内容发布更新时间 : 2024/5/30 14:50:25星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
为了使通带尽量平坦滤波器的设计，我们选用了比较熟悉的巴特沃兹滤波器。同时在滤波器后加入固定增益放大器，弥补信号通过滤波器时的幅度衰减。
1.3 稳压电源方案
方案一 ：线性稳压电源。其中包括并联型和串联两种结构。并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成稳压三端稳压管，更是可靠。
方案二：采用蓄电池供电，对于宽带放大，低噪声放大器而言，这是一个极好的方案，但蓄电池体积大，携带不方便。
方案三：开关稳压电源。此方案效率高，但电路复杂，开关电源的工作频率通常为几十至几百KHz，基波和很多谐波均在此放大器通频带内，极易带来串扰。
综上所诉，选择方案一中的串联型稳压电源。
2．理论分析与计算
2.1带宽增益积
带宽增益积(GBP)是这是用来简单衡量放大器的性能的一个参数，这个参数表示增益和带宽的乘积。按照放大器的定义，这个乘积是一定的。
题目中要求放大器最大电压增益 AV≥60dB，即 Gain≥1000V/V。 放大器的通频带 0～10MHz，所以本放大器的带宽增益积为:
GWB = 1000 * 10M = 10G
单个放大器是很难达到 10G 的 GWB，所以我们考虑多级放大器级联。
经过查阅手册， THS3202 的 GWB 为 2G，级联上后级的 VCA820 足以达到题目要求。
2.2 通频带内增益起伏控制
题目中要求通频带内增益起伏≤1dB，本设计采用的是巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦， 没有起伏， 虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器阶数来加快阻带内的衰减， 符合题目要求。
经过滤波器设计软件 FilterSolutions 和仿真软件 Multisim 仿真，发现5阶的时候即可达到题目要求（仿真效果见附录图 1）
图1
2.3 放大器稳定性
（1）放大器板上所有运放电源线及数字信号线均加磁珠和电容滤波。 磁珠可滤除电流上的高频毛刺，电容滤除较低频率的干扰， 它们配合在一起可较好地滤除电路上的串扰。安装时尽量靠近 IC 电源和地。
（2）所有信号耦合用点解电容两端并接高频瓷片电容以避免高频增益下降。 （3）在两个焊接板之间传递模拟信号时用同轴电缆，信号输入输出使用SMA-BNC 接头以使传输阻抗匹配，并可减少空间电磁波对本电路的干扰，同时避免放大器自激。
（4）数字电路部分和模拟电路部分的电源严格分开， 同时数字地和模拟地电源地一点相连。
3．电路与程序设计
3.1硬件电路设计
3.1.1 系统框图
本系统主要由由前级放大模块、增益控制模块、带宽控制器、单片机模块、键盘及显示模块和电源模块组成。如图 1 所示。
图 1 系统框图
3.1.2 前级放大电路 前级（见图2）
图2
放大电路采用可变增益放大模块。设计VCA820可变增益-35dB~45dB.
图3
3.1.2 增益调控放大电路
可控增益调节部分我们使用压控增益放大器 VCA820，VCA820 在宽频带工作模式下，增益控制范围为-35dB～45dB ，且控制电压与增益 dB 数成线性关系，满足设计要求。如图 3 所示
带宽控制主要由300K高通滤波器、100M低通滤波器和放大电路组成。为获得放大器通频带内最平坦的幅频特性曲线，使用滤波器设计软件Multism设计并制作了5阶巴特沃兹300K高通滤波器及5阶巴特沃兹100M无源LC低通滤波器。测试表明信号经过滤波器后会衰减为原来的1/2，所以在滤波之后加入THS3202搭建4被增益放大器（如图4）。
采用自制正负5V电源为整个系统进行正常供电，电源均由线性稳压块7805、7905搭建。电源模块原理图见附图5.
图5
3.1.5主控制器电路
选用STC89C52单片机对系统进行控制。单片机主要是通过检测4*4矩阵键盘来实现DAC0832的控制电压输出，从而控制可控增益放大器VCA820，达到增益预置的效果。另外，单片机外接1602液晶显示屏显示预置放大倍数和增益。 3.1.6抗干扰处理
由于高频小信号放大很容易引入噪声，我们在实际制作中采用以下方法减少干扰，避免自激：
（1）将输入信号和增益控制部分加入屏蔽盒中，以避免级间干扰和高频自激，减少外面引入的噪声干扰。
（2）讲整个运放系统用很长的地线包围，大面积接地，以吸收高频信号，减少噪声。
（3） 信号输入端采用同轴电缆连接。
（4） 在各运放的电源引脚靠近芯片处接一个4.7u和0.1u的滤除电源噪声的缓冲电容，增加电路的稳定性。
3.2 程序设计
图6主程序流程 图7主程序流程
源程序见附录2
4. 测试方案与测试结果
4.1 测试仪器
（1）100MHz双通道数字示波器
（2）标准高频信号发生器（1MHz~100MHz，可输出1mV小信号） （3）高频毫伏表
4.2 测试方法
（1）放大器预置带宽 100M。
（2）输入 0~100M 信号，输入有效值为 1mV 的电压信号，测试通频带内是否平坦。
（3）改变输入电压有效值，分别记录在步进 5dB 的时候的输出电压有效值范围。
4.3 相关测试数据
4.1 放大器的基本性能测试
测试方法：用函数发生器产生频率1MHZ，有效值分别为 测试结果分析： 4.2 增益测试：
输入/频率(有输出值（实输出值输入/频率(有输出值输出值效值) 1mv/300KHZ 1mv/500K 1mv/500K 1mv/1M 1mv/5M 际） 1.01V 1.07V 1.12V 1.14V 1.2V （设定效值) 值） 1V 1.5V 1V 1V 1V 1V 1mv/20MHZ 1mv/50MK 1mv/70M 1mv/90M 1mv/100M 1.01V 0.97V 0.95V 0.92V 0.91V 1.5mv/300KHZ 1.56V 1.5mv/30MHZ 1. 36V （实际） （设定值） 1V 1.5V 1V 1V 1V 1V 4.3带宽测试（设定增益为0dB）：
输入/频率输出值（实输出值频率输入/频率输出值（实输出值（设(有效值) 100mv/300KHZ 150mv/300KHZ 100mv/500K 100mv/500K 100mv/1M 100mv/5M 际） 100mv/300KHZ 150mv/300KHZ 100mv/500K 100mv/500K 100mv/1M 100mv/5M (设定值) 109mv/300KHZ 158mv/300KHZ 107mv/500K 109mv/500K 110mv/1M 109mv/5M (有效值) 180mv/20MHZ 150mv/30MHZ 100mv/70M 100mv/90M 际） 188mv/20MHZ 158mv/30MHZ 109mv/70M 106mv/90M 定值） 180mv/20MHZ 150mv/30MHZ 100mv/70M 100mv/90M 100mv/50MK 109mv/50MK 100mv/50MK 100mv/100M 107mv/100M 100mv/100M 4.4带负载能力测试：
通过在输出级加50欧姆的负载测试，输出为Uo大于等于1V，且没有明显的失真。达到要求！
4.5输出噪声比测试
把增益调成60dB输入短路，输出为78mv(峰峰值)，达到要求。
5. 总结
5.1 本作品达到的指标如下：
（1）最大电压增益 Av=62dB，输入电压有效值 Vi≤1 mV。
（2）在 Av＝60dB 时，输出端噪声电压的峰－峰值 VONPP≤0.01V。 （3）最大输出电压正弦波有效值 Vo≥1V，输出信号波形无明显失真。 （4）电压增益 Av 可预置并显示，预置范围为 0～60dB，步距为 5dB 并且可 以手动连续调节）；放大器的带宽可预置并显示（50MHz、 100MHz 两点）。在通 频带内增益起伏≤1dB。
（5）通过制作开关电源来提高电源效率。
（6）本设计多使用集成芯片，以较低的成本实现了题目要求。
5.2 存在问题及改进措施
（1）在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题， 导致整机会有一个 50Hz 的工频干扰。 改进措施是系统地线不能出现环路，所有地线最好一点接地，包括单片机的数字地和模拟地。
（2）在方案实施过程中，由于时间比较紧，来不及制版，而实验板的结构受限， 导致频率过高的时候会引入干扰。如果能在精确调整之后， 将整体电路利用 PCB 开出电路板，减少连线引起的干扰，一定可以提高精度和性能。
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9、全国大学第生电子设计竞赛 系统设计（2版） 黄智伟 编 北京航空航天大学出版社
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