增益可控射频放大器
一、系统方案
1、方案分析与比较
方案1：以高增益精度的压控VGA芯片AD603作为核心放大器，但频率再高时，效果很不理想，并且在级联时，很容易产生自激现象。
方案2:采用宽带可变增益FET放大电路，其缺点是增益步进控制难以实现，高频时频率的稳定性不好，在75MHz~108MHZ增益起伏较大，不能满足要求。
方案3：采用射频放大器AD8321+衰减器HMC472+放大器AD809的形式。第一级为AD8321三级级联，使增益倍数达到52dB。考虑到输入信号为高频信号，随着频率增加，幅度衰减增大，所以第二级加上可设置分贝衰减器，衰减器随着频率升高衰减效果明显，通过这样的方式使输出幅度稳定。但考虑实际拟合后，增益会稍微下降，最后通过第三级放大器将增益值稳定至输入增益。AD8321是一款低成本、数字控制式可变增益放大器，所需输出增益由8比特串行字决定，方便STM32程控，输出增益范围为-27.4dB~26dB，增益变化为0.75 dB/LSB。具有极低输出噪声电平，上行带宽高达235 MHz(最小增益)，符合题目200MHz要求。
综上考虑，AD8321具有频带宽、噪声低、增益可编程，易于与STM32进行串行通信等优点，选用方案3。
2、系统整体设计
根据题目要求，本系统主要由：键盘控制，液晶显示、语音播报模块，三级AD8321级联，衰减器，第二级放大模块，滤波器电路，电压转换电路组成。总体设计框图如图一所示：
二、理论分析与计算 1、射频放大器设计 按照本设计要求，带宽为40MHz~200MHz，电压增益为52dB。所以采用AD8321三级级联的方式。8321最大增益为26dB，理论上总增益=26+26+26=78dB，符合设计要求。并且阻抗之间已经匹配，级联时无需额外电阻网络。为了防止高频走线间干扰，采用贴片式电路，原理图是根据器件手册的应用电路来设计。
2、频带内增益起伏控制
造成通频带内增益起伏的原因有很多，包括带内波动、运放幅频响应不平坦及供电电源电压不稳等，为了降低增益波动，在三级放大输出加上衰减器，利用衰减器HMC472随着频率增高衰减效果明显的特性，使频带内增益起伏得到控制。对幅度衰减特性进行补偿，最后再加一级AD809，将增益稳定。
3、射频放大器稳定性
由于本系统的处理对象是高频信号，所以整个系统对噪声的处理要求很高才能保证射频放大器的稳定性。噪声来源包括：电源、外界环境、级间干扰，以及走线间相互干扰等。针对不同的噪声，采用了不同的处理措施：
（1）电源干扰：使用电感、电容构成滤波电路，能有效滤除纹波。在每个运放的电源引脚并联去耦电容。
（2）外界环境干扰，为了防止外界干扰，可以将电源线和地线加宽，并且在制PCB板时加以覆铜；对自动增益级及功率放大级增加屏蔽罩，提高其抗干扰性能。
（3）级间干扰，各级之间，采用了高低频电容来滤除高低频噪声。
（4）走线相互干扰，走线尽量的短，信号线尽量不相交，以免产生高频自激。
（5）电路板要合理布局，防止信号之间的串扰，整个PCB板的底层为地平面，较大的地平面对噪声吸收较好。
（6）将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激。 4、增益控制
系统采用三级AD8312放大器级联，每级增益最大可达26dB，由STM32程控，通过键盘输入总增益值，考虑高频信号的幅度衰减问题，在衰减器后面再加一级AD809放大器，使增益稳定。
三、电路与程序设计 1、各主要模块电路设计 （1）宽带放大器模块
AD8321为高频段放大器，含SPI总线接口，其带宽235MHz，增益可调，其最大增益为26dB。为满足题目52dB的要求，系统采取三级级联的措施，理论上，Gain=26+26+26=78dB。因此，可以实现题目中对增益的要求。由于阻抗已经匹配，无需再加电阻网络，可以直连。为了减少电路走线间干扰，采用贴片式电路，电路原理图如图二所示：
图二
PCB板如图三所示：
图三
（2）衰减器模块
为了调整合适的增益放大倍数，采用HMC472六位数控衰减器，从其4脚输入信号，15脚可获得衰减后的输出信号，可以程控获得0.5dB 、1dB、2dB、4dB、8dB、16dB、31.5dB的增益衰减。该器件具有成本低，电路简单的优点。电路连接如图四所示：
图四
（3）滤波器模块
由于要求-3dB的通频带不窄于
40MHZ~200MHZ
，同时为了使通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，故设计16阶巴特沃斯带通滤波器。由于是高频信号，为了防止走线间相互干扰，我们采用画贴片式PCB板的方法。滤波器的原理图如图五所示：
图五
PCB板如图六所示：
图六
（4）直流稳压电源
由于系统由12V单电源供电，放大器需9V供电，衰减器和STM32需5V供电，但是只有12V转5V和12V转12V的隔值DC—DC转换器，所以采用LM7809将12V电源转化为9V，电路如图七所示：
图七
3、软件设计 根据题目要求，软件部分主要实现键盘的设置、显示和控制增益输出以及语音播报功能
（1）键盘实现功能：设置四个方向键和一个确认键，通过方向键输入增益值。
（2）显示部分：采用OLCD液晶屏，显示增益值。
（3）语音部分：采用PM66语音芯片，播放作品信息及放大增益倍数。 软件流程图如图八所示：
图八
四、测试方案与测试结果
1、测试仪器
高频信号发生器DG4062 示波器MDO4104—3 数字电压表FLUKEE
数控式线性直流稳压电源LPS—305 2、测试方案
（1）增益测试
从信号源输出一个有效值为5mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试系统输出信号的电压有效值，计算放大倍数及增益。
（2）带宽测试 在最高增益状态下，从信号源输出一个有效值为5mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试输出信号幅度的变化，观测幅度降至最大值的0.707倍时的信号频率，记录上限及下限频率，计算带宽值。 3、测试结果
输入有效值为5mV，增益为52dB时，测试输出以及增益表如表一所示
4、测试误差分析
由测试结果可知，随着频率增高，测试误差变大，原因是高频信号在传输过程中，信号幅度会随着频率的增加而衰减，所以增益值有一定影响，而且电源，连接线之间也有一定噪声干扰。
五、结论
本系统是基于AD8321的增益可控射频放大器，可实现60dB最大电压增益，4dB步进调整，输入电压为5mV，输出电压>2V，增益绝对误差不大于2dB，并能显示设定的增益值，波形无明显失真，达到题目的发挥要求。该装置的信号放大通过3片AD8321级联+HMC472衰减器+放大器AD809的形式完成，能通过STM32有效程控输入增益，并且能明显抑制频带内增益起伏，降低高频信号在传输过程中，幅度随着频率升高而衰减的现象。系统稳定性较好，经济美观。
增益可控射频放大器
一、系统方案
1、方案分析与比较
方案1：以高增益精度的压控VGA芯片AD603作为核心放大器，但频率再高时，效果很不理想，并且在级联时，很容易产生自激现象。
方案2:采用宽带可变增益FET放大电路，其缺点是增益步进控制难以实现，高频时频率的稳定性不好，在75MHz~108MHZ增益起伏较大，不能满足要求。
方案3：采用射频放大器AD8321+衰减器HMC472+放大器AD809的形式。第一级为AD8321三级级联，使增益倍数达到52dB。考虑到输入信号为高频信号，随着频率增加，幅度衰减增大，所以第二级加上可设置分贝衰减器，衰减器随着频率升高衰减效果明显，通过这样的方式使输出幅度稳定。但考虑实际拟合后，增益会稍微下降，最后通过第三级放大器将增益值稳定至输入增益。AD8321是一款低成本、数字控制式可变增益放大器，所需输出增益由8比特串行字决定，方便STM32程控，输出增益范围为-27.4dB~26dB，增益变化为0.75 dB/LSB。具有极低输出噪声电平，上行带宽高达235 MHz(最小增益)，符合题目200MHz要求。
综上考虑，AD8321具有频带宽、噪声低、增益可编程，易于与STM32进行串行通信等优点，选用方案3。
2、系统整体设计
根据题目要求，本系统主要由：键盘控制，液晶显示、语音播报模块，三级AD8321级联，衰减器，第二级放大模块，滤波器电路，电压转换电路组成。总体设计框图如图一所示：
二、理论分析与计算 1、射频放大器设计 按照本设计要求，带宽为40MHz~200MHz，电压增益为52dB。所以采用AD8321三级级联的方式。8321最大增益为26dB，理论上总增益=26+26+26=78dB，符合设计要求。并且阻抗之间已经匹配，级联时无需额外电阻网络。为了防止高频走线间干扰，采用贴片式电路，原理图是根据器件手册的应用电路来设计。
2、频带内增益起伏控制
造成通频带内增益起伏的原因有很多，包括带内波动、运放幅频响应不平坦及供电电源电压不稳等，为了降低增益波动，在三级放大输出加上衰减器，利用衰减器HMC472随着频率增高衰减效果明显的特性，使频带内增益起伏得到控制。对幅度衰减特性进行补偿，最后再加一级AD809，将增益稳定。
3、射频放大器稳定性
由于本系统的处理对象是高频信号，所以整个系统对噪声的处理要求很高才能保证射频放大器的稳定性。噪声来源包括：电源、外界环境、级间干扰，以及走线间相互干扰等。针对不同的噪声，采用了不同的处理措施：
（1）电源干扰：使用电感、电容构成滤波电路，能有效滤除纹波。在每个运放的电源引脚并联去耦电容。
（2）外界环境干扰，为了防止外界干扰，可以将电源线和地线加宽，并且在制PCB板时加以覆铜；对自动增益级及功率放大级增加屏蔽罩，提高其抗干扰性能。
（3）级间干扰，各级之间，采用了高低频电容来滤除高低频噪声。
（4）走线相互干扰，走线尽量的短，信号线尽量不相交，以免产生高频自激。
（5）电路板要合理布局，防止信号之间的串扰，整个PCB板的底层为地平面，较大的地平面对噪声吸收较好。
（6）将输入部分和增益控制部分装在屏蔽盒中，避免级间干扰和高频自激。 4、增益控制
系统采用三级AD8312放大器级联，每级增益最大可达26dB，由STM32程控，通过键盘输入总增益值，考虑高频信号的幅度衰减问题，在衰减器后面再加一级AD809放大器，使增益稳定。
三、电路与程序设计 1、各主要模块电路设计 （1）宽带放大器模块
AD8321为高频段放大器，含SPI总线接口，其带宽235MHz，增益可调，其最大增益为26dB。为满足题目52dB的要求，系统采取三级级联的措施，理论上，Gain=26+26+26=78dB。因此，可以实现题目中对增益的要求。由于阻抗已经匹配，无需再加电阻网络，可以直连。为了减少电路走线间干扰，采用贴片式电路，电路原理图如图二所示：
图二
PCB板如图三所示：
图三
（2）衰减器模块
为了调整合适的增益放大倍数，采用HMC472六位数控衰减器，从其4脚输入信号，15脚可获得衰减后的输出信号，可以程控获得0.5dB 、1dB、2dB、4dB、8dB、16dB、31.5dB的增益衰减。该器件具有成本低，电路简单的优点。电路连接如图四所示：
图四
（3）滤波器模块
由于要求-3dB的通频带不窄于
40MHZ~200MHZ
，同时为了使通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，故设计16阶巴特沃斯带通滤波器。由于是高频信号，为了防止走线间相互干扰，我们采用画贴片式PCB板的方法。滤波器的原理图如图五所示：
图五
PCB板如图六所示：
图六
（4）直流稳压电源
由于系统由12V单电源供电，放大器需9V供电，衰减器和STM32需5V供电，但是只有12V转5V和12V转12V的隔值DC—DC转换器，所以采用LM7809将12V电源转化为9V，电路如图七所示：
图七
3、软件设计 根据题目要求，软件部分主要实现键盘的设置、显示和控制增益输出以及语音播报功能
（1）键盘实现功能：设置四个方向键和一个确认键，通过方向键输入增益值。
（2）显示部分：采用OLCD液晶屏，显示增益值。
（3）语音部分：采用PM66语音芯片，播放作品信息及放大增益倍数。 软件流程图如图八所示：
图八
四、测试方案与测试结果
1、测试仪器
高频信号发生器DG4062 示波器MDO4104—3 数字电压表FLUKEE
数控式线性直流稳压电源LPS—305 2、测试方案
（1）增益测试
从信号源输出一个有效值为5mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试系统输出信号的电压有效值，计算放大倍数及增益。
（2）带宽测试 在最高增益状态下，从信号源输出一个有效值为5mV的正弦信号，改变信号频率，用示波器测试输出信号幅度的变化，观测幅度降至最大值的0.707倍时的信号频率，记录上限及下限频率，计算带宽值。 3、测试结果
输入有效值为5mV，增益为52dB时，测试输出以及增益表如表一所示
4、测试误差分析
由测试结果可知，随着频率增高，测试误差变大，原因是高频信号在传输过程中，信号幅度会随着频率的增加而衰减，所以增益值有一定影响，而且电源，连接线之间也有一定噪声干扰。
五、结论
本系统是基于AD8321的增益可控射频放大器，可实现60dB最大电压增益，4dB步进调整，输入电压为5mV，输出电压>2V，增益绝对误差不大于2dB，并能显示设定的增益值，波形无明显失真，达到题目的发挥要求。该装置的信号放大通过3片AD8321级联+HMC472衰减器+放大器AD809的形式完成，能通过STM32有效程控输入增益，并且能明显抑制频带内增益起伏，降低高频信号在传输过程中，幅度随着频率升高而衰减的现象。系统稳定性较好，经济美观。