目录

一、竞赛背景与 D 题引入

二、D 题详细要求剖析

（一）基本要求解读

（二）发挥部分分析

三、方案设计与对比

（一）方案列举

（二）方案对比与选择

四、代码实现思路与关键部分

（一）整体代码架构规划

（二）关键代码模块解析

五、代码调试与优化

（一）常见问题与解决

（二）优化策略

六、总结与展望

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一、竞赛背景与 D 题引入

全国大学生电子设计竞赛是教育部和工业和信息化部共同发起的大学生学科竞赛之一，每两年举办一次，旨在促进高等学校素质教育，培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文精神和理论联系实际的学风 ；加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力。2013 年的电子设计竞赛吸引了来自全国 30 个省、自治区和直辖市的 1069 所高校的 11036 支队伍报名参赛，规模宏大，竞争异常激烈。

在 2013 年的众多赛题中，D 题 “射频宽带放大器” 脱颖而出，引起了众多参赛队伍和电子爱好者的关注。射频宽带放大器作为现代通信、雷达、电子测量等领域的关键部件，其性能的优劣直接影响到整个系统的性能。设计并制作一个高性能的射频宽带放大器，不仅需要参赛者具备扎实的电路理论知识，还需要熟练掌握电子电路设计、调试等实践技能，同时对射频技术、信号处理等方面也有较高的要求。这道题目的出现，无疑为参赛选手们提供了一个展示自己专业素养和创新能力的绝佳舞台。

二、D 题详细要求剖析

（一）基本要求解读

1. 电压增益与调节：要求电压增益\(A_v\geq20dB\) ，且在\(0 - 20dB\)范围内可调。这意味着设计的放大器不仅要有一定的放大能力，还需具备灵活的增益调节功能。在实际设计中，可以考虑采用数控增益放大器或者模拟增益调节电路来实现。例如使用数字电位器配合运算放大器组成的增益可调放大电路，通过改变数字电位器的阻值来调整反馈系数，从而实现增益的调节 。同时，要注意增益调节的精度和稳定性，确保在整个调节范围内都能满足设计要求。

1. 输出电压与失真：最大输出正弦波电压有效值\(U_o\geq200mV\)，且输出信号波形无明显失真。这对放大器的输出能力和线性度提出了要求。为了满足这一指标，需要合理选择放大器的类型和参数，例如选用线性度好的运算放大器，并优化电路的偏置和反馈网络，以减小非线性失真。此外，还需考虑放大器的输出功率是否足够驱动后续负载，避免出现输出电压不足或失真的情况。

1. 频率范围与增益起伏：放大器\(BW - 3dB\)的下限频率\(f_L\leq0.3MHz\)，上限频率\(f_H\geq20MHz\)，并要求在\(1MHz - 15MHz\)频带内增益起伏\(\leq1dB\)。这就要求放大器具有较宽的带宽，并且在特定频带内保持增益的稳定。在设计时，要综合考虑放大器的频率响应特性，选择合适的放大器件和电路结构。例如，采用宽带运算放大器或者射频放大器芯片，并通过合理的补偿和滤波措施，拓展带宽并减小增益起伏。同时，需要对电路进行精确的调试和优化，以确保在整个频率范围内都能满足指标要求。

1. 阻抗匹配：放大器的输入阻抗和输出阻抗都要求为\(50\Omega\)。阻抗匹配在射频电路中至关重要，它能够确保信号的高效传输，减少反射和功率损耗。为了实现阻抗匹配，可以使用阻抗匹配网络，如\(L\)型、\(T\)型和\(\pi\)型网络等，通过选择合适的电感和电容值，将放大器的输入输出阻抗调整为\(50\Omega\)。此外，在电路板的设计和布线过程中，也要注意传输线的特性阻抗，避免因布线不合理导致阻抗失配。

（二）发挥部分分析

1. 高增益要求：电压增益\(A_v\geq60dB\)，输入电压有效值\(U_i\leq1mV\)，且\(A_v\)在\(0 - 60dB\)范围内可调。相比基本要求，增益提升了很多，这对放大器的设计提出了更高的挑战。要实现如此高的增益，可能需要采用多级放大电路级联的方式，但同时要注意级联带来的稳定性问题和噪声积累。在选择放大器件时，要选用增益高、噪声低的器件，并通过合理的电路设计和布局，提高放大器的整体性能。

1. 低噪声指标：在\(A_v\geq60dB\)时，输出端噪声电压的峰峰值\(U_{oNpp}\leq100mV\)。低噪声设计是射频宽带放大器的关键技术之一，噪声会严重影响信号的质量和系统的性能。为了降低噪声，可以采取多种措施，如选择低噪声的放大器件、优化电源滤波、合理布局电路板以减少电磁干扰等。此外，还可以采用噪声抵消技术或滤波技术，进一步降低输出噪声。

1. 宽频带拓展：放大器\(BW - 3dB\)的下限频率\(f_L\leq0.3MHz\)，上限频率\(f_H\geq100MHz\)，并要求在\(1MHz - 80MHz\)频带内增益起伏\(\leq1dB\)。带宽的进一步拓展对放大器的设计提出了更高的要求，需要考虑更多的因素。例如，随着频率的升高，寄生参数的影响会更加明显，因此要采用高频特性好的器件和电路结构，并进行精确的参数计算和优化。同时，要保证在更宽的频带内增益的稳定性，这需要更加精细的补偿和调试。

1. 其他性能提升：题目还鼓励参赛者进一步提高放大器的增益、带宽等性能，这为参赛者提供了更大的创新空间。可以尝试采用新的电路拓扑、材料或技术，如分布式放大技术、射频 MEMS 技术等，以突破传统设计的限制，实现更高性能的射频宽带放大器。此外，还可以考虑增加一些附加功能，如自动增益控制（AGC）、温度补偿等，提高放大器的实用性和可靠性。

三、方案设计与对比

（一）方案列举

1. 方案一：基于 AD603 的放大方案：AD603 是一款低噪声、电压控制型放大器，常用于射频（RF）和中频（IF）自动增益控制（AGC）系统。它提供精确的引脚可选增益，在 90MHz 带宽时增益范围为−11dB 至 + 31dB，9MHz 带宽时增益范围为 + 9dB 至 + 51dB ，通过一个外部电阻便可获得任何中间增益范围。在本方案中，试图直接利用 AD603 对输入信号进行放大，并通过控制其增益控制引脚来实现 0 - 20dB（甚至更高增益范围，若满足带宽条件下实现发挥部分要求）的增益调节。然而，由于 AD603 自身带宽的限制，当要求的上限频率较高时，难以满足 2013 年电子设计大赛 D 题中对高频段的带宽要求，尤其是在发挥部分要求的 100MHz 上限频率下，频带明显不够。

1. 方案二：OPA690 结合丙类功率放大器方案：OPA690 是一种高性能的宽带宽运算放大器，具有高增益带宽积（如高达 350MHz ）、低失真特性和快速建立时间等优点，通常用于视频线路驱动器、模数转换接口以及其他高频应用场合。在该方案中，首先利用 OPA690 对输入信号进行初步放大，以提高信号的幅值。然后，引入丙类功率放大器进行进一步放大。丙类功率放大器常工作在丙类状态，导通角小于 90°，效率可达到 80% 左右，能够输出较大的功率。在放大过程中，可能还会加入一些滤波电路，对信号进行滤波处理，以去除噪声和杂波，保证输出信号的质量。

1. 方案三：AG42 结合丙类功率放大器方案：AG42 是一种适用于射频信号放大的器件，具有较好的高频特性。方案中先对输入信号进行带通滤波，去除不需要的频率成分，使信号在所需的频段内。接着使用 AG42 对滤波后的信号进行放大，充分发挥其在射频频段的放大优势。最后，同样采用丙类功率放大器进行功率放大，以满足输出功率的要求。这种方案注重了对信号频段的选择和处理，以及不同放大器件在不同阶段的协同工作 。

（二）方案对比与选择

1. 频带方面：方案一的 AD603 在高频段带宽受限，难以满足题目中较高上限频率的要求，特别是在发挥部分要求的 100MHz 带宽时，表现明显不足；方案二的 OPA690 虽然有较高的增益带宽积，但在与丙类功率放大器配合时，整体频带的拓展和在宽频带内的稳定性方面存在一定挑战；方案三的 AG42 本身具有较好的高频特性，经过合理的带通滤波和与丙类功率放大器的配合，能够在较宽的频带内实现信号的放大，更有可能满足题目中对下限频率≤0.3MHz，上限频率≥100MHz 的带宽要求。

1. 增益方面：方案一的 AD603 增益范围有限，虽然可以通过外部电阻和引脚配置获得不同增益范围，但要达到题目中发挥部分要求的 60dB 增益且在 0 - 60dB 范围内可调，较为困难；方案二和方案三中，通过两级放大，即前级使用 OPA690 或 AG42 进行小信号放大，后级使用丙类功率放大器进行功率放大，更有潜力实现较高的增益以及较宽范围的增益调节，满足题目对增益的要求 。

1. 稳定性方面：方案一中，AD603 的增益虽然比较稳定，但其带宽限制导致在高频段无法稳定工作；方案二在放大过程中，OPA690 与丙类功率放大器的级联可能会引入一些稳定性问题，例如由于两级放大器之间的阻抗匹配、相位裕度等因素，可能导致系统在某些频率点出现振荡或增益不稳定；方案三通过带通滤波，先对信号进行频段选择，减少了其他频段信号对放大过程的干扰，在一定程度上提高了系统的稳定性 ，并且在与丙类功率放大器配合时，由于其针对性的高频特性和良好的阻抗匹配设计，整体稳定性较好。

1. 其他因素：在实际电路设计和制作过程中，还需要考虑成本、体积、功耗等因素。方案一虽然结构相对简单，但由于无法满足题目要求，暂不考虑；方案二和方案三中，所用器件的成本相差不大，但方案三在满足题目各项指标的前提下，可能在体积和功耗方面具有一定优势，因为其针对性的设计避免了一些不必要的信号处理和放大过程，从而减少了器件的使用数量和功耗。

综合以上多方面的对比分析，方案三在频带、增益、稳定性等关键指标上更能满足 2013 年电子设计大赛 D 题的要求，因此选择方案三作为最终的设计方案 。

四、代码实现思路与关键部分

（一）整体代码架构规划

为了实现射频宽带放大器的各项功能，代码整体采用模块化的设计思想，将不同的功能模块分开实现，以提高代码的可读性、可维护性和可扩展性。主要包括以下几个模块：初始化模块、增益控制模块、频率响应调节模块、数据采集与处理模块以及通信与显示模块。

初始化模块负责对系统的硬件资源进行初始化，包括单片机的端口设置、定时器初始化、AD/DA 转换器的初始化等，为后续的功能实现做好准备。增益控制模块根据用户设定的增益值或者自动增益控制算法，通过控制数字电位器或者其他增益调节器件，实现对放大器增益的精确控制。频率响应调节模块则根据不同的频率段，对放大器的频率响应进行优化，确保在整个频带内都能满足增益起伏的要求。数据采集与处理模块负责采集放大器的输入输出信号，进行 A/D 转换后，对数据进行分析和处理，如计算增益、检测失真等，并将处理结果反馈给其他模块。通信与显示模块实现与上位机或者其他设备的通信，将放大器的工作状态和性能参数发送出去，同时接收上位机的控制指令；还负责将相关信息显示在显示屏上，方便用户查看和操作。

（二）关键代码模块解析

1. 增益控制代码：以采用数字电位器实现增益控制为例，假设使用的是 X9C103 数字电位器，通过单片机的 SPI 接口对其进行控制。在 C 语言中，相关代码如下：

#include <reg51.h>

sbit CS = P2^0; // 片选信号

sbit SCK = P2^1; // 时钟信号

sbit MOSI = P2^2; // 主出从入信号

// 向数字电位器写入数据

void write_x9c103(unsigned char data) {

unsigned char i;

CS = 0; // 使能数字电位器

for (i = 0; i < 8; i++) {

SCK = 0;

MOSI = data & 0x80;

data <<= 1;

SCK = 1;

}

CS = 1; // 禁止数字电位器

}

// 设置增益值，假设增益值范围为0 - 255对应不同的增益倍数

void set_gain(unsigned char gain_value) {

write_x9c103(gain_value);

}

在上述代码中，write_x9c103函数通过 SPI 通信协议将数据写入数字电位器，set_gain函数根据传入的增益值调用write_x9c103函数，实现对数字电位器阻值的控制，从而调整放大器的增益 。

2. 频率响应调节代码：如果采用软件算法对放大器的频率响应进行补偿，例如使用数字滤波器。以简单的一阶低通滤波器为例，其差分方程为\(y(n)=a*x(n)+(1 - a)*y(n - 1)\)，其中\(x(n)\)为输入信号，\(y(n)\)为输出信号，\(a\)为滤波器系数。在 C 语言中实现如下：

// 定义滤波器系数

float a = 0.5;

float y_prev = 0;

// 一阶低通滤波器函数

float low_pass_filter(float x) {

float y;

y = a * x + (1 - a) * y_prev;

y_prev = y;

return y;

}

在实际应用中，将放大器采集到的信号输入到low_pass_filter函数中，经过滤波处理后的信号再进行后续的处理或者输出，从而实现对频率响应的调节，减少高频噪声的影响，使放大器在不同频率下的增益更加稳定 。

五、代码调试与优化

（一）常见问题与解决

在代码调试过程中，遇到了诸多棘手的问题。其中，信号失真问题较为突出，当放大器增益较高时，输出信号出现了明显的非线性失真，这严重影响了信号的质量和准确性。经过仔细排查，发现是由于放大器的工作点设置不合理，导致放大器进入了非线性工作区。通过重新调整放大器的偏置电阻，优化工作点，使放大器始终工作在线性区域，有效地解决了信号失真问题。

噪声过大也是一个常见问题，特别是在高频段，噪声对信号的干扰尤为明显，导致信噪比降低，信号难以准确识别和处理。经过分析，噪声主要来源于电源噪声和电磁干扰。为了解决电源噪声问题，在电源输入端增加了多个滤波电容，形成 π 型滤波电路，有效地滤除了电源中的高频噪声和低频纹波 。同时，对电路板进行了合理的布局和布线，将模拟信号和数字信号分开布线，减少了电磁干扰的影响。此外，还采用了屏蔽措施，将放大器部分用金属屏蔽罩罩起来，进一步降低了外界电磁干扰对信号的影响 。

（二）优化策略

从提升性能和减少资源占用等角度出发，采取了一系列代码优化措施。在提升性能方面，对算法进行了优化。例如，在频率响应调节模块中，原本使用的简单一阶低通滤波器在某些高频段的滤波效果不理想，导致增益起伏较大。经过研究，改用了更为复杂但性能更优的巴特沃斯低通滤波器，其传递函数能够更好地满足设计要求，在通带内具有平坦的频率响应，在阻带内具有快速衰减的特性。通过对巴特沃斯低通滤波器的参数进行精确计算和调整，使得放大器在整个频带内的增益起伏得到了有效控制，提升了放大器的性能 。

在减少资源占用方面，对数据结构进行了优化。在数据采集与处理模块中，原本使用的数组来存储采集到的数据，随着数据量的增加，占用了大量的内存空间。后来改用链表结构，链表的节点是动态分配内存的，只有在需要存储数据时才会分配内存，并且删除节点时可以释放内存，大大减少了内存的占用。同时，在代码中避免了不必要的内存分配和释放操作，减少了内存碎片的产生，提高了内存的使用效率 。此外，还对代码进行了精简，去除了一些冗余的代码和注释，减少了代码的体积，提高了代码的执行效率 。

六、总结与展望

回顾 2013 年电子设计大赛 D 题 “射频宽带放大器” 的解析及代码实现过程，这无疑是一次充满挑战与收获的电子设计之旅。从深入剖析题目要求，对基本要求和发挥部分的各项指标进行细致解读，到提出多种设计方案并进行全面对比，最终确定基于 AG42 结合丙类功率放大器的方案，每一步都凝聚着对电子电路知识的深入理解和对实际问题的精准把握 。

在代码实现方面，通过精心规划整体架构，将代码划分为多个功能模块，使系统的逻辑更加清晰，易于维护和扩展。对关键代码模块，如增益控制和频率响应调节代码的深入解析，展示了如何通过编程实现对放大器性能的精确控制。而在代码调试与优化过程中，解决了信号失真、噪声过大等诸多问题，并采取了一系列优化策略，提升了放大器的性能，减少了资源占用，这不仅是技术上的提升，更是对耐心和毅力的考验 。

电子设计竞赛不仅是对知识和技能的检验，更是培养创新思维、团队协作和解决实际问题能力的重要平台。通过参与这样的竞赛，我们能够接触到前沿的技术和应用，拓宽自己的视野，为未来的学术和职业发展打下坚实的基础。

展望未来，随着电子信息技术的飞速发展，电子设计领域将迎来更多的机遇和挑战。一方面，新的技术如人工智能、物联网、5G 等不断涌现，将为电子设计带来新的思路和方法，使电子设备更加智能化、小型化、高效化 。例如，人工智能技术可以用于优化电路设计、预测电路故障；物联网技术将实现电子设备之间的互联互通，拓展电子设计的应用场景；5G 技术的高速率、低延迟特性将对射频电路设计提出更高的要求，推动射频宽带放大器等关键部件的性能提升 。另一方面，对电子设计人才的要求也将越来越高，不仅需要具备扎实的专业知识和丰富的实践经验，还需要具备跨学科的综合素养和创新能力，能够将电子设计与其他领域的技术相结合，创造出更具创新性和实用性的产品 。

对于电子设计的学习者和爱好者来说，应持续关注行业的发展动态，不断学习新的知识和技能，积极参与各类竞赛和实践项目，锻炼自己的能力。同时，要注重培养团队协作精神和创新思维，勇于尝试新的设计理念和技术，为推动电子设计领域的发展贡献自己的力量 。相信在未来，电子设计将在各个领域发挥更加重要的作用，为人们的生活带来更多的便利和惊喜 。