2013電賽:VCA820+THS3202射頻寬帶放大器設(shè)計

ID:428427 · 發(fā)表于 2019-7-3 10:12

本系統(tǒng)采用可控增益寬帶放大器VCA820和固定增益寬帶放大器THS3202，進(jìn)行合理的的級聯(lián)和阻抗匹配，在加入后級功率輸出，全面提高了增益帶寬積。應(yīng)用單片機(jī)STC89C52對增益進(jìn)行預(yù)置和控制，可實(shí)現(xiàn)0到60dB可調(diào)。而且綜合應(yīng)用了電容去耦、濾波、使用屏蔽線傳輸信號以及使用屏蔽罩等抗干擾措施以減少放大器的噪聲并抑制高頻自激。經(jīng)測試，本方案完成了全部基本功能和部分?jǐn)U展功。

1．方案設(shè)計與論證
1.1 可控增益放大器方案
1.2 固定放大器方案
1.3高頻帶通濾波器方案
1.3 穩(wěn)壓電源方案
2．理論分析與計算
2.1帶寬增益積
2.2 通頻帶內(nèi)增益起伏控制
2.3 放大器穩(wěn)定性
3．電路與程序設(shè)計
3.1硬件電路設(shè)計
3.1.1 系統(tǒng)框圖
3.1.2 前級放大電路
3.1.2 增益調(diào)控放大電路
3.1.3帶寬控制器
3.1.4各級電源設(shè)計
3.1.5主控制器電路
3.1.6抗干擾處理
3.2 程序設(shè)計
3.2.1主程序流程
3.2.2中斷程序流程
3.3.3源程序
4. 測試方案與測試結(jié)果
4.1 測試儀器
4.3 相關(guān)測試數(shù)據(jù)
5. 總結(jié)
5.1 本作品達(dá)到的指標(biāo)如下：
5.2 存在問題及改進(jìn)措施

1．方案設(shè)計與論證

經(jīng)過仔細(xì)地分析和論證，我們認(rèn)為此次射頻寬帶放大器可分為可控增益放大器，固定增益放大器，LC濾波，功率放大等模塊。

1.1 可控增益放大器方案

方案一：采用場效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場效應(yīng)管的可變電阻區(qū)（或三極管等效為壓控電阻）實(shí)現(xiàn)增益控制，本方案由于采用大量分立元件，頻帶寬，電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，穩(wěn)定性差。

方案二：為了易于實(shí)現(xiàn)最大 60dB 增益的調(diào)節(jié)，可以采用高速乘法器型 D/A實(shí)現(xiàn)，比如 AD7420。利用 D/A 轉(zhuǎn)換器的 VRef 作信號的輸入端，D/A 的輸出端做輸出。用 D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端控制傳輸衰減實(shí)現(xiàn)增益控制。此方案簡單易行，精確度高，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)知：轉(zhuǎn)化非線性誤差大，帶寬只有幾 kHz，而且當(dāng)信號頻率較高時，系統(tǒng)容易發(fā)生自激。

方案三：根據(jù)題目對放大電路增益可控的要求，考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn) （如運(yùn)放 VCA820）。其特點(diǎn)是以 dB 為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)增益±40dB，可以用單片機(jī)方便地預(yù)置增益。

方案三電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。

所以本系統(tǒng)采用方案三。

1.2 固定放大器方案

方案一：用分立元件，此方案元器件成本低，易于購置。但是設(shè)計、調(diào)試難度太大，周期很長，尤其是短時間內(nèi)手工制作難以保證可靠性及指標(biāo)，故不采用此方案。

方案二：使用高帶寬電流型運(yùn)放 OPA685，G=10時，帶寬達(dá)到200MHz，并能實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)輸出噪聲較大，達(dá)不到設(shè)計要求。故不采用。

方案三：使用低噪聲集成運(yùn)放 THS32020，增益帶寬積達(dá)2000MHz，實(shí)際測試，指標(biāo)基本能滿足題目擴(kuò)展部分的性能要求。

經(jīng)比較，采用方案三。

1.3高頻帶通濾波器方案

方案一：采用有源帶通濾波器，調(diào)試?yán)щy，在指定帶帶寬內(nèi)起伏較大，難以達(dá)到指標(biāo)要求。

方案二：采用無源RC濾波器，電路簡單，衰減太大。

方案三：采用無源濾波

無源LC的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要直流電源供電，可靠性高，缺點(diǎn)是在同頻帶內(nèi)會對信號有衰減。

經(jīng)比較采用方案三。

為了使通帶盡量平坦濾波器的設(shè)計，我們選用了比較熟悉的巴特沃茲濾波器。同時在濾波器后加入固定增益放大器，彌補(bǔ)信號通過濾波器時的幅度衰減。

1.3 穩(wěn)壓電源方案

方案一：線性穩(wěn)壓電源。其中包括并聯(lián)型和串聯(lián)兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型電路復(fù)雜，效率低，僅用于對調(diào)整速率和精度要求較高的場合；串聯(lián)型電路比較簡單，效率較高，尤其是若采用集成穩(wěn)壓三端穩(wěn)壓管，更是可靠。

方案二：采用蓄電池供電，對于寬帶放大，低噪聲放大器而言，這是一個極好的方案，但蓄電池體積大，攜帶不方便。

方案三：開關(guān)穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復(fù)雜，開關(guān)電源的工作頻率通常為幾十至幾百KHz，基波和很多諧波均在此放大器通頻帶內(nèi)，極易帶來串?dāng)_。

綜上所訴，選擇方案一中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。

2．理論分析與計算
2.1帶寬增益積

帶寬增益積(GBP)是這是用來簡單衡量放大器的性能的一個參數(shù)，這個參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個乘積是一定的。

題目中要求放大器最大電壓增益 AV≥60dB，即 Gain≥1000V/V。

放大器的通頻帶 0～10MHz，所以本放大器的帶寬增益積為:

GWB = 1000 * 10M = 10G

單個放大器是很難達(dá)到 10G 的 GWB，所以我們考慮多級放大器級聯(lián)。

經(jīng)過查閱手冊， THS3202 的 GWB 為 2G，級聯(lián)上后級的 VCA820 足以達(dá)到題目要求。

2.2 通頻帶內(nèi)增益起伏控制

題目中要求通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB，本設(shè)計采用的是巴特沃斯濾波器，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，雖然在阻頻帶內(nèi)緩慢下降為零，但可以通過增加濾波器階數(shù)來加快阻帶內(nèi)的衰減，符合題目要求。

經(jīng)過濾波器設(shè)計軟件 FilterSolutions 和仿真軟件 Multisim 仿真，發(fā)現(xiàn)5階的時候即可達(dá)到題目要求（仿真效果見附錄圖 1）

圖1

2.3 放大器穩(wěn)定性

（1）放大器板上所有運(yùn)放電源線及數(shù)字信號線均加磁珠和電容濾波。磁珠可濾除電流上的高頻毛刺，電容濾除較低頻率的干擾，它們配合在一起可較好地濾除電路上的串?dāng)_。安裝時盡量靠近 IC 電源和地。

（2）所有信號耦合用點(diǎn)解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降。

（3）在兩個焊接板之間傳遞模擬信號時用同軸電纜，信號輸入輸出使用SMA-BNC 接頭以使傳輸阻抗匹配，并可減少空間電磁波對本電路的干擾，同時避免放大器自激。

（4）數(shù)字電路部分和模擬電路部分的電源嚴(yán)格分開，同時數(shù)字地和模擬地電源地一點(diǎn)相連。

3．電路與程序設(shè)計
3.1硬件電路設(shè)計
3.1.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由由前級放大模塊、增益控制模塊、帶寬控制器、單片機(jī)模塊、鍵盤及顯示模塊和電源模塊組成。如圖 1 所示。

圖 1 系統(tǒng)框圖

3.1.2 前級放大電路

前級（見圖2）

圖2

放大電路采用可變增益放大模塊。設(shè)計VCA820可變增益-35dB~45dB.

圖3

3.1.2 增益調(diào)控放大電路

可控增益調(diào)節(jié)部分我們使用壓控增益放大器 VCA820，VCA820 在寬頻帶工作模式下，增益控制范圍為-35dB～45dB ，且控制電壓與增益 dB 數(shù)成線性關(guān)系，滿足設(shè)計要求。如圖 3 所示

3.1.3帶寬控制器

帶寬控制主要由300K高通濾波器、100M低通濾波器和放大電路組成。為獲得放大器通頻帶內(nèi)最平坦的幅頻特性曲線，使用濾波器設(shè)計軟件Multism設(shè)計并制作了5階巴特沃茲300K高通濾波器及5階巴特沃茲100M無源LC低通濾波器。測試表明信號經(jīng)過濾波器后會衰減為原來的1/2，所以在濾波之后加入THS3202搭建4被增益放大器（如圖4）。

3.1.4各級電源設(shè)計

采用自制正負(fù)5V電源為整個系統(tǒng)進(jìn)行正常供電，電源均由線性穩(wěn)壓塊7805、7905搭建。電源模塊原理圖見附圖5.

圖5

3.1.5主控制器電路

選用STC89C52單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。單片機(jī)主要是通過檢測4*4矩陣鍵盤來實(shí)現(xiàn)DAC0832的控制電壓輸出，從而控制可控增益放大器VCA820，達(dá)到增益預(yù)置的效果。另外，單片機(jī)外接1602液晶顯示屏顯示預(yù)置放大倍數(shù)和增益。

3.1.6抗干擾處理

由于高頻小信號放大很容易引入噪聲，我們在實(shí)際制作中采用以下方法減少干擾，避免自激：

（1）將輸入信號和增益控制部分加入屏蔽盒中，以避免級間干擾和高頻自激，減少外面引入的噪聲干擾。

（2）講整個運(yùn)放系統(tǒng)用很長的地線包圍，大面積接地，以吸收高頻信號，減少噪聲。

（3）信號輸入端采用同軸電纜連接。

（4）在各運(yùn)放的電源引腳靠近芯片處接一個4.7u和0.1u的濾除電源噪聲的緩沖電容，增加電路的穩(wěn)定性。

3.2 程序設(shè)計3.2.1主程序流程

圖6主程序流程

3.2.2中斷程序流程

圖7主程序流程

3.3.3源程序

源程序見附錄2

4. 測試方案與測試結(jié)果
4.1 測試儀器

（1）100MHz雙通道數(shù)字示波器

（2）標(biāo)準(zhǔn)高頻信號發(fā)生器（1MHz~100MHz，可輸出1mV小信號）

（3）高頻毫伏表

4.2 測試方法

（1）放大器預(yù)置帶寬 100M。

（2）輸入 0~100M 信號，輸入有效值為 1mV 的電壓信號，測試通頻帶內(nèi)是否平坦。

（3）改變輸入電壓有效值，分別記錄在步進(jìn) 5dB 的時候的輸出電壓有效值范圍。

4.3 相關(guān)測試數(shù)據(jù)

4.1 放大器的基本性能測試

測試方法：用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率1MHZ，有效值分別為

測試結(jié)果分析：

4.2 增益測試：

輸入/頻率(有效值)	輸出值（實(shí)際）	輸出值（設(shè)定值）	輸入/頻率(有效值)	輸出值（實(shí)際）	輸出值（設(shè)定值）
1mv/300KHZ	1.01V	1V	1mv/20MHZ	1.01V	1V
1.5mv/300KHZ	1.56V	1.5V	1.5mv/30MHZ	1. 36V	1.5V
1mv/500K	1.07V	1V	1mv/50MK	0.97V	1V
1mv/500K	1.12V	1V	1mv/70M	0.95V	1V
1mv/1M	1.14V	1V	1mv/90M	0.92V	1V
1mv/5M	1.2V	1V	1mv/100M	0.91V	1V

4.3帶寬測試（設(shè)定增益為0dB）：

輸入/頻率(有效值)	輸出值（實(shí)際）	輸出值頻率(設(shè)定值)	輸入/頻率(有效值)	輸出值（實(shí)際）	輸出值（設(shè)定值）
100mv/300KHZ	100mv/300KHZ	109mv/300KHZ	180mv/20MHZ	188mv/20MHZ	180mv/20MHZ
150mv/300KHZ	150mv/300KHZ	158mv/300KHZ	150mv/30MHZ	158mv/30MHZ	150mv/30MHZ
100mv/500K	100mv/500K	107mv/500K	100mv/50MK	109mv/50MK	100mv/50MK
100mv/500K	100mv/500K	109mv/500K	100mv/70M	109mv/70M	100mv/70M
100mv/1M	100mv/1M	110mv/1M	100mv/90M	106mv/90M	100mv/90M
100mv/5M	100mv/5M	109mv/5M	100mv/100M	107mv/100M	100mv/100M

4.4帶負(fù)載能力測試：

通過在輸出級加50歐姆的負(fù)載測試，輸出為Uo大于等于1V，且沒有明顯的失真。達(dá)到要求！

4.5輸出噪聲比測試

把增益調(diào)成60dB輸入短路，輸出為78mv(峰峰值)，達(dá)到要求。

5. 總結(jié)
5.1 本作品達(dá)到的指標(biāo)如下：

（1）最大電壓增益 Av=62dB，輸入電壓有效值 Vi≤1 mV。

（2）在 Av＝60dB 時，輸出端噪聲電壓的峰－峰值 VONPP≤0.01V。

（3）最大輸出電壓正弦波有效值 Vo≥1V，輸出信號波形無明顯失真。

（4）電壓增益 Av 可預(yù)置并顯示，預(yù)置范圍為 0～60dB，步距為 5dB 并且可

以手動連續(xù)調(diào)節(jié)）；放大器的帶寬可預(yù)置并顯示（50MHz、 100MHz 兩點(diǎn)）。在通

頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB。

（5）通過制作開關(guān)電源來提高電源效率。

（6）本設(shè)計多使用集成芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了題目要求。

5.2 存在問題及改進(jìn)措施

（1）在每個模塊都能正常工作的情況下，整機(jī)連調(diào)的時候會出現(xiàn)“共地”問題，導(dǎo)致整機(jī)會有一個 50Hz 的工頻干擾。改進(jìn)措施是系統(tǒng)地線不能出現(xiàn)環(huán)路，所有地線最好一點(diǎn)接地，包括單片機(jī)的數(shù)字地和模擬地。

（2）在方案實(shí)施過程中，由于時間比較緊，來不及制版，而實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)受限，導(dǎo)致頻率過高的時候會引入干擾。如果能在精確調(diào)整之后，將整體電路利用 PCB 開出電路板，減少連線引起的干擾，一定可以提高精度和性能。

單片機(jī)源程序如下:

//#include<reg52.h>
#include<stdio.h>
//#include<intrins.h>
#include"1602.h"
#include"delay.h"
#include"keyboard.h"
#include"dac7512.h"
//#include"12864.h"
//#define uchar unsigned char
//#define uint unsigned int
/*------------------------------------------------
主程序
------------------------------------------------*/
unsigned char code Line1[]="- v ";
uchar display_buffer[]="000";
void main()
{
unsigned char s,i,j,num;
unsigned char temp[16]; //最大輸入16個
unsigned int h;
float w=0;
unsigned int a,q;
//unsigned long a;
P1=0x00;
LCD_Init(); //初始化液晶屏
DelayMs(10); //延時用于穩(wěn)定，可以去掉
LCD_Clear(); //清屏
LCD_Write_String(0,0,"LOVE//LOVE//LOVE"); //寫入第一行信息，主循環(huán)中不再更改此信息，所以在while之前寫入
LCD_Write_String(0,1,"$-@o@-$[ DISCUZ_CODE_3 ]quot;);
for(s=0;s<5;s++) //延時5s
DelayMs(140);
LCD_Clear();
while (1) //主循環(huán)
{
//LCD_Write_String(0,0,"Magnification");
/**********顯示測試**********
Set_LCD_Pos(0x41);
for(j=0;j<16;j++)
{
LCD_Write_Data(Line1[j]);
}
************************/
num=KeyPro(); //掃描鍵盤
if(num!=0xff) //如果掃描是按鍵有效值則進(jìn)行處理
{
if(i==0) //輸入是第一個字符的時候需要把改行清空，方便觀看
LCD_Clear();
if(('+'==num)|| (i==16) )//輸入數(shù)字最大值16，輸入符號表示輸入結(jié)束
{
i=0; //計數(shù)器復(fù)位
sscanf(temp,"%f",&a);
sprintf(temp,"%g",a);
q=a;
send1(q);
for(s=0;s<16;s++) //賦值完成后把緩沖區(qū)清零，防止下次輸入影響結(jié)果
temp[s]=0;
}
else if(i<16)
{
if((1==i)&&(temp[0]=='0') )//如果第一個字符是0，判讀第二個字符
{
if(num=='.') //如果是小數(shù)點(diǎn)則正常輸入，光標(biāo)位置加1
{
temp[1]='.';
LCD_Write_Char(1,1,num);//輸出數(shù)據(jù)
i++;
} //這里沒有判斷連續(xù)按小數(shù)點(diǎn)，如0.0.0
else
{
temp[0]=num; //如果是1-9數(shù)字，說明0沒有用，則直接替換第一位0
LCD_Write_Char(0,1,num);//輸出數(shù)據(jù)
}
}
else
{ temp[i]=num;
LCD_Write_Char(i,1,num);//輸出數(shù)據(jù)
i++; //輸入數(shù)值累加
}
}
}
// h=int(q)*2;
display_buffer[0]=q/10+'0';
Set_LCD_Pos(0x00);
for(j=0;j<2;j++)
{
LCD_Write_Date(display_buffer[j]);
DelayMs(10);
}
//LCD_Write_Char(0,1,q); }
}

復(fù)制代碼

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