可控放大器
摘要：本设计以单片机长白山日报电子版MSP430为控制核心，主要电路分为放大器部分及滤波器部分。其中放大器部分采用三级放大，以压控增益放大器VCA810为核心实现了电压增益为0~60dB，10dB步进可调。滤波器部分以开关电源滤波器LTC1068为核心，可设置为低通、高通、带通三种形式，其中低通滤波器截止频率可设置为1~20KHz，1KHz碳素笔步进可调。高通滤波器截止频率可设置为1~20KHz，1KHz步进可调。带通滤波器中心频率可设置为40~60KHz，步进为2KHz。系统还具有参数显示功能，完成了所有的基本要求及部分发挥部分的功能。 关键字：VCA810、LTC1068、MSP430。
1、方案设计及论证
1.1 主控单元
方案1. 采用80C51系列单片机，但其与外围设备的接口电路较为复杂，且I/O资源较少，故不采用。
方案2. TI公司的MSP430单片机。它中断资源丰富，而且内置了在线仿真、编程接口，可方便地实现在线调试。
1.2 放大器部分
方案1. 采用调节反馈电阻大小的方法来实现电压的增益可调。此方案主要采用手动拨动开关来选通不同大小的反馈电阻来实现增益步进可调，此方法操作麻烦，且电路复杂，故不采用此方案。
方案2. 将DAC的内部的等效电阻最为反馈电阻，通过控制等效电阻的大小来实现电压的增益步进可调。此方案实现较为方便，但是由于DAC内部电阻的连续性较差，无法实现题目的要求，故不采用此方案。
方案3. 利用压控放大器VCA810实现电压的增益步进可调。VCA810采用电压控制增益，增益变化连续性较高，可实现增益60dB，固定带宽30MHz，满足题目要求，故采用此方案。
1.3 滤波器部分
方案1. 采用模拟开关或继电器作为开关，切换不同的RC组合来改变截止频率，该方案实现较为容易，缺点是电阻网络的匹配难以实现，调试很困难适合截止频率调节档位较少的滤波器。
方案2. 固定电容C，采用非易失性数字电位器改变电阻的数值，从而改变截止频率。优点是电路简单， 缺点数字电位器是分档调节，不能实现电阻的连续可调，很难实现截止频率的精确调节。
方案3. 利用开关电容技术，利用开关和电容的组合来替代电阻，电容值保持不变，我们只要控制开关的频率，就可以等效的改变电阻，完成对滤波器截止频率的设置，故采用此方案，其中开关电源滤波器采用LTC1068，该芯片可设置低通、高通、带通三种形式，满足题目要求，故采用此方案。
2、理论分析与计算
2.1 放大器部分
由于系统放大器部分的电压增益要求实现0~60dB，增益10dB步进可调，理论上VCA810可实现40dB，但实际上要留有一定的余量，故采用三级放大来实现，其中VCA810用作中间级放大作为调节部分。前级放大部分需要噪声较小的放大芯片，故选用精密仪表放大器INA128来实现电压增益20dB。VCA810作为中间调节部分，通过电压控制VCA810实现电压增益40dB。最后一级采用高压摆率的放大芯片THS3091实现后级电压增益20dB。
VCA810的控制电压和增益关系为G(db)= 40（Vc+1）dB：
图1
如图1所示，当电压从-2v升到0V时，增益从40dB衰减到-40dB，
为了使前级和VCA810阻抗匹配，在两级之间加个电压跟随器。
2.2 滤波器部分
滤波器部分采用集成了4个二阶开关电容滤波器的芯片LTC1068，它具有低噪声，精度高等优点。通过改变外部时钟即可改变滤波器的截止频率。该芯片有三种工作模式。
工作模式1：可提供二阶的陷波，低通，带通输出。, ,，如图2所示
图2
工作模式3：可提供二阶的高通，低通，带通输出。比模式1慢。，，
工作电路如图3所示：
2
图3
工作模式2：是工作模式1和3的结合。， 如图4所示
图4
低通滤波器的设计：
采用4阶巴特沃斯滤波器。前两阶和后两阶都采用工作方式1.其中，即当时，;当时，;只需要对输入的时钟实现100kHz~2MHz步进100kHz，即可实现截止频率1kHz~20kHz步进1kHz可调。
高通滤波器的设计：
采用8阶贝塞尔滤波器。前四阶采用工作模式3，后四阶中第一个采用工作模式2李泰伯，第二个采用工作模式3.。其中，即当时，;当时，;同样，只需要对输入的时钟实现100kHz~2MHz步进100kHz，即可实现截止频率1kHz~20kHz步进1kHz可调。
带通滤波器的设计：
采用8阶巴特沃斯滤波器。4个两阶滤波器全部采用工作模式1.其中，即当时，;当时，;当时，;同样，只需要对输入的时钟实现紫花针茅1.28MHz~1.92MHz步进64kHz，即可实现中心频率40kHz~60kHz步进花的启示2kHz可调。
2.3 系统总体方案设计及原理框图
如图5所示，本系统采用精密仪表放大器INA128作为前级放大，电压增益为20dB。中间级放大采用VCA810压控增益放大器，实现电压增益40dB，通过单片机控制DAC7611来产生VCA810所需的控制电压，由于VCA810需要提供负电压来实现衰减部分，所以采用反相器来实现负电压部分。后级放大采用高压摆率电流反馈型放大器THS3091实现电压放大10倍。滤波器部分采用LTC6903产生时钟信号，并经OPA694进行缓冲，时钟信号可实现公民社会理论1kHz~68kHz可调。采用LTC1068即可实现低通，高通，带通滤波。
图5.系统总体原理框图
3、主要电路设计
3.1 放大器电路
3.1.1 前级放大
如图6所示，INA128是一款低偏置电压的仪表放大器，作为前级放大，增益为20dB时，
几乎没有为后级放大引入直流分量。
图6 第一级放大
3.1.2 中间级放大
如图7所示，VCA810作为中间级，通过电压的变化能够实现增益连续可调。
图7 VCA810压控增益电路
3.1.3 后级放大电路
如图8所示，后级放大采用高压摆率放大芯片THS3091实现电压放大10倍。
图8 后级放大电路
3.1.4 控制电压部分
VCA810的控制电压通过12位的DAC7611来产生，DAC7611是12位串行DA，内置电压
参考源，最大可输出4.095V电压，可精确到1mV,但不能产生负电压，所以DA后需接一个G=-1的电压反相器，如图9所示
图9 DA转换电路
3.2 滤波器电路
3.2.1时钟信号产生电路
LTC6903可以输出1kHz~68kHz的方波信号，它具有高精度，低噪声等特点。时钟输出端接一个高速缓冲器。该缓冲器由OPA694构成，OPA694具有高带宽，高压摆率等特点。具
体电路图如图10所示。
图10频率控制电路
3.2.1低通滤波器
低通滤波器采用4阶巴特沃斯型滤波器。可实现截止频率1kHz~20kHz步进可调。具体电路图见图11所示
图11低通滤波电路
3.2.2高通滤波器
高通滤波器采用8阶贝塞尔型滤波器。同样可实现截止频率1kHz~20kHz步进可调。具体电路图见图12所示
图12高通滤波电路
3.2.3带通滤波器
带通滤波器采用8阶巴特沃斯型滤波器。可实现中心频率40kHz~60kHz步进可调。具体电路图见图13所示
图13 带通滤波电路
4、测试方法及结果
4.1 测试仪器
1.TDS1002示波器
2.SG1060A数字合成信号发生器
4.2 测试数据
4.2.1放大器部分测试数据见表1 ，控制电压为VCA810的控制电压。
表1 放大器部分测试数据
根据测试数据可知放大器部分实现了电压增益0dB~60dB，步进增益<10dB。
4.2.2高通滤波器部分测试数据见表2。
表2 高通部分测试数据
根据测试数据可知高通滤波器部分实现了截止频率可设置为1~20KHz，频率步进为1KHz。
4.2.3 低通滤波器测试数据见表3。
表3 低通部分测试数据
根据测试数据可知低通滤波器部分实现了截止频率可设置为1~20KHz，频率步进为1KHz。
4.2.4带通滤波器测试
经测试带通滤波器中心频率可设置为1~30KHz，带宽为1KHz，中心频率步进为1KHz。
5、总结分析及结论
本系统完成了放大器部分、滤波器部分及参数显示部分等主要电路设计且各部分功能均达到题目要求。放大器部分可实现电压增益0~60dB，增益10dB步进可调，而且最高限度可做到增益1dB步进可调。滤波器部分可设置低通、高通、带通三种形式。低通滤波部分截止频率可设置为1~20KHz，1KHZ步进可调。高通部分截止频率同样可设置为1~20KHz，1KHz步进可调。其中带通部分可设置为1KHz~30KHz，100Hz步进可调，只有这一部分与发挥要求有所出入，由于时间原因造成对电路的分析计算不足，如果时间充足的话相信我们一定能完成所有的题目要求。
6、参考文献
沈建华. 《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践》. 北京航空航天出版社. 2008。
黄智伟. 《全国大学生电子设计竞赛训练教程》. 电子工业出版社. 2005。
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