方案一：采用場(chǎng)效應(yīng)管或三極管控制增益。主要利用場(chǎng)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(hào)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(jiǎn)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(hào)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)容易發(fā)生自激。

方案三：根據(jù)題目對(duì)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。

方案一：用分立元件，此方案元器件成本低，易于購(gòu)置。但是設(shè)計(jì)、調(diào)試難度太大， 周期很長(zhǎng)， 尤其是短時(shí)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(shí)，帶寬達(dá)到200MHz，并能實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)輸出噪聲較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)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(cè)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。

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(wú)源RC濾波器，電路簡(jiǎn)單，衰減太大。

方案三：采用無(wú)源濾波

無(wú)源LC的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(huì)對(duì)信號(hào)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(jì)，我們選用了比較熟悉的巴特沃茲濾波器。同時(shí)在濾波器后加入固定增益放大器，彌補(bǔ)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)的幅度衰減。

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(duì)調(diào)整速率和精度要求較高的場(chǎng)合；串聯(lián)型電路比較簡(jiǎn)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(duì)于寬帶放大，低噪聲放大器而言，這是一個(gè)極好的方案，但蓄電池體積大，攜帶不方便。

     方案三：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此方案效率高，但電路復(fù)雜，開(kāi)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(lái)串?dāng)_。

綜上所訴，選擇方案一中的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。

帶寬增益積(GBP)是這是用來(lái)簡(jiǎn)單衡量放大器的性能的一個(gè)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。按照放大器的定義，這個(gè)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(gè)放大器是很難達(dá)到 10G 的 GWB，所以我們考慮多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。

經(jīng)過(guò)查閱手冊(cè)， THS3202 的 GWB 為 2G，級(jí)聯(lián)上后級(jí)的 VCA820 足以達(dá)到題目要求。

題目中要求通頻帶內(nèi)增益起伏≤1dB，本設(shè)計(jì)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(méi)有起伏， 雖然在阻頻帶內(nèi)緩慢下降為零，但可以通過(guò)增加濾波器階數(shù)來(lái)加快阻帶內(nèi)的衰減， 符合題目要求。

經(jīng)過(guò)濾波器設(shè)計(jì)軟件 FilterSolutions 和仿真軟件 Multisim 仿真，發(fā)現(xiàn)5階的時(shí)候即可達(dá)到題目要求（仿真效果見(jiàn)附錄圖 1）

圖1

（1）放大器板上所有運(yùn)放電源線及數(shù)字信號(hào)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(shí)盡量靠近 IC 電源和地。

（2）所有信號(hào)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(gè)焊接板之間傳遞模擬信號(hào)時(shí)用同軸電纜，信號(hào)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(duì)本電路的干擾，同時(shí)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(kāi)， 同時(shí)數(shù)字地和模擬地電源地一點(diǎn)相連。

前級(jí)（見(jiàn)圖2）

                       圖2

放大電路采用可變?cè)鲆娣糯竽�塊。設(shè)計(jì)VCA820可變?cè)鲆?35dB~45dB.

圖3

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(jì)要求。如圖 3 所示

  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(jì)軟件Multism設(shè)計(jì)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(wú)源LC低通濾波器。測(cè)試表明信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后會(huì)衰減為原來(lái)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）。

采用自制正負(fù)5V電源為整個(gè)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(jiàn)附圖5.

圖5

選用STC89C52單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。單片機(jī)主要是通過(guò)檢測(cè)4*4矩陣鍵盤來(lái)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。

由于高頻小信號(hào)放大很容易引入噪聲，我們?cè)趯?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(hào)和增益控制部分加入屏蔽盒中，以避免級(jí)間干擾和高頻自激，減少外面引入的噪聲干擾。

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

（3） 信號(hào)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(gè)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。

圖6主程序流程

圖7主程序流程

源程序見(jiàn)附錄2

4.1 放大器的基本性能測(cè)試

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

測(cè)試結(jié)果分析：

4.2 增益測(cè)試：

4.3帶寬測(cè)試（設(shè)定增益為0dB）：

4.4帶負(fù)載能力測(cè)試：

通過(guò)在輸出級(jí)加50歐姆的負(fù)載測(cè)試，輸出為Uo大于等于1V，且沒(méi)有明顯的失真。達(dá)到要求！

4.5輸出噪聲比測(cè)試

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

（1）最大電壓增益 Av=62dB，輸入電壓有效值 Vi≤1 mV。

（2）在 Av＝60dB 時(shí)，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(hào)波形無(wú)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(dòng)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(guò)制作開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高電源效率。

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

（1）在每個(gè)模塊都能正常工作的情況下，整機(jī)連調(diào)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)“共地”問(wèn)題， 導(dǎo)致整機(jī)會(huì)有一個(gè) 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(guò)程中，由于時(shí)間比較緊，來(lái)不及制版，而實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)受限， 導(dǎo)致頻率過(guò)高的時(shí)候會(huì)引入干擾。如果能在精確調(diào)整之后， 將整體電路利用 PCB 開(kāi)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:

2013全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽-D題-射頻寬帶放大器.doc (293.53 KB, 下載次數(shù): 26)

2019-7-3 10:11 上傳

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