高精度程控电压放大器 西安通信学院

.1.高精度程控电压放大器学校及院系学校及院系学校及院系学校及院系：西安通信学院三系指导老师指导老师指导老师指导老师：张玉峰王建华参赛队员参赛队员参赛队员参赛队员：张宏亮周小丽姚亮（本科四年级本科四年级本科四年级本科四年级））））摘要摘要摘要摘要本设计以VCA822、MSP430F2012、DAC7611芯片为核心，加以其它辅助电路实现对宽带电压放大器的电压放大倍数、输出电压进行精确控制。放大器的电压放大倍数从0.2倍到20倍以0.1倍为步进设定，输出电压从6mv到600mv以1mv为步进设定，控制误差不大于5%，放大器的带宽大于15MHz。键盘和显示电路实现人机交互，完成对电压放大倍数和输出电压的设定和显示。关键词：程控放大器；高精度；控制电压；电压变换；D/A；A/D。AAAABBBBSTRACTSTRACTSTRACTSTRACTThedesignwithVCA822,MSP430F2012,DAC7611chipforcore,theelectricvoltagewhichtakesintothecircuitrealizationoftheotherassistancetotakevoltageenlarger,thebreadthenlargesmultipleandoutputsvoltagetocarryonanaccuratecontrol.TheAmplifiermultiplefrom0.2-20with0.1toonenactment,outputelectricvoltagetotake1mvaspartitiontoenactmentfromthe6-600mv,controlanerrormargintobenobiggerthan5%,thebandwidthofenlargerisatthe15MHz.Keyboardandmanifestationelectriccircuitcarryoutperson'smachinetohandoverwitheachother,completionenlargestheenactmentofmanifestationandvoltagemultiple.Keywords:ProcedureControlsAmplifier；Highaccuracy；Controlvoltage；voltagetransformation；D/A；A/D。1111.作品简介作品简介作品简介作品简介本设计高精度程控电压放大器以VCA822、MSP430F2012、DAC7611芯片为核心，加以其它辅助电路以实现对宽带电压放大器的电压放大倍数、输出电压进行精确控制。放大器的电压放大倍数从0.2倍到20倍以0.1倍步进设定，输出电压从6毫伏到600毫伏以1毫伏为步进设定，控制误差不大于5%，放大器带宽大于15MHz。键盘和显示电路实现人机交互，完成对电压放大倍数和输出电压的设定和显示。本作品通过键盘可设定6种工作模式，放大增益实时跟踪模式、放大增益设置模式、放大器宽带工作模式、输出电压实时跟踪模式、放大器输出电压设置模式、放大器宽带（电压输出）工作模式，各模式相互间转换方便，电路工作稳定，操作简单，控制精确。2222.方案设计方案设计方案设计方案设计2.12.12.12.1理论分析理论分析理论分析理论分析电压增益控制放大器原理框图如图一所示，放大器增益取决于增益控制电压VG。TI公司的宽带电压增益控制放大器VCA822具有这一特性。2.1.1VCA822的控制特性VCA822的典型应用电压见图七，VG是控制电压输入端，其控制电压范围为-1～+1V。当VG=+1V时，电压放大倍数最大。电压放大倍数表示式为：212+××=GGFVRRG。图一图一图一图一.2.在RF与RG确定的情况下其增益只取决于控制电压VG。2.1.2VG控制电压的产生VG控制电压可由含调节电位器的电路产生，其优点是VG电压调节连续，缺点精确调节较难，另外也与本设计不相符合，为此可采用D/A来产生控制电压VG，原理框图如图二所示。D/A转换选用TI公司的DAC7611。DAC7611为串行输入的12位数/模转换芯片，内部参考电压为2.435V，满刻度电压输出4.095V,1mV/LSB。为了程序设计上方便，以及与后续处理电路中使用的MSP430F2012内部的A/D相对应，使用其低10位用来产生0～1V增益控制电压，0～1V经电压变换电路产生符合VG要求的-1～+1V。2.1.3误差修正图三为VCA822数据手册中给出的控制电压与增益误差关系，图四为实测控制电压与增益误差关系。从图中可知控制电压在－0.8V—+0.8V范围内具有较好控制线性。另外从实际测量的结果来看，控制电压在接近0V时增益误差较大，这主要是由于控制电压产生电路的噪声引起的。从以上的分析中可以看出，对电压控制增益放大器要想做到精确的增益控制，在实际电路中必须进行控制误差修正。进行控制误差修正可采用以下的方法进行。(1)预置修正数据表可以根据实际测量的数据制作修正数据表对误差进行修正。此种方法受工作条件以及环境温度影响较大。(2)闭环跟踪调整如图五所示，对电压控制增益放大器输出进行峰峰值检波、A/D转换，以A/D输出作为程控增益放大器增益调整依据。此种方法能够对放大器的进行实时跟踪。图二图二图二图二增益控制放大器电压变换-1～+1INOUTD/A转换D0～D9图图图图四四四四VCA822VCA822VCA822VCA822的的的的VVVVGGGG电压与增益电压与增益电压与增益电压与增益图图图图三三三三控制电压与增益误差控制电压与增益误差控制电压与增益误差控制电压与增益误差.3.2.22.22.22.2选用选用选用选用TITITITI器件的依据器件的依据器件的依据器件的依据，，，，选型理由选型理由选型理由选型理由及及及及所选所选所选所选TITITITI器件器件器件器件介绍介绍介绍介绍2.2.1选型的依据：器件选型主要应考虑器件性能满足电路需要，器件性价比高，构成电路外围元件少，使用方便，功耗低；对于模拟器件还应考虑最高使用频率以及器件的工作噪声。VCA822最高使用频率达150MHZ,增益控制外围电路简单，增益调节线性度较高。OP228具有极低的输出阻抗，信噪比高。DA7611为电压型输出的D/A转换器，无需外接运算放大器进行电压转换，使用简单，输出电压精度较高。MSP430F2012性价比高，功耗低，开发容易，具有在线编程能力。2.2.2TI器件介绍(1)增益可调放大器VCA822VCA822是宽带、电压控制增益可变放大器，最高频率达150MHz。工作电压±5v，采用高阻抗的差分输入，通过调节增益电阻和反馈电阻，增益调节范围大于40dB。增益设定范围为+2V/V～+100V/V，增益控制电压为-1V～+1V，控制电压与增益之间具有较高的增益线性。例如最大增益是+10V/V时，增益控制电压在+1V时放大器的增益为+10V/V，增益控制电压为-1V时放大器的增益为+0.1V/V。VCA822具有良好的增益线性，当最大增益为20dB时，控制电压在0V～+1V之间变化，增益偏差不大于±0.3dB。(2)MSP430F2012MSP430F2012的主要指标如下所述：供电电压1.8V～3.6V；；62.5ns指令周期时间,内部最高时钟可达16MHz，四个校准频率；使频率的误差小于±1%；内置的低频振荡器，32KHz的晶振；16位的定时器和两个捕获比较寄存器,10位的有内部参考电压的A/D转换器,2KB+256B闪存,10位的I/O口，同时具有多种低功耗模式。（3）高精度，低噪声的运算放大器OPA228OPA228是一个高精度，低噪声的运算放大器，带宽33MHz,10V/us,共模抑制比138dB，开环增益160dB，输入偏置电流10nA，反馈电压75uV,供电电源范围2.5V～18V。OPA228是8引脚，有双列直插式和贴片式两种封装，具有工业级的温度范围。（4）数模转换芯片DAC7611DAC7611是一个12位的数模转换芯片，输出电压范围是0V～+1V，工作电压是+5V，2.435V内部参考电压，由DAC和高速轨到轨输出放大器组成，提供双列直插（DIP）和贴片（SOIC）封装。2.32.32.32.3设计方案论证设计方案论证设计方案论证设计方案论证宽带增益可调放大器在信号调整与控制电路具有广泛的用途，如音响设备中音量的控制，电子设备中信号的准确放大，信号处理电路中输出信号的自动稳幅等。本设计采用程控的方法对宽带电压控制放大器VCA822的电压放大倍数进行准确控制，同时也满足当输入电压在一定的范围内变化时输出电压进行自动稳幅，以便于自动化控制。准确程控增益可调放大器的实现方法通常有以下几种方案可供选用。方案一：利用可程控的模拟开关和电阻网络构成放大器的反馈电阻，通过接入不同的电阻来实现放大器的放大倍数改变，以达到程控增益的目的。此方案的优点是控制简单，电路实现较为容易。缺点是多路模拟开关使用频率较低，Signal-IN图五图五图五图五峰值检波有效值转换A/D采样OUT.4.其导通电阻对信号传输精度影响较为明显，对于较为精确的控制其影响难以进行后期修正，切换时抖动引起的误差比较大，切换速度较慢。控制精度增加一位，电阻网络就增加一级，电阻网络的电阻选择也较为困难，很难做到高精度控制。方案二：利用数字电位器作为放大器的反馈电阻，实现放大器的放大倍数改变。此方案和方案一原理基本相同，都是通过调节反馈电阻来实现对增益的控制，不同的是选用数字电位器来实现，缺点是数字电位器为了扩大使用电压范围，内部附加了由振荡器组成的充电泵，因而会产生有害的高频噪声,它同样不能满足高精度控制要求。方案三：利用电流型DAC自身的乘法功能,可以实现程控放大器。此方案实现较为容易，控制精确较高，一般不能做到宽频使用。方案四：利用新型单片集成电压控制放大器实现程控放大器。此方案实现也较为容易，控制电路成本较低，使用频率受限于放大器本身。通过以上的对比分析和本次竞赛的要求，使用方案四来完成高精度程控放大器的设计。以宽带电压增益控制放大器VCA822为控制对象，用MSP430F2012为控制主体，电路结构简单，精度高，响应速度快，能够实现精确控制的要求。3333....系统实现系统实现系统实现系统实现3.13.13.13.1硬件设计硬件设计硬件设计硬件设计3.1.1系统框图宽带电压控制放大器VCA822构成的高精度程控放大器原理框图如图六所示，由增益可调放大器电路、增益控制电压产生电路、用于数据处理产生控制信号的单片机应用电路、检测输出电压的峰值检测电路组成。由宽带电压控制放大器VCA822工作原理可知，对其电压放大倍数以及输出电压的控制，其实质是能产生正确的控制电压。工作时通过键盘设定放大器的电压放大倍数或应输出的电压值，通过显示电路实时进行显示，设置完毕，经MSP430F2012单片机处理，输出相应的控制数据，由DAC7611将数字量转换为相应的模拟电压。低噪声集成运放OPA228构成电压变换电路，把DAC7611输出的正向电压转换成符合VCA822的VG要求的电压值，即在-1V～+1V间变化。为了使电压放大倍数调节更加准确，增加了峰值检波、A/D转换电路，把输出电压的峰值转换成相应的数字量，经MSP430F2012分析处理，并对VCA822的VG电压再次进行调整，消除由VCA822控制特性所产生的误差，使设定的电压放大倍数和输出电压更加准确。3.1.2不同功能单元之间的接口设计；图七图七图七图七VCA822组成的增益控组成的增益控组成的增益控组成的增益控图图图图六六六六.5.（1）VCA822增益控制放大电路设计VCA822是一个直接耦合、宽带、线性增益连续可调，电压控制增益放大器。最大增益由反馈电阻RF和增益电阻RG决定。图七为VCA822组成的增益控制放大电路，VG是控制电压输入端，电压范围为-1～+1V。当VG=+1V时，该电路的放大倍数最大。其放大倍数表示式为：