基于VCA822的可編程增益放大器

寬帶放大器在工業(yè)測(cè)量與控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在測(cè)量與控制電路中，寬帶放大器是調(diào)理傳感器輸出信號(hào)的重要環(huán)節(jié)。傳感器輸出的電平信號(hào)通常不是規(guī)則的正弦信號(hào)，且輸出電壓范圍往往變化很大，這就需要后級(jí)放大器具有較高的頻帶寬度和靈活的電壓增益，因此，這里提出一種以壓控增益放大器VCA822為核心的可編程寬帶放大器，可實(shí)現(xiàn)通頻帶為100 Hz～15 MHz，放大器增益為10～58 dB，6 dB步進(jìn)可調(diào)。該設(shè)計(jì)可通過(guò)矩陣式鍵盤設(shè)置放大器增益，液晶顯示器顯示輸出電壓，人機(jī)界面友好。

1 放大器設(shè)計(jì)及工作原理
設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)鍵盤設(shè)置增益，且具有AGC功能的寬帶放大器。放大器輸入端采用同相放大電路進(jìn)行阻抗匹配，使輸入電阻達(dá)到MΩ數(shù)量級(jí)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為寬帶放大、峰值采樣、人機(jī)交互等3個(gè)模塊。
寬帶放大模塊中電壓增益可預(yù)置的功能是由VCA822實(shí)現(xiàn)。VCA822一款直流耦合型寬頻帶壓控增益放大器，最大工作頻帶寬度可達(dá)150 MHz。放大器增益由控制電壓和外圍電阻阻值共同決定。控制電壓的輸出是由單片機(jī)運(yùn)算并控制D／A轉(zhuǎn)換器而輸出的，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較精確的數(shù)控。另外，放大器后級(jí)接入兩檔信號(hào)處理電路，一檔增益0 dB，另一檔為衰減檔，通過(guò)一個(gè)控制端口，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在這兩檔位之間選擇。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于條理清晰，控制方便，易于單片機(jī)處理。
針對(duì)峰值采樣，采用數(shù)字檢波，即通過(guò)高速A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行采樣，判斷一定時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)字信號(hào)的最大值，該最大值即為該信號(hào)的峰值。而這種通用數(shù)字峰值檢波電路僅能在低頻段效果良好，針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求中的高頻信號(hào)，以及某些特定頻率信號(hào)，將產(chǎn)生一定誤差。采用雙頻數(shù)字峰檢對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，這種方案可有效避免產(chǎn)生誤差。
在上述兩模塊的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)AGC的功能。峰值檢波測(cè)得的電壓值反饋回單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)寬帶放大電路實(shí)現(xiàn)放大精確控制。通過(guò)這種方式可將輸出信號(hào)的峰值穩(wěn)定在4．8 V左右。該系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖l所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 VCA822簡(jiǎn)介
該系統(tǒng)采用VCA822型寬帶壓控增益放大器。在控制電壓的作用下，該器件可提供精確的增益，且按V／V線性變化，其基本增益。其中VC是控制電壓輸入。電壓基本增益為(V／V)。利用單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)算可控制以dB為單位的對(duì)數(shù)增益。給VCA822提供控制電壓的D／A轉(zhuǎn)換器為MAX541，其位數(shù)為16 bit，因而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)增益步進(jìn)。鑒于VCA822優(yōu)越的噪聲特性和高精度的增益控制，因此選用該器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可變?cè)鲆妗?/p>

2．2 系統(tǒng)增益分配
放大器其他部分固定增益為34 dB，由中間級(jí)OPA699和后級(jí)功放共同提供。在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)VCA822的控制電壓范圍為-1～l V，且該器件為±5 V供電，輸出電壓峰峰值不能大于4 V，否則輸出波形失真。為了盡量提高輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)放大器增益可調(diào)，將VCA822設(shè)計(jì)為放大器前級(jí)，且增益的控制在0～24 dB可選，輸出信號(hào)接OPA699構(gòu)成的同相放大。經(jīng)單片機(jī)控制，與后級(jí)兩個(gè)檔位選擇性級(jí)聯(lián)。兩檔位的增益分別為0 dB、-24 dB。從而能夠?qū)崿F(xiàn)最小增益10 dB，最大增益58 dB的9級(jí)可調(diào)。
2．3 放大電路
前級(jí)輸入利用MAX477設(shè)計(jì)射級(jí)跟隨器，使得輸入電阻趨近于無(wú)窮大，從而提高輸入阻抗。與VCA822通過(guò)電容耦合，其控制電壓由MAX54l輸出。由于MAX541的轉(zhuǎn)化范同為O～Vref，故在D／A轉(zhuǎn)換器輸出端增加一個(gè)減法器，輸出范圍為-l～+1 V，MAX54l的參考電壓由MAX6225提供。VCA822后級(jí)接入OPA699，OPA699為高增益、高擺率寬帶運(yùn)放。其工作帶寬可達(dá)到l 000 MHz，采用該器件設(shè)計(jì)增益G為12的放大器，完全滿足帶寬為15 MHz的要求。之后為通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)設(shè)計(jì)的兩檔衰減電路，一檔衰減O dB，一檔衰減24 dB，由模擬開關(guān)MAX333控制選通。最后利用電流型、高擺率的運(yùn)算放大器AD8l1和分立元件設(shè)計(jì)的后級(jí)推挽功放實(shí)現(xiàn)功率放大，放大倍數(shù)G為+4，并增大負(fù)載能力。電路實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。