设计并制作一个可控放大器

设计并制作一个可控放大器，其组成框图如图所示。放大器的增益可设置；低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器的通带、截止频率等参数可设置。 1.设计思路：

如上图所示通过键盘输入，将信息发给FPGA控制模块，FPGA通过内部处理输出可以控制放大器增益和低通或高通滤波器的截止频率fc的参数。 2.方案设计：

2.1 程控放大器 0～40dB

设计要求程控放大器通频带为 100Hz～40kHz，放大器的放大倍数最高 100 倍，无明显失真和干扰。选用 NE5532宽带放大器；两级放大，保证具有一定的增益带宽积；选用 op07 低噪声放大器，以便提高程控放大器抗干扰的能力；采用跟随器的接线方法，提高带载能力和减少信号源对程控放大器的影响。

图1.1

为了实现对放大器放大倍数的控制，改变 OP07 的反馈电阻。由反馈电阻构成电阻网络，通过控制 CD4051 模拟开关，控制电阻网络的通断，实现对放大器放大倍数的控制。模拟开关CD4051 原理如图 13.4，模拟开关CD4051 管脚如下图 所示。模拟开关CD4051 真值表

图1.2 4051真值表 表1.1

由模拟开关CD4051 组成的电阻网络如图 1.3所示。电阻网络的电阻数值由测试得到，测试按上真值表表进行。在图1.1 输入峰-峰值 10mV 正弦电压信号，调节 OP07 反馈电阻R，用示波器测量其输出电压峰-峰值，在满足放大倍数条件下测出 OP07 反馈电阻 R，填在表1.2中。由于加上CD4051 后，各个通道有一定的导通电阻，重新在再测试一次各反馈电阻 R，填在表 1.2中。

4051组成的反馈电阻图1.3

2.2 程控低通滤波器

低通滤波器其-3dB 截止频率f c 在 1kHz～20kHz 范围内可调，调节的频率步进为 1kHz，2f 处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB，RL =1kΩ。根据设计要求，用改变电阻的方法实现截止频率可调；并用 CD4052 实现电阻网络控制，达到调节的频率步进为 1kHz；为了达到2f c 处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB，采用二阶低通滤波器并加上适当的衰减。如 图1.5所示。通过控制 CD4052 模拟开关，控制电阻网络的通断，实现对低通滤波器截止频率的控制。程控低通滤波器原理如图 1.4所示，模拟开关 CD4052 管脚如图 1.5 所示。模拟开关CD4052 真值表如表 1.3所示。

程控低通滤波器原理图 图

1.4

4052芯片 图1.5 4052真值表 表1.3

用调试的方法确定低通滤波器电阻网络各个电阻值。低通滤波器输入峰-峰值2V 正弦信号，输入信号的频率为 1kHz，用示波器测量低通滤波器输出，调节低通滤波器电阻 RZ 、RY ，使输出电压峰-峰值 1.4V，此时的电阻值为低通滤波器截止频率fc =1kHz 电阻网络中的电阻，用同样的方法确定低通滤波器电阻网络其他电阻值。低通滤波器电阻网络测试数据如表1.4所示，测试低通滤波器2f c 处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB，如果达不到要求，可以调节低通滤波器的增益。

1.6(a)(b)(c)所示。

反馈电阻网络图：

图1.6（a）

图1.6（b）

图1.6（c） 2.3 程控高通滤波器

程控高通滤波器原理图如图 1.7 所示。高通滤波器电阻网络测试数据如 表

1.5 所示。

由模拟开关CD4052 组成的高通滤波器电阻网络如图 1.8(a)(b)(c)所示。

高通滤波器原理图 图1.7

反馈网络R表1.5

图1.8（a）

图 1.8（b）

图 1.8（c） 2.4 FPGA 控制核心模块 FPGA内部模块原理图如图1.9

输入端 clk 接 50MHz 晶振电路；输入端control[1..0]接高低电平，00 时键盘控制低通滤

波器，01 时键盘控制高通滤波器，10 时键盘控制0～40dB 程控放大器，11 时键盘控制 0～

60dB 程控放大器；输入端 key_lie[3..0]接键盘。输出端 start 接发光二极管，有键值输

出时发光二极管显示；输出端 key_hang[3..0]接键盘；输出端 disp_data[7..0]接数码管a、

b、c、d、e、f、g、h；输出端 disp_sel[3..0]分别接四个数码管共阴极。

KEYBOARD 是键盘模块，用于设置放大倍数、截止频率；CONTROL 是控制模块，用

于控制低通滤波器、高通滤波器、0～40dB 程控放大器、0～60dB 程控放大器是

否工作，并

传送键盘数据；CONTROL1、CONTROL2、CONTROL3、CONTROL4 模块分别低通滤波器、高通滤波器、放大器的截止频率和放大倍数。

图1.9 FPGA内部结构

3.单元电路设计

3.1 程控放大器

3.2 程控低通滤波器

3.3 程控高通滤波器

3.4 FPGA内部结构

3.5 相关电路PCB图 3.5.1 程控放大器

3.5.2 程控低通滤波器

3.5.3 程控高通滤波

4.小结

在设计程控放大器时因注意各参数，应采用几级放大，注意计算好反馈电

阻的值使其满足设计要求，达到设计目的，并要选好运算放大器以满足频带要求等，

再设计低通滤波器时也要计算好各电阻组值使其满足要求及其滤波器的阶数选择，特别要注意其放大倍数，注意家衰减电路使其增益控制在所给范围内，设计高通滤波器时也应该注意滤波器的增益及运算放大器的选择也很重要，特别两反馈电阻值要相等，要选好电阻类型使其满足设计要求。

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