信号调理电路设计方案详解

1宽带放大器的设计方案本设计由直流稳压电源、前置放大电路单元、增益控制部分、功率放大部分、单片机自动增益控制部分几个模块构成。输入部分采用高速电压反馈型运放OPA642作跟随器提高输入阻抗，并且在不影响性能的条件下给输入部分加了保护电路。使用了多种抗干扰措施以减少噪声并抑制高频自激。同时利用可变增益宽带放大器AD603来提高增益和扩大AGC控制范围，通过软件补偿减小增益调节的步进间隔和提高准确度。功率输出部分采用分立元件制作，提高了负载阻值以及输出有效值。控制部分由51系列单片机、A/D、D/A和基准源组成。整个系统通频带为1kHz～20MHz，最小增益0dB，最大增益80dB。增益步进1dB，60dB以下预置增益与实际增益误差小于0.2dB。不失真输出电压有效值达9.5V，输出4.5～5.5V时AGC控制范围为66dB，应用单片机和数字信号处理技术对增益进行预置和控制,AGC稳定性好,可控范围大,完成了设计的所有基本要求并做适当的发挥，使设计更完善。1总体方案方案一：简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现,图3.1为分立元件放大器电路图。为了满足增益60dB的要求，可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。方案二：为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D／A转换芯片，其输出Vout=Dn×Vref/1024，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足1024挡增益调节，满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mV～V每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整，再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与AD7520的衰减分母抵消，即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求，具体实现起来比较复杂，而且转化非线性误差大，带宽只有几kHz，不能满足频带要求。方案三：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集成运放实现，如运放AD603。其内部由R-2R梯形电阻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。这种2方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理，选择此方案。图3.2总体设计方案1.1增益控制电路设计方案方案一：采用场效应管或三极管控制增益。主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，电路简单，调试复杂。方案二：采用高速乘法器型D/A实现。利用D/A转换器的VRef作信号的输入端，D/A的输出端做输出。用D/A转换器的数字量输入端控制传输衰减实现增益控制。此方案简单易行，但经实验知：当信号频率较高时，系统容易发生自激。方案三：利用能够压控增益的放大器实现。其特点是可以用单片机方便地预置增益。由于主放大器可以找到压控增益的器件AD603,故选用此方案。1.2功率输出部分设计方案放大器通频带从10kHz到6MHz，单纯用音频或射频放大的方法来完成功率输出，要做到6V有效值输出难度较大，而用高电压输出的运放来做又很不现实，因为市面上很难买到宽带功率运放。AD603输出最大有效值在2V左右，选用两级三极管进行直流耦合和发射极直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压放大在这一极，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力。这时候采用分立元件就能显示出优势来了。1.3有效值测量电路设计方案方案一利用高速ADC对电压进行采样，将一周期内的数据输入单片机并计算其均方根值，即可得出电压有效值：211niiUUN此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样难且计算量大，增加了软件难度。方案二对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值显示。只用了简单的3整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量。但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。方案三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。这样可以实现对任意波形的有效值测量。综上所述，采用方案三，变换芯片选用AD637。AD637是真有效值变换芯片，它可测量的信号有效值可高达7V，精度优于0.5％，且外围元件少，频带宽，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，但不适用于高于8MHz的信号。此方案硬件易实现，并且8MHz以下时候测得的有效值的精度可以保证，在题目要求的通频带10kHz～6MHz内精度较高1.4自动增益控制（AGC）设计方案利用单片机根据输出信号幅度调节增益。输出信号检波后经过简单2级RC滤波后由单片机采样，截止频率为100Hz。由于放大器通频带低端在1kHz，当工作频率为1kHz时，为保证在增益变化时输出波形失真较小，将AGC响应时间设定为10ms，用单片机定时器0来产生10ms中断进行输出有效值采样，增益控制电压也经过滤波后加在可变增益放大器上。AGC控制范围理论上可达0～80dB，实际上由于输入端加了保护电路，在不同输出电压时AGC范围不一样，输出在4.5～5.5V时AGC范围约为70dB，而当输出为2～2.5V时AGC范围可达80dB。2系统各模块的电路设计2.1直流稳压电源部分电源部分输出正负5V、正负15V电压供给整个系统。本电源采用桥式全波整流、大电容滤波、三端稳压器件稳压的方法，产生各种直流电压，正负15V,正负5V固定输出的三端稳压芯片，如LM7815、LM7915、LM7805、LM7905。2.2输入缓冲和增益控制部分输入缓冲和增益控制电路，由于AD603的输入电阻只有100Ω，要满足输入电阻大于2.4kΩ的要求，必须加入输入缓冲部分用以提高输入阻抗；另外前级电路对整个电路的噪声影响非常大，必须尽量减少噪声。故采用高速低噪声电压反馈型运放OPA642作前级跟随，同时在输入端加上二极管过压保护。输入部分先用电阻分压衰减，再由低噪声高速运放OPA642放大，整体上还是一个跟随器，二极管可以保护输入到OPA642的电压峰峰值不超过其极限（2V）。其输入阻抗大于2.4kΩ。OPA642的增益带宽积为400MHz，跟随线性度好，这里放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。输入输出端口用同轴电缆连接，以防自激。级间耦合采用电解电容并联高频瓷片电容的方法，兼顾高频和低频信号。2.3增益控制部分该部分采用AD603典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为－10～+30dB，输入控制电压U的范围为－0.5～＋0.5V。该部分将AD603接成90MHz带宽的典型方法。增益和控制电压的关系为：AG(dB)=40×U+10，一级的控制范围4只有40dB，使用两级串联，AD603的2脚GNEG外接一个经TL431精密参考产生的0.5V精密参考电压。增益为AG(dB)=40×U1+40×U2+20，增益范围是－20～+60dB，满足题目要求。由于两级放大电路幅频响应曲线相同，所以当两级AD603串联后，带宽会有所下降，串联前各级带宽为90MHz左右，两级放大电路串联后总的3dB带宽对应着单级放大电路1.5dB带宽，根据幅频响应曲线可得出级联后的总带宽为60MHz。图2.1输入缓冲和增益控制电路2.4输出功率放大部分选用两级三极管进行直流耦合和发射极直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压放大在这一级，第二级进行电压合成和电流放大，将第一级输出的双端信号变成单端信号，同时提高带负载的能力。电路放大倍数为：AG≈1＋R10/R9，整个功放电路电压放大约10倍。通过调节R10来调节增益，根据电源电压调节R7可调节工作点。图2.2功率放大电路2.5单片机控制部分控制部分（如图2.3）是由51系列单片机、A/D转换器、D/A转换器、键盘以及LCD12864液晶显示组成。使用12位串行A/D芯片MAX531和12位串行D/A芯5片MAX187，内部均包含一个基准源。图2.3单片机控制部分框图系统软件设计与流程图本系统单片机控制部分采用反馈控制方式，通过输出电压采样来控制电压增益。由于的设定增益有误差，所以软件上还需要进行校正。软件流程如图6.2所示。图2.4系统软件流程图有键按下按键识别N增益增加系统初始化增益减少AGC取消AGC显示返回YA/D转换D/A转换器单片机显示器4*4键盘63抗干扰措施分析系统总的增益为0～80dB，前级输入缓冲和增益控制部分增益最大可达60dB，因此抗干扰措施必须要做得很好才能避免自激和减少噪声。我们采用下述方法减少干扰，避免自激：（1）将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激；（2）电源隔离，各级供电采用电感隔离，输入级和功率输出级采用隔离供电，各部分电源通过电感隔离，输入级电源靠近屏蔽盒就近接上1000μF电解电容，盒内接高频瓷片电容，通过这种方法可避免低频自激；（3）所有信号耦合用电解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降；（4）构建闭路环。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，可吸收高频信号减少噪声。在增益控制部分和后级功率放大部分也都采用了此方法。在功率级，此法可以有效地避免高频辐射；（5）数模隔离。数字部分和模拟部分之间除了电源隔离之外，还将各控制信号用电感隔离；（6）使用同轴电缆，输入级和输出级使用BNC接头，输入级和功率级之间同轴电缆连接。电路的抗干扰措施比较好，在1kHz～20MHz的通频带范围和0～80dB增益范围内都没有自激。本系统单片机控制部分采用反馈控制方式，通过输出电压采样来控制电压增益。由于AD603的设定增益跟实际增益有误差，故应对软件进行校正。