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1、2022年全国大学生电子设计大赛D题 2022年全国大学生电子设计竞赛 LC谐振放大器（D题） 摘要 本次设计是以谐振放大器为核心，以实现微小高频信号不失真放大而进行的。本次设计针对的是小于5mV的15MHZ的信号，因此对于信号纯度的要求很高，因此我们选择制作PCB板和滤波电容来进行滤波以保证我们所处理的波是干净的少杂波的。而谐振放大器一般应用于小信号放大。为了进行微小信号的处理，需在设计前加一个衰减器，设计所用的衰减器是形电阻网络，这种衰减网络可以有效保输入阻抗不变，并且电路简单易于实行，衰减倍数在40dB左右，然后经过差分电路进行选频放大，由于信号放大倍数不够，因此又在后级加了以AD603
2、为核心的放大电路进行放大。设计完成以后，可以完成设计所要求基本的指标以及大部分发挥部分的指标。 关键词：LC谐振，放大，衰减，高频 目录 第一章系统方案论证 (1) 1.1 衰减器的论证与选择 (1) 1.2 LC谐振放大器的论证与选择 (1) 1.3 AGC的论证与选择 (1) 1.3 控制系统的论证与选择 (2) 第二章系统理论分析与计算 (2) 2.1 衰减器的理论分析与计算 (2) 2.1.1 理论计算 (2) 2.1.2 特性阻抗的理论计算 (2) 2.1.3 频带的理论计算 (2) 2.2谐振放大器的理论计算与分析 (2) 2.2.1 谐振放大器 (2) 2.2.2计算分析 (3)
3、 2.3 AGC的理论计算与分析 (3) 2.3.1 AGC的计算 (3) 第三章电路与程序设计 (3) 3.1电路的设计 (3) 3.1.1系统总体框图 (4) 3.1.2LC谐振子系统框图与电路原理图 (4) 3.1.3电源 (4) 第四章测试方案与测试结果 (5) 4.1测试方案 (5) 4.2 测试条件与仪器 (6) 4.3 测试结果及分析 (6) 4.3.1测试结果(数据) (6) 4.3.2测试分析与结论 (7) 第一章系统方案论证 本系统主要由衰减模块、谐振放大模块、AGC模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 衰减器的论证与选择 方案一： 采用程控衰减器，与
4、msp430f449实现单片联调控制系统。为了达到更好的效果，还需要考虑温度补偿等因素；由于本系统主要重点在谐振电路的设计，对衰减器的要求不高，不需要对衰减器实现程控，并且线路一多会对高频信号产生影响，故本方案不适于施行。 方案二： 使用运算放大器进行反相衰减，用运放的放大原理，改变反馈电阻与输入电阻的比值来达到衰减的目的。可是运放有很大的不稳定因素，一者是输入信号为高频小信号，普通运放并不能很好的放大这样的信号；二者是运放十分容易失真，为实验增加了不稳定因素，因此并不适合我们。 方案三： 除去复杂的衰减电路，返朴归真，有一种从一开始就被使用的衰减网络：电阻衰减网络。本报告中主要用形电阻网络进
5、行一定程度的衰减。由于此衰减器简单易行，所用元器件比较常用，能保持输入阻抗不变，并且的是本衰减器为纯阻网络，即此衰减器的频带为任意频率均可通，实现全通，能够很好地与下级谐振放大器相结合。 综上，选择方案三。 1.2 LC谐振放大器的论证与选择 方案一： 谐振放大器广泛用于通信接受系统中，由于信号的远距离传输，会导致信号变得很微弱，因此需要将信号放大方可被系统接收到；可以使用集成芯片通过一些简单的外围电路的搭接就可以制成各种谐振放大器，但往往其造价过高，并且参数难以调节，并不适合本设计要求。 方案二： 采用差分电路构成LC谐振电路进行滤波选频，后接射级电压跟随电路，用独立元件布线而成，此种方法可
6、以自己控制元器件的选择搭配，调节参数时比较方便，易于达到我们所要的效果，并且造价不高，适于我们使用。 综上，选择方案二。 1.3 AGC的论证与选择 方案一： 利用集成芯片AD603这样一款压控增益芯片，该芯片通过改变电压差来实 现增益控制，并且此芯片是一款程控芯片，并且芯片只需要搭一些简单的外围电路即可使用，且性能优良，放大效果好，也适于高频放大使用 方案二： 利用可编程数字电位器，输入信号经过乘法运算电路，再进行一定的放大，放大到合理的程度，整流滤波后经过一比较放大电路，反馈到输入源；改变电阻的大小，即可改变放大的倍数，从而达到增益自动控制的目的。 综上，采用方案一。 1.3 控制系统的论
7、证与选择 方案一： 用简单的硬件电路实现控制，有利用调节电位器，开关的通断等等来调节电路的，这种方法可以很容易检查出电路出错的地方，并且也有感官上的认识，简单易行；但比较传统，操作复杂，最重要的是这种方法并不人性化，在信息化高速发展的今天，这种方法并不适用。 方案二： 利用msp430f449这款MCU（微控制器）与硬件电路联调实现自动化的控制，方便简洁，并且人性化。 综上，采用方案二。 第二章系统理论分析与计算 2.1 衰减器的理论分析与计算 2.1.1理论计算 设输入电压为Ui，输出电压为Uo,从电路图分析可以看出衰减系数为 Uo=Ui*RL/(RL+R2) (1) 通过改变相应的系数即可
8、实现衰减系数可调的衰减器；由于衰减系数需要为40dB，即为100倍，我们选用的电阻在误差允许范围内满足(RL+R2)/RL为100，符合题目要求。 2.1.2特性阻抗的理论计算 衰减网络的特性阻抗即为整个衰减网络的输出阻抗，从衰减网络我们可以很容易得看出 Ro=Rl/(Rl+R2) (2) 加上传输同轴电缆，所以此时整个衰减网络的特性阻抗变为同轴电缆的特性阻抗，即为50，符合题目要求。 2.1.3频带的理论计算 由于本衰减网络为纯电阻网络，无论对于任何频率的信号，所起的衰减作用都是同样的，没有频宽的意义，即为通频。频带一定与下级相适应。 2.2谐振放大器的理论计算与分析 2.2.1谐振放大器
9、本谐振放大器采用LC发生谐振，从下面的谐振电路multisim仿真图可以看 出，采用了长尾式电路，L与C相互并联，构成并联谐振，整个电路在仿真器上实验通过，性能优良，Q值较高。 2.2.2计算分析 1 发生谐振时的频率 f=1/(2(LC)1/2) (3) 通过理论计算得出f=15MHz左右,误差允许范围内满足题目要求。 2 增益的理论计算 Au=20log(Uo/Ui) (4) 3 输入电阻的计算 Rin=Ui/Ii (5) 经过分析计算，得出Rin=50。 4在-3dB带宽内做出一条直线，得出近似的2f0.7值 带内波动为1dB。 2.3 AGC的理论计算与分析 2.3.1 AGC的计算
10、AGC的计算比较简单，主要是用了一款比较方便的芯片AD603，其增益与该芯片1脚与二脚的差呈线性关系（以dB来计算），将其5，7脚短接，放大关系为(40Vg+10)dB这样就为理论分析与实际应用提供了方便，在误差允许的范围内，差值与增益值基本上成线性关系，不存在大的误差,但需注意1，2脚电压差不能超过正负0.5V。 第三章电路与程序设计 3.1电路的设计 图1 衰减器电路图图2 LC谐振电路图3 AD603后级放大模块 3.1.1系统总体框图 系统总体框图如图1所示，系统总体框图 3.1.2LC 谐振子系统框图与电路原理图 LC 谐振子系统框图 3.1.3电源 电源由变压部分、滤波部分、稳压部
11、分组成。为整个系统提供3.6V 电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，采用LM337，LM317实现可变直流电压源，故不作详述。 3.2程序的设计 3.2.1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实现键盘的设置和显示。 1）键盘实现功能：设置电压值 2）显示部分：显示电压值 2、程序设计思路 由于AD603是可控增益的运放芯片，所以它与tlv5618这一DA 转换控制芯片相连可以实现控制电压进而控制放大增益的效果，而用键盘上的两个键，以0.1V 为步进来控制电压增减。 图5.LC 谐振子系统流程 经衰减器衰减后的信号 经差分电路来进行滤波选频 利用高频三
12、极管3356进行电压跟随 放大后的信号输出，放大约20dB AD603的后级放大电路，进一步放大信号 5mV 以下的15MHZ 以上的微小高频信号 形电阻网络衰减器， 衰减在40dB 以上 LC 谐振放大电路将前级微小信号放大29dB 左右 以tlv5618DA 转换实现电压控制增益 最终输出在原信号基础上放大60dB 以上的信号 图4.系统流程 3.2.2程序流程图 1、主程序流程图 初始化系统 初始化LCD 键盘扫描 显示电压值 2、LCD子程序流程图 初始化 显示电压值 3、键盘子程序流程图 初始化 键盘扫描 第四章测试方案与测试结果 4.1测试方案 1、硬件测试 1)衰减器模块测试（本
13、设计采用形电阻网络进行衰减器的制作。） 测试仪器：高频信号发生器，高频毫伏表，数字双踪示波器 测试方法：以高频信号发生器输入15MHZ的一固定有效值正弦波，接入衰减器后，以交流毫伏表测其有效值是否达到衰减标准，以及用示波器观察其波形是否失真。 2)LC谐振模块测试 测试仪器：测试仪器：高频信号发生器，数字双踪示波器，频谱仪 测试方法：以高频信号发生器输入一5mV以下15MHZ正弦波，接入LC谐振模块，以示波器和频谱仪观察其放大倍数以及波形失真情况 3)AD603后级放大模块测试 测试仪器：测试仪器：高频信号发生器，数字双踪示波器，频谱仪 测试方法：以高频信号发生器输入一5mV以下15MHZ正弦
14、波，接入AD603后级放大模块，以示波器和频谱仪观察其放大倍数以及波形失真情况 4)硬件联调测试 测试仪器：测试仪器：高频信号发生器，数字双踪示波器，频谱仪 测试方法：将所有硬件模块连在一起，以高频信号发生器输入一5mV以下15MH正弦波，以示波器和频谱仪观察其放大倍数以及波形失真情况还有矩形系数 2、软件仿真测试 图6 形衰减网络仿真图图7 LC谐振仿真图 4.2 测试条件与仪器 测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：高频数字毫伏表，数字双踪示波器，数字万用表，频谱仪，高频数字发生器。 4.3 测试结果及分析 4.3.1
15、测试结果(数据) a)衰减器模块 表一 输入电压输入频率输出电压输出频率衰减倍数 5mV 15MHZ 50.4uV 15MHZ 99.2 4mV 15MHZ 39.8uV 15MHZ 100.4 3mV 15MHZ 30.0uV 15MHZ 100 小结：形电阻网络很好的完成了信号衰减的工作，衰减一直倍数在 40dB左右 b)LC谐振模块 表二 输入电压输入频率输出电压输出频率放大倍数-3dB带宽 50uV 15MHZ 1.54mV 15MHZ 30.8 300K 40uV 15MHZ 1.19mV 15MHZ 29.8 280K 30uV 15MHZ 0.89mV 15MHZ 29.6 31
16、0K 小结：经过多次修改LC谐振电路的参数，终于找到符合设计要求的电 感电容参数，成功将谐振频率锁定在15MHZ，而且后面紧跟的射级放 大电路也没有使波形失真，并将波形放大了29dB左右。 c)AD603放大模块 表三 输入电压输入频率输出电压输出频率放大倍数 1.5mV 15MHZ 60.4mV 15MHZ 40.3 1.2mV 15MHZ 48.1mV 15MHZ 40.1 0.9mV 15MHZ 35.8mV 15MHZ 39.8 小结：由于LC谐振模块并不能达到设计所要求的放大倍数，所以就必 须后置一级放大电路继续不失真的放大信号，而这个以AD603为核心 的模块能够很好的完成这一工作
17、。 d)硬件联调 表四 输入电压输入频率输出电压输出频率放大倍数 5mV 15MHZ 6013mV 15MHZ 1202.6 4mV 15MHZ 4768mV 15MHZ 1199.2 3mV 15MHZ 6003mV 15MHZ 1200.6 5mV 15MHZ 3601mV 15MHZ 1199.8 总结：由不失真的波形与放大倍数来看，我们完成了设计所要求的指标4.3.2测试分析与结论 根据上述测试数据，尤其是表四中的数据放大倍数，由此可以得出以下结论： 1. 衰减器衰减量为40dB左右，达到设计要求 2. 谐振频率为15MHZ，符合设计要求 3. 在小于5mV的高频信号输入条件下，信号可不失真的放大1000倍以上达到设计要求 4. 矩形系数最小可达到0.3 5.-3dB带宽可达300K，达到设计要求 6. 输入电阻为50欧姆（形电阻衰减网络） 7. 输入电压为3.6V，基本实现低功耗 8.发挥部分再加一级运放可达80dB不失真，达到设计要求 综上所述，本设计达到设计要求。