宋加磊1，潘克修2，夏绪超3
（1.解放军理工大学通信工程学院研究生4队，江苏 南京210007；
2.解放军理工大学通信工程学院电子信息工程系；
3.解放军理工大学通信工程学院研究生3队，江苏 南京210007）
摘 要：本系统采用80C51单片机作为宽带直流放大器电路的控制芯片，采用VCA810组成的放大电路对输入的小信号进行智能的放大，既可以通过电位器来宏观的调整放大增益，也可以通过键盘精确的设定放大增益，设置步进等级可达1dB。输出的结果准确的显示在LCD上，整个系统输出稳定，数控简单可靠。阴阳互易
关键词：程控放大器；宽带；直流；VCA810
中图分类号：TN912 文献标识码：B 文章编号：
Design and Realize of Widthband DC Amplifier
SONG Jia-lei1,PAN Ke-xiu2,XIA Xu-chao3
(1.Postgraduate Team 4 ICE,PLAUST,Nanjing 210007,China;
2.Department of Electronic Information Engineering ICE,PLAUST;
3.Postgraduate Team 3 ICE,PLAUST,Nanjing 210007,China)
Abstract: This design uses 80C51 as a microcomputer control chip to make a broadband direct-current amplifier circuit, using an amplifier circuit composed of VCA810 to amplify a small input signals in an intelligent way. It not only adjusts the amplification gain through the potentiometer, but also accurately sets the amplifier gain via the keyboard as low as 1dB, and at the same time the results of the output are accurately displayed at the LCD. It’s good at a stable output and a simple and reliable numerical control.
Key words: procedure control amplifier; widthband;DC;VCA810
1 系统介绍
本系统是以80C51单片机为控制芯片，辅以合适的信号放大电路，峰值检波电路和人机交互电路构成的高速宽带直流放大器，简洁的实现了对交直流小信号(不大于20mV)进行放大，即输入信号不只局限于交流，亦可以是直流电压。本系统的最大放大倍数可以达到60db，带宽为10MHz，是一个性能非常好的宽带放大器。系统结构图如图1所示。
其中：频带选择通道采用LC低通滤波器实现频带选择；信号放大电路采用TI公司的三种高速运算放大器OPA842、VCA810和THS3001构成直接藕合程控放大器；数字AGC控制由峰值检波、A/D、单片机控制器和D/A实现带内增益控制；功率放大电路实现输出电压放大
与功率放大，提高负载能力；整个放大器的控制采用传统8051作为控制核心。显示使用液晶显示屏显示控制选择方式及输出效果。
2 系统方案选择与论证
2.1 系统基本方案
根据设计任务的功能要求，本系统可以划分为三大主要模块：信号放大模块、控制模块和人机交互模块。
2.1.1 信号放大模块
方案一：选用结电容小，fT 高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成各种优质的宽带放大器，而且成本较低。但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，波动较大，影响系统总体性能。另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。
方案二：利用多级放大器直接级联实现全带宽信号放大。采用TI公司的三种高速运算放大器OPA842、VCA810和THS3001构成直接程控放大器。其中，VCA810是TI公司的一种高增益可调节宽带压控放大器，具有高增益调整范围，低噪声、高带宽和高增益精度等特点。它的增益连续可控，可调范围80dB，增益精度达+/-0.5dB，信号带宽35MHz。另外，VCA810提供了精密的可调dB/V增益特性,AGC回路能用增益控制电压作为接收信号强度指示器,水泊焊割有极好的精确度. 故此，我们采用方案二。
2.1.2 控制模块部分
方案一：主控制器选择TI公司的MSP430F149，该单片机具有低功耗，强大的数据处理和运算能力，丰富的外围模块，稳定的系统工作状态和方便有效的开发环境等优点。但是考虑到成本的问题和系统控制模块的简单化，我们放弃了这一方案。
方案二：采用传统80C51作为控制核心。该方案不仅价格低廉，使用简单，而且功能较齐备，运行速度适中，控制相对简单，在外扩设备的协助下，完全可满足该题目的设计要求。故我们采用了这一方案。
2.1.3 显示模块
方案一：采用数码管显示。其亮度高、体积小，编程较容易，资源占用较少。但显示的信息简单、有限，无法实现本系统中模式选择、汉字显示等功能。
方案二：采用液晶显示器（LCD）。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，而且显示信息丰富、拥有较好的人机界面和强大的显示功能，通过它可以显示控制方式选择及显示输出效果。
基于功能考虑，我们采用方案二。本系统中，采用了液晶显示屏LCD1602，以显示放大增益及输出电压，便于测试人员及时的控制。
2.2系统分析与理论计算
2.2.1 带宽增益积
带宽增益积（GBP）的公式如下：
是频率的函数。当（为开环带宽）， GBP是一个常数，且为（当增益下降到1时所对应的频率点称为单位增益带宽，用表示）。
上式表明：运算放大器的带宽与频率成反比。频率越高，运放增益就会下降。由此发现，在设计高速运算放大器时，需要关注此指标，在保证放大增益的同时尽最大可能获取更好的带宽性能。
2.2.2 增益计算
选用TI公司的VCA810作为压控增益的主要部分，其增益与电压的关系为
其中,当时，,当时，。这样增益的变化范围为-40dB～40dB，在隔离放大部分，OPA842的增益设定为，即放大10倍。后一级THS3001的增益大约20dB，所以总的增益为0dB～80dB。
周朴园2.2.3 通频带内增益起伏控制
为了实现对频带内增益起伏的控制，需要使用数字AGC来实现。其控制方法如下：设定放大倍数为某一值，由此计算出理论出现的信号幅度，再由单片机控制AD采集实际信号的幅度大小，并与理论值比较，并不断进行调整，实现通频带内增益起伏控制。
三维高精度地图
2.2.4 调零电路的设计[1]
当集成运放正常工作时，若将输入端VI接地，则输出端UO应为零，但由于输入失调电压的影响（电路组成不合理，反馈过深），在输入量为零时，输出却产生了一定频率和一定幅度的信号，就产生了自激震荡，因为输入失调电压是直流参数，对直流放大器影响严重，必须加以消除，本系统采用电位器和RC构成高增益同向放大器的调零电路，如图2所示：
基本关系式为：Utf=[UccR1/(R1+R5)][R3/(R2+R3)]
若R1<<R5, 则Utf=(UccR1/R5)[R3/(R2+R1)]
其中Utf表示失调电压调整范围，电位器选用温度系数小的线绕电位器。
依据此公式设计出各电阻的阻值，当输入端电压为零时，调整电位器Rp的阻值，使输出端电压为零，消除因自激震荡产生的电路不稳定状态。
2.2.5 RC滤波器的应用
为了增加A/D转换器输入电压的稳定性，峰值检波电路的输出电压先经过滤波器滤波，再接入A/D转换器的输入引脚。这个滤波器是由RC电路结合OPA300运算放大器形成的有源RC滤波器。该滤波器有效地滤除了干扰信号，使输入的有用信号更为稳定，更加精确。
3 系统硬件设计与实现
自动化仪器仪表3.1信号放大模块
信号放大模块主要由缓冲隔离电路、压控增益电路和固定增益电路组成，如图3所示。
图3 信号放大电路
3.1.1 缓冲隔离电路（芯片OPA842）
功能说明：待放大的输入电压里面含有噪声和其他干扰因素，必须经过隔离滤波以后才能输送到下一级放大电路进行有效的放大， 此处由芯片OPA842及其辅助电路构成运算放大电路电路，提高了输入阻抗，对小信号进行放大，并完成电路隔离和阻抗变换。电位器R31和电阻R21,R3,R22,R4构成了调零电路，消除自激震荡的干扰，使电路正常放大。C为高频滤波电容，取C=1uF胆石电容。
3.1.2 压控增益电路（芯片VCA810）
功能说明：可变增益放大电路，主要作用是实现增益可调及AGC功能，增益控制和AGC功能都由单片机控制，采用反馈的形式，通过调节控制电压（Vc）来控制压控增益放大器VCA810的放大增益，从而控制正确的输出。
3.1.3 固定增益电路(芯片THS3001)
功能说明：单纯的采用前面的缓冲隔离电路和放大电路无法有效的满足发挥部分的电压增益的控制部分，而且VCA810电路应当为微控制电路，所以在这一级要加上固定增益电路，
以提高放大倍数，可采用两级三极管进行直接耦合和发射结直流负反馈来构建，也可直接使用运放来进行放大，考虑到用三极管制作使用原件较多，稳定性差，且调试困难，所以我们采用TI公司的高速增益放大器THS3001来搭建，它是一个高速电流反馈运算放大器，具有非常快的转换速率，很宽的带宽，调节电位器R12的阻值使的R12/R11=10即增益为20dB，此电路进一步增大了放大倍数，扩大了输出电流，提升了放大器的驱动负载能力，提高了输出电压幅度。
3.2峰值检波电路
为了精确测量并显示输出信号的有效值,须加入峰值检波电路,最简单的峰值检波电路仅仅由一个二级管和一个电容就可组成,但是为了提高精确度,我们在实验中采用了由运放OP37所构成的峰值检波电路,如图我可能不会爱你244所示.图中,A1组成一线性半波整流电路,A2组成一加法电路,两者构成一线性全波整流电路,后端接上一电容后就实现了峰值检波的目的.此电路稳定性较好,达到了峰值检波的要求.
图4
3.3单片机，键盘，LCD，A/D，D/A
单片机控制部分（80C51），是整个系统控制部分（AGC）运行的核心器件，一方面它要读取键盘的取值，进行模式的选择，同时将放大增益和放大的实际结果输出在LCD液晶显示屏上，另一方面，它根据AD转换过来的数字值与预定值进行比较，来增大或缩小控制电压VC，以反馈的形式微调VCA810的放大增益。
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