一種數(shù)字幅頻均衡功率放大器的設(shè)計*

張家田 王 華 嚴(yán)正國

西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

一種數(shù)字幅頻均衡功率放大器的設(shè)計*

張家田 王 華 嚴(yán)正國

西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

本系統(tǒng)由前置放大器、帶阻網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字幅頻均衡器3大模塊組成。前置放大器采用集成運放組成的多級同相比例放大電路達(dá)到增益要求；帶阻網(wǎng)絡(luò)通過調(diào)整電路部分參數(shù)完成衰減要求；數(shù)字幅頻均衡器采用集成了A/D、D/A、比較器、定時器、片上Flash存儲器的SoC單片機(jī)最小系統(tǒng)實現(xiàn)幅頻均衡。

前置放大器 帶阻網(wǎng)絡(luò) 數(shù)字幅頻均衡器

數(shù)字幅頻功率放大器首先要考慮小信號放大電路的設(shè)計，要減少輸入信號所受干擾通過逐級放大滿足增益要求[1]，在放大電路中穿插濾波電路以滿足通頻帶要求,在本設(shè)計中采用FPGA軟硬件結(jié)合的方法。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)原理框圖

數(shù)字幅頻均衡放大器如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)各模塊理論分析

前置放大器應(yīng)具有大于400倍的放大倍數(shù)和20Hz～20kHz的帶寬，采用集成運放組成的多級同相比例放大電路。

帶阻網(wǎng)絡(luò)以10kHz時輸出電壓幅度為基準(zhǔn)，有大于10dB的最大衰減，帶阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

帶阻網(wǎng)絡(luò)有圖3所示的幅頻響應(yīng)曲線，對不同頻率的信號具有不同的衰減。

數(shù)字幅頻均衡器根據(jù)帶阻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，對不同頻率的信號乘以不同的均衡系數(shù)，使得在系統(tǒng)的通頻帶內(nèi)，不同頻率相同幅度的信號具有基本相同的輸出幅度。

數(shù)字幅頻均衡器采用圖4所示的結(jié)構(gòu)，A/D轉(zhuǎn)換器在嵌入式微處理器控制下對帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出信號V2進(jìn)行采樣，同時V2送入比較器進(jìn)行整形，定時/計數(shù)器在嵌入式微處理控制下對經(jīng)過整形的輸入信號的周期/頻率進(jìn)行測量，根據(jù)存儲器中保存的帶阻網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)確定均衡器系數(shù)，與采樣波形數(shù)據(jù)相乘后由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

2 理論分析與設(shè)計

2.1 前置放大器

前置放大器具有大于400倍的電壓放大倍數(shù)和20Hz～20kHz的帶寬，作為電壓放大電路應(yīng)有較大的輸入電阻和較小的輸出電阻，應(yīng)采用集成運放組成的多級放大電路[2,3]，各級采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，級間采用直接耦合。電路形式如圖5所示。

圖5采用2級同相比例放大電路[4]，每級放大倍數(shù)為21倍，總共放大441倍。放大器的帶寬要達(dá)到20Hz～20kHz，應(yīng)選用增益帶寬積大于4M的集成運放。

2.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)

帶阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖2所示，但由于原件參數(shù)的離散性，其相對于10kHz的輸出電壓幅度最大衰減可能達(dá)不到10dB，這時把100Ω電阻阻值適當(dāng)減小。

2.3 數(shù)字均衡器

考慮到20Hz～20kHz的信號帶寬、±1.5dB的輸出電壓波動范圍、對輸出波形失真沒有特殊要求、性價比等因素，數(shù)字均衡器硬件系統(tǒng)可采用集成了A/ D、D/A、比較器、定時器、片上Flash存儲器的SoC單片機(jī)最小系統(tǒng)來實現(xiàn)，SoC單片機(jī)c8051F020即可滿足要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

數(shù)字幅頻均衡器程序的核心是信號頻率測量程序和查表程序。

頻率測量在20Hz～20kHz范圍內(nèi)均采用周期測量法，采用16位定時器工作在計數(shù)方式，周期測量程序的核心是邊沿去抖動。本系統(tǒng)為了節(jié)約硬件成本，采用軟件去抖動算法。去抖動算法主要由2部分構(gòu)成：①多次延時判斷消除邊沿抖動；②對連續(xù)的5次計數(shù)值進(jìn)行比較，剔除異常數(shù)據(jù)，并求平均。

查表程序的功能是根據(jù)頻率測量值查帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線數(shù)據(jù)確定均衡系數(shù)。其算法原理如圖6所示。整個通頻帶被分成若干子頻帶，每一子頻帶對應(yīng)一個均衡系數(shù)，若頻率測量值屬于子頻帶BWi（i=0，1…n），則取對應(yīng)的均衡系數(shù)Wi（i=0，1…n）與波形采樣數(shù)據(jù)相乘，送至D/A轉(zhuǎn)換輸出。

4 測試方案及測試儀器

測試儀器：信號源Agilent33220A

數(shù)字萬用表Agilent33401A

測試電路連接如圖7所示。

4.1 前置放大器性能指標(biāo)測試

（1）前置放大器放大倍數(shù)測試

測試方法：用萬用表Agilent33401A監(jiān)視Vi電壓有效值，設(shè)置信號源Agilent33220A輸出1kHz正弦波,調(diào)節(jié)輸出電壓幅度使萬用表讀數(shù)約為5mV，用萬用表測量讀取電壓有效值V1,電壓放大倍數(shù)Av。

測試結(jié)果：Vi=5.001mV，V1=2.108mV

結(jié)果分析：Av=V1/Vi=421，大于400

（2）通頻帶測試

測試方法：保持信號源Agilent33220A輸出波形和幅度不變，調(diào)節(jié)輸出信號頻率使其在20Hz～ 20kHz范圍內(nèi)變化，并用萬用表Agilent33401A記錄V1在各測試頻點的有效值，如表1所示。

結(jié)果分析：從表1數(shù)據(jù)可以看出，前置放大器的-1dB帶寬為10Hz～50kHz,大于20～20kHz的要求。

4.2 帶阻網(wǎng)絡(luò)幅頻測試

測試方法：用萬用表Agilent33401A監(jiān)視Vi電壓有效值，設(shè)置信號源Agilent33220A輸出1kHz正弦波，調(diào)節(jié)輸出電壓幅度使萬用表讀數(shù)為5mV。保持信號源Agilent33220A輸出波形和幅度不變，調(diào)節(jié)輸出信號頻率使其在20Hz～20kHz范圍內(nèi)變化，并用萬用表Agilent33401A記錄V2在測試頻點的電壓有效值，如表2所示。

結(jié)果分析：從表2數(shù)據(jù)可以看出，阻帶網(wǎng)絡(luò)相對于10kHz的最大衰減大于10dB。

4.3 均衡輸出測試

測試方法：用萬用表Agilent33401A監(jiān)視Vi電壓有效值，設(shè)置信號源Agilent33220A輸出1kHz正弦波，調(diào)節(jié)輸出電壓幅度使萬用表讀數(shù)為5mV。保持信號源Agilent33220A輸出波形和幅度不變，調(diào)節(jié)輸出信號頻率使其在20Hz～20kHz范圍內(nèi)變化，并用萬用表Agilent33401A記錄V3在測試頻點的有效值，如表3所示。

表1 用萬用表測試V1在各測試頻點的有效值結(jié)果

表2 V2在各測試頻點的有效值測試結(jié)果

表3 V3在各測試頻點的有效值測試結(jié)果

結(jié)果分析：在Vi電壓不變的情況下，改變Vi的頻率，在20Hz～20kHz范圍內(nèi)，帶阻網(wǎng)絡(luò)輸出V2以10kHz電壓值為基準(zhǔn)的電壓波動超過10dB，經(jīng)過數(shù)字幅頻均衡器均衡后，輸出電壓V3以10kHz電壓值為基準(zhǔn)的電壓波動小于±1dB，小于要求的±1.5dB。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)采用FPGA軟硬件結(jié)合的方法有效地減少了輸入信號所受的干擾，成功的實現(xiàn)了小信號放大電路的設(shè)計，通過實際測量，各項參數(shù)均滿足系統(tǒng)要求。

[1]任愛鋒,初秀琴,常存,等.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[2]高吉祥.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[4]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2000.

This system consists of three large blocks such as the preamplifier,the network with resistance and the digital-frequency equalizers.The preamplifier can reach the demands of increasing benefits through the application of amplifying circuit with the multistage identical proportion,which is made up of integrated operational amplifiers.The network with resistance can meet the requirements of attenuation by the adjustment of partial parameters of circuit.And the digital-frequency equalizer can realize the frequency equalization by the use of smallest system,which integrates the A/D,D/A,comparator,timer,and the single unit Soc in the flash storage.

preamplifier;network with resistance;digital-frequency equalizer

陜西省自然科學(xué)基金(2007D01)，西安石油大學(xué)創(chuàng)新基金（YS28030533）

張家田（1963-），男，教授，1990年6月畢業(yè)于西安交通大學(xué)電磁測量技術(shù)與儀器專業(yè)，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)任西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室主任。

尉立崗

2011-02-07