基于VCA822的可編程增益放大器

寬帶放大器在工業(yè)測量與控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在測量與控制電路中，寬帶放大器是調(diào)理傳感器輸出信號的重要環(huán)節(jié)。傳感器輸出的電平信號通常不是規(guī)則的正弦信號，且輸出電壓范圍往往變化很大，這就需要后級放大器具有較高的頻帶寬度和靈活的電壓增益，因此，這里提出一種以壓控增益放大器VCA822為核心的可編程寬帶放大器，可實(shí)現(xiàn)通頻帶為100 Hz～15 MHz，放大器增益為10～58 dB，6 dB步進(jìn)可調(diào)。該設(shè)計(jì)可通過矩陣式鍵盤設(shè)置放大器增益，液晶顯示器顯示輸出電壓，人機(jī)界面友好。

1 放大器設(shè)計(jì)及工作原理
    設(shè)計(jì)一個(gè)通過鍵盤設(shè)置增益，且具有AGC功能的寬帶放大器。放大器輸入端采用同相放大電路進(jìn)行阻抗匹配，使輸入電阻達(dá)到MΩ數(shù)量級。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為寬帶放大、峰值采樣、人機(jī)交互等3個(gè)模塊。
    寬帶放大模塊中電壓增益可預(yù)置的功能是由VCA822實(shí)現(xiàn)。VCA822一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，最大工作頻帶寬度可達(dá)150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定。控制電壓的輸出是由單片機(jī)運(yùn)算并控制D／A轉(zhuǎn)換器而輸出的，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的數(shù)控。另外，放大器后級接入兩檔信號處理電路，一檔增益0 dB，另一檔為衰減檔，通過一個(gè)控制端口，實(shí)現(xiàn)信號在這兩檔位之間選擇。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于條理清晰，控制方便，易于單片機(jī)處理。
    針對峰值采樣，采用數(shù)字檢波，即通過高速A／D轉(zhuǎn)換器對輸出的正弦信號進(jìn)行采樣，判斷一定時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)字信號的最大值，該最大值即為該信號的峰值。而這種通用數(shù)字峰值檢波電路僅能在低頻段效果良好，針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求中的高頻信號，以及某些特定頻率信號，將產(chǎn)生一定誤差。采用雙頻數(shù)字峰檢對信號進(jìn)行采樣，這種方案可有效避免產(chǎn)生誤差。
    在上述兩模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)AGC的功能。峰值檢波測得的電壓值反饋回單片機(jī)，單片機(jī)對寬帶放大電路實(shí)現(xiàn)放大精確控制。通過這種方式可將輸出信號的峰值穩(wěn)定在4．8 V左右。該系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖l所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 VCA822簡介
    該系統(tǒng)采用VCA822型寬帶壓控增益放大器。在控制電壓的作用下，該器件可提供精確的增益，且按V／V線性變化，其基本增益。其中VC是控制電壓輸入。電壓基本增益為(V／V)。利用單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)算可控制以dB為單位的對數(shù)增益。給VCA822提供控制電壓的D／A轉(zhuǎn)換器為MAX541，其位數(shù)為16 bit，因而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)。鑒于VCA822優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制，因此選用該器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可變增益。

2．2 系統(tǒng)增益分配
    放大器其他部分固定增益為34 dB，由中間級OPA699和后級功放共同提供。在測試過程中，發(fā)現(xiàn)VCA822的控制電壓范圍為-1～l V，且該器件為±5 V供電，輸出電壓峰峰值不能大于4 V，否則輸出波形失真。為了盡量提高輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)放大器增益可調(diào)，將VCA822設(shè)計(jì)為放大器前級，且增益的控制在0～24 dB可選，輸出信號接OPA699構(gòu)成的同相放大。經(jīng)單片機(jī)控制，與后級兩個(gè)檔位選擇性級聯(lián)。兩檔位的增益分別為0 dB、-24 dB。從而能夠?qū)崿F(xiàn)最小增益10 dB，最大增益58 dB的9級可調(diào)。
2．3 放大電路
    前級輸入利用MAX477設(shè)計(jì)射級跟隨器，使得輸入電阻趨近于無窮大，從而提高輸入阻抗。與VCA822通過電容耦合，其控制電壓由MAX54l輸出。由于MAX541的轉(zhuǎn)化范同為O～Vref，故在D／A轉(zhuǎn)換器輸出端增加一個(gè)減法器，輸出范圍為-l～+1 V，MAX54l的參考電壓由MAX6225提供。VCA822后級接入OPA699，OPA699為高增益、高擺率寬帶運(yùn)放。其工作帶寬可達(dá)到l 000 MHz，采用該器件設(shè)計(jì)增益G為12的放大器，完全滿足帶寬為15 MHz的要求。之后為通過電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)設(shè)計(jì)的兩檔衰減電路，一檔衰減O dB，一檔衰減24 dB，由模擬開關(guān)MAX333控制選通。最后利用電流型、高擺率的運(yùn)算放大器AD8l1和分立元件設(shè)計(jì)的后級推挽功放實(shí)現(xiàn)功率放大，放大倍數(shù)G為+4，并增大負(fù)載能力。電路實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

    為了提高電路的穩(wěn)定性，此電路采用一系列的抗干擾措施。其中包括每片器件的供電部分采用4．7μF和104 pF的電容進(jìn)行電源濾波，各級放大器間的信號輸入輸出采用屏蔽線進(jìn)行連接，數(shù)字地和模擬地之間采用電感隔離。
2．4 后級功率放大電路
    為了增加系統(tǒng)負(fù)載能力，考慮到運(yùn)算放大器AD811自身負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力的限制，這里選用AD8l1配合高頻中小型功率對管2N3904(NPN型)和2N3906(PNP型)(兩功率管特征頻率fT=300 MHz)搭建0CL功率放大器。前級由AD811組成同相放大器，放大倍數(shù)為Av=1+Rf／R3；后級選用功率對管擴(kuò)流構(gòu)成甲乙類功率推挽輸出形式提供負(fù)載驅(qū)動(dòng)電流。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，輸出端接50 Ω負(fù)載時(shí)，無失真的最大輸出電壓峰對峰值達(dá)到18 V。電路原理圖如圖4所示。

2．5 數(shù)字檢波
    本設(shè)計(jì)中的峰值檢波電路基于信號頻譜搬移理論，由于A／D轉(zhuǎn)換器在單一采樣率進(jìn)行采樣時(shí)會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)頻段，故以2個(gè)特殊頻率(雙頻)先后對信號進(jìn)行采樣，提取采樣結(jié)果中的最大值即可得到周期信號峰值。這種方法可兼顧高低頻，適合應(yīng)用于該系統(tǒng)100 Hz～15 MHz的情況。采用A／D轉(zhuǎn)換器MAXl97，利用2個(gè)采用率f=50．000 kHz，f2=50．005 kHz互補(bǔ)采樣盲區(qū)，可得到良好采樣效果。設(shè)置A／D采樣率的方波信號由FPGA提供。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思想。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，要對某一子控制器控制，只需調(diào)用相應(yīng)的控制模塊即可。模塊內(nèi)采用層次化設(shè)計(jì)，把底層的硬件接口處理編制為獨(dú)立底層子程序，并向上提供處理數(shù)據(jù)，且對上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分；最后，主程序只需調(diào)用相關(guān)的功能模塊就可方便構(gòu)建系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)軟件部分主要由單片機(jī)組成，其中主要包括系統(tǒng)初始化、中斷的響應(yīng)和中斷的處理。該設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)以鍵盤的按鍵中斷為主線，通過讀入用戶輸入的鍵值，在相應(yīng)的中斷響應(yīng)函數(shù)中與FPGA中對應(yīng)的控制模塊以總線的方式進(jìn)行及數(shù)據(jù)的交換，觸發(fā)FPGA內(nèi)相應(yīng)的控制時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對信號的放大和測量。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)測試
    該系統(tǒng)利用數(shù)字合成信號源、雙蹤示波器、仿真機(jī)、交流電壓表進(jìn)行測試。調(diào)節(jié)輸入信號的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值。測試結(jié)果表明，放大器的放大倍數(shù)在10～58 dB內(nèi)9級可調(diào)，-3 dB點(diǎn)為100 Hz～15 MHz，且放大效果穩(wěn)定。對于放大器的AGC功能，將輸入信號頻率固定，改變電壓大小，輸入信號峰值為9 mV～1 V時(shí)，可將輸出信號穩(wěn)定在峰值為4．5～5 V的電壓范同內(nèi)，故AGC動(dòng)態(tài)范圍大于40 dB。預(yù)置放大器放大倍數(shù)58 dB時(shí)，輸入端接地，輸出噪聲電壓小于10 mV。

5 結(jié)論
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以VCA822為核心的可控增益寬帶放大器。經(jīng)測試，系統(tǒng)通頻帶為100 Hz～15 MHz，增益10～58 dB內(nèi)9級可調(diào)，且放大器AGC功能的動(dòng)態(tài)范圍大于40 dB。此外，系統(tǒng)輸入端采用MAX477接成同相放大電路，使得系統(tǒng)輸入電阻達(dá)到MΩ數(shù)量級。后級AD811和分立元件搭建的功率放大電路，提高了系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。系統(tǒng)還采用多種抗干擾措施，有效保證放大器精度，并具有良好噪聲和線性。