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目 录

第一章 引言 4

1.1 研究背景与研究意义 4

1.2 研究现状 4

第二章 设计方案论述 5

2.1 系统设计的任务与要求 5

2.2 设计方案 5

2.2.1 可控宽带增益方案选择 5

2.2.2 设计系统框图 5

第三章 系统硬件电路设计 6

3.1主控制器模块电路 6

3.1.1 复位电路 8

3.1.2 时钟电路 8

3.2 程控放大电路模块设计 9

3.2.1 设计方案 9

3.2.2 三级放大电路 10

3.2.3 50Ω阻抗匹配 11

3.3 增益控制电压产生及调理电路 12

3.3.1 增益控制电压产生电路 12

3.3.2 调理电路 13

3.4 电源模块设计 13

3.3.1 5V 电源电路 14

3.3.2 3.3V电源电路 14

3.3.3 -5V电源电路 15

3.4显示模块 15

3.5 按键电路模块 17

第四章 系统软件设计 18

4.1 主函数软件流程图 18

4.2中断模块程序流程 19

第五章 系统调试 20

5.1 硬件电路的制作 20

5.1.1 制作PCB 20

5.2.2 系统焊接 21

5.2.3 硬件电路粗检测 21

5.2.4电源检测 21

5.2.5硬件部分的连接 21

5.2 调试 21

5.2.1 放大特性检测 21

5.2.2 测试所得增益与控制电压关系式 23

第六章 总结 24

参考文献 25

致谢 26

程控增益宽带放大器的设计

李冉冉

,China

Abstract Broadband amplifier in the instrumentation circuit is widely used,commoniy used as a singnal conditioning circuit.In order to adapt to different amplitude range of the input signal,we need to design the gain programmble amplifier.The system uses the programmble gain opamp AD603 as the core,choose MSP430169 low-power Single Chip Microcomputer as the master,the use of internal DAC module to generate the gain control voltage,through the opamp after control of two-stage programmable op amp gain, and the system input And the output resistance is 50Ω, to achieve the impedance matching. In this paper, the circuit diagram of the system is put forward, and the relationship between the gain and the control voltage is analyzed and calculated. Experimental tests show that the system gain control range of -20dB ~ 60dB, 10dB step, bandwidth up to 40MHz. The design of the circuit can be used for frequency meter, oscilloscope and other equipment front-end processing circuit.

Keywords:AD603,Programmble gain,Broadband zoom,Single Chip Microcomputer

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引言

1.1 研究背景与研究意义

宽带放大器的主要功能是对射频信号和脉冲信号进行放大。其上限工作频率与下限工作频率之比甚大于1。

射频信号（RF信号）属于高频信号，广泛用于信息通信中。自古以来，人类社会的进步就离不开信息的传递。从古代的飞鸽传书、烽火传信，到现在的光纤通信、卫星通信，信息早已成为时代进步和社会变革的巨大推动力，成为国防、军事、生产和日常生活等组多领域必不可缺的元素。在生产力日益发展，社会不断进步的今天，信息通信早已和人类的生产生活密不可分，高效、精确、及时地传递信息有着愈发重要的意义。宽带放大器是移动通讯系统中的重要组成部分，它的发展带动着未来通信系统的进步与完善，在科技发展日新月异的情况下，不断面临着更高的要求和更大的挑战。

不少应用场合，信号具有较宽的频带。如图像传输处理系统中的视频信号、智能化控制系统中的脉冲信号等。随着科技的进步，电子产品日渐普及，图像信号和视频信号的处理就不断面临着新的要求。再加上近年来智能化家居、智能化管理的普及，就更需要可变增益的宽带放大器来应对各种不同的情况。总体来说，增益可控的宽带放大器可应用于多变的环境，有更高的适用性，在未来有着越来越好的前景和越来越广阔的市场，同时更需要不断地改进与创新。

1.2 研究现状

目前在通信技术领域，低噪声放大器在国外起步较早，有相对完善的系统，产品所达到的精度也比较高。其中比如Narda Microwave-West公司的LNA模块的DBS-3530N420，通频带可达到3.0-3.5 GHz,最小增益为30dB，增益平坦度为0.5dB。总体来说放大器在国外发展的较为完善。

与国外相比，我国微波元器件整体起步较晚，但近年来发展迅速。比如十三所L,S波段的LNA集成芯片HEM554E，在2015年通频带就达到了2.7-3.0 GHz，最小增益为12dB，增益平坦度为0.4dB。然而，由于工艺技术的限制，放大器的一些芯片和晶体管还需进口，因此我国放大器的发展还不是特别完善。我们仍需不断努力，争取达到国际先进水平。

此外，普遍来说，增益可控的宽带放大器中，大部分产品的所涉及的范围不包括负增益。该设计的不同点在于差分放大电路的应用克服了D/A转换不能输出负数的缺点，使系统同时具备正的增益和负的增益，提高了该作品的适用性。

设计方案论述

2.1 系统设计的任务与要求

（1）设计一个增益可控的宽带放大器

（2）放大器的输入电阻和输出电阻均为50Ω；

（3）放大器的电压增益AV可步进，步进值为10dB，电压增益的控制范围为-20dB～60dB，步进可通过键盘设定。

（4）放大器的-3dB 截止频率大于40MHz，通带较平坦，增益变化波动小，1kHz~30MHz的输出信号纹波不超过1dB。

（5）通过LCD显示当前增益等信息。

2.2 设计方案

2.2.1 可控宽带增益方案选择

方案一：采用先放大、再衰减的方法。首先要有一个整体增益较高的放大电路来实现增益的最大值，然后在后面添加由多个衰减器组成的衰减网络，通过电磁继电器来选择相应的增益值。题目所需要有9个增益值可以由两级T型衰减器组合实现。

方案二：采用集成可控增益放大器。选择使用集成放大芯片AD603来实现增益调节。可通过多级AD603级联达到需要的增益范围，其系统增益是关于接入的控制电压的线性函数，因此便于控制和计算。单片机内部的DAC可产生控制电压，再通过一系列转换电路来实现对ADA603放大电路的控制。此方案的控制电路较为简单，可适应高频环境，可操作性强，精度较高。

方案一的衰减网络是由纯电阻搭建而成，相对成本较低，低频情况下噪声较小。但控制电路较复杂，不容易实现增益持续可调，并且电阻值调节精度会对增益调节精度产生一定的影响。同时，由于继电器的引入，会影响输入信号的高频部分，继电器本身有一定的接触电阻，因此并不特别符合题目要求。 方案二使用用增益可变的放大器 AD603，通过分析电路可得到总体增益关于控制电压的线性函数，计算方便，系统稳定，有很强的可操作性。因此决定以方案二为系统方案。

2.2.2 设计系统框图

如图2.1所示，该设计主要由主控模块、D/A转换模块、放大电路、输入模块、输出模块、按键模块和显示模块组成。其中输入电阻和输出电阻都是50Ω。系统一共有三级放大，前两级由两片具有程控增益调整功能的AD603级联而成，第三采用运放OPA690来实现固定增益。系统要求以10dB为步进，因此需要共9个不同的增益值。由具体放大电路决定的系统增益关于控制电压的线性函数可计算得相对应的控制电压值。控制电压由MSP430169单片机的D/A模块产生。系统增益由按键来控制，其中九个按键对应不同的增益值，每按下一个按键会有相应的D/A输出，同时相应的增益值会在LCD上显示出来。

图2.1 系统硬件框图

系统硬件电路设计

3.1主控制器模块电路

本设计的系统控制核心为MSP430F169单片机。MSP430系列单片机一种16位的混合信号处理器，具有有超低功耗、处理能力强大、系统工作稳定、开发环境方便高效、含有高性能模拟技术以及丰富的片上外围模块等特点。其中MSP430F169是其中功能及其强大的一款产品。除了基本的时钟模块、串行通信接口模块、并行接口模块、A /D转换模块等通用模块，它比MSP43014X系列多加了DMA控制器、I²C模块以及2通道12位DAC数模转换模块，和MSP43015X系列相比多加了一个USART模块和硬件乘法器。总体来说，MSP340169单片机是MSP4301X系列中功能最强大的一款产品。

MSP430F169单片机的主要特点如下:

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