2013年全国电子设计竞赛
射频宽带放器（D题）
射频宽带放器设计报告
摘：系统采控增益宽带放器VCA820固定增益宽带放器THS3202进行合理级联阻抗匹配加入级功率输出全面提高增益带宽积应单片机STC89C52增益进行预置控制实现060dB调综合应电容耦滤波屏蔽线传输信号屏蔽罩等抗干扰措施减少放器噪声抑制高频激测试方案完成全部基功部分扩展功
Abstract The system uses controllable gain broadband amplifiers VCA820 and fixedgain broadband amplifiers THS3202 a reasonable cascade and impedance matching power output level after joining and comprehensively improve the gainbandwidth product Applications SCM STC89C52 preset and control the gain can be achieved from 0 to 60dB adjustable And comprehensive application of the capacitive decoupling filtering use a shielded cable transmission signal and the use of shields and other measures to reduce interference and to suppress high frequency noise amplifier selfexcitation After testing the program completed all the basic functions and some extended functionality
目 录
1．方案设计证
仔细分析证认次射频宽带放器分控增益放器固定增益放器LC滤波功率放等模块
控增益放器方案
方案：采场效应三极控制增益利场效应变电阻区（三极等效压控电阻）实现增益控制方案采量分立元件频带宽电路复杂调试困难稳定性差
方案二：易实现 60dB 增益调节采高速法器型 DA实现 AD7420利 DA 转换器 VRef 作信号输入端DA 输出端做输出 DA 转换器数字量输入端控制传输衰减实现增益控制方案简单易行精确度高实验知：转化非线性误差带宽 kHz信号频率较高时系统容易发生激
方案三：根题目放电路增益控求考虑直接选取调增益运放实现 （运放 VCA820）特点 dB 单位进行调节调增益±40dB单片机方便预置增益
方案三电路集成度高条理较清晰控制方便易数字化单片机处理
系统采方案三
固定放器方案
方案：分立元件方案元器件成低易购置设计调试难度太 周期长 尤短时间手工制作难保证性指标 采方案
方案二：高带宽电流型运放 OPA685G10时带宽达200MHz实际测试发现输出噪声较达设计求采
方案三：低噪声集成运放 THS32020增益带宽积达2000MHz实际测试指标基满足题目扩展部分性求
较采方案三
高频带通滤波器方案
方案：采源带通滤波器调试困难指定带带宽起伏较难达指标求
方案二：采源RC滤波器电路简单衰减太
方案三：采源滤波
源LC优点电路结构简单需直流电源供电性高缺点频带会信号衰减
较采方案三
通带量坦滤波器设计选较熟悉巴特沃兹滤波器时滤波器加入固定增益放器弥补信号通滤波器时幅度衰减
稳压电源方案
方案 ：线性稳压电源中包括联型串联两种结构联型电路复杂效率低仅调整速率精度求较高场合串联型电路较简单效率较高尤采集成稳压三端稳压更
方案二：采蓄电池供电宽带放低噪声放器言极方案蓄电池体积携带方便
方案三：开关稳压电源方案效率高电路复杂开关电源工作频率通常十百KHz基波谐波均放器通频带极易带串扰
综诉选择方案中串联型稳压电源
2．理分析计算
带宽增益积
带宽增益积(GBP)简单衡量放器性参数参数表示增益带宽积放器定义积定
题目中求放器电压增益 AV≥60dB Gain≥1000VV
放器通频带 0～10MHz放器带宽增益积
GWB 1000 * 10M 10G
单放器难达 10G GWB考虑级放器级联
查阅手册 THS3202 GWB 2G级联级 VCA820 足达题目求
通频带增益起伏控制
题目中求通频带增益起伏≤1dB设计采巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器特点通频带频率响应曲线限度坦 没起伏 然阻频带缓慢降零通增加滤波器阶数加快阻带衰减 符合题目求
滤波器设计软件 FilterSolutions 仿真软件 Multisim 仿真发现5阶时候达题目求（仿真效果见附录图 1）
图1
放器稳定性
（1）放器板运放电源线数字信号线均加磁珠电容滤波 磁珠滤电流高频毛刺电容滤较低频率干扰 配合起较滤电路串扰安装时量 IC 电源
（2）信号耦合点解电容两端接高频瓷片电容避免高频增益降
（3）两焊接板间传递模拟信号时轴电缆信号输入输出SMABNC 接头传输阻抗匹配减少空间电磁波电路干扰时避免放器激
（4）数字电路部分模拟电路部分电源严格分开 时数字模拟电源点相连
3．电路程序设计
硬件电路设计
系统框图
系统前级放模块增益控制模块带宽控制器单片机模块键盘显示模块电源模块组成图 1 示
图 1 系统框图
前级放电路
前级（见图2）
图2
放电路采变增益放模块设计VCA820变增益35dB~45dB
图3
增益调控放电路
控增益调节部分压控增益放器 VCA820VCA820 宽频带工作模式增益控制范围35dB～45dB 控制电压增益 dB 数成线性关系满足设计求图 3 示
带宽控制器
带宽控制300K高通滤波器100M低通滤波器放电路组成获放器通频带坦幅频特性曲线滤波器设计软件Multism设计制作5阶巴特沃兹300K高通滤波器5阶巴特沃兹100M源LC低通滤波器测试表明信号滤波器会衰减原12滤波加入THS3202搭建4增益放器（图4）
级电源设计
采制正负5V电源整系统进行正常供电电源均线性稳压块78057905搭建电源模块原理图见附图5
图5
控制器电路
选STC89C52单片机系统进行控制单片机通检测4*4矩阵键盘实现DAC0832控制电压输出控制控增益放器VCA820达增益预置效果外单片机外接1602液晶显示屏显示预置放倍数增益
抗干扰处理
高频信号放容易引入噪声实际制作中采方法减少干扰避免激：
（1）输入信号增益控制部分加入屏蔽盒中避免级间干扰高频激减少外面引入噪声干扰
（2）讲整运放系统长线包围面积接吸收高频信号减少噪声
（3） 信号输入端采轴电缆连接
（4） 运放电源引脚芯片处接滤电源噪声缓电容增加电路稳定性
程序设计
程序流程
图6程序流程
中断程序流程
图7程序流程
源程序
源程序见附录2
4 测试方案测试结果
测试仪器
（1）100MHz双通道数字示波器
（2）标准高频信号发生器（1MHz~100MHz输出1mV信号）
（3）高频毫伏表
测试方法
（1）放器预置带宽 100M
（2）输入 0~100M 信号输入效值 1mV 电压信号测试通频带否坦
（3）改变输入电压效值分记录步进 5dB 时候输出电压效值范围
相关测试数
放器基性测试
测试方法：函数发生器产生频率1MHZ效值分
测试结果分析：
增益测试：
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值（设定值）
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值（设定值）
1mv300KHZ
1V
1mv20MHZ
1V
300KHZ
30MHZ
1 36V
1mv500K
1V
1mv50MK
1V
1mv500K
1V
1mv70M
1V
1mv1M
1V
1mv90M
1V
1mv5M
1V
1mv100M
1V
带宽测试（设定增益0dB）：
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值频率(设定值)
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值（设定值）
100mv300KHZ
100mv300KHZ
109mv300KHZ
180mv20MHZ
188mv20MHZ
180mv20MHZ
150mv300KHZ
150mv300KHZ
158mv300KHZ
150mv30MHZ
158mv30MHZ
150mv30MHZ
100mv500K
100mv500K
107mv500K
100mv50MK
109mv50MK
100mv50MK
100mv500K
100mv500K
109mv500K
100mv70M
109mv70M
100mv70M
100mv1M
100mv1M
110mv1M
100mv90M
106mv90M
100mv90M
100mv5M
100mv5M
109mv5M
100mv100M
107mv100M
100mv100M
带负载力测试：
通输出级加50欧姆负载测试输出Uo等1V没明显失真达求
输出噪声测试
增益调成60dB输入短路输出78mv(峰峰值)达求
5 总结
作品达指标：
（1）电压增益 Av62dB输入电压效值 Vi≤1 mV
（2） Av＝60dB 时输出端噪声电压峰－峰值 VONPP≤
（3）输出电压正弦波效值 Vo≥1V输出信号波形明显失真
（4）电压增益 Av 预置显示预置范围 0～60dB步距 5dB
手动连续调节）放器带宽预置显示（50MHz 100MHz 两点）通
频带增益起伏≤1dB
（5）通制作开关电源提高电源效率
（6）设计集成芯片较低成实现题目求
存问题改进措施
（1）模块正常工作情况整机连调时候会出现问题 导致整机会 50Hz 工频干扰 改进措施系统线出现环路线点接包括单片机数字模拟
（2）方案实施程中时间较紧制版实验板结构受限 导致频率高时候会引入干扰果精确调整 整体电路利 PCB 开出电路板减少连线引起干扰定提高精度性
参考文献：
1 童诗白 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2001年
2丁元杰 单片微机原理应 机械工业出版社 2005年7月
3张伟 王力 protel2004入门提高 民邮电出版社 2005年11月
4阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 1998年12月
5李伯成 微型计算机原理接口技术 清华学出版社 2005年1月
6李昌喜 智仪表原理设计 化学工业出版社 2005年2月
7高频电子电路（第二版） 王卫东 电子工业出版社
8电子测量原理 古天祥 王厚军 友宝 等编着 机械工业出版社
9全国学第生电子设计竞赛 系统设计（2版） 黄智伟 编 北京航空航天学出版社
10全国学生电子设计竞赛 培训系列教程 高吉祥 编 电子工业出版社
11学生电子设计竞赛指南 刘征宇 福建科学技术出版社
附录1：
LCD_Write_Char(11num)输出数
i++
} 里没判断连续数点
else
{
temp[0]num 果19数字说明0没直接换第位0
LCD_Write_Char(01num)输出数
}
}
else
{ temp[i]num
LCD_Write_Char(i1num)输出数
i++ 输入数值累加
}
}
}
hint(q)*2
display_buffer[0]q10+＇0＇
Set_LCD_Pos(0x00)
for(j0j<2j++)
{
LCD_Write_Date(display_buffer[j])
DelayMs(10)
}
LCD_Write_Char(01q) }
}
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2013年全国电子设计竞赛
射频宽带放器（D题）
射频宽带放器设计报告
摘：系统采控增益宽带放器VCA820固定增益宽带放器THS3202进行合理级联阻抗匹配加入级功率输出全面提高增益带宽积应单片机STC89C52增益进行预置控制实现060dB调综合应电容耦滤波屏蔽线传输信号屏蔽罩等抗干扰措施减少放器噪声抑制高频激测试方案完成全部基功部分扩展功
Abstract The system uses controllable gain broadband amplifiers VCA820 and fixedgain broadband amplifiers THS3202 a reasonable cascade and impedance matching power output level after joining and comprehensively improve the gainbandwidth product Applications SCM STC89C52 preset and control the gain can be achieved from 0 to 60dB adjustable And comprehensive application of the capacitive decoupling filtering use a shielded cable transmission signal and the use of shields and other measures to reduce interference and to suppress high frequency noise amplifier selfexcitation After testing the program completed all the basic functions and some extended functionality
目 录
1．方案设计证
仔细分析证认次射频宽带放器分控增益放器固定增益放器LC滤波功率放等模块
控增益放器方案
方案：采场效应三极控制增益利场效应变电阻区（三极等效压控电阻）实现增益控制方案采量分立元件频带宽电路复杂调试困难稳定性差
方案二：易实现 60dB 增益调节采高速法器型 DA实现 AD7420利 DA 转换器 VRef 作信号输入端DA 输出端做输出 DA 转换器数字量输入端控制传输衰减实现增益控制方案简单易行精确度高实验知：转化非线性误差带宽 kHz信号频率较高时系统容易发生激
方案三：根题目放电路增益控求考虑直接选取调增益运放实现 （运放 VCA820）特点 dB 单位进行调节调增益±40dB单片机方便预置增益
方案三电路集成度高条理较清晰控制方便易数字化单片机处理
系统采方案三
固定放器方案
方案：分立元件方案元器件成低易购置设计调试难度太 周期长 尤短时间手工制作难保证性指标 采方案
方案二：高带宽电流型运放 OPA685G10时带宽达200MHz实际测试发现输出噪声较达设计求采
方案三：低噪声集成运放 THS32020增益带宽积达2000MHz实际测试指标基满足题目扩展部分性求
较采方案三
高频带通滤波器方案
方案：采源带通滤波器调试困难指定带带宽起伏较难达指标求
方案二：采源RC滤波器电路简单衰减太
方案三：采源滤波
源LC优点电路结构简单需直流电源供电性高缺点频带会信号衰减
较采方案三
通带量坦滤波器设计选较熟悉巴特沃兹滤波器时滤波器加入固定增益放器弥补信号通滤波器时幅度衰减
稳压电源方案
方案 ：线性稳压电源中包括联型串联两种结构联型电路复杂效率低仅调整速率精度求较高场合串联型电路较简单效率较高尤采集成稳压三端稳压更
方案二：采蓄电池供电宽带放低噪声放器言极方案蓄电池体积携带方便
方案三：开关稳压电源方案效率高电路复杂开关电源工作频率通常十百KHz基波谐波均放器通频带极易带串扰
综诉选择方案中串联型稳压电源
2．理分析计算
带宽增益积
带宽增益积(GBP)简单衡量放器性参数参数表示增益带宽积放器定义积定
题目中求放器电压增益 AV≥60dB Gain≥1000VV
放器通频带 0～10MHz放器带宽增益积
GWB 1000 * 10M 10G
单放器难达 10G GWB考虑级放器级联
查阅手册 THS3202 GWB 2G级联级 VCA820 足达题目求
通频带增益起伏控制
题目中求通频带增益起伏≤1dB设计采巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器特点通频带频率响应曲线限度坦 没起伏 然阻频带缓慢降零通增加滤波器阶数加快阻带衰减 符合题目求
滤波器设计软件 FilterSolutions 仿真软件 Multisim 仿真发现5阶时候达题目求（仿真效果见附录图 1）
图1
放器稳定性
（1）放器板运放电源线数字信号线均加磁珠电容滤波 磁珠滤电流高频毛刺电容滤较低频率干扰 配合起较滤电路串扰安装时量 IC 电源
（2）信号耦合点解电容两端接高频瓷片电容避免高频增益降
（3）两焊接板间传递模拟信号时轴电缆信号输入输出SMABNC 接头传输阻抗匹配减少空间电磁波电路干扰时避免放器激
（4）数字电路部分模拟电路部分电源严格分开 时数字模拟电源点相连
3．电路程序设计
硬件电路设计
系统框图
系统前级放模块增益控制模块带宽控制器单片机模块键盘显示模块电源模块组成图 1 示
图 1 系统框图
前级放电路
前级（见图2）
图2
放电路采变增益放模块设计VCA820变增益35dB~45dB
图3
增益调控放电路
控增益调节部分压控增益放器 VCA820VCA820 宽频带工作模式增益控制范围35dB～45dB 控制电压增益 dB 数成线性关系满足设计求图 3 示
带宽控制器
带宽控制300K高通滤波器100M低通滤波器放电路组成获放器通频带坦幅频特性曲线滤波器设计软件Multism设计制作5阶巴特沃兹300K高通滤波器5阶巴特沃兹100M源LC低通滤波器测试表明信号滤波器会衰减原12滤波加入THS3202搭建4增益放器（图4）
级电源设计
采制正负5V电源整系统进行正常供电电源均线性稳压块78057905搭建电源模块原理图见附图5
图5
控制器电路
选STC89C52单片机系统进行控制单片机通检测4*4矩阵键盘实现DAC0832控制电压输出控制控增益放器VCA820达增益预置效果外单片机外接1602液晶显示屏显示预置放倍数增益
抗干扰处理
高频信号放容易引入噪声实际制作中采方法减少干扰避免激：
（1）输入信号增益控制部分加入屏蔽盒中避免级间干扰高频激减少外面引入噪声干扰
（2）讲整运放系统长线包围面积接吸收高频信号减少噪声
（3） 信号输入端采轴电缆连接
（4） 运放电源引脚芯片处接滤电源噪声缓电容增加电路稳定性
程序设计
程序流程
图6程序流程
中断程序流程
图7程序流程
源程序
源程序见附录2
4 测试方案测试结果
测试仪器
（1）100MHz双通道数字示波器
（2）标准高频信号发生器（1MHz~100MHz输出1mV信号）
（3）高频毫伏表
测试方法
（1）放器预置带宽 100M
（2）输入 0~100M 信号输入效值 1mV 电压信号测试通频带否坦
（3）改变输入电压效值分记录步进 5dB 时候输出电压效值范围
相关测试数
放器基性测试
测试方法：函数发生器产生频率1MHZ效值分
测试结果分析：
增益测试：
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值（设定值）
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值（设定值）
1mv300KHZ
1V
1mv20MHZ
1V
300KHZ
30MHZ
1 36V
1mv500K
1V
1mv50MK
1V
1mv500K
1V
1mv70M
1V
1mv1M
1V
1mv90M
1V
1mv5M
1V
1mv100M
1V
带宽测试（设定增益0dB）：
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值频率(设定值)
输入频率(效值)
输出值（实际）
输出值（设定值）
100mv300KHZ
100mv300KHZ
109mv300KHZ
180mv20MHZ
188mv20MHZ
180mv20MHZ
150mv300KHZ
150mv300KHZ
158mv300KHZ
150mv30MHZ
158mv30MHZ
150mv30MHZ
100mv500K
100mv500K
107mv500K
100mv50MK
109mv50MK
100mv50MK
100mv500K
100mv500K
109mv500K
100mv70M
109mv70M
100mv70M
100mv1M
100mv1M
110mv1M
100mv90M
106mv90M
100mv90M
100mv5M
100mv5M
109mv5M
100mv100M
107mv100M
100mv100M
带负载力测试：
通输出级加50欧姆负载测试输出Uo等1V没明显失真达求
输出噪声测试
增益调成60dB输入短路输出78mv(峰峰值)达求
5 总结
作品达指标：
（1）电压增益 Av62dB输入电压效值 Vi≤1 mV
（2） Av＝60dB 时输出端噪声电压峰－峰值 VONPP≤
（3）输出电压正弦波效值 Vo≥1V输出信号波形明显失真
（4）电压增益 Av 预置显示预置范围 0～60dB步距 5dB
手动连续调节）放器带宽预置显示（50MHz 100MHz 两点）通
频带增益起伏≤1dB
（5）通制作开关电源提高电源效率
（6）设计集成芯片较低成实现题目求
存问题改进措施
（1）模块正常工作情况整机连调时候会出现问题 导致整机会 50Hz 工频干扰 改进措施系统线出现环路线点接包括单片机数字模拟
（2）方案实施程中时间较紧制版实验板结构受限 导致频率高时候会引入干扰果精确调整 整体电路利 PCB 开出电路板减少连线引起干扰定提高精度性
参考文献：
1 童诗白 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2001年
2丁元杰 单片微机原理应 机械工业出版社 2005年7月
3张伟 王力 protel2004入门提高 民邮电出版社 2005年11月
4阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 1998年12月
5李伯成 微型计算机原理接口技术 清华学出版社 2005年1月
6李昌喜 智仪表原理设计 化学工业出版社 2005年2月
7高频电子电路（第二版） 王卫东 电子工业出版社
8电子测量原理 古天祥 王厚军 友宝 等编着 机械工业出版社
9全国学第生电子设计竞赛 系统设计（2版） 黄智伟 编 北京航空航天学出版社
10全国学生电子设计竞赛 培训系列教程 高吉祥 编 电子工业出版社
11学生电子设计竞赛指南 刘征宇 福建科学技术出版社
附录1：
LCD_Write_Char(11num)输出数
i++
} 里没判断连续数点
else
{
temp[0]num 果19数字说明0没直接换第位0
LCD_Write_Char(01num)输出数
}
}
else
{ temp[i]num
LCD_Write_Char(i1num)输出数
i++ 输入数值累加
}
}
}
hint(q)*2
display_buffer[0]q10+＇0＇
Set_LCD_Pos(0x00)
for(j0j<2j++)
{
LCD_Write_Date(display_buffer[j])
DelayMs(10)
}
LCD_Write_Char(01q) }
}
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
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