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[導(dǎo)讀] 寬帶放大器在工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在測(cè)量與控制電路中,寬帶放大器是調(diào)理傳感器輸出信號(hào)的重要環(huán)節(jié)。傳感器輸出的電平信號(hào)通常不是規(guī)則的正弦信號(hào),且輸出電壓范圍

寬帶放大器在工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在測(cè)量與控制電路中,寬帶放大器是調(diào)理傳感器輸出信號(hào)的重要環(huán)節(jié)。傳感器輸出的電平信號(hào)通常不是規(guī)則的正弦信號(hào),且輸出電壓范圍往往變化很大,這就需要后級(jí)放大器具有較高的頻帶寬度和靈活的電壓增益,因此,這里提出一種以壓控增益放大器VCA822為核心的可編程寬帶放大器,可實(shí)現(xiàn)通頻帶為100 Hz~15 MHz,放大器增益為10~58 dB,6 dB步進(jìn)可調(diào)。該設(shè)計(jì)可通過(guò)矩陣式鍵盤(pán)設(shè)置放大器增益,液晶顯示器顯示輸出電壓,人機(jī)界面友好。

1 放大器設(shè)計(jì)及工作原理

設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置增益,且具有AGC功能的寬帶放大器。放大器輸入端采用同相放大電路進(jìn)行阻抗匹配,使輸入電阻達(dá)到MΩ數(shù)量級(jí)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為寬帶放大、峰值采樣、人機(jī)交互等3個(gè)模塊。

寬帶放大模塊中電壓增益可預(yù)置的功能是由VCA822實(shí)現(xiàn)。VCA822一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器,最大工作頻帶寬度可達(dá)150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定??刂齐妷旱妮敵鍪怯蓡纹瑱C(jī)運(yùn)算并控制D/A轉(zhuǎn)換器而輸出的,因而能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的數(shù)控。另外,放大器后級(jí)接入兩檔信號(hào)處理電路,一檔增益0 dB,另一檔為衰減檔,通過(guò)一個(gè)控制端口,實(shí)現(xiàn)信號(hào)在這兩檔位之間選擇。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于條理清晰,控制方便,易于單片機(jī)處理。

針對(duì)峰值采樣,采用數(shù)字檢波,即通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行采樣,判斷一定時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)字信號(hào)的最大值,該最大值即為該信號(hào)的峰值。而這種通用數(shù)字峰值檢波電路僅能在低頻段效果良好,針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求中的高頻信號(hào),以及某些特定頻率信號(hào),將產(chǎn)生一定誤差。采用雙頻數(shù)字峰檢對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,這種方案可有效避免產(chǎn)生誤差。

在上述兩模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)AGC的功能。峰值檢波測(cè)得的電壓值反饋回單片機(jī),單片機(jī)對(duì)寬帶放大電路實(shí)現(xiàn)放大精確控制。通過(guò)這種方式可將輸出信號(hào)的峰值穩(wěn)定在4.8 V左右。該系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。


2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 VCA822簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)采用VCA822型寬帶壓控增益放大器。在控制電壓的作用下,該器件可提供精確的增益,且按V/V線性變化,其基本增益。其中VC是控制電壓輸入。電壓基本增益為(V/V)。利用單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)算可控制以dB為單位的對(duì)數(shù)增益。給VCA822提供控制電壓的D/A轉(zhuǎn)換器為MAX541,其位數(shù)為16 bit,因而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)。鑒于VCA822優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制,因此選用該器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可變?cè)鲆妗?/p>


2.2 系統(tǒng)增益分配

放大器其他部分固定增益為34 dB,由中間級(jí)OPA699和后級(jí)功放共同提供。在測(cè)試過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)VCA822的控制電壓范圍為-1~l V,且該器件為±5 V供電,輸出電壓峰峰值不能大于4 V,否則輸出波形失真。為了盡量提高輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍,實(shí)現(xiàn)放大器增益可調(diào),將VCA822設(shè)計(jì)為放大器前級(jí),且增益的控制在0~24 dB可選,輸出信號(hào)接OPA699構(gòu)成的同相放大。經(jīng)單片機(jī)控制,與后級(jí)兩個(gè)檔位選擇性級(jí)聯(lián)。兩檔位的增益分別為0 dB、-24 dB。從而能夠?qū)崿F(xiàn)最小增益10 dB,最大增益58 dB的9級(jí)可調(diào)。

2.3 放大電路

前級(jí)輸入利用MAX477設(shè)計(jì)射級(jí)跟隨器,使得輸入電阻趨近于無(wú)窮大,從而提高輸入阻抗。與VCA822通過(guò)電容耦合,其控制電壓由MAX54l輸出。由于MAX541的轉(zhuǎn)化范同為O~Vref,故在D/A轉(zhuǎn)換器輸出端增加一個(gè)減法器,輸出范圍為-l~+1 V,MAX54l的參考電壓由MAX6225提供。VCA822后級(jí)接入OPA699,OPA699為高增益、高擺率寬帶運(yùn)放。其工作帶寬可達(dá)到l 000 MHz,采用該器件設(shè)計(jì)增益G為12的放大器,完全滿足帶寬為15 MHz的要求。之后為通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的兩檔衰減電路,一檔衰減O dB,一檔衰減24 dB,由模擬開(kāi)關(guān)MAX333控制選通。最后利用電流型、高擺率的運(yùn)算放大器AD8l1和分立元件設(shè)計(jì)的后級(jí)推挽功放實(shí)現(xiàn)功率放大,放大倍數(shù)G為+4,并增大負(fù)載能力。電路實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。


為了提高電路的穩(wěn)定性,此電路采用一系列的抗干擾措施。其中包括每片器件的供電部分采用4.7μF和104 pF的電容進(jìn)行電源濾波,各級(jí)放大器間的信號(hào)輸入輸出采用屏蔽線進(jìn)行連接,數(shù)字地和模擬地之間采用電感隔離。

2.4 后級(jí)功率放大電路

為了增加系統(tǒng)負(fù)載能力,考慮到運(yùn)算放大器AD811自身負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的限制,這里選用AD8l1配合高頻中小型功率對(duì)管2N3904(NPN型)和2N3906(PNP型)(兩功率管特征頻率fT=300 MHz)搭建0CL功率放大器。前級(jí)由AD811組成同相放大器,放大倍數(shù)為Av=1+Rf/R3;后級(jí)選用功率對(duì)管擴(kuò)流構(gòu)成甲乙類(lèi)功率推挽輸出形式提供負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,輸出端接50 Ω負(fù)載時(shí),無(wú)失真的最大輸出電壓峰對(duì)峰值達(dá)到18 V。電路原理圖如圖4所示。


2.5 數(shù)字檢波

本設(shè)計(jì)中的峰值檢波電路基于信號(hào)頻譜搬移理論,由于A/D轉(zhuǎn)換器在單一采樣率進(jìn)行采樣時(shí)會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)頻段,故以2個(gè)特殊頻率(雙頻)先后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,提取采樣結(jié)果中的最大值即可得到周期信號(hào)峰值。這種方法可兼顧高低頻,適合應(yīng)用于該系統(tǒng)100 Hz~15 MHz的情況。采用A/D轉(zhuǎn)換器MAXl97,利用2個(gè)采用率f=50.000 kHz,f2=50.005 kHz互補(bǔ)采樣盲區(qū),可得到良好采樣效果。設(shè)置A/D采樣率的方波信號(hào)由FPGA提供。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思想。采用模塊化設(shè)計(jì)思想,要對(duì)某一子控制器控制,只需調(diào)用相應(yīng)的控制模塊即可。模塊內(nèi)采用層次化設(shè)計(jì),把底層的硬件接口處理編制為獨(dú)立底層子程序,并向上提供處理數(shù)據(jù),且對(duì)上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分;最后,主程序只需調(diào)用相關(guān)的功能模塊就可方便構(gòu)建系統(tǒng)。

本系統(tǒng)軟件部分主要由單片機(jī)組成,其中主要包括系統(tǒng)初始化、中斷的響應(yīng)和中斷的處理。該設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)以鍵盤(pán)的按鍵中斷為主線,通過(guò)讀入用戶輸入的鍵值,在相應(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)中與FPGA中對(duì)應(yīng)的控制模塊以總線的方式進(jìn)行及數(shù)據(jù)的交換,觸發(fā)FPGA內(nèi)相應(yīng)的控制時(shí)序,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和測(cè)量。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。


4 數(shù)據(jù)測(cè)試

該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號(hào)源、雙蹤示波器、仿真機(jī)、交流電壓表進(jìn)行測(cè)試。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的頻率,并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值。測(cè)試結(jié)果表明,放大器的放大倍數(shù)在10~58 dB內(nèi)9級(jí)可調(diào),-3 dB點(diǎn)為100 Hz~15 MHz,且放大效果穩(wěn)定。對(duì)于放大器的AGC功能,將輸入信號(hào)頻率固定,改變電壓大小,輸入信號(hào)峰值為9 mV~1 V時(shí),可將輸出信號(hào)穩(wěn)定在峰值為4.5~5 V的電壓范同內(nèi),故AGC動(dòng)態(tài)范圍大于40 dB。預(yù)置放大器放大倍數(shù)58 dB時(shí),輸入端接地,輸出噪聲電壓小于10 mV。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以VCA822為核心的可控增益寬帶放大器。經(jīng)測(cè)試,系統(tǒng)通頻帶為100 Hz~15 MHz,增益10~58 dB內(nèi)9級(jí)可調(diào),且放大器AGC功能的動(dòng)態(tài)范圍大于40 dB。此外,系統(tǒng)輸入端采用MAX477接成同相放大電路,使得系統(tǒng)輸入電阻達(dá)到MΩ數(shù)量級(jí)。后級(jí)AD811和分立元件搭建的功率放大電路,提高了系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。系統(tǒng)還采用多種抗干擾措施,有效保證放大器精度,并具有良好噪聲和線性。

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