王正齊等

編者按：2003年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)共有426所高等學(xué)校、3039個(gè)代表隊(duì)的9117名同學(xué)參賽，經(jīng)專家評(píng)審，評(píng)出了全國(guó)一等獎(jiǎng)119個(gè)隊(duì)，全國(guó)二等獎(jiǎng)179個(gè)隊(duì)以及本年度競(jìng)賽的“索尼杯”，具體獲獎(jiǎng)名單請(qǐng)登陸http://www.nuedc.com.cn/網(wǎng)站或本刊論壇查看。從本期起，本刊將刊登獲得一等獎(jiǎng)的部分同學(xué)的獲獎(jiǎng)?wù)撐?，并同時(shí)請(qǐng)全國(guó)專家組專家進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

本設(shè)計(jì)利用可變?cè)鲆鎸拵Х糯笃鰽D603來(lái)提高增益和擴(kuò)大AGC控制范圍，通過軟件補(bǔ)償減小增益調(diào)節(jié)的步進(jìn)間隔和提高準(zhǔn)確度。輸入部分采用高速電壓反饋型運(yùn)放OPA642作跟隨器提高輸入阻抗，并且在不影響性能的條件下給輸入部分加了保護(hù)電路。使用了多種抗干擾措施以減少噪聲并抑制高頻自激。功率輸出部分采用分立元件制作。整個(gè)系統(tǒng)通頻帶為1kHz～20MHz，最小增益0dB，最大增益80dB。增益步進(jìn)1dB，60dB以下預(yù)置增益與實(shí)際增益誤差小于0.2dB。不失真輸出電壓有效值達(dá)9.5V，輸出4.5～5.5V時(shí)AGC控制范圍為66dB。

方案論證與比較

1.增益控制部分

方案一原理框圖如圖1所示，場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，輸出信號(hào)取自電阻與場(chǎng)效應(yīng)管與對(duì)V的分壓。采用場(chǎng)效應(yīng)管作AGC控制可以達(dá)到很高的頻率和很低的噪聲，但溫度、電源等的漂移將會(huì)引起分壓比的變化，用這種方案很難實(shí)現(xiàn)增益的精確控制和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定。

方案二采用可編程放大器的思想，將輸入的交流信號(hào)作為高速D/A的基準(zhǔn)電壓，這時(shí)的D/A作為一個(gè)程控衰減器。理論上講，只要D/A的速度夠快、精度夠高就可以實(shí)現(xiàn)很寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不成線性關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。

方案三使用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器PGA，用控制電壓和增益（dB）成線性關(guān)系的可變?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)實(shí)現(xiàn)增益控制（如圖2）。用電壓控制增益，便于單片機(jī)控制，同時(shí)可以減少噪聲和干擾。

綜上所述，選用方案三，采用集成可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603作增益控制。AD603是一款低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃?，溫度穩(wěn)定性高，最大增益誤差為0.5dB，滿足題目要求的精度，其增益（dB）與控制電壓（V）成線性關(guān)系，因此可以很方便地使用D/A輸出電壓控制放大器的增益。

2.功率輸出部分

根據(jù)賽題要求，放大器通頻帶從10kHz到6MHz，單純用音頻或射頻放大的方法來(lái)完成功率輸出，要做到6V有效值輸出難度較大，而用高電壓輸出的運(yùn)放來(lái)做又很不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槭忻嫔虾茈y買到寬帶功率運(yùn)放。這時(shí)候采用分立元件就能顯示出優(yōu)勢(shì)來(lái)了。

3.測(cè)量有效值部分

方案一 利用高速ADC對(duì)電壓進(jìn)行采樣，將一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)并計(jì)算其均方根值，即可得出電壓有效值：

此方案具有抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但調(diào)試?yán)щy，高頻時(shí)采樣難且計(jì)算量大，增加了軟件難度。

方案二對(duì)信號(hào)進(jìn)行精密整流并積分，得到正弦電壓的平均值，再進(jìn)行ADC采樣，利用平均值和有效值之間的簡(jiǎn)單換算關(guān)系，計(jì)算出有效值顯示。只用了簡(jiǎn)單的整流濾波電路和單片機(jī)就可以完成交流信號(hào)有效值的測(cè)量。但此方法對(duì)非正弦波的測(cè)量會(huì)引起較大的誤差。

方案三 采用集成真有效值變換芯片，直接輸出被測(cè)信號(hào)的真有效值。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波形的有效值測(cè)量。

綜上所述，我們采用方案三，變換芯片選用AD637。AD637是真有效值變換芯片，它可測(cè)量的信號(hào)有效值可高達(dá)7V，精度優(yōu)于0.5％，且外圍元件少，頻帶寬，對(duì)于一個(gè)有效值為1V的信號(hào)，它的3dB帶寬為8MHz,并且可以對(duì)輸入信號(hào)的電平以dB形式指示，該方案硬件、軟件簡(jiǎn)單，精度也很高，但不適用于高于8MHz的信號(hào)。

此方案硬件易實(shí)現(xiàn)，并且8MHz以下時(shí)候測(cè)得的有效值的精度可以保證，在題目要求的通頻帶10kHz～6MHz內(nèi)精度較高。8MHz以上輸出信號(hào)可采用高頻峰值檢測(cè)的方法來(lái)測(cè)量，但是由于時(shí)間關(guān)系，高于8MHz的信號(hào)我們未能測(cè)量顯示。

4.自動(dòng)增益控制（AGC）

利用單片機(jī)根據(jù)輸出信號(hào)幅度調(diào)節(jié)增益。輸出信號(hào)檢波后經(jīng)過簡(jiǎn)單2級(jí)RC濾波后由單片機(jī)采樣，截止頻率為100Hz。由于放大器通頻帶低端在1kHz，當(dāng)工作頻率為1kHz時(shí)，為保證在增益變化時(shí)輸出波形失真較小，將AGC響應(yīng)時(shí)間設(shè)定為10ms，用單片機(jī)定時(shí)器0來(lái)產(chǎn)生10ms中斷進(jìn)行輸出有效值采樣，增益控制電壓也經(jīng)過濾波后加在可變?cè)鲆娣糯笃魃?。AGC控制范圍理論上可達(dá)0～80dB，實(shí)際上由于輸入端加了保護(hù)電路，在不同輸出電壓時(shí)AGC范圍不一樣，輸出在4.5～5.5V時(shí)AGC范圍約為70dB，而當(dāng)輸出為2～2.5V時(shí)AGC范圍可達(dá)80dB。

5.系統(tǒng)整體框圖（見圖3）

理論分析與參數(shù)計(jì)算

1．電壓控制增益的原理

AD603的基本增益為：Gain (dB) = 40 VG + 10，其中，VG是差分輸入電壓,單位是V，Gain是AD603的基本增益,單位是dB。

從此式可以看出，以dB作單位的對(duì)數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。由此可以得出，只要單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性計(jì)算就可以控制對(duì)數(shù)增益，增益步進(jìn)可以很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。但若要用放大倍數(shù)來(lái)表示增益的話，則需將放大倍數(shù)經(jīng)過復(fù)雜的對(duì)數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為以dB為單位后再去控制AD603的增益，這樣在計(jì)算過程中就引入了較大的運(yùn)算誤差。

2.AGC介紹br>AGC是自動(dòng)增益控制電路的簡(jiǎn)稱，常用在收音機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)的信號(hào)接收和電平處理電路中。它的作用是當(dāng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，使其增益自動(dòng)降低；當(dāng)信號(hào)較弱時(shí)，又使其增益自動(dòng)增高，從而保證輸出信號(hào)基本穩(wěn)定。

3.正弦電壓有效值的計(jì)算

AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。根據(jù)AD637芯片手冊(cè)所給出的計(jì)算真有效值的經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中：VIN為輸入電壓，Vrms為輸出電壓有效值。

系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)

1.輸入緩沖和增益控制部分

圖5為輸入緩沖和增益控制電路，由于AD603的輸入電阻只有100Ω，要滿足輸入電阻大于2.4kΩ的要求，必須加入輸入緩沖部分用以提高輸入阻抗；另外前級(jí)電路對(duì)整個(gè)電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲。故采用高速低噪聲電壓反饋型運(yùn)放OPA642作前級(jí)跟隨，同時(shí)在輸入端加上二極管過壓保護(hù)。

輸入部分先用電阻分壓衰減，再由低噪聲高速運(yùn)放OPA642放大，整體上還是一個(gè)跟隨器，二極管可以保護(hù)輸入到OPA642的電壓峰峰值不超過其極限（2V）。其輸入阻抗大于2.4kΩ。OPA642的增益帶寬積為400MHz，這里放大3.4倍，100MHz以上的信號(hào)被衰減。輸入輸出端口P1、P2由同軸電纜連接，以防自激。級(jí)間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法，兼顧高頻和低頻信號(hào)。

增益控制部分裝在屏蔽盒中，盒內(nèi)采用多點(diǎn)接地和就近接地的方法避免自激，部分電容電阻采用貼片封裝，使得輸入級(jí)連線盡可能短。該部分采用AD603典型接法中通頻帶最寬的一種，通頻帶為90MHz，增益為－10～+30dB，輸入控制電壓U的范圍為－0.5～＋0.5V。圖6為AD603接成90MHz帶寬的典型方法。

增益和控制電壓的關(guān)系為：AG(dB)=40×U+10，一級(jí)的控制范圍只有40dB，使用兩級(jí)串聯(lián)，增益為AG(dB)=40×U1+40×U2+20，增益范圍是－20～+60dB，滿足題目要求。

由于兩級(jí)放大電路幅頻響應(yīng)曲線相同，所以當(dāng)兩級(jí)AD603串聯(lián)后，帶寬會(huì)有所下降，串聯(lián)前各級(jí)帶寬為90MHz左右，兩級(jí)放大電路串聯(lián)后總的3dB帶寬對(duì)應(yīng)著單級(jí)放大電路1.5dB帶寬，根據(jù)幅頻響應(yīng)曲線可得出級(jí)聯(lián)后的總帶寬為60MHz。

2.功率放大部分

電路如圖7所示。參考音頻放大器中驅(qū)動(dòng)級(jí)電路，考慮到負(fù)載電阻為600Ω，輸出有效值大于6V，而AD603輸出最大有效值在2V左右，故選用兩級(jí)三極管進(jìn)行直流耦合和發(fā)射結(jié)直流負(fù)反饋來(lái)構(gòu)建末級(jí)功率放大，第一級(jí)進(jìn)行電壓放大，整個(gè)功放電路的電壓增益在這一級(jí)，第二級(jí)進(jìn)行電壓合成和電流放大，將第一級(jí)輸出的雙端信號(hào)變成單端信號(hào)，同時(shí)提高帶負(fù)載的能力，如果需要更大的驅(qū)動(dòng)能力則需要在后級(jí)增加三極管跟隨器，實(shí)際上加上跟隨器后通頻帶急劇下降，原因是跟隨器的結(jié)電容被等效放大，當(dāng)輸入信號(hào)頻率很高時(shí)，輸出級(jí)直流電流很大而輸出信號(hào)很小。使用2級(jí)放大已足以滿足題目的要求。選用NSC的2N3904和2N3906三極管（特征頻率fT＝250～300MHz）可達(dá)到25MHz的帶寬。整個(gè)電路沒有使用頻率補(bǔ)償，可對(duì)DC到20MHz的信號(hào)進(jìn)行線性放大，在20MHz以下增益非常平穩(wěn)，為穩(wěn)定直流特性。我們將反饋回路用電容串聯(lián)接地，加大直流負(fù)反饋，但這會(huì)使低頻響應(yīng)變差，實(shí)際上這樣做只是把通頻帶的低頻下限頻率從DC提高到1kHz，但電路的穩(wěn)定性提高了很多。

本電路放大倍數(shù)為：AG≈1＋R10/R9 ，整個(gè)功放電路電壓放大約10倍。通過調(diào)節(jié)R10來(lái)調(diào)節(jié)增益，根據(jù)電源電壓調(diào)節(jié)R7可調(diào)節(jié)工作點(diǎn)。

3.控制部分

這一部分由51系列單片機(jī)、A/D、D/A和基準(zhǔn)源組成。使用12位串行A/D芯片ADS7816和ADS7841（便于同時(shí)測(cè)量真有效值和峰值）和12位串行雙D/A芯片TLV5618?；鶞?zhǔn)源采用帶隙基準(zhǔn)電壓源MC1403?？驁D如圖8所示。

4.穩(wěn)壓電源部分

電源部分電路見圖9，輸出±5V、±15V電壓供給整個(gè)系統(tǒng)。數(shù)字部分和模擬部分通過電感隔離。

抗干擾措施

系統(tǒng)總的增益為0～80dB，前級(jí)輸入緩沖和增益控制部分增益最大可達(dá)60dB，因此抗干擾措施必須要做得很好才能避免自激和減少噪聲。我們采用下述方法減少干擾，避免自激：

（1）將輸入部分和增益控制部分裝在屏蔽盒中，避免級(jí)間干擾和高頻自激；

（2） 電源隔離，各級(jí)供電采用電感隔離，輸入級(jí)和功率輸出級(jí)采用隔離供電，各部分電源通過電感隔離，輸入級(jí)電源靠近屏蔽盒就近接上1000μF電解電容，盒內(nèi)接高頻瓷片電容，通過這種方法可避免低頻自激；

（3） 所有信號(hào)耦合用電解電容兩端并接高頻瓷片電容以避免高頻增益下降；

（4）構(gòu)建閉路環(huán)。在輸入級(jí)，將整個(gè)運(yùn)放用較粗的地線包圍，可吸收高頻信號(hào)減少噪聲。在增益控制部分和后級(jí)功率放大部分也都采用了此方法。在功率級(jí)，此法可以有效地避免高頻輻射；

（5）數(shù)模隔離。數(shù)字部分和模擬部分之間除了電源隔離之外，還將各控制信號(hào)用電感隔離；

（6）使用同軸電纜，輸入級(jí)和輸出級(jí)使用BNC接頭，輸入級(jí)和功率級(jí)之間用同軸電纜連接。

實(shí)踐證明,電路的抗干擾措施比較好，在1kHz～20MHz的通頻帶范圍和0～80dB增益范圍內(nèi)都沒有自激。

本系統(tǒng)單片機(jī)控制部分采用反饋控制方式，通過輸出電壓采樣來(lái)控制電壓增益。由于AD603的設(shè)定增益跟實(shí)際增益有誤差，故軟件上還進(jìn)行了校正，圖10為其軟件流程圖。

系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試結(jié)果

1.測(cè)試方法

將各部分電路連接起來(lái)，先調(diào)整0dB，使輸出信號(hào)幅度和輸入信號(hào)幅度相等，然后接上600Ω的負(fù)載電阻進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。

2.測(cè)試結(jié)果

限于篇幅，測(cè)試結(jié)果見本刊網(wǎng)站。

3.誤差分析

我們測(cè)量的誤差主要來(lái)源是電磁干擾，由于試驗(yàn)場(chǎng)地有許多電腦和儀器使用開關(guān)電源，電磁噪聲很大，而且使用的同軸電纜屏蔽效果并不好，所以測(cè)量輸入端短路的噪聲電壓時(shí)隨輸入短接方式不同而有很大的誤差。

測(cè)試性能總結(jié)

從指標(biāo)來(lái)看我們各方面的指標(biāo)都達(dá)到或超過了賽題要求。由于時(shí)間倉(cāng)促，用來(lái)測(cè)量輸出電壓有效值的峰值檢波電路沒有試驗(yàn)成功，因此在8MHz以上時(shí)不能正確顯示輸出電壓有效值。

本設(shè)計(jì)偏重于模擬電路處理，得到了很高的增益和較小的噪聲。采用多種抗干擾措施來(lái)處理前級(jí)放大，選用集成芯片作增益控制，利用分立元件作后級(jí)功率放大，放棄了較難買到的寬帶功率運(yùn)放，因而設(shè)計(jì)很靈活也很容易實(shí)現(xiàn)。