基于AVR单片机的可预置程控宽带直流功率放大电路设计

基于AVR单片机的可预置程控宽带直流功率放大电路设计

1 系统总体方案

若采用可编程放大的思想，将输入的信号作为高速D/A转换器的基准电压，那么D/A转换器作为一个程控衰减器，对速度的要求很高。同时，为了实现O～60 dB增益可调，势必需要D/A转换器输出衰减最少60 dB以上。假设信号源有效值低于20 mV，衰减后为20 μV，如此小的信号有可能完全被噪声淹没，或大大增加信号调理的难度。

程控放大电路增益为-10～30 dB，3级固定增益放大电路增益分别为10 dB、10 dB和18 dB。当希望放大器的增益为0～35 dB时，信号只通过程控放大、第1级10dB放大及调零电路、带宽滤波电路，而后输出到负载;当希望放大器的增益为36～45 dB时，信号还要再通过第2级10 dB放大电路，而后输出到负载;当希望放大器的增益为46～60 dB时，信号通过程控放大、第1级10 dB及调零电路、滤波电路、第2级10 dB放大电路、第3级18 dB功率放大电路，而后输出到负载。因此，只要实现第1级程控放大电路按步进1 dB连续可调，通过继电器组的切换后，信号分别从3个固定增益级输出后即可实现O～35 dB、36～45 dB、46～60 dB增益分段连续可调，总增益步进调节范围涵盖了O～60 dB。这样分段设计成功解决了单片或多片压控运放控制范围过宽时不易控制且容易振荡的问题，而且降低了信号处理的难度，从而大大缩短了研发时间。

2 系统硬件设计

2.1 程控放大及直流偏置调整电路

普通的宽带放大器一般不包括直流成分，级与级之间通过电容耦合，这样可以有效地避免各级之间静态工作点相互影响。本项目要求放大器放大的信号频率可延伸至直流，由于实际测试发现AD603输出含有与增益无关的直流电压，因此需要在AD603之后设置一级直流偏置调整电路。实际电路如图2所示。电路采用精密运放OPA690构成同相比例放大器，因前级电路的零点漂移电压为正值，需在放大器的反相输入端加一可调直流偏压。

2.2 带宽滤波电路

根据项目需要，设计时采用了DC～5MHz和DC～10 MHz两种带宽。综合考虑带内增益波动、相位特性、设计难度，以及无源滤波器在高速、高阶滤波方面相对于有源滤波器有较好性能的特点，滤波电路由分立元件LC组合而成，采用在通频带内起伏最小的巴特沃斯低通滤波器。经测试，7阶下截止频率为5 MHz时，0～4 MHz频带内起伏小于1 dB;截止频率为10 MHz时，O～9 MHz频带内起伏也小于l dB。归一化的7阶巴特沃斯低通滤波器的电路图如图3所示。

2.3 功率放大电路

功率放大电路如图4所示。采用2片THS3092构成两级同相电压放大电路和一级运放并联输出扩流电路。每级放大电路增益A=R1/R2+1=2倍(6dB)，3级共18dB，最大可输出峰峰值电压28V。

系统软件主要包括3部分：放大器增益及截止频率的设置、增益校准、人机交互。系统软件流程如图5所示。程序开始运行后可通过按键选择增益校准、电压增益设置、截止频率设置等。

4 系统测试分析

4.1 增益测试

4.2 通频带内增益起伏测试

输入有效值为10 mV的正弦波信号，输出接50Ω负载，将放大器增益设置为60 dB，从0 Hz开始增大输入信号频率，步进为1 MHz，用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试可得，在0～10 MHz频带内最大增益起伏为0.5 dB。

4.3 带宽频率特性测试

输入有效值为10 mV的正弦波，输出接50 Ω负载，将放大器增益设置为60 dB，分别预置截止频率为5 MHz、10 MHz，从0 Hz开始增大输人信号频率，步进为1 MHz。用示波器测试输出电压，计算增益误差。测试可得：在预置5 MHz通频带时5 MHz频带处增益衰减为2.9 dB，O～4 MHz内最大增益起伏为O.5 dB;在预置10 MHz通频带时10 MHz频带处增益衰减为2.8 dB，0～9 MHz内最大增益起伏为O.5 dB。

4.4 放大器效率测试

4.5 测试结果分析

结语

本文结合现在一般放大器的设计方案及存在的问题，论述了程控宽带直流功率放大器各单元电路的详细设计方法，提出大动态范围、低失真的程控宽带直流放大器的设计方案和实现方法。测试结果表明：该方案较好地解决了增益、直流宽带、功率等放大器关键参数的矛盾，实测的系统各项指标均达到设计要求。