Diseño de amplificador de banda ancha
Diseño de un amplificador de banda ancha programable 1 Introducción
Con el desarrollo de la tecnología microelectrónica, los amplificadores de banda ancha juegan un papel importante en la investigación científica. Los amplificadores operacionales de banda ancha se utilizan ampliamente en convertidores A/D, convertidores D/A, filtros activos, generadores de formas de onda, amplificadores de vídeo y otros circuitos. Estos circuitos requieren amplificadores operacionales con alto ancho de banda y ganancia de voltaje. Para ello se diseña un amplificador operacional programable de banda ancha con el amplificador de ganancia programable THS7001 y el amplificador de ganancia variable AD603 como núcleo. El rango de ajuste de ganancia de este circuito es de -6~70 dB, el espaciado de pasos es de 6 dB, el AGC es de 60 dB y la banda de paso de -3 dB es de 40 Hz~15 MHz. El teclado matricial establece el valor de ganancia y el paso, y la pantalla LCD de matriz de puntos muestra el valor efectivo del voltaje en tiempo real. La interfaz hombre-máquina es amigable y la operación es simple y conveniente.
2 Plan general de diseño del sistema
El sistema se compone principalmente de tres módulos principales: amplificador de ganancia controlable, amplificación de potencia y detección de picos, y visualización y control del microcontrolador. Entre ellos, el amplificador de ganancia variable utiliza THS7001 y AD603 como núcleo. El microcontrolador controla THS7001 para lograr un ajuste de ganancia aproximado y controla AD603 a través de la conversión D/A para lograr un ajuste de ganancia fino, de modo que la ganancia total cambie linealmente dentro de un amplio rango de frecuencia de -6 a 70 dB. El preamplificador utiliza un seguidor de emisor compuesto por un amplificador operacional de retroalimentación de tipo voltaje de banda ancha THS4011, que puede aumentar efectivamente la resistencia de entrada; el amplificador de potencia de etapa trasera utiliza un amplificador operacional de retroalimentación de tipo actual AD811 para mejorar la capacidad de carga del sistema. El valor máximo se mide mediante el circuito de detección de picos de diodo y el control automático de ganancia se realiza mediante conversión A/D y conversión D/A. Preestablezca manualmente el valor de ganancia a través del teclado y la pantalla LCD mostrará el valor de ganancia preestablecido en tiempo real y emitirá el valor efectivo. El diagrama de bloques del diseño general del sistema se muestra en la Figura 1. 3 Selección de dispositivo y análisis teórico
3.1 Selección del amplificador operacional del circuito de la etapa de entrada
Porque el ruido de este circuito depende principalmente del amplificador de primera etapa. Por lo tanto, elegir el amplificador operacional de primera etapa se convierte en la clave para determinar el tamaño del ruido. El amplificador operacional de tipo retroalimentación de voltaje (VFB) tiene básicamente las mismas impedancias de entrada en fase e inversa (ambas son de alta impedancia), bajo ruido, mejores características de CC y el producto ganancia-ancho de banda es constante. Características como el valor libre de la resistencia de retroalimentación: El amplificador operacional de tipo de retroalimentación actual (CFB) tiene una alta impedancia en el terminal de entrada no inversor y una baja impedancia en el terminal de entrada inversa. El ancho de banda no se ve afectado por la ganancia. la velocidad de respuesta es más rápida y el valor de la resistencia de retroalimentación tiene limitaciones y otras características. Se puede ver que los amplificadores CFB son adecuados para circuitos que requieren una velocidad de respuesta rápida, baja distorsión y ganancia configurable sin afectar el ancho de banda, mientras que los amplificadores VFB son adecuados para circuitos que requieren voltaje de bajo perfil y bajo ruido; Por lo tanto, el amplificador operacional de retroalimentación de voltaje THS4011 se selecciona como entrada del preamplificador. THS4011 es un amplificador operacional de alta velocidad y bajo nivel de ruido con un ancho de banda de 290 MHz, una velocidad de respuesta de 310 V/μs y un ruido de entrada de 3,2 Circuito de detección de picos
El circuito de detección de picos consta de un circuito de diodo y una composición de dispositivo seguidor de voltaje. Su principio de funcionamiento: cuando la tensión de entrada pasa por el semiciclo positivo, el tubo detector VU2 se enciende y carga los condensadores C1 y C2 hasta alcanzar el valor máximo. La base del transistor está controlada por el FPGA, que genera un alto nivel de 10μs para descargar el capacitor, reduciendo así el impacto de la medición de frecuencia anterior en la medición de frecuencia posterior y mejorando la precisión de la medición de amplitud. Entre ellos, Vu1 normalmente está encendido para compensar la caída de voltaje provocada en VU2. Seleccione el valor de capacitancia adecuadamente para que la velocidad de descarga del capacitor sea mayor que la velocidad de carga, de modo que el voltaje a través del capacitor pueda mantenerse al voltaje máximo, logrando así la detección de pico.
Este circuito es capaz de detectar una amplia gama de frecuencias de señal. Para frecuencias de señal medidas más bajas, la ondulación de detección es mayor, pero la ondulación se puede filtrar agregando un grupo de capacitores compuesto por capacitores pequeños y grandes. Condensadores conectados en paralelo. Para el aislamiento posterior a la etapa, se agrega un seguidor de emisor compuesto por OPA277, como se muestra en la Figura 3. 4 Diseño del software del sistema
4.1 Diseño de partes del programa
El diseño del software del sistema sigue los principios de estructura y jerarquía, y consta de un programa principal y varios subprogramas. El programa principal controla el tiempo entre subprogramas llamando a subprogramas, de modo que todo el programa se ejecute normalmente. La parte de diseño del software del sistema consta de un microcontrolador y una FPGA. El microcontrolador completa principalmente la lectura de valores clave, el control de ganancia y las funciones de visualización. El FPGA sirve como controlador de bus para gestionar el intercambio de datos entre el teclado, la pantalla LCD y el convertidor A/D y el microcontrolador.
Utilizando Ouartus II 7.2 como entorno de diseño y programación del lenguaje de descripción de hardware Verilog HDL, complete el diseño de cada módulo funcional, simule y pruebe cada módulo diseñado y luego conecte cada módulo entre sí. El programa toma la interrupción clave como línea principal y varias funciones como ramas. La Figura 4 muestra el flujo del programa. 4.2 Diseño de piezas FPGA
FPGA completa principalmente la conversión de serie a paralelo de convertidores A/D y D/A. Se utiliza el convertidor D/A de 12 bits TLV5618. Este dispositivo es una interfaz en serie, lo que ahorra en gran medida los recursos del puerto del sistema. Sin embargo, los puertos P0 y P2 de la MCU son puertos paralelos y la sincronización con el dispositivo en serie es mayor. complicado El puerto estático P1 que se utiliza para simular la sincronización del puerto serie consumirá mucho tiempo de procesamiento de la MCU y afectará la eficiencia del sistema.
Para que la MCU sea fácil de operar con dispositivos en serie, la sincronización en serie se describe mediante una máquina de estado en la FPGA. Al mismo tiempo, la máquina de estado de control también proporciona la forma de interfaz de sincronización estándar de microcomputadora. Puerto P0, CS y WR a la MCU, de modo que la MCU solo necesita seleccionar la dirección correspondiente para escribir los datos de voltaje deseados y la máquina de estado completará la conversión de serie a paralelo.
Escribir datos en el dispositivo y bloquearlos en la sincronización de la interfaz serie es tan simple y conveniente como escribir en el puerto IO, y el extremo de salida del módulo convertidor D/A no solo puede obtener el voltaje de salida correspondiente. , pero también lograr el propósito de ganar control.
La parte AGC adopta una estructura de bucle para comparar cíclicamente los datos muestreados mediante la conversión A/D con el valor preestablecido, y luego controlar la ganancia múltiple a través de la conversión D/A para lograr el control automático de ganancia. 5 Plan de prueba y datos de prueba
Este sistema utiliza instrumentos de prueba especializados, incluido un simulador de microcontrolador, un osciloscopio de doble traza, una PC, un generador de señales multifunción y un voltímetro de CA. Ajuste la amplitud y frecuencia de la señal de entrada y utilice un osciloscopio para probar el rango de ganancia y la banda de paso del amplificador de banda ancha. Los resultados de la prueba muestran que el rango de ajuste de ganancia total del amplificador de banda ancha es de -6 ~ 70 dB. La banda de paso de -3 dB es 40 Hz ~ 15 MHz. Mantenga constante la frecuencia de la señal de entrada y cambie la amplitud del voltaje de entrada. Registre los valores máximo y mínimo del voltaje de entrada y el voltaje de salida. Los resultados muestran que el rango dinámico del AGC es superior a 60 dB. Cortocircuite los terminales de entrada, establezca diferentes factores de amplificación de voltaje y mida el voltaje de salida. Los resultados muestran que el ruido del voltaje de salida es inferior a 300 mV. 6 Conclusión
El amplificador de banda ancha toma como núcleo el amplificador de ganancia programable THS7001 y el amplificador de ganancia variable AD603, y utiliza tecnología digital para lograr pasos de ganancia y ajustes preestablecidos. El rango de ganancia total es de -6~70 dB y la banda de paso es 40. Hz ~ 15 MHz, el rango dinámico AGC alcanza los 60 dB. El preamplificador utiliza el amplificador operacional THS4011 con retroalimentación de voltaje de bajo ruido, lo que aumenta considerablemente la resistencia de entrada. El amplificador de potencia de etapa trasera utiliza un amplificador operacional de retroalimentación de tipo corriente AD811, que mejora efectivamente la capacidad de carga del sistema. El sistema utiliza una variedad de medidas antiinterferencias, combinadas con correcciones de software, para lograr mayor precisión, buen ruido, rendimiento lineal y menor consumo de energía. El sistema tiene una interfaz amigable y un funcionamiento sencillo. Se ha puesto en funcionamiento después de realizar pruebas.