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采用高級壓控增益器件程控放大器設(shè)計
（作者未知） 2010/4/29
采用高級壓控增益器件程控放大器設(shè)計
程控放大器
本設(shè)計由三個模塊電路構(gòu)成:前級放大電路(帶AGC部分)、后級放大電路和單片機顯示與控制模塊。在前級放大電路中,用寬帶運算放大器AD603兩級級聯(lián)放大輸入信號,輸出放大一定倍數(shù)的電壓,經(jīng)過后級放大電路達到大于8V的有效值輸出。ADUC812的單片機顯示、控制和數(shù)據(jù)處理模塊除可以程控調(diào)節(jié)放大器的增益外,還可以實時顯示輸出電壓有效值。
本設(shè)計采用高級壓控增益器件,進行合理的級聯(lián)和阻抗匹配,加入后級負反饋互補輸出級,全面提高了增益帶寬積和輸出電壓幅度。應(yīng)用單片機和數(shù)字信號處理技術(shù)對增益進行預(yù)置和控制,AGC穩(wěn)定性好,可控范圍大,完成了題目的所有基本和發(fā)揮要求。
方案論證與比較
1.可控增益放大器部分
方案一 簡單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實現(xiàn),圖1為分立元件放大器電路圖。為了滿足增益60dB的要求,可以采用多級放大電路實現(xiàn)。對電路輸出用二極管檢波產(chǎn)生反饋電壓調(diào)節(jié)前級電路實現(xiàn)自動增益的調(diào)節(jié)。本方案由于大量采用分立元件,如三極管等,電路比較復(fù)雜,工作點難于調(diào)整,尤其增益的定量調(diào)節(jié)非常困難。此外,由于采用多級放大,電路穩(wěn)定性差,容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。
方案二 為了易于實現(xiàn)最大60dB增益的調(diào)節(jié),可以采用D/A芯片AD7520的電阻權(quán)網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓進而控制電路增益。又考慮到AD7520是一種廉價型的10位D/A轉(zhuǎn)換芯片,其輸出Vout=Dn×Vref/210,其中Dn為10位數(shù)字量輸入的二進制值,可滿足210=1024擋增益調(diào)節(jié),滿足題目的精度要求。它由CMOS電流開關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點,故可以采用AD7520來實現(xiàn)信號的程控衰減。但由于AD7520對輸入?yún)⒖茧妷篤ref有一定幅度要求,為使輸入信號在mV～V每一數(shù)量級都有較精確的增益,最好使信號在到達AD7520前經(jīng)過一個適應(yīng)性的幅度放大調(diào)整,再通過AD7520衰減后進行相應(yīng)的后級放大,并使前后級增益積為1024,與AD7520的衰減分母抵消,即可實現(xiàn)程控放大。但AD7520對輸入范圍有要求,具體實現(xiàn)起來比較復(fù)雜,而且轉(zhuǎn)化非線性誤差大,帶寬只有幾kHz,不能滿足頻帶要求。
方案三 根據(jù)題目對放大電路的增益可控的要求,考慮直接選取可調(diào)增益的運放實現(xiàn),如運放AD603。其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成,加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后,由固定增益放大器輸出,衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定;而這個參考電壓可通過單片機進行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得來,從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬,單級實際工作時可提供超過20dB的增益,兩級級聯(lián)后即可得到40dB以上的增益,通過后級放大器放大輸出,在高頻時也可提供超過60dB的增益。這種方法的優(yōu)點是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機處理。
2.后級固定增益部分
由兩片AD603級聯(lián)構(gòu)成的前級放大電路,對不同大小的輸入信號進行前級放大。由于AD603的最大輸出電壓較小,不能滿足題目要求,所以前級放大信號需經(jīng)過后級放大達到更高的輸出有效值。
方案一 使用集成電路芯片。使用集成電路芯片電路簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、有詳細的文檔說明。可是題目要求輸出6V以上有效值,而在電子市場很難買到這樣的芯片,而我們買到的如AD811,HA-2539 等芯片,雖然輸出電壓幅度能滿足要求,但是很容易發(fā)生工作不穩(wěn)定的情況。
方案二 使用分立元件自行搭建后級放大器。使用分立元件設(shè)計困難,調(diào)試繁瑣,可是卻可以經(jīng)過計算得到最合適的輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等參數(shù),電阻電容可根據(jù)需要更換,在此時看來較集成電路靈活。因此,我們決定自行設(shè)計后級放大器。
系統(tǒng)設(shè)計
1.總體設(shè)計思路
根據(jù)題目的要求,結(jié)合考慮過的各種方案,我們認真取舍,充分利用模擬和數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點,發(fā)揮其優(yōu)勢,采用單片機預(yù)置和控制放大器增益的方法,大大提高了系統(tǒng)的精度和可控性;后級放大器使用由分立元件設(shè)計的推挽互補輸出放大器,提高了輸出電壓有效值。我們使信號都在單片機的數(shù)字算法控制下得到最合理的前級放大,使其放大倍數(shù)精確。圖2所示即為本系統(tǒng)原理框圖。
輸入信號通過前級可控增益放大,放大倍數(shù)由單片機通過D/A轉(zhuǎn)換提供的電壓控制。AD603的Vg(=V1-V2)根據(jù)公式:增益GAIN=40×Vg+20(dB)來設(shè)定,而在AGC模式下,此控制電壓Vg是由AGC電路的反饋電壓得到,不受單片機（未完，下一頁）
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