【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 適的輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等參數(shù) ,電阻電容可根據(jù)需要更換 ,在此時(shí)看來(lái)較集成電路靈活。因此 自行設(shè)計(jì)后級(jí)放大 器優(yōu)勢(shì)就很明顯了 。 由于 THS3091 芯片的帶寬大，壓擺率高， 比較適合于組成最后一級(jí)較大信號(hào)的放大工作。 因 此，我們采用方案一。 測(cè)量有效值部分 方案一 ： 利用高速 ADC 對(duì)電壓進(jìn)行采樣， 將一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)并計(jì)算其均方根值，即可得出電壓有效值 ： 211 niiUUN ?? ? 此方案具有抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)試?yán)щy，高頻時(shí)采樣難且計(jì) 算量大，增加了軟件難度。 方案二 ： 對(duì)信號(hào)進(jìn)行精密整流并積分，得到正弦電壓的平均值，再進(jìn)行 ADC采樣，利用平均值和有效值之間的簡(jiǎn)單換算關(guān)系，計(jì)算出有效值顯示。只用了簡(jiǎn) 9 單的整流濾波電路和單片機(jī)就可以完成交流信號(hào)有效值的測(cè)量。但此方法對(duì)非正弦波的測(cè)量會(huì)引起較大的誤差。 方案三 ： 采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測(cè)信號(hào)的真有效值。這樣可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波形的有效值測(cè)量。 綜上所述，采用方案三，變換芯片選用 AD637。 AD637 是真有效值變換芯片，它可測(cè)量的信號(hào)有效值可高達(dá) 7V，精度優(yōu)于 ％，且外圍元件少，頻帶寬 ，對(duì)于一個(gè)有效值為 1V 的信號(hào)，它的 3dB 帶寬為 8MHz,并且可以對(duì)輸入信號(hào)的電平以dB形式指示，該方案硬件、軟件簡(jiǎn)單，精度也很高，但不適用于高于 8MHz 的信號(hào)。此方案硬件易實(shí)現(xiàn)，并且 8MHz 以下時(shí)候測(cè)得的有效值的精度可以保證，在題目要求的通頻帶 10kHz～ 6MHz 內(nèi)精度較高 。 具體 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)思路 根據(jù)題目的要求 ,結(jié)合考慮過(guò)的各種方案 ,充分利用模擬和數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn) ,發(fā)揮其優(yōu)勢(shì) ,采用單片機(jī)預(yù)置和控制放大器增益的方法 ,大大提高了系統(tǒng)的精度和可控性 。后級(jí)放大器使用由分立元件設(shè)計(jì)的推挽互補(bǔ)輸出 放大器 ,提高了輸出電壓有效值 ， 使信號(hào)都在單片機(jī)的數(shù)字算法控制下得到最合理的前級(jí)放大 ,使其放大倍數(shù)精確 。下圖 所示即為本系統(tǒng)原理框圖。 輸入信號(hào)通過(guò)前級(jí)可控增益放大 ,放大倍數(shù)由單片機(jī)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換提供的電壓控制。 VCA821 的 Vg控制增益變化 ,經(jīng)過(guò)前級(jí)放大后的信號(hào)最后經(jīng)過(guò)后級(jí)放大得到需要的輸出信號(hào) ,前級(jí)和后級(jí)增益的搭配 , ,都是經(jīng)過(guò)精確的測(cè)量和計(jì)算的。輸出電壓經(jīng) 有效值 檢 測(cè) 電路得到 ,反饋到單片機(jī) ,經(jīng) DA 輸出 Vg 控制增益的變化 。 10 圖 4 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)與分析 直流穩(wěn)壓電 源 本電源采用橋式全波整流、大電容濾波、三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法 ,產(chǎn)生各種直流電壓 。 正負(fù) 15V,正負(fù) 5V 等都可以買到相應(yīng)的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片 ,如LM781 LM7805。所以我們采用 LM317T 可變輸出的穩(wěn)壓芯片 ,典型電路圖如圖 5。 11 圖 5 直流穩(wěn)壓電源 交流輸入經(jīng)過(guò)電容濾波后的穩(wěn)定的直流電送到三端穩(wěn)壓集 成電路 LM317T 的Vin端。 LM317T 是這樣工作的 :由 Vin 端給它提供工作電壓以后 ,它便可以保持其+Vout 端比其 ADJ端的電壓高 。因此 ,我們只需用極小的電流來(lái)調(diào)整 ADJ端的電壓 ,便可在 +Vout 端得到比較大的電流輸出 ,并且電壓比 ADJ端高出恒定的。 在 LM317T 的 ADJ 端加一個(gè)接地的濾波電容 ,會(huì)使紋波抑制比大幅度地提高 ,給高頻小信號(hào)運(yùn)算放大器提供非常穩(wěn)定的電源。二極管的作用是當(dāng)有意外情況使得 LM317T 的輸入電壓比輸出電壓還低的時(shí)候防止從輸入端上有電流倒灌入LM317T 引起其損壞 。 12 前置放大電路單元 圖 6 前級(jí)放大電路圖 圖 6 為 前級(jí)放大電路 ，由于 VCA821 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 OPA847 作前級(jí) 放大電路 ，同時(shí)在 電源端 加上二極管 進(jìn)行防短接 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 OPA847 放大，整體上還是一個(gè)跟隨器 。其輸入阻抗大于 1kΩ 。 OPA847 的增益帶寬積為 ，這里放大 5倍。輸入 輸出端口 P P2由同軸電纜連接，以防自激。級(jí)間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法，兼顧高頻和低頻信號(hào)。 增益控制部分 增益控制部分采用多點(diǎn)接地和就近接地的方法避免自激，部分電容電阻采用貼片封裝，使得輸入級(jí)連線盡可能短。該部分采用 VCA821 典型接法中 增益為20dB，帶寬仍可以達(dá)到 320MHz，輸入控制電壓 U 的范圍為 0～＋ 2V。圖 7為 VCA821接成 最大增益 20dB 的典型方法。 圖 8 為增益控制電路。 13 圖 7 VCA821 增益為 20dB 的典型 接 法 圖 8 增益控制電路圖 增益和控 制電壓的關(guān)系 如下圖 ， 控制電壓為 2V 時(shí)，增益為 20 dB，增益范圍是－ 10～ +20dB，滿足題目要求。由于 程控 放大電路 最大增益只有 20dB， 所以末級(jí)功率放大需要 2 倍，由于要保證 在 20kHz~5MHz 頻帶內(nèi)增益起伏 1dB，所以將VCA821 的增益模式設(shè)置為 20dB，這樣保證在 6MHz 范圍內(nèi)的平坦度很好 。 圖 9 增益和控制電壓的關(guān)系圖 14 功率放大部分 圖 10 末級(jí)功率放大電路圖 末級(jí)采用一級(jí) THS3091 作為功率放大，它是電流反饋放大電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路帶寬受增益的影響較小，可以在放大的同時(shí)，滿足 帶寬要求，帶寬主要受反饋電阻的影響，因此我們根據(jù)芯片手冊(cè)上的電路對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然其推薦電壓是177。 15V，但考慮到系統(tǒng)的噪聲及供電，采用可行的177。 5V 對(duì)其供電，使其THS3091 的通頻帶較高。經(jīng)過(guò)幾次嘗試，選擇增益為 10 倍，帶寬超出 100MHz，且?guī)?nèi)平坦度好，能夠滿足題目的帶負(fù)載能力，圖為末級(jí) THS3091 放大電路圖。 自動(dòng)增益控制（ AGC） 此 模塊 利用單片機(jī)根據(jù)輸出信號(hào)幅度調(diào)節(jié)增益。輸出信號(hào)檢波后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單 2級(jí) RC 濾波后由單片機(jī)采樣，截止頻率為 100Hz。由于放大器通頻帶低端在 1kHz，當(dāng)工作頻率為 1kHz 時(shí)，為保證在增益變化時(shí)輸出波形失真較小，將 AGC 響應(yīng)時(shí)間設(shè)定為 10ms，用單片機(jī)定時(shí)器 0 來(lái)產(chǎn)生 10ms 中斷進(jìn)行輸出有效值采樣，增益控制電壓也經(jīng)過(guò)濾波后加在可變?cè)鲆娣糯笃魃稀?AGC控制范圍理論上可達(dá) 0～ 80dB， 15 實(shí)際上由于輸入端加了保護(hù)電路，在不同輸出電壓時(shí) AGC 范圍不一樣，輸出在～ 時(shí) AGC范圍約為 70dB，而當(dāng)輸出為 2～ 時(shí) AGC 范圍可達(dá) 80dB。 這一部分由 51 系列單片機(jī)、 A/D、 D/A 和基準(zhǔn)源組成。使用 12 位串行 A/D芯片 ADS7816 和 ADS7841（便于同時(shí)測(cè) 量真有效值和峰值）和 12 位串行雙 D/A 芯片TLV5618。 理論分析與參數(shù)計(jì)算 增益分配的計(jì)算 題目中要求系統(tǒng)增益在 10~40dB 可調(diào)， 3dB 通頻帶 10kHz~6MHz， 10mV 真有效值輸入時(shí)最大真有效值輸出幅度大于 1V。由以上分析，該系統(tǒng)共分為三級(jí)。第一級(jí)采用 OPA847 構(gòu)建輸入緩沖和前級(jí)放大電路，考慮到第二級(jí)輸入大于 200mV 易失真，因此第一級(jí)輸出信號(hào)幅度不宜過(guò)大，所以第一級(jí)放大 5倍，獲得 左右的增益。第二級(jí)采用增益模式為 20dB 的 放大電路，所以第三級(jí)末級(jí)功率放大 2倍，即 的增益。第二級(jí)程控可調(diào)范圍為 － 10～ +20dB，所以系統(tǒng)總增益實(shí)現(xiàn)了 10 dB~40 dB 的要求。 AGC 介紹 AGC 是自動(dòng)增益控制電路的簡(jiǎn)稱，常用在收音機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)的信號(hào)接收和電平處理電路中。它的作用是當(dāng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，使其增益自動(dòng)降低；當(dāng)信號(hào)較弱時(shí)，又使其增益自動(dòng)增高，從而保證輸出信號(hào)基本穩(wěn)定。 正弦電壓有效值的計(jì)算 AD637 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 11所示。根據(jù) AD637 芯片手冊(cè)所給出的計(jì)算真有效值的經(jīng)驗(yàn)公式為： 16 2r m sr m sV INVV??? ???? 其中： VIN 為輸入電壓， Vrms 為輸出電壓有效值。 圖 11 AD637 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 程序設(shè)計(jì)部分 、程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 根據(jù)題目要求，軟件部分主要實(shí)現(xiàn)鍵盤的設(shè)置和 控制 D/A 輸出。 （ 1） 鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：增益的步進(jìn)調(diào)節(jié)。 （ 2） D/A：輸入數(shù)字量，輸出模擬電 壓值，作為壓控增益放大器的輸入。 、程序流程圖 主程序流程圖如下： 17 圖 12 主程序流程圖 抗干擾措施 分析 系統(tǒng)總的增益為 10～ 40dB，前級(jí)輸入緩沖和增益控制部分增益最大可達(dá)，因此抗干擾措施必須要做得很好才能避免自激和減少噪聲。我們采用下述方法減少干擾，避免自激： （ 1）將輸入部分和增益控制部分裝在屏蔽盒中，避免級(jí)間干擾和高頻自激； （ 2） 電源隔離，各級(jí)供電采用電感隔離，輸入級(jí)和功率輸出級(jí)采用隔離供電， 各部分電源通過(guò)電感隔離，輸入級(jí)電源靠近屏蔽盒就近接上 1000μF 電解電容，盒內(nèi) 接高頻瓷片電容，通過(guò)這種方法可避免低頻自激； （ 3） 所有信號(hào)耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降； （ 4） 構(gòu)建閉路環(huán)。在輸入級(jí)，將整個(gè)運(yùn)放用較粗的地線包圍，可吸收高頻信 號(hào)減少噪聲。在增益控制部分和后級(jí)功率放大部分也都采用了此方法。在功率級(jí)，此法可以有效地避免高頻輻射； 18