2013射频宽带放大器设计报告

射频宽带放大器

摘 要：本系统采用宽带电压反馈运放OPA690、压控增益放大器VCA810以及宽带电流反馈放大器THS3001结合的方式，实现了增益可调的射频宽带放大器。系统主要由四个模块构成：前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。压控增益放大电路以VCA810为核心，实现60dB的可调节范围；使用THS3001等运放进行电压放大使最大有效值达到1V；整个电路波形稳定、无明显失真，噪声电压小,通频带内增益平坦，较好得完成了基本部分和发挥部分的要求。

关键词：射频放大、宽带放大、压控增益、单片机控制

Abstract

Adopting a combination of wideband voltage-feedback amplifier OPA690, voltage-controlled gain amplifier-VCA810, wideband current-feedback amplifier THS3001, the system can achieve a RF（RF-Radio frequency）broadband amplifier with adjustable gain. The system is consisted of four blocks: pre-amplifier circuit, voltage-controlled gain amplifier circuit, the latter amplifier circuit, MCU display control module. With a core of VCA810, the VGA circuit can achieve 60dB of gain adjustment range. Applying THS3001 etc. amplifier gains 1V of maximum effective value. The whole system has a feature of stable distortionless waveform, low noise and high

gainflatness complete the design tasks, both the basic part and extended part.

Keywords: Radio frequency amplification、bandwidth amplification、voltage controlled gain、single chip microcomputer control

目录

一、系统方案…………………………………………………………………………………………………............4

1.1方案比较与选择…………………………………………………………………………………………........4

1.1.1前置放大电路………………………………………………………………………………………….........4

1.1.2 压控增益放大电路…………………………………………………………………………………........4

1.1.3 后级放大电路…………………………………………………………………………………………........4

1.2方案描述…………………………………………………………………………………………………….........5

二、理论分析与计算………………………………………………………………………………………...........6

2.1 宽带放大器设计………………………………………………………………………………………........6

2.2 频带内增益起伏控制………………………………………………………………………………………..6

2.3 射频放大器稳定性……………………………………………………………………………………………6

2.4增益调整…………………………………………………………………………………………………………….6

三、电路与程序设计…………………………………………………………………………………………………7

3.1电路设计…………………………………………………………………………………………………………….7

3.1.1前置放大电路与电路原理图…………………………………………………………………………..7

3.1.2压控增益放大电路与电路原理图…………………………………………………………………..7

3.1.3 后级放大电路与电路原理图……………………………………………………………………… ...8

3.2程序的设计…………………………………………………………………………………………………………9

四、测试方案与测试结果…………………………………………………………………………………… .10

4.1测试仪器…………………………………………………………………………………………………………..10

4.2 测试方法及数据……………………………………………………………………………………………..10

4.3 测试结果及析……………………………………………………………………………………..………….11

五、总结………………………………………………………………………………………………………………....12 附录1：元器件表……………………………………………………………………………………………………12

附录2：幅频特性显示与波形显示............................................................................12 附录3：总电路图……………………………………………………………………………………………………15 附录4：源程序 …………………………………………………………………………………………………….15

一、系统方案

1.方案比较与选择

（1）前置放大电路

方案一：选用分立元件搭建电路，可以输出较大电压，但需采用多级高频电路，电路比较复杂，工作点难于调整，容易产生自激振荡，难以保证带宽，故不选用此方案。

方案二：使用多级放大器实现放大，采用同相输入形式，多级放大电路的对数增益等于其各级对数增益的对数和。此方案原理简单，易于调试，能够满足题目中输入阻抗和线性度的要求，故选取此方案。

综上所述，选择方案二。

（2）压控增益放大电路

方案一：采用可编程放大器思想，通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，大大提高测量精度，但由于难以满足高频率的指标，控制的数字量和电压增益不成线性关系，故不采用此方案。

方案二：采用程控电位器作为反馈电阻，由于电压增益的调节范围较大，需要电阻值的调节量很大，增加了电路的复杂程度，易影响分布的电容，造成电路的不稳定，故放弃此方案。

方案三：选用集成压控放大器作为增益控制，其增益与控制电压成线性关系，通过单片机输出数字信号到D/A芯片转换出相应的控制电压，实现精确的数控，且外围电路简单，便于调试，故选用此方案。

综上所述，选择方案三。

（3）后级放大电路

方案一：采用晶体管单端推挽放大电路，通过多级深度负反馈扩展通频带，级联可用直接耦合方式，但直接耦合的多级放大电路调试繁琐，电路不够稳定，且对电源电压的要求较高，所以放弃此方案。

方案二：选用多级运放实现放大，可以输出较高电压，但由于要与前置放大电路和压控增益放大电路级联，本身也要级联，带宽缩减，波形容易失真并产生自激振荡，所以放弃此方案。

方案三：选取单片集成宽带运算放大器。避免了本身级联使得带宽缩减，波形不易失真，且该方案电路较简单,容易调试,故采用本方案。

综上所述，选择方案三。

2.方案描述

系统框图如下图1所示，系统主要由四个模块构成：前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。前级放大电路增益为20dB,由两级OPA690 组成，保证输入阻抗匹配。放大后的信号通过VCA810再次进行放大，其中由单片机对VCA810输入-2～0V的控制电压以涵盖0～20dB 的增益调节范围。在压控增益放大电路再接一级后级放大电路，设置后级放大电路的增益为20dB，整个电路就能实现0～60dB的增益调节。

图1 系统框图

二、理论分析与计算

1.宽带放大器设计

本系统的宽带放大器主要体现在前置放大电路与后级放大电路，分别采用OPA690和THS3001两种运放。OPA690是宽频带、低温漂运放；THS3001是电流反馈运放，其带宽达到420MHz，两者对单位增益稳定都有很大作用。增益带宽积一定，为了扩展通频带，两个电路的放大倍数均设置为20dB，加上中间压控增益电路的可调节增益范围-40～40dB，则整个电路的增益调节范围达到80dB。

2.频带内增益起伏控制

随着频率的增高，放大器的增益会随之下降，通过补偿电容即在电阻两端并联电容（如下图2所示），当频率增高时，阻抗减小，电路的放大倍数增加，从而实现相位补偿和增益补偿，使信号在通频带内的增益更加平坦，并调整反馈电阻，将放大器的增益在通频带内的起伏降至最低。

图2 电容补偿图

3.射频放大器稳定性

由于本系统放大倍数非常大，芯片的增益带宽积越大越容易引起自激振荡，所以在运放的连接中，反馈电阻尽量靠近输入引脚，接地端并联旁路电容，级联采用阻容耦合，布线要短且尽量减少弯折。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，缩短地线回路，吸收高频信号减少噪声，增加电路的稳定性。

4.增益调整

增益控制部分以VCA810为核心，其通频带为25MHz，增益调节范围为-40～40dB，输入控制电压为0～-2V,增益控制精确到±1.5 dB。题目要求电压的最大增益要大于等于 60dB，且在0～60dB内可调,而中间级采用的压控增益放大器 VCA810对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。前置放大电路增益设置为 20dB，则前置放大电路和VCA810级联可实现

-20～60dB 的增益调节范围。由于输入电压有效值小于等于1mV，为了提高 VCA810 的输入电压和进一步提高系统最高增益，VCA810下一级增加增益为20dB 的后级放大电路，则系统增益调节范围为 0～80dB。

三、电路与程序设计

1.电路设计

（1）前置放大电路

电路如下图3所示。设置前置放大电路，采用宽频带、低漂移运放OPA690，在±5V双电源供电下，组成二级级联的同相宽带放大器。在其同相输入端并联 51Ω电阻到地，实现阻抗匹配。反馈电阻经过多次调试确定分别为560Ω和800Ω，反相输入端阻抗则由电阻与电容构成，频率增加，阻抗减小，而第一级同相电路的增益Av1为Av1=1+R4/Z1（Z1为R1、R2、C1构成的阻抗），从式中很容易看出增益也随之增大。两级之间采用一样的电路网络，第二级的增益Av2为Av2=1+R8/Z2(Z2为R5、R6、C4构成的阻抗)，则整个前级放大电路的增益为Av=Av1*Av2，实现20dB以上的放大。

图3 前置放大电路

（2）压控增益放大电路

电路如下图4所示，系统压控增益放大电路以VCA810为核心，其带宽达到35MHz，增益-40dB至+40dB连续可调，最高的增益线性度为±0.3dB/V。采用单

片机程控DA转换输出电压，来控制VCA810的电压增益，同时可手动按键更改电压增益。结合前级放大电路的增益20dB，整个电路则实现0～20dB连续可调。

图4 压控增益放大电路

（3）后级放大电路

电路如下图5所示，与前置放大电路相似，采用宽带电流反馈放大器THS3001在±5V双电源供电下，构成同相宽带放大器，为了与输出阻抗匹配，在输出端串联一个50Ω的电阻。反馈电阻接入1.8kΩ，该放大电路的增益Av3=1+R16/Z3（Z3为R14、R15、C9构成的阻抗），实现20dB以上的增益。

图5 后级放大电路

2.程序设计

由于本环节中单片机只需具备控制增益和液晶显示的功能，所以软件设计比较简单。启动单片机后进入增益控制及显示界面，可以通过按键调节增益，步进0.4dB，并将控制电压和增益显示在液晶屏上。如下图6为软件流程图。

图6 软件流程图

四、测试方案与测试结果

1.测试仪器

（1）VC9802A+型数字式万用表

（2）RS-1303DQ电源

（3）GDS-815C数字存储示波器

（4）EE1461 DDS合成信号发生器

(5)SP3060型数字合成扫频仪

2.测试方法及数据

（1）放大器最大增益与最小信号

输入端加1MHz正弦波，调节电压和增益测得波形不失真最大输出电压有效值。 输入有效值:1mV

预置增益:60dB

输出有效值:1V

（2）放大器输入阻抗与输出阻抗

电路设计的输入阻抗为50Ω，测得输出阻抗为50Ω。

（3）输出端噪声

在Av≥60dB时，将输出端短接，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp为90mV，达到UoNpp≤100mV的要求。

（4）幅频特性测试

放大器宽带预置100MHz显示，最大起伏为0.98dB。测试数据如下表1，测试的采样波形图及幅频特性见附录2。

表1 通频带为100MHz的幅频特性

3.测试结果分析

（1）放大器的最大增益大于60dB，输入电压的有效值小于1mV，最大的输出有效值大于等于1V且增益在0～60dB连续可调，波形也无明显失真，达到题目的指标要求。

（2）电路设计的输入阻抗等于50Ω，输出阻抗等于50Ω，满足题目的指标要求。 （3）在增益大于60dB的前提下，噪声电压小于100mV，满足题目对噪声的指标要求。在测试噪声电压时，由于测试环境中有大量的电子设备，干扰较大，屏蔽盒不够完善，如果对整个电路加强屏蔽，噪声电压会更小。

（4）由表1知，通频带内的电压增益起伏小于1dB，3dB的带宽也满足题目所要的范围，达到题目的指标要求。由于示波器本身的仪器误差，使得读出的数据与理想的数据有些微出入，如果使用更为精密的仪器，读出的数据将更为准确。 （5）单片机显示控制了电压的增益，自制屏蔽罩大幅度减少了噪音，符合题目中发挥部分的其他。

五、总结

本设计圆满地完成了基本部分的要求，较好地完成了题目发挥部分的要求，

但仍存在一定的发展空间。例如由于最后一级电路放大高频特性的限制，如果继续改善补偿电路，可使通频带内的增益起伏降低至0.5dB内；另外，若将电路板做成PCB板，合理的布局以及采用大面积覆铜等措施，可以使噪声电压降到更低，进一步提系统的性能。

附录： 1.元器件表

射频宽带放大器元器件清单 元件名称 规格 数量 备注 运算放大器 OPA690 2 VCA810 1 THS3001 1 可调电阻 10k 1 电路板 2

2.幅频特性显示与波形显示

图7 0dB幅频特性

图8 10dB 幅频特性显示

图9 20dB幅频特性显示

图10 1MHz达到的峰峰值波形图

图11 20MHz不失真波形图

3.总电路图

4源程序

#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

#define PCF8591 0x90 //PCF8591 地址 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

typedef unsigned char BYTE; //用BYTE代替unsigned char typedef bit BOOL; // 用BOOL代替bit BOOL lcd_bz();

sbit LCD_RS = P2^6; //复位端 sbit LCD_RW = P2^5; //写数据端 sbit LCD_EP = P2^7; //使能端

sbit K1=P1^0; sbit K2=P1^1;

sbit SCL=P2^1; //串行时钟输入端 sbit SDA=P2^0;

//串行数据输入端

void delay1(int ms);

void lcd_wcmd(int cmd); void lcd_pos(BYTE pos); void lcd_wdat(BYTE dat); void lcd_init();

unsigned char code cdis1[] = {"VOLTAGE: V"}; unsigned char code cdis2[] = {"GAIN: dB"}; unsigned char data display1[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; unsigned char data display2[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0XFF};

/****************延时函数************************/ void delay1(int ms) { int i;

while(ms--)

{

for(i = 0; i

_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } }

}

/****************测忙函数************************/

BOOL lcd_bz()

{ BOOL result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();

result = (BOOL)(P0 & 0x80); LCD_EP = 0; return result;

}

/****************写命令函数************************/ void lcd_wcmd_8bit(int cmd) { while(lcd_bz()); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0; }

/****************LCD写入命令函数********************/ void lcd_wcmd(int cmd) { while(lcd_bz()); LCD_RS = 0;

LCD_RW = 0;

LCD_EP = 0; _nop_(); _nop_();

P0 = cmd; //高4位传入 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0;

P0 = (cmd&0x0f)

}

/****************显示位置设定函数******************/

void lcd_pos(BYTE pos) { lcd_wcmd(pos | 0x80);

}

/****************写数据函数************************/

void lcd_wdat(BYTE dat) { while(lcd_bz()); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0;

P0 = dat ; //高四位传入 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0;

LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

P0 = (dat&0x0f)

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

LCD_EP = 1;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

LCD_EP = 0;

}

/****************LCD初始化函数********************/ void lcd_init()

{

lcd_wcmd_8bit(0x38); delay1(1);

lcd_wcmd_8bit(0x38); delay1(1);

lcd_wcmd_8bit(0x28);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x28);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x0c);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x02);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x01);

delay1(1);

}

/****************DA变换延时函数********************/ void delay()

{;;}

/****************延时z ms函数**********************/ void delay_1ms(uint z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

/****************IIC开始函数***********************/ void start()

{

SDA=1;

delay();

SCL=1;

delay();

SDA=0;

delay();

}

/****************IIC停止函数***********************/ void stop()

{

SDA=0;

delay();

SCL=1;

delay();

SDA=1;

delay();

}

/****************IIC应答函数***********************/ void respons()

{

uchar i;

SCL=1;

delay();

while((SDA==1)&&(i

i++;

SCL=0;

delay();

}

/****************IIC初始化函数*********************/ void init()

{

SDA=1;

delay();

SCL=1;

delay();

}

/****************写入一字节函数********************/ void write_byte(uchar date)

{

uchar i,temp;

temp=date;

for(i=0;i

{

temp=temp

SCL=0;

delay();

SDA=CY;

delay();

SCL=1;

delay();

}

SCL=0;

delay();

SDA=1;

delay();

}

/*****************写数据函数***********************/ void write_add(uchar control,uchar date)

{

start();

write_byte(PCF8591);

respons();

write_byte(control);

respons();

write_byte(date);

respons();

stop();

}

/*************电压及放大倍数显示函数***************/ void play(unsigned int b)

{

unsigned char n ;

unsigned int gain ,voltage;

voltage=b*2;

gain=b*4;

for (n = 0; n

{

display1[n] = voltage % 10+0x30;

voltage = voltage / 10;

}

display1[3]=display1[2];

display1[2]=0x2e;

display1[4]=0x2d;

for (n = 0; n

{

display2[n] = gain % 10+0x30;

gain = gain / 10;

}

display2[4]=display2[3];

display2[3]=display2[2];

display2[2]=0x2e;

lcd_pos(0x09);

for (n = 4; n != 0xff; n--)

lcd_wdat(display1[n]);

lcd_pos(0x47);

for (n = 4; n != 0xff; n--)

lcd_wdat(display2[n]);

}

/*********************按键K1***********************/ char Pressed1(void)

{

while(P1==0XFE);

delay_1ms(60);

if (P1!=0XFE)

return 1;

else

return 0;

}

/*********************按键K2***********************/

char Pressed2(void)

{

while(P1==0XFD);

delay_1ms(60);

if (P1!=0XFD)

return 1;

else

return 0;

}

/*********************总程序***********************/ void main()

{

unsigned char m;

uchar a=50;

init();

lcd_init();

lcd_pos(0x00);

for (m = 0; m

lcd_wdat(cdis1[m]);

lcd_pos(0x40);

for (m = 0; m

lcd_wdat(cdis2[m]);

while(1)

{

write_add(0x40,a);

delay_1ms(5);

if(Pressed1()) a++;

if(Pressed2()) a--;

if(a>100)a=100; if(a

}

射频宽带放大器

摘 要：本系统采用宽带电压反馈运放OPA690、压控增益放大器VCA810以及宽带电流反馈放大器THS3001结合的方式，实现了增益可调的射频宽带放大器。系统主要由四个模块构成：前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。压控增益放大电路以VCA810为核心，实现60dB的可调节范围；使用THS3001等运放进行电压放大使最大有效值达到1V；整个电路波形稳定、无明显失真，噪声电压小,通频带内增益平坦，较好得完成了基本部分和发挥部分的要求。

关键词：射频放大、宽带放大、压控增益、单片机控制

Abstract

Adopting a combination of wideband voltage-feedback amplifier OPA690, voltage-controlled gain amplifier-VCA810, wideband current-feedback amplifier THS3001, the system can achieve a RF（RF-Radio frequency）broadband amplifier with adjustable gain. The system is consisted of four blocks: pre-amplifier circuit, voltage-controlled gain amplifier circuit, the latter amplifier circuit, MCU display control module. With a core of VCA810, the VGA circuit can achieve 60dB of gain adjustment range. Applying THS3001 etc. amplifier gains 1V of maximum effective value. The whole system has a feature of stable distortionless waveform, low noise and high

gainflatness complete the design tasks, both the basic part and extended part.

Keywords: Radio frequency amplification、bandwidth amplification、voltage controlled gain、single chip microcomputer control

目录

一、系统方案…………………………………………………………………………………………………............4

1.1方案比较与选择…………………………………………………………………………………………........4

1.1.1前置放大电路………………………………………………………………………………………….........4

1.1.2 压控增益放大电路…………………………………………………………………………………........4

1.1.3 后级放大电路…………………………………………………………………………………………........4

1.2方案描述…………………………………………………………………………………………………….........5

二、理论分析与计算………………………………………………………………………………………...........6

2.1 宽带放大器设计………………………………………………………………………………………........6

2.2 频带内增益起伏控制………………………………………………………………………………………..6

2.3 射频放大器稳定性……………………………………………………………………………………………6

2.4增益调整…………………………………………………………………………………………………………….6

三、电路与程序设计…………………………………………………………………………………………………7

3.1电路设计…………………………………………………………………………………………………………….7

3.1.1前置放大电路与电路原理图…………………………………………………………………………..7

3.1.2压控增益放大电路与电路原理图…………………………………………………………………..7

3.1.3 后级放大电路与电路原理图……………………………………………………………………… ...8

3.2程序的设计…………………………………………………………………………………………………………9

四、测试方案与测试结果…………………………………………………………………………………… .10

4.1测试仪器…………………………………………………………………………………………………………..10

4.2 测试方法及数据……………………………………………………………………………………………..10

4.3 测试结果及析……………………………………………………………………………………..………….11

五、总结………………………………………………………………………………………………………………....12 附录1：元器件表……………………………………………………………………………………………………12

附录2：幅频特性显示与波形显示............................................................................12 附录3：总电路图……………………………………………………………………………………………………15 附录4：源程序 …………………………………………………………………………………………………….15

一、系统方案

1.方案比较与选择

（1）前置放大电路

方案一：选用分立元件搭建电路，可以输出较大电压，但需采用多级高频电路，电路比较复杂，工作点难于调整，容易产生自激振荡，难以保证带宽，故不选用此方案。

方案二：使用多级放大器实现放大，采用同相输入形式，多级放大电路的对数增益等于其各级对数增益的对数和。此方案原理简单，易于调试，能够满足题目中输入阻抗和线性度的要求，故选取此方案。

综上所述，选择方案二。

（2）压控增益放大电路

方案一：采用可编程放大器思想，通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，大大提高测量精度，但由于难以满足高频率的指标，控制的数字量和电压增益不成线性关系，故不采用此方案。

方案二：采用程控电位器作为反馈电阻，由于电压增益的调节范围较大，需要电阻值的调节量很大，增加了电路的复杂程度，易影响分布的电容，造成电路的不稳定，故放弃此方案。

方案三：选用集成压控放大器作为增益控制，其增益与控制电压成线性关系，通过单片机输出数字信号到D/A芯片转换出相应的控制电压，实现精确的数控，且外围电路简单，便于调试，故选用此方案。

综上所述，选择方案三。

（3）后级放大电路

方案一：采用晶体管单端推挽放大电路，通过多级深度负反馈扩展通频带，级联可用直接耦合方式，但直接耦合的多级放大电路调试繁琐，电路不够稳定，且对电源电压的要求较高，所以放弃此方案。

方案二：选用多级运放实现放大，可以输出较高电压，但由于要与前置放大电路和压控增益放大电路级联，本身也要级联，带宽缩减，波形容易失真并产生自激振荡，所以放弃此方案。

方案三：选取单片集成宽带运算放大器。避免了本身级联使得带宽缩减，波形不易失真，且该方案电路较简单,容易调试,故采用本方案。

综上所述，选择方案三。

2.方案描述

系统框图如下图1所示，系统主要由四个模块构成：前置放大电路、压控增益放大电路、后级放大电路、单片机显示控制模块。前级放大电路增益为20dB,由两级OPA690 组成，保证输入阻抗匹配。放大后的信号通过VCA810再次进行放大，其中由单片机对VCA810输入-2～0V的控制电压以涵盖0～20dB 的增益调节范围。在压控增益放大电路再接一级后级放大电路，设置后级放大电路的增益为20dB，整个电路就能实现0～60dB的增益调节。

图1 系统框图

二、理论分析与计算

1.宽带放大器设计

本系统的宽带放大器主要体现在前置放大电路与后级放大电路，分别采用OPA690和THS3001两种运放。OPA690是宽频带、低温漂运放；THS3001是电流反馈运放，其带宽达到420MHz，两者对单位增益稳定都有很大作用。增益带宽积一定，为了扩展通频带，两个电路的放大倍数均设置为20dB，加上中间压控增益电路的可调节增益范围-40～40dB，则整个电路的增益调节范围达到80dB。

2.频带内增益起伏控制

随着频率的增高，放大器的增益会随之下降，通过补偿电容即在电阻两端并联电容（如下图2所示），当频率增高时，阻抗减小，电路的放大倍数增加，从而实现相位补偿和增益补偿，使信号在通频带内的增益更加平坦，并调整反馈电阻，将放大器的增益在通频带内的起伏降至最低。

图2 电容补偿图

3.射频放大器稳定性

由于本系统放大倍数非常大，芯片的增益带宽积越大越容易引起自激振荡，所以在运放的连接中，反馈电阻尽量靠近输入引脚，接地端并联旁路电容，级联采用阻容耦合，布线要短且尽量减少弯折。在输入级，将整个运放用较粗的地线包围，缩短地线回路，吸收高频信号减少噪声，增加电路的稳定性。

4.增益调整

增益控制部分以VCA810为核心，其通频带为25MHz，增益调节范围为-40～40dB，输入控制电压为0～-2V,增益控制精确到±1.5 dB。题目要求电压的最大增益要大于等于 60dB，且在0～60dB内可调,而中间级采用的压控增益放大器 VCA810对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。前置放大电路增益设置为 20dB，则前置放大电路和VCA810级联可实现

-20～60dB 的增益调节范围。由于输入电压有效值小于等于1mV，为了提高 VCA810 的输入电压和进一步提高系统最高增益，VCA810下一级增加增益为20dB 的后级放大电路，则系统增益调节范围为 0～80dB。

三、电路与程序设计

1.电路设计

（1）前置放大电路

电路如下图3所示。设置前置放大电路，采用宽频带、低漂移运放OPA690，在±5V双电源供电下，组成二级级联的同相宽带放大器。在其同相输入端并联 51Ω电阻到地，实现阻抗匹配。反馈电阻经过多次调试确定分别为560Ω和800Ω，反相输入端阻抗则由电阻与电容构成，频率增加，阻抗减小，而第一级同相电路的增益Av1为Av1=1+R4/Z1（Z1为R1、R2、C1构成的阻抗），从式中很容易看出增益也随之增大。两级之间采用一样的电路网络，第二级的增益Av2为Av2=1+R8/Z2(Z2为R5、R6、C4构成的阻抗)，则整个前级放大电路的增益为Av=Av1*Av2，实现20dB以上的放大。

图3 前置放大电路

（2）压控增益放大电路

电路如下图4所示，系统压控增益放大电路以VCA810为核心，其带宽达到35MHz，增益-40dB至+40dB连续可调，最高的增益线性度为±0.3dB/V。采用单

片机程控DA转换输出电压，来控制VCA810的电压增益，同时可手动按键更改电压增益。结合前级放大电路的增益20dB，整个电路则实现0～20dB连续可调。

图4 压控增益放大电路

（3）后级放大电路

电路如下图5所示，与前置放大电路相似，采用宽带电流反馈放大器THS3001在±5V双电源供电下，构成同相宽带放大器，为了与输出阻抗匹配，在输出端串联一个50Ω的电阻。反馈电阻接入1.8kΩ，该放大电路的增益Av3=1+R16/Z3（Z3为R14、R15、C9构成的阻抗），实现20dB以上的增益。

图5 后级放大电路

2.程序设计

由于本环节中单片机只需具备控制增益和液晶显示的功能，所以软件设计比较简单。启动单片机后进入增益控制及显示界面，可以通过按键调节增益，步进0.4dB，并将控制电压和增益显示在液晶屏上。如下图6为软件流程图。

图6 软件流程图

四、测试方案与测试结果

1.测试仪器

（1）VC9802A+型数字式万用表

（2）RS-1303DQ电源

（3）GDS-815C数字存储示波器

（4）EE1461 DDS合成信号发生器

(5)SP3060型数字合成扫频仪

2.测试方法及数据

（1）放大器最大增益与最小信号

输入端加1MHz正弦波，调节电压和增益测得波形不失真最大输出电压有效值。 输入有效值:1mV

预置增益:60dB

输出有效值:1V

（2）放大器输入阻抗与输出阻抗

电路设计的输入阻抗为50Ω，测得输出阻抗为50Ω。

（3）输出端噪声

在Av≥60dB时，将输出端短接，输出端噪声电压的峰峰值UoNpp为90mV，达到UoNpp≤100mV的要求。

（4）幅频特性测试

放大器宽带预置100MHz显示，最大起伏为0.98dB。测试数据如下表1，测试的采样波形图及幅频特性见附录2。

表1 通频带为100MHz的幅频特性

3.测试结果分析

（1）放大器的最大增益大于60dB，输入电压的有效值小于1mV，最大的输出有效值大于等于1V且增益在0～60dB连续可调，波形也无明显失真，达到题目的指标要求。

（2）电路设计的输入阻抗等于50Ω，输出阻抗等于50Ω，满足题目的指标要求。 （3）在增益大于60dB的前提下，噪声电压小于100mV，满足题目对噪声的指标要求。在测试噪声电压时，由于测试环境中有大量的电子设备，干扰较大，屏蔽盒不够完善，如果对整个电路加强屏蔽，噪声电压会更小。

（4）由表1知，通频带内的电压增益起伏小于1dB，3dB的带宽也满足题目所要的范围，达到题目的指标要求。由于示波器本身的仪器误差，使得读出的数据与理想的数据有些微出入，如果使用更为精密的仪器，读出的数据将更为准确。 （5）单片机显示控制了电压的增益，自制屏蔽罩大幅度减少了噪音，符合题目中发挥部分的其他。

五、总结

本设计圆满地完成了基本部分的要求，较好地完成了题目发挥部分的要求，

但仍存在一定的发展空间。例如由于最后一级电路放大高频特性的限制，如果继续改善补偿电路，可使通频带内的增益起伏降低至0.5dB内；另外，若将电路板做成PCB板，合理的布局以及采用大面积覆铜等措施，可以使噪声电压降到更低，进一步提系统的性能。

附录： 1.元器件表

射频宽带放大器元器件清单 元件名称 规格 数量 备注 运算放大器 OPA690 2 VCA810 1 THS3001 1 可调电阻 10k 1 电路板 2

2.幅频特性显示与波形显示

图7 0dB幅频特性

图8 10dB 幅频特性显示

图9 20dB幅频特性显示

图10 1MHz达到的峰峰值波形图

图11 20MHz不失真波形图

3.总电路图

4源程序

#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

#define PCF8591 0x90 //PCF8591 地址 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

typedef unsigned char BYTE; //用BYTE代替unsigned char typedef bit BOOL; // 用BOOL代替bit BOOL lcd_bz();

sbit LCD_RS = P2^6; //复位端 sbit LCD_RW = P2^5; //写数据端 sbit LCD_EP = P2^7; //使能端

sbit K1=P1^0; sbit K2=P1^1;

sbit SCL=P2^1; //串行时钟输入端 sbit SDA=P2^0;

//串行数据输入端

void delay1(int ms);

void lcd_wcmd(int cmd); void lcd_pos(BYTE pos); void lcd_wdat(BYTE dat); void lcd_init();

unsigned char code cdis1[] = {"VOLTAGE: V"}; unsigned char code cdis2[] = {"GAIN: dB"}; unsigned char data display1[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00}; unsigned char data display2[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0XFF};

/****************延时函数************************/ void delay1(int ms) { int i;

while(ms--)

{

for(i = 0; i

_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); } }

}

/****************测忙函数************************/

BOOL lcd_bz()

{ BOOL result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();

result = (BOOL)(P0 & 0x80); LCD_EP = 0; return result;

}

/****************写命令函数************************/ void lcd_wcmd_8bit(int cmd) { while(lcd_bz()); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0; }

/****************LCD写入命令函数********************/ void lcd_wcmd(int cmd) { while(lcd_bz()); LCD_RS = 0;

LCD_RW = 0;

LCD_EP = 0; _nop_(); _nop_();

P0 = cmd; //高4位传入 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0;

P0 = (cmd&0x0f)

}

/****************显示位置设定函数******************/

void lcd_pos(BYTE pos) { lcd_wcmd(pos | 0x80);

}

/****************写数据函数************************/

void lcd_wdat(BYTE dat) { while(lcd_bz()); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0;

P0 = dat ; //高四位传入 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LCD_EP = 0;

LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EP = 0;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

P0 = (dat&0x0f)

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

LCD_EP = 1;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

LCD_EP = 0;

}

/****************LCD初始化函数********************/ void lcd_init()

{

lcd_wcmd_8bit(0x38); delay1(1);

lcd_wcmd_8bit(0x38); delay1(1);

lcd_wcmd_8bit(0x28);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x28);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x0c);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x02);

delay1(1);

lcd_wcmd(0x01);

delay1(1);

}

/****************DA变换延时函数********************/ void delay()

{;;}

/****************延时z ms函数**********************/ void delay_1ms(uint z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

/****************IIC开始函数***********************/ void start()

{

SDA=1;

delay();

SCL=1;

delay();

SDA=0;

delay();

}

/****************IIC停止函数***********************/ void stop()

{

SDA=0;

delay();

SCL=1;

delay();

SDA=1;

delay();

}

/****************IIC应答函数***********************/ void respons()

{

uchar i;

SCL=1;

delay();

while((SDA==1)&&(i

i++;

SCL=0;

delay();

}

/****************IIC初始化函数*********************/ void init()

{

SDA=1;

delay();

SCL=1;

delay();

}

/****************写入一字节函数********************/ void write_byte(uchar date)

{

uchar i,temp;

temp=date;

for(i=0;i

{

temp=temp

SCL=0;

delay();

SDA=CY;

delay();

SCL=1;

delay();

}

SCL=0;

delay();

SDA=1;

delay();

}

/*****************写数据函数***********************/ void write_add(uchar control,uchar date)

{

start();

write_byte(PCF8591);

respons();

write_byte(control);

respons();

write_byte(date);

respons();

stop();

}

/*************电压及放大倍数显示函数***************/ void play(unsigned int b)

{

unsigned char n ;

unsigned int gain ,voltage;

voltage=b*2;

gain=b*4;

for (n = 0; n

{

display1[n] = voltage % 10+0x30;

voltage = voltage / 10;

}

display1[3]=display1[2];

display1[2]=0x2e;

display1[4]=0x2d;

for (n = 0; n

{

display2[n] = gain % 10+0x30;

gain = gain / 10;

}

display2[4]=display2[3];

display2[3]=display2[2];

display2[2]=0x2e;

lcd_pos(0x09);

for (n = 4; n != 0xff; n--)

lcd_wdat(display1[n]);

lcd_pos(0x47);

for (n = 4; n != 0xff; n--)

lcd_wdat(display2[n]);

}

/*********************按键K1***********************/ char Pressed1(void)

{

while(P1==0XFE);

delay_1ms(60);

if (P1!=0XFE)

return 1;

else

return 0;

}

/*********************按键K2***********************/

char Pressed2(void)

{

while(P1==0XFD);

delay_1ms(60);

if (P1!=0XFD)

return 1;

else

return 0;

}

/*********************总程序***********************/ void main()

{

unsigned char m;

uchar a=50;

init();

lcd_init();

lcd_pos(0x00);

for (m = 0; m

lcd_wdat(cdis1[m]);

lcd_pos(0x40);

for (m = 0; m

lcd_wdat(cdis2[m]);

while(1)

{

write_add(0x40,a);

delay_1ms(5);

if(Pressed1()) a++;

if(Pressed2()) a--;

if(a>100)a=100; if(a

}


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