1、程控增益放大器（B 题）程控增益放大器摘要：本设计采用带通滤波器来选择输入信号带宽滤除杂质。以工作稳定、性能指标较高的 STC89C52RC 单片机作为微控制器核心来控制选择 DDS 模块的信号输出、放大器步进选择以及液晶显示。用两个 AD603 为放大电路核心组成级联放大电路，通过单片机控制 DAC0832 将数字量转化为模拟量来进行程控放大，提高了放大增益、扩展了通频带宽、而且具有良好的抗噪声系数。放大器带宽可以预置并显示，经测试本设计基本满足题目要求。关键词：STC89C52RC AD603 程控放大器 AD9850 带通滤波目录1、引言： .12、方案设计： .12.1 总方案框图 .
2、12.2 DDS 模块选择 .12.3 滤波电路的选择 .22.4 增益控制部分，放大器的选择 .23、设计实现： .23.1 硬件设计 .23.1.1 最小系统设计 .33.1.2 滤波电路 .33.1.4 放大电路 .33.1.5 数模转换，电压输出电路 .43.2 软件设计 .44、测试： .54.1、测试方法 .54.2、测试条件 .54.3、测试仪器 .54.4、测试结果 .65、结论及体会： .65.1 结论 .65.2 体会 .6参考文献： .7附录一： .81 最小系统和按键模块电路原理图 .82 滤波电路原理图 .83 自制 DDS 模块及其外围电路系统原理图 .94 增益控
3、制电路原理图 .105 DAC8032 数模转换电路图 .11附录二：主要源程序 .1201、引言：放大器是电子系统中最基本的单元电路，放大器的增益又是其中一个重要的性能参数，随着电路控制的日益精细，对放大器增益的控制和调整也变得越来越细致。程控增益放大器与普通放大器的差别在于反馈电阻网络可变且受控于控制接口的输出信号。不同的控制信号，将产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益。通过单片机用程序来控制放大的增益，通过键盘输入放大倍数，再利用单片机输出相应的数字信号，然后通过 DA 变换，换成模拟电压信号，使用这个电压信号来控制放大器的放大倍数，实现了程控增益放大。在灵活性方便性上远远优于传
4、统的放大器。2、方案设计： 2.1 总方案框图本系统原理方框图如图 2.1 所示。本系统由 DDS 模块、51 单片机、滤波电路、键盘、稳压电源、液晶显示屏、前置放大器、中间放大器、末级功率放大器等组成。其中前置放大器、中间放大器、末级功率放大器构成了信号通道。图 2.1 系统总框图2.2 DDS 模块选择常见的 DDS 模块有 AD812 和 AD9850：方案一：AD812 是一款低功耗、单电源、双通道视频放大器。各放大器均提供 50 mA 输出电流，适合驱动一个后部端接的视频负载(150 )。各放大器均为电流反馈型，0.1 dB 增益平坦度为 40 MHz，同时差分增益和相位误差分别为0
5、.02%和 0.02。因此，AD812 非常适合专业视频电子设备应用，如相机和视频切换器等，不易于编程控制。方案二：AD9850 是 AD 公司生产的最高时钟为 125 MHz、采用先进的 CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程 DDS 系统、高性能数模变换器（DAC）和高速比较器 3 部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850 采用 32 位的相位累加器将信号截断成 14 位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成 10 位后输入到 DAC ，DAC 再输出两个互补的电流。DAC 满量程输出电流通过一个外接电阻 RSET 调节，典型值 3.9 千欧。将 DAC 的输出经低通滤
6、波后接到 AD9850 内部的高速比较器上即可直接输出方波。在 125MHz 的时钟下, 32 位频率控制字可使 AD9850 输出频率分辨率达 0. 0291Hz 。不仅可以满足题目DDS 模块 中间放大器前置放大器液晶显示屏键盘稳压电源51 单片机滤波电路末级功率放大器220V50HZUiUo1需求，更是易于可编程控制，而且最常用的 51 系列单片机就可担任控制之职。综上所述，DDS 信号发生选择 AD8950 模块2.3 滤波电路的选择带通滤波和带阻滤波器：带通滤波，允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段，带阻滤波，能通过大多数频率分量、但将某些范围的频率分量衰减到极低水平。根据题意，我们
7、需要特定的频段的波，因此选择带通滤波。2.4 增益控制部分，放大器的选择方案一 原理框图如图 2.2 所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对 V的分压。采用场效应管作 AGC 控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。图 2.2 场效应管放大器电路图 方案二 使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器 PGA 用控制电压和增益 dB 成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制。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 AD603。其内部由 R-2R 梯形电阻
8、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。 综上所述，选后者方案，采用集成可变增益放大器 AD603 作增益控制。AD603 是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为 0.5dB 满
9、足题目要求的精度。3、设计实现：3.1 硬件设计根据题目以及设计要求,结合上述各种方案的考虑,充分利用模拟和数字系统各自的优点,发挥综合优势,使信号都在单片机的数字算法控制下得到最合理+_+_检波AGC输入高频放大 高频放大VR2的前级放大,使其放大倍数精确。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。3.1.1 最小系统设计采用最常用又满足需求的 STC89C52RC 单片机，STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但
10、做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工串行口。单片机最小系统及按键电路原理图见附录一。 3.1.2 滤波电路在经过理论方案论证后，直接选择带通
11、滤波，按照滤波需求，用仿真软件经过不断调试，设计出滤波电路。其中无法采购到满足需求的电感，采用自制方案，利用经验公式： （其中 Do 为线圈骨架内径，b 为骨架轴长，C 为线圈厚度，D 为线圈平均直径， D=Do+C）。滤波电路原理图详见附录一。3.1.3 DDS 模块采用 AD 公司的 AD9850 芯片作为 DDS 信号源，产生正弦波和方波信号，并且输出信号的输出频率可调节，频率调节步进可调，输出的频率最大是62.5MHz，满足题目要求。输出的幅度范围是 01V（正弦波）和 04V(方波)，使用 STC 公司 90C51 单片机做核心控制器，使用 2.8 寸 TFT 彩屏显示输出的频率和功
12、能，使用独立按键人做机交互的外部输入控制。自制 DDS 模块及其外围电路系统原理图详见附录一。3.1.4 放大电路实验最开始使用的是 TI 公司的 THS3001 芯片作为放大电路的核心级联组成放大电路，由于实验过程中芯片损坏，在无法重新购买元器件的情况下，综合考虑，最终选择了 AD603 作为放大电路的核心。AD603 是一个低噪、90MHz 带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为 275V/s。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11+30dB 时的带宽为 90MHz，增益在+9+41dB时具有 9MHz 带宽，改变管脚间的连接电阻，可使
13、增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D 转换量程扩展和信号测量系统。 AD603 内部结构图如图 3.1 所示。AD603 由一个可通过外部反馈电3路设置固定增益 GF（31.0751.07）的放大器、0-42.14dB 的宽带压控精密无源衰减器和 40dB/V 的线性增益控制电路构成。图 3.1 AD603 内部结构图高增益要求下 AD603 级联应用，在要求高增益的场合，可采用两片或多片AD603 级联的形式，级间通常采用电容耦合。两片 AD603 级联时，总增益控制范围为 84.28dB=(42.14*2)。AGC 实用电路：由 AD603 的原理
14、可知，其增益控制 VG 若与输入信号成反比，便可实现 AGC 功能，获得 AGV 电路的增益控制电压，通常采用半波检测电路或RMS（有效值）电路。一种利用 AD590 与一只三极管等组成宽范围温度补偿的半波检测电路和两片 AD603 级联而构成的 AGC 实用电路，根据此电路设计出符合本次题意的增益控制电路，原理图详见附录一。3.1.5 数模转换，电压输出电路采用 DAC0832 八位 D/A 转换器，本设计要求增益调节范围为 0dB60dB,由公式 AG=80Ug+20(dB)得出 Ug=-1/41/2。电路图详见附录一。3.2 软件设计本系统软件主要包含了系统初始化程序、LCD12864
15、显示程序、键盘程序、DA 转换程序等。利用了结构化和层次化的设计方法，具体就是把底层的硬件接口处理编制为独立底层子程序，并向上提供处理的数据，相应功能模块利用底层处理子程序处理的数据、不直接与硬件打交道，并向上层全功能模块提供处理后的数据；交互等全功能模块再利用基本功能模块提供的接口构建完成本模块功能；主程序调用相关的全功能模块构建出系统。程序主要代码详见附录二4是软件流程图如图 3.2图 3.2 软件设计流程图4、测试：4.1、测试方法（1）硬件测试：每级分开，单独测试，然后级联测试，测试是否达到要求；（2）软件测试：液晶屏是否显示，按键是否能控制增益并液晶显示；（3）软硬件联调：全部连接起
16、来后，通过按键来控制增益，显示输出幅度，并用仪器检测，看是否显示准确。4.2、测试条件检查多次，硬件电路与原理图完全相同，检查无误，确定电路保证无虚焊。连接示波器，4.3、测试仪器详见表 4.1表 4.1 测试仪器列表序号 仪器名称1 万用表2 信号发生器3 示波器4 直流稳压电源开始 初始化系统按键是否按下？数模转换键值判断按键扫描增益电压控制否54.4、测试结果（1）增益分为 7 档可调：0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB、60dB,实际测量最多误差为 2dB,满足基本要求和发挥部分要求；（2）DDS 模块可以产生正弦扫频信号，步进频率 100kHz,也满足发挥部分要
17、求；（3）在 060dB 内可以以 5dB 步进任意设定增益；（4）其他各项要求大部分可实现。5、结论及体会：5.1 结论本系统以 AD603 作为增益放大电路的核心，采用两级级联的放大电路，提高了放大增益，扩展了通频带宽，以 STC89C52 芯片控制数模转换进行程控放大，最高可放大到 60dB，测试基本满足题目性能要求。5.2 体会经过这次比赛，我们对电子设计大赛有了更进一步的了解，它不仅考察我们的专业知识，同时也考察的动手能力和团队合作的凝聚力以及分析问题解决问题的能力。这次大赛让我们不仅看到了自身的很多不足，也明白了知识与实践相结合的重要性，更让我们体会到了一个团队相互信任，团结协作所具有的强大力量。6参考文献：1张明述；运算放大器做电压比较器的实验探讨J；实验室研究与探索；2005 年 02 期 2黄智伟；全国大学生电子设计竞赛系统设计M.2 版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.3黄智伟；全国大学生电子设计竞赛电路设计M.2 版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.4陈永真，宁武，蓝和慧，孟丽囡.全国大学生电子设计竞赛试题精解选.北京：电子工业出版社，2009.5王卫东，傅佑麟.高频电子电路M.北京：电子工业出版社，2004：55-58.
