吳艷玲

摘 要：本文介紹了基于STM32F103VCT6的程控寬帶放大器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)以低功耗單片機(jī)STM32F103VCT6為控制核心，由前級(jí)放大模塊、增益控制模塊、帶寬預(yù)置模塊、后級(jí)放大模塊、功率放大模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和按鍵及顯示模塊等組成。該系統(tǒng)具有0～60dB范圍內(nèi)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)、5dB程控步進(jìn)調(diào)節(jié)的功能和增益顯示的功能，并達(dá)到10V有效值輸出。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了合理的阻抗匹配，規(guī)范的線(xiàn)路布局，并綜合考慮了去耦、濾波，以及使用同軸電纜屏蔽干擾，減少高頻信號(hào)的噪聲和自激，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：STM32F103VCT6；程控放大；寬帶

中圖分類(lèi)號(hào)：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

寬帶放大器廣泛應(yīng)用于電視圖像信號(hào)放大、測(cè)量?jī)x器、音響設(shè)備等，放大器的性能指標(biāo)直接影響設(shè)備的質(zhì)量，其主要的指標(biāo)體現(xiàn)在帶寬、頻率響應(yīng)平坦度、增益可調(diào)范圍、輸出能力等方面。以往寬帶放大器通常以電阻器為放大器的負(fù)載，以電容器作級(jí)間耦合，為了擴(kuò)展帶寬，除了使增益較低以外，通常還需要采用高頻和低頻補(bǔ)償措施，補(bǔ)償因級(jí)間耦合電容的影響而引起的增益下降。本文研究的程控寬帶放大器在保證0～10MHz的帶寬的同時(shí)，解決了一般放大器的低增益問(wèn)題，選用壓控增益芯片VCA810，以及多級(jí)放大直接耦合的電路結(jié)構(gòu)，可以使放大器在10MHz帶寬時(shí)，仍然能達(dá)到60dB的最高增益，而且能夠?qū)崿F(xiàn)0～60dB范圍內(nèi)手動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)由前級(jí)放大模塊、增益控制模塊、帶寬預(yù)置模塊、后級(jí)放大模塊、功率放大模塊、直流穩(wěn)壓電源模塊和按鍵及顯示模塊等組成。各模塊間關(guān)系如圖1所示，前級(jí)放大采用高速帶寬集成運(yùn)放器。壓控增益芯片VCA810高增益在-40dB到40dB線(xiàn)性范圍，增益控制帶寬達(dá)到30MHz，可直接采用VCA810對(duì)已進(jìn)行小倍數(shù)放大的信號(hào)進(jìn)行再次放大或衰減。該方案方便、穩(wěn)定，可操作性強(qiáng)。一般無(wú)源濾波指通過(guò)電感和電容的匹配對(duì)某次諧波并聯(lián)低阻（調(diào)諧濾波）狀態(tài)，給某次諧波電流構(gòu)成一個(gè)低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會(huì)流入系統(tǒng)。無(wú)源濾波的優(yōu)點(diǎn)為成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對(duì)成熟，容量大。功率放大采用單片集成寬帶運(yùn)算放大器THS3091，提供較高的輸出電壓，再通過(guò)并聯(lián)運(yùn)放的方式擴(kuò)流輸出，以滿(mǎn)足負(fù)載要求，該方案電路較簡(jiǎn)單，容易調(diào)試，易于控制零點(diǎn)漂移。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 前級(jí)放大電路

前級(jí)放大電路使用集成芯片OPA820對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，采用同相輸入的方式對(duì)信號(hào)放大，反饋電阻使用滑阻，易于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。在高頻電路中，電源要進(jìn)行濾波和防自激振蕩處理，以避免電路中的信號(hào)干擾和保護(hù)芯片，避免因自激振蕩而損壞芯片，如圖2所示。

3.2 增益放大電路

采用VCA810程控增益放大芯片對(duì)增益放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。VCA810的增益可以在-40dB到40dB之間進(jìn)行調(diào)整，增益控制范圍廣。但此芯片需要0～-2V電壓控制，所以要將單片機(jī)DAC輸出需設(shè)置成鎖存電壓輸出且需要加一級(jí)反相器才能輸出負(fù)電壓，如圖4所示。

3.3 濾波電路

由于在0～9MHZ通頻帶內(nèi)增益起伏 ，所以做好濾波是關(guān)鍵，采用的是巴特沃斯無(wú)源濾波，因?yàn)榘吞匚炙篂V波在通頻帶內(nèi)幅度變化較平坦，在截止頻率衰減快，而集成運(yùn)放的帶寬有限，采用無(wú)源的濾波對(duì)電s路進(jìn)行濾波，使用Filter-solution軟件快速設(shè)計(jì)出合適的低通濾波器并用multisim進(jìn)行軟件仿真，如圖5所示。

3.4 后級(jí)放大電路

此電路與前級(jí)放大一樣，使用OPA820對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，如圖6所示。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析

從信號(hào)發(fā)生器取不同頻率對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，從數(shù)字示波器和數(shù)字萬(wàn)用表中記錄對(duì)應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生的變化數(shù)據(jù)。分別對(duì)5MHz和10MHz的低通濾波器進(jìn)行通頻帶平坦度測(cè)試如表1和表2：

通過(guò)上表對(duì)5MHz和10MHz電路的分析可以知道，在0～4M，0～9M通頻帶內(nèi)很平坦，完全符合通頻帶增益起伏≤1dB，步進(jìn)增益也符合要求。

5 小結(jié)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大器具有高帶寬、高增益以及增益可調(diào)、帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在前級(jí)放大中，采用寬帶放大芯片OPA820對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)壓控放大器VCA810對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。最后通過(guò)低噪聲電流反饋運(yùn)放THS3091進(jìn)行功率放大，提高帶負(fù)載能力，并達(dá)到10V有效值輸出。制作PCB時(shí)，PCB板子畫(huà)小一點(diǎn)，事先布局好，節(jié)約材料，線(xiàn)寬線(xiàn)距適當(dāng)大一點(diǎn)才好焊接，高頻座要焊接牢固。調(diào)試時(shí)，PCB板不要刮花了，如果刮花了，成板之后一定拿電表打一下是否斷了。前級(jí)放大調(diào)好波形，使波形正負(fù)對(duì)稱(chēng)，避免使用加法器而讓電路復(fù)雜化。

參考文獻(xiàn)：

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（本文審稿 李正發(fā)）