【正文】 高 頻 放 大V檢 波A G CR 高 頻 放 大圖 1 增益放大器電路圖 方案二 采用可編程放大器的思想 ，將輸入的交流信號(hào)作為高速 D/A的基準(zhǔn)電壓，這時(shí)的 D/A 作為一個(gè)程控衰減器。理論上講，只要 D/A 的速度夠快、精度夠高就可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益 (dB) 4 不成線性關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。 方案三 使用經(jīng)單片機(jī)輸出模擬信號(hào)在 D/A 轉(zhuǎn)化后的控制電壓與增益改變成線性關(guān)系的 PGA（可編程增益放大器） (如圖 2)。根據(jù)本設(shè)計(jì)對(duì)放大電路的增益可控的要求 ,考慮直接選取可調(diào)增益的運(yùn)放實(shí)現(xiàn)芯片 ,如 AD603 芯片。其內(nèi)部由固定增益放大器和 R2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 ,加在 其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)先經(jīng)衰減后 ,再由固定增益放大器輸出 ,衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定 。而這個(gè)參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制 D/A 芯片輸出控制電壓得來 ,從而實(shí)現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外 AD603 單級(jí)實(shí)際工作時(shí)可提供超過 30dB 的增益 ,而兩級(jí)級(jí)聯(lián)后可得到 60dB 以上的增益 ,通過后級(jí)放大器放大輸出 ,在高頻時(shí)也可提供超過 60dB 的增益。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機(jī)處理。 D / A測(cè) 有效 值單 片 機(jī)A / D輸 入 緩 沖P G A 圖 2 可變?cè)鲆娴倪\(yùn)放放大器電 路圖 綜上所述，選用方案三，采用集成可變?cè)鲆娣糯笃?AD603 作增益控制。 AD603是一款低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃鳎瑴囟确€(wěn)定性高，最大增益誤差為，滿足題目要求的精度，其增益（ dB）與控制電壓（ V）成線性關(guān)系，因此可以很方便地使用 D/A 輸出電壓控制放大器的增益。 5 總體方案框圖 本系統(tǒng)原理方框圖如圖 3所示。本系統(tǒng)由前級(jí)緩沖電路、增益放大電路、單片機(jī)微控制器電路、按鍵電路選擇及穩(wěn)壓電源電路等組成。前級(jí)緩沖電路主要由一個(gè)低噪聲高速運(yùn)放 OPA642 芯片組成，放大倍數(shù)為 1，只起緩沖作用。 增益放大電路由兩片 AD603 級(jí)聯(lián)組成，是通用可變?cè)鲆娣糯笃鞯闹黧w部分之一。另一個(gè)主體部分是單片機(jī)微控制電路，單片機(jī)微控制電路由最小單片機(jī)系統(tǒng)、 DAC083LM324 組成，輸出的模擬電壓給 AD603 的增益控制。按鍵電路設(shè)置 3個(gè)按鍵，一個(gè)加鍵，一個(gè)減鍵，一個(gè)調(diào)整鍵。穩(wěn)壓電源電路采用 LM781 LM791 LM7805和 LM7905 構(gòu)成，輸出正負(fù) 15V和正負(fù) 5V 的電壓。 前 級(jí) 緩 沖 電 路增 益 放 大 電 路單 片 機(jī) 微 控 制 器 電路按 鍵 電 路L E D 顯 示 電 路D A 0 8 3 2 轉(zhuǎn) 化 電 路輸 入 信 號(hào) U i輸 出 信 號(hào) U o圖 3 原理方框圖 增益計(jì)算 總體電路增益描述的是輸入信號(hào)與輸出信 號(hào)的關(guān)系。 輸入信號(hào) Ui，輸出信號(hào) Uo，增益放大倍數(shù) k，增益用 Av 表示，可由以下公式計(jì)算 k=Uo/Ui （ 1） 6 Av=20lg|k|dB （ 2） 增益 Av由 k決定， k為變量，由增益放大芯片 AD603 決定。 7 3 硬件電路設(shè)計(jì) 前級(jí)緩沖電路 輸入緩沖電路仿真圖如圖 4 所示，由于 AD603 的輸入電阻只有 100Ω，要滿足輸入電阻大 于 1kΩ的要求，必須加入輸入緩沖部分用以提高輸入阻抗；另外前級(jí)電路對(duì)整個(gè)電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲。故采用高速低噪聲電壓反饋型運(yùn)放 OPA642 作前級(jí)跟隨，同時(shí)在輸入端加上二極管過壓保護(hù)。 輸入部分先用電阻分壓衰減，再由低噪聲高速運(yùn)放 OPA642 放大，整體上還是一個(gè)跟隨器，二極管 1N3880A 在此電路中可以保護(hù)輸入到 OPA642 的電壓峰峰值不超過其極限（ 2V）。其輸入阻抗大于 。 圖 4 放大電路 設(shè)輸入信號(hào) V1，輸出信號(hào) V2，運(yùn)算放大器同相輸入端輸入電壓為 V+，反相輸入端輸入電壓為 V_，可由以下公式計(jì)算放大倍數(shù) V1/(R3+R1)=V+/R1 (2) V2/(R1+R2)=V_/R2 (3) 根據(jù)虛短，虛短定理可得 8 V+=V_ (4) 所以可得輸入信號(hào) V1與輸出信號(hào)關(guān)系式 V1=V2 (5) 所以前級(jí)電路電壓未放大，只是一個(gè)緩沖電路。 程控增益放大電路 芯片 AD603簡(jiǎn)介 AD603 是美國(guó) AD 公司推出的一款寬頻帶、低噪聲、低畸變、增益變化范圍連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器。 AD603 由一個(gè)可通過外部反饋電路設(shè)置固定增益 GF（ ~） 的放大器， 0~ 的壓控精密無源衰 減器和 40dB/V 的線差增益控制電路構(gòu)成。 AD603利用了 XAMP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， XAMP由一個(gè) 0~。其中，可衰減器由一個(gè)七級(jí) R2R 梯形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每級(jí)的衰減量 是 ， 所以可對(duì)輸入信號(hào)提供 0~ 的衰減。 XAMP結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是器優(yōu)越的噪聲特性，在 1MHz 寬帶，最大不失真輸出為 1Vrms 時(shí)，輸出 x 信噪比為 。 AD603 所使用的固定增益放大器是可以改變?cè)鲆嬷档?。其增?GF 通過 VOUT于 FDBK 的連接形式確定，當(dāng) VOUT 與 FDBK 短接的時(shí)候， GF=；當(dāng)為開路時(shí)， GF=；在 VOUT 與 FDBK 之間接入電阻 REXT，可以將 GF 設(shè)置在~ 之間的任意值。但是這種模式下的增益精度有所降低，當(dāng)外接電阻在 2K 左右時(shí)，誤差最大。若在 VOUT 與 COMM 間接入適當(dāng)?shù)碾娮杩梢蕴岣咴鲆?，最大可達(dá) 60dB。 AD603 的封裝引腳及各引腳功能如表 1所示。 表 1 AD603各引腳功能 腳號(hào) 符號(hào) 功能 1 GPOS 增益控制輸入正端 2 GNEG 增益控制輸入負(fù)端 3 VINP 運(yùn)放輸入 4 COMM 運(yùn)放公共端 5 FDBK 反饋端 6 VNEG 負(fù)電源輸入 7 VOUT 運(yùn)放輸出 8 VPOS 正電源輸入 AD603 增益變化范圍可分為三種控制模式 9 模式 1：將 FDBK 與 VOUT 短路，即寬頻帶模式 (90MHz 帶寬 )時(shí)增益變化范圍為 10~+30dB； 模式 2： FDBK 與 VOUT 之間外接一個(gè)電阻 REXT， COMM 與 FDBK 端之間接一個(gè)5． 6pF 的電容用于頻率補(bǔ)償．根據(jù)放大器的增益關(guān)系式，選取合適的 REXT，可獲得所需要的模式 1與模式 3之間的增益值．當(dāng) REXT=2． 15kΩ 時(shí)，增益變化范圍為 0~+40dB； 模式 3： FDBK 與 VOUT 之間開路， FDBK 與 COMM 連接一個(gè) 18pF 的電容用于擴(kuò)展頻率響應(yīng)，該模式為高增益模式，增益范圍為 10～ 50dB，帶寬為 9MHz。 AD603 級(jí)聯(lián)電路 由 AD603 芯片資料可得，單個(gè)的 AD603 的增益可以用下式進(jìn)行計(jì)算： GF(dB)=40VG+Go (6) 其中 Vg 是差動(dòng)式輸入的增益控制電壓 VG=VgposVgneg (7) 范圍是 500~+500mV，為統(tǒng)一單位量綱，在公式中單位 應(yīng)當(dāng)使用伏特，即一 ～+， Go 是增益起點(diǎn)， AD603 內(nèi)部固定增益放大器接不同的反饋網(wǎng)絡(luò) Go有所不同。 以上三種模式中，增益 GF與控制電壓 VG 的關(guān)系如圖 5 所示 G F = 4 2 . 1 4 5 2 6 5 0 0 G F G ( d B )V G （ m v ） + 5 0 0 + 5 2 6圖 5 增益 GF與控制電壓 VG的關(guān)系 本設(shè)計(jì)采用 AD603 典型接法中通頻帶最寬的一種（即第二種工作模式），通頻帶為 90MHz，增益為－ 10～ +30dB，輸入控制電壓 Vg的范圍為－ ~＋ 。 10 AD603 的 7 腳相連，單片 AD603 的可調(diào)范圍為 10dB~30dB，兩片級(jí)聯(lián) 增益可調(diào)范圍為 20~60dB。所以，程控增益放大電路主要由 2 個(gè) AD603 級(jí)聯(lián)構(gòu)成。 兩片 AD603 級(jí)聯(lián)可以用以下公式計(jì)算 Gain(dB)=80Vg+20dB (8) Vg=VgposVgeng (9) 2個(gè) AD603 芯片的控制端 GNEG 都接地，另一控制端 GPOS 接由單片機(jī)控制的 8位D/A 輸出，從而 準(zhǔn)確地控制 AD603 的增益。 控制電壓 與 AD603 的增益 成線性關(guān)系，其增益控制端輸入電壓范圍為－ 500mv~＋ 500mv， 增益調(diào)節(jié)范圍為 40dB，當(dāng)步進(jìn)4dB 時(shí) ,控制端電壓需增大Δ Vg,公式如下 Δ Vg＝ (UmaxUmin)/40 4 (10) 其中 Umax=500mv,Umin=500mv,計(jì)算得出Δ Vg=100mv。 由于兩級(jí) AD603 由同一電壓控制，所以，步進(jìn) 4dB 的控制電壓變化幅度為 Δ Vg=100mv/2=50mv (11) 仿真電路如圖 6。 圖 6 增益控制電路 電阻 R R2并聯(lián)的電容 C C7 第一個(gè)作用是為了減小對(duì)高頻信號(hào)的阻抗，相當(dāng)于微分，這樣信號(hào)上升速度加快，第二個(gè)作用 隔斷直流 獲得 耦合 的作用。電容C C C C C C C C11 起 抗干擾作用 .電容 C6 提高 AD603 功率因數(shù) 。 11 控制部分電路 該部分由這一部分由 51 系列單片機(jī) AT89S5 DAC083 LM32按鍵、電源、 LED 數(shù)碼管組成。方框圖如圖 7 所示。 A T 8 9 C 5 2 單 片 機(jī) D A C 0 8 3 2 L M 3 2 4按 鍵L E D 顯 示至 A D 6 0 3 增 益 控 制圖 7 控制部分方框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)是能補(bǔ)足單片機(jī)工作的最簡(jiǎn)單電路，它由單片機(jī)、電源、晶體振蕩器、復(fù)位電路等構(gòu)成。它是本系統(tǒng)的處理單元也是控制單元，負(fù)責(zé)處理信號(hào)、外設(shè)的接口與控制，同時(shí)它也是所有軟件的載體。 AT89S52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元， AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 AT89S52 為 8 位通用微處理器，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc51 相同，其主要用于 調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM及外部接口等功能部件的初始化，調(diào)整控制，測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào) IR 的接收解碼及與主板 CPU通信等。主要管腳有： XTAL1 12 （ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（ 40 腳） 為供電端口，接 +5V 電源 ， GND（ 20 腳）為接地端 。 其管腳如表 2所示： 表 2 AT89c52引腳號(hào) 腳號(hào) 符號(hào) 腳號(hào) 符號(hào) 1 2 3 38 4 37 5