基于AD603的数控增益宽频电路系统设计
第28卷第8期增刊
2007年8月
仪器仪表学 报
Chinese Joumal of scientific I璐trument
V01．28 No．8
Au舀2007
基于AD603的数控增益宽频电路系统设计
甘平1，何伟1，鲜晓东2
(1重庆大学通信工程学院重庆400030；2重庆大学自动化学院重庆400030)
摘要：针对放大电路设计时丢失信号幅度的问题，数控增益(D(℃)宽频电路系统越来越多地应用于信号的前端处理，它具有
增益可控，增益精度可调，频带范围宽等特点，逐步被广泛应用于现代仪器仪表电路系统中。本文基于ADI公司生产的AD603
数控增益放大器设计数控增益宽频电路系统，通过DAC0832和常规放大器构成的数控直流电压电路控制AD603的增益。将放
大或缩小后的信号输出到A／D转换芯片AD9214，模数转换后输出到FPGA做信号处理。根据采样的信号值大小和增益比，
就可以不失真地获得输人信号的幅度大小、频率和相位信息。
关键词：数控增益；宽频；幅度；直流电压；AD603
Design of DGC broadband circuit system based on AD603
Gan Pin91，He weil，Xian Xiaodon酽
(j CD№∥o，CD嬲l“以ic口￡io竹勘gi删一玎g，吼鲫gqi九g阮妇"咖，吼伽gqi馏4DDD30，c：Jli撒I
2 cD玩眇D，A“￡D抛￡i伽，吼彻g口锄g队泐邝幼，吼伽gqi馏40003D，凸i加)
Abstr舵t： Amplifier design for the 10ss of signal amplitude，DGC more and more applied signal fron卜end
processing，gain control，adjustable gain accuracy，wide frequency range and features gradually is widely
used in modern instrumentation circuit system．Based on ADI’s AD603 which is designed DGC broadband
circuit system，through DAC0832 and conventional amplifier it contr01s AD603’s gain，wiU enlarge or re—
duce the output signal to AD9214，the output analog—digital conversion done to FPGA signal processing．
According to ampl itude and gain ratio，we can obtain the input signal amplitude，frequency and phase infor—
mation．
Key words：D(Z(digital gain contr01)；broadband；amplitude；DC v01tage；AD603
1 引 言
随着现代电路系统的飞速发展，数字控制和信号处
理技术已广泛应用于各个领域，而信号获取是进行数字
控制和信号处理的关键，这就对输入信号的获取提出更
高的要求。信号获取是为得到不失真的输出信号，保留
信号的全面信息，这对信号处理至关重要。信号获取电
路一种途径是采用固定增益放大电路设计，这对小信号
处理较好，但对大信号就造成失真或饱和；信号获取电路
的另一种途径是采用用自动增益放大器(AGC)设计，自
动增益控制(AGC)对小信号放大，对大信号衰减，来达到
最佳幅度和不失真，虽然得到不失真的输出信号，但并不
知道原始信号幅度，输入信号大小这部分信息由于无法
采集而损失掉，这部分信息往往表明输入信号大小强弱，
是信号处理的重要依据。针对传统信号获取电路设计的
弊端，数控增益(D(Ⅺ)宽频电路系统越来越多地应用于
信号处理的前端处理，它具有增益可控，增益精度可调，
频带范围宽等特点，逐步被广泛应用于现代仪器仪表电
路系统中。
2 系统方案
数控增益理论基于自动控制理论，输入信号经预制
增益倍数的放大器放大，再经过A／D转换成数字信号，
然后送人到处理器(FPC徂)，如果发现信号太小，处理精
第8期增刊 甘平等：基于AD603的数控增益宽频电路系统设计
度不够，那么由处理器控制D／A输出直流电压，调节增
益设置，提高增益倍数，直至输出信号合适为止，这样提
高信号处理精度。反之，如果信号太大，饱和失真，则麟将控制D／A输出直流电压，降低增益倍数，使输
出信号变小。本文基于ADI公司生产的AD603作为数
控增益放大器设计实现数控增益宽频电路系统，采用
H，GA作为信号处理器，FPGA选用烈tera公司的
EPlCl2芯片，其10输出高电平时电压为3．3 V，而
AD603的增益调节控制为直流电压增益控制，故采用
D|Ac0832和常规放大电路设计数控直流电压发生电路，但嗽832的驱动电压为+5～O V，则将FPGA输出经过信号驱动电路后再连接到蝴832。通过嗽832和常规放大器构成的数控直流电压发生电路
产生增益控制电压控制AD603的增益，AD603是90
MHz低噪声可编程放大器，经过耦合电路，将放大或缩
小后的信号输出到A／D转换芯片AD9214，进行模数转
换后输出到FPGA做信号处理。最后FPGA做信号处
理时，根据采样的信号值大小和增益比，就可以不失真地
获得输入信号的幅度大小和频率、相位信息，这对后级信
号处理至关重要。设计框图如图1所示。
处理
器
FPGA
EPJCl
2
图1数控增益宽频电路系统框图
t。
3』。电路设计
3．I可控增益宽带放大电路设计
可控增益宽带放大器由芯片AD603构成，AD603是
ADI公司生产的单通道、低噪声、增益变化范围线型可调
的可控增益放大器，其内部结构由无源输入衰减器、增益
控制界面和固定增益放大器三部分组成，其内部结构图
如图2所示。
图2 AD603内部结构图
Vour
FDBK
输入端ⅥNP经过梯形网络信号衰减后，由固定增
益放大器输出，衰减量由增益控制接口的电压决定。增
益的调整与其自身电压值无关，仅与增益控制输入端口鳓(正电压增加增益)和G阿Ⅺ(负电压增加增益)两
个端接管脚有关，控制电压C国0S／GNEG端的输入电阻
高达50 MQ，因此输入电流很小，片内控制电路对提供增
益控制电压的外电路影响很小。同时AD603的带宽有
三种模式，在带宽90 MHz时，增益变化范围为一10～
+30 dB，在带宽30 MHz时，增益变化范围为o～+40
dB，在带宽9 MHz时，增益变化范围为+10～+50 dB，
为实现宽带放大选用带宽90MHz模式，增益为一10～
+30 dB，输入控制电压V．G的范围为一o-5～+o．5 V，增益和
控制电压的关系为如圆=40×％+10，当数控直流电
压产生一O．5～+o．5 V，能有效实现增益为一10～
+30 dB控制。设计可控增益放大电路采用多点接地和
就近接地的方法避免自激，电容电阻采用贴片封装形式，
各部分连线尽可能短，AD603的设计电路如图3所示。
图3 AD603电路图
在』气Ⅸ03电路设计中，数控直流电压输入控制是设
计的难点和关键，由于可调范围需控制在一o．5～+O．5 V范围内，而在GPOS和㈣形成差分电压，同时为便于
FⅨ遗做信号幅度处理，数学关系应简化，这里设计采用电
阻分压结构，即数控直流电压输出范围控制在一1～+1 V，
电压采用1：2的分压结构，选用2个100 K电阻，如图3
所示，当数控直流电压输入为+1 V电压时，则在GPOS
和GNEG形成差分电压+O．5 V，当数控直流电压输入
为一1 V电压时，则在GPos和GNEG形成差分电压一
O．5 V，同时结合增益和控制电压的关系式，就可以方便
的获取增益倍数，这样便于FPGA计算和处理。
3．2数控直流电压电路设计
为了获得控制AD603输入控制电压K，使其可调
范围为一o．5～+o．5 V，同时又能为处理器预知其增益
大小，设计精密数控直流电压电路。该电路由DAC0832
和集成运放oP07构成，DAC0832产生的信号为微弱的
电流信号，将该电流信号转换为电压信号可利用运放的
“虚地”特性，设计中就采用运算放大器0P07输入运算
放大器，具有很小的输入电流和低的输入电压，可用于高
速积分器、快速D／A转换及采样／保持电路。0P07主要
特点是带宽较宽、低的输入偏置电流和输入电压、高的输
入阻抗，对运算放大器的要求是输入电阻要趋向无穷大，
仪器仪表学报 第2 8卷
输入偏流要趋于零。这样，DAC0832产生电流将全部流
向反馈电阻R厂6，输出电压％Mt=一R，6·J，这里将嗽832产生的电流转变为电压。再经过二级反相放
大器0P07，将一级输出的微弱电压放大输出。数控直流
电压电路如图4所示。
图4数控直流电压电路
3．3 AI／D采样电路设计
基于√～D603作为数控增益放大器设计实现数控增益
宽频放大电路，带宽90 MHz模式，增益为一10～+30 dB，
经过放大或衰减后的信号需要进行AD转换为数字信号后，送人到黜中做信号处理和分析，则AD采样电路
需要宽频和高速采样才能不失真地采集信号，ADI公司的
铷D9214—105芯片符合设计需要，其最大转换速率为105
MSPS，转换精度为10 b，信号输入电压为1～2取P。同
时AD9214的模拟输入为差分缓冲输入，直接将放大处理
后的信号输入到』锄214的单端会造成信号衰减，AD采
样电路的设计采用耦合变压器的设计方法，将单端输入变
为差分输入，如图5所示。选用1：1耦合变压器，其频率
范围在200 MHz以内。
图5 AD9214模拟信号差分输入耦合电路图
4设计测试
设计测试的重点有两个环节，一个是FPGA对数控
直流电压产生的线性关系的测试，另一个是AD603的增
益控制，是否能按照特定的比例关系控制。首先由FP—
GA软件控制数控直流电压产生，通过调节0P07的放大
增益将数控直流电压的设置控制在一1 V～+l V范围内，即H)GA输出到嗽832的8位数据为“oO ooo
ooo”时，数控直流电压产生一1 V电压，FPGA输出到
№832的8位数据为“111111111”时，数控直流电压
产生+1 V电压，并且需要做线性关系测试，保证从FP—
GA输出的数据与数控直流电压的输出在一1～+1 V范
围内是一个严格的线性关系，同时输出直流电压的精度
为O．01 V。其次，如何确定AD603的增益比例关系，对
被测试的输入信号无法预知其幅度大小，则需先固定一
个增益值，这里设计用一5 dB增益，为了防止大信号直
接输入到AD9214，先对输入信号进行一5 dB衰减，当经
过AD9214采样后，由FPGA对转换后的数字信号进行判断，若幅度太小，低于所设定的门限值，则献控制
DAC083z，逐步增大AD603的控制电压，提高增益比，直
到达到门限要求，再对采集后的信号做处理，如图6所
示，就是对小信号放大后的波形图。
00
。
．100
IT0
差。
馨
柏O 1
3∞l
2∞j
” l舶啪Jh瑚 250 ．铷
图6小信号放大后的波形图
5结 论
基于AD603的数控增益宽频电路系统是为满足日
益广泛应用的仪器仪表和信号处理系统而设计的，它具
有增益可控，增益精度高，频带范围宽等特点，成为现代
测试仪器和信号处理系统中所必备的要求，并且随着现
代电路的不断发展，数控增益的应用将更加广泛。
参考文献
[1]Amlog Devic鹄。AD624 precision i璐trumentation am-
plifer[z]，http：／／w们仉amlog．∞札
[2]Amlog Devic∞，Inc，AD603 10w∞ise，90 MHz varia-
ble-gain锄plifier，2005．
[3]A陋log De、，ices，Inc，AD9214 10 b，65／80／105MsPs，3
V A／D∞n虻z]，2002．
[4]～tera。Inc，Cyclone EPlcl2技术手册[z]，2003．
[5]黄智伟．全国大学生电子设计竞赛系统设计[M]，北
京：北京航空航天大学出版社，2006年．
[6]胡汉才．单片计原理及其接口技术[M]，北京：清华大
学出版社，1999．
鼎||
基于AD603的数控增益宽频电路系统设计.pdf
