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(jí)聯(lián)和阻抗匹配，在加入后級(jí)功率輸出，全面提高了增益帶寬積。應(yīng)用單片機(jī)STC89C52對(duì)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(hào)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(cè)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(jì)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(jì)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(jì)
3.1硬件電路設(shè)計(jì)
3.1.1 系統(tǒng)框圖
3.1.2 前級(jí)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(jí)電源設(shè)計(jì)
3.1.5主控制器電路
3.1.6抗干擾處理
3.2 程序設(shè)計(jì)
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(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果
4.1 測(cè)試儀器
4.3 相關(guān)測(cè)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(jì)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(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。 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(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。 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(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)通過濾波器時(shí)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(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(lái)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(jì)算
2.1帶寬增益積帶寬增益積(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。 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(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(lái)加快阻帶內(nèi)的衰減， 符合題目要求。 經(jīng)過濾波器設(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(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， 同時(shí)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(jì)
3.1硬件電路設(shè)計(jì)
3.1.1 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由由前級(jí)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(jí)放大電路前級(jí)（見圖2） 
圖2
放大電路采用可變?cè)鲆娣糯竽K。設(shè)計(jì)VCA820可變?cè)鲆?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(jì)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(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）。 3.1.4各級(jí)電源設(shè)計(jì)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。電源模塊原理圖見附圖5. 
圖5 3.1.5主控制器電路選用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。
3.1.6抗干擾處理由于高頻小信號(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。 3.2 程序設(shè)計(jì)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(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果
4.1 測(cè)試儀器（1）100MHz雙通道數(shù)字示波器 （2）標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)發(fā)生器（1MHz~100MHz，可輸出1mV小信號(hào)） （3）高頻毫伏表 4.2 測(cè)試方法 （1）放大器預(yù)置帶寬 100M。 （2）輸入 0~100M 信號(hào)，輸入有效值為 1mV 的電壓信號(hào)，測(cè)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(shí)候的輸出電壓有效值范圍。 4.3 相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)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。
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(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）通過制作開關(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。 5.2 存在問題及改進(jìn)措施（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(gè)
- 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(shí)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(shí)5s
- DelayMs(140);
- LCD_Clear();
-
- while (1) //主循環(huán)
- {
- //LCD_Write_String(0,0,"Magnification");
- /**********顯示測(cè)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(gè)字符的時(shí)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(hào)表示輸入結(jié)束
- {
- i=0; //計(jì)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(gè)字符是0，判讀第二個(gè)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(shuō)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); }
- }
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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
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2019-7-3 10:11 上傳
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