ＩＳＳＮ １００９－３０４４ Ｅ—ｍａｉｌ：ｋｆｙｊ＠ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃｎ Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ ２０１４ Ｔｅｌ：＋８６—５５ １—６５６９０９６３ ６５６９０９６４ 宽带直流放大器的设计 何清平，刘佐濂，陈滢，许百如 （广州大学物理与电子工程学院，广东广州５１０００６） 摘要：该文以ＡＶＲ．ｍｅｇａ１６单片机作为控制核心，通过控制１２位Ｄ／Ａ对ＡＤ６Ｏ３实现增益可控放大，设计了一个在０～５ＭＨｚ 频带内，增益０～４０ｄＢ连续自动可调、增益波动小于ｌｄＢ、在５０ｎ负载输出最大电压达２２Ｖ的宽带直流放大器。 关键词：宽带直流放大；ＡＤ６０３；增益可控 中图分类号：ＴＰ３１文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３０４４（２０１４）０１—０２１３一Ｏ３ 宽带放大器已广泛应用于Ａ／Ｄ与Ｄ／Ａ转换器、有源滤波器、积分器、波形发生器、视频放大器等电路中 。随着物联网技术 】的 发展，传感器网络可能需要放大从直流ＮＪＬ十兆赫兹的信号，而普通的宽带放大器对低频及直流信号难以精密放大 。因此，需要 设计交直流放大、宽频带、大增益、线性好及稳定性高的宽带直流放大器来满足现实的需求。 本文以ＡＶＲｍｅｇａｌ６单片机作为控制核心，采用压控可变增益宽带放大器ＡＤ６０３实现程控增益放大，设计一个能从直流到５Ｍ 的宽带信号、增益０￣４０ｄＢ连续可调、驱动５Ｏ Ｑ负载能输出峰峰值高达２２Ｖ的宽带直流放大器。 ｌ系统总体设计 宽带直流放大器的设计难度较大，主要有以下原因 ：一是受制于增益带宽积和可程控增益等因素，要实现大增益，需采用多 级放大器串联的电路结构；二是级间耦合需采用交／直流耦合能力的电阻耦合或直接耦合，不能采用仅有交流通路的变压器耦合或 电容耦合；三是电阻耦合或直流耦合因各级放大电路之间存在直流通路，其直流工作点不能相互，需要设计系统的调零电路； 四是零点漂移难以抑制，前级的零点漂移会通过直流耦合电路进入下一级进行放大，导致增益越高，级数越多，漂移越严重，影响 电路的稳定性。 系统总体设计框图如图１所示，它包括：系统控制电路、增益可控电路、增益微调电路、功率放大电路。使用旋转编码开关预设 置增益，经单片机ＡＶＲ ｍｅｇａｌ６送至ＬＣＤ显示，并在ＤＡＣ７６１４产生与预设置增益对应的控制电压，控制ＡＤ６０３把输入信号按预设置 增益实现信号放大，经增益微调电路和功率放大电路，输出满足用户需求的信号。 图１系统总体设计框图 ２电路设计及参数计算 ２．１增益可控放大电路的设计 ＡＤ６０３级联的增益可控放大电路如图２所示。ＡＤ６０３是美国ＡＤＩ公司生产的一款低噪、９０Ｍ带宽增益电压可调的放大器，可 提供从直流到ＩＯＭＨｚ以上工作带宽，其增益（ｄＢ）与控制电压（ｖ）成线性关系，易于用Ｄ／Ａ输出电压控制放大器增益 。增益控制接 ／２Ｉ通过控制电压 （ 为引脚ＧＰＯＳ与引脚ＧＮＥＧ的电压差）来控制输入信号Ｇ ，且ＧＰＯＳ和ＧＮＥＧ端的输入阻抗高达５０Ｍ Ｑ。 ＡＤ６０３通过引脚ＦＤＢＫ与ＶＯＵＴ之间的外接电阻实现增益与带宽的平衡。ＡＤ６０３的整体增益计算公式 为： Ｇ＝Ｇ＾＋Ｇ，＝４２．１４［ｎ（ｖｃ）一Ｏ．５］＋Ｇ， （１） 其中： ＧＦ＝２０Ｌｏｇ（１＋．６９４＋６４４０／／Ｒ，ｎＩ， （２） ｒ ０．５≤ ≤０．５） 尺 ）＝｛一ｏ．５ ＜一０．５） （３） ｌｏ．５ ＞０．５） 收稿日期：２０１３－１２－０６ 作者简介：何清平（１９７８一），男，广州人，硕士，实验师，主要从事混沌检测、嵌入式应用研究。 本栏目责任编辑：梁书 计算机工程应用技术…２１３ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术 第１Ｏ卷第１期（２０１４年１月） 式中Ｒ为外接电阻，Ｇ 为固定增益，Ｇ 为可控增益， 为引脚ＧＰＯＳ与ＧＮＥＧ之间的电压差值。当Ｒ＝０ Ｑ（短路）时，固定增 益Ｇ ／带宽值为３１．０７ｄＢ／９０ＭＨｚ；当Ｒ＝ 时（断路）时，固定增益Ｇ，／带宽值为５１．０７ｄＢ／９ＭＨｚ；当外接电阻时，固定增益Ｇ，可设为 ３１．０７～５１．０７ｄＢ之间。因此，ＡＤ６０３是一个由外接电阻Ｒ设置固定增益Ｇ （３１．０７～５１．０７ｄＢ）、以４０ｄＢ／Ｖ的线性增益控制实现０—一 ４２．１４ｄＢ的衰减器构成的放大器。 本电路中，两片ＡＤ６０３工作在 ＝０Ｑ（短路）模式中，其固定增益Ｇ，，带宽值为３１．０７ｄＢ／９０ＭＨｚ。当预置增益Ｇ确定后，由式（１） 可计算Ｄ／Ａ输出的理论值为： ＝（Ｇ一１０）／４２．１４，Ｙ．１￣ｌ １２位Ｄ／Ａ输出电压 ＝ Ｄ／Ａ芯片ＤＡＣ７６１４输出１２位的Ｄ 电压 带宽内增益０～４０ｄＢ可调。 Ｕ门 ＶＧＧ＋５Ｖ ，因此，单片机ＡＶＲｍｅｇａｌ６通过向１２位的 和 ：分别控制两片ＡＤ６０３的衰减值Ｇ ，使Ｖｏｕｔ１输出有效值为１伏，实：￣０￣ＩＯＭＨｚ 图２ ＡＤ６０３级联的增益可控放大电路 ２．２增益微调电路设计 受限于Ｄ／Ａ分辨率，为实现增益连续可调，可加入增益微调电路，如图３所示。该电路由ＡＤ８１１与可调电阻组成负反馈放大电 路，电路放大倍数为：Ａ ＝Ｒ８／（Ｒ６＋Ｒ７）。通过手动调节Ｒ６的电阻值，可实现１０ＭＨｚ带宽内一６ｄＢ一１ｄＢ增益连续可调，满足系统增益 连续可调的要求。 Ｕ４ １ ＮＯ ＮＣ二 图３增益微调电路 ２．３功率放大电路设计 功率放大电路采用三个宽带电流反馈放大器ＡＤ８１１并联输出，如图４所示，ＡＤ８１１最大负载电流为１５０ｍＡ，其并联输出电流可 达４５０ｍＡ，接５０ Ｑ负载时输出最大有效值达２２．５伏，满足多种场合的应用需求。 ｊ蔓 ＡＤ８１１ 图４功率放大电路 ３系统的程序设计与实测结果 ３．１主程序流程图 系统的程序设计是通过单片机ＡＶＲｍｅｇａ１６读取旋转编码开关产生的脉冲信号，实现增益预设置并在ＬｃＤ上显示，同时根据 ２１４…计算机工程应用技术 本栏目责任编辑：粱书 第１０卷第１期（２０１４年１月） Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术 增益预设置值控制ＤＡＣ７６１４产生对应的增益控制电压值。其主程序流程图如图５所示。 图５主程序流程图 ３．２实际结果分析 图６宽带直流放大器特性曲线 通过校准的信号源在输入端加入有效值为１９．６ｍＶ正弦波，在ＯＨｚ一７Ｍ频带内按一定的频率步进设置测试点，在每个测试点 以１０ｄＢ为步进，从０ｄＢ测试９组数据，测得电路的放大倍数与增益波动，接入５０（±２）ｎ的负载电阻，测试负载电阻两端的输出电 压，以频率为ｘ轴，输出电压为ｙ轴得到的宽带直流放大器特性曲线如图６所示。 ４结论 本文设计了增益自动可控的宽带直流放大器，实现了０—４０ｄＢ增益范围内连续可调，并在０～５Ｍ的频带范围内获得平坦的输 出，增益波动控制在ｌｄＢ波动内，具有较好的实用价值。 参考文献： ［１王国伟，１］施树春．可编程宽带运算放大器的设计与实现ｆＪ１．武汉理工大学学报，２００８，３０（３）：３７８—３８５． 【２】林少晶．物联网技术发展综述［Ｊ］．吉林工程技术师范学院学报，２０１２，２８（１２）：６４—６５． 【３】鹿璇，任翔，罗国君，任卉．一种可控宽带直流放大器的设计［Ｊ］．宇航计测技术，２０１０，３０（４）：６３－６５． ［４】徐娟，周启忠，岳琨，刘伟平．程控低噪声宽带直流放大器设计［Ｊ］．宜宾学院学报，２０１１，１１（６）：４８－５２． ［５５］ Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．ＡＤ６０３一ＳＰＥＣＩＦＩＣＡＴＩＯＮＳ［Ｓ］．２０００． ［６】侯鹏亮，江向阳．基于ＡＤ６０３宽带直流放大器的设计［Ｊ】．硅谷，２０１０（１８）：４６—４７． （上接第１６９页） ４总结 本文提出了一种利用隔离变压器产生高压脉冲信号激励声学换能器，使用高精度低噪声仪表运放放大回波信号，通过发射电 路和接收电路的完全隔离，提高了回波信号的信噪比，大大提高了系统的处理精度。为实现高精度的多普勒计程仪奠定了基础信 号源。通过试验验证该方法可行，能够进一步提高多普勒计程仪的精度和可靠性。 参考文献： ［１］江月松．多普勒效应及应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２０１３（９）． ［２】胡广书．数字信号处理：理论、算法与实现［Ｍ］．３版．北京：清华大学出版社，２０１２． 本栏目责任编辑：梁书 计算机工程应用技术 ２１５
