TI杯报告复旦大学1组可控增益放大器.docx
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TI杯报告复旦大学1组可控增益放大器
可控增益放大器设计
(复旦大学信息科学与工程学院电子工程系)
摘要:
这个可控增益放大器有两个模式:
手动控制电压增益和自动控制输出电平。
两种模式都采用了负反馈控制和比例控制,用于保证系统的稳定性、输出精度以及响应速度。
本电路的模拟部分与数字部分相互配合,以压控增益放大器为核心,利用单片机作为处理器,可移植性强。
关键词:
可控增益放大器,自动电平控制,负反馈,比例控制
DesignofGainAdjustableAmplifier
YaoShunyang,ShiMing,MaoKuiyuan
(DepartmentofElectricalEngineering,FudanUniversity)
Abstract:
TheGainAdjustableAmplifierhastwomodes:
manualgaincontrolandautomaticlevelcontrol.Bothmodesareappliedwithnegativefeedbackcontrolandproportioncontrol,inordertoguaranteeenoughstability,precisionandresponsespeedofthesystem.Inthissystem,theanaloganddigitalcircuitscooperatewell,withtheVCAasthecoreandtheMCUastheprocessingunit.Thissystemhasgoodportability.
Keywords:
GainAdjustableAmplifier,AutomaticLevelControl,NegativeFeedback,ProportionControl
1.作品简介
本电路基于TI公司的压控增益放大器VCA810、12位串行D/A转换器DAC8043、高精度双运算放大器OPA2227、三端稳压元件LP2950-33、单片机MSP430G2553为核心,配以辅助电路,实现了对放大器增益的程控和输出电压的自动控制。
电路共有两个模式——程控增益和自动增益。
在程控增益模式下,放大器能够对频率为1kHz、峰峰值为200mV的正弦波、方波,以及100mV的直流电平进行放大,通过按键的控制,放大倍数可在1x、4x、16x、64x、128x之间进行切换。
在自动增益模式下,放大器能对频率为1kHz、峰峰值为140mV~2V的正弦波、方波进行自动增益控制,使得输出信号幅度基本保持不变,通过按键控制,输出信号幅度可在0.5Vpp、1Vpp和2Vpp之间进行切换。
本电路操作简单,工作稳定。
2.方案设计
2.1理论分析
压控增益放大器的原理框图如图1所示,放大器的增益由控制电压Vc决定。
通过更改控制电压即可达到控制增益的目的。
图1压控增益放大器原理
2.1.1VCA810控制特性
VCA810是TI公司生产的一款压控增益放大器,根据控制电压的不同,可对输入信号进行-40dB~40dB的放大。
在芯片由±5V电源供电、信号单端输入的情况下,VCA810的压控增益特性曲线如图2所示。
Vc有效范围为-2V~0V,当Vc=-2V时,增益最大,可达40dB左右,当Vc=0V时增益最小,为-40dB左右,在此电压范围内,增益随电压减小线性增大。
控制电压与增益的关系为:
2.1.2控制电压Vc的产生
控制电压Vc可有多种方法产生,按照设计要求,增益切换由单片机完成,因此使用D/A转换来产生Vc。
D/A芯片采用DAC8043。
DAC8043是一款串行输入的12位D/A芯片,12位数据由单片机逐位输出至D/A,并由D/A产生控制电压。
图2VCA810压控增益特性
2.1.3误差修正
为了保证在各情况下保证增益的高度精准,需要对图2所示的压控增益特性进行校正,校正方法如下:
(1)预校正表
在测试过程中,根据实际情况,首先将D/A数据制成表,以获得较为准确的控制电压。
此方法产生的校正表按器件特性、工作条件、环境温度不同而不同,因此局限性较大。
(2)闭环控制
闭环控制在开环控制的情况下,增加反馈回路,输出信号通过峰值检测、A/D转换以及单片机比较后经D/A产生一个更为准确的控制电压,直至电压稳定。
反馈回路大致框图如图3所示。
图3闭环控制反馈回路
上述两种误差修正方法是相辅相成的,预校正表需要闭环控制来获得准确增益;闭环控制需要预校正表来缩短响应时间。
2.2器件选择
选择器件的主要考虑器件性能应符合设计要求、性价比高、所需电路简单、使用方便、功耗低、噪声低、带宽等因素。
基于上述原则,选择主要器件如下:
VCA810:
相比乘法型DAC,压控增益放大器VCA810控制增益较为直观,并且外围电路简单,噪声低。
OPA2227:
现场提供的运放中,OPA2227是唯一一块双运放芯片,可以有效减少芯片数量,加快系统搭建速度,低噪声、精度高。
DAC8043:
相比于DAC7811,DAC8043焊接较为方便,在两者性能差别不大的情况下优先选择此芯片。
2.3设计方案论证
可控增益放大器可以由多种方法实现,在实验室提供的器材中,可以使用乘法型DAC或者压控增益放大器完成设计。
方案一:
使用乘法器型DAC完成程控放大
对于乘法器型DAC,即电流型DAC,其实现较为容易、精准度较高,所需器件较少。
方案二:
使用压控增益放大器
对于压控增益放大器,其外围电路较少,控制线性度较好,实现较为容易。
比起乘法器型DAC,压控增益放大器设计较为直观,因此本设计中,最终采用以压控增益放大器VCA810为核心的设计方案,实现高精度、快响应的设计要求。
3.系统实现
3.1硬件设计
3.1.1系统框图
系统框图如图4所示,共有放大电路、衰减器、峰值检测电路、A/D转换、单片机控制单元、D/A转换等几个模块组成。
系统工作时,由长按键控制模式(程控增益/自动增益),短按键控制系统增益,并通过LED显示按键已被响应。
信号从信号源输入系统,经放大电路后输出,在反馈回路中,输出信号首先经过4x衰减器,然后进行峰值检测,最后经MSP430G2553内置的ADC10转换后交由单片机,单片机根据设定的要求,比较当前输出信号的幅度,对控制电压进行更改,最后由DAC产生控制电压,完成增益的更改,直至输出信号符合要求。
图4可控增益放大器系统框图
3.1.2模块设计
(1)增益控制放大电路
压控增益放大器VCA810的控制电压范围为-2V~0V,但实测中,控制电压有效范围约为-0.4V~-1.6V,根据2.1.1节介绍的压控增益特性,此电压范围对应的增益约为-24dB~24dB,即0.063~15.85倍,Gmax/Gmin=251.19,完全可以胜任128倍增益的要求。
但是,对于200mVpp的输入信号,经过此级电路后,输出信号幅度最大约为3.17V,由于128x增益情况下输出信号峰峰值需为25.6Vpp,因此需要在此级电路后增加一级放大电路。
为了获得较为准确的放大倍数,后级放大器使用了电位器对增益进行调整。
这部分电路如图5所示。
(2)控制电压Vc产生电路
控制电压Vc产生电路如图6所示,其中DAC8043采用3.3V外部基准电压,外部基准电压由三端稳压元件LP2950-33产生,如图7所示。
单片机使用P2.0、P2.1、P2.2和DAC相连,输出信号经反相放大器跟随后,可直接用于控制。
当使用3.3V作为基准电压时,1LSB相当于0.8mV,当VCA810控制电压约为-1.6V时,0.8mV的误差约导致增益相差0.032dB,几乎可以忽略,因此可以认为DA输出可十分精确的控制VCA810的增益。
图5压控放大电路
图6控制电压Vc产生电路
(3)4x衰减电路
当系统增益为128x时,输出信号峰峰值约为25.6Vpp,若直接进行峰值检测,所得结果为12.8V或略小于12.8V,对于单片机内置的ADC10而言,这个电压太高,因此需对信号进行一定幅度的衰减。
ADC采用外部参考电压(3.3V,由LP2950-33产生,见图7),因此为了充分利用参考电压,不宜将信号过度衰减,4x衰减后可将信号降至幅度最大不超过3.2V,这样经过峰值检测后,ADC范围得以充分利用。
这部分电路如图8所示。
图84x衰减器
(4)峰值检测电路
为了获得信号的输出幅度,需要对信号进行峰值检测,峰值检测可以有两种方法,一是采用峰值检测电路,即包络检波;二是采用高速ADC不断采样以确定幅度。
这两种方法各有优劣,本设计采用第一种方法予以实现。
峰值检测电路由绝对值电路和包络检波两部分组成,如图9所示。
绝对值电路在这里相当于全波整流的作用,若不加此级电路,则电容在相当长的一段时间内进行放电,检波后容易形成较大的锯齿状波形,此时需要使用低通滤波器予以滤除,而且不能保证滤波后得到的电平就是峰值电平。
若使用大电容来减小锯齿,则需要进行增益切换时,尤其是从128x变成1x时,就不能保证响应速度。
因此,这级电路有其存在的必要性。
图9峰值检测电路
二极管包络检波电路中,二极管的导通压降将使得检波后获得的准直流电平比峰值小一个,而且对于峰值小于的信号将无法进行检波。
为了补偿二极管的导通压降,使用一级运放跟随器,并将检波二极管置于反馈点前,这样,由于运放开环增益极高,二极管的导通电压对于输入信号影响微乎其微,这样就抵消了的作用,从而使得电路能检测到信号的峰值。
跟随器反相输入端对地接了个1K的电阻R15,这个电阻并不影响跟随器的工作,其作用是给π型网络中的电容一个放电通路,加快电容放电,保证系统的快速响应。
此级电路的输出和系统输出信号幅度成正比,系数为衰减倍数(约为4x),可直接用于控制单元输入。
(5)单片机MSP430G2553电路
单片机MSP430G2553在系统中是控制核心,担负着控制系统增益的重要角色。
这部分电路如图10所示。
经峰值检测的信号幅值信息由P1.2口输入至单片机内部ADC10进行A/D转换,ADC10的参考电压由P1.4输入。
P1.3口是按键输入,是系统唯一的控制输入信号,配置时启用了内部上拉电阻,这样LaunchPad上的按键即可直接使用。
P2.0、P2.1、P2.2口作为单片机的输出口,将更新后的数据发送至DAC8043。
此外,单片机电路中还用到了P1.0和P1.6两个输出口,利用LaunchPad上已有的LED作为按键指示,短按键P1.0口(红色LED)状态翻转,长按键P1.6口(绿色LED)状态翻转。
图10MSP430G2553电路
(6)100mV直流电平发生电路
设计中需自制100mV直流电平,这部分电路如图11所示。
由于放大级采用了反相放大器,因此为了获取正向的输出信号,直流电平发生电路也需使用反相放大器。
100mV直流电平由电阻分压获得,经过一级反相跟随器后,再经一级同相跟随器作为隔离输出。
可通过调整电位器的接入阻值调节100mV输出至误差±1%以内。
图11100mV直流电平发生电路
3.2软件设计
软件部分由主程序、按键中断、定时器中断和ADC中断组成。
程序流程图如图12和图13所示。
设系统输入信号幅度为,输出信号幅度为,衰减器衰减幅度为,ADC10和DAC8043的参考电压为,程控增益模式下增益为,自动增益模式下预设输出幅度为。
经ADC转换后,单片机获得的数字量和输出信号的关系为:
程控增益模式下,系统应有的输出幅度相应的数字量为:
在程控增益模式下,采取简单控制,即将和作比较,若,表明当前输入过大,则将输出的D/A值减1;若,表明当前输入过小,则将输出的D/A值加1。
图13主程序流程图
在自动增益模式下,系统应有输出幅值相应的数字量为:
同样将两者相比较,不同的是,自动增益模式下采取比例控制。
首先对两者作差,获得误差信号:
若,则
否则
这样做可以防止初始阶段误差过大时,DAC输出信号大幅度改变,造成系统增益形成震荡。
上述推导中,参考电压是通过测量获得的;衰减倍数是通过采样点进行直线拟合获得,并在测量中进行校准的;、、都是按照设计要求预设的。
此外,为了加快响应,DAC预校正表是通过测试选取的较为准确的控制电压值;为了兼顾稳定性和响应速度,是通过不断测试选择的。
4.系统性能测试与分析
4.1系统性能测试
系统需要两组电源供电,分别是±5V和±15V,由实验室的直流稳压电源提供。
模块的供电要求详见电路图(图5~图11)。
4.1.1DAC8043电路测试
为了保证放大电路的工作正常与准确,先对DAC电路进行测试,不断更改单片机输出至DAC的值,观察DAC输出电平,电平大小与计算值接近,表明DAC工作正常。
可以进行压控增益放大电路的测试。
4.1.2压控增益放大电路测试
将VCA810的输入信号设置为正弦波,频率设置为1kHz,峰峰值200mVpp,并连接到同相输入端
(1);用直流稳压电源产生一个负的控制电压,并将其连接至控制电压引脚(3),不断改变控制电压值,观察输出波形,得出可控的控制电压范围约为-0.4V~-1.6V,将输出端(5)连接至后级可调增益放大电路,并用DAC输出代替稳压源作为控制电压,控制DAC输出为大约400mV,使得VCA810能正常工作,调节电位器,改变后级输出的大小,直至调至200mVpp左右。
改变DAC值,使得放大电路总增益近似为1x、4x、16x、64x、128x,分别记录此时DAC输出值,作为预校正表。
预校正表如下:
系统增益
D/A值
输出控制电平
压控放大器增益
后级放大器增益
1x
505
0.395
0.062
16.253
4x
880
0.688
0.237
16.868
16x
1265
0.988
0.947
16.887
64x
1645
1.285
3.718
17.213
128x
1845
1.441
7.635
16.765
表1控制电压预校正表
由上表可以看到,预校正值按照2.1.1节中所述的公式进行计算,在保持后级电路增益不变的情况下,并不能完全得到所需的增益,主要原因有二:
1.VCA810实际压控特性并非完全线性,总有非线性因素;2.预校正表的作用是在增益切换后,减少电路在增益之间切换的时间,因此不必十分精准,准确增益可由反馈回路控制得到。
4.1.3衰减器电路测试
用信号源作为衰减器电路的输入信号,并将信号设置为频率1kHz、峰峰值25.6Vpp(对应系统增益128x)的正弦波,调节电位器,使得衰减器电路输出略小于3.2V。
4.1.4绝对值电路和峰值检测电路测试
使用信号源作为绝对值电路的输入信号,将信号设置为频率1kHz、峰峰值50mVpp~6.4Vpp的正弦波,观察绝对值电路输出,若输出为全波整流波形,则电路工作正常。
将此级电路输出作为峰值检测电路输入,观察峰值检测电路输出是否为一直流电平,若输出为直流电平,且无明显锯齿,则峰值检测电路工作正常,可以作为ADC输入。
由于峰值检测电路利用电容充放电进行工作,对于正弦波有很小的误差,因此3.2节提到的衰减倍数可以认为两级电路之和。
为了获得的值,设置系统输入信号为频率1kHz、峰峰值200mV的正弦波,改变DAC输出值,使得系统增益改变,记录系统输出信号峰峰值和峰值检测电路的输出信号幅值,进行直线拟合。
数据记录如下:
系统输出
(Vpp)
0.83
1.40
2.70
4.30
7.50
12.80
21.10
峰值检测输出(V)
0.096
0.146
0.328
0.544
0.900
1.380
2.600
表2系统输出-峰值检测输出表
使用Matlab中的cftool工具对上述数据进行拟合,得到结果如图14所示。
拟合时将峰峰值减半,即按峰值进行拟合,这样直线的斜率即为衰减倍数。
从拟合结果可以看到除了一个明显异常点之外,其余点保持较好的线性关系,所得拟合数据为:
图14系统输出-峰值检测输出拟合图
LinearmodelPoly1:
f(x)=p1*x+p2
Coefficients(with95%confidencebounds):
p1=0.2408(0.219,0.2625)
p2=-0.01443(-0.1226,0.09373)
Goodnessoffit:
SSE:
0.02926
R-square:
0.9939
AdjustedR-square:
0.9926
RMSE:
0.0765
可见衰减倍数的值为4.1528,比预想的值4略大一些,这样做也可确保峰值检测后,电平大小不会超过参考电压造成错误。
在最后测试时,对这个值还做了一些调整,以确保最后结果较为准确。
4.1.5参考电压发生电路测试
参考电压发生电路十分简单,只需在输入端提供不低于3.3V的电压即可,但是实测中,若不在LP2950-33输出端对地加一个电容,则输出电压为锯齿状,对地接一个1μF的电容后,输出直流电平稳定在3.2V左右,可以作为参考电压使用。
4.1.6直流电平发生电路测试
使用万用表测量电路输出,调节电位器直至输出为100mV为止。
4.2误差分析
影响输出精度的首要原因是AD采样点的电压不稳定。
在AD采样点有比较大的噪声信号,导致同样状态下的AD采样值在不停地波动。
减小这一误差有两个方法:
改善前级模拟电路,减少采样点的噪声;对AD采样值进行数字滤波,例如多次采样求均值或中值。
另外,单片机ADC模块的精度也直接影响输出的精度。
使用的MSP430G2553的ADC是10位,参考电压是3.2V,即ADC最小分辨率是3.1mV,已经能够达到需要的精度。
与此相似,DAC8043的精度也能满足要求。
还有一个影响精度的因素:
衰减器电路对信号衰减的实际倍数与单片机中设置的衰减倍数不完全相同,导致输出电压不准。
解决办法是:
先进行校准,调整衰减器电路中的电位器和修改单片机中设置的衰减倍数,尽量使衰减器电路对信号衰减的实际倍数与单片机中设置的衰减倍数相差较小。
5.结论
基于LaunchPad开发板的可控增益放大器,以VCA810为中心,实现了手动控制电压增益和自动控制输出电平的两个功能,具有很好的稳定性、输出精度以及响应速度。
这里使用模拟电路与数字电路混合处理的模式,使得电路的复杂程度和程序的复杂程度都在十分合理的范围。
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