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1、VCA820可控增益放大器原理宽带放大器在工业测量与控制领域应用广泛。在测量与控制电路中，宽带放大器是调理传感器输出信号的重要环节。传感器输出的电平信号通常不是规则的正弦信号，且输出电压范围往往变化很大，这就需要后级放大器具有较高的频带宽度和灵活的电压增益，因此，这里提出一种以压控增益放大器 VCA822为核心的可编程宽带放大器，可实现通频带为100 Hz15 MHz，放大器增益为1058 dB，6 dB步进可调。该设计可通过矩阵式键盘设置放大器增益，液晶显示器显示输出电压，人机界面友好。1放大器设计及工作原理设计一个通过键盘设置增益，且具有AGC功能的宽带放大器。放大器输入端采用同相放大电路
2、进行阻抗匹配，使输入电阻达到 MQ数量级。该系统设计分为宽带放大、峰值采样、人机交互等3个模块。宽带放大模块中电压增益可预置的功能是由VCA822实现。VCA822 一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，最大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定。控制电压的输出是由单片机运算并控制D/ A转换器而输出的，因而能够实现较精确的数控。另外，放大器后级接入两档信号处理电路，一档增益0 dB，另一档为衰减档，通过一个控制端口，实现信号在这两档位之间选择。这种方法的优点在于条理清晰，控制方便，易于单片机处理。针对峰值采样，采用数字检波，即通过高速A/D转换器对输出的正弦
3、信号进行采样，判断一定时间内采集到的数字信号的最大值，该最大值即为该信号的峰值。而这种通用数字峰值检波电路仅能在低频段效果良好，针对系统设计要求中的高频信号，以及某些特定频 率信号，将产生一定误差。采用双频数字峰检对信号进行采样，这种方案可有效避免产生误差。在上述两模块的基础上实现 AGC的功能。峰值检波测得的电压值反馈回单片机，单片机对宽带放大电路实现放大精确控制。通过这种方式可将输出信号的峰值稳定在4 . 8 V左右。该系统总体实现框图如图I所示。图t系统总体实现框图2系统硬件电路设计 2 . 1 VCA822 简介V/V线性变化，其基本增益该系统采用VCA822型宽带压控增益放大器。在控
4、制电压的作用下，该器件可提供精确的增益，且按fiiit其中VC是控制电压输入。电压基本增益为(V/ V)。利用单片机进行适当运算可控制以dB为单位的对数增益。给 VCA822提供控制电压的 D/ A转换器为MAX541，其位数为16 bit，因而准确实现增益步进。鉴于VCA822优越的噪声特性和高精度的增益控制，因此选用该器件实现系统的可变增益。图2 VCA822外围电路2 . 2系统增益分配放大器其他部分固定增益为34 dB，由中间级OPA699和后级功放共同提供。在测试过程中，发现VCA822的控制电压范围为-1I V,且该器件为±5V供电，输出电压峰峰值不能大于4V，否则输出波
5、形失真。为了尽量提高输入电压的动态范围，实现放大器增益可调，将VCA822设计为放大器前级，且增益的控制在024 dB可选，输出信号接 OPA699构成的同相放大。经单片机控制，与后级两个档位选择性级联。两档位的增益分别为0 dB、-24 dB。从而能够实现最小增益10 dB，最大增益58 dB的9级可调。2 . 3放大电路前级输入利用 MAX477设计射级跟随器，使得输入电阻趋近于无穷大，从而提高输入阻抗。与VCA822通过电容耦合，其控制电压由MAX54I输出。由于MAX541的转化范同为 OVref，故在D/ A转换器输出端增加一个减法器，输出范围为-I+1 V，MAX54I的参考电压由
6、MAX6225提供。VCA822后级接入OPA699，OPA699为高增益、高摆率宽带运放。其工作带宽可达到I 000 MHz，采用该器件设计增益G为12的放大器，完全满足带宽为15 MHz的要求。之后为通过电阻网络和模拟开关设计的两档衰减电路，一档衰减O dB，一档衰减24 dB，由模拟开关 MAX333控制选通。最后利用电流型、高摆率的运算放大器AD8I1和分立元件设计的后级推挽功放实现功率放大，放大倍数G为+4 ,并增大负载能力。电路实现原理图如图3所示。I ViOT- MU-RETA雹LCnrNiVCl：jt*绑IIKS*1- L1Ki；HzVrrfVCCAhi Al IVdl：TME
7、沁14. 7"和104 pF的电容进行电源滤波,为了提高电路的稳定性，此电路采用一系列的抗干扰措施。其中包括每片器件的供电部分采用 各级放大器间的信号输入输出采用屏蔽线进行连接，数字地和模拟地之间采用电感隔离。2 . 4后级功率放大电路为了增加系统负载能力，考虑到运算放大器 AD811自身负载驱动能力的限制，这里选用AD 811配合高频中小型功率对管 2N3904（NPN型）和2N3906（PNP型）（两功率管特征频率fT=300 MHz）搭建0CL功率放大器。前级由 AD811组成同相放大器，放大倍数为Av=1+Rf /R3;后级选用功率对管扩流构成甲乙类功率推挽输出形式提供负载驱
8、动电流。经实验测试，输出端接50 0负载时，无失真的最大输出电压峰对峰值达到18 V。电路原理图如图 4所示。AD811510Y1赢ITWXZh 7lOOIi «Ik£i4+ 7kO岩oLkfl2.2L1Vqi NPh8.PYP2, 2。-15 V图斗功率放大电路2 . 5数字检波本设计中的峰值检波电路基于信号频谱搬移理论，由于A/D转换器在单一采样率进行采样时会出现盲区频段，故以2个特殊频率（双频）先后对信号进行采样， 提取采样结果中的最大值即可得到周期信号峰值。这种方法可兼顾高低频， 适合应用于该系统100 Hz15 MHz的情况。采用 A/ D转换器MAXI97，利用
9、2个采样率仁50 . 000 kHz，f2=50 .005 kHz互补采样盲区，可得到良好采样效果。设置A/D采样率的方波信号由 FPGA提供。3系统软件设计该系统软件采用模块化和层次化的设计思想。采用模块化设计思想，要对某一子控制器控制，只需调用相应的控制模块即可。模块内采用层次化设计，把底层的硬件接口处理编制为独立底层子程序，并向上提供处理数据，且对上层功能模块屏蔽底层硬件接口部分；最后，主程序只需调用相关的功能模块就可方便构建系统。本系统软件部分主要由单片机组成，其中主要包括系统初始化、中断的响应和中断的处理。该设计功能实现以键盘的按键中断为主线，通过读入用户输入的键值，在相应的中断响应
10、函数中与FPGA中对应的控制模块以总线的方式进行及数据的交换，触发FPGA内相应的控制时序，实现对信号的放大和测量。系统软件流程如图5所示。f键曲扫描输出惜号 峰值采样说置为AGCLCD显示图5系统软件流程4数据测试该系统利用数字合成信号源、双踪示波器、仿真机、交流电压表进行测试。调节输入信号的频率，并利用交流电压表记录输出电压的有效值。测试结果表明，放大器的放大倍数在 1058 dB内9级可调，-3 dB点为100 Hz15 MHz，且放大效果稳定。对于放大器的 AGC 功能，将输入信号频率固定，改变电压大小，输入信号峰值为9 mV1 V时，可将输出信号稳定在峰值为4. 55 V的电压范同内，故AGC动态范围大于40 dB。预置放大器放大倍数 58 dB时，输入端接地，输出噪声电压小于10 mV。5结论该系统设计是以 VCA822为核心的可控增益宽带放大器。经测试，系统通频带为100 Hz15 MHz，增益1058 dB内9级可调，且放大器AGC功能的动态范围大于 40 dB。此外，系统输入端采用 MAX477接成同相放大电路，使得系统输入电阻达到血数量级。后级AD811和分立元件搭建的功率放大电路，提高了系统带负载的能力。系统还采用多种抗干扰措施，有效保证放大器精度，并具有良好噪声和线性。