基于STM32F103VCT6的程控寬帶放大器設計

吳艷玲

摘 要：本文介紹了基于STM32F103VCT6的程控寬帶放大器設計系統(tǒng)，本設計以低功耗單片機STM32F103VCT6為控制核心，由前級放大模塊、增益控制模塊、帶寬預置模塊、后級放大模塊、功率放大模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和按鍵及顯示模塊等組成。該系統(tǒng)具有0～60dB范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)、5dB程控步進調(diào)節(jié)的功能和增益顯示的功能，并達到10V有效值輸出。在系統(tǒng)設計中，采用了合理的阻抗匹配，規(guī)范的線路布局，并綜合考慮了去耦、濾波，以及使用同軸電纜屏蔽干擾，減少高頻信號的噪聲和自激，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞：STM32F103VCT6；程控放大；寬帶

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A

1 引言

寬帶放大器廣泛應用于電視圖像信號放大、測量儀器、音響設備等，放大器的性能指標直接影響設備的質量，其主要的指標體現(xiàn)在帶寬、頻率響應平坦度、增益可調(diào)范圍、輸出能力等方面。以往寬帶放大器通常以電阻器為放大器的負載，以電容器作級間耦合，為了擴展帶寬，除了使增益較低以外，通常還需要采用高頻和低頻補償措施，補償因級間耦合電容的影響而引起的增益下降。本文研究的程控寬帶放大器在保證0～10MHz的帶寬的同時，解決了一般放大器的低增益問題，選用壓控增益芯片VCA810，以及多級放大直接耦合的電路結構，可以使放大器在10MHz帶寬時，仍然能達到60dB的最高增益，而且能夠實現(xiàn)0～60dB范圍內(nèi)手動連續(xù)調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)由前級放大模塊、增益控制模塊、帶寬預置模塊、后級放大模塊、功率放大模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和按鍵及顯示模塊等組成。各模塊間關系如圖1所示，前級放大采用高速帶寬集成運放器。壓控增益芯片VCA810高增益在-40dB到40dB線性范圍，增益控制帶寬達到30MHz，可直接采用VCA810對已進行小倍數(shù)放大的信號進行再次放大或衰減。該方案方便、穩(wěn)定，可操作性強。一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對某次諧波并聯(lián)低阻（調(diào)諧濾波）狀態(tài)，給某次諧波電流構成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點為成本低，運行穩(wěn)定，技術相對成熟，容量大。功率放大采用單片集成寬帶運算放大器THS3091，提供較高的輸出電壓，再通過并聯(lián)運放的方式擴流輸出，以滿足負載要求，該方案電路較簡單，容易調(diào)試，易于控制零點漂移。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 前級放大電路

前級放大電路使用集成芯片OPA820對小信號進行放大，采用同相輸入的方式對信號放大，反饋電阻使用滑阻，易于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。在高頻電路中，電源要進行濾波和防自激振蕩處理，以避免電路中的信號干擾和保護芯片，避免因自激振蕩而損壞芯片，如圖2所示。

3.2 增益放大電路

采用VCA810程控增益放大芯片對增益放大電路進行設計，如圖3所示。VCA810的增益可以在-40dB到40dB之間進行調(diào)整，增益控制范圍廣。但此芯片需要0～-2V電壓控制，所以要將單片機DAC輸出需設置成鎖存電壓輸出且需要加一級反相器才能輸出負電壓，如圖4所示。

3.3 濾波電路

由于在0～9MHZ通頻帶內(nèi)增益起伏 ，所以做好濾波是關鍵，采用的是巴特沃斯無源濾波，因為巴特沃斯濾波在通頻帶內(nèi)幅度變化較平坦，在截止頻率衰減快，而集成運放的帶寬有限，采用無源的濾波對電s路進行濾波，使用Filter-solution軟件快速設計出合適的低通濾波器并用multisim進行軟件仿真，如圖5所示。

3.4 后級放大電路

此電路與前級放大一樣，使用OPA820對信號進行放大，通過滑動變阻器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，如圖6所示。

4 測試數(shù)據(jù)與分析

從信號發(fā)生器取不同頻率對系統(tǒng)進行測試，從數(shù)字示波器和數(shù)字萬用表中記錄對應信號產(chǎn)生的變化數(shù)據(jù)。分別對5MHz和10MHz的低通濾波器進行通頻帶平坦度測試如表1和表2：

通過上表對5MHz和10MHz電路的分析可以知道，在0～4M，0～9M通頻帶內(nèi)很平坦，完全符合通頻帶增益起伏≤1dB，步進增益也符合要求。

5 小結

本系統(tǒng)設計的放大器具有高帶寬、高增益以及增益可調(diào)、帶負載能力強的特點。在前級放大中，采用寬帶放大芯片OPA820對輸入信號進行放大，然后經(jīng)過壓控放大器VCA810對放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)。最后通過低噪聲電流反饋運放THS3091進行功率放大，提高帶負載能力，并達到10V有效值輸出。制作PCB時，PCB板子畫小一點，事先布局好，節(jié)約材料，線寬線距適當大一點才好焊接，高頻座要焊接牢固。調(diào)試時，PCB板不要刮花了，如果刮花了，成板之后一定拿電表打一下是否斷了。前級放大調(diào)好波形，使波形正負對稱，避免使用加法器而讓電路復雜化。

參考文獻：

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（本文審稿 李正發(fā)）