一種可編程寬帶放大器的設(shè)計

　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶放大器在科研中具有重要作用。寬帶運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于A／D轉(zhuǎn)換器、D／A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、波形發(fā)生器、視頻放大器等電路。這些電路要求運(yùn)算放大器具有較高的頻帶寬度，電壓增值。為此，以可編程增益放大器THS7001和可變增益放大器AD603為核心，設(shè)計一種可編程寬帶運(yùn)算放大器。該電路增益調(diào)節(jié)范圍為-6～70 dB，步進(jìn)間距為6dB，AGC為60 dB，-3 dB通頻帶為40 Hz～15MHz。矩陣鍵盤設(shè)置增益值、步進(jìn)，點(diǎn)陣液晶顯示實(shí)時電壓有效值，人機(jī)界面友好，操作簡單方便。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　該系統(tǒng)主要由可控增益放大器、功率放大與峰值檢波、單片機(jī)顯示和控制3大模塊組成。其中可變增益放大器以THS7001和AD603為核心。單片機(jī)控制THS7001實(shí)現(xiàn)增益粗調(diào)，并通過D／A轉(zhuǎn)換控制AD603實(shí)現(xiàn)增益細(xì)調(diào)，從而使總增益在- 6～70 dB的寬頻帶范圍內(nèi)線性變化。前置放大器采用由寬帶電壓型反饋運(yùn)放THS4011構(gòu)成的射極跟隨器，可有效提高輸入電阻；后級功率放大器采用電流型反饋運(yùn)放AD811，提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力。由二極管峰值檢波電路測量峰值，并通過A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)自動增益控制。通過鍵盤手動預(yù)置增益值，LCD實(shí)時顯示預(yù)置增益值并輸出有效值。其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

　　3 器件選型及理論分析

　　3．1 輸入級電路運(yùn)放選型

　　由于該電路噪聲主要取決于第一級放大器。所以選擇第一級運(yùn)放成為決定噪聲大小的關(guān)鍵。電壓反饋型(VFB)運(yùn)算放大器具有同相和反向輸人端阻抗基本相同(均為高阻)，低噪聲，更好的直流特性，增益帶寬積為常數(shù)。反饋電阻的取值自由等特點(diǎn)：而電流反饋型(CFB)運(yùn)算放大器則具有同相輸入端為高阻阻，反向輸入端為低阻抗，帶寬不受增益影響，壓擺率更快，反饋電阻的取值有限制等特點(diǎn)。由此看出，CFB放大器適用于那些需要壓擺率快、低失真和可設(shè)置增益而不影響帶寬的電路；而VFB放大器則適用于那些需要低調(diào)電壓、低噪聲的電路。因此選用電壓反饋型運(yùn)放THS4011作為前級輸入。THS4011是一款高速低噪聲運(yùn)算放大器，其帶寬為290 MHz，壓擺率為310 V／μs，輸入噪聲為

　　4．2 峰值檢波電路

　　峰值檢波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成。其工作原理：當(dāng)輸入電壓正半周通過時，檢波管 VU2導(dǎo)通，對電容C1、C2充電，直到到達(dá)峰值。三極管的基極由FPGA控制，產(chǎn)生1Oμs的高電平使電容放電，以減少前一頻率測量對后一頻率測量的影響，提高幅值測量精度。其中Vu1為常導(dǎo)通，以補(bǔ)償VU2上造成的壓降。適當(dāng)選擇電容值，使得電容放電速度大于充電速度，這樣電容兩端的電壓可保持在最大電壓處，從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波。

　　該電路能夠檢測寬范圍信號頻率，較低的被測信號頻率，檢波紋波較大，但通過增加小電容和大電容并聯(lián)構(gòu)成的電容池可濾除紋波。而后級隔離，則增加由OPA277構(gòu)成的射極跟隨器，如圖3所示。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　5．1 程序部分設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計遵循結(jié)構(gòu)化和層次化原則，由一個主程序及若干子程序構(gòu)成。主程序通過調(diào)用子程序控制子程序間的時序，從而使整個程序正常運(yùn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計部分由單片機(jī)和FPGA組成。單片機(jī)主要完成讀取鍵值、控制增益和顯示功能。而FPGA則作為總線控制器，管理鍵盤、液晶和A／D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。以O(shè)uartus II 7．2為設(shè)計環(huán)境，用Verilog HDL硬件描述語言編程，完成各功能模塊的設(shè)計，并仿真測試設(shè)計好的各個模塊，再將各個模塊相互連接。程序以按鍵中斷為主線，以各項功能為分支，圖4為程序流程。

　　5．2 FPGA部分設(shè)計

　　FPGA主要完成A／D、D／A轉(zhuǎn)換器的串并轉(zhuǎn)換。采用12位D／A轉(zhuǎn)換器TLV5618，該器件是串行接口，大大節(jié)約系統(tǒng)端口資源，但MCU的P0、 P2端口是并行口，與串行器件的時序匹配較復(fù)雜，用靜態(tài)口P1端口模擬串行口時序又會占用MCU很多處理時間，影響系統(tǒng)效率。

　　為使MCU對串行器件操作簡單，把串行時序在FPGA中用狀態(tài)機(jī)描述，同時該控制狀態(tài)機(jī)又對MCU提供P0口、CS、WR的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)時序接口形式，這樣MCU只需選中相應(yīng)地址，就可寫入所要得到的電壓數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)會完成串并轉(zhuǎn)換。

　　以串行接口時序?qū)?shù)據(jù)寫入器件并鎖存，與寫IO端口操作一樣簡單方便，而D／A轉(zhuǎn)換器模塊的輸出端既可得到相應(yīng)輸出電壓，又達(dá)到控制增益的目的。

　　AGC部分采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，將A／D轉(zhuǎn)換采樣得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值循環(huán)相比較，再通過D／A轉(zhuǎn)換控制增益倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動增益控制。

　　6 測試方案及測試數(shù)據(jù)

　　該系統(tǒng)使用專門的測試儀器，包括單片機(jī)仿真器、雙蹤示波器、PC機(jī)、多功能函數(shù)信號發(fā)生器和交流電壓表等。調(diào)節(jié)輸入信號的幅值和頻率，結(jié)合示波器，測試寬帶放大器的增益范圍以及通頻帶。測試結(jié)果表明，寬帶放大器總增益調(diào)節(jié)范圍為-6～70 dB。-3 dB通頻帶為40 Hz～15 MHz。將輸入信號頻率同定，改變輸入電壓幅值。記錄輸入電壓和輸出電壓的最大值和最小值。結(jié)果表明，AGC動態(tài)范圍大于60 dB。將輸入端短接，設(shè)置不同的電壓放大倍數(shù)，測量輸出電壓。結(jié)果表明，輸出電壓噪聲小于300 mV。

　　7 結(jié)束語

　　寬帶放大器以可編程增益放大器THS7001和可變增益放大器AD603為核心，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)增益的步進(jìn)和預(yù)置。總增益范圍為-6～70 dB，通頻帶為40．Hz～15 MHz，AGC動態(tài)范圍達(dá)到60 dB。前置放大器采用低噪聲電壓反饋型運(yùn)放THS4011，大大提高輸人電阻。后級功率放大采用電流型反饋運(yùn)放AD811，有效提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。系統(tǒng)采用多種抗干擾措施，并結(jié)合軟件修正，實(shí)現(xiàn)較高的精度，具有良好的噪聲，線性性能以及較低的功耗。系統(tǒng)界面友好，操作簡單，經(jīng)測試已投入應(yīng)用。

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