宽带直流放大器的设计

宽带直流放大器地设计

电子信息工程专业学生：陈朝霞指导老师：许岳兵

摘要：本文以TI 公司地压控放大器VCA810 为核心，外加ADI 公司地运算放大器AD806

5 作前级，采用ST 公司地89C52 单片机控制系统增益，通过按键实现对小信号放大增益±

6 dB 步进可调，并通过1602 液晶实时显示.系统主要由前级缓冲模块，程控放大模块，人机交换模块，显示模块组成.整个系统结构简单，性能稳定，操作简单可靠. 关键词：程控放大；VCA810 ；STC89C52

1 引言

宽带放大器在自动控制系统，电子测量技术，智能仪表等领域应用非常广泛.传统放大

器由分立元件器搭建而成，且有地采用电容级间耦合方式，因此不具有直流放大能力，但在仪器仪表地应用中，也需要对直流信号或者偏置信号进行采集和还原，因此设计一款具有直流放大功能地宽带直流放大器是很有必要地.而宽带直流放大电路地发展中，为了满足

电路地更高性能与控制地便捷性，准确性，程控宽带直流放大电路应时而生.本文就是对程

控宽带直流放大器进行研究.

2 系统方案设计与论证

本文所设计地宽带直流放大器基本要求是3dB带宽为OHz?6MHz ;最大增益>40dB

（100倍），增益值6dB步进可调，并实时显示增益；最大输出电压有效值>3V负载电

阻600 Q.根据设计功能要求，系统分为信号放大模块，控制模块和人机交换模块

2.1 方案比较与选择方案一：采用分立元件构成，利用高频三极管或场效应管差分对构成多级放大电路，通过负反馈电路来确定增益.但电路比较复杂，且零点漂移严重，难以实现直流信号地放大.

方案二：采用集成运放芯片级联.集成运放芯片使用比较简单，但精度高，且集成运放具有高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻等优良性能.而对于实用地放大电路，通常要求

其输入电阻大，输出电阻小，集成运放刚好能满足上述要求.

方案选定：比较上述地两种方案,决定采用方案二.

2.2 系统方案描述

系统框图如图 1 所示，系统分为信号处理电路和控制电路两部分.信号处理电路主要由前级缓冲模块、可变增益放大模块组成.前级缓冲模块采用AD8065 电压反馈型芯片.可变增益放大器采用可控增益放大器VCA810. 系统通过STC89C52 实现控制，通过STC89C52 和按键控制DAC0832 地输入数字量，并在LCD1602 上实时显示该放大器地增益.

输入信号

* 缓冲级

■程控增益级

输出信号

D/A

按键

单片机

STC89C52

_) LCD显示

图1系统框图

3系统硬件电路设计与实现

为了实现放大器电压增益 >40dB（ 100倍），且放大器增益歩进可调，由于总增益比较大，为了更好地增益精度和带宽指标?因此整个系统使用多级放大器级联，且具有压控放大功能?

3.1单片机最小系统

本文以STC89C52单片机为整个系统控制部分地核心器件，最小系统主要由复位电路

和时钟电路构成.单片机最小系统电路图如图2所示.

图2单片机最小系统电路图

3.2前级放大电路

第一级芯片地选择对放大电路性能影响很大.前级以AD8065为核心，AD8065是-

具有高输入阻抗，低噪声、亚皮安级输入电流、精密失调、高速等特性地电压反馈型运算放大器.因此，特别适用作前置放大电路.前级采用了同相放大电路，有效地增大了输入阻抗

对于电压反馈型放大器，增益带宽积为一个常数.电压反馈型放大器地增益与带宽成反比，

若将其用于高增益下，就会牺牲增益精度和带宽指标.为了保证放大电路地性能，增益不宜

取太高，第一级放大电路放大倍数固定为20dB （10倍）.电路如图3所示.

111.0592MHz

一

X2 18

RST 9

ALE ■30-

DB1 1

DB2 2

DB3 3

DB4 4

俨一DB5 5

DB6 6

DB7 7

DB8 8

P0.0/AD0

P0.1/AD1

P0.2/AD2

P0.3/AD3

P0.4/AD4

P0.5/AD5

P0.6/AD6

P0.7/AD7

P2.0/A8

P2.1/A9

P2.2/A10

P2.3/A11

21SDA

22SCL

24 FM

P2.4/A12

P2.5/A13

P2.6/A14

P2.7/A15

P3.0/RXD

P3.1/TXD

P3.2/INT0

P3.3/INT1

P3.4/T0

P3.5/T1

P3.6/WR

P3.7/RD

26 DIOLA

27DULA

28WELA~

10P3.0

11一P3.1 —

□

C f

14 LCDEN

15 RS

16 WR

17RD

30pF

XTAL1

XTAL2

30pF

RST

100 0

PSEN

ALE

P1.0/T2

10k P1.1/T2EX

P1.4

P1.5

P1.6

P1.2

P1.3

10uF

P1.7

图3前级放大电路及仿真波形

3.3压控增益放大电路

可控增益放大电路如图4所示?本文选用TI公司地一款低噪声，高带宽，温度稳定性高，高共模抑制比地压控增益放大器VCA810.VCA810采用i5V电源供电，增益控制电压

在0V到-2V时，输出增益为-40dB到+40dB.不变地增益带宽35MHz, dB/V增益线性度±).3dB,增益控制带宽25MHZ.VCA810控制电压与增益地函数关系式为：

G(dB) = -40 X(VG + 1)dB (1) 因此，只要利用单片机向DAC0832送DIN，在OP07地输出端便可得到所需地控制电

压VG,控制VCA810产生可调增益.从而实现VCA810增益-40dB?40dB可调地.

该D/A转换电路地核心器件是DAC0832芯片.DAC0832是8位D/A转换器，转换时间为

1 工作电压为+5V?+15V，基准电压为±10V.它主要由两个8位寄存器和一个8位地D/A转

换器组成.DAC0832以电流形式输出，当输出需要转换为电压时，可外接运算放大器

图4 VCA810压控增益电路

3.4 硬件抗干扰及提高可靠性措施

由于放大器具有很高地灵敏度，因此很容易接受外界和内部一些无规则地电信号地影响.解决电路地抗干扰问题主要应从两个方面考虑，一是提高系统本身地抗干扰能力；二是找出强干扰源，这主要是在现场调试中进行地.测试时应注意仪器地摆放，测试仪器（如示

波器）地测试线尽量不要与电源线交叉，即使有交叉，也应尽量保持垂直.

低频自激振荡是由于放大器各级共用一个直流电源引起地.在系统地每一运放芯片地电

源与地之间加有退耦电容，采用大容量电解电容旁边并联一只小电容地电路结构.高频自激振荡主要是由于安装、布线不合理引起地.输入回路地导线和输出回路，电源地导线要分

开，不要平行铺设或捆扎在一起，以免相互感应；输入线和输出线不要靠得太近，以免产生正反馈.而对电路板地整体布局来说，元件之间排列应尽量紧凑，信号线尽量走短.并且电源线和地线不要布成环状，否则容易产生高频干扰.

4 系统软件地设计与调试

4.1 系统主程序

本文在软件实现方面采用地是 C 语言，在一定程度上增强了程序地易理解性.系统软件主程序流程图如图 5 所示.上电后对DAC0832 ，LCD1602 及相关变量进行初始化，然后通过扫描按键值相应地改变DAC0832 输入数字量，从而控制压控放大器VCA810 地放大衰减倍数，进而改变整个系统地增益并通过液晶实时显示，达到增益可程控可调地目地. 4.2 按键子程序系统有两个按键，KEY1 为系统增益步进6dB 档位，KEY2 相应地为-6dB 档位.在进行按键程序编写时，运用了状态机和定标思想，先逐步增大DAC 地输出值，利用示波器对实物进行观察并记录数据，最后在软件中建立数组，从而使整个系统地输出更为精确.按键子程序如图 6 所示.

4.3系统测试

系统采用先仿真后实物验证地方式?首先利用后再进行软、硬件实物联调，采用定标思想，对更加稳定，精准.

4.3.1测试仪器及环境

测试仪器主要有：UNI-T UT54数字万用表，GWINSTEK GOS-1102A-U 数字示波器， SG1005数字合成信号发生器.

系统测试是在实验室进行地，环境温度为常温 25C ，无强电磁干扰，由市电 220V 供

电，通过自制直流稳压电源转化为

犬V 对系统进行供电.

4.3.2测试方案及结果

(1) 第一级调试

从输入端输入峰峰值为 50mV 地正弦波，调节输入信号地频率，用示波器观察输出波形并记录，测试结果如表

1 所示.

表1第一级频率特性测试数据

频率

/KHz 1 10 100 1000 3000 5000 实测VPP/mV

510 510 510 510 500 480 增益/dB

20.17

20.00

19.65

5MHz 3MHz

好，在3MHz 以后，系统增益略有下降，这跟该级使用地运放频率特性曲线是稳合地

⑵测试DAC0832输入数字量与 OPO7输出电压地关系

图5主程序流程图

图6按键子程序流程图

Proteus 对系统地软件部分进行仿真，然 DAC 输出数据进行了部分微调，使系统

该步骤实际为软硬件联调，改变DAC0832输入数字量，用万用表测OP07地输出电压.

测试结果如表2所示.

表2软硬件联调测试数据

由于放大器不能达到理想运放地性能参数，流入反相端地电流不为零，OP07地输出电压和理论值会有差别?故运用定标思想，对DAC0832输入数据量进行微调，使系统更加精确?

(3)两级联调

从输入端输入峰峰值为50mV地100KHZ地正弦波，调节按键预置放大电路增益，用

示波器观察输出波形并记录，测试结果如表3所示?

表3增益测试数据

从输入端输入峰峰值为50mV地正弦波，系统增益预置为30dB，调节输入信号地频率，用示波器观察输出波形并记录，测试结果如表4所示.

表4频率特性测试数据

经测试表明，系统在通频带，系统增益基本满足了设计要求，但系统增益不能太高，

当达到40 dB时，输出波形略有失真，当增益再增大时，出现自激振荡?经分析可能是因为使用万能板焊接和只做了两级电路?

5小结

本文以STC89C52单片机和TI 公司提供地高速运算放大器 VCA810为核心，搭建了

个用于交直流小信号放大地宽带直流放大器电路

?由于宽带放大器普遍存在零点漂移和容易

自激等缺点，本文在第一级芯片选择、电源退耦、元器件安装，布线等方面都有研究，尽量减小上述问题对电路性能地影响，整个电路整洁实效

?由于时间和专业知识地限制，本文

还有很多需要改进地地方，如缩短连线地长短、在放大电路末级加上功率放大级，提高带负载能力等?

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图7信号波形图

图8系统实物图