1 引言

　　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，寬帶放大器在科研中具有重要作用,。寬帶運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用于A／D轉(zhuǎn)換器,、D／A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器,、波形發(fā)生器,、視頻放大器等電路。這些電路要求運(yùn)算放大器具有較高的頻帶寬度,，電壓增值,。為此，以可編程增益放大器THS7001和可變?cè)鲆娣糯笃?a class="innerlink" href="http://wldgj.com/tags/AD603" title="AD603" target="_blank">AD603為核心,，設(shè)計(jì)一種可編程寬帶運(yùn)算放大器,。該電路增益調(diào)節(jié)范圍為-6～70 dB,，步進(jìn)間距為6dB，AGC為60 dB,，-3 dB通頻帶為40 Hz～15MHz,。矩陣鍵盤(pán)設(shè)置增益值、步進(jìn),，點(diǎn)陣液晶顯示實(shí)時(shí)電壓有效值,，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單方便,。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　該系統(tǒng)主要由可控增益放大器,、功率放大與峰值檢波、單片機(jī)顯示和控制3大模塊組成,。其中可變?cè)鲆娣糯笃饕訲HS7001和AD603為核心,。單片機(jī)控制THS7001實(shí)現(xiàn)增益粗調(diào)，并通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換控制AD603實(shí)現(xiàn)增益細(xì)調(diào),，從而使總增益在- 6～70 dB的寬頻帶范圍內(nèi)線性變化,。前置放大器采用由寬帶電壓型反饋運(yùn)放THS4011構(gòu)成的射極跟隨器，可有效提高輸入電阻,；后級(jí)功率放大器采用電流型反饋運(yùn)放AD811,，提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力。由二極管峰值檢波電路測(cè)量峰值,，并通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換,、D／A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。通過(guò)鍵盤(pán)手動(dòng)預(yù)置增益值,，LCD實(shí)時(shí)顯示預(yù)置增益值并輸出有效值,。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　3 器件選型及理論分析

　　3．1 輸入級(jí)電路運(yùn)放選型

　　由于該電路噪聲主要取決于第一級(jí)放大器,。所以選擇第一級(jí)運(yùn)放成為決定噪聲大小的關(guān)鍵,。電壓反饋型(VFB)運(yùn)算放大器具有同相和反向輸人端阻抗基本相同(均為高阻)，低噪聲,，更好的直流特性,，增益帶寬積為常數(shù)。反饋電阻的取值自由等特點(diǎn)：而電流反饋型(CFB)運(yùn)算放大器則具有同相輸入端為高阻阻,，反向輸入端為低阻抗，帶寬不受增益影響,，壓擺率更快,，反饋電阻的取值有限制等特點(diǎn)。由此看出,，CFB放大器適用于那些需要壓擺率快,、低失真和可設(shè)置增益而不影響帶寬的電路,；而VFB放大器則適用于那些需要低調(diào)電壓、低噪聲的電路,。因此選用電壓反饋型運(yùn)放THS4011作為前級(jí)輸入,。THS4011是一款高速低噪聲運(yùn)算放大器，其帶寬為290 MHz,，壓擺率為310 V／μs,，輸入噪聲為。

　　4．2 峰值檢波電路

　　峰值檢波電路由二極管電路和電壓跟隨器組成,。其工作原理：當(dāng)輸入電壓正半周通過(guò)時(shí),，檢波管 VU2導(dǎo)通，對(duì)電容C1,、C2充電,，直到到達(dá)峰值。三極管的基極由FPGA控制,，產(chǎn)生1Oμs的高電平使電容放電,，以減少前一頻率測(cè)量對(duì)后一頻率測(cè)量的影響，提高幅值測(cè)量精度,。其中Vu1為常導(dǎo)通,，以補(bǔ)償VU2上造成的壓降。適當(dāng)選擇電容值,，使得電容放電速度大于充電速度,，這樣電容兩端的電壓可保持在最大電壓處，從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波,。

　　該電路能夠檢測(cè)寬范圍信號(hào)頻率,，較低的被測(cè)信號(hào)頻率，檢波紋波較大,，但通過(guò)增加小電容和大電容并聯(lián)構(gòu)成的電容池可濾除紋波,。而后級(jí)隔離，則增加由OPA277構(gòu)成的射極跟隨器,，如圖3所示,。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　5．1 程序部分設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)化和層次化原則，由一個(gè)主程序及若干子程序構(gòu)成,。主程序通過(guò)調(diào)用子程序控制子程序間的時(shí)序,，從而使整個(gè)程序正常運(yùn)行。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分由單片機(jī)和FPGA組成,。單片機(jī)主要完成讀取鍵值,、控制增益和顯示功能。而FPGA則作為總線控制器,，管理鍵盤(pán),、液晶和A／D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換,。以O(shè)uartus II 7．2為設(shè)計(jì)環(huán)境，用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編程,，完成各功能模塊的設(shè)計(jì),，并仿真測(cè)試設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊，再將各個(gè)模塊相互連接,。程序以按鍵中斷為主線,，以各項(xiàng)功能為分支，圖4為程序流程,。

　　5．2 FPGA部分設(shè)計(jì)

　　FPGA主要完成A／D,、D／A轉(zhuǎn)換器的串并轉(zhuǎn)換。采用12位D／A轉(zhuǎn)換器TLV5618,，該器件是串行接口,，大大節(jié)約系統(tǒng)端口資源，但MCU的P0,、 P2端口是并行口,，與串行器件的時(shí)序匹配較復(fù)雜，用靜態(tài)口P1端口模擬串行口時(shí)序又會(huì)占用MCU很多處理時(shí)間,，影響系統(tǒng)效率,。

　　為使MCU對(duì)串行器件操作簡(jiǎn)單，把串行時(shí)序在FPGA中用狀態(tài)機(jī)描述,，同時(shí)該控制狀態(tài)機(jī)又對(duì)MCU提供P0口,、CS、WR的微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序接口形式,，這樣MCU只需選中相應(yīng)地址,，就可寫(xiě)入所要得到的電壓數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)會(huì)完成串并轉(zhuǎn)換,。

　　以串行接口時(shí)序?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)入器件并鎖存,，與寫(xiě)IO端口操作一樣簡(jiǎn)單方便，而D／A轉(zhuǎn)換器模塊的輸出端既可得到相應(yīng)輸出電壓,，又達(dá)到控制增益的目的,。

　　AGC部分采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，將A／D轉(zhuǎn)換采樣得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值循環(huán)相比較,，再通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換控制增益倍數(shù),，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。

　　6 測(cè)試方案及測(cè)試數(shù)據(jù)

　　該系統(tǒng)使用專(zhuān)門(mén)的測(cè)試儀器,，包括單片機(jī)仿真器,、雙蹤示波器、PC機(jī),、多功能函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和交流電壓表等,。調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅值和頻率，結(jié)合示波器,，測(cè)試寬帶放大器的增益范圍以及通頻帶,。測(cè)試結(jié)果表明，寬帶放大器總增益調(diào)節(jié)范圍為-6～70 dB,。-3 dB通頻帶為40 Hz～15 MHz,。將輸入信號(hào)頻率同定，改變輸入電壓幅值,。記錄輸入電壓和輸出電壓的最大值和最小值,。結(jié)果表明，AGC動(dòng)態(tài)范圍大于60 dB,。將輸入端短接,，設(shè)置不同的電壓放大倍數(shù)，測(cè)量輸出電壓,。結(jié)果表明,，輸出電壓噪聲小于300 mV。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　寬帶放大器以可編程增益放大器THS7001和可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603為核心,，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)增益的步進(jìn)和預(yù)置,。總增益范圍為-6～70 dB,，通頻帶為40．Hz～15 MHz,，AGC動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到60 dB。前置放大器采用低噪聲電壓反饋型運(yùn)放THS4011,，大大提高輸人電阻,。后級(jí)功率放大采用電流型反饋運(yùn)放AD811，有效提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力,。系統(tǒng)采用多種抗干擾措施,，并結(jié)合軟件修正，實(shí)現(xiàn)較高的精度,，具有良好的噪聲,，線性性能以及較低的功耗。系統(tǒng)界面友好,，操作簡(jiǎn)單,，經(jīng)測(cè)試已投入應(yīng)用。