1、I公司的三種高速運算放大器OPA842、VCA810和THS3001構(gòu)成直接藕合程控放大器；數(shù)字AGC控制由峰值檢波、A/D、單片機控制器和D/A實現(xiàn)帶內(nèi)增益控制；功率放大電路實現(xiàn)輸出電壓放大與功率放大，提高負載能力；整個放大器的控制采用傳統(tǒng)8051作為控制核心。顯示使用液晶顯示屏顯示控制選擇方式及輸出效果。2 系統(tǒng)方案選擇與論證2.1 系統(tǒng)基本方案根據(jù)設計任務的功能要求，本系統(tǒng)可以劃分為三大主要模塊：信號放大模塊、控制模塊和人機交互模塊。2.1.1 信號放大模塊方案一：選用結(jié)電容小，fT 高的晶體管，采用多種補償法，多級放大加深度負反饋，以及組合各種組態(tài)的放大電路形式，可以組成各種優(yōu)質(zhì)的寬帶

2、放大器，而且成本較低。但若要全部采用晶體管實現(xiàn)題目要求，有一定困難，首先高頻晶體管配對困難，不易購買；其次，理論計算往往與實際電路有一定差距，工作點不容易調(diào)整；而且，晶體管參數(shù)易受環(huán)境影響，波動較大，影響系統(tǒng)總體性能。另外，晶體管電路增益調(diào)節(jié)較為復雜，不易實現(xiàn)題目要求的增益可調(diào)。方案二：利用多級放大器直接級聯(lián)實現(xiàn)全帶寬信號放大。采用TI公司的三種高速運算放大器OPA842、VCA810和THS3001構(gòu)成直接程控放大器。其中，VCA810是TI公司的一種高增益可調(diào)節(jié)寬帶壓控放大器，具有高增益調(diào)整范圍，低噪聲、高帶寬和高增益精度等特點。它的增益連續(xù)可控，可調(diào)范圍80dB，增益精度達+/-0.5d

3、B，信號帶寬35MHz。另外，VCA810提供了精密的可調(diào)dB/V增益特性,AGC回路能用增益控制電壓作為接收信號強度指示器,有極好的精確度. 故此，我們采用方案二。2.1.2 控制模塊部分方案一：主控制器選擇TI公司的MSP430F149，該單片機具有低功耗，強大的數(shù)據(jù)處理和運算能力，豐富的外圍模塊，穩(wěn)定的系統(tǒng)工作狀態(tài)和方便有效的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點。但是考慮到成本的問題和系統(tǒng)控制模塊的簡單化，我們放棄了這一方案。方案二：采用傳統(tǒng)80C51作為控制核心。該方案不僅價格低廉，使用簡單，而且功能較齊備，運行速度適中，控制相對簡單，在外擴設備的協(xié)助下，完全可滿足該題目的設計要求。故我們采用了這一方案。2

4、.1.3 顯示模塊方案一：采用數(shù)碼管顯示。其亮度高、體積小，編程較容易，資源占用較少。但顯示的信息簡單、有限，無法實現(xiàn)本系統(tǒng)中模式選擇、漢字顯示等功能。方案二：采用液晶顯示器（LCD）。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，而且顯示信息豐富、擁有較好的人機界面和強大的顯示功能，通過它可以顯示控制方式選擇及顯示輸出效果。 基于功能考慮，我們采用方案二。本系統(tǒng)中，采用了液晶顯示屏LCD1602，以顯示放大增益及輸出電壓，便于測試人員及時的控制。2.2系統(tǒng)分析與理論計算2.2.1 帶寬增益積帶寬增益積（GBP）的公式如下：是頻率的函數(shù)。當（為開

5、環(huán)帶寬）， GBP是一個常數(shù)，且為（當增益下降到1時所對應的頻率點稱為單位增益帶寬，用表示）。上式表明：運算放大器的帶寬與頻率成反比。頻率越高，運放增益就會下降。由此發(fā)現(xiàn)，在設計高速運算放大器時，需要關(guān)注此指標，在保證放大增益的同時盡最大可能獲取更好的帶寬性能。2.2.2 增益計算選用TI公司的VCA810作為壓控增益的主要部分，其增益與電壓的關(guān)系為其中,當時，,當時，。這樣增益的變化范圍為-40dB40dB，在隔離放大部分，OPA842的增益設定為，即放大10倍。后一級THS3001的增益大約20dB，所以總的增益為0dB80dB。 2.2.3 通頻帶內(nèi)增益起伏控制為了實現(xiàn)對頻帶內(nèi)增益起伏的

6、控制，需要使用數(shù)字AGC來實現(xiàn)。其控制方法如下：設定放大倍數(shù)為某一值，由此計算出理論出現(xiàn)的信號幅度，再由單片機控制AD采集實際信號的幅度大小，并與理論值比較，并不斷進行調(diào)整，實現(xiàn)通頻帶內(nèi)增益起伏控制。2.2.4 調(diào)零電路的設計1當集成運放正常工作時，若將輸入端VI接地，則輸出端UO應為零，但由于輸入失調(diào)電壓的影響（電路組成不合理，反饋過深），在輸入量為零時，輸出卻產(chǎn)生了一定頻率和一定幅度的信號，就產(chǎn)生了自激震蕩，因為輸入失調(diào)電壓是直流參數(shù)，對直流放大器影響嚴重，必須加以消除，本系統(tǒng)采用電位器和RC構(gòu)成高增益同向放大器的調(diào)零電路，如圖2所示：基本關(guān)系式為：Utf=UccR1/(R1+R5)R3/

7、(R2+R3)若R1R5, 則Utf=(UccR1/R5)R3/(R2+R1)其中Utf表示失調(diào)電壓調(diào)整范圍，電位器選用溫度系數(shù)小的線繞電位器。依據(jù)此公式設計出各電阻的阻值，當輸入端電壓為零時，調(diào)整電位器Rp的阻值，使輸出端電壓為零，消除因自激震蕩產(chǎn)生的電路不穩(wěn)定狀態(tài)。圖2 調(diào)零電路 2.2.5 RC濾波器的應用為了增加A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓的穩(wěn)定性，峰值檢波電路的輸出電壓先經(jīng)過濾波器濾波，再接入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入引腳。這個濾波器是由RC電路結(jié)合OPA300運算放大器形成的有源RC濾波器。該濾波器有效地濾除了干擾信號，使輸入的有用信號更為穩(wěn)定，更加精確。3 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)3.1信號放大模塊信

8、號放大模塊主要由緩沖隔離電路、壓控增益電路和固定增益電路組成，如圖3所示。THS3001VCA810OPA842 圖3 信號放大電路3.1.1 緩沖隔離電路（芯片OPA842） 功能說明：待放大的輸入電壓里面含有噪聲和其他干擾因素，必須經(jīng)過隔離濾波以后才能輸送到下一級放大電路進行有效的放大， 此處由芯片OPA842及其輔助電路構(gòu)成運算放大電路電路，提高了輸入阻抗，對小信號進行放大，并完成電路隔離和阻抗變換。電位器R31和電阻R21,R3,R22,R4構(gòu)成了調(diào)零電路，消除自激震蕩的干擾，使電路正常放大。C為高頻濾波電容，取C=1uF膽石電容。3.1.2 壓控增益電路（芯片VCA810）功能說明：

9、可變增益放大電路，主要作用是實現(xiàn)增益可調(diào)及AGC功能，增益控制和AGC功能都由單片機控制，采用反饋的形式，通過調(diào)節(jié)控制電壓（Vc）來控制壓控增益放大器VCA810的放大增益，從而控制正確的輸出。3.1.3 固定增益電路(芯片THS3001)功能說明：單純的采用前面的緩沖隔離電路和放大電路無法有效的滿足發(fā)揮部分的電壓增益的控制部分，而且VCA810電路應當為微控制電路，所以在這一級要加上固定增益電路，以提高放大倍數(shù)，可采用兩級三極管進行直接耦合和發(fā)射結(jié)直流負反饋來構(gòu)建，也可直接使用運放來進行放大，考慮到用三極管制作使用原件較多，穩(wěn)定性差，且調(diào)試困難，所以我們采用TI公司的高速增益放大器THS30

10、01來搭建，它是一個高速電流反饋運算放大器，具有非常快的轉(zhuǎn)換速率，很寬的帶寬，調(diào)節(jié)電位器R12的阻值使的R12/R11=10即增益為20dB，此電路進一步增大了放大倍數(shù)，擴大了輸出電流，提升了放大器的驅(qū)動負載能力，提高了輸出電壓幅度。3.2峰值檢波電路為了精確測量并顯示輸出信號的有效值,須加入峰值檢波電路,最簡單的峰值檢波電路僅僅由一個二級管和一個電容就可組成,但是為了提高精確度,我們在實驗中采用了由運放OP37所構(gòu)成的峰值檢波電路,如圖4所示.圖中,A1組成一線性半波整流電路,A2組成一加法電路,兩者構(gòu)成一線性全波整流電路,后端接上一電容后就實現(xiàn)了峰值檢波的目的.此電路穩(wěn)定性較好,達到了峰值

11、檢波的要求. 圖43.3單片機，鍵盤，LCD，A/D，D/A單片機控制部分（80C51），是整個系統(tǒng)控制部分（AGC）運行的核心器件，一方面它要讀取鍵盤的取值，進行模式的選擇，同時將放大增益和放大的實際結(jié)果輸出在LCD液晶顯示屏上，另一方面，它根據(jù)AD轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字值與預定值進行比較，來增大或縮小控制電壓VC，以反饋的形式微調(diào)VCA810的放大增益。本系統(tǒng)采用44矩陣鍵盤電路來輸入控制信息參數(shù)。液晶顯示使用LCD1602(12864), 因為VCA810是用電壓來進行控制的，而單片機的輸出不可以直接的對VCA810進行控制,系統(tǒng)采用高速ADC和DAC來進行電平的轉(zhuǎn)換。ADC芯片采用12位的串行

12、輸出芯片ADS7823，DAC芯片采用DAC7571，它是12位的串行輸入的芯片，如圖5所示。80C5144鍵盤A/D轉(zhuǎn)換器AD782312864液晶顯示屏D/A轉(zhuǎn)換器DA7571外部數(shù)據(jù)存儲器看門狗MAX813 圖53.4硬件抗干擾及提高可靠性的主要措施環(huán)境影響微機正常工作是值得重視的問題。解決控制系統(tǒng)的抗干擾問題應從兩個方面考慮，一是提高控制系統(tǒng)本身的抗干擾能力，這一點在進行系統(tǒng)設計時已給予了足夠的重視。二是找出強干擾源，采取相應的對策，使其不能串入系統(tǒng)，這主要是在現(xiàn)場調(diào)試中進行的。測試時應注意儀器的擺放，測試儀器（如示波器）的測試線盡量不要與電源線交叉，即使有交叉，也應盡量保持垂直。 3

13、.4.1 電源抗干擾措施控制設備中很多干擾都來自電源系統(tǒng)。因此，必須對交流供電采取一些措施，以抑制由電源引起的干擾。抑制交流電源的干擾，除了與大的用電設備分開供電外，還可根據(jù)電網(wǎng)的質(zhì)量及設備要求采取穩(wěn)壓、隔離、濾波和屏蔽等措施。在本電路中采用三段穩(wěn)壓管LM7805和LM7905來實現(xiàn)電源的穩(wěn)定輸入。在系統(tǒng)的每一集成芯片的電源與地之間加有0.1u的退耦電容，在無線模塊的輸入輸出端用小電感及小電容進行濾波，傳輸數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。 3.4.2 高頻布線的注意事項及一般規(guī)則在 PCB 板中，包含多種類型的電路，為了避免各部分電路中信號相互耦合而產(chǎn)生干擾，對不同類型的電路部分進行分離布局是 PCB 板設

14、計的一個基本原則。各部分之間不僅應保持相當距離 ,還要分開走線。電源系統(tǒng)的布線包括電源線VDD 和地線 VSS 的布線，是系統(tǒng)抗干擾的一個重要部分。VDD 和 VSS 應盡可能擴大面積，以防止因電磁能量較強而產(chǎn)生電磁干擾能量的發(fā)射，這也是保證高頻信號到地之間具有低阻抗的措施。（1）PCB板的系統(tǒng)布局 對PCB板的整體布局來說，元器件之間排列應盡量緊湊，信號線盡量走短，使得線上的高頻信號受電路板分布電容的影響較小。并且電源線和地線不要布成環(huán)狀，否則容易產(chǎn)生高頻干擾。對于地線，應盡可能大面積鋪銅，讓各種雜波信號盡快的進入地中。（2）模擬地和數(shù)字地對于高頻模擬電子線路來說，地應該保持無雜波存在。但數(shù)

15、字地信號比較復雜，所以模擬地和數(shù)字地要盡量的隔開，僅僅在一個地方匯合，這樣數(shù)字地上雜亂無章的信號對模擬部分的影響就會有大大的減弱，這對保證電路的性能是非常關(guān)鍵的。4 系統(tǒng)軟件設計與編程在主程序中，首先設置堆棧，對LCD1602，80C51內(nèi)部的RAM及各寄存器初始化，并設置有關(guān)標志。然后，系統(tǒng)自檢，顯示模式選擇，系統(tǒng)讀取鍵值，并根據(jù)讀取的鍵值轉(zhuǎn)到相應的兩種模式。其主要流程如圖6所示。圖6 系統(tǒng)主程序流程圖 在工作模式1中，單片機通過DA送出一個穩(wěn)定的電壓，并把此電壓進行轉(zhuǎn)換后作為控制電壓送入VCA810，同時可以利用靈敏的滑動變阻器對輸入的控制電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)在060dB的連續(xù)可調(diào)。在工作模

16、式2中，首先要進行帶寬的預置，帶寬分為5MHz和10MHZ,然后進行放大倍數(shù)的設定，此時的放大倍數(shù)也可以利用靈敏的滑動變阻器進行連續(xù)的可調(diào)。5 系統(tǒng)性能測試與分析5.1 系統(tǒng)性能測試為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進行了實際的測試。具體測試方法如下：先調(diào)整0dB，使輸出信號和輸入信號幅度相等，接上50W的負載電阻進行整機測試。測試結(jié)果如下：（1）輸入阻抗。電路設計的輸入阻抗大于50W，滿足題目要求。（2）最大輸出電壓正弦波有效值測量。輸入加100kHz正弦波，調(diào)整輸入電壓和增益測得不失真最大輸出電壓有效值大于10 V，達到題目要求。（3）輸出噪聲電壓測量。增益調(diào)節(jié)為60

17、dB，將輸入端短路，測得輸出電壓峰-峰值為270 mV左右，小于題目要求的0.3V。（4）頻率特性測量。增益設為40dB，輸入端輸入有效值為10mV的正弦波，測試數(shù)據(jù)見表2。頻率/Hz1050100200500800900輸出RMS/V0.950.960.960.970.980.991.00增益 /dB395539.6539.6539.7439.8239.9140頻率/kHz11050100200500900輸出RMS/V1.011.000.990.991.031.021.00增益 /dB40.094039.9139.9140.2640.1740頻率/MHz12468910輸出RMS/V1.0

18、00.980.970.960.940.930.88增益 /dB4039.8239.7439.6539.4639.3738.88表2 頻率特性測試數(shù)據(jù)表從上表的數(shù)據(jù)可以看出在010MHz范圍內(nèi)，增益起伏1dB。（5）增益誤差測量。輸入端加有效值為10mV，頻率為100kHz的正弦波，保持幅度穩(wěn)定，默認增益值，測量輸出信號來計算增益誤差，測量結(jié)果見表3。預置增益/dB0510142030405060輸出RMS/mV101753154960.1V0.31V0.9983.1529.96實際增益/dB04.869.9713.92029.8339.9849.9759.96增益誤差/dB0.0+0.14+0.03+0.1+0.0+0.17+0.02+0.03+0.04表3 增益誤差測試數(shù)據(jù)表5.2 測試結(jié)果分析經(jīng)過測試，放大器指標可達60dB，帶寬可到10MHz,基本上完成了發(fā)揮部分的要求。本設計偏重于模擬電路處理，得到很高的增益和較小的噪聲。選用集成芯片作增益控制，利用分立元件作后級功率放大，設計靈活也很容易實現(xiàn)。6 總結(jié)與展望本系統(tǒng)使用傳統(tǒng)的80C51單片機和TI公司提供的高速運算放大器搭建了一個用于智能控制交直流小信號放大的寬帶直流放大器電路，由于寬帶放大器普遍存在輸出噪聲大，容易自激等缺點，本系統(tǒng)采用多種形式的屏蔽措施消除干擾，抑制噪聲，整