基于STM32F103VCT6的程控宽带放大器设计

吴艳玲

摘 要：本文介绍了基于STM32F103VCT6的程控宽带放大器设计系统，本设计以低功耗单片机STM32F103VCT6为控制核心，由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、后级放大模块、功率放大模块、直流稳压电源模块和按键及显示模块等组成。该系统具有0～60dB范围内手动连续调节、5dB程控步进调节的功能和增益显示的功能，并达到10V有效值输出。在系统设计中，采用了合理的阻抗匹配，规范的线路布局，并综合考虑了去耦、滤波，以及使用同轴电缆屏蔽干扰，减少高频信号的噪声和自激，提高了系统的稳定性。

关键词：STM32F103VCT6；程控放大；宽带

中图分类号：TM774 文献标识码：A

1 引言

宽带放大器广泛应用于电视图像信号放大、测量仪器、音响设备等，放大器的性能指标直接影响设备的质量，其主要的指标体现在带宽、频率响应平坦度、增益可调范围、输出能力等方面。以往宽带放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合，为了扩展带宽，除了使增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，补偿因级间耦合电容的影响而引起的增益下降。本文研究的程控宽带放大器在保证0～10MHz的带宽的同时，解决了一般放大器的低增益问题，选用压控增益芯片VCA810，以及多级放大直接耦合的电路结构，可以使放大器在10MHz带宽时，仍然能达到60dB的最高增益，而且能够实现0～60dB范围内手动连续调节。

2 系统总体框图

本系统由前级放大模块、增益控制模块、带宽预置模块、后级放大模块、功率放大模块、直流稳压电源模块和按键及显示模块等组成。各模块间关系如图1所示，前级放大采用高速带宽集成运放器。压控增益芯片VCA810高增益在-40dB到40dB线性范围，增益控制带宽达到30MHz，可直接采用VCA810对已进行小倍数放大的信号进行再次放大或衰减。该方案方便、稳定，可操作性强。一般无源滤波指通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态，给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。功率放大采用单片集成宽带运算放大器THS3091，提供较高的输出电压，再通过并联运放的方式扩流输出，以满足负载要求，该方案电路较简单，容易调试，易于控制零点漂移。

3 系统硬件电路设计

3.1 前级放大电路

前级放大电路使用集成芯片OPA820对小信号进行放大，采用同相输入的方式对信号放大，反馈电阻使用滑阻，易于调节放大倍数。在高频电路中，电源要进行滤波和防自激振荡处理，以避免电路中的信号干扰和保护芯片，避免因自激振荡而损坏芯片，如图2所示。

3.2 增益放大电路

采用VCA810程控增益放大芯片對增益放大电路进行设计，如图3所示。VCA810的增益可以在-40dB到40dB之间进行调整，增益控制范围广。但此芯片需要0～-2V电压控制，所以要将单片机DAC输出需设置成锁存电压输出且需要加一级反相器才能输出负电压，如图4所示。

3.3 滤波电路

由于在0～9MHZ通频带内增益起伏 ，所以做好滤波是关键，采用的是巴特沃斯无源滤波，因为巴特沃斯滤波在通频带内幅度变化较平坦，在截止频率衰减快，而集成运放的带宽有限，采用无源的滤波对电s路进行滤波，使用Filter-solution软件快速设计出合适的低通滤波器并用multisim进行软件仿真，如图5所示。

3.4 后级放大电路

此电路与前级放大一样，使用OPA820对信号进行放大，通过滑动变阻器调节放大倍数，如图6所示。

4 测试数据与分析

从信号发生器取不同频率对系统进行测试，从数字示波器和数字万用表中记录对应信号产生的变化数据。分别对5MHz和10MHz的低通滤波器进行通频带平坦度测试如表1和表2：

通过上表对5MHz和10MHz电路的分析可以知道，在0～4M，0～9M通频带内很平坦，完全符合通频带增益起伏≤1dB，步进增益也符合要求。

5 小结

本系统设计的放大器具有高带宽、高增益以及增益可调、带负载能力强的特点。在前级放大中，采用宽带放大芯片OPA820对输入信号进行放大，然后经过压控放大器VCA810对放大倍数进行调节。最后通过低噪声电流反馈运放THS3091进行功率放大，提高带负载能力，并达到10V有效值输出。制作PCB时，PCB板子画小一点，事先布局好，节约材料，线宽线距适当大一点才好焊接，高频座要焊接牢固。调试时，PCB板不要刮花了，如果刮花了，成板之后一定拿电表打一下是否断了。前级放大调好波形，使波形正负对称，避免使用加法器而让电路复杂化。

参考文献：

[1] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 谢自美.电子线路设计（第三版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2015.

[3] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

（本文审稿 李正发）