簡(jiǎn)易數(shù)字控制寬帶放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李一鳴，榮　軍，鄧　斌，易學(xué)良（.湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南岳陽(yáng)44006；2.湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)44006）

簡(jiǎn)易數(shù)字控制寬帶放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李一鳴1，榮軍2*，鄧斌1，易學(xué)良1
（1.湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006；2.湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006）

設(shè)計(jì)一種數(shù)字控制的高增益寬帶寬放大器，提出了采用多個(gè)放大器直接耦合級(jí)聯(lián)方式，通過(guò)理論分析合理選擇各級(jí)增益的分配，明顯改善了放大器的低頻特性，極大地提高了增益范圍。系統(tǒng)由前置放大電路、程控增益放大電路、通頻帶選擇電路、功率放大電路、單片機(jī)控制電路以及電源模塊6個(gè)部分組成。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠完成0MHz～10MHz頻率范圍內(nèi)的0 dB～80 dB增益步進(jìn)可調(diào)功能。在增益為60 dB時(shí)，輸出電壓噪聲峰峰值小于0.3 V，很好的完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

數(shù)字控制；帶寬放大器；預(yù)置增益；巴特沃斯；通頻帶；

放大器是一種能把電壓信號(hào)或者電流信號(hào)進(jìn)行放大的的裝置，在電學(xué)中能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)和功率放大，廣泛應(yīng)用于通訊、廣播、雷達(dá)、電視和自動(dòng)控制等各種電子設(shè)備中［1，2］。放大器也是現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器中不可缺少的一個(gè)部分，儀器的靈敏度越高，噪聲要求越低，越需要高增益，高性能，低噪聲的放大器。由儀器的實(shí)際功能和要求的不同，對(duì)放大電路的要求也不一樣，如放大器的帶寬，增益高低，輸入輸出阻抗的高低等等。本文設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易數(shù)字控制的寬帶放大器，主電路采用多級(jí)級(jí)聯(lián)放大，控制電路以MSP430G2553為主控芯片，功率放大電路由多個(gè)高速緩沖芯片BUF634并聯(lián)組成，擴(kuò)大了電流輸出范圍，實(shí)現(xiàn)了功率放大，具有精度高以及性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

1　理論分析與計(jì)算

1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)寬帶直流放大器，并要求自制供電所用的直流穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）電壓增益 AV≥40 dB，輸入電壓有效值Vi≤20mV，AV可在0 dB～40 dB范圍內(nèi)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)；

（2）最大輸出電壓正弦波有效值VO≥2V，輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真；

（3）3 dB通頻帶 0 MHz～5 MHz，在 0 MHz～4MHz通頻帶增益起伏不大于1 dB；3 dB通頻帶0MHz～10 MHz，在0MHz～9 MHz通頻帶增益起伏不大于1 dB。

1.2放大器的增益帶寬積分析

增益帶寬積（GBP）是指有源器件或電路的的增益與其規(guī)定帶寬的乘積，它是評(píng)價(jià)放大器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由設(shè)計(jì)要求可知，信號(hào)的最高頻率為10MHz，最大電壓增益不小于60 dB，即放大1 000倍，則單級(jí)放大的增益帶寬積為：10MHz×1 000=10 GHz。為了減小增益帶寬積對(duì)器件的要求，本文采用分級(jí)放大的方式，既能滿足設(shè)計(jì)要求的60 dB的放大增益，又使得器件易于選擇。

本文選擇VCA810作為程控增益放大電路的核心器件，其增益控制范圍為：-40 dB～40 dB，其他部分的電路都是根據(jù)VCA810來(lái)設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)要求輸入電壓有效值不大于10 mV，最大輸出電壓有效值不小于10 V，即峰峰值不小于28.28 V。系統(tǒng)增益不小于60 dB，而VCA810的最大輸出電壓峰峰值為3.6 V，所以必須合理分配電路的各級(jí)放大倍數(shù)。

本文將VCA810作為系統(tǒng)的第1級(jí)放大，增益范圍為：-40 dB～40 dB，再增加兩級(jí)OPA690前置放大，放大26 dB。而后經(jīng)過(guò)濾波電路衰減6 dB，后級(jí)功率放大電路中，AD811固定放大20 dB，所以整個(gè)系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)范圍為：0 dB～80 dB，放大器的各級(jí)增益分配如圖1所示。

圖1　放大器各級(jí)增益分配圖

1.3抑制直流零點(diǎn)漂移分析

在多級(jí)放大電路中，當(dāng)信號(hào)頻率很低或者為直流時(shí)，級(jí)間不能采用阻容耦合或者變壓器耦合，此時(shí)需采用直接耦合方式，即前級(jí)放大電路的輸出端直接與后級(jí)放大電路的輸入端連接在一起，這種耦合方式既能放大交流信號(hào)，又能放大直流信號(hào)。但是卻產(chǎn)生了一個(gè)新的問(wèn)題，即零點(diǎn)漂移，如何解決零點(diǎn)漂移問(wèn)題是放大器設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)要求通頻帶為5 MHz時(shí)，0 MHz～4 MHz內(nèi)平坦度優(yōu)于1 dB；通頻帶為10MHz時(shí)，0MHz～9 MHz內(nèi)平坦度優(yōu)于1 dB，即誤差小于12%。所以在輸入信號(hào)為直流電壓時(shí)，輸出信號(hào)起伏要在1 dB以內(nèi)，即當(dāng)增益為60 dB，輸入信號(hào)為有效值10 mV時(shí)，最后輸出的零點(diǎn)漂移電壓要小于10 mV×60 dB×12%=1.2 V。為了保證最后輸出的零點(diǎn)漂移電壓盡可能小，系統(tǒng)在程控增益放大電路和前置放大電路中加入偏置調(diào)零電路，并且采用分級(jí)消除直流的方法更好的抑制零點(diǎn)漂移。另外在制作電源時(shí)，盡量減小電源的輸出紋波，減小其對(duì)電路的影響。并且都選用低失調(diào)、低溫漂的芯片。

2　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用MSP430G2553作為控制核心，采用VCA810作為程控增益的核心器件，BUF634作為功率放大的核心器件，系統(tǒng)主要包括6個(gè)模塊組成：可控增益放大電路、前置放大電路、濾波電路、功率放大電路、電源電路、單片機(jī)控制模塊。系統(tǒng)的增益調(diào)節(jié)范圍為：0 dB～80 dB，其中由VCA810組成的可控增益放大電路能實(shí)現(xiàn)-40 dB～40 dB的調(diào)節(jié)范圍；前置放大電路由OPA690組成，固定放大26 dB；濾波電路由兩個(gè)巴特沃斯濾波器組成，用于選擇系統(tǒng)的通頻帶；功率放大電路由AD811固定放大20 dB，再由多片BUF634并聯(lián)輸出，用于擴(kuò)大輸出電流；電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)提供電源；單片機(jī)控制部分作為系統(tǒng)的控制核心，可通過(guò)按鍵預(yù)置電路的增益大小和通頻帶，并通過(guò)液晶12864顯示出來(lái)。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖

2.1程控增益放大電路設(shè)計(jì)

程控增益放大電路圖如3所示，在圖3中輸入信號(hào)從VCA810的反相輸入端輸入，電阻R1是用于阻抗匹配，同時(shí)滿足輸入電阻50Ω的要求。為了抑制零點(diǎn)漂移問(wèn)題，在VCA810同相輸入端用電位器R2進(jìn)行調(diào)零。電源通過(guò)磁珠濾波后，采用10 μF電容和0.1μF電容并聯(lián)進(jìn)行濾波，10μF電容用于濾除低頻噪聲，0.1μF電容用于濾除高頻噪聲，最大程度減小電源對(duì)電路的影響。通過(guò)單片機(jī)控制三極管Q1的導(dǎo)通來(lái)控制繼電器U3，可以選擇增益手動(dòng)連續(xù)可調(diào)或者步進(jìn)可調(diào)。當(dāng)選擇手動(dòng)連續(xù)可調(diào)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)R8的大小來(lái)調(diào)節(jié)電壓增益；當(dāng)選擇步進(jìn)可調(diào)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的DAC輸出直流電壓，首先經(jīng)過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換，將DAC的輸出阻抗變?yōu)榈洼敵鲎杩?，而后?jīng)過(guò)一級(jí)減法電路，將DAC的輸出電壓進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，將DAC輸出的正電壓變換為-2 V～0 V的負(fù)電壓來(lái)控制VCA810的電壓增益［3］。

圖3　程控增益放大電路

2.2前置放大電路設(shè)計(jì)

信號(hào)經(jīng)過(guò)VCA810程控放大后，進(jìn)入前置放大電路，前置放大電路原理圖如圖4所示。圖4設(shè)計(jì)了兩級(jí)固定增益6 dB和20 dB的前置放大電路，電路由電壓型運(yùn)放OPA690構(gòu)成反向放大電路組成，第1級(jí)放大倍數(shù)由R13和R11決定電路的電壓增益為R11/R13=2倍，即6 dB。第2級(jí)放大倍數(shù)由R14和R12決定電路的電壓增益為R12/R14=10倍，即20 dB。與前面分析的增益放大電路類(lèi)似，這里也加入了零點(diǎn)漂移補(bǔ)償電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R3和R6的大小，可解決電路的零點(diǎn)漂移問(wèn)題［4］。

2.3濾波電路設(shè)計(jì)

為了能夠預(yù)置通頻帶，系統(tǒng)采用兩個(gè)繼電器U1和U2用于切換濾波網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通頻帶的切換。濾波器用50Ω電阻匹配，所以經(jīng)由濾波網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)會(huì)有6 dB的衰減。濾波電路如圖5所示。

圖4　前置放大電路

圖5　通頻帶選擇電路

2.4功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大電路由電流反饋型運(yùn)放AD811和高速電流緩沖器BUF634構(gòu)成，兩者都可使用±18 V電源供電。其中AD811具有2 500 V/μs的高壓擺率，完全能滿足題目的輸出電壓要求。本設(shè)計(jì)中AD811固定放大 10倍，此時(shí)的帶寬高達(dá) 100 MHz。BUF634的帶寬為30 MHz，壓擺率也高達(dá)2 000 V/μs，輸出電流為250mA，為了實(shí)現(xiàn)高輸出電壓并驅(qū)動(dòng)50Ω負(fù)載電阻，電路采用4片BUF634并聯(lián)，功率放大電路如圖6所示［5］。

2.5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前置放大部分需要±5 V供電，功率放大電路需要±18 V供電，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)±5 V的電源和±18 V的電源。本設(shè)計(jì)中采用三端可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317和LM337其輸出電壓范圍為：±1.2 V～±37 V，具體電路如圖7所示。在電路圖7中，交流電壓經(jīng)由變壓器后輸入到整流橋D3，而后正電壓輸入到LM317的輸入端，負(fù)電壓輸入到LM337的輸入端。圖中的電容為濾波電容，電感為濾波電感。電阻R3和R4分別用于調(diào)節(jié)正負(fù)輸出電壓大小［6-7］。

圖6　功率放大電路

2.6系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

軟件程序部分采用模塊化設(shè)計(jì)，由一個(gè)主程序和幾個(gè)子程序組成。主程序通過(guò)調(diào)用子程序完成相應(yīng)的功能。其中主程序流程圖如圖8所示。包括初始化模塊、按鍵掃描設(shè)定模塊、預(yù)置增益模塊、AGC調(diào)節(jié)模塊以及液晶顯示模塊［8］。

圖8　主程序流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1放大器基本性能測(cè)試

測(cè)試儀器：FLUKE 17B數(shù)字萬(wàn)用表、RIGOL MSO2202A數(shù)字存儲(chǔ)示波器。測(cè)試方法：用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率1 MHz，有效值分別為10 mV，100mV，1V，2.5V正弦波輸入，在帶50Ω負(fù)載的條件下測(cè)試輸出信號(hào)。直流測(cè)試和交流測(cè)試結(jié)果分別入表1和表2所示，從表1和表2看出實(shí)測(cè)增益與預(yù)置增益誤差小于0.1 dB，超過(guò)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

表1　放大器基本性能測(cè)試（輸入信號(hào)為直流）

表2　放大器基本性能測(cè)試（輸入信號(hào)為交流）

3.2放大器通頻帶測(cè)試

測(cè)試方法：放大器的通頻帶分別設(shè)置為5MHz 和10 MHz的工作模式下，用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為0.1 V的正弦波，預(yù)置增益為40 dB。改變信號(hào)的頻率，用示波器測(cè)輸出信號(hào)大小，測(cè)試結(jié)果如表3和表4所示，從表3和表4可以看出放大器可預(yù)置通頻帶，分別為0MHz～5MHz和0MHz～10 MHz兩點(diǎn)。當(dāng)設(shè)置為0MHz～5MHz時(shí)，放大器的-3 dB截止頻率為5MHz，0MHz～4MHz內(nèi)，增益起伏小于0.7 dB；當(dāng)設(shè)置為0 MHz～10MHz時(shí)，-3 dB截止頻率為10MHz，0MHz～9MHz內(nèi)，增益起伏小于0.5 dB，完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表3　5MHz通頻帶測(cè)試

表4　10MHz通頻帶測(cè)試

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以寬帶壓控增益放大器VCA810為核心的數(shù)字控制寬帶放大器系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過(guò)程分為：系統(tǒng)的方案論證、核心器件的選型、各個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的整體調(diào)試。從系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析可知，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)重點(diǎn)在于模擬電路的設(shè)計(jì)和器件的選型，使用了一些高性能器件，從而簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。自制穩(wěn)壓電源效率較高，并且采用低功耗的單片機(jī)，整個(gè)電路設(shè)計(jì)成本較低，功耗小，性價(jià)比高，十分具有應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 趙碧杉，曾攀，謝桂輝.一種可編程寬帶放大器的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（7）：26-28.

［2］ 黃根春，陳小橋，張望先.電子設(shè)計(jì)教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：3-5.

［3］ 朱洪偉，黃寧，諸建平.寬帶固態(tài)功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（51）：184-186.

［4］ 基于AD603數(shù)控高增益寬帶放大器的設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，33（1）：82-84，13.

［5］ 高繼坤.運(yùn)算放大器應(yīng)用電路的分析［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1989：116-118.

［6］ 榮軍，楊學(xué)海，陳超，等.基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易恒流源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2013，36（2）：225-229.

［7］ 胡國(guó)珍，馬學(xué)軍，陸小洲，等.一種兩級(jí)式LED恒流驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2015，34（1）：44-47.

［8］ 王建校.51系列單片機(jī)及C51程序設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：223-228.

李一鳴（1979-），女，漢族，湖南岳陽(yáng)人，碩士，講師，湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，410006，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用和電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，93210179@qq.com；

榮軍（1978-），男，漢族，湖南岳陽(yáng)人，碩士，講師，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，410006，主要從事開(kāi)關(guān)電源以及學(xué)生考賽指導(dǎo)工作，rj1219@163.com。

Design and Implementation of Simple Digital Control Broadband Amplifier*

LI Yiming1，RONG Jun2*，DENG Bin1，YI Xueliang1
（1.School of Computer，Hunan Institute of Scienceand Technology，Yueyang Hu'nan 404006，China；2.Schoolof Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Scienceand Technology，Yueyang Hu'nan 404006，China）

A digital control and high gain wide bandwidth amplifier is designed.Direct-coupling cascademode with multiple amplifiers is proposed，and reasonable selection of the distribution of gain atall levels is analyzed through theoretical analysis，and itgreatly improves the low frequency characteristic and greatly improves the gain range of the amplifier.The system consists of six parts：the preamplifier circuit，programmable gain amplifier，filter circuit，power amplifier circuit，single-chipmicrocomputer control circuitand power supplymodule.The system can accomplish from zero to eighty dB gain step adjustable function during zero to ten MHz frequency range through testing. When the gain is 60 dB，the outputvoltage noise peak-peak is less than 0.3 V，so it is very good to complete the design index of the system.

digital control；bandwidth amplifier；presetgain；Butterworth；passband

TM 46

A

1005-9490（2016）04-0879-07

項(xiàng)目來(lái)源：湖南省教育廳一般項(xiàng)目（15C0620，15C0622）

2015-08-05修改日期：2015-09-17

EEACC:122010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.025