动级，可实现 20dB 放大。整个系统由单片机控制继电器与 D/A 转换器，当输入小信号时，具有较高的带宽并且可以实现至少 -2040dB 连续可调与带宽预置显示的功能。该系统简单、设计新颖，性价比高。关键字：宽带 增益连续可调 预置增益1、方案论证 1.1、控制器选择方案一： 用单片机控制 D/A 转换器来产生连续可调的电压； 用 D/A 产生的电压来控制压控增益放

3、大器实现对信号的 020dB 增益连续可调；再选择通过两级 20dB 增益的放大器，最终实现放大器增益在 -2040dB 范围内连续可调。基本框图如图 1-1 所示。方案二：输入信号先通过两级 20dB 增益的放大器，实现信号的 40dB 放大；在通过模拟乘法器实现 -2040dB 的衰减；信号再通过一级 20dB 增益的放大器，实现增益在 -2040dB 范围内连续可调。基本框图如图 1-2 所示 方案三： 输入信号通过两级 0dB 和 20dB 增益可设置的放大器，可对信号实现 0dB、 20dB、40dB 放大；再通过 D/A 转换器对信号实现 020dB 的连续衰减；最后使信号再通过一

4、级 20dB增益的放大器，对信号实现 -2040dB 放大连续可调。基本框图如图 1-3 所示。方案比较：以上各方案均可对信号实现 -2040dB 放大连续可调。通过分析可知，方案一中用到的器件较多并且一些器件的价格比较贵，经济性、可操作性没有其它方案高；方案二要求模拟乘法器最大实现 1000 倍的衰减， 这在实际中较难实现； 方案三用到的器件比较少，器件的价格也不贵， 同时对器件性能的要求也不是很苛刻。 综上所述， 放大电路我们选择方案三。二、 理论分析与计算2.1 增益带宽积增益带宽积=增益带宽。本次设计发挥部分要求 3dB 的通频带为 010MHz，当运放器件工作到了一定频率的时候会因为

5、内部工艺或其他的分布电容等因素而造成放大倍数下降，因此我们选用高增益带宽积的运放。AD8056、AD811 具有高增益带宽积、低噪声、低失真、低相位误差的特，AD8056 的 3dB 通频带为 140MHz， 当增益为 5 时带宽为 16MHz 左右，AD810 增益为 2 时，3dB 通频带为 120MHz，完全满足题目 3dB 通频带 010MHz 的要求。2.2 通频带内增益起伏控制我们选用高宽带的运算放大器 AD8056 与 AD811，当信号频率较宽时，通常运放会在通带截止频率处有明显过冲，因此采用多级级联，从而获得良好的通带平展性。还可以在输入端串联小电阻或在输出端接负载来控制通频

6、带内增益的起伏。2.3 线性相位 从系统的频率响应来看， 就要求它的相频特性是一条直线。 题目要求放大器的带宽可预置并显示（至少 5MHz、 10MHz 两点） ， 比较各滤波器类型可知， 贝塞尔滤波器波特图中通带起伏小,阻带衰减大,在群延迟特性图中,通带内延迟平坦, 且表现出最平坦的群延迟特性(延迟小于 18ns),其相频也具有良好的特性。2.4 抑制直流零点漂移 运放偏置电流过大，电路放大倍数大，电源电压不稳，信号线过长均会造成直流零点漂移。为了减小直流零点漂移，我们采用低偏置电流的运放 AD8056、AD811 实现固定增益的放大。在电路中加入调零电路，使电路具有良好的直流特性。2.5

7、放大器的稳定性 题目要求在较宽的频带范围内具有良好的通带平展性，在电路设计中选用低失真度、低噪声的运放以及选择低温漂的金膜电阻，尽量减小信号线的长度，对电源进行去耦设计等施以保证放大器的稳定性。三、系统的硬件设计3.1 放大电路的设计 该电路前端加保护电路保护运放。有源放大采用同相输入接法，可提高输入阻抗，增大共模抑制比。电路如图 3.1 所示，电压放大倍数为：Au=1+RA1/RA6=1+910/10010通过单片机控制继电器实现 0dB、 20dB、 40dB 的放大功能。 反馈电阻 RA1 的选择， 原则上不能太大，若阻值太大，则寄生的电感电容也会很大，会限制带宽；也不能太小，若阻值太小

8、，容易造成幅度过冲。为了减小电源和地线对高频信号的干扰，电路加入去耦电容3.2 D/A 转换电路 TLC7628 为双通道 8bit 数模转换器，把两个 8bit 的 D/A 串联成一个 16bit 的 D/A，其衰减精度为 1/65536，再利用单片机控制，使其构成 020dB 连续可调的衰减电路。该衰减电路通过继电器可与三个增益同为 20dB 的放大电路的不同组合可构成 -2040dB 增益连续可调的放大电路。3.3 滤波器电路该电路为二阶低通压控电压源型贝塞尔滤波器。滤波器参数为：Kp=Kf=1+(RFB3/RFB4)Kf 当运放工作在跟随状态,R1=470欧姆,3 db 带宽为 5MH

9、z 时计算可得 CFB5=79P ,RFB1=470欧姆，CFB6=43P。同理可得，可计算通频带带宽为 10MHz 时的参数。3.4 调零电路当电路具有直流零点时，通过调零电路进行调节。如图 3.4 3.5 驱动级放大电路 固定增益放大器电路由电流反馈型放大器 AD811 组成，电路如图 3.4 所示。电压放大倍数为 10 倍。AD8056 为低功耗电压反馈型放大器，且供电电压为 5 V ；AD811 为电流反馈型放大器，供电电压为 15 V ,本次设计前两级放大器供电电源均为 5 V ，第三级放大器供电电源为 15 V ，提高了电源的效率。固定增益放大器电路由电流反馈型放大器 AD811

10、组成，电路如图 3.4 所示。Au=1+RA18/RA13=1+910/100=10。题目要求负载电阻为50欧姆，为了提高电阻的过载能力，则50欧姆负载电阻由串并联实现。3.6 键盘与显示电路 四、 系统的软件设计4.1 程序流程图4.2 程序分析 程序流程图如图 4-1 所示，系统上电后，程序首先对控制电路的各种参数进行初始化，使系统进入初始状态；然后对扫描键盘进行扫描，并判断有没有模式改变，若有则进入相应的功能模块。本系统设计了四个按键。通过按键可以设定系统功能、调节系统模式、以倍数为单位连续调节增益值、以 dB 为单位连续调节增益值。以倍数为单位连续调节增益值提高了分辨力。五、测试方案为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试，具体测试方法如下：先调整0dB，使输出信号和输入信号幅度相等，接上50W的负载电阻进行整机测试测试结果如下（1）输入阻抗。电路设计的输入阻抗等于50W，满足题目要求。（2）最大输出电压正弦波有效值测量。输入加100kHz正弦波，调整输入电压和增益测得不失真最大输出电压误差小于2%，达到题目要求。（3）输出噪声电压测量。增益调节为40dB，将输入端短路，测得输出电压峰-峰值为270mV左右，小于题目要求的0.3V。（4）频率特性测量。增益设为40dB，输入端输入有效值为10mV的正弦