通信工程专业和电子信息工程专业课程设计——宽带放大器.doc
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1、引言 宽带放大器是指工作频率上限与下限之比大于2的放大电路,习惯上也常把相对频带宽度大于20%30%的放大器列入此类。可以归入宽带放大器的有:用于时分多路通信,示波器,数字电路的方面的基带放大器或脉冲放大器;用于测量仪器的直流放大器;用于音像设备的高保真度音频放大器等;用于射频信号放大的宽带放大器,如雷达或通信接收机中的中频放大器,其中心频率为几十兆赫或几百兆赫,通带宽度可达中心频率的百分之几十。后者通常以电阻器为放大器的负载,以电容器作级间耦合。为了扩展宽带,除了使其增益较低之外,通常还需要采用高频和低频补偿措施,以使放大器的增益频率特性曲线的平坦部分向两端延展。 1 设计任务及要求 1.1
2、设计任务设计并制作一个宽频带、高增益的放大器。1.2设计要求1.2.1基本要求(1)输入阻抗=1千欧姆输入,但端输出;放大负载电阻600欧姆。(2)3Db通频带10kHz6MHz,在20kHz5MHz频带内增益起伏=40dB,增益调节范围1040dB,需显示预置增益值。(4)最大输出电压有效值=3V,数字显示输出正弦电压有效值。(5)自制放大器所需的稳压电源。1.3主要功能和技术指标分本课题的基本要求是设计一个宽频带、高增益的放大器,该放大器在宽带范围内有较好的线性度和较大的输出幅度,能够自动控制增益;另外,能够步进和预置增益值,并能够数字显示。(1)宽带:基本宽带10kHz6MHz,并可以扩
3、展。(2)增益范围:最小值为10dB,基本要求最大增益大于40Db。(3)步进调节范围:基本调节范围为1040dB,步进间隔为6dB,误差小于2dB。(4)带内增益平坦度:20kHz5MHz,范围内增益起伏小于1dB。(5)预置:在步进范围内增加预置功能,预置误差小于2Db。(6)电压幅值:最大输出电压有效值=3V。(7)输入/输出特性:单端输入/单端输出,输入阻抗=1千欧姆,负载电阻600欧姆。(8)其他:电源和显示。显示部分可以显示预置增益值和输出电压值。电压幅值、输入/输出特性、电源、测量和显示部分相对容易达到要求:在信号输入级增加一级缓冲,可以增大放大器的输入阻抗;在末级增加一级功率放
4、大,可提高输出电压的幅值,增加带负载能力;利用单片机、DAC和ADC可以方便的实现测量和显示。基于上述分析,对系统的结构已经有了一个大致的了解,现归纳如下: (1)放大器部分应尽量选用高速、宽带、低噪、增益可控放大的元器件,应避免选用噪声过大的分立元器件;(2)系统可分为多级,每级的增益分配都不宜太大;(3)利用单片机控制增益和显示。系统组成框图如下所示显示单片机电源宽带功率放大多极程控放大输入缓冲级 图1.1 系统组成框图 2设计方案2.1增益控制部分 如下图所示,使用控制电压和增益(dB)呈线性关系的可变增益放大器(PGA)来实现增益控制。输入缓冲PGAPADAC测有效值单片机ADC图2.
5、1 设计方案图2.2功率输出部分 根据课题要求,放大器通频带从10kHz到6MHz,用音频或射频放大的方法来完成功率输出,要达到6V有效值,输出难度较大,用分立元件就具有明显的优势。2.3测量有效值部分 采用集成真有效值变换芯片,直接输出被测信号的真有效值。此方法可以实现对人以波形的有效值测量。 综上所述,选用AD637,作为真有效值变换芯片。该芯片可测量的信号有效值可高达7V,精度优于0.5%,且外围元件器少,拼带宽,对于一个有效值为1V的信号,它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示,该方案硬件、软件简单,精度也很高,但不是用于高于8MHz的信号。 此方案硬件易实现
6、,并且在8MHz以下时测得的有效值的精度可以保证,在题目要求的通频带10kHz6MHz内精度较高。8MHz以上输出信号可采用高频峰值检测的方法来测量。2.4系统整体结构框图系统整体结构框图如下图所示:图2.2系统整体结构框图 3理论分析与参数计算 3.1电压控制增益的原理AD的基本增益可用下式计算: AgDb=(40dB/V)Agv+10Db (3-1-1)式中,Vg是差分输入电压,单位是V;Ag时AD637的基本增益,单位是dB。从此式可以看出,以dB为单位的对数增益和电压之间是线性关系。因此,单片机制要进行简单的线性计算就可以控制对数增益,增一步进也可以很准确地实现。但若用放大倍数来表示增
7、益,则须将放大倍数经过复杂的运算转化为以dB为单位的控制量去控制AD的增益,这必将引入运算误差。3.2正弦电压有效值的计算AD637的内部结构如图所示,根据AD637芯片手册,计算真有效值: Vrms=Avg (VIN*VIN/VRMS) (3-2-1)式中,为输入电压;为输出电压有效值。图3.1 AD637内部结构图电路设计 4.1输入缓冲和增益控制电路设计由于AD603的输入电阻只有100欧姆,故要满足输入电阻大于千欧姆的要求,就必须加入输入缓冲部分以提高输入阻抗;另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大,故采用高速低噪声电压反馈型运算放大芯片OPA642作前级跟随,同时在输入端加上二极管进
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