本科毕业设计__宽带直流放大器的设计

宽带直流放大器的设计

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公司的压控放大器VCA810为核心，外加ADI公司的运算放大器AD8065作前级，采用ST公司的89C52单片机控制系统增益，通过按键实现对小信号放大增益±6dB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，且有的采用电容级间耦合方式，因此不具有直流放大能力，但在仪器仪表的应用中，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的宽带直流放大器是很有必要的。而宽带直流放大电路的发展中，为了满足电路的更高性能与控制的便捷性，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

本文所设计的宽带直流放大器基本要求是3dB带宽为0Hz～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600Ω。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，难以实现直流信号的放大。

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。而对于实用的放大电路，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：比较上述的两种方案,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的输入数字量，并在LCD1602上实时显示该放大器的增益。

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，为了更好的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的核心器件，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

第一级芯片的选择对放大电路性能影响很大。前级以AD8065为核心，AD8065是一款具有高输入阻抗，低噪声、亚皮安级输入电流、精密失调、高速等特性的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，有效的增大了输入阻抗。对于电压反馈型放大器，增益带宽积为一个常数。电压反馈型放大器的增益与带宽成反比，若将其用于高增益下，就会牺牲增益精度和带宽指标。为了保证放大电路的性能，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。

+5V

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公司的一款低噪声，高带宽，温度稳定性高，高共模抑制比的压控增益放大器VCA810。VCA810采用±5V电源供电，增益控制电压在0V到-2V时，输出增益为-40dB到+40dB。不变的增益带宽35MHz, dB/V增益线性度±0.3dB，增益控制带宽25MHz。VCA810控制电压与增益的函数关系式为：

G(dB) = –40× (V G + 1)dB (1) 因此，只要利用单片机向DAC0832送D IN，在OP07的输出端便可得到所需的控制电压V G，控制VCA810产生可调增益。从而实现VCA810增益-40dB～40dB可调的。

该D/A转换电路的核心器件是DAC0832芯片。DAC0832是8位D/A转换器，转换时间为

1μs,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位的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。

3.4硬件抗干扰及提高可靠性措施

由于放大器具有很高的灵敏度，因此很容易接受外界和内部一些无规则的电信号的影响。解决电路的抗干扰问题主要应从两个方面考虑，一是提高系统本身的抗干扰能力；二是找出强干扰源，这主要是在现场调试中进行的。测试时应注意仪器的摆放，测试仪器（如示波器）的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的。在系统的每一运放芯片的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的电路结构。高频自激振荡主要是由于安装、布线不合理引起的。输入回路的导线和输出回路，电源的导线要分开，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。而对电路板的整体布局来说，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 系统软件的设计与调试

4.1系统主程序

本文在软件实现方面采用的是C语言，在一定程度上增强了程序的易理解性。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的放大衰减倍数，进而改变整个系统的增益并通过液晶实时显示，达到增益可程控可调的目的。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相应的为-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的输出值，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，从而使整个系统的输出更为精确。按键子程序如图6所示。

图5主程序流程图图6 按键子程序流程图

4.3系统测试

系统采用先仿真后实物验证的方式。首先利用Proteus对系统的软件部分进行仿真，然后再进行软、硬件实物联调，采用定标思想，对DAC输出数据进行了部分微调，使系统更加稳定，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的，环境温度为常温25℃，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±5V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的正弦波，调节输入信号的频率，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

测试结果表明，第一级通频带大于5MHz，在带宽小于3MHz时，该级的线性度非常好，在3MHz以后，系统增益略有下降，这跟该级使用的运放频率特性曲线是稳合的。

(2)测试DAC0832输入数字量与OP07输出电压的关系

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的输出电压。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的性能参数，流入反相端的电流不为零，OP07的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的100KHz的正弦波，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的正弦波，系统增益预置为30dB，调节输入信号的频率，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。

系统实物输入输出信号波形图如图7所示，系统实物图如图8所示。

图7 信号波形图图8 系统实物图

5 小结

本文以STC89C52单片机和TI公司提供的高速运算放大器VCA810为核心，搭建了一个用于交直流小信号放大的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的影响，整个电路整洁实效。由于时间和专业知识的限制，本文还

有很多需要改进的地方，如缩短连线的长短、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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The Design of Wideband DC Amplifier

Electronic and Information Engineering Student:Chen Zhaoxia Tutor:Xu Y uebing Abstract:The article takes TI's variable gain amplifier VCA810 as the core design of the amplifying circuit and combines with ADI's FastFET op amp AD8065 as front stage, and uses ST's microcontroller 89C52 to control the gain of the system.So the gain of the amplifier can be adjusted manually by buttons with step 6dB precisely,and display in the LCD accurately and stably.The system consists of the front buffer,the program controlled gain module,the human-computer exchange module and display module. the whole system shows the advantages of

simple structure,stable performance and reliable operation.

Keywords:Programmable amplifier; VCA810; STC89C52