C题实验报告宽带直流放大器20200818190501

2009年全国大学生电子设计竞赛

【本科组】

宽带直流放大器（ C题）

摘 要：本宽带直放大器使用一片 ad8039两级前置放大然后经过由 VCA810组

成的程控放大电路经过 5M和 10M的三阶无源滤波器再通过 AD811精密运放和

BUF634缓冲电路接负载输出，整个系统由单片机通过键盘控制，可以在手动与

步进放大倍数之间调节，也可以通过按键调节 5M和 10M通道的滤波器，该系统

性能指标良好，增益可以在 0~66.8dB 之间调节，在规定的带宽范围内幅度波动没有超过 1dB,完成了题目的要求。

关键词： 前置放大 无源滤波 步进放大

Abstract: The broadband amplifier using a straight ad8039 two levels of

preamplifier and then through a programmable amplifier circuit composed of

VCA810 through a 5 m and 10 m of third-order passive filter through AD811

precision op-amp and BUF634 load output buffer circuit, the whole system is

controlled by a single-chip microcomputer by keyboard, can step between

magnification and manual adjustment, can also use buttons adjust the filter of 5 m and

10 m channel, the system performance is good, can be between 0 ~ 66.8 dB gain

adjustment, amplitude fluctuations within the bandwidth of the provisions of no more

than 1 dB, completed the topic request.

Key Word ：pre-amplification Passive filter Step amplification

目录

1. 系统设计 ..................................................................................................................................... 1

1.1 设计要求 ............................................................................................................................ 1

1.1.1 设计任务 ................................................................................................................. 1

1.1.2 技术指标 ................................................................................................................. 1

1.2 方案比较与选择 ................................................................................................................ 2

1.2.1 可控增益放大方法比较与选择 ............................................................................. 2

1.2.2 功率输出部分方法比较与选择 ............................................................................. 2

1.2.3 直流稳压电源方案比较 ......................................................................................... 3

2. 单元电路设计及参数计算 .......................................................................................................... 4

2.1 前置放大模块 .................................................................................................................... 4

2.2 可控增益放大 模块 ............................................................................................................ 4

2.3 3dB 截止频率为 5MHz和 10MHz滤波器 模块 .................................................................. 5

3. 软件设计 ..................................................................................................................................... 7

3.1 程序总体流程图 ................................................................................................................ 7

3.2 程序清单（见附录 2）..................................................................................................... 7

4. 系统测试 ....................................................................................................................................... 7

4.1 测试仪器 ............................................................................................................................ 7

4.2 测试结果 ............................................................................................................................ 8

5. 结束语 ....................................................................................................................................... 10

参考文献 ......................................................................................................................................... 10

附录 ................................................................................................................................................ 10

附录 1 主要元器件清单 ........................................................................................................ 10

附录 2 程序清单 .................................................................................................................... 11

1. 系统设计

1.1 设计要求

1.1.1 设计任务

设计并制作一个宽带直流放大器及所用的直流稳压电源。

1.1.2 技术指标

（1）基本要求

① 电压增益 Av 40dB ，输入电压有效值 Vi 20 mV 。A 可在 0~40dB 范围

v

内手动连续调节。

② 最大输出电压正弦波有效值 VO 2V ，输出信号波形无明显失真。

③ 3dB 通频带 0~5MHz；在 0~4MHz 通频带内增益起伏 1dB 。

④ 放大器的输入电阻 50 ，负载电阻 50 2 。

⑤ 设计并制作满足放大器要求所用的直流稳压电源。

（2）发挥部分

① 最大电压增益 A dB

v 60 ，输入电源有效值 Vi 10mV 。

② 在 A dB

v 60 时，输出端噪声电压的峰—峰值 VONPP 0.3V 。

③ 3dB 通频带 0~10MHz;在0~9MHz 通频带内增益起伏 1dB。

④ 最大输出电压正弦波有效值 VO 1 0V ，输出信号波形无明显失真。

⑤ 进一步降低输入电压提高放大器的电压增益。

⑥ 电压增益

A 可预置并显示，预置范围为 0~60dB，步距为 5dB（也可以

v

连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（至少 5MHz、10MHz 两点）。

⑦ 降低放大器的制作成本，提高电源效率。

⑧ 其他（例如改善放大器性能的其它措施等） 。

1

1.2 方案比较与选择

1.2.1 可控增益放大方法比较与选择

方案一：采用晶体管或场效应管控制增益

主要利用场效应管的可变电阻区或者晶体管的压控电阻实现增益控制。

　该方

案采用大量的分立元件，电路复杂且稳定性差。

方案二：采用增益可调的运放来控制增益

直接 选取增益 可调 的运 放， 如 VCA810、AD603。

　其可 调增益分 别为

-40dB-40dB、-10dB-30dB。可以用单片机以 dB为单位方便地预置增益。为满足

题目要求，若采用 AD603，需两片级联。

经比较，选用方案二的 VCA810。

1.2.2 功率输出部分方法比较与选择

方案一：采用分立元件

采用分立元件，成本低，易于购买。但设计调试难度太大，耗时长，短时间

内手工制作难以保证性能指标及可靠性。

方案二：采用宽带运算放大器

可采用宽带运算放大器，如 AD811、THS3091、THS3001 放大电压。其中

AD811 为宽带电流反馈型运算放大器， -3 dB 带宽为 120 MHz (G=+2)；THS3091

为单路高压低失真电流反馈型运算放大器，带宽为 210MHz(G=2);THS3001 为超

高速电流负反馈运算放大器，带宽为 210MHz(G=2)。经实验，采用 AD811 效果

较好。

采用 BUF634 增大驱动电流。

　BUF634 为高速开环增益缓冲器，它可用于运

算放大器的反馈环路内， 以增加输出电流， 消除热反馈并提高容性负载驱动。

　对

于低功耗的应用，BUF634静态电流，具有 250mA输出、2000V/us压摆率和 30MHz

带宽，均满足题目需求。

综上，我们选择 AD831 和 BUF634 进行功率放大。

2

1.2.3 直流稳压电源方案比较

方案一：线性稳压电源

采用三端稳压芯片 7818、7918、7805、7905 及电容制作完成 5V 、 18V ，

给各单元电路供电。

方案二：开关稳压电源

此方案虽效率高， 但理论电路复杂。

　亦可采用开关稳压电源芯片， 但实验要

求采用制作开关稳压电源，才用稳压电源芯片恐不符合题目要求。

综上，选择方案一，制作直流稳压电源。

1.3 方案论证

输入信号先经过 50 ? 阻抗匹配和前级放大， 采用 VCA810 与后级电路相配

合实现 0~80dB 范围内的增益控制。信号经过 5MHz(10MHz) 滤波器后送入的功

率放大电路，驱动 50 ? 负载，最大输出电压有效值为 10V。使用继电器切换滤

波器模块，实现 5MHz、10MHz 的通带选择。单片机控制完成电压增益的可预

置并显示、 可连续调节以及带宽的可预置并显示。

　信号经过滤波器后送入的功率

放大电路，驱动 50 ? 负载，最大输出电压有效值为 10V。

图 1.3 系统总体框图

3

2. 单元电路设计及参数计算

2.1 前置放大模块

图 2.1 前置放大电路

若采用一级 AD8039 进行 10 倍的放大，则达不到 10MHz 以上带宽的要求。于是采用两级放大，为保证输入电阻为 50? ，第一级放大采用同相比例放大。

第一级放大倍数

R

1

A 1

1 R

2

3.558

R

；第二级放大倍数 3 .05

3

A；前置放

2 R

4

大倍数 A 10.87 ，即放大 20dB。

A1 A

2

2.2 可控增益放大模块

图 2.2.1 程控增益放大电路

4

VCA810 为高增益变化范围、 宽带的电压控制增益放大器， 且其零漂较小。

其控制的增益的线性范围为 -40dB~+40dB。AG 40(V 1) ，其中Vg 为控制电压，

g

范围在-2V~0V 。

VCA810 的 3 脚接控制电压输入。题目要求实现手动调节和单片机步进调

节，采用单片机和继电器进行控制。

图 2.2.2 手动调节和步进调节电路

2.3 3dB 截止频率为 5MHz和 10MHz滤波器模块

根据题目要求，需满足 3dB 通频带为 0～5MHz和 0～10MHz两种带宽。设计采用两组 3

阶无源低通滤波器， 3dB 通频带为 0～5MHz和 0～10MHz，带内波动小于 0.1dB ，可由单片机

控制加以切换。

图 2.3.1 5M 滤波器

5

图 2.3.2 10M 滤波器

2.4 功率放大模

图 2.4 功率放大电路

6

3. 软件设计

3.1 程序总体流程图

图 3.1 程序总体流程图

3.2 程序清单（见附录 2）

4. 系统测试

4.1 测试仪器

台式万用表，型号： UT802

任意波形发生器，型号： YB32020

7

示波器，型号： DXO-X2002A

4.2 测试结果

（1）输入阻抗测试

在输入端串接 50Ω电阻，测量输入端电压峰峰值，通过计算可测的输出阻

抗。

结果分析：经过测量，在不同带宽范围内均可满足输入阻抗 50Ω。

(2)

类型 序号 项目与指标 测试记录

Vi min 10V

Vo 1 .0V

电 压 增

益>40dB

AV 40 dB （1） 放大器增益

PO 0. 2W

增 益 手 动连

续 调 节

0~40dB

最 大 输 出电

基本

（2） 输出电压

压 有 效

值>2V

VO 11V

要求

f1 2MHz

0~5MHz

VO1 1V

f1 4 MHz

（3） -3dB 通频带

VO1 1.032V

f2 5 MHz

VO2 950mV

最大值 = 0~4MHz 通频

带 内 增 益起

最小值 =

伏<1dB

8

（4） 负载电阻 负 载 电 阻

（50 2）Ω

R

O

50

类型 序号 项目与指标 测试记录

Vi min 10mV

（1）

电 压 增

Vo 10V

益>60dB

AV 60dB 放大器增益

PO 0. 2W

f1 2 MHz

0~10MHz

VO1 10V

f2 9 MHz

-3dB 通频带

发挥

部分

VO2 7.23V

（2）

f3 10MHz

VO3 6 .68V

最大值 =10V0~9MHz 通频

带 内 增 益起

最小值 =7.21V

伏<1dB

（3） 输出电压 最 大 电 压有

效值 10V

VO 11 .5V

进 一 步 降低

输 入 电 压提

Vi min 5mV

（4） 提高电压增益

高 放 大 器的

电压增益， 电

VO 11V

压增益 每提

高 2dB

Av 66.8dB

A 可预置并显示

V

（5） 可预置并显示

A 可连续调节带宽

V

并显示

带宽可预置并显示

9

5. 结束语

本设计利用 AD8039 实现前级放大、 VCA810 实现可控增益调节， 采用三阶无源滤波完

成 3dB 截止频率为 5MHz 和 10MHz 的要求，最后采用 AD811 和 BUF634 实现功率放大部

分。采用 C8051F020 单片机进行 DAC 、按键控制和 LCD 显示。

在系统设计的过程中，我们遇到了很多问题， VCA810 输出带宽不够、滤波器截止频

率和通频带内增益起伏不满足 1dB 要求、 AD811 放大倍数不对、输出带宽过小、单片机控

制后波形很不好等问题。

　通过小组成员间的交流讨论、 仔细分析最终解决了上述问题， 但其

中 AD811 输出带宽的问题还是没能得到很好的解决 ,不能满足带宽要求。在这个过程中，我

们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性， 并且也提高了自己发现问题、 解决问题的能

力。

参考文献

[1] 童诗白 ,华成英 .模拟电子技术基础 (第四版 )[M]. 北京:高等教育出版社 ,2006

[2] 肖看,李群芳 .单片机原理、 接口及应用——嵌入式系统技术基础 (第二版 )[M]. 北京:清华大

学出版社 ,2010

[3] 黄智伟 ,王彦,陈文光 ,朱卫华 .全国大学生电子设计竞赛训练教程 (修订版 )[M]. 北京:电子工

业出版社 ,2010

附录

附录 1 主要元器件清单

（1）C8051F020 1 片

（2）LCD 及矩阵键盘 1 个

（3）AD8039 1片

（4）VCA810 1 片

10

（5）OPA2227 1 片

（6）AD844 1 片

（7）电容电阻电感 若干

附录 2 程序清单

main.c

/* *******************************************************************

本程序为宽带直流放大器。

　DAC0 控制 VCA810 (第3 脚);

TXD（P0.0）控制滤波器的截止频率是 5MHz 还是 10MHz（默认 5MHz）；

RXD（P0.1）控制 VCA810 是手动调节还是以 5db步距调节 （默认 5db 步距调节);

Key1: 10MHz；

Key2：5MHz；

Key3：5db 步距调节；

Key4：手动调节；

********************************************************************/

#include "C8051F020.h"#include "DataType.h" #include "init.h"

#include "key.h"#include "lcd.h"

sfr16 DAC0 = 0xD2;sfr16 DAC1 = 0xD5;

sbit sps_0=P0^0;

sbit sps_1=P0^1;

static int count=0;

unsigned int

sample[13]={0,188,404,613,822,1032,1241,1451,1660,1869,2078,2287,2499};

float

sample1[13]={0,0.125,0.250,0.375,0.500,0.625,0.750,0.875,1.000,1.125,1.250,1.375,

1.500};

void KeyPressedHandler (); //按键检测函数void Clear_LCD_all(void); //屏幕处理函数

11

void main(void)

{

int i=0;

WDTCN = 0xde; // Disable watchdog timer

WDTCN = 0xad;

Init();

LCD_Init (); //液晶屏初始化

KeyPort_Init (); //键盘初始化

EA = 1;

Clear_LCD_all();

sps_0=0;

sps_1=0;

DAC0=0;

count=0;

while(1){

for(i=0;i<30000;i++);

for(i=0;i<30000;i++);

KeyPressedHandler ();

for(i=0;i<30000;i++);

for(i=0;i<30000;i++);

if(sps_0==0)

LCD_DispStrAt (" 带宽为 5MHz ", 1, 1);

}

}

void KeyPressedHandler ()

{

unsigned char i=0;

unsigned int i_delay=0;

switch (KeyScan ())

{

case 1:

sps_0=1;

LCD_ClearScreen();

LCD_DispStrAt (" 带宽为 10MHz", 1, 1);

break;

case 2:

sps_0=0;

LCD_ClearScreen();

LCD_DispStrAt (" 带宽为 5MHz", 1, 1);

break;

12

case 3:

sps_1=0;

LCD_ClearScreen();

if(count<12)

{

count++;

DAC0=sample[count]^0x8000;LCD_DispNumberAt(count, 2, 1); LCD_DispFloatNumberAt(sample1[count], 3, 2, 4);

}

else

{

count=0;

DAC0=0;

LCD_ClearScreen();

} break;

case 4:

sps_1=1;

LCD_ClearScreen();

DAC0=3339^0x8000;

LCD_DispStrAt (" 手动", 2, 1);

LCD_DispFloatNumberAt(2.000, 3, 2, 4);

break;

case 5:

LCD_DispStrAt ("KEY05", 2, 1);

break;

case 6:

LCD_DispStrAt ("KEY06", 2, 1);

break;

case 7:

LCD_DispStrAt ("KEY07", 2, 1);

break; case 8:

LCD_DispStrAt ("KEY08", 2, 1);

break;

case 9:

LCD_DispStrAt ("KEY09", 2, 1);

break;

case 10:

LCD_DispStrAt ("KEY10", 2, 1);

break;

case 11:

13

LCD_DispStrAt ("KEY11", 2, 1);

break;

case 12:

LCD_DispStrAt ("KEY12", 2, 1);

break;

case 13:

LCD_DispStrAt ("KEY13", 2, 1);break;

case 14:

LCD_DispStrAt ("KEY14", 2, 1);

break;

case 15:

LCD_DispStrAt ("KEY15", 2, 1);

break;

case 16:

LCD_DispStrAt ("KEY16", 2, 1);

break; default:

break;

}

}

14