一种高输出电压的增益带宽可调的程控放大器设计

赵中琦，崔 鸣，张 新

(1.苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104；2.合肥学院 计算机科学与技术系，安徽 合肥 230601)

在智能数据采集系统或自动化仪器中，当被测信号的幅值变化范围很大时，为了保证测量精度的一致性，经常采取改变量程的办法。当改变量程时，测量放大器的增益也需要相应地加以改变，这种切换通常是自动进行，即不需要人为改变电路连接，而是通过软件实现放大器增益的改变。这种通过程序或指令控制而改变其增益等性能的放大器被称为程控放大器。程控放大器可以通过单片机、嵌入式微处理器等来控制其增益的改变[1-3]。

普通放大器最大输出电压与运算放大器的电源电压相近，而在一些场合，如压电致动电路、电机驱动电路、可编程控电源等电路中，要求的输出电压比运算放大器的电源电压高，因此需要设计升压电路，使放大器可以输出高电压。结合以上两种功能的高输出电压程控放大器，具有十分广阔的应用前景[4]。

1 系统总体设计方案

本研究设计了一种以单片机为基础的可输出高电压的程控放大器，本设计以STM32F103微控制器为核心，实现增益带宽分别可调的放大器。前期电压放大部分采用压控放大和功率输出两级放大，总增益可达到46 dB。然后经过升压器模块抬升电压，可使最大输出电压的峰峰值达到±50 V。系统整体设计框图如图1所示。

微控制器STM32F103接收到键盘设置的信号后，通过D/A转换模块，产生相对应的控制压控放大器的电压，从而实现系统增益和截止频率可预置，其中增益步进为1 dB。

利用频率采样模块，将输入信号的频率采集出来并通过微控制器的定时器模块计数，可得到当前信号的频率。利用真有效值转换器，将放大信号的有效值提取出来，并通过微控制器的A/D转换得到放大信号的有效值。然后将放大信号的有效值和频率等信息通过LCD液晶器显示出来[5-7]。

稳压模块为整个系统提供电压源。不同的芯片所需电压不同，其中微控制器及其相关系统电压为3.3 V，运算放大器的电压为±15 V，升压模块电路电压为±55 V。

图1 系统整体框图

2 电路设计与参数计算

2.1 显示和控制模块

系统的核心控制器采用STM32F103RET6，该系列芯片采用高性能的ARMV7 Cortex-M3 版本内核，工作频率最高可达72 MHz，它内置高128 K字节的FLASH和20 K字节的SRAM，同时具备丰富的增强I/O端口和外设：包含16通道12位的ADC、4个通用16位定时器、电机控制P W M 接 口等，可 以满足整个系统设计的需要[8]。STM32F103与LCD和键盘的接口电路见图2。LCD采用的是12864液晶屏，可显示系统的预设增益和截止频率以及当前信号频率等信息。键盘用来设定和调节系统的电压增益和上限截止频率，以及设定系统不同的工作模式。

图2 显示与控制模块电路图

2.2 压控放大模块

压控放大模块的电路图如图3所示。该模块是由可变增益放大器VCA810构成的一级放大电路。VCA810为TI公司的高带宽可调增益压控放大器，其特性包括：增益可调范围-40～+40 dB；增益控制准确度1.5 dB；差分输入单端输出；不变的增益带宽35 MHz；高增益线性度±0.3 dB；增益控制带宽25 MHz；低输出DC误差小于40 mV；

高输出电流 60 mA；低工作电流24.8 mA。VCA810的工作原理是通过对其压控引脚3施加直流电压来控制增益的大小。控制电压与增益的函数关系式为：

图3 压控放大模块电路图

当压控引脚3的电压Vc从0 V变化到-2 V时，增益从-40 dB线性地变化到+40 dB。

VCA810的控制电压通过微控制器的12位D/A转换模块来产生，由于控制器不能产生负电压，所以DA后需接一个G=-1的电压反相器。

2.3 升压器模块

升压器模块包括电压放大电路、升压器电路和阻抗匹配电路三部分组成[4]。电压放大电路可以进一步将信号放大2倍。电压放大器与升压器相组合，从升压器的输出端子到放大器的输入端子引入反馈，可以输出比电压放大器的电源电压还要高的高电压。升压器电路是使用晶体管发射极接地电路，其输出阻抗较高。为了使电路连接低阻抗负载时稳定，在末端加入了射极跟随器，使输出阻抗变低。升压模块的示意图如图4所示，其详细电路图如图5所示。下面分别进行说明。

二级电压放大电路由THS3091运算放大器构成，该运放带宽可达到200 MHz(G=2时)，供电电压为±15 V，可由稳压模块提供电源。其放大倍数由电阻R3和R4决定，设定为2倍。至此整个系统的最大增益可达到46 dB。

升压器部分采用NPN和PNP对称的晶体管组成发射极接地的推挽放大电路。为使整个电路的最大输出电压达到±50 V，Tr1与Tr2的集电极与发射极之间的最大额定电压UCEO为110 V。

阻抗匹配电路是利用推挽设计跟随器实现的。Tr3与Tr4为晶体管，其集电极与发射极之间的最大额定电压UCEO为110 V，发射极的偏置电流为5 mA 。通过计算选择合适的电阻值，便可以实现电压的放大与抬升。

图5 升压器模块详细电路图

2.4 频率采样模块

2.4.1 频率测量

图6 频率采样电路

所用频率采样电路见图6所示，频率采样模块主要由四个部分组成，输入信号经过一级放大以后，再通过直流偏置电路将电压抬升，使电压范围可以满足后级的比较电路。然后信号经过比较器进行整形以及通过SN74LVC1G14施密特反相器进行电压转换，最终将频率与输入信号一致的方波信号送给单片机的定时器，进行频率测量。

2.4.2 上限截止频率预设

详见2.2节压控放大模块中的介绍，通过改变程控放大器VCA810的压控引脚3的直流电压值，来控制放大倍数，增益大小最低可以达到-40 dB。

在程序中，将用户用键盘设定的截止频率f1与测量频率f2进行比较，若f1

2.5 程序流程图

系统基本要求操作软件流程图见图8，采用模块化操作，主要包括模式选择、A/D转换、控制按键、定时器测频率、控制LCD显示等[9]。

图7 上限截止频率预设示意图

图8 操作软件流程图

3 系统调试与测试结果

3.1 测试设备

所需测试的设备及其型号见表1所示。

3.2 测试方法与测试数据

3.2.1 测量系统上限截止频率

1) 测试目的：测量系统在最大增益下的上限截止频率。

2) 测试方法：首先将系统设定为最大增益46 dB，然后用信号发生器产生固定幅值的正弦波，(峰峰值为200 mVpp)，不断调整信号的频率，用示波器观察输出信号大小。

3) 测试结果：系统在最大增益下的上限截止频率在10 MHz左右，系统带宽测试曲线见图9。

3.2.2 测试系统输出电压峰值及增益衰减斜率

表1 测试设备

1) 测试目的：测试最大不失真输出电压峰峰值；预置放大器的上限截止频率，测试信号大于上限截止频率后，增益随频率的衰减斜率。

2) 测试结果：系统最大不失真输出电压峰峰值为51.6 V；通过键盘可以准确地预置上限截止频率，当测试信号大于设定的上限截止频率后，增益随频率的衰减斜率大于-40 dB/十倍频程。

3.2.3 信号实际频率与测量显示频率对比

1) 测试目的：对信号实际频率与测量显示频率进行对比。

2) 测试方法：用信号发生器产生输入信号，固定输入信号的峰峰值为100 mVpp，不断改变输入信号频率，记录LCD显示的信号频率，并将二者进行对比。

3) 测试结果：通过微控制器测量的信号频率与实际信号频率的误差值最大为0.5%，测试结果见表2。

图9 系统带宽测试曲线图

表2 系统频率误差测试结果

4 结论

设计了一种高输出电压的增益带宽可调的程控放大器，该系统以STM32F103微控制器为核心，实现了增益和带宽分别可调放大，可利用键盘设定系统的增益和截止频率，并通过LCD实时显示出来。 对STM32F103编程，通过D/A输出电压，然后利用电位器分压控制压控放大器VCA810来控制实现整个系统增益在-34～46 dB范围内连续可调，并能够通过键盘预设，步进为1 dB。同时，微控制器结合频率采样模块，实现了任意设定系统的上限截止频率的功能。结合升压器电路，最大输出电压峰峰值可达到±50 V，可应用在需要高输出电压的场合。整个系统具有较好的稳定性，软件设计简单，计算量小，测试误差小，具有较高的实用价值。