高精度程控电压放大器

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    摘要本设计以VCA822、MSP430F2012、 DAC7611 芯片为核心，加以其它辅助电路实现对宽带电压放大器的电压放大倍数、输出电压进行精确控制。放大器的电压放大倍数从0.2倍到20倍以0.1倍为步进设定，输出电压从6mv到600mv以1mv为步进设定，控制误差不大于5%，放大器的带宽大于15MHz。键盘和显示电路实现人机交互，完成对电压放大倍数和输出电压的设定和显示。
    关键词:程控放大器; 高精度;控制电压;电压变换; D/A; A/D。

    1.作品简介
    本设计高精度程控电压放大器以VCA822、 MSP430F2012、 DAC7611芯片为核心，加以其它辅助电路以实现对宽带电压放大器的电压放大倍数、输出电压进行精确控制。
    放大器的电压放大倍数从0.2倍到20倍以0.1倍步进设定，输出电压从6毫伏到600毫伏以1毫伏为步进设定，控制误差不大于5%，放大器带宽大于15MHz。键盘和显示电路实现人机交互，完成对电压放大倍数和输出电压的设定和显示。本作品通过键盘可设定6种工作模式，放大增益实时跟踪模式、放大增益设置模式、放大器宽带工作模式、输出电压实时跟踪模式、放大器输出电压设置模式、放大器宽带(电压输出)工作模式，各模式相互间转换方便，电路工作稳定，操作简单，控制精确。
    2.方案设计
    2.1理论分析
    电压增益控制放大器原理框图如图一所示，放大器增益取决于增益控制电压V6。TI公司的宽带电压增益控制放大器VCA822具有这-一特性。
    2.1.1 VCA822的控制特性
    VCA822的典型应用电压见图七，Vo 是控制电压输入端，其控制电压范围为-1~+1V。当RF Vc+1V。=+1V时，电压放大倍数最大。电压放大倍数表示式为: G=2xRG2。



    在R;与R确定的情况下其增益只取决于控制电压V6。
    2.1.2 V;控制电压的产生
    V。控制电压可由含调节电位器的电路产生，其优点是V。电压调节连续，缺点精确调节较难，另外也与本设计不相符合，为此可采用D/A来产生控制电压Vo,原理框图如图二所示。
    D/A转换选用TI公司的DAC7611。DAC7611 为串行输入的12位数/模转换芯片，内部参考电压为2.435V，满刻度电压输出4.095V, 1mV /LSB。
    为了程序设计上方便，以及与后续处理电路中使用的MSP430F2012内部的A/D相对应，使用其低10 位用来产生0~1V增益控制电压，0~1V经电压变换电路产生符合V。
    要求的-1~+1V。



    2. 1.3误差修止
图三为VCA822数据手册中给出的控制电压与增益误差关系，图四为实测控制电压与增益误差关系。从图中可知控制电压在一0.8V--+0. 8V范围内具有较好控制线性。另外从实际测量的结果来看，控制电压在接近0V时增益误差较大，这主要是由于控制电压产生电路的噪声引起的。
    从以上的分析中可以看出，对电压控制增益放大器要想做到精确的增益控制，在实际电路中必须进行控制误差修正。进行控制误差修正可采用以下的方法进行。



    (1)预置修正数据表可以根据实际测量的数据制作修正数据表对误差进行修正。此种方法受工作条件以及环境温度影响较大。
    (2)闭环跟踪调整如图五所示，对电压控制增益放大器输出进行峰峰值检波、A/D转换，以A/D输出作为程控增益放大器增益调整依据。此种方法能够对放大器的进行实时跟踪。



    2.2选用TI器件的依据，选型理由及所选TI器件介绍2.2.1选型的依据:
    器件选型主要应考虑器件性能满足电路需要，器件性价比高，构成电路外围元件少,使用方便，功耗低;对于模拟器件还应考虑最高使用频率以及器件的工作噪声。
    VCA822最高使用频率达150MHz,增益控制外围电路简单，增益调节线性度较高。
    0P228具有极低的输出阻抗，信噪比高。
    DA7611为电压型输出的D/A转换器，无需外接运算放大器进行电压转换，使用简单，输出电压精度较高。
    MSP430F2012性价比高，功耗低，开发容易，具有在线编程能力。
    2.2.2 TI器件介绍(1)增益可调放大器VCA822VCA822是宽带、电压控制增益可变放大器，最高频率达150 MHz。工作电压士5v,采用高阻抗的差分输入，通过调节增益电阻和反馈电阻，增益调节范围大于40dB。增益设定范围为+2V/V~+100V/V,增益控制电压为-1V~+1V，控制电压与增益之间具有较高的增益线性。例如最大增益是+10V/V时，增益控制电压在+1V时放大器的增益为+10V/V，增益控制电压为-1V时放大器的增益为+0.1V/V。VCA822具有良好的增益线性，当最大增益为20dB时，控制电压在0V~+1V之间变化，增益偏差不大于士0.3dB。
    (2) MSP430F2012MSP430F2012的主要指标如下所述:供电电压1.8V ~ 3.6V; ;62.5ns指令周期时间，内部最高时钟可达16 MHz，四个校准频率;使频率的误差小于士1%;内置的低频振荡器，32KHz的晶振;16位的定时器和两个捕获比较寄存器，10位的有内部参考电压的A/D转换器，2KB + 256B闪存，10位的I/0口，同时具有多种低功耗模式。
    (3)高精度，低噪声的运算放大器0PA2280PA228是一个高精度，低噪声的运算放大器，带宽33MHz, 10V/us, 共模抑制比138dB,开环增益160dB,输入偏置电流10nA,反馈电压75uV,供电电源范围2.5V ~ 18V。0PA228是8引脚，有双列直插式和贴片式两种封装，具有工业级的温度范围。
    (4)数模转换芯片DAC7611DAC7611是一-个12位的数模转换芯片，输出电压范围是0V~+1V，工作电压是+5V,2.435V内部参考电压，由DAC和高速轨到轨输出放大器组成，提供双列直插(DIP)和贴片(SOIC)封装。

    2.3设计方案论证宽带增益可调放大器在信号调整与控制电路具有广泛的用途，如音响设备中音量的控制，电子设备中信号的准确放大，信号处理电路中输出信号的自动稳幅等。本设计采用程控的方法对宽带电压控制放大器VCA822的电压放大倍数进行准确控制，同时也满足当输入电压在一定的范围内变化时输出电压进行自动稳幅，以便于自动化控制。
    准确程控增益可调放大器的实现方法通常有以下几种方案可供选用。
    方案一:利用可程控的模拟开关和电阻网络构成放大器的反馈电阻，通过接入不同的电阻来实现放大器的放大倍数改变，以达到程控增益的目的。
    此方案的优点是控制简单，电路实现较为容易。缺点是多路模拟开关使用频率较低,
    其导通电阻对信号传输精度影响较为明显，对于较为精确的控制其影响难以进行后期修正，切换时抖动引起的误差比较大，切换速度较慢。控制精度增加一位，电阻网络就增加一级，电阻网络的电阻选择也较为困难，很难做到高精度控制。
    方案二:利用数字电位器作为放大器的反馈电阻，实现放大器的放大倍数改变。
    此方案和方案一原理基本相同，都是通过调节反馈电阻来实现对增益的控制，不同的是选用数字电位器来实现，缺点是数字电位器为了扩大使用电压范围，内部附加了由振荡器组成的充电泵，因而会产生有害的高频噪声，它同样不能满足高精度控制要求。
    方案三:利用电流型DAC自身的乘法功能，可以实现程控放大器。
    此方案实现较为容易，控制精确较高，一般不能 做到宽频使用。
    方案四:利用新型单片集成电压控制放大器实现程控放大器。
    此方案实现也较为容易，控制电路成本较低，使用频率受限于放大器本身。
    通过以上的对比分析和本次竞赛的要求，使用方案四来完成高精度程控放大器的设计。以宽带电压增益控制放大器VCA822为控制对象，用MSP430F2012为控制**，电路结构简单，精度高，响应速度快，能够实现精确控制的要求。

    3.系统实现3.1硬件设计3.1.1系统框图宽带电压控制放大器VCA822构成的高精度程控放大器原理框图如图六所示，由增益可调放大器电路、增益控制电压产生电路、用于数据处理产生控制信号的单片机应用电路、检测输出电压的峰值检测电路组成。
    由宽带电压控制放大器VCA822工作原理可知，对其电压放大倍数以及输出电压的控制，其实质是能产生正确的控制电压。
    工作时通过键盘设定放大器的电压放大倍数或应输出的电压值，通过显示电路实时进行显示，设置完毕，经MSP430F2012单片机处理，输出相应的控制数据，由DAC7611将数字量转换为相应的模拟电压。低噪声集成运放0PA228构成电压变换电路，把DAC7611输出的正向电压转换成符合VCA822的V。要求的电压值，即在-1V~+1V间变化。
    为了使电压放大倍数调节更加准确，增加了峰值检波、A/D转换电路，把输出电压的峰值转换成相应的数字量，经MSP430F2012分析处理，并对VCA822的    V。电压再次进行调整，消除由VCA822 控制特性所产生的误差，使设定的电压放大倍数和输出电压更加准确。



    3.1.2不同功能单元之间的接口设计;
    (1) VCA822增益控制放大电路设计VCA822是一个直接耦合、宽带、线性增益连续可调，电压控制增益放大器。最大增益由反馈电阻Rp 和增益电阻R。决定。图七为VCA822组成的增益控制放大电路，V。
    是控制电压输入端，电压范围为-1~+1V。 当V;=+1V时，该电路的放大倍数最大。其放大倍数表示式为: G=2xRF Vo+1Rg2(2) VG电压产生电路设计V。电压产生电路由两部分组成，一部分由DAC7611- -12位串行D/A完成数字量到模
    拟量的转换。另一-部分由0PA228构成的电压变换电路，实现0~1V电压变化到-1~+1V电压变化的转换。其原理电路如图八所示。
    ①数模转换电路DAC7611为串行输入的12 位数模转换芯片。内部参考电压为2. 435V,满刻度电压    输出4. 095V, 1mV /LSB,设计中要求输出电压范围为0~1V,其对应输入数据范围为0000H~03E8H。DAC7611通过虚拟SPI总线和单片机连接。
    ②电压转换电路VCA822的控制电压V。为: -1~+1V,DAC7611的输出电压为: 0~+1V。所以需要该电路完成0~1V到-1~+1V转换。
    (3) MSP430F2012电路设计MSP430F2012电路是高精度程控放大器系统电路的控制核心，它由单片机电路、键盘电路、显示电路和JTAG电路四部分组成，电路原理如图九所示。
    单片机系统时钟采用内部DCO时钟源，经程序设定为1MHZ。 P1.0、 P1.1、P1.2供键盘电路使用，P1.3 为A/D转换的模拟





量输入端，P1. 4引脚作为A/D转换的外部基准电压源的输入，P1.5、 P1.6、P1.7提供外接串行数据D/A转换芯片DAC7611的时钟输出端、串行数据输出端和数据锁存端，    P2.6、P2.7用作显示电路的数据输出端和时钟信号输出端，10、11引脚用作JTAG连接和上电复位。
    (4)峰值检波电路设计峰值检波由隔离放大级、同相峰值检波器电路和输出跟随级组成。详细电路如图十所示。隔离放大级由U16、R43、R42、R44、R111 和R112组成，主要作用是补偿后级检波电路的误差，同时也使检波电路的输入信号稳定。同相峰值检波器电路主要由元件U17、D15、 D16、 C63等组成，完成交流到直流的转换，D15作用是提高对小信号的检波能力。
    (5) A/D转换电路设计A/D转换电路利用MSP430F2012单片机内部提供的ADC10外部模块完成，它是一一个逐次逼近型高性能的10 位模数转换器，使用外部基准参考电压。
    (6)电源电路设计根据系统电路设计的需要，供电电路应能提供士5V的电源。由桥式全波整流，电容滤波电路和三端固定输出的集成稳压器组成。+5V电源输出电流达500mA。
    3.1.3硬件设计注意事项及窍门(1)在VCA822增益控制放大电路设计中，3脚到地之间加了一个100UF的电容，目
    的是减小电压控制电路的噪声，降低电压控制端V。的交流阻抗，提高控制电压的稳定性，增强VCA822程序电压放大器的整体特性。
    (2) 7段LED显示器的限流电阻改用二极管代替，简化电路联接。
    (3)单片机的供电电源。利用二极管PN结的稳压特性，对系统的供电电压进行二次稳压，使其满足单片机的工作电压范围，且低功耗，电路结构简单。
    (4)PCB设计的小技巧。
    ①为了提高电路的抗干扰能，增加电路工作的稳定性，在每--集成电路的电源端加有容，模拟地与数字分开布置，最后在电源端汇接。
    ②阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一-些，因为阻抗高的走线易产生干扰，    ?布线方向:从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与信号方向相一致。在PCB制作时要留测试点，以便于对数据的测试。
    ④IC座:设计印刷板图时，在使用IC座的场合下，要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个IC脚位置是否正确。
    3.2软件设计3.2.1软件流程系统软件流程如图十一-所示。共设置六个工作模式，即:工作模式0，工作模式1,工作模式2和工作模式3 (工作模式4、5较简单在此略)。
    工作模式0完成电压增益显示，根据增益输出相应的控制电压，对放大器输出电压进行峰值检测作相应的A/D转换，对实际检测值与理论输出值进行处理，依据处理结果确定输出控制电压增减，从而完成放大器增益控制电压的自动调整，达到对放大器放大倍数的精确控制。
    工作模式1通过键盘完成对放大器增益设置与显示。
    工作模式2通过键盘完成对放大器增益输出电压设置与显示。
    工作模式3完成放大器输出电压的显示，根据输出电压的大小输出相应的控制电压，对放大器输出电压进行峰值检测作相应的A/D转换，对实际检测值与理论输出值进行处理，依据处理结果确定输出控制电压增减，从而完成放大器输出电压幅度的自动调整，达到对放大器输出电压进行精确控制的目的。



    3.2.2 MSP430F2002 的ADC使用AD模数转换采用MSP430内部自带的ADC10功能模块，考虑到采样的稳定性和准确性，我们选用外部参考电压，由一一个高精度的能带隙基准电压源提供1. 2V基准电压。
    由公式N= V实桃值*1023/1200计算得到采样理论值数据。
    ADC转换完成后，应及时关闭ADC10功能模块，以降低功耗。
    3.2.3编程感想及软件设计注意事项。
    程序应采用模块化结构，程序代码简洁，具有较高执行效率。对于变量的使用，尽
    可能多的使用局部变量，尽可能多的使用字符和整形变量。对于具有数据运算的程序，要注意参与运算数据的次序，否则影响运算结果的数据精度。编写程序需要不断的修改、整理、优化，以使程序具有较少的代码量，较高工作效率。

4.作品性能测试与分析
    4.1系统测试方法4.1.1VCA822增益控制放大电路测试测试电路如图七所示，电压放大倍设置为G= 2x845-X1+1，近似为33倍。
    512士5V电源由DF1731SC2A型双路直流稳压电源提供，F40 型数字合成函数信号发生器提供频率为500KHz,幅度有效值为30mv的正弦波信号，V。 端-1V~+1V控制电压通过电位器调节。为了提高测试精度，直流电压用3位半数字电压表测试，交流电压用DF2170A毫伏表    进行测试。通过测试计算可绘出控制电压V。与电压放大倍数关系图，如图十二所示。可以看出V。与放大倍数基本呈线性关系，符合设计要求。但曲线的一一些地方线性稍差，这可通过在软件中加补偿进行修正。
    4. 1.2 VG电压产生电路测试在MSP430F2012开发平台上，编制DAC7611测试程序，改变DAC7611输入数据，逐点测试其输出电压和0PA228的输出电压值。测试时，我们对R37、R32与R38进行了微调，使其符合设计要求。
    电压转换电路的输入与输出电压的特性如图十三所示。
    4.1.3峰值检波电路测试函数发生器提供有效值为30mv~600mv的正弦信号，频率范围为100Hz~3MHz。先固定输入信号幅度，改变频率，测试峰值检波电路的幅频特性。再固定频率，改变输入信号幅度，分析电路对信号幅度的影响。测试时用双踪示波器监测输入和输出的波形，用数字万用表测输出直流电压。其测量数据见测试性能部分。

    4.1.4单片机电路测试:
    利用显示电路和键盘电路及JTAG电路调试单片机电路。编制了调试程序，对系统时钟、看门狗初始设定，经运行调试电路工作正常。
    4.1.5电源电路测试在J1、J2接口用DF1731SC2A稳压电源提供双9V。用数字万用表测输出电压，稳压值为V=+5.002V; Vss=-5. 001V,符合电路对电源的要求。
    4.2测试性能概览(1) V。控制电压的测试数据如表一。由表一可以看出，在DAC7611 以线性输入的情况下，V。控制电压的线性良好，这样就可以保证对VCA822增益的准确调节。
    (2) VCA822输出电压测试数据如表二。由表二可见，当VCA822的输入不同时，输出特性特征也存在差异，从表可以看出，输入为40mv时的线性比输入为20mv时的线性要好，因此VCA822的输出线性与它的输入幅度有关系。
    (3)当输入为50mv, 500KHz 时，Ve控制电压，VCA822 输出和放大倍数的关系如表三。
    由表三可以看出Ve控制电压为-0.86时，放大倍数近似等于1,随着V。电压从-1V到1V的增加，可实现对增益的控制放大。



    (4)峰值检波测量数据表。
    由表四中数据可以看出峰值检波电路的检波能力良好，误差在允许的误差范围之内，一些误差可以在程序中进行误差处理。
    4.3误差分析(1)由于仪表的精度不够高，人为读数存在误差，周围环境如磁场，温度等些因数影响， 测量
    的数据达不到理论计算值，但是我们通过多次测量
    取平均把误差降低到最小控制在5%以内。
(2)整个系统板由手工焊接完成，布线无法避免线路之间以及外界磁场的干扰，总会存在一-些误差。

4.4进一步改进由于水平有限，加上时间有点仓促，我们认为系统还有可改进的地方，例如，为了提高放大器的输出电压可加后置电压放大器:提高单片机的时钟频率，缩短自动跟踪调整时间:采用频带范围更宽的峰值检波电路，提高程序增益放大器工作频率。

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