【文章內(nèi)容簡介】 出 ～ 時，AGC 控制范圍為 66dB。 后級放大器由兩片 AD603 級連構(gòu)成的前級放大電路，對不同大小的輸入信號進(jìn)行前級放大。由于 AD603 的最大輸出電壓較小，不能滿足題目要求，所以前級放大信號需經(jīng)過后級放大達(dá)到更高的輸出有效值。 方案一使用集成電路芯片。使用集成電路芯片電路簡單，使用方便，性能穩(wěn)定，有詳細(xì)的文檔說明?？墒穷}目要求輸出 6V 以上有效值，而在電子市場很難買到這樣的芯片，而我們買到如 AD811，HA2539 等芯片，雖然輸出幅度能滿足要求，但是很容易發(fā)生工作不穩(wěn)定的情況。 方案二使用分立元件自行搭建后級放大器。使用分立元件設(shè)計困難，調(diào)試煩瑣，可是卻可以經(jīng)過計算得到最合適的輸入輸出阻抗、放大倍數(shù)等參數(shù)，電阻電容可根據(jù)需要更換，在此時看來較集成電路靈活。因此，我們決定自行設(shè)計后級放大器。 測量有效值部分 方案一利用高速 ADC 對電壓進(jìn)行采樣，將一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入單片機并計算其均方根值，即可得出電壓有效值： （21）此方案具有抗干擾能力強、設(shè)計靈活、精度高等優(yōu)點，但調(diào)試?yán)щy，高頻時??niiUN12采樣困難而且計算量大，從而增加了軟件難度。 方案二先對信號進(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單換算關(guān)系，計算出有效值并顯示。只用了簡單的整流濾波電路和單片機就可以完成交流信號有效值的測量。但此方法對非正弦波的測量會引起較大的誤差。 方案三采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測信號的真有效值。這樣可以實現(xiàn)對任意波形的有效值測量。綜上所述，我們采用方案三，變換芯片選用 AD637。AD637 是真有效值變換芯片，它可測量的信號有效值可高達(dá) 7V，精度優(yōu)于 ％，且外圍元件少，頻帶寬，對于一個有效值為 1V 的信號，它的 3DB 帶寬為 8MHz,并且可以對輸入信號的電平以 DB 形式指示，該方案硬件、軟件簡單，精度也很高，但不適用于高于8MHz 的信號。此方案硬件易實現(xiàn)，并且 8MHz 以下的時候測得的有效值的精度可以保證，在我們設(shè)計要求的通頻帶 10kHz～6MHz 內(nèi)精度較高。而 8MHz 以上輸出信號可采用高頻峰值檢測的方法來測量。 系統(tǒng)總體框圖圖 21 系統(tǒng)總體框圖GV峰值測有效值輸入緩沖 90MHz 寬帶放大PGA PGA屏蔽盒D/A 單片機 A/D數(shù)碼管和按鍵精密基準(zhǔn)源低通濾波PA30MHz 寬帶放大同軸電纜功放電路隔離第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 AGC 簡單介紹有時由于接收環(huán)境的不同、外界干擾的影響，接收到信號的強弱可能變化很大。特別是傳輸視頻圖像信號時，由于頻帶寬、電磁干擾嚴(yán)重，信號幅度大小的變化會嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量。為了較好的解決這個問題，可使用自動增益控制電路。它取出放大器輸出的峰峰值作為增益的控制電壓，使最終輸出的電壓信號保持在某一峰峰值之間，從而保證在 AGC 作用范圍內(nèi)輸出電壓的均勻性，故 AGC實質(zhì)上就是一個負(fù)反饋電路。如下圖 31 所示，是 AGC 的工作曲線圖。Vs 為輸入電壓，Vo 為輸出電壓，在 Vs1 和 Vs2 之間的曲線是 AGC 的可控區(qū)，之外就是失控區(qū)了。我們的目的是保證在 AGC 的可控區(qū)內(nèi)，利用從輸出端取得的反饋電壓，控制放大器的增益，使輸出基本保持不變，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖 31 AGC 工作曲線圖 電壓增益控制原理AD603 的基本增益可以用下式算出：GAin (DB) = 40 VG + 10 （31） 其中，VG 是差分輸入電壓,單位是 V，GAin 是 AD603 的基本增益,單位是DB。從此式可以看出，以 DB 作單位的對數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。由此可以得出，只要單片機進(jìn)行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益，增益步進(jìn)可以很準(zhǔn)確的實現(xiàn)。但若要用放大倍數(shù)來表示增益的話，則需將放大倍數(shù)經(jīng)過復(fù)雜的對數(shù)運算轉(zhuǎn)化為以 DB 為單位后再去控制 AD603 的增益，這樣在計算過程中就引入了較大的運算誤差，所以我們盡最大可能去改進(jìn)，從而避免誤差。 正弦電壓有效值的計算翻閱大量書籍后，感覺有效值的測量需要一個高精度的芯片，我們使用AD637，它是真有效值檢測器，將輸出的交流信號取樣，然后轉(zhuǎn)換為直流，經(jīng)過單片機的 A/D 轉(zhuǎn)換，顯示在數(shù)碼管上，雖然 AD637 的最大輸出電壓是 8V，但8V 以內(nèi)足以滿足我們設(shè)計的要求。根據(jù) AD637 芯片手冊所給出的計算真有效值的經(jīng)驗公式為： ???????rmsINrsV2 （32）其中： INV為輸入電壓， rmsV為輸出電壓有效值。第 4 章 主要電路原理分析 系統(tǒng)概述根據(jù)題目的要求，結(jié)合考慮過的各種方案，我們認(rèn)真取舍，充分利用模擬和數(shù)字系統(tǒng)各自的優(yōu)點，采用單片機預(yù)制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；后級放大器使用由分立元件設(shè)計的推挽互補輸出放大器，提高了輸出電壓有效值。利用單片機及數(shù)字算法控制信號得到合理的前級放大和精確的放大倍數(shù)。 前級放大電路和增益控制01 23456OPA642D1IN4040C15470uC16100uC7470uC11100uC4100uC14E100uR512KR410KR110KR210KR32KP1RCAC9 C130. uC9C1C3 C8C6C12GNDD2IN4040GNDGNDGNDGNDGND GNDGNDGNDC17100uAD603 AD603GND圖 41 前級放大和增益控制由于 AD603 的輸入電阻只有 100Ω，在高頻中我們學(xué)過，低的輸入阻抗將帶來功率、阻抗匹配等方面的問題，所以說，要滿足輸入電阻大于 的要求，必須加入輸入緩沖部分用以提高輸入阻抗；另外前級電路對整個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放 OPA642 作前級跟隨，同時在輸入端加上二極管過壓保護(hù)。如圖 41 所示，輸入部分先用電阻分壓衰減，再由低噪聲高速運放 OPA642放大，整體上還是一個跟隨器，二極管可以保護(hù)輸入到 OPA642 的電壓峰峰值的不超過其極限（2V） 。其輸入阻抗大于 。OPA642 的增益帶寬積為400MHz，這里放大 倍，100MHz 以上的信號將被衰減。輸入輸出端口P1，P2 由同軸電纜連接，以防自激。級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。該部分采用 AD603 典型接法中通頻帶最寬的一種，如圖 42 所示，通頻帶為90MHz，增益為－10～+30sB。我們采用兩級 AD603 可構(gòu)成具有自動增益控制的放大電路。 VC1 1 6 6 VC2 2 7 7 Vout 3 8 8Vin 4 9 9GPOS VPOS AD603GNEG Vout VINP VNEGCOMM FDBK接地接地圖 42 AD603 典型的模擬方框圖腳號 代號 功能描述1 GPOS 增益控制輸入“高”電壓端（正電壓控制）2 GNEG 增益控制輸入“低”電壓端（負(fù)電壓控制）3 VINP 運放輸入4 COMM 運放公共端5 FDBK 反饋端6 VNEG 負(fù)電源輸入7 VOUT 運放輸出8 VOPS 正電源輸入表 41 AD603 引腳功能2固定增益放大器5613478刻度參考R2R 梯形網(wǎng)絡(luò)電阻電阻電阻無源輸入衰減器AD603圖 43 AD603 的原理框圖增益和控制電壓的關(guān)系為 104)(???UAGdB （41）一級的控制范圍只有 40DB，使用兩級串聯(lián)，增益為 20)(dB （42）增益范圍是－20dB～+60dB，滿足設(shè)計的要求。由于兩級放大電路幅頻響應(yīng)曲線相同，所以當(dāng)兩級 AD603 串聯(lián)后，帶寬會有所下降，串聯(lián)前各級帶寬為 90MHz 左右，兩級放大電路串聯(lián)后總的 3dB 帶寬對應(yīng)著單級放大電路 帶寬，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級聯(lián)后的總帶寬為60M。 功率放大部分電路如圖 44，參考音頻放大器中驅(qū)動級電路，考慮到負(fù)載電阻為 600Ω，輸出有效值大于 6V，而 AD603 輸出最大有效值在 2V 左右，故選用兩級三極管進(jìn)行直流耦合和發(fā)射結(jié)直流負(fù)反饋來構(gòu)建末級功率放大，第一級進(jìn)行電壓放大，整個功放電路的電壓增益在這一級，第二級進(jìn)行電壓合成和電流放大，將第一級輸出的雙端信號變成單端信號，同時也提高了帶負(fù)載的能力，如果需要更大的驅(qū)動能力，則需要在后級增加三極管跟隨器，實際上加上跟隨器后，放大器的通頻帶將急劇下降，原因是跟隨器的結(jié)電容被等效放大，當(dāng)輸入信號頻率很高時，輸出級直流電流很大而輸出信號則很小。使用 2 級放大已足以滿足設(shè)計的要求。選用 NSC 公司 2N3904 和 2N3906 三極管（特征頻率 Tf＝250～300MHz）可達(dá)到 25MHz 的帶寬。整個電路沒有使用頻率補償，可對 DC 到 20MHz 的信號進(jìn)行線性放大，在 20MHz 以下增益非常平穩(wěn)，為穩(wěn)定直流特性。我們將反饋回路用電容串聯(lián)接地，加大直流負(fù)反饋，但這會使低頻響應(yīng)變差，實際上這樣做只是把通頻帶的低頻下限頻率從 DC 提高到 1kHz，但電路的穩(wěn)定性提高了很多。本電路放大倍數(shù)為：AG≈1＋R8/R9 （43）也就是說 R8 和 R7 并聯(lián)后，再比上 R9，由于 R8 是可變電阻，而且阻值相比R7 而言很小，所以 R7 可以忽略不記，整個功放電路電壓放大約 10 倍。通過調(diào)節(jié) R8 來調(diào)節(jié)增益，根據(jù)電源電壓調(diào)節(jié) R6 可調(diào)節(jié)工作點。 +OU入圖 44 后級放大部分 單片機控制部分 控制部分的簡單論述及框圖這一部分除了由 51 系列單片機外，還需要由 A/D、D/A 和基準(zhǔn)源組成，如圖 45 所示。使用 12 位串行 A/D 芯片 ADS7816（便于測量真有效值和峰值）和12 位串行雙 D/A 芯片 TLV5618。基準(zhǔn)源采用帶隙基準(zhǔn)電壓源 TL431。其中，ADS7816 是高速、微功耗 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，它的采樣速率為200KHZ，掉電模式為 3UA(MAX),差分輸入，串行接口；而 D/A 轉(zhuǎn)換器采用的是具有掉電模式的雙通道 12 位電壓輸出 TLV5618，它采用電源為 ，可編程位置時間是 3 微秒（高速模式）9 微秒（低速模式） ，且溫度范圍內(nèi)單調(diào)。 圖 45 數(shù)字部分框圖 數(shù)字部分的信號隔離合理的布線和接地能有效地抑制噪聲干擾，但是由于模擬信號和數(shù)字信號仍然存在共地點，要想徹底抑制數(shù)字噪聲對模擬電路的影響有時很困難。另一方面，在某些場合，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，模擬信號來自工業(yè)現(xiàn)場，遠(yuǎn)離主機，因此在模擬信號傳輸線上很容易受到現(xiàn)場的干擾，包括尖峰干擾，這些干擾雖然對低頻模擬信號的影響并不大，但對數(shù)字電路，尤其是微機系統(tǒng)危害極大，可能造成系統(tǒng)運行錯誤。再有模擬信號線在現(xiàn)場被短路、接地、漏電的機會比其他部分高，一旦發(fā)生此類事件也會危害數(shù)字系統(tǒng)。采用隔離措施可以進(jìn)一步抑制干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，使用廣泛的隔離元件是光電耦合。根據(jù)隔離位置不同，有兩種隔離方式，一種是隔離模擬部分，這種方式電路結(jié)構(gòu)簡單，使用元件少，但是要注意必須選用線性的光電的耦合器。從目前光電耦合器來看，可選用線性耦合器件的品種很少，而且線性度和溫度穩(wěn)定度仍然不是很理想，因此附加了模擬通路的誤差，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度下降。在精密模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中可以采用隔離放大器，但精密隔離放大器大多采用變壓器隔離方式，其頻率響應(yīng)特性不如光電耦合器。另一種隔離方式是隔離數(shù)字信號端，這種隔離方式的光電耦合器的特性對模擬信號的精度無影響，缺點是數(shù)字信號端的A/D 單片機 D/A 減法電路精密基準(zhǔn)源數(shù)據(jù)線和控制線數(shù)量較少，每根需要光電耦合器，因此所用元器件數(shù)量大。而在串行接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，隔離元件的數(shù)量可以大大減少。VFC 型 ADC輸出的脈沖信號，幾乎不需要控制線，所以只要一個隔離元件。另外要注意的是，由于數(shù)字信號工作頻率較高，所以必須采用高速光電耦合器或采取加速措施，即使這樣，在微機處理器系統(tǒng)中還常需要插入等周期或增加信號鎖存等方法來協(xié)調(diào)光電耦合器引來的延遲時間，這就增加了數(shù)字電路接口電路的復(fù)雜性和降低了系統(tǒng)響應(yīng)的速度。實際應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)要求各不相同，采用什么類型的 ADC，需不需采用隔離措施、采用什么樣的隔離方式，還要根據(jù)實際情況而定。 A/D 轉(zhuǎn)換器的簡單介紹A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)是：分辨率、轉(zhuǎn)換速率、量化誤差、偏移誤差、滿刻度誤差、線性度。不同類型的 A/D 轉(zhuǎn)換器在結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換原理和性能指標(biāo)等方面有很大的差