数控放大器系统设计—毕业论文设计.doc

数控放大器系统设计摘要：本设计是以52单片机作为控制和检测的核心。该设计由按键模块、控制模块、放大模块和显示模块四个模块所组成。采用数/模转换器（dac0832）与集成运放（op07）构成简单的增益可控电路。通过单片机将键盘扫描信号转换为放大器增益控制指令，实现放大倍数的增益可控，并通过数码管显示出来。数控增益放大器设计综合应用之前所学的单片机、微机控制、电路设计等方面的知识。运行表明，其性能高，使用灵活性好，安全系数高，成本则相对较小，被广泛应用。数控放大器是集计算机技术、电子技术、数控技术为一体的机电一体化高科技产品，具有安全性高，使用方便等优点。关键字：单片机、数模转换器、集成运放、数控放大器、显示电路the design of numerical control amplifier systemabstract:this design is based on 52 single chip microcomputer as the core of the control and detection.the design by the key module, control module, amplifier module and display module of four modules.using d/a (dac0832) and integrated op-amp (op07) constitute a simple gain control circuit.by single-chip computer converts the keyboard scanning signal amplifier gain control command, realize the magnification of gain control, and through digital tube display.before nc gain amplifier design integrated application microcontroller, microprocessor control, circuit design and other aspects of knowledge.run showed its high performance, good flexibility, high safety factor, the cost is relatively small, is widely used.nc amplifier is a computer technology, electronic technology, digital technology as one of the high-tech electromechanical integration products, high security, ease of use.keywords:microcomputer、digital-to-analog converters、integrated operational amplifier、nnumerical control amplifie、display目 录前言1第1章 绪论21.1 课题的意义和目的21.2 课题的研究内容21.3 课题的任务要求2第2章 系统方案设计32.1方案的比较与论证32.2 系统整体设计4第3章 系统各模块的硬件设计63.1 dac0832与op07放大模块设计63.2.1 dac0832模块设计63.2.2 op07模块设计63.2 单片机控制模块设计73.1.1 单片机时钟电路设计73.1.2 单片机复位电路设计7 3.3 4*4矩阵键盘模块设计8 3.3.1键抖动及处理8 3.3.2键盘定义及功能说明83.4 显示模块设计83.4.1显示模块方案的选择与论证83.4.2 共阴数码管93.4.1驱动电路9 3.4.1显示模块原理图10第4章 系统软件设计17 4.1 软件功能11 4.2 各子程序设计12 4.2.1 延时子程序12 4.2.2 按键扫描子程序12 4.2.4 数据处理程序14 4.2.5 显示子程序14第5章 系统调试与数据分析165.1 硬件电路的制作和调试165.2 软硬调试175.3 测试结果分析17第6章 总结与展望18参考文献19致谢20附录1 电路原理图21附录2 程序22附录3 实物图27附录4 元器件清单28数控放大器系统的设计前言随着近代超大规模集成电路的出现，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。集成技术的最新进展之一是将cpu和外围芯片，如程序存储器，数据存储器，并行、串行i/o口、定时、计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片中，制成单片计算机(single-chipmicrocompnter).而近年来推出的一些文档单片机还包含有许多特殊的功能单元如a/d、d/a转换器、调制解调器、通用控制器、锁相环、dma浮点运算单元等。因此，只要外加一些矿展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统。这些器件的优点是外电路简单 ,使用方便;缺点是增益范围小 ,增益无法自行定义。需要的增益较高时 ,必须多级串联 ,成本很高 ,因此 ,目前单片集成程控增益放大器的应用不够普及。除此之外 ,也可用集成开关电容滤波器(scf) ,如l tc1043 等 , 来构成可变增益放大器 , 即将两片l tc1043 分别接入运放的输入回路和反馈回路 ,当l tc1043 的时钟频率改变时 ,其等效电阻随之改变 ,这样就可以通过改变时钟频率来改变放大器的增益。该电路的特点是增益 av变化范围宽;输入方式灵活 , 即可选择单端 ,又可选择差动。第1章 绪论1.1 课题的意义和目的随着电子技术的发展，数控放大器越来越能满足人们生活的需要，它具有性能稳定，可靠性高等优点，并且它正朝着智能化、集成化、多功能化的方向发展。数控放大器是用来对交流小信号进行放大，其放大倍数的调节是通过数字量控制信号来改变放大器的增益。 本次课题的设计目的主要实现数控放大器的增益可控，并且将放大倍数通过显示模块显示出来。1.2 课题的研究内容设计制作一个电路，实现放大器的增益可控，并通过显示模块显示相应的增益。1.3 课题的任务要求 放大器输入电压为100mv（峰-峰值）, 增益在1100内连续可调，步进为1，通过按键等手动方式调节； . 通过键盘输入改变放大器的放大倍数； . 具有设置参数显示、增益显示功能； . 输出波形无明显失真，增益误差不大于5%。 . 扩展功能：电路可以通过rs232通信接口与pc主机完成数据通信功能，通过 pc主机端控制放大器增益（pc主机端可利用高级语言进行人机界面设计，如vb，vc，.net等）。第2章 系统方案设计2.1系统方案设计 2.1.1方案的比较与论证 方案一：运用集成模拟开关构成的前级放大用不同阻值的固定电阻，通过集成多路模拟开关，将其分别接入运放的输入回路，以此达到改变输入电阻的目的，从而实现对信号的放大或衰减，即改变放大器的增益。其图如图1所示。图1 用模拟开关构成的增益可控放大器 方案二：用dac0832控制前级放大本设计选用dac0832与集成运放op07构成数控放大器，dac0832是8位d/a转换芯片，其输出vout=(28/d)vi,其中d为8位数字量输入的二进制值，可满足28=256档增益调节，通过改变0832输入的数字量即可改变放大器的增益，实现增益可控。如下图所示：图2 用双dac构成的程控增益放大器 方案一中用集成模拟开关构成的增益可变放大器，由于增益开关电阻的变化，会影响到整个系统的精度，切换过程中会出现反馈电路瞬间开路，使运算放大器进入暂时饱和状态而影响速度，所以有一定不足之处。方案二中dac0832由cmos电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点，采用d/a转换器与预算放大器组成一个数控增益电路，可以克服由于开关电阻带来的精度影响。所以综上所述，本设计应采取方案二数/模转换器dac0832构成数控放大器。 2.1.2 系统整体设计本系统主要由主要由键盘、显示器及其驱动电路、控制电路和放大电路等组成。以stc89c51为主控芯片，通过控制dac0832来改变op07放大器的反馈电阻，进而可以改变信号增益。增益大小可由修改人员通过3*4矩阵键盘录入单片机，单片机通过事先规定的按键序号得出修改人员想要设置的增益，然后将相应指令传给dac0832，并通过数码管显示增益值。系统设计的整体框图如下所示： 图3 系统设计整体框图各部分作用：可控放大电路：包含运放以及dac0832d/a转换芯片，运放采用现有的op07芯片。显示电路：采用驱动电路以及共阴极数码管，用来直观的显示放大倍数。单片机控制电路：采用stc89c51芯片，控制各模块、接收数据、接受指令并反馈给其他模块。键盘输入电路：用3*4按键开关控制组成。 第3章 系统各部分硬件的设计根据数控放大器的设计要求，以及方案的论证与对比，经过仔细的分析和思考还有充分考虑到各种外在因素，制作了整体的设计方案，整体的设计模型如图3-1所示，该系统设计主要的硬件部分有电源电路、单片机控制电路、按键控制电路、放大电路和显示电路。3.1放大电路模块设计放大电路由数模转换器dac0832与集成运放op07组成。下图所示为数模转换器dac0832与op07的接线图。图4 放大电路放大电路原理说明：dac0832是一个常用的8位电流输出型并行低速数模转换芯片。当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器，如上图所示，外接了集成运放op07。运放的反馈电阻可通过rfb端引用片内固有电阻（图3中的rfb），也可外接，本设计采用的是外接反馈电阻。内部集成两级输入寄存器，使得数据输入可采用双缓冲、单缓冲或直通方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路d/a异步输入、同步转换等)。本设计采用的是单缓冲方式。本设计的放大电路输出电压计算公式如下： vo=d(vref rf)/(2nr)d为数据端的输入值,vref 为输入信号，其范围在-10v10v，本次设计中采用100mv的输入电压；rf 为反馈电阻，调节反馈电阻的值即可改变放大倍数；r为dac0832的内部阻值，n为dac0832的位数，本设计采用的是8位dac。3.2 单片机控制模块设计 3.2.1 单片机的时钟电路单片机的时钟电路如下图所示，单片机引脚18和19外接晶振和电容，单片机芯片的工作频率可在233mhz范围之间选，单片机工作频率取决于晶振xt的频率，通常选用11.0592mhz晶振。两个小电容通常取22pf，以保证振荡器电路的稳定性及快速性。图5 时钟电路 3.2.2 单片机的复位电路一般在引脚rst上保持24个工作主频周期的高电平，单片机就可以完成复位，但为了保证系统可靠的复位，复位电路应使引脚rst保持10ms以上的高电平。从图上可以看出复位电路带有上电自动复位功能，当电路上电是，由于c1电容两端电压值不能突变，电源+5v会通过电容向rst提供充电电流，因此在rst引脚上会产生一高电平，是单片机进入复位状态。随着电容c1充电，它两端电压上升使得rst电位下降，最终使单片机推出复位状态。正常运行时，可按复位按钮对单片机复位。复位电路图如下图所示：图6 复位电路3.3 矩阵键盘模块本设计采用的是4*4的矩阵键盘，行线接p1.0p1.3，列线接p1.4p1.7。当键盘上没有键闭合时，行线由p1.0p1.3内部拉高电路拉成高电平，列线由p1.4p1.5内部拉高电路拉成低电平，当某根行线上有键闭合时，则该行线和闭合键所在的列线短路。图7 矩阵键盘电路3.4 显示电路 3.4.1 显示模块方案的选择与论证方案一：1602液晶显示， 此方案中液晶显示器可以由ascll码控制，控制简单，可以显示更多的信息，比如放大倍数和单位等，但是价格相对昂贵，故不为本系统所采用。方案二：数码管显示，此方案中利用共阴极数码管并对09这10数字进行编码，并利用数码管的动态扫描形式来显示不同的数字，以达到显示放大倍数的目的。由于本系统仅需对放大倍数进行显示，利用四段数码管已经足以达到要求，程序设计也相对容易，产品价格低廉。经上所述，选择方案二。 3.4.2 共阴数码管四位共阴数码管每位数码管的8个发光二极管的阴极接到一起作为公共端，在应用是将公共级接到+5v，阳极对应的接到一起作为数码管的段选ag及小数点dp，应用时将相应的段选接到高电平，则相应的段就会被点亮，显示相应的数字。数码管显示码如下表： 段选数字abcdefgdp编码0111111000x3f1111101100x6f2110110100x5b3111100100x4f4011001100x665101101100x6d6101111100x7d7111000000x078111111100x7f9111101100x6f 3.4.3 驱动电路动态驱动是将所有数码管的8个段选的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极com增加位选通控制电路，位选通由各自独立的i/o线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通com端电路的控制，所以将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形。通过分时轮流控制各个led数码管的com端，就能使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。图8 驱动电路 3.4.4 显示模块原理图显示模块主要由数码管和驱动电路组成，该设计中我们使用的是四位共阴数码管，驱动电路中使用的是型号为9013的三极管和阻止为10k的电阻。显示模块的电路如图9所示。显示模块的位选分别接的是单片机的p3.3、p3.4和p3.5口，段选接的是单片机的p0口。图9 显示与驱动电路第4章 系统软件设计软件控制程序由主程序和子程序两部分，其主要实现步进加减、d/a转换、键盘扫描、显示等功能。该系统软件采用模块化设计，包括控制模块、d/a转换模块、串口通信模块、键盘模块和显示模块。该程序由一个主程序及五个子程序所组成，子程序中包括：液晶控制程序、键盘扫描程序、dac0832控制子程序、串口程序和延时子程序。图10 主程序软件流程框图各子程序的作用：（1）显示子程序：将输出数据转换成数码管能够显示的字型码，通过数码管显示相应的数据。（2）键盘扫描程序：用于判断当前所需要显示的放大倍数，矩阵按键不同按键对应不同的数字，两个独立按键分别为加减键。（3）数据处理程序：将输入的数字信号处理为模拟信号。（4）延时子程序：延时程序用来将信号的占空比增大，提高有效电压，从而保证单个数码管点亮的有效时间。4.1 延时子程序 在向液晶进行写操作，对按键进行消抖时都需要进行一定时间的延时，以满足液晶的时序要求，和保证按键的稳定性。源代码如下：void delay(uint x)uint i,j;for(i=0;ix;i+)for(j=0;j=3) count=0; if(count=0) ge=1,shi=0,bai=0; p0=tabledisplay%10; if(count=1) ge=0,shi=1,bai=0; p0=table(display/10)%10; if(count=2) ge=0,shi=0,bai=1; p0=tabledisplay/100; count+;第5章 系统调试与数据分析5.1 硬件电路的制作和调试5.1.1 常见的硬件故障 样机硬件的逻辑错误是由于设计错误或加工过程中的工艺性错误而造成的，包括错线，开路和短路等等，其中短路是最常见的故障。5.1.2 硬件的调试方法1脱机调试 脱机调试是在样机加点之前，先用万用表等工具，根据硬件电气原理图和装配图，仔细样机线路的正确性，并核对元器件型号，规格和安装是否符合要求。特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，重点检查系统的总线或其他信号线之间是否存在相互的短路。在不插芯片的情况下，加电检查各插座上引脚的电位，仔细测量各点电位是否正常，尤其应注意单片机插座上的各点电位是否正常。在实验中，若检查系统时钟是否正常工作，则可用万用表直流电压档测量xtal1与xtal2两端间的电压，检测到电压若为2.5v左右，则视为正常工作。2联机调试 通过脱机调试可以排除一些明显的硬件故障，有些硬件故障需要通过联机调试才能发现和排除。通电后，执行读写指令，对用户样机的存储器、i/o端口进行读写和逻辑检查等操作，用示波器等设备观察波形。通过对波形的观察分析，发现和排除故障。在实验中，若检查检测电路是否正常工作，则可用万用表直流电压档测量检测电路的输出端与地之间的电平，正常情况下，当没有物体靠近红外对管时，电压表应该测得4.5v5v左右；当有物体靠近红外对管时，电压表应该测得0.2v0.5v左右。5.2 软硬件功能分析在软硬件联调时，按基本功能依次调试。现将程序下载到单片机89c51中，通上5v的电源，检查按键部分是否能实现控制功能。按独立按键是否能实现放大倍数的加减功能，同时按矩阵键盘是否能实现直接输入放大倍数的功能。观察显示模块，显示数字是否正确以及显示的数字是否清晰。实验过程中，发现按键不够灵敏，思考是否是消抖那一块有问题，经过思考与实践发现是延迟的时间长短的影响，最后通过实验找到一个最合适的延迟时间。然后接入12v的电源，接入输入的信号源，观察信号的放大倍数是否准确，不准确的通过修改程序找到一个最精确的值。经过多次的改进，实现了该设计的要求。5.3 测试结果分析为了确定测量结果的正确性，我将其测量结果与进行比较。测量结果对比表，如表5-1所示。表5-1 测量结果对比表输入电压vi测量电压vo理论值vout放大倍数av误差100mv103mv100mv10100mv1.04v1.00v100.04100mv1.96v2.00v200.02100mv3.10v3.00v300.03100mv4.02v4.00v400.005100mv5.08v5.00v500.016100mv6.11v6.00v600.183100mv6.90v7.00v70-0.014100mv8.16v8.00v800.02100mv8.80v9.00v90-0.22100mv10.10v10.00v1000.01计算误差的公式为：误差=（测量值理论值）/测量值 5.1由表可见，实验的误差小于5%，符合实验要求。本设计满足以下要求：1放大器输入电压为200mv（峰-峰值）, 增益在1100内连续可调，步进为1，通过按键等手动方式调节；2. 通过键盘输入改变放大器的放大倍数；3. 具有设置参数显示、增益显示功能；4. 输出波形无明显失真，增益误差不大于5%;第6章 总结与展望数控增益放大器的特点为性能优越，这主要体现在增益精度高，非线性好，稳定时间短，增益范围宽等。成本低、体积小、使用灵活。因而得到广泛应用。其缺点是：由于过多使用了多路转换开关和增益调节电阻，受其影响而产生了一定的误差，而就其本身而言。多少也会产生一定误差，我相信随着科学技术的发展以及制作工艺水平的不断提高，数控增益放大器的性能将会更为优越，使用也会更为广泛。时至今日，几个礼拜的电子系统设计终于可以画上一个句号了，其中有苦也有甜，乐趣尽在其中！电子系统设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个设计的过程做一下简单的总结。第一，接到任务以后进行方案选择。这就好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的。如果是错误，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。所以方案的选择很重要。第二，方案确定后就是找资料了。查资料是做电子系统设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的方案也大概有了一些了解，综合已有的资料来更透彻的分析题目。第四，有了研究方向，就应该动手实现了。一步步地做下去之后，发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修改再调试。参考文献1 谢维成，杨加国. 单片机原理与运用及c51程序设计m.北京：清华大学出版社，2009.2 周坚. 单片机c语言轻松入门m. 北京航天航空出版社,2006.3 吕常智. 步进程控放大器的cpld实现j. 山东科技大学电信学院学报，2002(4)：25-26.4 阎石.数字电子技术基础（第四版）m.北京: 高等教育出版社,1997.5 宋戈等.51单片机应用开发范例大全m.北京: 人民邮电出版社 2010.6 臧春华. 电子线路设计与应用m. 北京: 高等教育出版社， 2004.7 陆坤. 电子设计技术m.成都：电子科技大学出版社，1997.8 罗印生.单片机微机原理与应用m.北京: 机械工业出版社,2012.9 周润景, 张丽娜. 基于protus的电路及单片机系统设计与仿真m. 北京: 航空航天大学出版社,2006.10 j.semico.cx51 compiler users guide: optimizing c compiler and library reference for classic and extended 8051 microcontrollers j.conductors,2000,47(6):321-325.致谢在此要感谢我的指导老师薛老师对我悉心的指导。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。忠心的向你们说声：谢谢你们！老师您辛苦了！ 附录1 电路原理图附录2 程序第 32 页 共 50 页#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define keyport p1sbit ge =p35; /数码管 位选 个十百sbit shi=p34; /sbit bai=p33; /sbit cs=p32;uchar multiple=00,count=0,regist3,place=0,num,mode=1,display=0;ucharcodetable16=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e; / 数码管显示/延时程序void delay(uint x)uint i,j;for(i=0;ix;i+)for(j=0;j=3) count=0; if(count=0) ge=1,shi=0,bai=0; p0=tabledisplay%10; if(count=1) ge=0,shi=1,bai=0; p0=table(display/10)%10; if(count=2) ge=0,shi=0,bai=1; p0=tabledisplay/100; count+;unsigned char keyscan(void) /键盘扫描函数 unsigned char val; keyport=0xf0;/高四位置高，低四位拉低 if(keyport!=0xf0)/表示有按键按下 delayms(10); /去抖if(keyport!=0xf0) /表示有按键按下 keyport=0xfe; /检测第一行if(keyport!=0xfe) val=keyport&0xf0; val+=0x0e; while(keyport!=0xfe); delayms(10); /去抖 while(keyport!=0xfe); return val; keyport=0xfd; /检测第二行if(keyport!=0xfd) val=keyport&0xf0; val+=0x0d; while(keyport!=0xfd); delayms(10); /去抖 while(keyport!=0xfd); return val; keyport=0xfb; /检测第三行if(keyport!=0xfb) val=keyport&0xf0; val+=0x0b; while(keyport!=0xfb); delayms(10); /去抖 while(keyport!=0xfb); return val; keyport=0xf7; /检测第四行if(keyport!=0xf7) val=keyport&0xf0; val+=0x07; while(keyport!=0xf7); delayms(10); /去抖 while(keyport!=0xf7); return val; return 0xff;unsigned char keypro(void) switch(keyscan() case 0x7e:return 0;break;/0 case 0x7d:return 1;break;/1 case 0x7b:return 2;break;/2 case 0x77:return 3;break;/3 case 0xbe:return 4;break;/4 case 0xbd:return