2024年5月15日发(作者：隽晨星)
程控放大器(ad603)
本设计由三个模块电路构成:前级放大电路(带AGC部分)、后级放大电路和单片机显示与控
制模块。在前级放大电路中,用宽带运算放大器AD603两级级联放大输入信号,输出放大一
定倍数的电压,经过后级放大电路达到大于8V的有效值输出。ADUC812的单片机显示、控
制和数据处理模块除可以程控调节放大器的增益外,还可以实时显示输出电压有效值。
本设计采用高级压控增益器件,进行合理的级联和阻抗匹配,加入后级负反馈互补输出级,全
面提高了增益带宽积和输出电压幅度。应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控
制,AGC稳定性好,可控范围大,完成了题目的所有基本和发挥要求。
方案论证与比较
1.可控增益放大器部分
方案一 简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图1为分立元件放大器电路图。
为了满足增益60dB的要求,可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反
馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件,如三极管等,电路
比较复杂,工作点难于调整,尤其增益的定量调节非常困难。此外,由于采用多级放大,电路稳
定性差,容易产生自激现象。
方案二 为了易于实现最大60dB增益的调节,可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变
反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A转换芯片,其输
出Vout=Dn×Vref/210,其中Dn为10位数字量输入的二进制值,可满足210=1024挡增益调
节,满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成,具有结构简单、精确
度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点,故可以采用AD7520来实现信号的程控衰
减。但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求,为使输入信号在mV～V每一数
量级都有较精确的增益,最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整,再通
过AD7520衰减后进行相应的后级放大,并使前后级增益积为1024,与AD7520的衰减分母
抵消,即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求,具体实现起来比较复杂,而且转化非
线性误差大,带宽只有几kHz,不能满足频带要求。
方案三 根据题目对放大电路的增益可控的要求,考虑直接选取可调增益的运放实现,如运放
AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型网络输入端的信
号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定;而这个
参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来,从而实现较精确的数
控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽,单级实际工作时可提供超过20dB
的增益,两级级联后即可得到40dB以上的增益,通过后级放大器放大输出,在高频时也可提供
超过60dB的增益。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化
用单片机处理。
2.后级固定增益部分
由两片AD603级联构成的前级放大电路,对不同大小的输入信号进行前级放大。由于AD603
的最大输出电压较小,不能满足题目要求,所以前级放大信号需经过后级放大达到更高的输
出有效值。
方案一 使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的
文档说明。可是题目要求输出6V以上有效值,而在电子市场很难买到这样的芯片,而我们买
到的如AD811,HA-2539 等芯片,虽然输出电压幅度能满足要求,但是很容易发生工作不稳定
的情况。
方案二 使用分立元件自行搭建后级放大器。使用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以
经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看
来较集成电路灵活。因此,我们决定自行设计后级放大器。
系统设计
1.总体设计思路
根据题目的要求,结合考虑过的各种方案,我们认真取舍,充分利用模拟和数字系统各自的优
点,发挥其优势,采用单片机预置和控制放大器增益的方法,大大提高了系统的精度和可控性;
后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器,提高了输出电压有效值。我们使信
号都在单片机的数字算法控制下得到最合理的前级放大,使其放大倍数精确。图2所示即为
本系统原理框图。
输入信号通过前级可控增益放大,放大倍数由单片机通过D/A转换提供的电压控制。AD603
的Vg(=V1-V2)根据公式:增益GAIN=40×Vg+20(dB)来设定,而在AGC模式下,此控制电压
Vg是由AGC电路的反馈电压得到,不受单片机控制。经过前级放大后的信号最后经过后级
放大得到需要的输出信号,前级和后级增益的搭配,都是经过精确的测量和计算的。输出电压
经峰值检波电路得到,反馈到单片机,经运算和线性补偿得到有效值,同时单片机推动数码管
显示出来。
2024年5月15日发(作者：隽晨星)
程控放大器(ad603)
本设计由三个模块电路构成:前级放大电路(带AGC部分)、后级放大电路和单片机显示与控
制模块。在前级放大电路中,用宽带运算放大器AD603两级级联放大输入信号,输出放大一
定倍数的电压,经过后级放大电路达到大于8V的有效值输出。ADUC812的单片机显示、控
制和数据处理模块除可以程控调节放大器的增益外,还可以实时显示输出电压有效值。
本设计采用高级压控增益器件,进行合理的级联和阻抗匹配,加入后级负反馈互补输出级,全
面提高了增益带宽积和输出电压幅度。应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控
制,AGC稳定性好,可控范围大,完成了题目的所有基本和发挥要求。
方案论证与比较
1.可控增益放大器部分
方案一 简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图1为分立元件放大器电路图。
为了满足增益60dB的要求,可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反
馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件,如三极管等,电路
比较复杂,工作点难于调整,尤其增益的定量调节非常困难。此外,由于采用多级放大,电路稳
定性差,容易产生自激现象。
方案二 为了易于实现最大60dB增益的调节,可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变
反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A转换芯片,其输
出Vout=Dn×Vref/210,其中Dn为10位数字量输入的二进制值,可满足210=1024挡增益调
节,满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成,具有结构简单、精确
度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点,故可以采用AD7520来实现信号的程控衰
减。但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求,为使输入信号在mV～V每一数
量级都有较精确的增益,最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整,再通
过AD7520衰减后进行相应的后级放大,并使前后级增益积为1024,与AD7520的衰减分母
抵消,即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求,具体实现起来比较复杂,而且转化非
线性误差大,带宽只有几kHz,不能满足频带要求。
方案三 根据题目对放大电路的增益可控的要求,考虑直接选取可调增益的运放实现,如运放
AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型网络输入端的信
号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定;而这个
参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来,从而实现较精确的数
控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽,单级实际工作时可提供超过20dB
的增益,两级级联后即可得到40dB以上的增益,通过后级放大器放大输出,在高频时也可提供
超过60dB的增益。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化
用单片机处理。
2.后级固定增益部分
由两片AD603级联构成的前级放大电路,对不同大小的输入信号进行前级放大。由于AD603
的最大输出电压较小,不能满足题目要求,所以前级放大信号需经过后级放大达到更高的输
出有效值。
方案一 使用集成电路芯片。使用集成电路芯片电路简单、使用方便、性能稳定、有详细的
文档说明。可是题目要求输出6V以上有效值,而在电子市场很难买到这样的芯片,而我们买
到的如AD811,HA-2539 等芯片,虽然输出电压幅度能满足要求,但是很容易发生工作不稳定
的情况。
方案二 使用分立元件自行搭建后级放大器。使用分立元件设计困难,调试繁琐,可是却可以
经过计算得到最合适的输入输出阻抗、放大倍数等参数,电阻电容可根据需要更换,在此时看
来较集成电路灵活。因此,我们决定自行设计后级放大器。
系统设计
1.总体设计思路
根据题目的要求,结合考虑过的各种方案,我们认真取舍,充分利用模拟和数字系统各自的优
点,发挥其优势,采用单片机预置和控制放大器增益的方法,大大提高了系统的精度和可控性;
后级放大器使用由分立元件设计的推挽互补输出放大器,提高了输出电压有效值。我们使信
号都在单片机的数字算法控制下得到最合理的前级放大,使其放大倍数精确。图2所示即为
本系统原理框图。
输入信号通过前级可控增益放大,放大倍数由单片机通过D/A转换提供的电压控制。AD603
的Vg(=V1-V2)根据公式:增益GAIN=40×Vg+20(dB)来设定,而在AGC模式下,此控制电压
Vg是由AGC电路的反馈电压得到,不受单片机控制。经过前级放大后的信号最后经过后级
放大得到需要的输出信号,前级和后级增益的搭配,都是经过精确的测量和计算的。输出电压
经峰值检波电路得到,反馈到单片机,经运算和线性补偿得到有效值,同时单片机推动数码管
显示出来。