一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于信号检测领域，涉及一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置。针对传统放大器中存在的放大增益固定不可调，可接收信号频率范围窄等问题，满足了结构应力场构建与健康评估检测、感应装定等领域的实际需求。本发明专利技术采用STM32作为装置主控单元，通过设计前置放大单元、单端转差分放大单元、二级主放大单元、差分转单端输出单元、并联谐振选频电路构建多级放大单元，开发相配套的上位机软件构成人机交互界面，实现对10Hz～100MHz内μV级别的信号进行20dB～60dB程控增益放大、可编程谐振选频功能。功能。功能。

【技术实现步骤摘要】
一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置


[0001]本专利技术涉及信号检测
，具体涉及一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置。

技术介绍

[0002]在结构应力场构建与健康评估检测、感应装定等领域，多采用非接触式信息传输方式，感应接收到的信号最小为μV级别的辐射信号。由于通信距离过长，这种微弱信号在后续通信链路中会出现衰减，不利于后续解调解码或频域分析等工作进行，因此需要对其进行电压幅值放大。
[0003]目前市面上常见的微弱信号放大器不能同时满足对感应接收线圈进行放大的频率范围与增益的需求；进口同性能放大器的价格十分高昂；针对应用在结构应力场构建与健康评估检测、感应装定测试系统的信号放大装置设计还处于空窗期。由于感应接收到最小为μV级别的辐射信号，而实际通信链路需要对mV级别以上的信号进行处理，放大器需要提供1000左右的放大倍数。由于检测信号的特殊性，其频率范围在：10Hz～100MHz之间，因此设计的信号放大器需同时满足上述频带与放大倍数的要求。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术为解决现有技术中存在的针对高频微弱信号的放大器不能同时满足高放大增益、宽频带的问题，提供一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置。
[0005]为解决现有技术存在的问题，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置，其特征在于：包括前端低噪声放大单元、单端转差分放大单元、两级主放大单元、差分转单端输出单元、并联谐振选频电路、主控单元、旋转编码器及PC上位机；旋转编码器通过编码输出BCD码送入主控单元，使主控单元解码后获取增益信息，控制放大电路；微弱信号通过前端低噪声放大单元接收并进行前置低噪声放大后，进入单端转差分放大单元；将单端输入转为差分输出后，信号传输至两级主放大单元，两级主放大单元采用SPI通信协议受主控单元控制进行增益调节；
[0007]同时PC上位机计算放大倍数，并通过RS232协议发送指令至主控单元进行增益调节；最后，通过差分转单端放大单元将信号从差分输入转为单端输出后经可编程谐振选频电路输出，经五级放大后信号被放大20dB～60dB。
[0008]所述的前端低噪声放大单元中1R3和1R2分别为反馈电阻和增益设置电阻，增益计算如式：
[0009][0010]所述的单端转差分放大单元采用两个等比反馈网络构建，两个网络上由两个等值反馈电阻RF和两个等值增益电阻RG构成，可计算得出：
[0011][0012]根据上式，增益方程可推导为：
[0013][0014]两级主放大单元由两片HMC960级联而成，单片HMC960放大增益设置于0dB～20dB之间。
[0015]与现有技术相比，本专利技术包括以下有益效果：
[0016]1)本专利技术两级主放大单元采用两片HMC960级联的方式，构建增益受控的放大单元，通过SPI协议进行控制，实现增益可程控，通过模拟开关TPO164及电阻、电容、电感阵列构成编程的LC谐振电路，实现装置放大选频一体化。
[0017]2)本专利技术采用多级放大单元级联的方式构建多级放大电路，其中包括：前置放大单元、单端转差分放大单元、两级主放大单元、差分转单端输出单元，推导计算出各级放大电路的增益设置电阻与反馈电阻的具体数值，并进行装置频率特性计算，进而实现装置总增益20dB～60dB，带宽10Hz
‑
100MHz。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例提供的整体实现框图；
[0019]图2为图1中前端低噪声放大单元的电路连接图；
[0020]图3为图1中单端转差分放大单元的电路连接图；
[0021]图4为图1中两级主放大单元的电路连接图；
[0022]图5为图1中差分转单端放大单元的电路连接图；
[0023]图6为图1中可编程并联谐振选频电路；
[0024]图7为图1中微处理器控制单元的硬件实现框图；
[0025]图8为图1中旋转编码器电路实现原理图；
[0026]图9为实施例的的内部构造与外观示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0028]本专利技术一种宽频带高增益可程控微弱信号放大装置的工作原理为：通过前端低噪放大单元接收微弱信号，进行前置低噪声放大后；信号进入单端转差分放大单元，将单端转差分放大单元转为差分输出后，信号传输至两级主放大单元，两级主放大单元采用SPI通讯协议受主控单元控制进行增益调节；同时，PC端计算放大倍数，并通过RS232协议发送指令至主控单元进行增益调节；最后，通过差分转单端放大单元将信号从差分输入转为单端输出，进而实现对频带宽度10Hz～100MHz内uV级别的信号进行20dB～60dB程控增益放大功能。装置内部信号线采用带屏蔽的信号线，主放大电路外加屏蔽罩设计，合理的结构设计保证了装置的抗干扰能力。
[0029]本实施例中提供了一种宽频带高增益可程控微弱信号放大装置，参见图1，旨在于接收高频微弱信号，提升信号的放大精度，结合PC上位机实现增益可调功能；微弱信号由前端低噪声放大单元输入，经过单端转差分放大单元后，送至两级程控主放大单元，该单元由主控单元发送指令控制增益调节，而主控单元负责解析PC上位机的指令，最后信号经差分转单端输出。
[0030]上述前端低噪声放大单元如图2所示，采用AD8099及外围电路构成前置低噪声放大单元，其中1R3和1R2分别为反馈电阻和增益设置电阻，分别设置为499欧和124欧，通过反馈电阻和增益设置电阻将前置放大单元增益设置为+5倍，其增益计算如式：
[0031][0032]上述单端转差分放大单元如图3所示，由芯片AD8139及其周围电路构成，将单端输入转化为差分输出，提升电路抗干扰能力；其3号与6号引脚分别接+5V电源，与
‑
5V电源，为差分输出提供反相工作电压，并且每个电源输入引脚外接0.1uF与1uF的电容滤除杂波，保证了供电的稳定性；8号引脚作为单端输入端，4、5号引脚进行差分输出。
[0033]采用两个等比反馈网络构建AD8139单端转差分放大单元，为匹配寄生效应，这两个网络实际上由两个等值反馈电阻RF和两个等值增益电阻RG构成。可计算得出，若：
[0034][0035]根据上式，增益方程可推导为：
[0036][0037]上述两级主放大单元如图4所述，由两片可程控增益调节的放大芯片HMC960级联而成，该芯片采用SPI通信，管脚15用作SPI的使能信号SEN用，管脚14作为SPI总线的数据输出信号MOSI，而管脚13用做数据输入信号MISO，管脚12用做时钟线信号线；第一级放大芯片的23引脚与24引脚作为差分输入使用，信号经第一级放大芯片后从2引脚与3引脚差分输出，同时2引脚与3引脚接第二级放本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽频带高增益程控微弱信号放大装置，其特征在于：包括前端低噪声放大单元、单端转差分放大单元、两级主放大单元、差分转单端输出单元、并联谐振选频电路、主控单元、旋转编码器及PC上位机；旋转编码器通过编码输出BCD码送入主控单元，使主控单元解码后获取增益信息，控制放大电路；微弱信号通过前端低噪声放大单元接收并进行前置低噪声放大后，进入单端转差分放大单元；将单端输入转为差分输出后，信号传输至两级主放大单元，两级主放大单元采用SPI通信协议受主控单元控制进行增益调节；同时PC上位机计算放大倍数，并通过RS232协议发送指令至主控单元进行增益调节；最后，通过差分转单端放大单元将信号从差分输入转为单端输出后经可编程谐振选...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕志刚，李良杰，王鹏，李晓艳，董绵绵，许韫韬，邸若海，贺楚超，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：