应用设计
阿
一种具有ＡＧＣ功能的电荷
放大电路的设计
中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室鄄旭飞
在水下爆炸信号采集系统中，所前置放大电路主要有两种，分别是电（１）Ｃｆ＞＞Ｇ，的前提条件下，则式（１）采用的ＡＤ芯片只有输入在２ＶＰ—Ｐ时，压放大器和电荷放大器，但是电压放可化简为：
才能输出最大的有效位数与较高的信大器存在很多不足如容易受到输入电噪比。本文设计的前端调理电路借鉴缆长度的影响，常用于实验室的测试吒＝（－＋等卜㈤
数字通信接收系统及音视频传输系统中，很少应用与实际的工程中。而电由式（２）得，当Ｕ。一定时，Ｃ。
中的自动增益控制功能，把它应用在荷放大器克服了电压放大器的诸多不和Ｃ。越小，Ｃ越大，输出噪声电压Ｕ。。
本次电荷调理放大电路中。当输入信足，但是电荷放大器的噪声也是影响越小；当输入电缆越长，反馈电容越号电平幅度在很大范围内变化，使输放大信号的重要因素，图２为压电式传小，则相应噪声电压Ｕ。的增益越大，出信号幅度保持恒定或仅在较小范围感器与电荷放大器等效电路。
在输出端引起的噪声电压Ｕ。。也就越内变化。实验所用的传感器与炸点的ｆ’．．
大。
距离不同，所以输出的信号幅值也会由图２等效电路，同理可分析电荷有所不同，而对测试电路进行满量程放大器的零点漂移，即将Ｑ及Ｕ。等于测量可以提高测试精度，因此通过自零，则有：
动增益的方法来控制增益的大小，从图２电荷放大器等效电路
而使输出信号满足量程。本次设计的图２是将噪声和零点漂移等效到输％＝（１＋骂掣笋卜㈤
电荷放大电路设计框图如图ｌ所示，
入端的等效输入电路。Ｕ。与Ｕ。。分别是因为零点漂移是一种变化缓慢的等效输入噪声电压和等效输入失调电
的信号，所以ｆ＝０，代入式（３），可电荷放大器的分析
压。将输入电荷Ｑ及等效零点漂移电得：
本次设计所用的传感器为美国压Ｕ。。等于零，则由电路理论可得，
㈤
ＰＣＢ公司的１３８Ａ水下冲击波压电式
０【『ｄｃｃ＋ｃＪ）＋ＧＩ＋ｑ】＝ｋ一％ｂ吗＋Ｇ，）（１）
％＝（１＋等卜
传感器，针对压电式传感器，通常其在∞（Ｃ
ｃ＋Ｃ
ｓ）＞＞Ｇ
ｉ＋Ｇ
ｃ，
由式（４）可知，若要减小电荷放大器的零点漂移，必须使Ｇ。、Ｇ。小，也就是要提高放大器的输入电阻及绝缘电阻，同时要增大Ｇ，，即减小反馈电阻Ｒ，。综合各方面的因素考虑，本
图１电荷放大电路结构框图
次电荷放大器选用ＯＰＡ２３０１为运算放
ｗｗｗ．ｅｐｃ．ｃｏｍ．ｃｎ・２０１４年９Ｒ・夸日电子
万方数据
应用设计
可增益的集成运放，其编程增益的范围由管脚５；｝１１７之间的连接方式决定。当脚５与脚７短接时，ＡＤ６０３的增益为一１０～３０ｄＢ，其增益可用下时表示：Ｇａｉｎ（ｄＢ）＝４０Ｖ
ｇ＋１０，Ｖ
ｇ
为ＡＤ６０３差动输入电压差，且有－５００ＭＶ＜Ｖ。＜５００ＭＶ。本次设计就采用这样的增益范围。当５Ｎ和７脚断开时，增益范围为１０～５０ｄＢ，如果在５脚和７脚之间接上电阻，则增益范围处于上述二者之间。因此，ＡＤ６０３的这些特征非常适合构成自动增益放大电路。为了提高自动增益范围，本次设计采用两片ＡＤ６０３级联的方式。同时，为了充分利用两级放大器的增益资源，使得前级放大增益用尽后再启
带通滤波器的设计
动次级增益。本次设计的原理图如图６图３为四阶有源带通滤波器的设计所示。
图，由二阶有源低通滤波器和二阶有２
ＡＧＣ电路
源高通滤波器组成带通滤波电路。本如图６所示，ＡＧＣ电路采用两片
次设计采用的运算放大器为ＡＤ８２９，图４低通滤波器截止频率波特图
ＡＤ６０３
ＪＩ瓯序级联的方式，这种方式有
其拥有１００ｋＨｚ～１ＭＨｚ的带宽范围。利于控制精度和提高信噪比。整个电低通滤波其和带通通滤波其的带内增路的核心是ＡＤ６０３的差动输入电压差益增益均为１，低通滤波器的截止频率Ｖｇ，其中，Ｖｇ－ＶＧＰｏｓ－－ＶＧＮＥＧ。在此电为１Ｍ
Ｈ
Ｚ，高通滤波器的截止频率为
路中，前后级的Ｖ。Ｎ。。分别被固定在１Ｖ１００ｋＨ
Ｚ，根据有源带通滤波的快速设
与２Ｖ，所以控制增益只需控制Ｖ。，。。即
计理论，可以估算出低通滤波器和高图５高通滤波器截止频率波特图
可。三极管２Ｎ３９０４构成的检波电路控通滤波器的各个参数。
制着ＶＧＰｏｓ，次级ＡＤ６０３的输出ＶｏｕＴ作
图４、图５分别为利用Ｍｕｌｉｔｉｓｍｌ１
ＡＧＣ控制电路的设计
为三级管得基极输入，当Ｖ。。，增大软件仿真低通滤波器和高通滤波器，ｌ
ＡＤ６０３的工作原理
时，基极输入电流随之增大，电位器信号源使用软件中的电压信号源。
ＡＤ６０３是低噪、９０ＭＨｚ带宽
ＲＩ上的压降变大，ＮｖＧＰｏ。变小；反表１
啪通滤波器测试表
之，Ｖ。，ｏ。变大。这形成了一个负反馈
Ｉ输入幅度（ｍＶ）
１００ｌＯＯ１００１００ｌＯＯｉ００１００控制过程，因此Ｖ。与ＶｏｕＴ形成反比的ｌ输入信号频率（ｋＨｚ）５０１００３００５００８００１０００２０００ｌ滤波输出信号幅度（ＩＹＩＶ）
２５
１２５
２００
２００
ｌ７５
１５０
２５
关系，ＵｐＡＧＣ的增益与输出ＶｏｕＴ也成
万方数据
夸日电子・２０１４年９月・ｗｗｗ．ｅｐｃ．ｔｏｍ．Ｃｌ，ｉ
凹译盘
甏藿譬
＊骥≤｜鞫鬣■■－－Ｉ稳
一◆Ｃ１－Ｉ．ＵＩ
“
ｌ
理茹丁
■ｐ——一
３
ＡＧＣ电路测试结果
…
本次设计的自动增益范围在一１６～５４ｄＢ．之Ｎ，图７是输入信号频率固定在１ＭＨｚ，调整信号幅度（ｖ，一，）的测试图；图８为输入信号幅度保持１Ｖ不变，信号频率变化的测试图。
从多次实验测试结果以及图７和图８中可知，当输入信号频率在ｌＯＯｋＨｚ～１ＭＨＺ，幅度在４０ｍＶ～１Ｖ时，输出
ｓ咖裔曼Ｅ址
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１
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等
图６
Ｌ告血１一
ＡＧＣ控制电路
‘韬Ｒ４焱Ｓｖ
根据具体的应用来调整三级管的静态工作点和两个电位器的具体阻值来确定。
信号可以稳定２ＶＨ左右，由于测试设
备及电路中噪声的影响，测试结果也存在一定的偏差。
反比关系。当ＡＧＣ电路输入在变化的情况下，电路总能保持一个稳定的输出。整个电路的起控点和饱和点还得
总结
本次设计的具有ＡＧＣ功能的电荷放大电路不同于以往电荷放大电路只具有固定增益，其增益范围可随着一定范围的输入可自动调节增益，使得输出能稳定在某一恒定值或较小范围内波动。但是，也存在着一定不足，比如整个调理电路的信噪比不满足设计，噪声会一定影响着整个信号的传输。下一步，重点在ＰＣＢ布线、电路去耦、元器件选择
图７电路幅度测试图８电路频率测试方面等重新考量与评估。
囡
（Ｊ二接第６０１ｉ（）测试结果
使用逻辑分析仪观测单片机与
ＤＨ
“Ｚ”，之后终端就会定时给上位机传送温湿度数据。
匦圄ｒ自￡自＃＆雕『一＊堂ｊ里Ｊ
ｆ————————————————一
［函ｊ鲤刚到剧剧ｒ＃－删
广蕾膀姨件ａ射）Ｉ
ｒ■Ｉ啦■ｒ黼
艴ｌ硝Ｉ
Ｔ１１温湿度传感器模块的通信过
结论
通过采用ＳＴ
Ｃ
程，如图６所示。第一行是ＤＨＴｌｌ输出的温湿度数据，可以观测到是一个数据１的波形和数据０的波形。
使用上位机测试温湿度监控终端的测试结果如图７所示，首先，上位机向温湿度监控终端传送一个字符
１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２型号单
片机、Ｗ５１００以太网芯片和ＤＨＴｌｌ温湿度传感器，设计了一款适用于机房温湿度监控的终端。测试结果表明温湿度监控终端工作正常。
眦一～一～一艇一～一
卜譬
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嗽驵：Ｍ
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岫∞疆曩：搿Ｉ．霸ｊ饵：∞ｔ
１ｔｔ７上位机测试结果
圈
ｗｗ．ｅｐｃ．ｃｏｒｎ．ｃｎ・２０１４年９，ｑ・今日电子
万方数据
应用设计
阿
一种具有ＡＧＣ功能的电荷
放大电路的设计
中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室鄄旭飞
在水下爆炸信号采集系统中，所前置放大电路主要有两种，分别是电（１）Ｃｆ＞＞Ｇ，的前提条件下，则式（１）采用的ＡＤ芯片只有输入在２ＶＰ—Ｐ时，压放大器和电荷放大器，但是电压放可化简为：
才能输出最大的有效位数与较高的信大器存在很多不足如容易受到输入电噪比。本文设计的前端调理电路借鉴缆长度的影响，常用于实验室的测试吒＝（－＋等卜㈤
数字通信接收系统及音视频传输系统中，很少应用与实际的工程中。而电由式（２）得，当Ｕ。一定时，Ｃ。
中的自动增益控制功能，把它应用在荷放大器克服了电压放大器的诸多不和Ｃ。越小，Ｃ越大，输出噪声电压Ｕ。。
本次电荷调理放大电路中。当输入信足，但是电荷放大器的噪声也是影响越小；当输入电缆越长，反馈电容越号电平幅度在很大范围内变化，使输放大信号的重要因素，图２为压电式传小，则相应噪声电压Ｕ。的增益越大，出信号幅度保持恒定或仅在较小范围感器与电荷放大器等效电路。
在输出端引起的噪声电压Ｕ。。也就越内变化。实验所用的传感器与炸点的ｆ’．．
大。
距离不同，所以输出的信号幅值也会由图２等效电路，同理可分析电荷有所不同，而对测试电路进行满量程放大器的零点漂移，即将Ｑ及Ｕ。等于测量可以提高测试精度，因此通过自零，则有：
动增益的方法来控制增益的大小，从图２电荷放大器等效电路
而使输出信号满足量程。本次设计的图２是将噪声和零点漂移等效到输％＝（１＋骂掣笋卜㈤
电荷放大电路设计框图如图ｌ所示，
入端的等效输入电路。Ｕ。与Ｕ。。分别是因为零点漂移是一种变化缓慢的等效输入噪声电压和等效输入失调电
的信号，所以ｆ＝０，代入式（３），可电荷放大器的分析
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本次设计所用的传感器为美国压Ｕ。。等于零，则由电路理论可得，
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ＰＣＢ公司的１３８Ａ水下冲击波压电式
０【『ｄｃｃ＋ｃＪ）＋ＧＩ＋ｑ】＝ｋ一％ｂ吗＋Ｇ，）（１）
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图１电荷放大电路结构框图
次电荷放大器选用ＯＰＡ２３０１为运算放
ｗｗｗ．ｅｐｃ．ｃｏｍ．ｃｎ・２０１４年９Ｒ・夸日电子
万方数据
应用设计
可增益的集成运放，其编程增益的范围由管脚５；｝１１７之间的连接方式决定。当脚５与脚７短接时，ＡＤ６０３的增益为一１０～３０ｄＢ，其增益可用下时表示：Ｇａｉｎ（ｄＢ）＝４０Ｖ
ｇ＋１０，Ｖ
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带通滤波器的设计
动次级增益。本次设计的原理图如图６图３为四阶有源带通滤波器的设计所示。
图，由二阶有源低通滤波器和二阶有２
ＡＧＣ电路
源高通滤波器组成带通滤波电路。本如图６所示，ＡＧＣ电路采用两片
次设计采用的运算放大器为ＡＤ８２９，图４低通滤波器截止频率波特图
ＡＤ６０３
ＪＩ瓯序级联的方式，这种方式有
其拥有１００ｋＨｚ～１ＭＨｚ的带宽范围。利于控制精度和提高信噪比。整个电低通滤波其和带通通滤波其的带内增路的核心是ＡＤ６０３的差动输入电压差益增益均为１，低通滤波器的截止频率Ｖｇ，其中，Ｖｇ－ＶＧＰｏｓ－－ＶＧＮＥＧ。在此电为１Ｍ
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路中，前后级的Ｖ。Ｎ。。分别被固定在１Ｖ１００ｋＨ
Ｚ，根据有源带通滤波的快速设
与２Ｖ，所以控制增益只需控制Ｖ。，。。即
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图４、图５分别为利用Ｍｕｌｉｔｉｓｍｌ１
ＡＧＣ控制电路的设计
为三级管得基极输入，当Ｖ。。，增大软件仿真低通滤波器和高通滤波器，ｌ
ＡＤ６０３的工作原理
时，基极输入电流随之增大，电位器信号源使用软件中的电压信号源。
ＡＤ６０３是低噪、９０ＭＨｚ带宽
ＲＩ上的压降变大，ＮｖＧＰｏ。变小；反表１
啪通滤波器测试表
之，Ｖ。，ｏ。变大。这形成了一个负反馈
Ｉ输入幅度（ｍＶ）
１００ｌＯＯ１００１００ｌＯＯｉ００１００控制过程，因此Ｖ。与ＶｏｕＴ形成反比的ｌ输入信号频率（ｋＨｚ）５０１００３００５００８００１０００２０００ｌ滤波输出信号幅度（ＩＹＩＶ）
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关系，ＵｐＡＧＣ的增益与输出ＶｏｕＴ也成
万方数据
夸日电子・２０１４年９月・ｗｗｗ．ｅｐｃ．ｔｏｍ．Ｃｌ，ｉ
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一◆Ｃ１－Ｉ．ＵＩ
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ＡＧＣ电路测试结果
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本次设计的自动增益范围在一１６～５４ｄＢ．之Ｎ，图７是输入信号频率固定在１ＭＨｚ，调整信号幅度（ｖ，一，）的测试图；图８为输入信号幅度保持１Ｖ不变，信号频率变化的测试图。
从多次实验测试结果以及图７和图８中可知，当输入信号频率在ｌＯＯｋＨｚ～１ＭＨＺ，幅度在４０ｍＶ～１Ｖ时，输出
ｓ咖裔曼Ｅ址
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ＡＧＣ控制电路
‘韬Ｒ４焱Ｓｖ
根据具体的应用来调整三级管的静态工作点和两个电位器的具体阻值来确定。
信号可以稳定２ＶＨ左右，由于测试设
备及电路中噪声的影响，测试结果也存在一定的偏差。
反比关系。当ＡＧＣ电路输入在变化的情况下，电路总能保持一个稳定的输出。整个电路的起控点和饱和点还得
总结
本次设计的具有ＡＧＣ功能的电荷放大电路不同于以往电荷放大电路只具有固定增益，其增益范围可随着一定范围的输入可自动调节增益，使得输出能稳定在某一恒定值或较小范围内波动。但是，也存在着一定不足，比如整个调理电路的信噪比不满足设计，噪声会一定影响着整个信号的传输。下一步，重点在ＰＣＢ布线、电路去耦、元器件选择
图７电路幅度测试图８电路频率测试方面等重新考量与评估。
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（Ｊ二接第６０１ｉ（）测试结果
使用逻辑分析仪观测单片机与
ＤＨ
“Ｚ”，之后终端就会定时给上位机传送温湿度数据。
匦圄ｒ自￡自＃＆雕『一＊堂ｊ里Ｊ
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［函ｊ鲤刚到剧剧ｒ＃－删
广蕾膀姨件ａ射）Ｉ
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艴ｌ硝Ｉ
Ｔ１１温湿度传感器模块的通信过
结论
通过采用ＳＴ
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程，如图６所示。第一行是ＤＨＴｌｌ输出的温湿度数据，可以观测到是一个数据１的波形和数据０的波形。
使用上位机测试温湿度监控终端的测试结果如图７所示，首先，上位机向温湿度监控终端传送一个字符
１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２型号单
片机、Ｗ５１００以太网芯片和ＤＨＴｌｌ温湿度传感器，设计了一款适用于机房温湿度监控的终端。测试结果表明温湿度监控终端工作正常。
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卜譬
■∞■ｔ：糍
¨∞；幢：∞ｔ
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１ｔｔ７上位机测试结果
圈
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