基于VCA822的可編程增益放大器

袁 丁，徐逢秋，徐安瀅

（武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430079）

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[1]，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，可實現(xiàn)通頻帶為100 Hz～15 MHz，放大器增益為10～58 dB，6 dB步進可調(diào)。該設(shè)計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，人機界面友好。

1 放大器設(shè)計及工作原理

設(shè)計一個通過鍵盤設(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行阻抗匹配，使輸入電阻達到MΩ數(shù)量級。該系統(tǒng)設(shè)計分為寬帶放大、峰值采樣、人機交互等3個模塊。

寬帶放大模塊中電壓增益可預(yù)置的功能是由VCA822實現(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150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定?？刂齐妷旱妮敵鍪怯蓡纹瑱C運算并控制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，通過一個控制端口，實現(xiàn)信號在這兩檔位之間選擇。這種方法的優(yōu)點在于條理清晰，控制方便，易于單片機處理。

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行采樣，判斷一定時間內(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)上實現(xiàn)AGC的功能。峰值檢波測得的電壓值反饋回單片機，單片機對寬帶放大電路實現(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)總體實現(xiàn)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 VCA822簡介

圖1 系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖

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，其基本增益其中是控制電壓輸入。電壓基本增益為（V/V）[2]。利用單片機進行適當運算可控制以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，因而準確實現(xiàn)增益步進。鑒于VCA822優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制，因此選用該器件實現(xiàn)系統(tǒng)的可變增益。

圖2 VCA822外圍電路

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-1～1 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態(tài)范圍，實現(xiàn)放大器增益可調(diào)，將VCA822設(shè)計為放大器前級，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)單片機控制，與后級兩個檔位選擇性級聯(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)計射級跟隨器，使得輸入電阻趨近于無窮大[3]，從而提高輸入阻抗。與VCA822通過電容耦合，其控制電壓由MAX541輸出。由于MAX541的轉(zhuǎn)化范圍為0～Vref，故在D/A轉(zhuǎn)換器輸出端增加一個減法器，輸出范圍為-1～+1 V，MAX541的參考電壓由MAX6225提供。VCA822后級接入OPA699，OPA699為高增益、高擺率寬帶運放。其工作帶寬可達到1 000 MHz，采用該器件設(shè)計增益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)計的兩檔衰減電路，一檔衰減0 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、高擺率的運算放大器AD811和分立元件設(shè)計的后級推挽功放實現(xiàn)功率放大，放大倍數(shù)G為+4，并增大負載能力。電路實現(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4.7 μF和104 pF的電容進行電源濾波，各級放大器間的信號輸入輸出采用屏蔽線進行連接，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

圖3 寬帶放大器

為了增加系統(tǒng)負載能力，考慮到運算放大器AD811自身負載驅(qū)動能力的限制，這里選用AD811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OCL功率放大器。前級由AD811組成同相放大器，放大倍數(shù)為Aν=1+Rf/R3；后級選用功率對管擴流構(gòu)成甲乙類功率推挽輸出形式提供負載驅(qū)動電流。經(jīng)實驗測試，輸出端接50 Ω負載時，無失真的最大輸出電壓峰對峰值達到18 V。 電路原理圖如圖4所示。

圖4 功率放大電路

2.5 數(shù)字檢波

本設(shè)計中的峰值檢波電路基于信號頻譜搬移理論[4]，由于A/D轉(zhuǎn)換器在單一采樣率進行采樣時會出現(xiàn)盲區(qū)頻段，故以2個特殊頻率（雙頻）先后對信號進行采樣，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MAX197，利用 2個采用率 f1=50.000 kHz，f2=50.005 kHz互補采樣盲區(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[5－6]

該系統(tǒng)軟件采用模塊化和層次化的設(shè)計思想。采用模塊化設(shè)計思想，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，把底層的硬件接口處理編制為獨立底層子程序，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)計功能實現(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行及數(shù)據(jù)的交換，觸發(fā)FPGA內(nèi)相應(yīng)的控制時序，實現(xiàn)對信號的放大和測量。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程

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、交流電壓表進行測試。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，可將輸出信號穩(wěn)定在峰值為4.5～5 V的電壓范圍內(nèi)，故AGC動態(tài)范圍大于40 dB。預(yù)置放大器放大倍數(shù)58 dB時，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。

[1]王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].3版.天津：天津大學出版社，2006.

[2]TI公司.VCA822 Data sheet[EB/OL].2006.http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/vca822.html.

[3]謝自美.電子線路設(shè)計.實驗.測試[M].2版.武漢：華中科技大學出版社，2002.

[4]鄭君里，應(yīng)啟衍，楊為理.信號與系統(tǒng)[M].2版.北京：高等教育出版社，2000.

[5]李朝青.單片機原理及接口技術(shù) [M].簡明修訂版.北京：北京航空航天出版社，1999.

[6]夏宇聞.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計——Verilog實現(xiàn)[M].北京：高等教育出版社，2006.