NEC杯全国大学生电子设计竞赛C题宽带直流放大.docVIP

宽带直流放大器 中文摘要：本设计由输入缓冲电路，增益控制电路，后级功率放大电路，测量电路，单片机控制及显示和电源模块六个功能模块组成。其中由两块高性能集成宽带、低噪声可变增益放大器AD603级联而成,负责信号放大并与单片机电路配合实现了增益控制后级功率输出模块采用分立元器件构成,得到较高的输出电压范围系统控制模块以单片机为主,可完成增益设定、电压有效值计算和显示等功能。系统采用电压反馈控制方式实现了自动增益控制,AGC范围较宽。 1.1系统总体设计 按照题目要求，我们设计的宽带直流放大器包括输入缓冲、增益控制电路、后级放大、测量、键盘显示和直流稳压电源六大功能模块。其总体框图如下图1-1： 图1-1 系统总体设计框图 1.2自动增益控制电路 方案一简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,为了满足增益60dB的要求,可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件,如三极管等,电路比较复杂,工作点难于调整,尤其增益的定量调节非常困难。此外,由于采用多级放大,电路稳定性差,容易产生自激现象。 方案二DAC控制增益。如图1，输入信号放大后作为基准电压送给DAC的Vref脚，相当于一个程控衰减器。再接一级放大，这两级放大可实现要求的放大倍数。输出接到有效值检测电路上，反馈给单片机。单片机根据反馈调节衰减器，实现AGC。还可通过输入模块预置增益值，控制DAC的输出，实现程控增益。但增益动态范围有限，故不 图1-2 增益控制部分方案二示意图 方案三：电压控制增益。如图1，信号经缓冲器后进入可编程增益放大器PGAAD603，放大后进入值测量部分，得出的值采样后送入单片机，再由DAC输出给AD603控制放大倍数，实现自动增益控制。同时可通过输入模块设置增益值，控制DAC的输出，实现程控增益放大。 终上所述，选用方案三，采用集成可变增益放大器AD603作增益控制。AD603是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为0.5dB，满足题目要求的精度，其增益（dB）与控制电压（V）成线性关系，因此可以很方便地使用D/A输出电压控制放大器的增益。 1.3后级放大电路 由于AD603的最大输出电压较小，不能满足题目要求，所以前级放大信号需经过后级功率放大达到更高的输出有效值。 方案一使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的文档说明。可是题目要求输出V以上有效值,而在电子市场很难买到这样的芯片,很容易发生工作不稳定的情况。 方案二使用分立元件后级放大器。使用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看来较集成电路灵活。因此,我们决定自行设计后级放大器。 方案一：采用真有效值转换器件测量 方案二：采用峰值检波测量。采用峰值检波电路，检出峰值经A/D转换后由单片机转换为有效值。电路简单可靠，但前提是信号是正弦波，否则误差较大。考虑到本题要求测量的是标准正弦波，因此选择本方案。 方案一：线性稳压电源，包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；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，更加方便可靠。 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在几十～几百KHz，基波与很多谐波都在本放大器通频带内，很容易带来串扰。因此为满足系统要求，我们采用方案一中串联型稳压电源。 2、系统分析与计算 2.1电压控制增益的原理 AD603的基本增益可以用下式算出： Gain (dB) = 40 VG + 10 其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。 从此式可以看出，以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确的实现。但若要用放大倍数来表示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的对数运算转化为以dB为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差。 2.2 AGC AGC即自动增益控制电路，常用在收音机、电视机、录像机的信号接收和电平处理电路中。它的作用是当信号较强时，使其增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证输出信号基本稳定。 2.3正弦电压有效值的计算 根据正弦波峰峰值与有效值的关系有： 其中：Vm为峰值检波电路输出，V为输出电压有效值。 3、电路设计与软件设计 3.1电路设计 3.1.1输入缓冲和增益控制部分 如附图1所示，输入部分先用电阻分压衰减，再由低失真度电