通用可變增益放大器(DOC)

1、 加密號:加密號:學校編號:NEFU-B-001學校名稱：東北林業(yè)大學隊員姓名：姚金龍連建君譚婷賽點負責人：教務處章：2008年8月17日通用可變增益放大器（B題）摘要本著簡單、準確、可靠、通用的原則，采用了分級設計匹配互連的思想。本放大器系統(tǒng)分為前級放大部分、增益放大與控制電路部分、檔位控制部分、后級穩(wěn)壓輸出部分四部分。全系統(tǒng)采用單一的模擬電路方式，通過前級放大部分獲得所需輸入電壓、輸入阻抗等重要參數(shù)；通過撥碼開關連接的反饋電阻進行精密全局控制，獲得20dB至40dB之間分辨力不低于0.1%的可變增益范圍；通過檔位控制部分電路實現(xiàn)四個檔位增益值轉換，在衰減電路的作用下得到三個檔位的增益值，即

2、一20dB至0、0至20dB、20dB至40dB；最后通過后級穩(wěn)壓輸出部分獲得輸出幅度不低于8V的輸出電壓，此部分電路包括抑制零點漂移的調零電路。通過驗證，本系統(tǒng)可以對輸出電壓數(shù)值的漂移，零點漂移等不良影響進行有效地抑制和降低。通過全面的調試和測量，使得本系統(tǒng)基本滿足題目的基本部分和發(fā)揮部分的要求并融入了自己的創(chuàng)新思想，設計出了一個可控范圍大、輸出幅度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、幅頻特性好的通用可變增益放大器。目錄摘要2目錄3TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 一、方案論證與比較4 HYPERLINK l bookmar

3、k10 o Current Document 1、前級放大部分4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2、增益放大與衰減控制電路4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3、后級電壓輸出5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 二、系統(tǒng)設計5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1、總體設計思路5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2、主要電路原理分析與計算6

4、 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1、前級放大電路6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 2、增益放大與控制電路6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.3、檔位控制電路7 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4、電壓輸出電路7 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 三、系統(tǒng)測試方法與測試數(shù)據(jù)8 HYPERLINK l bookmark40 o Curr

5、ent Document 1、測試儀器8 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2、測試方法與測試數(shù)據(jù)82.1、測前級放大電路82.2、測增益放大與控制電路82.3、各級電路調節(jié)好后，進行測量和詳細記錄83、測試結果分析91、測試結果分析93.2、誤差分析93、測試心得10 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 四、總結10123 56、方案論證與比較1、前級放大部分方案一：采用分立元件實現(xiàn)。此方案成本低，元器件易于得到，但是設計、調試難度過大，硬件電路連接與制作困難，在大賽規(guī)定的時間內很難保證作品的可

6、靠性和指標，因此不予采用。方案二：采用集成運放設計。此方案用可編程放大器芯片級聯(lián)而成，電路簡單，調試容易，指標和可靠性容易保證，因為OP37的幅頻特性差，當放大倍數(shù)大于3時波形失真嚴重，THS3001的輸入阻抗過低，經過多方面特性和通用性的比較與實際檢測，選用高速寬帶集成芯片OPA637可以滿足此次放大器的設計要求，因此采用此方案。2、增益放大與衰減控制電路方案一：采用可編程放大器實現(xiàn)。此方案用單片機控制繼電器，繼電器控制相應的反饋電阻，四個檔位，分辨力不低于0.1%，這對于單片機編程控制要求很高，而目前的編程能力有限，因此不予采用。方案二：2采用可編程控制放大3器和衰減電路實現(xiàn)。此4方案用單

7、片機控制最5后一檔即1001000，得到0.1%的分辨力，用單片機的P口的高低電平控制繼電器，因為各個檔位之間是十倍的對應關系，所以將可編程放大器芯片輸出的信號接衰減電路，用撥碼開關接通相應的衰減電阻，得到四個檔位的增益變化，同時接有調零電路，很好的抑制了零點漂移，硬件電路連接方便，軟件編程容易實現(xiàn)，電路圖如圖1所示，但是經過調試發(fā)現(xiàn)單片機的接入對整個放大器電路的干擾特別大，為保證穩(wěn)定性和可靠性，決定放棄此套方案，不予采用。19P1.0VDDP1.1P0.0/AD0P1.2P0.1/AD1P1.3P0.2/AD2P1.4P0.3/AD3P1.5/MOSIP0.4/AD4P1.6/MISOP0.

8、5/AD5P1.7/SCKP06AD6RSTP07AD7P3.0/RXD.EAVPP3.1/TXDP3.2/INT0ALE/PROGPSENP3.3/INT1P2.7/AD15P3.4/T0-P2.6/AD14P3.5/TP2.5/AD13P3.6/WRP2.4/AD12P3.7/RDP2.3/AD11XTAL2P2.2/AD10XTAL1P2.1/AD9GNDP2.0/AD889C55WDuFl圖1程控增益放大與控制電路方案三：采用撥碼開關實現(xiàn)。此方案用OPA637放大器芯片實現(xiàn)電壓放大，方式為同相運算電路，放大電路的反饋為十個不同阻值的電阻串聯(lián)而成，電阻由撥碼開關控制，按照TitleRev

9、isionSizeNumberBDate:26-Aug-2010SheetofFile:C:DocurentsandSettings譚婷ting桌面12864D89S51B路圖Backupo 二進制的方式將十個電阻進行組合接入電路，得到在10100內分辨力為0.1%的放大倍數(shù)，因為各個檔位之間是十倍的對應關系，所以將放大器芯片輸出的信號接衰減電路，用撥碼開關接通相應的衰減電阻，得到四個檔位的增益變化，同時接有調零電路，很好的抑制了零點漂移，硬件電路連接與制作簡單，而且不會造成很大干擾，指標和可靠性容易保證，經過慎重考1慮決定采用此方案。2343、后級電壓輸出方案一：采用分離元件實現(xiàn)。為保證高頻

10、端放大器的穩(wěn)定性和帶內幅度的平坦度，電壓放大輸出模塊采用分立元器件構成的互補推挽和深度電壓串聯(lián)負反饋電路形式，得到較高的輸出電壓范圍和相應的輸出阻抗，分離元件的物理特性容易滿足，性能比較穩(wěn)定，連接電路圖如圖2所示，但是經過試驗調試，此方案與前級放大器級聯(lián)會使波形產生嚴重的失真，所以在后級輸出部分級聯(lián)一個電壓跟隨器，通過比較，AD817相比于OPA637能更好的滿足題目的要求，因此采用此方案。二、系統(tǒng)設計1、總體設計思路1輸入阻抗變換電路過壓保護電壓輸出電路調零電路檔位控I-制電路-4圖3系統(tǒng)總體框圖根據(jù)題目的要求，結合考慮過的各種方案，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，采用撥碼開關預置和控制放大器增益的方法，大

11、大提高了系統(tǒng)的精度和可控性；系統(tǒng)前端增益放大部分需設一級OPA637程控增益放大器，實現(xiàn)輸入阻抗變換和增益放大，同時接入了過壓保護電路；根據(jù)增益步進的要求，需要采用撥碼開關按照二進制方式控制增益值，再通過衰減電路獲得三個檔位增益，根據(jù)輸出電壓幅度和輸出阻抗的要求，后級電壓輸出采用AD817連成電壓跟隨器的方式，于是系統(tǒng)總體設計方案如圖3所示。輸入信號通過轉換開關獲得大于10MQ或500的輸入阻抗，并連接過壓保護功能電路，前級放大電路運用OPA637芯片獲得高性能的放大信號，此時的放大倍數(shù)為10倍，中間級芯片的反饋是由1撥碼開關控制的電阻構成，控2制電路的放大倍數(shù)為110，3通過二進制的方式獲得

12、0.1%的步進增益值，以滿足題目要求，輸出的信號再經過由撥碼開關控制的衰減電路，獲得三個不同檔位增益，最后再由放大器芯片組成的穩(wěn)壓輸出電路獲得高輸出幅值和所需輸出阻抗，其中含有抑制零點漂移的調零電路，再運用衰減控制電路得到其它檔位增益值，整體電路成本低，電路工藝簡單而獨特。D2、主要電路原理分析與計算21、前級放大電路本部分運用一片OPA637集成芯片級聯(lián)而成，為滿足輸入阻抗可開關設置為大于10MQ或50Q，將50Q的電阻用開關控制接入電路，因為OPA637是由高阻抗的CMOS管構成,所以用一個OPA637可以獲得高阻抗，并連有兩個二極管構成過壓保護電路，電路圖如圖一4放大倍數(shù)計算：已知A=1

13、+Rf/R0,Rf=9kQ，R0=1kQ，可以計算出A=10。當接R1時,有A=12.25。22、增益放大與控制電路本部分電路由OPA637放大器構成的集成運放電路。此處的運放得到的增益范圍是110，集成運放的反饋部分由撥碼開關接有十個電阻，采用二進制計數(shù)的方式進行組合得到0.1%A的步進增益值，因此只需計算出第一個電阻值就可以知道其它阻值了，如需要接通Rn（n=09），則將對應的開關斷開即將對應電阻接入電路反饋端，如要得到1.009的增益，由A=1+R1/R0，R0=1KQ，計算得到R1=9Q，由二進制的特點可以算出R2=2R1=18Q，R10=2R9=4608Q，放大倍數(shù)為An=1+Rn/

14、RO，得到n=（An-l）*100,再將n值轉換成二進制值對應到開關和電阻1，表1例舉了幾個典型的增2益電阻組合（其中“1”對應位3的電阻接入電路作為負載）。電路圖如圖5所示。-15圖一5增益放大與控制電路G=10000000000G=60111110100G=20001100100G=71001011000G=30011001000G=81010111100G=40100101100G=91100100000G=50110010000G=1011100001003234表一1增益電阻組合表一2Title2.3、檔位控制電路1SizeBDate:3File:C檔位衰減控制電路采用電阻串聯(lián)的形式

15、連接撥碼開關，電路如圖一6所示，開關控制增益的三個檔位范圍，不衰減時輸出值第三檔最大是100,第二檔最大是10,第一檔最大是1,R1/(R1+R2+R3+R4)=(100-10)/10,(R1+R2)/(R1+R2+R3+R4)=(100-1)/1,(R1+R2+R3)/(R1+R2+R3+R4)=(100-0.1)/0.1,令R3=510Q，則可以計算出R1=51KQ,R2=5.1KQ,R4=56.7圖一6檔位控制電路圖24、電壓輸出電路為了保證放大器在低頻及直流最大不失真輸入的情況下獲得較高的輸出幅值，在高增益寬帶寬的前提下控制輸出信號幅度的波動范圍，較小輸出波形的失真度，電壓放大電路部分

16、采用AD817的電壓跟隨器的電路形式，得到較高較穩(wěn)的輸出電壓幅值和相應的輸出阻抗，同時接有由分離元件構成的調零電路，具體電路如圖7所示，經過精確計算得到各個電阻值，具體計算如下：U1-U2MUU1(1/R1+1/R2+1/Rw)-U2/Rw=15/R1U2(1/R1+1/R2+1/Rw)-U1/Rw=-15/R1TitleSizeBDate:File:5R1=1K，R2=5K可以得到Rw=100Q.三、系統(tǒng)測試方法與測試數(shù)據(jù)1231、測試儀器表2測試儀器儀器名稱型號規(guī)格雙蹤示波器TDS2002/60MHz/1GS/s標準高頻信號發(fā)生器QF1055A直流信號源EM1715萬用表MY-652、測試

17、方法與測試數(shù)據(jù)21、測前級放大電路。在直流電壓下調節(jié)反饋電路中的電位器，使放大倍數(shù)為10。22、測增益放大與控制電路。通過設置撥碼開關，調節(jié)負載電阻串聯(lián)的電位器，使負載阻值盡可能等于理論值。同理，調節(jié)衰減電路中的電位器。23、各級電路調節(jié)好后，進行測量和詳細記錄。具體數(shù)據(jù)如表2和表3所示。表3基本部分測試數(shù)據(jù)信號輸入輸出范圍。采用直流信號作為輸入，將電壓由0逐漸增大輸入信號幅度Ui=08輸出信號幅度Uo=10增益線性度直流信號每一檔位采用5點測試Ui=2VG=0.200.400.600.801.00Uo=Ui=0.2V線性度0.9%G=2.04.06.08.010.0Uo=0.4090.812

18、1.2101.6011.981Ui=0.2V線性度1%G=20406080100Uo=0.4300.8081.2081.6682.020信號帶寬，輸入正弦波信號Vp=20mV,放大100倍Fin=200kHzUo1=2.76V幅度波動1.156%Fin=400kHzUo2=2.76VFin=600kHzUo3=2.76VFin=800kHzUo4=2.76VFin=1MHzUo5=2.80V零點誤差輸入短路，G=100Uo=0.001V增益變化范圍直流信號輸入增益設定范圍0100增益分辨力1%輸入輸出阻抗有無過壓保護輸入阻抗Rin=10MQ有輸入阻抗Rin=50Q有輸出阻抗Rout=0Q有輸出

19、阻抗Rout=50Q有有無過壓保護有表4發(fā)揮部分測試數(shù)據(jù)信號輸入輸出范圍，采用直流信號輸入，將輸入電壓逐漸升高輸入信號幅度Ui=8輸出信號幅度Uo=10增益變化范圍增益設定范圍0100分辨力0.1%波形失真度測試，共測試四個頻點Fin=1MHzD1=1.80%Fin=4MHzD2=1.95%Fin=7MHzD3=2.1%電路成本、工藝本電路采用小型玻璃盒雙層組件數(shù)量少.裝，工藝制作巧妙簡單，而且兀器兒價格低廉特色與創(chuàng)新本電路完全采用模擬電路的形式，運用數(shù)字電路的思想達到所要求的增益范圍3、測試結果分析31測試結果分析增益：一20dB40dB（分辨力為0.1%）；通頻帶寬：07MHz32誤差分析由于人為讀數(shù)存在誤差，測量儀器不精準、周圍環(huán)境如磁場、溫度等一系列因素的影響，測量的數(shù)據(jù)并不能理想的達到理論計算值，但是