TI杯報(bào)告_二工大_13組_可控增益放大器

1、2012 TI 杯上海大學(xué)生電子設(shè)計(jì)邀請(qǐng)賽可控增益放大器技術(shù)報(bào)告參賽學(xué)校：上海第二工業(yè)大學(xué)可控增益放大器摘 要：本系統(tǒng)以MSP430G2553Z作為可控增益放大器的控制核心，選用乘法器型DA芯片DAC8043和高性能音頻運(yùn)算放大器OPA1611搭建了一個(gè)程控衰減器和一個(gè)程控增益放大器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈路的衰減及放大；選用另一片高性能音頻運(yùn)算放大器OPA1611搭建一個(gè)電壓跟隨器和一個(gè)電壓比較器，作為輸出信號(hào)的反饋回路；MSP430G2553Z通過(guò)對(duì)反饋電路的峰值信號(hào)采樣，經(jīng)PID算法控制衰減器和增益放大器，從而使系統(tǒng)達(dá)到對(duì)信號(hào)源的可控放大與自動(dòng)增益控制等功能。關(guān)鍵詞：可控增益；MSP430G2553

2、Z；DAC8043；OPA1611；PID算法目 錄1. 設(shè)計(jì)要求············································

3、83;12. 方案比較與論證······································23. 理論分析與計(jì)算········

4、;······························44. 電路與程序設(shè)計(jì)··················

5、·····················75. 測(cè)試結(jié)果與分析···························&

6、#183;··········12一、設(shè)計(jì)要求1基本要求 設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)載為1K歐姆的可控增益放大器，可控增益放大器的放大倍數(shù)從1至128倍可調(diào)；通過(guò)按鍵短按，控制步進(jìn)為4倍循環(huán)（1，4，16，64，128，1，）；（1）輸入信號(hào)為頻率為1KHz， 200mVpp的正弦信號(hào)時(shí)，在所有增益條件下：a. 增益精度高于1；b. 無(wú)明顯波形失真； （2） 輸入一個(gè)1KHz，200mVpp的方波，在所有增益條件下， a. 輸出方波沒(méi)有形態(tài)失真（輸出變?yōu)槿遣?正弦波，或有寄生振蕩頻率）； b. 輸出方波的過(guò)沖

7、不超過(guò)5； c. 輸出方波的上升到90的上升時(shí)間應(yīng)小于80uS;（3） 制作一個(gè)100mV的直流電平（用萬(wàn)用表測(cè)量），做為可控增益放大器的輸入，在增益為128倍時(shí)： a. 用萬(wàn)用表測(cè)量得到的輸出電壓誤差不超過(guò)1； b. 用示波器測(cè)量得到的電壓紋波不大于1；2發(fā)揮要求 （1）基于基本部分的可控增益放大器，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)增益控制器。長(zhǎng)按按鍵可進(jìn)入（LED亮）或退出（LED滅）自動(dòng)增益控制器功能，當(dāng)向可控增益放大器輸入1KHz， 200mVpp2Vpp間變化的正弦信號(hào)或其他波形信號(hào)時(shí)：a. 輸出波形穩(wěn)定在0.5Vpp，幅度精度為1；b. 頻率和波形不變；c. 響應(yīng)時(shí)間小于1s；并盡可能提高響應(yīng)速度；

8、（2）將輸入信號(hào)擴(kuò)展為1KHz，20mVpp 20Vpp間變化的正弦信號(hào)或其他波形信號(hào)時(shí)，完成自動(dòng)增益控制功能：a. 輸出波形穩(wěn)定在0.5Vpp，幅度精度為1；b. 頻率和波形不變；c. 響應(yīng)時(shí)間小于1s；并盡可能提高響應(yīng)速度；d. 在自動(dòng)增益控制模式下，通過(guò)按鍵短按，輸出信號(hào)的幅度可以在0.5Vpp，1Vpp和2Vpp間切換；二、方案比較與論證由于題目基本部分要求實(shí)現(xiàn)增益在1、4、16、64、128下循環(huán)，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，電路中可能會(huì)疊加進(jìn)高頻噪聲，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，發(fā)揮部分要求在電壓輸入波動(dòng)的情況下輸出穩(wěn)定在0.5Vpp，需要反饋電路來(lái)確定輸出是否穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)主要由程控增益放

9、大器模塊、電壓反饋模塊、信號(hào)輸入輸出極濾波模塊、以MSP430G2553Z單片機(jī)為控制核心的控制模塊組成，下面分別論述這幾個(gè)模塊的選擇。1. 程控增益放大器模塊方案一：設(shè)計(jì)低通濾波器硬件實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，用作DAC的參考電壓。此方案電路簡(jiǎn)單，但是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及精確度受到低通濾波器的截止頻率及PWM的時(shí)鐘頻率限制。方案二：選用乘法器型DA芯片DAC8043和高性能音頻運(yùn)算放大器OPA1611搭建一個(gè)程控增益放大器。這種程控增益放大器可以快速并穩(wěn)定的達(dá)到設(shè)定的放大倍數(shù)，精確度高。缺點(diǎn)是相對(duì)方案一功耗大。通過(guò)方案比較，為了簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，快速的達(dá)到設(shè)定的放大倍數(shù)，決定采用方案二。2. 電壓

10、反饋模塊方案一：采用小功率整流濾波電路對(duì)放大后信號(hào)進(jìn)行整流濾波，AD采取直流信號(hào)。此方案便于MSP430G2553Z的ADC快速采樣，但是電路復(fù)雜，響應(yīng)慢，且紋波大。方案二：選用OPA1611搭建一個(gè)電壓跟隨器和一個(gè)電壓比較器，采樣原理如圖1所示，比較器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行過(guò)零比較，得到矩形波，單片機(jī)以上升沿為標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)到信號(hào)的峰值電壓，并且啟動(dòng)ADC采樣，從而準(zhǔn)確的得到峰值電壓。相對(duì)方案一，此方案軟件算法較復(fù)雜，延時(shí)受信號(hào)周期限制。但是其電路簡(jiǎn)單，采樣準(zhǔn)確快速而且直接得到峰值電壓，適應(yīng)頻率固定的各種波形。 圖1 比較波形考慮到題目要求原始信號(hào)都為1KHz，為了準(zhǔn)確穩(wěn)定得到信號(hào)反饋電壓，決定采取方

11、案二。3. 信號(hào)輸入輸出極濾波模塊 通過(guò)對(duì)原始信號(hào)的觀察發(fā)現(xiàn)，信號(hào)鏈中存在高頻信號(hào)干擾，對(duì)此在信號(hào)鏈的輸入端接入濾波電容，在輸出接低頻濾波電路。下面對(duì)輸出低頻濾波電路論證比較。方案一：采用RC無(wú)源低通電路。此方案電路簡(jiǎn)單，低功耗，可以有效的濾去高頻信號(hào)，缺點(diǎn)是輸出阻抗大，驅(qū)動(dòng)能力弱。方案二：采用有源二階低通濾波電路，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是元件較多，電路復(fù)雜，耗能較大。因?yàn)樾盘?hào)鏈中的干擾信號(hào)一般在1MHz以上，考慮到原始信號(hào)為1KHz及電路的低功耗，決定采用方案一。三、理論分析與計(jì)算通過(guò)各模塊的方案論證最終得出系統(tǒng)框圖，如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)框圖題目基本部分中要求信

12、號(hào)放大都在1倍以上，所以在對(duì)基本部分信號(hào)處理中，程控衰減器不做衰減功能，只需通過(guò)程控增益放大器做放大處理，經(jīng)濾波器濾波便可得到要求的電壓峰峰值。下面給出程控增益放大器的設(shè)計(jì)：可程控增益放大器采用1片乘法器型DAC8043和1片音頻運(yùn)算放大器OPA1611組成。如圖3所示，DAC8043內(nèi)部是一個(gè)可控的電阻網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)12個(gè)電子開(kāi)關(guān)控制該電阻網(wǎng)絡(luò)Vref與OUT兩端的電阻值。用DAC8043內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)代替反相放大器的反饋電阻和用DAC8043內(nèi)部的電阻RFB代替反相輸入端電阻，由此可得到一個(gè)增益可控的反相放大器，如圖4所示。圖3 DAC8043內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖4 程控增益放大器增益與DAC8043控

13、制字CODE關(guān)系表達(dá)式推導(dǎo)如下： Vout/R = -（VIN / RFB） x （4096/ CODE）;···············（1） RFB = R; ························

14、;·················（2） Vout = - VIN x 4096/ CODE; ···························（3）由

15、于存在如圖5所示的后級(jí)RC無(wú)源低通濾波器，所以放大可能會(huì)有小的損耗，下面給出如圖6所示的RC無(wú)源低通濾波電路圖的相應(yīng)特性曲線：圖5 RC無(wú)源低通濾波器圖6 RC低通濾波器頻響特性曲線由圖6可知無(wú)源低通濾波器對(duì)于1KHz信號(hào)的衰減幾乎為零，所以上述方案可行。發(fā)揮部分需要設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)增益控制器，所以引入了圖2中的電壓反饋模塊，由于輸入電壓的最大為20VPP且要求輸出波形穩(wěn)定在0.5Vpp，所以引入程控衰減器。首先對(duì)原信號(hào)進(jìn)行衰減，防止進(jìn)入增益放大器的電壓大于0.5Vpp，然后再由增益放大器進(jìn)行放大，使電壓峰峰值達(dá)到0.5Vpp，由反饋電路取得當(dāng)前電壓，經(jīng)主控芯片PID算法控制控制程控衰減器與程控增

16、益放大器，從而使輸出電壓的峰峰值穩(wěn)定在0.5Vpp。下面給出程控衰減器的設(shè)計(jì)方案：題目中要求輸入信號(hào)的電壓范圍為20mVPP20VPP，且輸出信號(hào)的電壓穩(wěn)定在0.5VPP，所以本可控增益放大器在信號(hào)輸入級(jí)與可控放大器電路之間加入了由一片DAC8043和一片OPA1611組成的可控衰減器電路，對(duì)VPP超過(guò)控制范圍的信號(hào)進(jìn)行衰減。用DAC8043內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)代替反相放大器的反相輸入端電阻和用DAC8043內(nèi)部的電阻RFB代替反饋電阻，信號(hào)從VREF端輸入，從運(yùn)放輸出端輸出，由此可得到可控衰減器，如圖7所示。輸入輸出與DAC8043控制字CODE關(guān)系表達(dá)式推導(dǎo)如下：Vout/RFB = -（VREF

17、 /R）*（CODE/4096）； ·················（4） RFB = R；····························

18、··············（5） Vout = -VREF * CODE/4096；·····························（6）圖7 程控衰減器此外

19、，題目中要求可控增益放大器的負(fù)載為1K歐姆，為了提高可控增益放大器的帶負(fù)載能力，在可控增益放大器輸出部分加入一級(jí)由1片OPA1611構(gòu)成的電壓跟隨器。四、電路與程序設(shè)計(jì)根據(jù)方案論證與理論分析，最終得出系統(tǒng)主控模塊外的硬件電路，下面給出系統(tǒng)主控模塊外的硬件電路，如圖8所示。圖8 系統(tǒng)主控模塊外的硬件電路下面給出系統(tǒng)軟件算法框圖。1.系統(tǒng)總控制方案如圖9所示，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)之后立即進(jìn)行ADC模塊，Timer模塊，以及各全局變量初始化，初始寫(xiě)入放大器增益為1。隨后開(kāi)始循環(huán)檢測(cè)用戶按鍵，若檢測(cè)到短時(shí)間按鍵則執(zhí)行固定增益控制模式，固定增益模式流程圖見(jiàn)圖10；若檢測(cè)到長(zhǎng)按鍵則進(jìn)入自動(dòng)增益控制模式，包括初始化和開(kāi)

20、啟5mS定時(shí)采樣中斷，具體自動(dòng)增益控制流程圖見(jiàn)圖11.圖9 系統(tǒng)總流程圖2.固定增益控制設(shè)計(jì)如圖10所示，當(dāng)單片機(jī)每檢測(cè)到一次短按鍵，系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)變量Status進(jìn)行自加操作，且判斷Status是否大于4，若Status大于4，Status進(jìn)行置0操作。最后將Status按照?qǐng)D中關(guān)系轉(zhuǎn)換成放大倍數(shù)，寫(xiě)入程控放大器。圖10 固定增益控制流程圖3.自動(dòng)增益控制設(shè)計(jì)如圖11所示，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)增益控制模式，首先捕獲采樣同步信號(hào)上升沿，然后進(jìn)行信號(hào)1/4個(gè)周期的延時(shí)，開(kāi)啟AD轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換結(jié)果送入增量式PID調(diào)節(jié)器，計(jì)算出放大倍數(shù)，輸出到可控放大器。圖12為增量式PID放大器系統(tǒng)框圖，先得到目標(biāo)值的偏差，通過(guò)事先整定好的PID參數(shù)算出需要控制放大器的倍數(shù)，為了避免出現(xiàn)放大倍數(shù)變量溢出，在PID輸出進(jìn)行限幅處理。圖11 自動(dòng)增益控制流程圖圖12 增量式PID調(diào)節(jié)器流程圖五、測(cè)試結(jié)果與分析 1.基本要求部分題目要求測(cè)試結(jié)果輸入信號(hào)為頻率為1KHz， 200mVpp的正弦信號(hào)時(shí)，在所有增益條件下：a. 增益精度高于1；b. 無(wú)明顯波形失真；增益輸出信號(hào)Vpp及波形情況1200.50mV, 無(wú)明顯波形失真。4801.00mV, 無(wú)明顯波形失真。163200.80mV, 無(wú)明顯波形失真