1 系統(tǒng)整體設計
該系統(tǒng)由前置放大、可預置增益放大、低通濾波器、后級放大、直流穩(wěn)壓模塊和單片機控制與顯示模塊六大部分構成。具體電路結構如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2 方案論證與設計
2.1 可控增益放大器方案選擇
方案一：DAC 控制增益。該方案從理論上講， 只要D/A 的速度夠快、精度夠高就可以實現(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) 不成線性關系而是成指數(shù)關系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻、精度下降， 且其增益動態(tài)范圍有限， 故不采用; 方案二：使用控制電壓與增益成線性關系的可編程增益放大器PGA，用控制電壓和增益(dB)成線性關系的可變增益放大器來實現(xiàn)增益控制。用電壓控制增益， 便于單片機控制， 同時可以減少噪聲和干擾。
綜合比較， 選用方案二， 采用可變增益放大器AD603作增益控制放大器。
2.2 輸入阻抗匹配方案選擇
方案一：采用低噪聲精準放大器OP27 設計前級的射級跟隨，盡管噪聲小、精度高，但是由于帶寬僅為8 MHz，達不到10 MHz 的要求;方案二： 采用高速寬帶運放OPA692 作為構成前級的射級跟隨器。OPA692 是高速寬帶運放， 其在±5 V 雙電源工作時，增益為2，頻帶寬度為190 MHz，電壓轉(zhuǎn)換速率為2 100 V/μs。
經(jīng)過比較， 采用方案二。由于AD603 的輸入阻抗只有100 Ω， 使用OPA692 作為前級輸入完全能滿足要求，并且可以很好地隔絕前級電路對后級電路的干擾， 實現(xiàn)級間的阻抗匹配。
2.3 濾波電路選擇方案
方案一： 采用RC 濾波電路， 但RC 濾波衰減很大;方案二： 利用高速寬帶運放OPA690 設計二階巴特沃思濾波器，其通頻帶內(nèi)的頻率響應曲線最大限度平坦， 沒有起伏， 而在阻頻帶則逐漸下降為零。經(jīng)比較， 選擇方案二。
3 理論分析與參數(shù)計算
3.1 電壓增益控制原理分析
電壓增益控制原理分析AD603 的基本增益為：Gain =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 作單位對數(shù)增益和電壓之間是線性關系， 因此，只要單片機進行簡單的線性計算就可以控制對數(shù)增益， 增益步進可以很準確地實現(xiàn)。
3.2 通頻帶內(nèi)增益起伏控制分析
為控制通頻帶內(nèi)增益起伏， 采用二階巴特沃思濾波環(huán)節(jié)， 其電阻電容可根據(jù)式(1) 、式(2)計算：
其中f0為通帶截止頻率，Q 為f=f0時電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)數(shù)值之比。計算數(shù)據(jù)可仿真實現(xiàn)。
3.3 抑制直流零點漂移分析
在集成運放同相輸入端和反相輸入端外接總電阻相同的情況下， 可抑制零點漂移， 另外在實際調(diào)試中， 還應加入調(diào)零端， 可有效地調(diào)整零位。
3.4 放大器穩(wěn)定性分析
在各級放大電路中， 設計中均采用了電壓負反饋，保證了放大器運行穩(wěn)定。
4 主要功能模塊設計
4.1 可編程增益放大器
AD603 是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器， 溫度穩(wěn)定性高， 最大增益誤差為0.5 dB， 其增益(dB)與控制電壓(V)成線性關系， 因此可以很方便地使用D/A 輸出電壓控制放大器的增益，并且其輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對提供增益控制電壓的外電路影響減小， 很適合構成程控增益放大器?？删幊淘鲆娣糯笃鰽D603 由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。帶寬90 MHz 時增益變化范圍為-11 dB～+3l dB; 帶寬為9 MHz 時為9 dB～51 dB。增益變化范圍可分三種模式進行控制： 當5 腳與7 腳斷開時，增益變化范圍為9 dB～51 dB，當5 腳與7 腳短接時， 增益變化范應為-11 dB～+3l dB， 當5 腳與7 腳之間接一電阻時，可使增益變化范圍進行平移。為了增大控制范圍，設計中采取了兩級AD603 級聯(lián)的方法，如圖2 所示。
圖2 可編程增益放大器
4.2 低通濾波電路
設計中采用了專用設計濾波器軟件Filter Wiz Pro ，利用高速寬帶運OPA690 實現(xiàn)， 如圖3 所示。
圖3 低通濾波電路
4.3 后級放大電路
后級功率放大電路采用運放AD811 實現(xiàn)。AD811 是美國模擬器件公司推出的一種帶電流反饋型視頻運算放大器， 當增益G=1 時，-3 dB 帶寬為140 MHz ; 當增益G=2 時，-3 dB 帶寬為140 MHz ; 當增益G=10 時，-3 dB帶寬可達100 MHz ; 電壓轉(zhuǎn)換率為2 500 V/μs ， 完全滿足系統(tǒng)需求。后級放大具體電路見圖4。
圖4 后級放大電路
4.4 手動增益預置及控制
單片機C8051F020 是整個放大器控制的核心部分，它主要完成以下功能：接收用戶按鍵信息以控制增益，進而對AD603 的增益控制電壓進行控制并可完成顯示功能。
手動增益預置的基本思路是：單片機鍵盤輸入設定，數(shù)字程控， 經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生控制輸出電壓， 加至圖2 中兩片AD603 的1 腳，從而對增益進行控制，實現(xiàn)方便直觀。
4.5 直流穩(wěn)壓電源
電源采用橋式全波整流、濾波及三端穩(wěn)壓， 可輸出±15 V、±12 V、±9 V、±5 V 的芯片供電電壓。交流輸入采用18 V 隔離變壓器， 因此整流二極管選用IN5408 ， 其耐壓耐流完全符合要求。整流濾波為π 型濾波， 濾波效果良好，三端穩(wěn)壓由CM7815 、CM7915 、CM7812 、CM7912 、CM7809 、CM7909 、CM7805 、CM7905 實現(xiàn)。
4.6 抗擾措施
系統(tǒng)總的增益為60 dB， 因此利用有效的抗干擾措施才能避免自激和減少噪聲， 為此采用了如下方式：
(1) 所有信號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。
(2) 使用同軸電纜。輸入級和輸出級使用BNC 接頭， 輸入級和功率級之間用同軸電纜連接。
(3) 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， 還在DAC TLV5620 后級加入光電耦合器進行隔離，進而成功消除了數(shù)字信號對模擬信號的干擾。
5 軟件設計：
本系統(tǒng)設計軟件時， 采用C8051F020 ， 完成增益預置及顯示功能， 其程序流程如圖5 所示。
圖5 軟件流程圖
整個設計包括模擬和數(shù)字兩大部分， 采用集成電路與分立元器件結合的方案， 集中了各自優(yōu)勢，起到了設計簡單、性能優(yōu)良、實現(xiàn)容易的效果。該設計實現(xiàn)了最大電壓增益AV≥60 dB， 輸入電壓有效值Vi≤10 mV， 且AV 手動連續(xù)可調(diào)，3 dB 通頻帶為0～10 MHz ， 帶寬性能良好、制作成本低、電源效率高， 具有一定的應用價值。