1、全国大学生电子设计赛2013年全国大学生电子设计竞赛射频宽带放大器（D题）【本科组】2013年9月7日摘 要 本系统由增益模块、数控衰减器模块、控制器模块和电源模块组成。以STM32F103VC作为处理器，采用宽带高速放大器THS3201实现射频增益，通过线性数控衰减器PE43702实现对增益的可调。基于可靠的硬件设计、稳定的软件算法和大量的调试，实现题目大部分要求。 关键词： 固定增益 衰减器 目 录一 系统方案 11.1 信号增益控制的论证与选择 11.2 衰减器的论证与选择 11.3 核心处理器的论证与选择 11.4 稳压电源的论证与选择 2二 系统理论分析与计算 22.1 宽带放大器的
2、设计 22.2 频带内增益起伏的控制 22.3 射频放大器的稳定性 22.4 增益的调整 2三 电路与程序设计 33.1电路的设计 33.1.1 系统总体框图 33.1.2 固定增益放大模块 33.1.3 衰减器模块 33.1.3 稳压电源 33.2程序的设计 4四 测试方案与测试结果 54.1测试方案 54.2 测试仪器 54.3 测试结果及分析 54.3.1测试结果(数据) 54.3.2测试分析与结论 6参考文献 7射频宽带放大器一 系统方案本系统主要由增益模块、衰减器模块、控制器模块和电源模块组成。下面分别论证这几个模块的选择。1.1 信号增益控制的论证与选择方案一：控制放大器的增益倍数
3、实现增益的可调。采用以VCA821为核心的可变增益放大电路。方案二：固定增益放大，通过控制衰减器实现增益的可调。采用以THS4303为核心的固定增益放大电路。方案三：可调增益放大，通过数控衰减器实现增益的可调。采用以THS3201为核心的宽带运算放大器电路。方案比较：采用方案一电路简单，控制方便，具有高增益、高带宽的特点，但自动增益控制电路难以调节，带内波动非常大。粗略调试，不满足题目要求。方案二具有非常好的带内平坦度，带宽大，电流反馈放大电路在高频多级放大电路中更具优势。综合以上两种方案，选择方案二。1.2 衰减器的论证与选择方案一：型网络电阻衰减网络。方案二： 采用数字步进衰减器PE437
4、02。方案比较：采用方案一电路搭建简易，但电阻取值的误差会对衰减系数造成影响。方案二PE43702具有最大31.75dB衰减倍数、最小0.25dB的衰减步进，在高带宽范围内有优良的dB线性衰减,更适合本系统对增益的控制。综合以上两种方案，选择方案二。1.3 核心处理器的论证与选择方案一：8位的89C51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，存储空间小。方案二：16位的单片机MSP430单片机处理能力强，运算速度快，超低功耗，片内资源丰富，方便高效的开发环境。主频速度低是其局限性。 方案三：32位的STM32系列单片机具备主频高、低功耗特点，同时拥有最大的集成度电路，具有
5、性能一流的外设。方案比较：通过比较，采用STM32F103系列单片机作为主机，速度快，高性价比，控制方便，资源丰富，功耗低。配以触摸屏人机界面使系统更加人性化，可以方便实现整个系统的控制要求。综合以上三种方案，选择方案三。1.4 稳压电源的论证与选择 对于高频宽带高增益放大器，电源噪声是必不可少的考虑因素，对电路性能有至关重要的作用。因此，一个超低噪声的电源是必不可少的。方案一：采用传统的LM78、LM79系列串联式线性稳压芯片，电路简单，防护齐全，但电流小，压差大，效率低，发热量大。方案二：采用TI公司性能优越的DC/DC开关电源转换芯片TPS5430，其具有很高的输入电流和转换效率，带负载
6、能力强。但开关电源产生的高次谐波会对高频电路产生干扰。方案三：采用有TPS7A4900、TPS7A330正负线性LDO超低噪声电源芯片以及TPS5430开关电源芯片构成的稳压电源，具有线性电源的低噪声以及开关电源的高效率的特点。综合以上三种方案，选择方案三。二 系统理论分析与计算2.1 宽带放大器的设计 本系统要求增益很高，带宽很宽。对于电压反馈型运放，其增益带宽积是一个恒定的常数。增益增大，带宽成比例下降。而电流型反馈运放，其增益带宽积并不为常数，其频率特性几乎不受闭环增益的影响,它的增益和带宽是相互独立的，其-3dB带宽仅由反馈电阻Rf决定，可以通过设定Rf得到不同的带宽。THS3021是
7、高带宽、低失真电流反馈型运放，单位增益带宽为1.8GHz。当多个THS3021级联时，即可满足系统设计要求。本系统考虑测试指标及插入损耗，设计为四级级联放大。2.2 频带内增益起伏的控制 运放幅频特性不平坦、衰减器带内波动、供电电源不稳定等原因，都可能造成频带内的增益起伏。针对运放幅频特性不平坦，本设计选用的THS3021的带内波动。本系统设计的电源使整个系统供电极为稳定。2.3 射频放大器的稳定性 （1）采取抗干扰措施，铜板大面积接地，减少地回路；（2）总体设计时，各级运放相互独立，消除运放间的相互影响；（3）布线时考虑信号流向，信号线直而短；防止级间干扰，级间采用同轴电缆相连，输入级与输出
8、级远离；电源靠近后级，防止各级形成共阻；（4）由于系统带宽比较宽，为防止信号线通过电源线相耦合，每个芯片的供电线采用去耦电容和铁氧体磁珠隔离。2.4 增益的调整 每级THS3021设定增益大概为20dB,若四级级联并考虑插入损耗，最大可获得70dB的增益。PE43702的最大衰减为31.75dB,为了能使系统增益达到0dB,需要三级衰减器。PE43702的最小衰减步进为0.25dB,可使增益在-10dB-70dB间设置，最小分辨率为0.25dB。三 电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3-1-1所示：图3-1-1 系统总体框图3.1.2 固定增益放大模块图3-1
9、-2 一至四级放大电路 3.1.3 衰减器模块 图3-1-3 一至三级衰减器模块3.1.3 稳压电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供+5V、-5V电压，确保电路的正常稳定工作。本电路中为增大输入功率和提升效率采用开关电源TPS5430，为减小噪声选择正负线性电源芯TPS7A4900、TPS7A330。图3-1-4 稳压电源电路3.2程序的设计 程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要控制三级衰减器控制、按键输入、信号处理和显示。1) 衰减器控制：根据不同的地址来控制三个PE43702从0.25dB-31.75dB衰减，以达到控制增益程控的目的。2）
10、 输入控制：通过触摸屏来进行增益大小的置数或步进控制，最小步进为0.25dB。 3）信号处理：单片机根据输入的信息对数据进行转换，并驱动三个衰减器。4）显示部分：将系统当前的增益倍数及其他信息显示。2、程序设计思路 单片机上电后进入低功耗状态，等待中断唤醒。当触摸屏有输入信息时，进入中断并退出低功耗模式，通过置数或步进对放大器的增益进行控制。 图3-2-1 程序流程图四 测试方案与测试结果4.1测试方案 对本系统的增益、幅频特性、相频特性等分别采取以下两种方式进行测试，如图4-1-1、图4-1-2所示。 图 4-1-1 测试方式一 图 4-1-1 测试方式二4.2 测试仪器测试仪器见表4-2-
11、1 表4-2-1 测试仪器 仪器名称 型号 主要参数 射频信号发生器 N9310A(安捷伦) 9kHz 3GHz 数字超高频毫伏表 SP2271(盛普) 10kHz 1000MHz 双踪数字示波器 TDS-2022（泰克） 200MHz 矢量网络分析仪 ZVL（罗德与施瓦第） 9kHz 6GHz数字万用表GDM-8245（台湾固纬） 四位半 直流稳压电源DF1731SLL3A（宁波中策） 30V 3A4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)1）通频带基础部分测试测试条件：输入电压有效值Ui=10mV,相应峰值Vip-p=28.3mV,设置增益为20dB，频率范围为1MHz-15MHz，
12、测试结果见表4-3-1。 表4-3-1频率/MHz 1 2 3 4 5 6实测Vopp/V增益/dB频率/MHz 9 10 11 12 13 15实测Vopp/V增益/dB测试结果最大输出正弦波电压有效值 Uo大于300mV，放大器 BW-3dB 的下限频率 fL小于0.1MHz，上限频率 fH大于30MHz， 1MHz15MHz频带内增益起伏小于0.4dB，波形无明显失真。2）通频带发挥部分测试测试条件：输入电压有效值Ui=800mV,相应峰值Vip-p=2.23mV,设置增益为60dB，频率范围为1MHz-100MHz，测试结果见表4-3-2。 表4-3-2频率/MHz 1 5 10 20
13、 30 40实测Vopp/V增益/dB频率/MHz 50 60 70 80 90 100实测Vopp/V增益/dB测试结果放大器 BW-3dB 的下限频率 fL小于0.1MHz，上限频率 fH大于180MHz， 1MHz80MHz频带内增益起伏小于0.7dB，波形无明显失真，最大输出正弦波电压有 效值 Uo大于1V。 3）噪声电压测试 增益设为60dB,输入短路，用数字示波器测输出端噪声峰峰值为60mV,小于100mV。 4）输入阻抗Ri与输入阻抗RL的测量 用四位半万用表测得Ri为50.23，RL为51.31。 4.3.2测试分析与结论表4-3-3 测试结果分析题目任务完成情况及分析电压增益
14、 Av20dB，输入电压有效值 Ui20mV。Av 在 020dB 范围内可调。实现： 最大输出正弦波电压有效值 Uo200mV，输出信号波形无明显失真。实现： 放大器 BW-3dB 的下限频率 fL 0.3MHz，上限频率 fH20MHz，并要求在 1MHz15MHz 频带内增益起伏1dB。实现：放大器的输入阻抗 = 50，输出阻抗 = 50 。实现：电压增益Av60dB，输入电压有效值 Ui 1 mV。Av 在 060dB 范围内可调。在 Av 60dB 时，输出端噪声电压的峰峰值 UoNpp 100mV。放大器 BW-3dB 的下限频率 fL 0.3MHz，上限频率 fH100MHz，并
15、要求在 1MHz80MHz 频带内增益起伏1dB。该项目要求在 Av 60dB（或可达到的最高电压增益点），最大输出正弦波电压有效值 Uo 1V，输出信号波形无明显失真条件下测试。最大输出正弦波电压有效值 Uo 1V，输出信号波形无明显失真。其他（例如进一步提高放大器的增益、带宽等）。通过测试指标结果和题目要求分析，此次设计基本完成了题目的任务，整个系统稳定，并且系统考虑了许多实际当中可能会对系统造成影响的因素，如PCB布线、电容去耦、信号流向等，人机界面使系统操作人性化。设计过程中特别是对信号强度放大和衰减电路进行了严格的理论推导，对系统对稳定性及精度提供了理论的保障。通过此次设计再次深刻认识到了理论联系实际对重要性，也体会到了我们的理论和实际设计的诸多不足之处，为以后的学习指明了方向。参考文献1 铃木宪次.高频电路设计与制作.何中庸，译.北京：科学出版社.2005.2 高瑜翔.高频电子线路.科学出版社.2008(12).3 杨明欣.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2011(12).
