- 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)教程第4分冊:高頻電子線路與通信系統(tǒng)設(shè)計
- 高吉祥
- 7620字
- 2020-06-19 13:08:05
1.2 寬帶放大器設(shè)計
[2003年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽(B題)]
1.任務(wù)
設(shè)計并制作一個寬帶放大器。
2.要求
1)基本要求
(1)輸入阻抗大于等于1kΩ;單端輸入,單端輸出;放大器負載電阻為600Ω。
(2)3dB通頻帶為10kHz~6MHz,在頻帶20kHz~5MHz內(nèi)增益起伏小于等于1dB。
(3)最大增益大于等于40dB,增益調(diào)節(jié)范圍為10~40dB(增益值6級可調(diào),步進為6dB,增益預(yù)置值與實測值誤差的絕對值小于等于2dB),需要顯示預(yù)置增益值。
(4)最大輸出電壓有效值大于等于3V,數(shù)字顯示輸出正弦電壓有效值。
(5)自制放大器所需的穩(wěn)壓電源。
2)發(fā)揮部分
(1)最大輸出電壓有效值大于等于6V。
(2)最大增益大于等于58dB(3dB帶寬為10kHz~6MHz,在頻帶20kHz~5MHz內(nèi)增益起伏小于等于1dB),增益調(diào)節(jié)范圍為10~58dB(增益值9級可調(diào),步進為6dB,增益預(yù)置值與實測值誤差的絕對值小于等于2dB),需要顯示預(yù)置增益值。
(3)增加自動增益控制(AGC)功能,AGC的范圍大于等于70dB,在AGC穩(wěn)定范圍內(nèi),輸出電壓有效值應(yīng)穩(wěn)定在范圍4.5V≤Uo≤5.5V內(nèi)(詳見下文“說明”中的介紹)。
(4)輸出噪聲電壓峰峰值Vpp≤0.5V。
(5)進一步擴展頻帶,提高增益,提高輸出電壓幅度,擴大AGC范圍,減小增益調(diào)節(jié)步進。
(6)其他。
3.評分標(biāo)準(zhǔn)
論文50分,完成基本要求制作部分50分,完成發(fā)揮部分50分。
4.說明
(1)基本要求部分第(3)項和發(fā)揮部分第(2)項的增益步進級數(shù)對照表見表1.2.1。
表1.2.1 增益步進級數(shù)對照表

(2)發(fā)揮部分第(4)項的測試條件為:輸入交流短路,增益為58dB。
(3)寬帶放大器幅頻特性測試框圖如圖1.2.1所示。

圖1.2.1 寬帶放大器幅頻特性測試框圖
(4)AGC電路常用在接收機的中頻或視頻放大器中,作用是在輸入信號較強時自動減小放大器的增益,而在輸入信號較弱時自動增大放大器的增益,以便保證在AGC作用范圍內(nèi)輸出電壓的均勻性,因此AGC電路實質(zhì)上是一個負反饋電路。
在發(fā)揮部分的第(3)項中,AGC功能放大器的折線化傳輸特性示意圖如圖1.2.2所示。本題定義


圖1.2.2 AGC功能放大器的折線化傳輸特性示意圖
要求輸出電壓有效值穩(wěn)定在范圍4.5V≤Uo≤5.5V內(nèi),即UOL≥4.5V,UOH≤5.5V。
1.2.1 題目分析
分析與歸類原題的基本要求和發(fā)揮部分后,可將本系統(tǒng)要完成的功能和技術(shù)指標(biāo)歸納如下:
(1)輸入阻抗大于等于1kΩ,單端輸入,輸入電壓為0.2mV~2V。
(2)輸出阻抗為600Ω,單端輸出,輸出電壓有效值Uo并顯示:

(3)-3dB通頻帶為10kHz~6MHz,在20kHz~5MHz頻率范圍內(nèi)增益起伏小于等于1dB(基本要求);進一步展寬通頻帶(發(fā)揮部分)。
(4)增益、增益控制范圍、步進及誤差:
最大增益大于等于40dB,增益調(diào)節(jié)范圍為10~40dB,步進為6dB,誤差小于等于2dB,需要顯示預(yù)置值(基本要求)。
最大增益大于等于58dB,增益調(diào)節(jié)范圍為10~58dB,步進為6dB,誤差小于等于2dB,需要顯示預(yù)置值(發(fā)揮部分)。
進一步提高增益,進一步擴大增益調(diào)節(jié)范圍,減小步進(發(fā)揮部分)。
(5)AGC范圍大于等于70dB(輸出電壓有效值穩(wěn)定在范圍4.5V≤Uo≤5.5V內(nèi))(發(fā)揮部分)。
(6)輸出噪聲電壓峰峰值Vpp≤0.5V。
(7)自制放大器所需的穩(wěn)壓電源。
(8)其他。
1.2.2 方案論證及比較
1.總體框圖及指標(biāo)分配
本系統(tǒng)的原理框圖如圖1.2.3所示。本系統(tǒng)由前置放大器、中間放大器、末級功率放大器、控制器、真有效值測量單元、鍵盤、顯示器及自制穩(wěn)壓電源等組成,其中前置放大器、中間放大器、末級功率放大器構(gòu)成信號通道。其主要技術(shù)指標(biāo)分配見表1.2.2。

圖1.2.3 系統(tǒng)原理框圖
表1.2.2 主要技術(shù)指標(biāo)分配一覽表

本設(shè)計有三個重點和難點:一是增益控制;二是自動增益控制(AGC);三是末級功率放大器的設(shè)計。增益控制和自動增益控制是兩個概念,它們有聯(lián)系但又有區(qū)別。請仔細閱讀題目要求及說明。
2.增益控制部分
?方案一:采用數(shù)字電位器取代反饋電阻的方法。
如圖1.2.3所示,中間放大器和末級功率放大器均采用電壓負反饋電路,通過改變反饋電阻來改變放大器的增益,例如采用1024個滑動端位置的數(shù)字電位器X9110或X9111。該方案采用兩級控制比較麻煩。
?方案二:采用D/A集成芯片的方法。
為便于實現(xiàn)最大60dB增益的調(diào)節(jié),可以采用D/A芯片AD7520的電阻網(wǎng)絡(luò)改變反饋電壓,進而控制電路增益。考慮到AD7520是一款廉價的10位D/A芯片,輸出Uout=DnUref /210,其中Dn為10位數(shù)字量輸入的二進制值,可滿足210=1024擋增益調(diào)節(jié),因此滿足題目的精度要求。AD7520由CMOS電流開關(guān)和梯形電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡單等特點,因此可以采用AD7520來實現(xiàn)信號的程控衰減。然而,由于AD7520對輸入?yún)⒖茧妷?span id="kufse4w" class="italic">Uref有一定的幅度要求,因此具體實現(xiàn)起來比較復(fù)雜,而且轉(zhuǎn)換時的非線性誤差大,帶寬只有幾千赫茲,不滿足頻帶要求。
?方案三:采用可調(diào)增益放大器AD603的方法。
根據(jù)題目對放大電路增益可控的要求,考慮直接選可調(diào)增益的運算放大器實現(xiàn),如運算放大器AD603,其內(nèi)部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成,加在梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)過衰減后,由固定增益放大器輸出,衰減量由加在增益控制接口的參考電壓決定,而該參考電壓可通過單片機進行運算并控制D/A芯片的輸出控制電壓得到,進而實現(xiàn)較為精確的數(shù)字控制。此外,AD603能提供從直流到30MHz以上的工作帶寬,單級實際工作時可提供超過20dB的增益,兩級級聯(lián)后可得到40dB以上的增益,通過后級放大器放大輸出,在高頻時也可提供超過60dB的增益。這種方法的優(yōu)點是電路集成度高,條理較清晰,控制方便,易于數(shù)字化處理。
方案比較:因方案一調(diào)整麻煩,方案二的帶寬達不到題目要求,方案三能滿足題目要求,所以選擇方案三。
3.自動增益控制部分
自動增益控制部分采用可調(diào)增益放大器AD603。AD603的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2.4所示。它由增益控制、精確衰減器和固定增益放大器三部分組成。

圖1.2.4 AD603的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
當(dāng)引腳5與引腳7短路時,固定增益放大器的電壓放大倍數(shù)為

電壓增益為Gu=20lgAu≈31dB。
整個AD603的增益為40UG+10,當(dāng)UG在-0.5~+0.5V范圍內(nèi)變化時,增益控制范圍為-10~+30dB。
根據(jù)題目發(fā)揮部分的要求,最大增益應(yīng)不小于58dB,顯然一級AD603不滿足要求,必須選用兩個AD603串聯(lián)構(gòu)成增益控制放大器。二級電壓增益為

(1.2.1)
當(dāng)UG在-0.5~+0.5V范圍內(nèi)變化時,Gu的變化范圍為-20~+60dB,完全滿足題目關(guān)于增益的要求。
下面重點討論如何利用AD603實現(xiàn)自動增益控制(AGC)。
?方案一:由圖1.2.3可知,系統(tǒng)信號主通道由三部分構(gòu)成。
設(shè)前置放大器的放大倍數(shù)為Au1=1,末級放大器的放大倍數(shù)Au3=10,中間放大器的放大倍數(shù),系統(tǒng)總電壓放大倍數(shù)為

(1.2.2)
于是有

(1.2.3)
由式(1.2.3)可知,輸出電壓Uo與輸入電壓Ui成正比,與UG有一一對應(yīng)的指數(shù)關(guān)系。
一般而言,Ui是未知的,而Uo可以通過真有效值電路測量得到,測得Uo時UG也是預(yù)置的(已知的),于是可以利用式(1.2.3)算得Ui的即時值,即

(1.2.4)
根據(jù)題目要求,AGC要求輸出電壓穩(wěn)定在。
令Uo=5V,由于Ui已算出,于是根據(jù)式(1.2.4)可算出對應(yīng)的控制電壓值UG。將式(1.2.4)轉(zhuǎn)換成

(1.2.5)
此時,由單片機控制輸入一個新的控制電壓UG給增益可調(diào)AD603,便在輸出端得到一個穩(wěn)定的電壓值5V。
控制過程如下:設(shè)定一個數(shù)字量D→D/A轉(zhuǎn)換為UG→測量輸出電壓真有效值Uo→計算即時的Ui值→計算值Uo=5V時對應(yīng)的值→由控制器輸入
的值得到Uo=5V。
輸入電壓Ui改變時,Uo也會改變。Uo超過(5±0.5)V時,立即按照上述過程對UG進行修正,使Uo穩(wěn)定在約5V。
?方案二:由方案一可知,Ui的值是由控制器計算得到的。
如果能實時測出Ui的值,那么可以立即算出即時的控制電壓值UG。在算出的UG控制下,輸出Uo為恒定值5V。然而,AD603測量小信號時會帶來較大的誤差。解決辦法是先將輸入的小信號放大(×1、×10、×100),使其達到AD603能接受的范圍。
方案比較:因為輸出電壓有效值要求測量,而輸入電壓有效值不要求測量,采用方案二時會增加一些硬件工作量,因此選擇方案一。
4.功率輸出部分(末級功率放大器)
根據(jù)題目要求,放大器的通頻帶為10kHz~6MHz,單純地采用音頻或射頻放大的方法來完成功率輸出時,要做到6V有效值輸出難度較大,而采用高電壓輸出的運算放大器又不太現(xiàn)實,因為市場上很難買到寬帶功率運算放大器。因此,這時采用分立元器件明顯就具有優(yōu)勢。
5.測量有效值部分
?方案一
利用高速ADC對電壓進行采樣,將一個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入單片機并計算其均方根值,即可得到電壓有效值,即

(1.2.6)
此方案具有抗干擾能力強、設(shè)計靈活、精度高等優(yōu)點,但調(diào)試?yán)щy,高頻時采樣困難且計算量大,增加了軟件的難度。
?方案二
對信號進行精密整流并積分,得到正弦電壓的平均值,再進行ADC采樣,利用平均值和有效值之間的簡單換算關(guān)系,算出并顯示有效值。只用簡單的整流濾波電路和單片機就能完成交流信號有效值的測量,但此方法對非正弦波的測量會導(dǎo)致較大的誤差。
?方案三
采用集成有效值/直流變換芯片,直接輸出被測信號的真有效值。這樣做可以實現(xiàn)對任意波形的有效值測量。
綜上所述,我們采用方案三,變換芯片選用AD637。AD637是有效值/直流變換芯片,它可測量的信號有效值高達7V,精度優(yōu)于0.5%,并且外圍元器件少,頻帶寬。對一個有效值為1V的信號的電平以dB形式指示,該方案的硬件及軟件均較為簡單,精度也很高,但不適用于高于8MHz的信號。
此方案硬件易于實現(xiàn),可以保證在8MHz以下測得的有效值的精度,在題目要求的通頻帶10kHz~6MHz內(nèi)精度較高。8MHz以上輸出信號可采用高頻峰值檢波的方法來測量。
1.2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
經(jīng)過上述方案論證并結(jié)合題目的任務(wù)與要求,不難構(gòu)思系統(tǒng)的總體框圖,如圖1.2.5所示。圖中將輸入緩沖60MHz寬帶放大器放在一個屏蔽盒內(nèi),將功率放大器放在另一個屏蔽盒內(nèi)。中間采用同軸電纜相連,目的在于抗干擾。

圖1.2.5 系統(tǒng)總體框圖
1.輸入緩沖和增益控制部分
圖1.2.6所示為輸入緩沖和增益控制電路。由于AD637的輸入電阻僅為100Ω,要滿足輸入電阻大于1kΩ的要求,就必須加入輸入緩沖部分;另外,前級電路對整個電路的噪聲影響非常大,必須盡量減小噪聲。因此,采用高速低噪聲電壓反饋型運算放大器OPA642做前級隔離,同時在輸入端加上二極管過電壓保護。

圖1.2.6 輸入緩沖和增益控制電路
輸入部分先用電阻分壓衰減,再由低噪聲高速運算放大器OPA642放大。OPA642的電壓峰峰值不超過其極限值(2V),輸入阻抗大于2.4kΩ。OPA642的增益帶寬積為400MHz,放大倍數(shù)為3.4,100MHz以上的信號被衰減。輸入/輸出口P1、P2由同軸電纜連接,以防止自激。級間耦合采用電解電容并聯(lián)高頻瓷片電容的方法,兼顧高頻和低頻信號。
增益控制部分裝在屏蔽盒中,盒內(nèi)采用多點接地和就近接地的方法避免自激,部分電容、電阻采用貼片封裝,使得輸入級連線盡可能短。該部分采用AD603典型接法中通頻帶最寬的一種,通頻帶為90MHz,增益為-10~+30dB,輸入控制電壓UG的范圍為-0.5~+0.5V。圖1.2.7所示為AD603接成90MHz帶寬的典型電路。

圖1.2.7 AD603接成90MHz帶寬的典型電路
增益和控制電壓的關(guān)系為GG(dB)=40UG+10,一級的增益控制范圍僅為40dB,使用兩級串聯(lián)時增益為-20~+60dB,滿足題目要求。
由于兩級放大電路的幅頻響應(yīng)相同,所以當(dāng)兩級AD603串聯(lián)后帶寬會有所下降,串聯(lián)前的各級帶寬約為90MHz,串聯(lián)后的總3dB帶寬為60MHz。
2.功率放大部分
功率放大部分的原理圖如圖1.2.8所示。參考音頻放大器中的驅(qū)動級電路,考慮到負載電阻為600Ω,輸出有效值大于6V,而AD603輸出的最大有效值約為2V,因此選用兩級三極管進行直接耦合和發(fā)射結(jié)直流負反饋來構(gòu)建末級功率放大器,第一級進行電壓放大,整個功率放大電路的電壓增益在第一級,第二級進行電壓合成和電流放大,將第一級輸出的雙端信號變成單端信號,同時提高通頻帶負載能力,如果需要更大的驅(qū)動能力,那么要在后級中增加三極管跟隨器,實際上加上跟隨器后通頻帶急劇下降,原因是跟隨器的結(jié)電容被等效放大,當(dāng)輸入信號頻率很高時,輸出級直流電流很大而輸出信號很小。使用兩級放大足以滿足題目的要求。選用NSC公司的2N3904和2N3906三極管(特征頻率fT=250~300MHz)可達到25MHz的寬帶。整個電路設(shè)有頻率補償,可對DC到20MHz的信號進行線性放大,在20MHz以下增益非常平穩(wěn)。為穩(wěn)定直流特性,將反饋回路用電容串聯(lián)接地,加大直流負反饋,但會使低頻響應(yīng)變差,實際上這樣做只是把通頻帶的下限截止頻率fL從DC提高到了1kHz,但電路的穩(wěn)定性提高了許多。

圖1.2.8 功率放大部分的原理圖
本電路采用電壓串聯(lián)負反饋電路,其放大倍數(shù)為

整個功率放大電路的放大倍數(shù)Aud≈10。通過調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)增益。根據(jù)AGC的原理分>析,這一級增益要求準(zhǔn)確地調(diào)在Aud=10上。
3.控制部分
控制部分由51系列單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和精密基準(zhǔn)源組成,如圖1.2.9所示。使用12位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADS7816T、ADS7841(便于同時測量真有效值和峰值)和12位串行雙D/A轉(zhuǎn)換器芯片TLV5618。精密基準(zhǔn)源采用帶隙基準(zhǔn)電壓源MC1403。

圖1.2.9 控制部分框圖
4.穩(wěn)壓電源部分
穩(wěn)壓電源部分的電路圖如圖1.2.10所示,輸出±5V、±15V電壓供給整個系統(tǒng)。

圖1.2.10 穩(wěn)壓電源部分的電路圖
5.正弦電壓有效值的計算
AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1.2.11所示。根據(jù)AD637芯片手冊,真有效值的經(jīng)驗公式為

(1.2.7)
式中,Uin為輸入電壓,Urms為輸出電壓有效值。

圖1.2.11 AD637的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
6.抗干擾措施
系統(tǒng)的總增益為0~80dB,前級輸入緩沖和增益控制部分的增益最大可達60dB,因此抗干擾措施必須要做得很好才能。避免自激和減小噪聲的方法如下:
(1)在布線過程中,將輸入緩沖級、增益控制部分和功率放大部分按順序一條龍放置。輸入插孔與輸出插孔分別在印制板的兩端引出。輸入、輸出均采用同軸電纜連接。各級分別裝在屏蔽盒內(nèi),防止級間及前級與末級之間的電磁耦合,有利于系統(tǒng)工作穩(wěn)定,避免自激。
(2)電源隔離:各級供電采用電感隔離,輸入級和功率放大級采用隔離供電,輸入級電源靠近屏蔽盒就近接上1000μF電解電容,盒內(nèi)接高頻瓷片電容到地,通過這種方法可避免低頻自激。
(3)地線隔離:各級地線要分開,特別是輸入級、增益控制部分與功率放大級、控制部分的地線一定要分開,并且用電感隔離。防止末級信號和控制部分的脈沖信號通過公共地線耦合至輸入級。在輸入級,將整個運算放大器用較粗的地線包圍,除信號走線、電源線外,其余部分均作為地線,形成大面積接地,以便吸收高頻信號,進而減少噪聲。在增益控制部分和功率放大部分也可以采用此方法。
(4)數(shù)模隔離:數(shù)字部分和模擬部分除采用電源和地線隔離外,還要注意數(shù)字電路部分的脈沖信號通過空間感應(yīng)到模擬部分。因此,數(shù)字電路部分與模擬電路部分之間要有一定的距離,整個模擬部分甚至要屏蔽。
(5)輸入級和增益控制部分要選擇噪聲低的元器件,如電阻一律采用金屬膜電阻,以避免內(nèi)部噪聲過大。
(6)級間耦合:在有條件的情況下最好采用直接耦合,若需要電容耦合,則必須采用電解電容與高頻瓷片電容并聯(lián)進行耦合,避免高頻增益下降。
(7)其他:同一級放大部分的地線與電源線均分別接在同一點,去耦電感和電容參數(shù)不能相同。
1.2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計及流程圖
本系統(tǒng)的單片機控制部分采用反饋控制方式,通過輸出電壓采樣來控制電壓增益。由于AD603的設(shè)定增益與實際增益之間存在誤差,因此軟件上還要進行校正。軟件流程圖如圖1.2.12所示,AGC子程序流程圖如圖1.2.13所示。

圖1.2.12 軟件流程圖

圖1.2.13 AGC子程序流程圖
1.2.5 系統(tǒng)調(diào)試和測試結(jié)果
1.測試方法
將各部分電路連接起來,首先調(diào)整0dB,使輸出信號幅度和輸入信號幅度相等;然后接上600Ω的負載電阻,進行整機測試。
2.測試結(jié)果
(1)輸入阻抗:電路的設(shè)計能保證輸入阻抗大于1kΩ,滿足題目要求。
(2)輸出電壓有效值測量:輸入加100kHz正弦波,調(diào)節(jié)電壓和增益測得不失真最大輸出電壓有效值為9.30~9.50V,達到題目大于等于6V的要求。
(3)輸出噪聲電壓測量:增益調(diào)到58dB,輸入端短路時,輸出電壓峰峰值約為300mV,滿足輸出噪聲電壓小于等于0.5V的要求。
(4)頻率特性測量:增益設(shè)為40dB擋,輸入端加10mV正弦波,由于信號源不能保證不同頻段的10mV正弦波幅度穩(wěn)定,因此每次測量前要先調(diào)節(jié)信號源,使得輸入信號保持為約10mV,再測量輸出信號。頻率特性測試數(shù)據(jù)見表1.2.3,幅頻特性曲線如圖1.2.14所示。
表1.2.3 頻率特性測試數(shù)據(jù)


圖1.2.14 幅頻特性曲線
由表1.2.3中的數(shù)據(jù)和圖1.2.14所示的曲線可知,3dB通頻帶在低頻端達到1kHz,在高頻端超過20MHz,由于信號源無法產(chǎn)生頻率大于20MHz的信號,因此無法測量;從5MHz以上增益的趨勢來看,最終通頻帶的高頻端應(yīng)該大于20MHz,比較符合后級功率放大的理論高頻截止頻率為25MHz的要求。在20kHz~5MHz頻帶內(nèi),增益起伏小于等于0.2dB。
(5)增益誤差測量:輸入端加有效值為10mV、頻率為1MHz的正弦信號,保持幅度穩(wěn)定,然后預(yù)設(shè)增益值測量輸出信號來計算增益誤差。增益誤差測試數(shù)據(jù)見表1.2.4。
表1.2.4 增益誤差測試數(shù)據(jù)

由表1.2.4中可以看出增益誤差在0.2dB內(nèi),頻率較高時,隨著輸出電壓的增大,增益有下降的趨勢,這是因為后級功放管的工作狀態(tài)即將接近飽和,通過提高后級電源電壓可以使增益更加穩(wěn)定。
實現(xiàn)了發(fā)揮部分增益步進為1dB、增益在0~80dB之間可調(diào)的功能。0dB放大是后級功率放大的調(diào)零點,需要事先校正,所有大于0dB的增益都以0dB為基準(zhǔn)。
測量58dB以上的增益時,以10mV輸入會使得輸出飽和,故采用固定輸出的方法:給定增益,然后減小輸入信號,使得輸出信號有效值保持為7.00V,再計算增益。高增益測試數(shù)據(jù)見表1.2.5。
表1.2.5 高增益測試數(shù)據(jù)

高增益時,輸入信號的噪聲較大,實際波形不理想,但有效值的變化范圍不大。增益達到80dB時,輸入1mV就能使輸出飽和,噪聲電平和信號電平差不多,只能看到噪聲信號中有輸入信號的輪廓,并且這時用示波器無法測量輸入信號電壓有效值,但輸出卻有和輸入同頻率的正弦波。由于示波器測量的是電壓有效值,當(dāng)信號很小時誤差較大,所以增益高時誤差較大。從變化趨勢來看,放大80dB的誤差應(yīng)該小于2dB,滿足題目要求。從整體來看,設(shè)計的放大器的增益為0~80dB,步進為1dB,60dB以下的增益誤差小于等于0.2dB。
(6)自動增益控制(AGC)測量:將放大器切換到AGC模式,改變輸入信號電壓,觀察輸出信號并記錄輸出電壓。由于采用單片機控制增益,AGC范圍和增益控制范圍一致,理論上AGC增益范圍為0~80dB。設(shè)定AGC輸出電壓范圍為4.5~5.5V,把輸入信號調(diào)到1MHz,將有效值從1mV起向上調(diào),測量輸出電壓有效值。自動增益控制測試數(shù)據(jù)見表1.2.6。
表1.2.6 自動增益控制測試數(shù)據(jù)

由表1.2.6可知,輸入信號從1mV變化到2V,輸出信號變化范圍不超過0.2V,當(dāng)輸入信號有效值大于2V時,輸入保護電路開始起作用,輸出端得到的是畸形的正弦波,故無法測量到增益為0dB的情況。
輸入信號變化范圍為20lg(2000/1)≈66dB,輸出信號范圍為20lg(5.12/4.98)≈0dB,所以得到AGC范圍為66-0=66dB。
調(diào)節(jié)AGC輸出電壓范圍可讓功放輸出在0.1~6.5V之間,AGC的最小間隔為0.1V,若將輸出信號限制在范圍1.0~1.1V內(nèi),則AGC范圍將達到70dB以上。
(7)輸出電壓測量:通過數(shù)碼管顯示輸出電壓的有效值,與實際測量值比較,誤差小于等于5%。
3.誤差分析
實驗測量誤差的主要來源是電磁干擾,由于實驗場地有許多計算機和儀器使用開關(guān)電源,電磁噪聲很大,而且所用同軸電纜的屏蔽效果不好,因此當(dāng)輸入端短路時測得的噪聲電壓會隨輸入短接方式的不同而有很大誤差。
4.測試性能總結(jié)
本設(shè)計偏重于模擬電路處理,得到了很高的增益和較小的噪聲。采用多種抗干擾措施來處理前級放大,選用集成芯片進行增益控制,利用分立元器件進行后級功率放大,放棄了較難買到的寬帶功率運算放大器,因而設(shè)計很靈活,也很容易實現(xiàn)。測試結(jié)果全面達到設(shè)計要求,多個技術(shù)指標(biāo)甚至超出要求,在AGC算法上尤其有獨特之處。
注意:此題在培訓(xùn)過程中必做,但在安裝調(diào)試圖1.2.8所示的電路時,三極管2N3904和2N3906的引腳e、b、c是根據(jù)因特網(wǎng)提供的資料焊接的,經(jīng)實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)均有問題,甚至?xí)龎墓Ψ殴埽蚴且蛱鼐W(wǎng)上提供的資料有誤,e、c兩個引腳接錯,因此在焊接之前應(yīng)先用三用表對三極管進行測試并判斷引腳e、b、c,然后再進行焊接。
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