畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書

1、第頁編號： 畢業(yè)設(shè)計說明書題 目：基于單片機的程控放大器設(shè)計學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 韋 凱 學(xué) 號： 1101110828 指導(dǎo)教師： 林佩靜 職 稱： 講 師 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 þ工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)2015年 6 月 5 日第頁摘 要程控放大器是一種放大倍數(shù)可以根據(jù)需求利用程序控制的放大器，它可以通過改變增益，對信號進行放大處理。采用這種放大器，可通過程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達到均一化，從而大大提高測量精度。程控放大器常用作電子電路中的模塊，在智

2、能儀器設(shè)備及嵌入式系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。單片集成化的程控放大器，如PGA103、PGA202等價格昂貴且放大倍數(shù)無法自行定義，需要較高增益時，必須多級串聯(lián)，使得電路造價過高。本設(shè)計是基于STC89C52單片機的放大倍數(shù)可調(diào)的程控放大器，主要由單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和運算放大器組成。該系統(tǒng)利用單片機改變D/A的輸出量來改變系統(tǒng)增益，通過獨立鍵盤控制放大倍數(shù)，并通過LCD液晶將放大倍數(shù)和電壓值顯示出來。本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)增益由程序控制，能基本滿足各項技術(shù)指標，精度較高，工作可靠，性價比較高。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機；D/A轉(zhuǎn)換器；運算放大器AbstractThe programmabl

3、e amplifier is a kind of amplifier which can be controlled by the requirement of the amplifier. It can enlarge the signal by changing the gain. With this amplifier, the amplifier can adjust the magnification of the A/D converter, so that the full range signal of the full range signal reaches the hom

4、ogenization, which can greatly improve the measurement accuracy. The module of program control amplifier is commonly used in electronic circuit, and it is widely used in intelligent instrument and equipment and embedded system. Monolithic integrated programmable amplifiers, such as PGA103, PGA202 an

5、d other expensive and cannot define the magnification, the need for higher gain, it must be multi-level series, making the circuit expensive.This design is based on the STC89C52 microcontroller with a programmable amplifier programmable amplifier, mainly by single-chip microcomputer, A/D converter,

6、D/A converter and operational amplifier. The system uses the microcontroller to change the output of D/A to change the system gain, through the independent keyboard control of the magnification, and the magnification and voltage values are displayed by LCD. The design can achieve the gain from the p

7、rogram control, and can basically meet the technical indicators, higher accuracy, reliable, cost-effective.Keywords: STC89C52 MCU; digital-to-analog converter; operational amplifier目錄目 錄1 引言12 方案設(shè)計22.1 緩沖隔離模塊22.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊22.3 D/A轉(zhuǎn)換模塊22.4 增益放大模塊32.5 控制模塊32.6 顯示模塊33 硬件設(shè)計53.1 單片機53.1.1STC89C52單片機的主要特點53

8、.1.2STC89C52單片機引腳排列及功能53.2 隔離模塊設(shè)計83.3 同向放大電路設(shè)計93.4 增益放大模塊設(shè)計93.5 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計113.5.1直流轉(zhuǎn)換器113.5.2A/D轉(zhuǎn)換器123.5.3D/A轉(zhuǎn)換器143.6 控制模塊設(shè)計153.7 顯示模塊設(shè)計163.8 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計164 軟件設(shè)計174.1 程序流程圖174.2 程序設(shè)計184.2.1LCD液晶顯示184.2.2獨立按鍵194.2.3A/D轉(zhuǎn)換器204.2.4D/A轉(zhuǎn)換器215 實驗調(diào)試236 結(jié)論24謝 辭25參考文獻26附錄1程控放大器原理圖27附錄2程控放大器PCB圖28附錄3程控放大器實物圖30附錄4程

9、控放大器源程序31桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第48頁 共37頁1 引言在實際生產(chǎn)中，當(dāng)輸入信號比較弱的時候，信號處理電路需要具有放大功能。因此，放大器的應(yīng)用可以有效解決這類問題。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對信號處理要求的提升，信號可控放大顯示出其重要性。當(dāng)輸入信號為弱信號的時候，信號處理電路需要具有放大功能。程控放大器能能夠針對輸入信號的強弱，選擇相應(yīng)的增益的大小。這在工業(yè)設(shè)計中非常重要1。程控放大器具有電路簡單、帶寬穩(wěn)定、增益可調(diào)，和輸入電阻恒定，對前級形成恒定的負載效應(yīng)等特點，它能夠通過軟件程序改變增益，自動適應(yīng)大范圍變化的模擬信號，針對被測信號的大小來調(diào)節(jié)放大器的增益，將不同幅度的

10、模擬信號放大到某個特定范圍來保證后端電路正常工作2。通過軟件控制放大器增益的大小，使用起來更加的方便，從而使系統(tǒng)測量的數(shù)值更加的精確。程控放大器通常應(yīng)用在自動測控、智能測控、智能儀器儀表等重要領(lǐng)域，由此看出程控放大器具有良好的前景。由于越來越多的各種功能的集成放大器問世，如何有效地利用這些芯片將成為一個研究重點。目前集成放大器的研究主要集中在運放的補償、截止頻率、頻率帶寬、專用放大器的特殊結(jié)構(gòu)等幾個方向。但是大部分放大器的研究都是國外開展得比較多，國內(nèi)只有少部分人在進行研究工作。程控放大器的應(yīng)用大多要求放大器具有可增益調(diào)節(jié)、帶寬高、噪聲低、高精度、工作穩(wěn)定等特點。本設(shè)計采用壓控放大器，其具有低

11、噪聲、精確控制、外圍電路簡單、性能穩(wěn)定等特性，高增益調(diào)節(jié)范圍，并結(jié)合單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器及輔助電路組成可編程增益放大器。2 方案設(shè)計2.1 緩沖隔離模塊電壓跟隨器具有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，是最常用的阻抗變換和匹配電路。電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器常用作電路的輸入和輸出緩沖級及隔離級。作為高阻抗輸入級，可以減輕對信號源的影響。作為低阻抗輸出級，可以提高帶負載的能力。OPA820芯片是一種寬頻的，單位增益穩(wěn)定的運算放大器，其輸入噪聲低（2.5nV/），低供應(yīng)電流（5.6mA），高輸出電流（±110mA），輸入阻抗為6M。OPA1611芯片為雙

12、極型輸入運算放大器，其在1KHz時可以實現(xiàn)超低噪聲（1.1nV/）和超低失真（0.000015%），每通道電源電流為3.6mA，輸入阻抗為109，做工精密，功耗低。綜上，OPA1611輸入阻抗更高，噪聲更低，選擇OPA1611作電壓跟隨器。2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊由于微處理器本身只能處理數(shù)字量，因此需要把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，一般需要經(jīng)過取樣、保持和量化、編碼幾個過程。根據(jù)A/D電路的工作原理可以分為以下幾種類型：（1） 雙積分型：這種類型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性好，價格低等優(yōu)點，但是轉(zhuǎn)換速度慢。（2） 逐次逼近比較型：這種類型的A/D轉(zhuǎn)換

13、器轉(zhuǎn)換速度快，精度高。（3） 并行比較型：該類型在轉(zhuǎn)換速度和精度上比其他兩種類型高，但是對集成電路工藝指標要求也更高。綜上，考慮到轉(zhuǎn)換速度、精度以及成本、性價比等因素，選擇使用逐次逼近比較型A/D轉(zhuǎn)換器。2.3 D/A轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換器可以把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。其電路由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、求和電路、基準電壓源、鎖存器和電子開關(guān)等組成。轉(zhuǎn)換過程為將數(shù)字量以串行或者并行方式輸入并存儲于數(shù)碼寄存器中，寄存器的輸出驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)將相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值送入求和電路。求和電路將各位的權(quán)值相加得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度取決于基準電壓VREF，電阻網(wǎng)絡(luò)中各電阻值，模擬開關(guān)及運算放大器。權(quán)電

14、阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，用到的電阻元件數(shù)較少，但是各權(quán)電阻阻值相差較大，在輸入位數(shù)較多時，難以在大范圍的阻值內(nèi)保證精度。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器由多個R、2R電阻節(jié)點構(gòu)成，節(jié)點和節(jié)點之間串接成倒T型網(wǎng)絡(luò)。因為倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器流經(jīng)每條電阻支路上的電流與開關(guān)狀態(tài)無關(guān)，直接流入運算放大器的輸入端，不存在傳輸上的時間差，所以電路具有較高的轉(zhuǎn)換速度，且大大減小了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。綜上，考慮轉(zhuǎn)換速度、精度及成本等因素，選擇使用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。2.4 增益放大模塊固定增益放大器和D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)作增益放大。電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓引腳和電流輸出引

15、腳之間等效于一個數(shù)控的電阻網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)較為精準和易于控制，增益的細分程度取決于D/A轉(zhuǎn)換器的精度，但是不能實現(xiàn)增益連續(xù)變化。VCA810芯片為高增益調(diào)節(jié)范圍，寬帶，可變增益壓控放大器，具有高增益調(diào)節(jié)范圍，低輸入噪聲電壓，低輸出直流誤差，優(yōu)秀的共模抑制，還有在兩個高阻抗輸入的共模輸入范圍，能夠提供差分接收器的操作和增益調(diào)整。固定增益放大器和D/A轉(zhuǎn)換器電路靈活性較大，增益調(diào)節(jié)范圍寬，但是相對于增益精度較高應(yīng)用仍不能滿足。VCA810使用電路簡單，精度高，實現(xiàn)效果較好。綜合考慮，選擇使用壓控放大器VCA810作增益放大模塊。2.5 控制模塊矩陣式鍵盤，又稱行列式鍵盤。在4×4鍵盤結(jié)構(gòu)中，

16、行連接線和列連接線分別占用4條I/O口線，共連接16個按鍵。利用其逐行逐列掃描的識別方式可以直接所需放大倍數(shù)，方便且可靠性高，但是程序編寫及操作復(fù)雜。獨立式按鍵的每個按鍵均獨立占用一條I/O口線，各鍵結(jié)構(gòu)相互獨立，結(jié)構(gòu)和程序編寫簡單。綜合考慮，選擇使用較為簡單的獨立式鍵盤作為控制模塊。2.6 顯示模塊數(shù)碼管又叫LED顯示器，其具有顯示清晰、亮度高、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點，因此使用非常廣泛。LED顯示器常用兩種顯示方式：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。當(dāng)顯示位數(shù)比較多時，靜態(tài)顯示方式需要用到多個I/O口，硬件電路占用大，程序設(shè)計復(fù)雜，成本較高。如選用動態(tài)顯示可以節(jié)省I/O接口，降低成本，但是工作電

17、流大，功耗高，不滿足本設(shè)計低功耗的要求。LCD1602液晶可以顯示字母、數(shù)字、符號等，其可由ASCll碼控制，體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富，占用控制器的資源少。綜合考慮，選擇使用LCD1602作為顯示模塊。DAC0832A741AD637TLC1543LCD1602鍵盤STC89C52VCA810OPA1611OPA1611輸出信號輸入信號本設(shè)計以單片機為主要控制核心，其不僅要讀取鍵盤的輸入值，選擇對應(yīng)的模式，還要對A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換過來的數(shù)字值與預(yù)設(shè)值進行比較處理，控制電壓的增大或者縮小，以此調(diào)整運算放大器的增益，且還需把增益的結(jié)果輸出在LCD液晶上顯示。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)

18、設(shè)計框圖3 硬件設(shè)計3.1 單片機STC89C52是一種低功耗、低價位、高性能CMOS 8位微處理器，系統(tǒng)內(nèi)帶有8KB可編程Flash 存儲器。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，也適于常規(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STC89C52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用3。3.1.1STC89C52單片機的主要特點（1） 兼容MCS-51單片機產(chǎn)品；（2） 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，擦寫周期可達1000次；（3） 3.3V5.5V的電源電壓范圍；（4） 全靜態(tài)操作：0Hz35MHz；（5） 三級加密程序存儲器；（6） 內(nèi)含256

19、字節(jié)RAM；（7） 32根可編程I/O口線；（8） 三個16位定時/計數(shù)器；（9） 8個中斷電源；（10） 全雙工UART串行通道；（11） 低功耗空閑和掉電模式；（12） 掉電狀態(tài)下可中斷恢復(fù)；（13） 看門狗定時器；（14） 兩個數(shù)據(jù)指針；（15） 斷電標識。3.1.2STC89C52單片機引腳排列及功能圖3-1 STC89C52的PDID封裝圖STC89C52的PDID封裝圖如圖3-1所示。各引腳功能為：（1）主電源引腳VCC：電源正極，直流供電電壓3.3V5.5V。GND：電源負極，即接地端。（2）I/O接口引腳P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個

20、TTL邏輯電平；當(dāng)P0端口置1時，引腳用作高阻抗輸入；當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線，在這種模式下，不用外接上拉電阻；在Flash存儲器編程時，P0口用來接收程序指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)；程序校驗時，需要外接上拉電阻。P1口：P1口是一個內(nèi)接上拉電阻的8位雙向I/O口，輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下所示；在Flash存儲器編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳第二功能：P1.0：T2（定時器/計數(shù)器

21、T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出。P1.1：T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）。P1.5：MOSI（在系統(tǒng)編程用）。P1.6：MISO（在系統(tǒng)編程用）。P1.7：SCK（在系統(tǒng)編程用）。P2口：P2 口是一個內(nèi)接上拉電阻的8 位雙向I/O 口，輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。當(dāng)P2端口置1時，內(nèi)部上拉電阻把端口置為高位，此時可以作為輸入口使用；作為輸入使用時，引腳因為內(nèi)部電阻被外部拉低，將吸收電流（IIL）；在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口可用高8位地址；在這種應(yīng)用中，P2口可以強制置1；在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時（如MOVX

22、 RI），P2口輸出鎖存器的內(nèi)容；在Flash存儲器編程和校驗時，P2口可以輸入高8位地址字節(jié)和接收一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，把引腳內(nèi)的輸出鎖存器置為高位，此時可以作為輸入口使用；作為輸入使用時，引腳內(nèi)部電阻被拉低，將輸出電流（IIL）；P3口也作為STC89C52特殊功能（第二功能）端口使用，如下所示；在Flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。引腳第二功能：P3.0：RXD(串行口輸入端)。P3.1：TXD(串行口輸出端)。P3.2：(外中斷0)。P3.3：(外中斷1)。P3.4：

23、TO(定時/計數(shù)器0)。P3.5：T1(定時/計數(shù)器1)。P3.6：(外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通)。P3.7：(外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通)。（3）復(fù)位、控制和選通引腳RST：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器穩(wěn)定有效運行時，如果RST能維持2個機器周期以上高電平，則使單片機復(fù)位有效；看門狗計時完成后，RST腳輸出96個振蕩周期的高電平；特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效；在DISRTO默認狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/：當(dāng)CPU訪問外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）會輸出一個脈沖信號，將低8位的地址鎖存在片外的地址鎖存器中。在Flash存儲器編程時，此引腳作

24、為編程脈沖的輸入端；在一般情況下，ALE以晶振頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，可用來作為外部定時器或時鐘使用。應(yīng)當(dāng)注意的是，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會被跳過；如果需要，可通過將地址為8EH的SFR的第0位置 “1”，可禁止ALE操作輸出。但是，ALE在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被置為高位。ALE使能標志位的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE位無效。：該引腳為外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。當(dāng)STC89C52訪問外部程序存儲器讀取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期產(chǎn)生兩次有效的信號，但在讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器時不產(chǎn)生信號

25、。/VPP：為訪問外部程序存儲器控制信號端。若要從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，必須接地（低電平）；如果要執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器指令，應(yīng)該接VCC（高電平）；在Flash存儲器編程時，該引腳需要加上12V VPP電壓。（4）振蕩器電路引腳XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。由上所述，STC89C52具有以下標準功能：8KB Flash存儲器，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，STC89C52 可降至0H

26、z 靜態(tài)邏輯操作，支持兩種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑方式下，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)容保持不變，振蕩器停止工作，單片機和片內(nèi)所有部件一切功能停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。3.2 隔離模塊設(shè)計OPA1611雙極型輸入運算放大器在 1kHz 時可實現(xiàn)很低的噪聲密度 (1.1nV/) 和超低失真 (0.000015%)。OPA1611在2k負載下可以提供擺幅在距離電源軌600mV 的范圍內(nèi)的軌到軌輸出，有助于實現(xiàn)動態(tài)范圍最大化。此外，還具備±30mA 高輸出驅(qū)動能力。支持±2.25V 到±18V的寬電

27、源電壓范圍，每通道電源電流僅為3.6mA。OPA1611運算放大器的單位增益穩(wěn)定，在寬范圍負載條件下可保持出色的動態(tài)性能。雙通道型號具有完全獨立的電路，即便在過驅(qū)或過載時也可以實現(xiàn)通道間最低串?dāng)_和零交互。圖3-2 OPA1611的SOIC-8封裝圖OPA1611的SOIC-8的封裝圖如圖3-2所示。其具有以下特性：（1） 出色音質(zhì)；（2） 超低噪聲：1kHz 時為1.1nV/；（3） 超低失真：1kHz 時為 0.000015%；（4） 高壓擺率：27V/s；（5） 高帶寬：40MHz (G = +1)；（6） 高開環(huán)增益：130dB；（7） 單位增益穩(wěn)定；（8） 低靜態(tài)電流：每通道 3.6m

28、A；（9） 軌到軌輸出；（10） 寬電源電壓范圍：±2.25V至±18V。在待放大的輸入電壓里面含有噪聲和其他干擾因素，必須經(jīng)過隔離濾波以后才能輸送到下一級放大電路進行有效的放大，因此需要過濾掉對信號造成干擾的因素。OPA1611開環(huán)電壓增益達到130dB，輸入阻抗為109，輸出阻抗為10，可以用作電壓跟隨器，對小信號進行放大，并完成阻抗變換和電路隔離。隔離緩沖電路如圖3-3所示。圖3-3 OPA1611緩沖隔離電路3.3 同向放大電路設(shè)計同向放大器的輸入阻抗和運放的輸入阻抗相等，接近無窮大，輸入電阻取值大小不影響輸入阻抗。但是放大電路沒有虛地，有較大的共模電壓，抗干擾能力

29、相對較差，輸入信號范圍受運放的共模輸入電壓范圍的限制，因此使用時要求運放有較高的共模抑制比。OPA1611共模抑制比為120dB，符合使用要求。根據(jù)虛短虛斷可得電壓增益為（3-1）根據(jù)式3-1可知電壓增益為5。因為電路中引入負反饋，Av的值取決于運放外部電路的元件值，即R1、R2。同向放大電路如圖3-4所示。圖3-4 OPA1611同向放大電路3.4 增益放大模塊設(shè)計VCA810是直流耦合，寬帶，連續(xù)可變電壓控制增益放大器。它提供了差分輸入與輸出單線轉(zhuǎn)換，用來改變高阻抗的增益控制輸入超過-40dB增益至+40dB范圍的dB/V的線性變化。在±5V的工作電源，VCA810的增益控制電壓

30、在0V輸入-40dB和-2V輸入+40dB增益之間調(diào)整。增加接地控制電壓衰減信號將超過80dB。信號帶寬和壓擺率在增益調(diào)整范圍保持不變。40dB/V的增益控制可以精確到±1.5dB（最高為±0.9dB），允許AGC應(yīng)用的增益控制電壓接收信號強度指示器（RSSI）的精度為±1.5dB。兩個高阻抗輸入擁有良好的共模抑制和共模輸入范圍，允許VCA810提供差分接收器的操作和增益調(diào)整。輸出信號以地為參考。零差分輸入電壓使得0V輸出的直流偏移誤差很小。低輸入噪聲電壓可以保證在最高增益設(shè)置輸出良好的信噪比。在實際應(yīng)用中，利用VCA810來平衡不同的通道損耗，對增益設(shè)置的整體延

31、遲最小化，可保留有效的邊沿脈沖信息。提高輸出階段的供應(yīng)輸出電流使其足夠驅(qū)動最大負載。VCA810主要用于驅(qū)動模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或二階放大器，±60mA輸出電流可以輕松地驅(qū)動兩端接連的50傳輸線或±1.7V輸出電壓范圍的無源后置濾波器。圖3-5 VCA810的SO-8封裝圖VCA810的SO-8封裝圖如圖3-5所示。其具有以下特性：（1） 高增益調(diào)節(jié)范圍：±40dB；（2） 微分/單端輸出；（3） 低輸入噪聲電壓：2.4nV/；（4） 恒定帶寬和增益：35MHz；（5） 高dB/V增益線性度：±0.3dB；（6） 增益控制帶寬：25MHz；（7） 低輸出

32、直流誤差：<±40mV；（8） 高輸出電流：±60mA；（9） 低電源電流：24.8mA。最大溫度范圍為-40°C至+85°C。VCA810是高增益調(diào)整范圍，寬帶，電壓控制增益放大器，放大電路如圖3-6所示。其電路的基本電壓放大器響應(yīng)控制來自于內(nèi)部增益控制放大器。在它的輸入端，電壓放大器呈差分高阻抗狀態(tài)，可以靈活的與輸入阻抗匹配。為了保留末端腳，沒有內(nèi)部電路連接到差分輸入基極。因此，需要從外部提供一個直流電流信號源給輸入基極，這個路徑可以通過接電阻再接地端或者直接接地端。同時，差分輸入狀態(tài)會拒絕共模信號。在其輸出端，電壓放大器呈低阻抗，簡化阻抗匹配

33、。增益轉(zhuǎn)換關(guān)系式為（3-2）由此可知，當(dāng)=20V時，的取值范圍為40dB40dB。圖3-6 VCA810增益放大電路3.5 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計3.5.1直流轉(zhuǎn)換器AD637是一款完整的高精度、單芯片均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計算任何復(fù)雜波形的真均方根值。它提供集成電路均方根直流轉(zhuǎn)換器前所未有的性能，精度、帶寬和動態(tài)范圍與分立和模塊式設(shè)計相當(dāng)。AD637提供波峰因數(shù)補償方案，允許以最高為10的波峰因數(shù)測量信號，額外誤差小于1%。其帶寬允許測量200 mV均方根、頻率最高達600 kHz以及1V均方根以上、頻率最高達8MHz的輸入信號4。 圖3-7 AD637的封裝圖AD637的封裝圖如圖3-7所示。其具有以

34、下特性：（1） 高精度；（2） 0.02%最大非線性，0V至2V均方根輸入；（3） 波峰因數(shù)為3時，附加誤差為0.10%；（4） 片內(nèi)緩沖放大器可以用作輸入緩沖，也可以用于有源濾波器配置。因為A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543的模擬通道為單極性輸入，所以需要進行極性轉(zhuǎn)換。AD637是一個TRMS/DC轉(zhuǎn)換器，可以對輸入電壓進行“平方取平均值開平方”運算。AD637可計算任何復(fù)雜交流（或交流加直流）輸入波形的真均方根值、均方值或絕對值，并提供等效直流輸出電壓，而不必考慮波形參數(shù)及失真度的大小。AD637內(nèi)部含有濾波、緩沖放大器，能減少干擾，提高精確度。TRMS/DC轉(zhuǎn)換電路如圖3-8所示。圖3-8 AD

35、637 TRMS/DC轉(zhuǎn)換電路3.5.2A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543為20腳DIP封裝的CMOS 10位開關(guān)逐次逼近A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中A0A10（19、11、12腳）為11個模擬輸入端，REF+（14腳，通常為）和REF-（13腳，通常為地）為基準電壓正負端，（15腳）為片選端，在端的一個下降沿變化將復(fù)位內(nèi)部計數(shù)器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK（18腳）和DATA OUT（16腳）。ADDRESS（17腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，其4位的串行地址用來選擇下一個即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測試電壓。DATA OUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束3態(tài)串行輸出端，它與微處理器或外圍的串行口通信，可對數(shù)據(jù)長度

36、和格式靈活編程。I/O CLOCK為數(shù)據(jù)輸入/輸出提供同步時鐘，系統(tǒng)時鐘由片內(nèi)產(chǎn)生。芯片內(nèi)部有一個14通道多路選擇器，可選擇11個模擬輸入通道或3個內(nèi)部自測電壓中的任意一個進行測試。片內(nèi)設(shè)有采樣-保持電路，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC（19腳）輸出端變高表示轉(zhuǎn)換完成5。內(nèi)部轉(zhuǎn)換器具有高速（10S轉(zhuǎn)換時間），高精度（10位分辨率，最大±1LSB不可調(diào)整誤差）和低噪聲的特點。圖3-9 TLC1543的封裝圖TLC1543的封裝圖如圖3-9所示。其具有以下特性：（1） 輸入通道多；（2） 引線少；（3） 易于和單片機接口；（4） 內(nèi)部轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，精度高，噪聲低；（5） 性價比高。TLC154

37、3工作過程分為兩個周期：訪問周期和采樣周期。端的工作狀態(tài)為禁止，工作時必須置為低電平。為高電平時，I/O CLOCK、ADDRESS被禁用，DATA OUT為高阻狀態(tài)6。當(dāng)變?yōu)榈碗娖綍r，TLC1543開始進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，I/O CLOCK、ADDRESS有信號輸入，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。隨后，CPU向ADDRESS端提供4位通道地址，控制14個模擬通道選擇器，并從11個外部模擬輸入和3個內(nèi)部自測電壓中選通1路送到采樣保持電路。同時，CPU從DATA OUT 端接收前一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，向I/O CLOCK輸入10個時鐘序列。前4個時鐘從ADDRESS端送入地址寄存器，選擇所需的模擬通道，

38、后6個時鐘對輸入的模擬信號進行采樣控制。模擬輸入的采樣起始于第4個I/O CLOCK的下降沿，而采樣一直持續(xù)6個I/O CLOCK周期，并一直保持到第10個I/O CLOCK的下降沿。轉(zhuǎn)換過程中，的下降沿使DATA OUT端脫離高阻狀態(tài)并讓I/O CLOCK動作一次。在從低電平進入高電平這個過程時持續(xù)一段時間后，DATA OUT端返回到高阻狀態(tài)，經(jīng)過兩個系統(tǒng)時鐘周期后I/O CLOCK和ADDRESS端為禁止狀態(tài)。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3-10所示。圖3-10 TLC1543 A/D轉(zhuǎn)換電路3.5.3D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，采用CMOS工藝制成，集成電路內(nèi)有兩級

39、輸入寄存器，使DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適用于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。DAC0832邏輯輸入滿足TTL電平，可直接與TTL電路或微機電路連接。圖3-11 DAC0832的PDIP封裝圖DAC0832的PDIP封裝圖如圖3-11所示。其具有以下特性：（1） 電流穩(wěn)定時間：1s；（2） 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；（3） 只需在滿量程下調(diào)整其線性度；（4） 單一電源供電（+5V+15V）；（5） 低功耗：20mW；（6） 接口簡單；（7） 轉(zhuǎn)換控制容易。DAC0832內(nèi)部采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)寄存器和DAC寄存器實現(xiàn)兩次

40、緩沖，所以在輸出的同時，還可以接收下一個數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速度。一個8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有=256個不同的二進制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個可能值。DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE；第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號。兩級鎖存器可以在多個D/A轉(zhuǎn)換器同時工作時，利用第二級鎖存信號來實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器同步輸出。ILE為高電平、和為低電平時，為高電平，輸入寄存器的輸出跟隨輸入而變化；此后，當(dāng)由低變高時，為低電平，

41、數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中，這時的輸入寄存器的輸出端不再跟隨輸入數(shù)據(jù)的變化而變化。對第二級鎖存器來說，和同時為低電平時，為高電平，DAC寄存器的輸出跟隨其輸入而變化；此后，當(dāng)由低變高時，變?yōu)榈碗娖?，將輸入寄存器的?shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器中。圖3-12 DAC0832 D/A轉(zhuǎn)換電路在本設(shè)計中DAC0832采用單緩沖工作方式。片選信號端置低電平，和接地，ILE接VCC，IOUT2接地，接單片機端，由鍵盤控制，IOUT1輸出電流。D/A轉(zhuǎn)換電路如圖3-12所示。3.6 控制模塊設(shè)計本系統(tǒng)鍵盤按鍵數(shù)量使用少，兩個獨立按鍵，一個按鍵用來控制倍數(shù)放大，另一個用來控制倍數(shù)的減小，由此達到放大倍數(shù)調(diào)節(jié)的目的?？?/p>

42、制模塊電路如圖3-13所示。圖3-13 控制模塊電路3.7 顯示模塊設(shè)計液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件。LCD1602液晶顯示模塊，它可以顯示兩行，每行16個字符，采用+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比7。本設(shè)計需要顯示兩行內(nèi)容，一行顯示輸出電壓，另一行顯示放大倍數(shù)。按下增大或減小按鍵，液晶顯示的數(shù)值也隨之變化；按復(fù)位鍵復(fù)位。顯示模塊電路如圖3-14所示。圖3-14 顯示模塊電路3.8 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計因為DAC0832輸

43、出的是電流，需要經(jīng)過一個外接的運算放大器將信號轉(zhuǎn)換為電壓輸出。A741放大器是一種使用廣泛的運算放大器，擁有反相與非反相兩個輸入端，由輸入端輸入被放大的電流或電壓信號，經(jīng)放大 由輸出端輸出。放大器運行時的最大特點為需要一對同樣大小的正負電源，電壓值為±12V至±18V，而一般使用±15V的電壓。A741具有無頻率補償要求，短路保護，共模、差模范圍大，低功耗等特點。4 軟件設(shè)計4.1 程序流程圖NNYY增益是否有變化？有沒有按鍵按下？開始初始化操作1602顯示可控增益初值轉(zhuǎn)換、放大電路顯示結(jié)果圖4-1 系統(tǒng)程序流程圖本次程控放大器設(shè)計的程序流程圖如圖4-1所示。4.

44、2 程序設(shè)計4.2.1LCD液晶顯示本程序需要時時對液晶寫入程序，用于人機交互。首先，對液晶進行初始化；然后，根據(jù)鍵盤輸入的值，產(chǎn)生相應(yīng)的變化。液晶讀操作時序如圖4-2所示。圖4-2 LCD液晶讀操作時序圖LCD液晶顯示程序：void display() num=(num*5000.0/1024.0000);/誤差修正 qian=num/1000%10; bai=num/100%10; shi=(num/10%10); ge=num%10; lcd_wcom(0x85); /1/顯示地址設(shè)為80H（即00H，）上排第一位 lcd_wdat(tablqian); /該處設(shè)置變量x; delay(

45、10); lcd_wdat('.'); delay(10); lcd_wdat(tablbai); delay(10); lcd_wdat(tablshi); delay(10); lcd_wdat(tablge); delay(10); lcd_wdat('v'); delay(10); lcd_wcom(0x80); /顯示地址設(shè)為80H lcd_wdat('U'); /該處顯示字符U delay(1); lcd_wdat('o'); /該處顯示字符o delay(1); lcd_wdat('u'); dela

46、y(1); lcd_wdat('t'); delay(1); lcd_wdat('='); delay(1); display(); num=0; 4.2.2獨立按鍵獨立按鍵用來控制放大倍數(shù)，當(dāng)按鍵1按下時，放大倍數(shù)增加，液晶輸出對應(yīng)的變化值；當(dāng)按鍵2按下時，液晶亦輸出對應(yīng)的變化值；當(dāng)按下復(fù)位鍵時，液晶初始化，顯示初始值。獨立按鍵程序：void keyscan() /按鍵掃描程序 / 10tong if(s2=0) /如果按鍵s1按下 delay(1);/延時按鍵消抖 if(s2=0)/如果按鍵s1按下 while(!s2);/等待按鍵釋放 DA_date+=5

47、; /ss=1; if(s3=0) /如果按鍵s2按下 / 15tong delay(1);/延時按鍵消抖 if(s3=0)/如果按鍵s2按下 while(!s3);/等待按鍵釋放 DA_date-=5; / ss=1; 4.2.3A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)置為0時，開始進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。CPU把10個時鐘序列輸入 I/O CLOCK。前4個時鐘從ADDRESS端送入地址寄存器，后6個時鐘對輸入的模擬信號進行采樣控制。模擬輸入的采樣起始于第4個I/O CLOCK的下降沿，采樣一直持續(xù)6個I/O CLOCK周期，并一直保持到第10個 I/O CLOCK的下降沿。在從低電平進入高電平這個過程查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。轉(zhuǎn)換

48、過程中，為下降沿，使DATA OUT端脫離高阻狀態(tài)，且I/O CLOCK動作一次。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換程序：uint ADC(uchar chn1) uchar i; uchar addr8; /通道地址 uint ADresult; /轉(zhuǎn)換碼 AD_eoc=1; AD_cs=0; _nop_(); addr8=chn1; addr8<<=4; for(i=0;i<4;i+) AD_add=(bit)(addr8&0x80); AD_clk=1; AD_clk=0; addr8<<=1; for(i=0;i<6;i+) AD_clk=1; AD_clk=

49、0; AD_cs=1; while(!AD_eoc);/查詢到轉(zhuǎn)換結(jié)束 _nop_(); _nop_(); ADresult=0; AD_cs=0; /下降沿 開始傳數(shù)據(jù) for(i=0;i<10;i+) AD_clk=1; ADresult<<=1; m=AD_dat; ADresult+=m; AD_clk=0; AD_cs=1; return(ADresult);4.2.4D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)為低電平時，為高電平，輸入鎖存器的狀態(tài)隨著輸入線的狀態(tài)變化；當(dāng)變?yōu)楦唠娖?，為低電平，?shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器中。和同時為低電平時，為高電平，將輸入寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器中。D/A轉(zhuǎn)

50、換器轉(zhuǎn)換程序：void seDAC(uchar DA) /DAC數(shù)據(jù)傳輸 DA_wr=0; P2=DA; DA_wr=1;void main() sb=1; num=0; port=0x00; lcd_init(); DA_date=0x32; while(1) seDAC( DA_date) ; DB=4*(DA_date*2-100)/10+14; delay(100); keyscan(); port=0x00; /通道選擇 for(sb=0;sb<9;sb+) tab2sb=ADC(port); delay(100); num+=tab2sb; num/= 9; num=num*

51、2; if(num>100) num=num*0.98; else num*=1.1; delay(100); 5 實驗調(diào)試輸入信號為正弦信號，峰-峰值為50mVPP，頻率為100KHz，VOUT為實際輸出，VPP為理論輸出。表5-1 實驗測試結(jié)果dB141822263034VOUT（V）0.2340.3850.5510.8881.4252.187VPP（V）0.2400.3620.5650.8881.412.18誤差（）2.56.42.4010.3如表所示，輸入信和輸出信號的關(guān)系表明此設(shè)計基本實現(xiàn)了程控放大，且穩(wěn)定在一定的誤差范圍內(nèi)。出現(xiàn)誤差可能有以下原因：（1） 信號源輸入的信號幅值

52、很小時，放大精度要求較高，對于本設(shè)計來說精度可能無法達到要求；（2） 在濾波部分沒有完全過濾掉雜波和其他干擾，對系統(tǒng)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。6 結(jié)論本設(shè)計基本完成了課題所規(guī)定的基本功能和要求，但是沒有達到預(yù)期目標，有些功能沒有完全實現(xiàn)。本設(shè)計為基于單片機的程控放大器設(shè)計，要求放大倍數(shù)實現(xiàn)分級調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)誤差小于等于10。本設(shè)計以STC89C52單片機為控制核心，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器，并利用壓控運算放大器VCA810對增益進行控制調(diào)節(jié)。本設(shè)計實現(xiàn)了對信號的放大增益分級調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)誤差控制在10。但是，沒有實現(xiàn)對信號的衰減功能，主要是對程序的編寫和硬件的了解沒有很好的消化，所以沒能實現(xiàn)全部的功能。謝 辭走的最快的總是時間，來不及感嘆，大學(xué)生活已近尾聲，這段時間的努力與付出，隨著本次論文的完成，將要劃下句號。首先，要感謝林佩靜老師對我的幫助。在林佩靜老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下，經(jīng)過數(shù)個月的努力，終于完成了本次畢業(yè)設(shè)計。在我的畢業(yè)設(shè)計期間，從課題選擇到具體的實施過程，論文初稿與定稿，林老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導(dǎo)和一些創(chuàng)造性的實踐建議