基于VCA822的可編程增益放大器

袁 丁，徐逢秋，徐安瀅

（武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430079）

寬帶放大器在工業測量與控制領域應用廣泛。在測量與控制電路中，寬帶放大器是調理傳感器輸出信號的重要環節。傳感器輸出的電平信號通常不是規則的正弦信號，且輸出電壓范圍往往變化很大，這就需要后級放大器具有較高的頻帶寬度和靈活的電壓增益[1]，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，可實現通頻帶為100 Hz～15 MHz，放大器增益為10～58 dB，6 dB步進可調。該設計可通過矩陣式鍵盤設置放大器增益，液晶顯示器顯示輸出電壓，人機界面友好。

1 放大器設計及工作原理

設計一個通過鍵盤設置增益，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行阻抗匹配，使輸入電阻達到MΩ數量級。該系統設計分為寬帶放大、峰值采樣、人機交互等3個模塊。

寬帶放大模塊中電壓增益可預置的功能是由VCA822實現。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運算并控制D/A轉換器而輸出的，因而能夠實現較精確的數控。另外，放大器后級接入兩檔信號處理電路，一檔增益0 dB，另一檔為衰減檔，通過一個控制端口，實現信號在這兩檔位之間選擇。這種方法的優點在于條理清晰，控制方便，易于單片機處理。

針對峰值采樣，采用數字檢波，即通過高速A/D轉換器對輸出的正弦信號進行采樣，判斷一定時間內采集到的數字信號的最大值，該最大值即為該信號的峰值。而這種通用數字峰值檢波電路僅能在低頻段效果良好，針對系統設計要求中的高頻信號，以及某些特定頻率信號，將產生一定誤差。采用雙頻數字峰檢對信號進行采樣，這種方案可有效避免產生誤差。

在上述兩模塊的基礎上實現AGC的功能。峰值檢波測得的電壓值反饋回單片機，單片機對寬帶放大電路實現放大精確控制。通過這種方式可將輸出信號的峰值穩定在4.8 V左右。該系統總體實現框圖如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 VCA822簡介

圖1 系統總體實現框圖

該系統采用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，其基本增益其中是控制電壓輸入。電壓基本增益為（V/V）[2]。利用單片機進行適當運算可控制以dB為單位的對數增益。給VCA822提供控制電壓的D/A轉換器為MAX541，其位數為16 bit，因而準確實現增益步進。鑒于VCA822優越的噪聲特性和高精度的增益控制，因此選用該器件實現系統的可變增益。

圖2 VCA822外圍電路

2.2 系統增益分配

放大器其他部分固定增益為34 dB，由中間級OPA699和后級功放共同提供。在測試過程中，發現VCA822的控制電壓范圍為-1～1 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態范圍，實現放大器增益可調，將VCA822設計為放大器前級，且增益的控制在0～24 dB可選，輸出信號接OPA699構成的同相放大。經單片機控制，與后級兩個檔位選擇性級聯。兩檔位的增益分別為0 dB、-24 dB。從而能夠實現最小增益10 dB，最大增益58 dB的9級可調。

2.3 放大電路

前級輸入利用MAX477設計射級跟隨器，使得輸入電阻趨近于無窮大[3]，從而提高輸入阻抗。與VCA822通過電容耦合，其控制電壓由MAX541輸出。由于MAX541的轉化范圍為0～Vref，故在D/A轉換器輸出端增加一個減法器，輸出范圍為-1～+1 V，MAX541的參考電壓由MAX6225提供。VCA822后級接入OPA699，OPA699為高增益、高擺率寬帶運放。其工作帶寬可達到1 000 MHz，采用該器件設計增益G為12的放大器，完全滿足帶寬為15 MHz的要求。之后為通過電阻網絡和模擬開關設計的兩檔衰減電路，一檔衰減0 dB，一檔衰減24 dB，由模擬開關MAX333控制選通。最后利用電流型、高擺率的運算放大器AD811和分立元件設計的后級推挽功放實現功率放大，放大倍數G為+4，并增大負載能力。電路實現原理圖如圖3所示。

為了提高電路的穩定性，此電路采用一系列的抗干擾措施。其中包括每片器件的供電部分采用4.7 μF和104 pF的電容進行電源濾波，各級放大器間的信號輸入輸出采用屏蔽線進行連接，數字地和模擬地之間采用電感隔離。

2.4 后級功率放大電路

圖3 寬帶放大器

為了增加系統負載能力，考慮到運算放大器AD811自身負載驅動能力的限制，這里選用AD811配合高頻中小型功率對管 2N3904（NPN 型）和 2N3906（PNP型）（兩功率管特征頻率fT=300 MHz）搭建OCL功率放大器。前級由AD811組成同相放大器，放大倍數為Aν=1+Rf/R3；后級選用功率對管擴流構成甲乙類功率推挽輸出形式提供負載驅動電流。經實驗測試，輸出端接50 Ω負載時，無失真的最大輸出電壓峰對峰值達到18 V。 電路原理圖如圖4所示。

圖4 功率放大電路

2.5 數字檢波

本設計中的峰值檢波電路基于信號頻譜搬移理論[4]，由于A/D轉換器在單一采樣率進行采樣時會出現盲區頻段，故以2個特殊頻率（雙頻）先后對信號進行采樣，提取采樣結果中的最大值即可得到周期信號峰值。這種方法可兼顧高低頻，適合應用于該系統100 Hz～15 MHz的情況。采用A/D轉換器MAX197，利用 2個采用率 f1=50.000 kHz，f2=50.005 kHz互補采樣盲區，可得到良好采樣效果。設置A/D采樣率的方波信號由FPGA提供。

3 系統軟件設計[5－6]

該系統軟件采用模塊化和層次化的設計思想。采用模塊化設計思想，要對某一子控制器控制，只需調用相應的控制模塊即可。模塊內采用層次化設計，把底層的硬件接口處理編制為獨立底層子程序，并向上提供處理數據，且對上層功能模塊屏蔽底層硬件接口部分；最后，主程序只需調用相關的功能模塊就可方便構建系統。

本系統軟件部分主要由單片機組成，其中主要包括系統初始化、中斷的響應和中斷的處理。該設計功能實現以鍵盤的按鍵中斷為主線，通過讀入用戶輸入的鍵值，在相應的中斷響應函數中與FPGA中對應的控制模塊以總線的方式進行及數據的交換，觸發FPGA內相應的控制時序，實現對信號的放大和測量。系統軟件流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程

4 數據測試

該系統利用數字合成信號源、雙蹤示波器、仿真機、交流電壓表進行測試。調節輸入信號的頻率，并利用交流電壓表記錄輸出電壓的有效值。測試結果表明，放大器的放大倍數在10～58 dB內9級可調，-3 dB點為100 Hz～15 MHz，且放大效果穩定。對于放大器的AGC功能，將輸入信號頻率固定，改變電壓大小，輸入信號峰值為9 mV～1 V時，可將輸出信號穩定在峰值為4.5～5 V的電壓范圍內，故AGC動態范圍大于40 dB。預置放大器放大倍數58 dB時，輸入端接地，輸出噪聲電壓小于10 mV。

5 結 論

該系統設計是以VCA822為核心的可控增益寬帶放大器。經測試，系統通頻帶為100 Hz～15 MHz，增益10～58 dB內9級可調，且放大器AGC功能的動態范圍大于40 dB。此外，系統輸入端采用MAX477接成同相放大電路，使得系統輸入電阻達到MΩ數量級。后級AD811和分立元件搭建的功率放大電路，提高了系統帶負載的能力。系統還采用多種抗干擾措施，有效保證放大器精度，并具有良好噪聲和線性。

[1]王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].3版.天津：天津大學出版社，2006.

[2]TI公司.VCA822 Data sheet[EB/OL].2006.http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/vca822.html.

[3]謝自美.電子線路設計.實驗.測試[M].2版.武漢：華中科技大學出版社，2002.

[4]鄭君里，應啟衍，楊為理.信號與系統[M].2版.北京：高等教育出版社，2000.

[5]李朝青.單片機原理及接口技術 [M].簡明修訂版.北京：北京航空航天出版社，1999.

[6]夏宇聞.數字系統設計——Verilog實現[M].北京：高等教育出版社，2006.