具有自动增益控制功能的宽带放大1

1、具有自动增益控制功能的宽带放大器摘 要：本系统有四个模块组成：程控放大器，峰值检测，arduion单片机，液晶。程控放大器采用一片AD603，放大电压增益可达50db，增益1db步进可调，电压增益误差不大于10%，由单片机输出电压控制。放大器输出无明显失真。峰值测量采用真有效值采样芯片AD637先进行有效值采样，然后通过adruion进行AD采样，最后再转换成峰峰值，再在1602液晶上显示出来，系统以arduion单片机为控制核心，经测试验证，系统运行稳定，操作方便。关键词： 程控放大器，峰值检测，AD采样，键盘管理芯片，单片机、AGC功能 1. 方案的论证与比较1.1设计需求1.1.1 基本

2、要求（1）输入50mVP-P正弦电压，输出端50纯电阻负载上获得5VP-P的不失真正弦输出电压，末级必须使用THS3091D芯片；（2）自动增益控制功能：当输入电压由50mVP-P升高到500mVP-P时，输出端50纯电阻负载上的输出电压保持在5VP-P10%；（3）放大器的3dB带宽（断开自动增益控制电路）：下限频率fL100Hz，上限频率fH5MHz，带内增益波动小于2dB；（4）输入50mVp-p正弦电压，输出电压可以在1VP-P5VP-P之间任意设定（Vomin=50mVP-P）。1.1.2 发挥部分（1）在保持输入电压50mVP-P和50纯阻负载上输出电压5VP-P的条件下，将下限频

3、率延伸至fL20Hz，上限频率延伸至fH10MHz；（2）输入电压在10mVP-P到1VP-P之间变化时，输出电压保持在5VP-P10%；（3）放大器输入正弦波时，可测量并数字显示放大 器输出电压峰峰值和有效值，测量相对误差小于10%；（4） 其他。1.2总体方案方案一：选用结电容小，fT 高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成优质的宽带放大器，而且成本较低。但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，影响系统总体性能。

4、另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。方案二：使用专用的集成宽带放大器。如TITHS6022、NE592等集成电路。通过外接少数的元件就可以满足本题目要求，甚至远超过题目要求的带宽和增益的指标，但这种放大器难以购买，价格较贵，灵活性不够，不易满足题目扩展功能要求。方案三：市面上有多种型号、各具特色的宽频带集成运算放大器。这些集成运算放大器有的通频带宽，有足够的增益，有的可以输出较高电压，使用方便，有的甚至可以实现增益可调及AGC的功能。总体上硬件的实现和调试较为简单，所以，我们决定采用多个集成运放级连实现本题目1.2.1增益控控制：方案一：利用电阻网络和拨码开关，手动调

5、节增益，可实现增益控制，但是并非自动调节，另外，利用电阻网络实现增益调节需使用不同阻值的高精度电阻，这种电阻价格昂贵且不易购买。方案二：可以用继电器或模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。这种方案同样存在方案一电阻网络的缺点，同时，如果使用模拟开关，其导通电阻较大，而且各通道信号会互相干扰，容易影响系统性能。方案三：由单片机、D/A转换器和可编程增益放大器AD603构成压控放大器。单片机通过对控制D/A输出直流电压来控制AD603的内部电阻衰减网络，实现增益调节。其外围元件少，电路简单，由于AD603带宽最大能达到90MHz，增益范围有40dB，增益精度在0.5dB,可精确实现增益

6、控制，可以实现题目发挥部分减小增益步进间隔的要求。所以本部分采用该方案。1.2.2峰值检测：方案一：采用分段逼近式有效值检波电路。该方法示值虽然是被测电压的有效值，但由于放大器动态范围的限制，对于被测信号会产生一定的波形误差，并且硬件电路搭接复杂，且稳定性能不好。 方案二：采用真有效值转换芯片 AD637和arduion测量市电有效值。将从THS3091末端输出的信号通过AD637转换成直流信号后接入MAX197，利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到峰值。利用集成电路芯片测量精度高，误差小、稳定性好，硬件电路实现简单，可减小硬件体积，所以本部分采用该方案。1.2.3 处理器选择：由于系统

7、模块所占 用的单片机的IO口较多，而且程序量较大，而且自动增益步进小，对小信号要不进很多才能达到指定范围，所以需要较高速度的微处理器，一般的51单片机难以满足要求，所以综合内存的大小以及运算速度，我们选用arduion单片机，它拥有2K的SRAM，并且时钟频率高达16M，并有20个IO口，能够很好的满足要求，所以本部分采用该方案。采用arduion微处理器。2. 系统设计2.1 理论分析与计算 本系统以可变增益增益放大器AD603为核心，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。由于题目的发挥部分要求输入电压在10mVP-P到1VP-P之间变化时，输出电压保持在5VP-P10%，对于10

8、mv的小信号，至多要将信号放大500倍，而且输入信号的频率范围为120Hz10MHz，故采用AD603先将信号放大100，再用ths3091d放大5倍，单片AD603增益公式为： DB = 40 * Vo+ Go；Vo为1、2脚之间的电压，范围为-500mv500mv，Go根据5、7脚的不同连接方式Go可取10dB,20dB,30dB。本系统将AD603的5脚和7脚通过一个小电阻相连，单级AD603增益调整范围为，040 dB，带宽为30MHz满足设计要求。所以只要正确的控制1、2脚之间的电压就能实现电压的不同放大倍数，从而满足题目要求。2.2 总体设计 根据带宽、电压的放大倍数，系统采用AD

9、603和THS3091级联增益放大器，增益可达500倍，能够满足题目的要求，而且AD603能够满足带宽的要求，有效值测量可有多种实现方案,但选用测量有效值的专用芯片AD637,则电路简洁方便，而且精度较高。由于系统模块所用IO口过多，一般51单片机不能够满足需求，故采用功能较强的ARDUION单片机作为主控机器。通过键盘进行增益和档位的调节，而液晶显示有效值和峰值。系统的整体框图如下:AD637峰值检测THS3091功率放大器AD603可变增益增益放大器Arduion微控制器液晶显示增益控制信号2.3 单元电路电路模块设计2.3.1 自动增益电路 本系统的自动增益控制功能，实际是由增益控制电路

10、转化而来。在输出级加入检波电路，检出直流电压送入A/D采样，经单片机计算后控制pwm波输出，此电压加到AD603的增益控制端，从而控制AD603的增益达到使输出电压恒定的目的。AD603的简化原理框图如图 2-3-1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。而且，如果AD603的增益用dB

11、表示，则与控制电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。图2-1-1图231 AD603原理框图中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，带宽在9MHz 90MHz之间AD603采用5V，5V电源供电，控制端GNEG和另一控制端GPOS接D/A输出，从而精确地控制AD603的增益。AD603的增益与控制电压成线性关系，其增益控制端输入电压范围为-500mv500mv，增益调节范围为40dB，当步进1dB时,控制端电压需增大VG25mv， 所以，步进1dB的控制电压变化幅度为25mv/2=12.5mv。由于AD603的控

12、制电压需要比较精确的电压值。我们使用8位的arduion的内部DA，可满足指标要求。另外，通过A/D采样输出信号，由单片机计算后，再去调整D/A输出电压，就可实现AGC功能。 3. 系统软件设计先初始化系统，即单片机系统的初始化，然后通过单片机系统，见下图主程序流程图。4. 系统功能测试4.1 测试使用仪器 Agilent 33250A 函数信号发生器 Tektronix TDS 2012 数字示波器SS7200。4.2 测试结果完整性及结果分析基础部分在以下输入电压(Vpp)和频率下,手动调节输出范围在1VPP1.5VPP准如完成了发挥部份中的1VPP1.5VPP自动调整,则跳过这部分测量1

13、0mV/100Hz0.1V/1kHz0.5V/10kHz0.7V/20kHz0.8V /30kHz1V /50kHz幅度(/)增益显示DB发挥部分指定输出范围后系统自动检测峰峰值并调整增益输出,显示输出电压峰峰值10mV/10Hz0.1V/100Hz0.5V/50kHz0.7V/100kHz0.8V /200kHz1V /500kHz11.5V()显示Vpp()对数增益()1.52V()显示Vpp()对数增益()22.5V()显示Vpp()对数增益()其它功能:其它自动输出范围输入有效值测量1MHz带宽2mV输入(/)信号放大和控制部分在制作部分难易程度有很大的差别，所以我们采用分模块制作方法

14、，信号放大电路中涉及的是低频小信号的处理，所以元件的选定和参数的确定有很大的难度，关键部分还在于电路元件的布局，如何抑制噪声，防止自激是电路布局的难点，我们采用了单点接地的方法。控制部分电路调试较为简单。5 结束语本系统有Arduion单片机与AD603、AD637等模块组成，基本实现了题目基本部分与发挥部分的要求，部分指标甚至超过了题目的要求。电路控制简便另外采用节省IO资源的键盘管理芯片作为输入，中文液晶显示，友好的人机交互界面。参考文献1 arduion 一试就上手，孙俊荣等著，北京：科学出版社，20122 信号与系统，ALAN V.OPPENHEIM著，西安：西安交通大学出版社，199

15、7年3 数字电子技术基础，阎石著，北京：高等教育出版社，1997年4 单片机原理及应用，李建忠著，西安：西安电子科技大学，2002年5 数据结构与算法，张晓丽等著，北京：机械工业出版社，2002年6 附录 6.1 附录1 元器件明细表1液晶16022. +/-5v电源3. AD6034. AD6375. THS3091D6. arduion6.2 附录2 部分参考程序#include#define AD637 0 /检测波形有效值#define AD603 6 /程控放大器#define N 10 /调节系数LiquidCrystal lcd(3,4,5,8,9,10,11);int i = 0; /PWM控制系数float Vpp = 0,Vrms = 0; /峰峰值，有效值void setup() pinMode(AD637,INPUT);pinMode(AD603,OUTPUT);/液晶显示lcd.begin(16,2);lcd.print(Vpp = ) ;lcd.setCursor(12,0);lcd.print(V);lcd.setCursor(0,1);lcd.print(Vrms = );lcd.setCursor(13,1);lcd.print(V);void loop() /液晶显示Vrms = (float