基于msp430自動(dòng)增益控制放大器,

1、自動(dòng)增益控制放大器（AGC）設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)以程控增益調(diào)整放大器 AD603為核心，通過單片機(jī)MSP430控制各模塊，實(shí)現(xiàn)電壓增益連續(xù)可調(diào)，輸出電壓基本恒定。系統(tǒng)由5個(gè)模塊組成：前級(jí)緩沖模塊，電壓增益調(diào)整模塊，峰值檢測(cè)模塊，后級(jí)輸出緩沖模塊，控制與顯示模塊。將輸入信號(hào)經(jīng)前級(jí)緩沖電路輸入給程控增益調(diào)整放大器 AD603，將信號(hào)放大輸出，通過峰值檢測(cè)電路檢測(cè)輸出信號(hào)，并送給單片機(jī)AD采樣，與理想輸出信號(hào)數(shù)值進(jìn)行比較，若有多偏差，則通過調(diào)整對(duì)AD603的增益控制電壓，來調(diào)整放大倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的穩(wěn)定。整個(gè)設(shè)計(jì)使用負(fù)反饋原理，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)增益的控制。關(guān)鍵字：AD603 MSP430 峰值檢測(cè) 自動(dòng)

2、增益控制1、 方案設(shè)計(jì)與論證1.1整體方案方案一：采用純硬件電路實(shí)現(xiàn)，由AD603和運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器和減法電路實(shí)現(xiàn)。把實(shí)際電壓與理論電壓的差值通過適當(dāng)幅值和極性的處理，作為AD603的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定。優(yōu)點(diǎn)：該方案理論簡(jiǎn)單，制作起來也相對(duì)容易，只有硬件電路。缺點(diǎn)：理論低端，精度不夠，沒有創(chuàng)新，通用性不好。方案二：采用AD603和單片機(jī)結(jié)合，通過單片機(jī)對(duì)輸出信號(hào)AD采樣并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，與理論輸出電壓值進(jìn)行比較，得到差值轉(zhuǎn)換為控制電壓，通過DA轉(zhuǎn)化，對(duì)程控增益放大器AD603的放大倍數(shù)驚醒調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的恒定。優(yōu)點(diǎn)：該方案控制精確，自動(dòng)控制速度快，

3、系統(tǒng)可移植性強(qiáng)，功能改變和增加容易，對(duì)后期改善和提升電路性能有益。缺點(diǎn)：需要軟硬件配合，系統(tǒng)稍復(fù)雜。通過對(duì)兩個(gè)方案的綜合對(duì)比，我們選用方案二。1.2控制模塊方案一：采用MCS-51。Intel公司的MCS-51的發(fā)展已經(jīng)有比較長(zhǎng)的時(shí)間，以其典型的結(jié)構(gòu)、完善的總線、SFR的集中管理模式、位操作系統(tǒng)和面向控制功能的豐富的指令系統(tǒng)，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟。MCS-51優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，二缺點(diǎn)也明顯因?yàn)橘Y源有限，功能實(shí)現(xiàn)有困難，而且需要大量外擴(kuò)單元。方案二：采用TI公司的MSP430。MSP430是一個(gè) 16 位的、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，基于

4、閃存的產(chǎn)品系列，具有最低工作功耗，在 1.8V-3.6V 的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá) 25MIPS。包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊。由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段。MSP430的優(yōu)點(diǎn)是資源豐富，操作語(yǔ)言靈活，但對(duì)編程的要求有所提高。所以綜合考慮，我們采用MAP430作為我們的主控制器。1.3電壓增益調(diào)整模塊AD603由5腳和7腳的連接方式不同而有三種：方案一：5腳和7腳短接，增益為-10dB30dB,帶寬為90MHz;方案二：5腳和7腳間接一個(gè)2，5k電阻，,再經(jīng)5.6pF電容接地，該方案增益為0dB40dB，帶寬為30MHz；方案三：5腳接18pF電容到地，該

5、方案增益為10dB50dB，帶寬為9MHz；綜合考慮課題要求，增益在約0dB30dB之間，再考慮帶寬所以采用方案一，芯片連接圖如下圖1所示。圖1 AD603接線圖1.4峰值檢測(cè)模塊方案一：一個(gè)二極管和電容器組成最簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器，電路如圖2所示，然而僅一個(gè)二極管和電容器組成的峰值檢測(cè)器可以工作，但并不是很理想，對(duì)于1nF的電容器，100ms后達(dá)到穩(wěn)定的峰值，誤差達(dá)10%。而且沒有輸入輸出緩沖電路，在實(shí)際應(yīng)用中，電容器中的電荷會(huì)被其他部分電路負(fù)載消耗，造成峰值檢測(cè)器無法保持信號(hào)峰值電壓。圖2二極管電容峰值檢測(cè)電路方案二：分立二極管電容型。其原理圖如圖3所示。先將信號(hào)整流成半波，然后通過對(duì)電容的充

6、電得到輸入信號(hào)峰值。將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)二極管用，可以有效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力。優(yōu)點(diǎn)：該方案性能優(yōu)良，檢測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：制作稍復(fù)雜，帶寬不夠?qū)?，并且隨檢測(cè)幅值不同，帶寬也會(huì)有所改變。綜合對(duì)比上述方案，我們選用方案二。1015PF3341M1N41481N4148C1C2C3DJ6DTL072TL072圖3 分立二極管電容型峰值檢測(cè)電路圖3 分立二極管電容型峰值檢測(cè)電路2、 理論分析及計(jì)算2.1增益積計(jì)算設(shè)計(jì)目標(biāo)輸出電壓變化范圍13V，而輸入信號(hào)為100mV1V,我們選定輸出幅度為2V，即Av在220倍，根據(jù)程控增益調(diào)節(jié)放大器的連接方式可知，增益的計(jì)算公式為G=(40Vg+10)

7、dB,帶寬90MHz。所以將AD采集得到的輸出電壓Vout,與預(yù)置電壓進(jìn)行比較，調(diào)整Vg大小，來改變?cè)鲆?，從而?shí)現(xiàn)輸出幅值穩(wěn)定在某一個(gè)數(shù)值。2.2后級(jí)緩沖及穩(wěn)幅因?yàn)橐玫絾纹瑱C(jī)內(nèi)部的AD采樣功能，所以一定要保證單片機(jī)的安全，在通過峰值檢測(cè)電路的檢測(cè)之后，把檢測(cè)到的峰值經(jīng)過一個(gè)后級(jí)緩沖電路再接一個(gè)3V穩(wěn)壓管之后送給單片機(jī)，既保證單片機(jī)端口的安全，同時(shí)把電路與單片機(jī)隔離。2.3前級(jí)緩沖因?yàn)锳D603輸入阻抗只有100，考慮到信號(hào)源的輸出阻抗是50，所以在信號(hào)輸入之前加了一個(gè)前級(jí)緩沖電路，以增加輸入阻抗，提高電路對(duì)信號(hào)的索取能力。 3、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)整體框圖如下圖4所示。圖

8、4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖3.2硬件原理圖系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。圖5系統(tǒng)硬件原理圖3.3軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示，開發(fā)板系統(tǒng)初始化后，預(yù)置輸出一個(gè)控制電壓，然后啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)化，采樣得到輸出信號(hào)，然后與標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，修改增益控制電壓，穩(wěn)定輸出電壓。圖6 軟件流程圖4、 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析4.1測(cè)試儀器（1）直流穩(wěn)壓源：YB1732A 3A（2）數(shù)字存儲(chǔ)示波器：SIGLENT SDS1102CFL 100MHZ 2GSa/s（3）數(shù)字萬用表：UNI-T UT802（4）信號(hào)發(fā)生器：F120型 1Uhz20MHZ4.2測(cè)試方案及數(shù)據(jù)分析測(cè)試方案：(1)穩(wěn)幅測(cè)試：輸入頻率10KHZ,峰值為

9、100mV的正弦波信號(hào)。測(cè)試輸出信號(hào)，通過示波器讀取輸出信號(hào)峰值，然后改變輸入信號(hào)峰值，測(cè)量輸出信號(hào)的峰值變化，計(jì)算相對(duì)誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。輸入信號(hào)（mV）100150200250300350400450500550輸出信號(hào)（V）1.621.641.641.641.641.621.621.621.621.62輸入信號(hào)（V）6006507007508008509009501000輸出信號(hào)（V）1.681.641.621.661.621.621.621.621.62表1 穩(wěn)幅測(cè)試測(cè)試數(shù)據(jù)分析：(測(cè)試數(shù)據(jù)分析：系統(tǒng)基本可以按照預(yù)置輸出電壓穩(wěn)定輸出，我們輸出信號(hào)穩(wěn)定電壓為1.62。(2)頻率響應(yīng)

10、：輸入峰值分別為為100mV和1V的正弦波信號(hào)，將信號(hào)頻率從10Hz調(diào)整到輸出信號(hào)不是真即500KHz為止，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2表3所示。對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)特性圖像如圖7和圖8所示。輸入信號(hào)頻率（KHZ）0.010.050.15001510152030輸出信號(hào)（V）2.01.641.641.601.641.641.641.641.641.64輸入信號(hào)頻率（KHZ）40 50100150200250300350400500輸出信號(hào)（V）1.721.681.801.881.962.002.002.001.961.96表2 100mV頻率響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析：放圖7 100mV頻率響應(yīng)特性曲線表3 1V頻率響應(yīng)輸

11、入信號(hào)頻率（KHZ）0.010.050.1151015203040輸出信號(hào)（V）1.961.641.641.641.641.641.641.641.641.76輸入信號(hào)頻率（KHZ）50100150200250300350400450500輸出信號(hào)（V）1.761.881.921.922.001.961.922.001.961.92圖8 1V頻率響應(yīng)特性曲線測(cè)試數(shù)據(jù)分析：可以通過表2和表3看出，當(dāng)輸入信號(hào)為100mV時(shí)，在頻率很低10Hz時(shí)，頻率響應(yīng)很差，從50Hz直到100KHz時(shí)，信號(hào)輸出幅值都很穩(wěn)定。當(dāng)輸入幅值為1V時(shí)，10Hz響應(yīng)依然不好，直到50Hz直到30KHz，輸出很穩(wěn)定，在30

12、Hz到100Hz時(shí)，輸出幅值略有增加，但依然可以穩(wěn)定。（3）增益控制特性曲線輸入信號(hào)為10KHz,峰值為500mV時(shí)，改變Vc的值，測(cè)量相對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)。表3 1V頻率響應(yīng)控制電壓Vc(mV)-0.6308-0.5309 -0.4309-0.3309-0.2309-0.1309-0.0309-0.0691放大倍數(shù)Av0.340.3560.5280.71.21.822.824.56 圖9 增益特性控制特性曲線測(cè)試數(shù)據(jù)分析：通過用軟件畫增益控制特性曲線，可以看出，放大倍數(shù)Av和增益控制電壓Vc為指數(shù)關(guān)系，隨著Vc的增加Av以指數(shù)形式增加。4.3誤差分析誤差可由多種因素導(dǎo)致：由峰值檢測(cè)電路產(chǎn)生，由于

13、峰值檢測(cè)電路在不同頻率，不同幅值輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)量存在誤差，AD采集到的峰值就會(huì)存在誤差。造成輸出信號(hào)與預(yù)置輸出電壓存在誤差。由穩(wěn)壓管產(chǎn)生誤差，為保證單片機(jī)端口安全，在信號(hào)輸入前，我們加了一個(gè)3V穩(wěn)壓管，它會(huì)對(duì)AD測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生一定影響。電壓源不穩(wěn)定，由于AD603電壓控制端2端口，基準(zhǔn)電壓為電阻分電源電壓得到，而電源電壓存在一定的波動(dòng)，導(dǎo)致增益控制電壓Vc會(huì)有一定的波動(dòng)，這個(gè)微小的波動(dòng)對(duì)信號(hào)增益造成誤差。受器件影響，我們采用的是普通集成運(yùn)放芯片TL072，這款芯片的通頻帶只有3MHz左右，也會(huì)影響系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。5、 設(shè)計(jì)總結(jié)系統(tǒng)能夠滿足題目基本要求：（1）輸出信號(hào)可以在輸入信號(hào)改變時(shí)，而不改變

14、穩(wěn)定輸出。（2）測(cè)得100mV輸入信號(hào)可以穩(wěn)定輸出幅值不變的截止頻率為50KHz。（3）測(cè)得1V輸入信號(hào)可以穩(wěn)定輸出幅值不變的截止頻率為40KHz。（4）測(cè)得的增益控制電壓Vc和放大倍數(shù)Av繪制的增益控制特性曲線可以得出，Av和Vc成指數(shù)關(guān)系，跟AD603數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的計(jì)算增益的公式基本吻合。本設(shè)計(jì)基本完成了題目要求，實(shí)現(xiàn)了的增益自動(dòng)控制，由于受到器件和部分電路本分影響，頻率響應(yīng)略低，可以使用高速更優(yōu)性能的芯片，提高峰值檢測(cè)的精度，或在軟件部分給予補(bǔ)償誤差。6、 參考文獻(xiàn)1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分R.北京：高等教育出版社，2006.12 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分R.北京：高等教育出版

15、社，2006.13 李先允，姜寧秋.電力電子技術(shù)R.北京：中國(guó)電力出版社，20064蔡凌云等，自動(dòng)增益控制技術(shù)應(yīng)用   電子工程師      20025尤德斐，數(shù)字化測(cè)t技術(shù)(上)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19906張風(fēng)言編著，電子電路基礎(chǔ)，高等教育出版社，19947高吉祥、黃智偉、陳和，高頻電子線路M，北京：電子工業(yè)出版社，2003年（第一版）8高吉祥、高天萬、陳和，模擬電子線路M，北京：電子工業(yè)出版社，2004年（第一版）9哀孝康，自動(dòng)增益控制與對(duì)數(shù)放大器，北京：:國(guó)防工業(yè)出版社，1987附錄一、元器件列表：1.

16、uA741系列通用型放大器     4個(gè)      2.2N3819型場(chǎng)效應(yīng)管          1個(gè)3.OA81型整流二極管          3個(gè)      4.4.7千歐電阻      

17、0;        7個(gè) 5.39千歐電阻                1個(gè)      6.220歐電阻                 1個(gè)7.10千歐電阻

18、                1個(gè)      8.5.6千歐電阻               1個(gè)9.15千歐電阻           &

19、#160;    1個(gè)      10.10千歐可變電阻           1個(gè)11.100千歐可變電阻          1個(gè)      12.1兆歐可變電阻        &

20、#160;   1個(gè)13.4.7微法電解電容          1個(gè)      14.1微法電容                1個(gè)15.100納法電容          

21、0;   1個(gè)      16.5.6千歐可變電阻          4個(gè)17.正負(fù)15伏電源二、主要源程序/4檔切換void change_4(uchar num)switch (num)case 1:shuaijian;info.beishu=0.2;info.code=2048;LCD_writestr(6,2,"1(0.2)");DAC_write(info.code);info.dangwei=num;break;case 2:shuaijian;info.beishu=0.5;info.code=819;LCD_writestr(6,2,"2(0.5)");DAC_write(info.code);info.dangwei=num;break;case 3:not_shuaijian;info.beishu=2.0;info.code=2048;LCD_writestr(6,2,"3(2.0)");DAC_write(info.code);info.dangwei=num;break;cas