一種高性能模擬電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 李橋鳴 劉 濤

一種高性能模擬電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 李橋鳴 劉 濤

針對(duì)現(xiàn)有模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)箱在設(shè)計(jì)中存在的缺陷和對(duì)TI公司產(chǎn)品進(jìn)行分析，研制出一款高性能模擬電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)低頻放大器、有源濾波器、可控電流源、高速放大器、高速緩沖器、AGC+VCA、串行DAC、并行DAC、并行ADC和FPGA控制等電路模塊，并且可以對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)其他的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

模擬；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；高性能

引言

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有模擬電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均為較簡(jiǎn)單的模擬單元電路，如單管放大器（共射、共基）、負(fù)反饋放大器、集成運(yùn)算放大器基本運(yùn)算電路、場(chǎng)效應(yīng)管電路、OTL功率放大器等較為簡(jiǎn)單的模擬電路單元。

普通單管放大器不能同時(shí)對(duì)輸入輸出電阻進(jìn)行匹配，導(dǎo)致放大電路的帶寬受限；負(fù)反饋放大器的電流補(bǔ)償電路要消耗一定的功率，并且容易受到溫度等外界條件的影響，容易產(chǎn)生自激，從而導(dǎo)致放大倍數(shù)受限；場(chǎng)效應(yīng)管電路采用電壓控制元件，它的放大倍數(shù)小，一級(jí)放大只能做到幾倍，并且輸入端由于靜電感應(yīng)容易擊穿[1]。OTL功率放大器輸出端采用大容量電解電容，體積龐大，笨重，消耗有色金屬，且效率較低，低頻和高頻特性均較差。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果差，并且有些較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目根本無(wú)法開出。現(xiàn)市場(chǎng)上出售的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置，雖然運(yùn)用了先進(jìn)技術(shù)，但價(jià)格昂貴，并且改裝、升級(jí)不方便，并且用于學(xué)生開展創(chuàng)新訓(xùn)練、各類學(xué)科競(jìng)賽常用的新型模擬器件，如高速運(yùn)放、高精度運(yùn)放、濾波器、高速AD/DA，可控增益放大器等，縱觀國(guó)內(nèi)的模擬電路實(shí)驗(yàn)箱此類資源卻較為貧乏[2]。

本實(shí)驗(yàn)箱利用TI公司的芯片，研制出一種高性能的模擬電路實(shí)驗(yàn)箱，該實(shí)驗(yàn)箱既能滿足模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的需要，提高當(dāng)代大學(xué)生模擬技術(shù)水平，掌握模擬信號(hào)的實(shí)際調(diào)試情況，又可以作為綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生進(jìn)行電子競(jìng)技比賽提供開發(fā)平臺(tái)，提高大學(xué)生電子競(jìng)技能力，奠定未來(lái)工程師道路。

1.總體設(shè)計(jì)方案

高性能模擬電路實(shí)驗(yàn)箱總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中包括低頻放大器模塊、有源濾波器模塊、可控電流源模塊、高速放大器模塊、高速緩沖器模塊、AGC+VCA模塊、串行DAC模塊、、并行DAC模塊、并行ADC模塊、單片機(jī)控制模塊、FPGA控制模塊。這些模塊均可以獨(dú)立開設(shè)相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.部分單元電路功能子模塊

2.1 信號(hào)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

信號(hào)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，其中低頻放大器模塊和串行ADC模塊依次連接，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)同相比例運(yùn)算處理后，從ADS805芯片輸出，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。應(yīng)用TI公司的雙電源運(yùn)算放大器TL082芯片作為前級(jí)放大，放大電路可以實(shí)現(xiàn)雙電源放大、直流耦合反向放大、交流耦合反向放大、直流耦合同向放大、交流耦合同向放大，采用TI公司的儀表放大器INA128實(shí)現(xiàn)差分放大器。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 信號(hào)檢測(cè)功能框圖

低頻放大器模塊包括雙電源放大器、單電源放大器1、單電源放大器2和差分放大器四部分。雙電源放大器部分，正電源接+12V電壓，負(fù)電源接-12V電壓，包含一路信號(hào)輸入和一路信號(hào)輸出。單電源放大器1是反向放大器包含直流耦合型和交流耦合型，兩種都設(shè)有輸入端和輸出端。單電源放大器2是同向放大器包含直流耦合型和交流耦合型，兩種都包含一路信號(hào)輸入和一路信號(hào)輸出。差分放大器包含兩路信號(hào)輸入和一路信號(hào)輸出。

2.2 自動(dòng)增益測(cè)試功能的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)增益測(cè)試功能的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示，高速放大器模塊、高速緩沖器模塊、AGC+VCA模塊依次連接，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益測(cè)試。

圖3 自動(dòng)增益測(cè)試功能框圖

高速放大器模塊包括電壓反饋同相電路、電壓反饋反相電路、電流反饋同相電路和電流反饋同相電路，所有的電路均設(shè)有輸入端和輸出端。

B廠在焚燒爐前后拱各設(shè)置17個(gè)噴嘴，大小噴嘴交錯(cuò)布置，二次風(fēng)在前后拱再循環(huán)噴嘴的上方布置。再循環(huán)噴嘴不單獨(dú)設(shè)置閥門。

2.3 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器功能的實(shí)現(xiàn)

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示，F(xiàn)PGA模塊、并行DAC模塊和高速放大器模塊依次連接，實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

圖4 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器功能框圖

AGC+VCA模塊包括單元電路供電模塊、自動(dòng)增益控制(AGC)電路和可控增益放大器(VCA)，單元電路供電模塊分別與自動(dòng)增益控制(AGC)電路和可控增益放大器(VCA)相連接，為各模塊提供電源。

3.設(shè)計(jì)特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）配套性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)箱可以完成模擬電子電路的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)；

（2）可靠性高，實(shí)驗(yàn)插口座的固定由螺絲擰緊式改為焊接式，克服實(shí)驗(yàn)插孔座松動(dòng)的現(xiàn)象；

（3）直觀性強(qiáng)，面板示意圖線分明，布置合理，插接方便，有利學(xué)生獨(dú)食操作實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)際動(dòng)手能力。

技術(shù)指標(biāo)：

（1）輸入電源：雙電源正負(fù)12V；

（2）信號(hào)采集：輸入信號(hào)頻率1Hz～5MHz，交流信號(hào)波形；

（3）自動(dòng)增益控制：輸入信號(hào)頻率1MHz～8MHz,幅度1mV～5VPP，控制輸出幅度固定輸出1VPP；

（4）函數(shù)信號(hào)源：頻率范圍1Hz～10MHz,幅值0～5 VPP；

（5）工作環(huán)境：溫度-10攝氏度～+50攝氏度。

4.結(jié)束語(yǔ)

高性能模擬電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)研制成功，并已經(jīng)開始投入使用。其既可以為不同層次的學(xué)生提供綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽提供軟硬件資源，也可以為教師開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供有力條件。

[1]蘇磊.分立式電工實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)與應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程2011,19(9):138-140.

[2]張清,朱雷平,崔厚梅.多功能電路實(shí)驗(yàn)箱的研制[J]. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào),2006,21(12):70-72.

李橋鳴（1995-），男，廣西欽州人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，學(xué)生，本科，專業(yè)：電子信息工程。

劉濤（1983-），男，湖南永州人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，講師，碩士研究生，研究方向：無(wú)線通信、光通信、射頻技術(shù)。