程控多路放大器的設(shè)計

1、摘 要 程控放大器是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器，也稱作是可編程放大器。在這個數(shù)據(jù)信息的時代里，數(shù)據(jù)和信息的快速采集與分析很重要，而程控放大器正好可以實現(xiàn)自動控制增益或量程自動切換，所以程控放大器得到廣泛的應(yīng)用。這就涉及了如何通過程序去實現(xiàn)放大倍數(shù)的倍數(shù)，也需要用到數(shù)字控制放大器，并針對儀器的要解決的具體問題要求放大器的放大倍數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，且放大倍數(shù)如何達(dá)到精細(xì)。本設(shè)計采用與之相關(guān)的AT89C51單片機(jī)，TL061AMN放大器，DAC0832DA轉(zhuǎn)換器的概況及應(yīng)用。本文介紹了目前程控放大器的各項技術(shù)特征，并且闡述了其工作過程和要求，硬件系統(tǒng)設(shè)計以及軟件系統(tǒng)設(shè)計，簡單地對可編程控制器(P

2、LC)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及控制原理進(jìn)行了分析，詳細(xì)闡述了程控放大器的外觀設(shè)計、放大過程、硬件設(shè)計、軟件程序設(shè)計的實現(xiàn)過程。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；DAC0832；數(shù)模轉(zhuǎn)換器；運算放大器 目 錄摘 要I目 錄II第1章 緒 論11.1 課題介紹11.2 設(shè)計思路1第2章 方案設(shè)計22.1 核心模塊的方案設(shè)計22.1.1 控制模塊22.1.2 顯示模塊22.2 系統(tǒng)設(shè)計要求22.3 系統(tǒng)設(shè)計思路2第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計33.1 芯片簡介33.1.1 AT89C51性能簡介33.1.2 AT89C51的主要特性33.1.3 AT89C51管腳功能33.2 控制顯示電路53.3 鍵盤電路63.4

3、D/A轉(zhuǎn)換電路63.4.1 管腳功能73.4.2 D/A轉(zhuǎn)換電路83.5 放大電路93.6整機(jī)電路9第 4 章 軟件設(shè)計及仿真10 4.1 程序代碼124.2 仿真設(shè)計124.2.1 KEIL UVISION 4簡介及仿真104.2.2 PROTUES簡介及仿真10總 結(jié)12參考文獻(xiàn)13 附錄A 程序14第1章 緒 論1.1 課題簡介程控放大器，又名可編程放大器，是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器。程控放大器可以通過軟件改變增益，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以自動適應(yīng)大范圍變化的模擬信號電平，因此越來越多地應(yīng)用在自動控制系統(tǒng)丶智能化儀器儀表中。它是有AT89C51單片機(jī)、DAC0832。通過按鍵來實現(xiàn)放大的

4、產(chǎn)生。1.2 設(shè)計思路本系統(tǒng)的主控制模塊是由單片機(jī)最小系統(tǒng)，兩個獨立按鍵構(gòu)成的，每一個按鍵對應(yīng)一種調(diào)整模式。按下按鍵后，會執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，松開后停止。具體實現(xiàn)過程：系統(tǒng)上電后先對DAC0832和LCD1602液晶初始化，再對按鍵進(jìn)行掃描。當(dāng)按鍵有按下時，系統(tǒng)的數(shù)字輸入量發(fā)生改變，從而改變系統(tǒng)的增益，使得輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化。系統(tǒng)的放大倍數(shù)和輸出電壓通過液晶實時顯示。第2章 方案設(shè)計2.1 核心模塊的方案設(shè)計2.1.1 控制模塊：獨立按鍵控制此方案利用兩個獨立按鍵共同控制放大倍數(shù)，其中一個按鍵用來控制倍數(shù)的放大，另外一個控制倍數(shù)的衰減，以此來達(dá)到放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，由于本系統(tǒng)元件較少，而且51

5、單片機(jī)正好有兩個外部中斷口可以利用，程序設(shè)計簡單，故采用此方案。2.1.2 顯示模塊：LCDLM016液晶顯示此方案中液晶顯示器可以由ASCll碼控制，控制簡單，可以顯示更多的信息，比如放大倍數(shù)和單位等，故為本系統(tǒng)所采用。2.2 系統(tǒng)設(shè)計要求本系統(tǒng)設(shè)計的程控放大器可以實現(xiàn)如下功能：(1)可以通過按鍵輸入來控制輸出的電壓大小。(2)輸出的值可通過LCDLM016液晶顯示。(3)可以通過按鍵輸入改變放大器的放大倍數(shù)。2.3 系統(tǒng)設(shè)計思路本系統(tǒng)的主控制模塊由單片機(jī)最小系統(tǒng)，兩個獨立按鍵構(gòu)成的，每一個按鍵對應(yīng)一種調(diào)整模式。按下鍵后，會執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，松開后停止。程控放大器的輸出電壓V0與DAC08

6、32的輸入電壓Vref的關(guān)系式：V0=-(VrefRf)/2nR(Dn-12n-1+Dn-22n-2+.+D020)。Rf為系統(tǒng)的反饋信號輸入線電阻，R為DAC0832的數(shù)字輸出量，就相當(dāng)于改變系統(tǒng)的增益。具體實現(xiàn)過程：系統(tǒng)的數(shù)字輸入量發(fā)生改變，從而改變系統(tǒng)的增益，使得輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化。系統(tǒng)的放大倍數(shù)和輸出電壓通過液晶實時顯示。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 芯片簡介3.1.1 AT89C51性能簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS

7、8位微處理器，俗稱單片機(jī)。ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.1.2 AT89C51的主要特性 8031 CPU與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環(huán))全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz三級程序存儲器保密鎖定128*8位內(nèi)部RAM32條可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.1.3 AT89C51管腳功能MCS-51系列單片機(jī)的40個引腳中有2個專用于主電源的引腳，2個外接晶體的引腳，4個控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及32條輸入

8、輸出I/O引腳。VCC：供電電壓，GND：接地； P0口(P0.0P0.7) 為雙向8位三態(tài)IO口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動8個TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。 P1口(P1.0P1.7) 為8位準(zhǔn)雙向IO口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線(作為輸入時，口鎖存器必須置1)，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。 P2口(P2.0P2.7) 為8位準(zhǔn)雙向IO口，當(dāng)作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時地址總線的高8位使用。 P3口(P3.0P3.7

9、) 為8位準(zhǔn)雙向IO口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動4個TTL負(fù)載。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。綜上所述，MCS-51系列單片機(jī)的引腳作用可歸納為以下兩點：單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第2

10、功能；單片機(jī)對外呈3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時復(fù)用作為數(shù)據(jù)總線；由ALE、PSEN/、EA/與P3口中的INT0/、INT1/、T0、T1、WR/、RD/共10個引腳組成控制總線。MCS-51系列單片機(jī)芯片均為40個引腳，HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插（DIP）方式封裝，其引腳示意及功能分類如圖3.1: 圖3.1 MCS-51引腳圖3.2 控制顯示電路本設(shè)計用AT89C51單片機(jī)最小控制系統(tǒng)，顯示部分采用LCDLM016液晶顯示器LCD引腳圖如圖3.2所示。圖3.2 LCDLM016引腳圖腳號管腳名稱LEVER管腳功能描述1VSS0V電源地2VDD5.0V電源

11、電壓3VEE對比調(diào)整電壓4RSH/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0 R/W=“L”,E=“HL” DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6EH/L使能信號：R/W=“L”,E信號下降沿鎖存DB7DB0R/W=“H”,E=“H”DRAM數(shù)據(jù)讀到D7D07D0H/L數(shù)據(jù)線8D1H/L數(shù)據(jù)線9D2H/L數(shù)據(jù)線10D3H/L數(shù)據(jù)線11D4H/L數(shù)據(jù)線12D5H/L數(shù)據(jù)線13D6H/L數(shù)據(jù)線14D7H/L數(shù)據(jù)線LCDLM016引腳及其功能介紹如表3-1所示。表3.1AT89C51的P0口接上

12、拉電阻，P0口輸出顯示數(shù)據(jù)，控制信號由P1口部分引腳控制輸出。圖3.3 顯示控制電路3.3 鍵盤電路鍵盤電路如圖3.4所示，通過按鍵控制輸出電壓大小。P3.0接輸出增加按鈕，P3.1接輸出減小按鈕 圖3.4 鍵盤電路3.4 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832來實現(xiàn)，首先來介紹下DAC0832芯片。3.4.1 管腳功能 圖3.5 DAC0832管腳圖DAC0832管腳功能如圖3.5所示。DAC0832的主要特性參數(shù)如下：* 分辨率為8位；* 輸出為電流信號，電流的建立時間為1us；* 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；* 只需在滿量程下調(diào)整其線性度；* 單一電源供電（+5V+15V），

13、低功耗，20mW；* 參考電壓可以達(dá)到10V；* 直接的數(shù)字接口可以與任何一款單片機(jī)相連。DAC0832的引腳功能： * D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，通常與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連，用于輸入CUP送來的待轉(zhuǎn)換數(shù)字量。有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；* ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效；* ：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；* ：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；* ：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，

14、負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；* ：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由、的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。* IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化；* IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； 當(dāng)DAC寄存器內(nèi)容全為1時，IOUT1為最大，IOUT2=0； 當(dāng)DAC寄存器內(nèi)容全為0時，IOUT1=0，IOUT2為最大；為了保證輸出電流的線性，應(yīng)將IOUT1 及IOUT2接到外部運算放大器的輸入端上。* Rf

15、b：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度；* Vcc：芯片工作電源，范圍為+5V+15V；* VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V；* AGND：模擬信號地，為模擬信號和基準(zhǔn)電源的參考地；* DGND：數(shù)字信號地，為工作電源地和數(shù)字邏輯地。3.4.2 D/A轉(zhuǎn)換電路 圖3.6 D/A轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)的P2口輸出信號給0832的8位并口數(shù)據(jù)輸入，控制端口控制信號由P1口部分引腳控制輸出。輸出信號至運算放大器。3.5 放大電路運放與DAC0832連接的運放電路如圖3-5所示。DAC0832輸出的轉(zhuǎn)換結(jié)果為電流形式，在本設(shè)計中利用一個高輸入阻抗的線性運算放大

16、器TL061AMN將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號。運放的反饋電阻通過Rfb端應(yīng)用片內(nèi)固有電阻。圖中所示運算放大器U6的作用是反向器，輸出的電壓與D/A轉(zhuǎn)換的電壓相同。運放與DAC0832連接的運放電路如圖3.7所示。圖3.7 運放與DAC0832連接電路圖3.6整機(jī)電路3.8整機(jī)電路圖第 4 章 軟件設(shè)計及仿真4.1程序代碼見附錄A4.2 仿真設(shè)計硬件電路完成以后，進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計，首先要分析系統(tǒng)對軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體設(shè)計，包括程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和對程序進(jìn)行模塊化設(shè)計。4.2.1 Keil uVision4簡介Keil uVision4引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺監(jiān)視器，并

17、提供了視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方。新的用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個窗口，提供一個整潔，高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片。編譯如圖4.2所示 圖4.2 keil編譯界面圖4.2.2 PROTUES仿真Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。其特點是：1）提供軟件調(diào)試功能2）提供豐富的外圍接口器件及其仿真3） 提供豐富的虛擬儀器4） 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能在PROTUES繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件，可以在P

18、ROTUES的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖如下所示，初始狀態(tài)如圖4.3，當(dāng)按下“輸出增加”鍵時如圖4.4，當(dāng)按下“輸出減小”鍵時如圖4.5。圖4.3 仿真初始狀態(tài)圖4.4 按下輸出增加鍵時圖4.5 按下輸出減小鍵時總 結(jié)本設(shè)計介紹了一種利用AT89C51單片機(jī)和DAC0832及放大器實現(xiàn)的程控放大器系統(tǒng)的設(shè)計。電路簡介、操作方便、性能良好，而且其設(shè)計簡練、易懂，所用器件常見，電路模塊具有通用性，整個系統(tǒng)具有更實用的意義和更強(qiáng)大的功能。首先設(shè)計方案總結(jié)，學(xué)習(xí)PROTUES軟件的使用，原理圖的基本繪制方法。并根據(jù)題目要求，已經(jīng)完成原理圖繪制。通過查閱資料，獨立學(xué)習(xí)仿真軟件

19、使用方法，同時在PROTEUS環(huán)境中完成仿真圖的繪制。并且配合KEIL UVISION 4軟件完成了程序的編寫。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，完成了運行效果的仿真。仿真效果良好，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期的目的。軟件的編寫和調(diào)試。針對本課題要實現(xiàn)的基本功能編寫了本課題一些基本程序，并在調(diào)試過程中不斷的改善編程方法。參考文獻(xiàn)1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1998； 2王遠(yuǎn).模擬電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001；3陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003；4畢滿清.電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006；5張俊謨.單片機(jī)中級教程-原理與應(yīng)用.北京：北京航空航天

20、大學(xué)出版社，2002；6吳建平,李建強(qiáng).數(shù)字程控放大器設(shè)計與應(yīng)用J.成都理工學(xué)院報,2002,6：6656687余錫存,曹國華編著.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000,7：27288彭楚武主編.微機(jī)原理與接口技術(shù)M.長沙:湖南大學(xué)出版社,2004,7： 2002049童詩白,華成英主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)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(yīng)用精粹M.北京:人民郵電出版社,2006:109 12蔡錦福.運算放大器原理與應(yīng)用M.北

21、京:科學(xué)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 附錄A 程序#includereg51.h#includeintrins.hsbit dacs=P10;

22、sbit dawr=P11;sbit lcdrs=P15;sbit lcdrw=P16;sbit lcde=P17;sbit lcd_flag=P07;void disp(void);void lcd_delay(unsigned int );void lcd_deal(unsigned char ,unsigned char ,unsigned char );void _1602(void);void lcd_init(void);void lcd_moveto(unsigned char ,unsigned char );void lcd_putchar(unsigned char );u

23、nsigned char code shuzi=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;unsigned char code lcd_Assic12=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39,0x56,0x2e;unsigned char dis216=0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20

24、,0x20,0x20,0x20; /0x20默認(rèn)輸出是空，即空格unsigned char val=0;void main (void)dacs=0;dawr=0;P2=0;disp();while (1)switch (P3)unsigned char i;case 0xfe:lcd_delay(10);if (0xfe=P3)val+;disp();for (i=0;i=100;i+)lcd_delay(10);if (0xfe=P3)continue;else break;for (i=0;i+)lcd_delay(10);if(0xfe=P3)if (i%50=0)val+;disp(

25、);if (i=250) i=0;else break;for (;)while (0xfe=P3);lcd_delay(10);if (0xfe=P3)continue;else break;break;case 0xfd:lcd_delay(10);if (0xfd=P3)val-;disp();for (i=0;i=100;i+)lcd_delay(10);if (0xfd=P3)continue;else break;for (i=0;i+)lcd_delay(10);if(0xfd=P3)if (i%50=0)val-;disp();if (i=250) i=0;else break

26、;for (;)while (0xfd=P3);lcd_delay(10);if (0xfd=P3)continue;else break;break;default: break;void disp(void)P2=val;lcd_deal(0,0,val/100);lcd_deal(0,1,val%100/10);lcd_deal(0,2,val%10);lcd_deal(1,2,(unsigned char)(float)val/256*5)%10);lcd_deal(1,3,11); /.lcd_deal(1,4,(unsigned char)(float)val/256*50)%10

27、);lcd_deal(1,5,(unsigned int)(float)val/256*500)%10);lcd_deal(1,6,10); /V_1602(); void lcd_delay(unsigned int k) / 12Munsigned int i0;unsigned char i,j;for(i0=0;i00;i-)for(j=97;j0;j-);void _1602(void)unsigned char *p;lcd_init(); /初始化lcd_delay(10);lcd_moveto(0,0);for(p=dis0;pdis0+16;p+)lcd_putchar(*p);lcd_moveto(1,0);for(p=dis1;pdis1+1