程控放大器的設計與實現(xiàn)

1、金 華 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院J I N H U A P O L Y T E C H N I C畢業(yè)教學環(huán)節(jié)成果 （20 屆）題 目 程控放大器的設計與實現(xiàn) 學 院 信息學院 專 業(yè) 應用電子 班 級 134 學 號 54 姓 名 龔浩杰 指導教師 徐華丹 20 年 月 日金華職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)教學成果目 錄摘要1英文摘要1引言 21 控制方案選擇 32 硬件電路設計.3 軟件設計.4 硬件檢測.5 軟件檢測.6總結(jié).參考文獻 6附件1 程序清單7附件2硬件電路圖7附件3（按實際附件內(nèi)容羅列）*程控放大器的設計與實現(xiàn)信息工程學院應用電子技術(shù)專業(yè) 龔浩杰摘 要本文介紹了一種可通過程序改變增益的放大

2、器。它與ADC相配合，可以自動適應大范圍變化的模擬信號電平。系統(tǒng)以89S52單片機作微處理器，采用CD4051芯片擔任增益切換開關(guān)，通過軟件控制開關(guān)的閉合或斷開來達到改變電路的增益。文章首先對系統(tǒng)方案進行論證，然后對硬件電路和軟件設計進行了說明，最后重點闡述了系統(tǒng)的調(diào)試過程，并且對調(diào)試過程中遇到的問題以及解決方案進行了詳細說明。該系統(tǒng)設計達到了預期要求，實現(xiàn)了最大放大60db的目的。關(guān)鍵詞程控放大器；運算器放大器；單片機；增益The Design and Realization of Program-Controll AmplifierAbstractThis article introduc

3、es a amplifier which changes the gain through the software. It coordinates with ADC and adapts the simulated signal level with wide range change automatically. The system uses the 89s52 SCM as the core. d the CD4051 chip composes the gain switch. The gain of the circuit is changed by software which

4、can control switch closed or disconnect.The article first demonstrates the system plan, then introduces the hardware and the software, finally explains the debugging process of the system with emphasis. It also especially analogizes the problem in the debugging process and the resolutions. This syst

5、em design has achieved anticipative request and realized enlarged 60db most greatly the goal.Key wordsProgram-controlled amplifier; operational Amplifier; SCM; gain引言在計算機數(shù)控系統(tǒng)中,模擬信號在送入計算機進行處理前,必須進行量化,即進行A/D 轉(zhuǎn)換 1 。進行A/D 轉(zhuǎn)換之前,必須考慮A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率和模擬輸入電壓量程這兩個問題。在一些特殊的應用中,我們常希望輸入信號的幅值接近A/D 的輸入電壓量程的上限。工程上常采取改變

6、放大器增益的方法對幅值大小不一的信號進行放大。在計算機數(shù)控系統(tǒng)中,為實現(xiàn)不同幅度信號的放大, 往往不希望、甚至也不可能利用手動方法來實現(xiàn)增益變換。利用程控放大器可以很好地解決上述問題。程控放大器是根據(jù)使用要求由程序控制改變增益的放大器,具有控制方便,線性度高,穩(wěn)定可靠等優(yōu)點 2 。使用程控放大器改變模擬輸入信號的增益,并配合A/D的使用,可允許輸入的模擬信號在較大范圍內(nèi)動態(tài)變化,達到了提高A/D 的輸入電壓量程的目的,也相當于提高了A/D 的分辨率。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，各類測量儀表越來越趨于采取數(shù)字化和智能化方向的發(fā)展 3 。這些設備一般由前端的傳感器、放大器電路和后端的數(shù)據(jù)處理電路組成

7、。其中后端數(shù)據(jù)處理電路通常采用高精度A/D和高速單片機，以保證儀表的精度和速度要求。對于前端電路，由于傳感器輸出信號的幅度和驅(qū)動能力均比較微弱，必須加接高精度的測量放大器以滿足后端電路的要求；另一方面，傳感器在不同測試中輸出信號的幅度可能相差很多，傳統(tǒng)的處理方法是對放大器增加手動檔位調(diào)節(jié)以保證后端的A/D采集輸入端的信號在一定幅度內(nèi)，從而保證整個儀表的測量精度。人工檔位調(diào)節(jié)增加了儀表操作的復雜性、影響了數(shù)據(jù)測量的實時性，同時檔位調(diào)節(jié)通常采用機械轉(zhuǎn)扭增加了儀器的不可靠性和接觸電阻對測量精度的影響。是否可由單片機自動選擇量程檔位呢？答案是肯定的，傳統(tǒng)的方法是采用可軟件設置增益的放大器。1 控制方案

8、選擇 程控放大器的基本電路和一般放大器電路類似,只是不同電路其反饋網(wǎng)絡以及期中的電阻阻值是不同的,下面就改變增益的幾種常用方法作一些探討。方案一 同相型程控放大器同相型放大器的基本電路如圖所示。放大器的增益G只取決于反饋電阻Rf 和電阻R1。由于運算放大器的輸入阻抗很高,尤其對于場效應輸入型運算放大器, 輸入阻抗可達1012 ,因而開關(guān)的導通電阻對放大器增益的影響可以忽略不計 4 。在圖2.1中,利用運算放大器的高開環(huán)增益特性和負反饋,開關(guān)的導通電阻對增益的影響基本上得以消除。該類電路的優(yōu)點是開關(guān)導通電阻對電路的增益影響小,因此特別適用于采用模擬電子開關(guān)控制的場合。電路的不足之處是放大器增益不

9、能小于1 ,因此不能對輸入信號進行衰減,解決辦法是在前級加入無源衰減網(wǎng)絡。方案二 反相型程控放大器反相型程控放大器的基本電路如圖2.2所示。在圖中只需改變Rf 或Ri 的阻值就可以改變放大器的增益。電路中,切換開關(guān)SW1SWn 可以使用模擬電子開關(guān)或繼電器,通過軟件控制開關(guān)的閉合或斷開,用于選擇不同的輸入電阻或反饋電阻來達到改變電路的增益 5 。該類電路的優(yōu)點:放大器增益可大于1 ,也可小于1 或等于1 ,因此,既可以對輸入的小信號進行放大,也可以對輸入的大信號進行衰減,因此電路的動態(tài)適應范圍很大。但該方法的缺點也是顯而易見的:由于切換開關(guān)與輸入電阻或反饋電阻串聯(lián),開關(guān)的導通電阻將影響放大器的

10、增益,特別是在使用模擬電子開關(guān)時尤其明顯。解決方法是將放大器的反饋電阻Rf 和輸入電阻Ri 盡量取大一些,也可先測出開關(guān)的導通電阻,再對電路中的RfRf n或Ri1Ri n作適當?shù)男拚Ａ硗? 所示的放大器的輸入阻抗不是固定的,因此最好加入隔離放大器以減少對前級信號源的影響。該圖所示電路，采用集成化的模擬開關(guān)擔任增益切換開關(guān)，功耗小，體積小，可以由TTL或CMOS電平直接驅(qū)動，可進行放大和衰減。同樣，模擬開關(guān)的導通電阻影響放大倍數(shù)，模擬開關(guān)可以使用CMOS系列的CD4066，CD4051CD4053等等，也可以使用MAX75XX系列或MAX301309，331339，351359系列的模擬開關(guān)

11、。當放大器的輸入信號正負都有時，模擬開關(guān)必須雙電源供電。方案三 DAC型程控放大器DAC型程控放大器由DAC 和運算放大器組成,其原理是利用DAC的乘法功能實現(xiàn)可變增益控制 6 。DAC內(nèi)部主要由R-2R 電阻網(wǎng)絡和模擬電子開關(guān)構(gòu)成,例如DAC0832、AD7520 等電流輸出型芯片。此類程控放大器的優(yōu)點:由于DAC中的R-2R電阻網(wǎng)絡是采用精密光刻技術(shù)生產(chǎn)出來的,電阻的誤差較小,溫度系數(shù)也比一般的金屬膜電阻低得多,因此構(gòu)成的程控放大的增益誤差較小;另外，只要取合適的輸入電阻Ri或反饋電阻Rf,電路和增益可以大于1,也可小于1,也可以等于1,甚至為0。電路的缺點:由于DAC內(nèi)部的分布電容影響,

12、電路的頻響不是太理想,電路增益也不容易做得較大;另外電路的信噪比也較差。另外，雖然市場上已有單片集成程控放大器芯片,如AD526、PGA204等產(chǎn)品,但它們的價格昂貴,放大的增益用戶無法自行改變?？偨Y(jié)以上3種，我選擇反向型程控放大器2 硬件電路設計硬件電路框圖控制模塊控制模塊主要由單片機組成，在P0口，接共陽的數(shù)碼管，P2.4P2.7接晶體管，控制數(shù)碼管的位選端。鍵盤掃描接在P3口，復位電路采用按鍵復位Ad89s52：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼

13、容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一

14、切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。放大模塊：3腳為同相輸入端，2腳為反相輸入端。8、4腳分別接正負15V電源。CD4051芯片：CD4051/CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有三個二進控制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號可控制峰值至20V的模擬信號。 管腳圖 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 真值表3 軟件設計最先想到的是模仿計算器程序設計。一共四個“8”，最后兩個固定顯示“db”字母字樣。對于前兩位，剛開始決定先由鍵盤輸入一位數(shù)，送寄存器儲存。再將其往前進一位，然后輸入第二位數(shù)字。先鍵盤掃描，得出第一個鍵值，并且送顯示。進行第二次掃描

15、，得出鍵值，再送顯示。分析：這種方法較為先進，但由于我所學知道不足，一時無法處理進位問題，所以只能作罷。連續(xù)按兩次鍵，直接將“十”位數(shù)顯示在dp1處，“個”位顯示在dp2處。先判斷是第幾次按鍵。如果是已經(jīng)是第三次按鍵，則計數(shù)器清零，復位。第四次按重新計數(shù)。如果只是第一次按鍵，則送至“十”位，并保存；當?shù)诙伟聪聲r，顯示個位。這期間給程序一定的延時。但不知道什么原因，在實際應用中，出現(xiàn)了這樣的問題：按第一次，“十、個”位都同時顯示。第二個鍵值輸入，卻覆蓋第一個鍵值，并且兩位數(shù)顯示同一數(shù)字。同時出現(xiàn)的問題還有，復位不能成功。每次復位后（重新上電后），數(shù)碼管顯示上次輸入的鍵值。分析有兩種可能：1，芯

16、片有了記憶功能，將斷電前的狀態(tài)存儲下來了。2，一上電，芯片就執(zhí)行了上次的程序。后一種解釋更為合理，這說明問題出在顯示上。初始化中顯示沒有清零。更為精簡的方法。將第二個數(shù)碼管（dp2）直接顯示“0”。這樣，只要處理一個“日”字就可以。這一思路，是三個中最簡單的。雖然如此，但我覺得程序就應該簡單，實用，完成所需功能即可。所以，我決定采用第三種方法。程序流程圖程序流程圖如圖4.1所示。首先對程序進行初始，數(shù)碼管顯示默認為0。首先進行鍵掃描，判斷是否有鍵按下。如果沒有鍵按下，則返回重新鍵盤掃描。如果有鍵按下，則送顯示電路，由數(shù)碼管顯示。同時，單片機控制模擬開關(guān)，根據(jù)輸入鍵值，選通運放芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)功能

17、。最后程序結(jié)束，系統(tǒng)終止工作。數(shù)碼管顯示4 硬件檢測（1）檢測電源線，地線。用萬用表檢測電路板有沒有短路，斷路現(xiàn)象。經(jīng)檢測，線路導通。（2）檢測極性電容正負極有無接反，電阻大小有無接對。（3）檢測單片機。上電后，先用萬用表測試各引腳電壓。其中40腳為4.93V，晶振兩腳分別為2.39V和2.12V?；危瑢懭胍恍〉陌存I掃描程序，檢測按鍵和數(shù)碼管顯示。檢測結(jié)果，兩者正常。再次，檢測復位鍵。按下后，數(shù)碼管能歸零，說明復位成功。（4）檢測放大電路。接入四種正負電源。（6）阻容耦合電路阻容耦合電路為阻容耦合電路。耦合電路的主要有三個作用：1是讓信號無損耗地通過，加到后一級電路中；2是隔離兩級放大器之間

18、的直流；3是在前級和后級放大器之間進行阻抗的匹配。當放大器的輸入阻抗比較大時，可以適當減小耦合電容的容量。降低耦合電容C1的容量，對降低耦合電容的漏電有利，因為電容的容量愈大，其漏電電流就大，放大器電路的噪聲就大（耦合電容漏電流會產(chǎn)生電路噪聲），特別是輸入級放大器的輸入端耦合電容要盡可能地小 10 。耦合電容對低頻信號的容抗比中頻和高頻信號的容抗要大，所以阻容對低頻信號是不利的。當耦合電容的容量不夠大時，低頻信號首先受到衰減，說明阻容耦合的低頻特性不好。在不同工作頻率的放大器中，由于放大器所放大的信號頻率不同，對耦合電容的容量大小要求也不同。為了降低電容漏電，愈是處于前級的耦合電容，其容量要求

19、愈小 11 。當耦合電路中的元器件開路時，信號不能加到下一級電路中，使放大器無信號輸出。當耦合電容漏電或擊穿時，會影響前后兩級放大器的直流電路工作，從而影響交流電路的工作，放大器輸出信號將不正常。5 軟件檢測檢測鍵盤掃描程序檢測CD4052控制程序主程序測試前面兩個子程序較容易寫，寫主程序時有一定的困難。經(jīng)過不斷的測試，修改，再測試，再修改，直到最后成功。在主程序中，一共調(diào)用三個子程序，它們分別是鍵盤掃描keys，數(shù)碼管顯示disp，運放放大部分fangda，三個子程序用lcall調(diào)用。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)簡單的硬件測試，軟件修改之后，將硬件和軟件結(jié)合起來進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。數(shù)據(jù)記錄 增益計算公式 使用說明程控

20、放大器經(jīng)測試成功后，便可投入使用。電路板有一五線連接器，為電源插槽。從左至右分別為GND、-15V、+15V，每條電源線已接有連接器，可方便地接上實驗板電源。電源插槽右邊有一六腳插槽，為程序下載器。最左的為GND，最右邊的為+15V電源線路。在接入電源和插入下載線時，應注意是哪個插槽以及插槽的方向。否則,如果正負電源接反,易燒毀電阻;如果將電源線接至下載器,易燒壞單片機芯片。電路板上還有兩個用6線排線相連的6腳插槽，用來連通單片機和CD4051。電路板左上腳有一兩腳輸入信號端口,引出一條輸入信號線，可直接接函數(shù)信號發(fā)生器。下載器左邊有一兩腳輸出信號端口，下端為GND。寫入程序后，接上電源，連上

21、函數(shù)信號發(fā)生器和示波器。調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器，根據(jù)實際需要，按鍵選擇放大倍數(shù)，即可得到需要放大的信號。6總結(jié)根據(jù)題目的要求，本設計基本上完成了基本部分的設計要求。在放大器模塊中，做到了電壓增益為60DB，增益10DB可調(diào)。但本設計中，也存在一些問題如：由于PCB畫線路時自己經(jīng)驗不足,元件布局不太合適,導致電路板產(chǎn)生一定的干擾,影響信號,這是我要進一步改進的和不斷學習的。在實際調(diào)試過程中,經(jīng)常會燒壞芯片,電阻。主要是接入電源時正負極接反。我的電源連接線沒有處理好。在實際調(diào)試，分析電路的過程中，發(fā)現(xiàn)自己有很多知識沒有掌握或者基本上遺忘了。所以，在做畢業(yè)設計過程中，查找課本一個知識點一個知識點去學習，

22、補充。比如，運放的負反饋放大，深度負反饋下的自激振蕩現(xiàn)象，傳輸門的工作原理以及匯編語言。以前的學習中，不太喜歡使用，也不太會用函數(shù)信號發(fā)生器和示波器。但這次畢業(yè)設計，自己必須用到這兩樣。本著踏踏實實的態(tài)度，重新學習樣使用工具，受益匪淺。參考文獻1王煒.程控放大器及其典型應用的實例J.中國科學院長春光學精密機械研究所.1998:89 942周春光.程控放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用J.電子技術(shù)應用.1987,3：77803傅越千.程控放大器的設計與應用J.寧波高等專科學校學報,2002,4:37 404房慧龍.程控放大器的實現(xiàn)方法J.常州信息職業(yè)技術(shù)學院電子信息工程系.2004,8:52565邵雄

23、凱,張文燦,黃文斌.一種程控放大器的分析與實現(xiàn)J.湖北工學院學報,1997,4：45516吳建平,李建強.數(shù)字程控放大器設計與應用J.成都理工學院報,2002,6：6656687余錫存,曹國華編著.單片機原理及接口技術(shù)M.西安:西安電子科技大學出版社,2000,7：27288彭楚武主編.微機原理與接口技術(shù)M.長沙:湖南大學出版社,2004,7： 2002049童詩白,華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎M.北京:高等教育出版社，2001：310 31610胡斌,蔡月紅.放大器電路識圖與故障分析輕松入門M.北京:人民郵電出版社,2003.9：14614911肖景和.集成運算放大器應用精粹M.北京:人民郵

24、電出版社,2006:109 12蔡錦福.運算放大器原理與應用M.北京:科學出版社,2003：210 21413Graeme,J.G.Optimizing Op Amp Performance,McGraw-Hill,New York,1997.14Rosenstark,S.Feedback Amplifier Principles.Macmillan New York,1986.15Roberge.J.K.Operational Amplifiers. Theory and Practice.John Wiley & Sons,New York,1975附件1程序清單#includesbit KEY=P32;sbit adda=P37;sbit addb=P36;sbit addc=P35;unsigned char code duanma=0xC0,0xF9,0xA4,0