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射频宽带放大器D题
2013年全国大学生电子设计竞赛
射频宽带放大器(D题)
【本科组】
2013年9月7日
摘要
本系统以程控增益调整放大器AD603为核心,外加宽带放大器OPA690的配合,实现了高增益可调的射频宽带放大器。
系统主要由六个模块构成:
前置放大电路、一阶RC高通滤波电路、可控增益放大电路、输出缓冲电路、直流稳压电源以及单片机显示控制模块。
系统通过第一级OPA690两级级联电路放大20dB,再通过单片机程控两级级联的AD603实现-20~60dB的动态增益变化,从而满足电压增益Av在0~60dB范围内可调的要求。
整个系统放大器可放大1mV有效值信号,增益可达80dB,通频带内增益起伏1dB,放大器在Av=60dB的时候,输出噪声电压峰-峰值为80mV,通过单片机控制可实现电压增益Av可预置并显示的功能。
整个系统工作可靠、稳定,且成本低。
关键词:
射频宽带放大;可控增益;AD603
射频宽带放大器(D题)
【本科组】
1系统方案论证
1.1方案比较与选择
1.1.1前置放大电路
方案一:
使用分立元件三极管、电阻、电容、电感等构成前置放大电路。
该电路在元件参数设置不精准的情况下,误差较大,且电路结构复杂,设计困难,调试繁琐,故不采用。
方案二:
使用仪表放大电路。
仪表放大器具有低输入失调电压、高共模抑制比、可用单电阻实现增益大范围调节等优点,但是专用的仪表放大器价格通常比较昂贵,所以不予采用。
方案三:
采用OPA690运放电路。
OPA690为低噪声、低直流零点漂移运放,且结构简单,调试容易,电路稳定,效果较好。
综合以上三种方案,选择方案三。
1.1.2可控增益放大电路
方案一:
利用高速运放加数字电位器构造可程控放大器,通过控制数字电位器阻值来控制放大器增益。
但数字电位器建立时间最快也需几us,加之数字电位器3db截止频率一般在几百KHz,当输入信号为MHz数量级下阻值准确性会产生失真,使得程控变得困难,而且高速运放在低频下的响应远不能满足要求。
因此,此方案可行性较差。
方案二:
采用可编程放大器的思想,将输入交流信号作为高速DAC的基准电压,用DAC的电阻网络构成运放反馈网络的一部分,通过改变DAC数字控制量实现增益控制。
理论上讲,只要DAC的速度足够快、精度足够高就可以实现很宽范围的精密增益控制,但是控制的数字量和最后的20dB不成线性关系而成指数关系,造成增益调节不均匀,精度下降,因此不选用此方案。
方案三:
选用两级集成可控增益放大器直接耦合作为增益控制,集成可控增益放大器的增益与控制电压成线性关系,控制电压由单片机控制DAC产生。
单级集成可控增益放大器AD603具有-10dB到+30dBdB的增益控制范围,两级级联后理论上可达到-20dB到+60dB的增益控制范围,精度达到0.5dB,带宽60MHz,可以满足题目基础部分指标要求。
综合以上三种方案,选择方案三集成可控增益放大器AD603实现增益控制,外围电路简单,便于调试,而且具有较高的增益调节范围和精度。
1.1.3直流稳压电源
方案一:
线性稳压电源。
串联型电路比较简单,效率较高,尤其是若采用集成三端稳压器,输出电压纹波很小,可靠性高,可为后级小信号放大电路输出波形不失真提供保障。
方案二:
开关稳压电源。
此方案效率高,但电路复杂,开关电源的工作频率通常为几十~几百KHz,基波与很多谐波均在本放大器通频带内,极容易对小信号高频放大电路带来干扰,使波形失真。
综合考虑采用方案一。
1.2方案描述
图1系统方框图
最终确定的系统详细方框图如图1所示。
系统增益调节范围为0~60dB。
前级放大电路增益为20dB,由两级OPA690构成,实现输入阻抗匹配,增大了后级输入电压。
可控增益放大电路由两级AD603构成,实现了-20~60dB的增益调节范围。
再通过两个缓冲器BUF634并联,扩大输出电流,提升放大器的带负载能力。
通过STC12LE5A60S2单片机来控制键盘和TFT显示模块,实现电压增益手动连续调节功能和电压增益Av显示功能。
2理论分析与计算
2.1宽带放大器设计
宽带放大器由两级OPA690级联构成的输入缓冲放大电路、两级AD603级联构成的程控增益放大电路组成。
输入部分先用电阻分压衰减,再由OPA690进行输入缓冲放大,后由AD603进行程控增益放大,且两个OPA690为双电源、交流耦合、G=+2电路接法,宽带为220MHz。
由于两级放大电路幅频响应相同,所以当两级AD603串联后,带宽会有所下降,串联前各级带宽为90MHz左右,两级放大电路串联后总的3dB带宽对应着单级放大电路1.5dB带宽,根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz。
2.2频带内增益起伏控制
AD603是一种低畸变、高增益精度的增益可调的集成运放,带内增益起伏0.5dB,设计中采用两级AD603串联后,带宽会有所下降,在这种连接方式下带宽远大于设计要求,所以可以保证通频带内电压增益起伏小于1dB的要求。
OPA690在G=+2的情况下,带宽为220MHz,带宽远远大于题目要求的0.3~15MHz频率范围,所以系统保证了稳定的电压增益。
2.3射频放大器稳定性
放大器在工作时会出现自激,外部干扰等,影响放大器稳定的工作。
当放大器深度负反馈时输出信号带有一定的纹波。
此时需要在输出口加一个小电容,消除高频的纹波干扰。
为抑制干扰,在放大器电源两端并接电容可以消除输出信号的干扰。
在印制PCB板时,走线敷铜,可以大大降低信号的干扰。
尽量选用贴片元件减少走线长度减少寄生电容的影响。
同时设计系统各个单元电路间的阻抗匹配,这样提高了系统的稳定性。
将单片机的数字电源和模拟电路的电源隔开,同时数字地和模拟地电源地一点相连,防止数字系统的干扰进入模拟系统。
2.4增益调整
增益调整采用运放AD603,其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型网络输入端的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定;而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片TLC5615输出控制电压得来,从而实现较精确的数控。
此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽,单级实际工作时可提供30dB的增益,两级级联后即可得到60dB的增益,配合前级OPA690运放电路输出,在高频时也可提供超过60dB的增益。
这种方法电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1前置放大电路
图2前置放大电路图
前置放大电路由两级OPA690构成,第一级OPA690增益为10dB,3dB宽带为220MHz,第二级与第一级接法相同,增益为10dB,3dB宽带为220MHz。
3.1.2可控增益放大电路
图3可控增益放大电路
系统可控增益放大电路采用两级AD603级联实现,单级AD603采用宽频带模式接法,将VOUT与FDBK短路,有-10~30dB的增益调整范围,90MHz宽带。
级联后两级级联后理论上可达到-20dB到+60dB的增益控制范围,宽带为60MHz。
3.1.3输出缓冲电路
图4输出缓冲电路
输出缓冲电路由两个缓冲器BUF634并联,扩大输出电流,提升放大器的带负载能力。
3.1.4自制直流稳压电源模块
图5直流稳压电源电路
电源由变压部分、整流部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供±5V或者3.3V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。
1)键盘实现功能:
设置增益值。
2)显示部分:
显示增益值。
2、程序设计思路
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
图6主程序流程图
2、自动增益控制子程序流程图
图7自动增益控制子程序流程图
3、按键子程序流程图
图3按键子程序流程图
4测试方案与测试结果
4.1测试仪器
测试仪器清单,如表所示。
表1测试仪器清单
序号
仪器名称
型号
指标
1
双踪示波器
LDS20210
200MHz带宽1GS/s采样率
2
函数信号发生器
SG1653
20Hz~20MHz
3
数字万用表
UT55
3位半
4.2放大器增益测试
测试方案选择:
通过函数发生器产生80MHz以内有效值为10mV的正弦波,通过双踪示波器分别观察系统输入和输出信号的大小。
其放大器增益测试结果如表。
表2放大器增益测试结果
100
KHz
2
MHz
20
MHz
20dB
280V
140mV
100mV
40dB
500mV
300mV
200mV
60dB
3.56V
3V
680mV
4.3最大输出有效值测试
测试方案选择:
在增益40dB时,增大输入信号幅度,观察最大不失真输出信号幅度,得测试结果:
Vipp=10mV
Vopp=1.2V
4.4通频带内增益起伏测试
测试方案选择:
以1MHz为基准,在增益为60dB时,输入峰—峰值为20mV信号,从0.3MHz~15MHz改变输入信号频率,测出输出信号幅度与放大60dB时理论输出幅度之比。
测试结果为:
0.3MHz~15MHz内:
平均0.8dB
4.5放大器噪声电压测试
测试方案选择:
在增益为60dB时,将输入端与地短接,测出输端信号幅度。
测试结果:
Uo=72mV
4.6输入电阻与负载电阻阻值测试
测试方案选择:
输入电阻50Ω测量,将50Ω电阻与电路两端并联,测量50Ω电阻两端电压和电路两端电压是否相等,相等则输入电阻为50Ω。
负载电阻50Ω测量,用万用表直接测量。
测试结果:
输入阻抗=50Ω
输出阻抗=50Ω
参考文献
[1]童诗白,华成英.《模拟电子技术基础》[M].北京:
高等教育出版社,2006年.
[2]张肃文.《高频电子线路》[M].北京:
高等教育出版社,2009年.
[3]郭天祥.《51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略》[M].北京:
电子工业出版社,2009年.
[4]高吉祥,唐朝京.《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计》[M].北京:
电子工业出版社,2007年.
[5]高吉祥,王晓鹏,宋克慧.《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程2009年全国大学生电子设计竞赛试题剖析》[M].北京:
电子工业出版社,2011年.
附录1:
源程序
#include"stc12.h"
#include"gui.h"
#include"delay.h"
#include"r61505v.h"
#include"def.h"//宏定义常用函数
//#include"key.h"
#include"ad.h"
//#include"string"
#include"math.h"
//此数组用于显示数字0-9数字来着于字符zifu8x16.h
charasca1[10][2]={"0","1","2","3","4","5","6","7","8","9"};
sbitkey1=P4^0;
sbitkey2=P4^1;
sbitkey3=P4^2;
sbitkey4=P4^3;
voiddisplaynum(longtemp,unsignedintx,unsignedinty)
{
chara1=0,a2=0,a3=0,a4=0,a5=0,a6=0;
GUI_sprintf_ZMHZs(x,y,"",White,White);//六个空格
if(temp>99999)
{
a1=1;
GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1-1)*16,y,asca1[temp%1000000/100000],Red,White);
}
if(temp>9999)
{a2=1;
GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2-1)*16,y,asca1[temp%100000/10000],Red,White);
}
if(temp>999)
{
a3=1;
GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3-1)*16,y,asca1[temp%10000/1000],Red,White);
}
if(temp>99)
{
a4=1;
GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3+a4-1)*16,y,asca1[temp%1000/100],Red,White);
}
if(temp>9)
{
a5=1;
GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3+a4+a5-1)*16,y,asca1[temp%100/10],Red,White);
}
a6=1;
GUI_sprintf_ZMHZs(x+(a1+a2+a3+a4+a5+a6-1)*16,y,asca1[temp%10],Red,White);
}
main()
{
floatA,B=0;
inti=0,j=0,b,c;
Lcd_Init();//tft初始化
LCD_CS=0;//打开片选使能
GUI_Clear(0xffff);//清屏
displaynum(101010,0,0);
//while
(1)
{
delayms(2000);
A=GetADCResult(0);
B=GetADCResult
(1);
displaynum(A*100,0,0);
displaynum(B*100,100,0);
}
//GUI_sprintf_ZMHZs(0,100,"长纤度为",Black,Cyan);
//GUI_sprintf_ZMHZs(0,200,"案件显示",Black,Cyan);
while
(1);
}
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