基于VCA822的可编程增益放大器

宽带放大器在工业测量与控制领域应用广泛。在测量与控制电路中，宽带放大器是调理传感器输出信号的重要环节。传感器输出的电平信号通常不是规则的正弦信号，且输出电压范围往往变化很大，这就需要后级放大器具有较高的频带宽度和灵活的电压增益，因此，这里提出一种以压控增益放大器VCA822为核心的可编程宽带放大器，可实现通频带为100 Hz～15 MHz，放大器增益为10～58 dB，6 dB步进可调。该设计可通过矩阵式键盘设置放大器增益，液晶显示器显示输出电压，人机界面友好。

1 放大器设计及工作原理
    设计一个通过键盘设置增益，且具有AGC功能的宽带放大器。放大器输入端采用同相放大电路进行阻抗匹配，使输入电阻达到MΩ数量级。该系统设计分为宽带放大、峰值采样、人机交互等3个模块。
    宽带放大模块中电压增益可预置的功能是由VCA822实现。VCA822一款直流耦合型宽频带压控增益放大器，最大工作频带宽度可达150 MHz。放大器增益由控制电压和外围电阻阻值共同决定。控制电压的输出是由单片机运算并控制D／A转换器而输出的，因而能够实现较精确的数控。另外，放大器后级接入两档信号处理电路，一档增益0 dB，另一档为衰减档，通过一个控制端口，实现信号在这两档位之间选择。这种方法的优点在于条理清晰，控制方便，易于单片机处理。
    针对峰值采样，采用数字检波，即通过高速A／D转换器对输出的正弦信号进行采样，判断一定时间内采集到的数字信号的最大值，该最大值即为该信号的峰值。而这种通用数字峰值检波电路仅能在低频段效果良好，针对系统设计要求中的高频信号，以及某些特定频率信号，将产生一定误差。采用双频数字峰检对信号进行采样，这种方案可有效避免产生误差。
    在上述两模块的基础上实现AGC的功能。峰值检波测得的电压值反馈回单片机，单片机对宽带放大电路实现放大精确控制。通过这种方式可将输出信号的峰值稳定在4．8 V左右。该系统总体实现框图如图l所示。

2 系统硬件电路设计
2．1 VCA822简介
    该系统采用VCA822型宽带压控增益放大器。在控制电压的作用下，该器件可提供精确的增益，且按V／V线性变化，其基本增益。其中VC是控制电压输入。电压基本增益为(V／V)。利用单片机进行适当运算可控制以dB为单位的对数增益。给VCA822提供控制电压的D／A转换器为MAX541，其位数为16 bit，因而准确实现增益步进。鉴于VCA822优越的噪声特性和高精度的增益控制，因此选用该器件实现系统的可变增益。

2．2 系统增益分配
    放大器其他部分固定增益为34 dB，由中间级OPA699和后级功放共同提供。在测试过程中，发现VCA822的控制电压范围为-1～l V，且该器件为±5 V供电，输出电压峰峰值不能大于4 V，否则输出波形失真。为了尽量提高输入电压的动态范围，实现放大器增益可调，将VCA822设计为放大器前级，且增益的控制在0～24 dB可选，输出信号接OPA699构成的同相放大。经单片机控制，与后级两个档位选择性级联。两档位的增益分别为0 dB、-24 dB。从而能够实现最小增益10 dB，最大增益58 dB的9级可调。
2．3 放大电路
    前级输入利用MAX477设计射级跟随器，使得输入电阻趋近于无穷大，从而提高输入阻抗。与VCA822通过电容耦合，其控制电压由MAX54l输出。由于MAX541的转化范同为O～Vref，故在D／A转换器输出端增加一个减法器，输出范围为-l～+1 V，MAX54l的参考电压由MAX6225提供。VCA822后级接入OPA699，OPA699为高增益、高摆率宽带运放。其工作带宽可达到l 000 MHz，采用该器件设计增益G为12的放大器，完全满足带宽为15 MHz的要求。之后为通过电阻网络和模拟开关设计的两档衰减电路，一档衰减O dB，一档衰减24 dB，由模拟开关MAX333控制选通。最后利用电流型、高摆率的运算放大器AD8l1和分立元件设计的后级推挽功放实现功率放大，放大倍数G为+4，并增大负载能力。电路实现原理图如图3所示。

    为了提高电路的稳定性，此电路采用一系列的抗干扰措施。其中包括每片器件的供电部分采用4．7μF和104 pF的电容进行电源滤波，各级放大器间的信号输入输出采用屏蔽线进行连接，数字地和模拟地之间采用电感隔离。
2．4 后级功率放大电路
    为了增加系统负载能力，考虑到运算放大器AD811自身负载驱动能力的限制，这里选用AD8l1配合高频中小型功率对管2N3904(NPN型)和2N3906(PNP型)(两功率管特征频率fT=300 MHz)搭建0CL功率放大器。前级由AD811组成同相放大器，放大倍数为Av=1+Rf／R3；后级选用功率对管扩流构成甲乙类功率推挽输出形式提供负载驱动电流。经实验测试，输出端接50 Ω负载时，无失真的最大输出电压峰对峰值达到18 V。电路原理图如图4所示。

2．5 数字检波
    本设计中的峰值检波电路基于信号频谱搬移理论，由于A／D转换器在单一采样率进行采样时会出现盲区频段，故以2个特殊频率(双频)先后对信号进行采样，提取采样结果中的最大值即可得到周期信号峰值。这种方法可兼顾高低频，适合应用于该系统100 Hz～15 MHz的情况。采用A／D转换器MAXl97，利用2个采用率f=50．000 kHz，f2=50．005 kHz互补采样盲区，可得到良好采样效果。设置A／D采样率的方波信号由FPGA提供。

3 系统软件设计
    该系统软件采用模块化和层次化的设计思想。采用模块化设计思想，要对某一子控制器控制，只需调用相应的控制模块即可。模块内采用层次化设计，把底层的硬件接口处理编制为独立底层子程序，并向上提供处理数据，且对上层功能模块屏蔽底层硬件接口部分；最后，主程序只需调用相关的功能模块就可方便构建系统。
    本系统软件部分主要由单片机组成，其中主要包括系统初始化、中断的响应和中断的处理。该设计功能实现以键盘的按键中断为主线，通过读入用户输入的键值，在相应的中断响应函数中与FPGA中对应的控制模块以总线的方式进行及数据的交换，触发FPGA内相应的控制时序，实现对信号的放大和测量。系统软件流程如图5所示。

4 数据测试
    该系统利用数字合成信号源、双踪示波器、仿真机、交流电压表进行测试。调节输入信号的频率，并利用交流电压表记录输出电压的有效值。测试结果表明，放大器的放大倍数在10～58 dB内9级可调，-3 dB点为100 Hz～15 MHz，且放大效果稳定。对于放大器的AGC功能，将输入信号频率固定，改变电压大小，输入信号峰值为9 mV～1 V时，可将输出信号稳定在峰值为4．5～5 V的电压范同内，故AGC动态范围大于40 dB。预置放大器放大倍数58 dB时，输入端接地，输出噪声电压小于10 mV。

5 结论
    该系统设计是以VCA822为核心的可控增益宽带放大器。经测试，系统通频带为100 Hz～15 MHz，增益10～58 dB内9级可调，且放大器AGC功能的动态范围大于40 dB。此外，系统输入端采用MAX477接成同相放大电路，使得系统输入电阻达到MΩ数量级。后级AD811和分立元件搭建的功率放大电路，提高了系统带负载的能力。系统还采用多种抗干扰措施，有效保证放大器精度，并具有良好噪声和线性。