程控放大器的设计与实现

1、金 华 职 业 技 术 学 院J I N H U A P O L Y T E C H N I C毕业教学环节成果 （20 届）题 目 程控放大器的设计与实现 学 院 信息学院 专 业 应用电子 班 级 134 学 号 54 姓 名 龚浩杰 指导教师 徐华丹 20 年 月 日金华职业技术学院毕业教学成果目 录摘要1英文摘要1引言 21 控制方案选择 32 硬件电路设计.3 软件设计.4 硬件检测.5 软件检测.6总结.参考文献 6附件1 程序清单7附件2硬件电路图7附件3（按实际附件内容罗列）*程控放大器的设计与实现信息工程学院应用电子技术专业 龚浩杰摘 要本文介绍了一种可通过程序改变增益的放大

2、器。它与ADC相配合，可以自动适应大范围变化的模拟信号电平。系统以89S52单片机作微处理器，采用CD4051芯片担任增益切换开关，通过软件控制开关的闭合或断开来达到改变电路的增益。文章首先对系统方案进行论证，然后对硬件电路和软件设计进行了说明，最后重点阐述了系统的调试过程，并且对调试过程中遇到的问题以及解决方案进行了详细说明。该系统设计达到了预期要求，实现了最大放大60db的目的。关键词程控放大器；运算器放大器；单片机；增益The Design and Realization of Program-Controll AmplifierAbstractThis article introduc

3、es a amplifier which changes the gain through the software. It coordinates with ADC and adapts the simulated signal level with wide range change automatically. The system uses the 89s52 SCM as the core. d the CD4051 chip composes the gain switch. The gain of the circuit is changed by software which

4、can control switch closed or disconnect.The article first demonstrates the system plan, then introduces the hardware and the software, finally explains the debugging process of the system with emphasis. It also especially analogizes the problem in the debugging process and the resolutions. This syst

5、em design has achieved anticipative request and realized enlarged 60db most greatly the goal.Key wordsProgram-controlled amplifier; operational Amplifier; SCM; gain引言在计算机数控系统中,模拟信号在送入计算机进行处理前,必须进行量化,即进行A/D 转换 1 。进行A/D 转换之前,必须考虑A/D 转换器的分辨率和模拟输入电压量程这两个问题。在一些特殊的应用中,我们常希望输入信号的幅值接近A/D 的输入电压量程的上限。工程上常采取改变

6、放大器增益的方法对幅值大小不一的信号进行放大。在计算机数控系统中,为实现不同幅度信号的放大, 往往不希望、甚至也不可能利用手动方法来实现增益变换。利用程控放大器可以很好地解决上述问题。程控放大器是根据使用要求由程序控制改变增益的放大器,具有控制方便,线性度高,稳定可靠等优点 2 。使用程控放大器改变模拟输入信号的增益,并配合A/D的使用,可允许输入的模拟信号在较大范围内动态变化,达到了提高A/D 的输入电压量程的目的,也相当于提高了A/D 的分辨率。随着数字化技术的不断发展，各类测量仪表越来越趋于采取数字化和智能化方向的发展 3 。这些设备一般由前端的传感器、放大器电路和后端的数据处理电路组成

7、。其中后端数据处理电路通常采用高精度A/D和高速单片机，以保证仪表的精度和速度要求。对于前端电路，由于传感器输出信号的幅度和驱动能力均比较微弱，必须加接高精度的测量放大器以满足后端电路的要求；另一方面，传感器在不同测试中输出信号的幅度可能相差很多，传统的处理方法是对放大器增加手动档位调节以保证后端的A/D采集输入端的信号在一定幅度内，从而保证整个仪表的测量精度。人工档位调节增加了仪表操作的复杂性、影响了数据测量的实时性，同时档位调节通常采用机械转扭增加了仪器的不可靠性和接触电阻对测量精度的影响。是否可由单片机自动选择量程档位呢？答案是肯定的，传统的方法是采用可软件设置增益的放大器。1 控制方案

8、选择 程控放大器的基本电路和一般放大器电路类似,只是不同电路其反馈网络以及期中的电阻阻值是不同的,下面就改变增益的几种常用方法作一些探讨。方案一 同相型程控放大器同相型放大器的基本电路如图所示。放大器的增益G只取决于反馈电阻Rf 和电阻R1。由于运算放大器的输入阻抗很高,尤其对于场效应输入型运算放大器, 输入阻抗可达1012 ,因而开关的导通电阻对放大器增益的影响可以忽略不计 4 。在图2.1中,利用运算放大器的高开环增益特性和负反馈,开关的导通电阻对增益的影响基本上得以消除。该类电路的优点是开关导通电阻对电路的增益影响小,因此特别适用于采用模拟电子开关控制的场合。电路的不足之处是放大器增益不

9、能小于1 ,因此不能对输入信号进行衰减,解决办法是在前级加入无源衰减网络。方案二 反相型程控放大器反相型程控放大器的基本电路如图2.2所示。在图中只需改变Rf 或Ri 的阻值就可以改变放大器的增益。电路中,切换开关SW1SWn 可以使用模拟电子开关或继电器,通过软件控制开关的闭合或断开,用于选择不同的输入电阻或反馈电阻来达到改变电路的增益 5 。该类电路的优点:放大器增益可大于1 ,也可小于1 或等于1 ,因此,既可以对输入的小信号进行放大,也可以对输入的大信号进行衰减,因此电路的动态适应范围很大。但该方法的缺点也是显而易见的:由于切换开关与输入电阻或反馈电阻串联,开关的导通电阻将影响放大器的

10、增益,特别是在使用模拟电子开关时尤其明显。解决方法是将放大器的反馈电阻Rf 和输入电阻Ri 尽量取大一些,也可先测出开关的导通电阻,再对电路中的RfRf n或Ri1Ri n作适当的修正。另外, 所示的放大器的输入阻抗不是固定的,因此最好加入隔离放大器以减少对前级信号源的影响。该图所示电路，采用集成化的模拟开关担任增益切换开关，功耗小，体积小，可以由TTL或CMOS电平直接驱动，可进行放大和衰减。同样，模拟开关的导通电阻影响放大倍数，模拟开关可以使用CMOS系列的CD4066，CD4051CD4053等等，也可以使用MAX75XX系列或MAX301309，331339，351359系列的模拟开关

11、。当放大器的输入信号正负都有时，模拟开关必须双电源供电。方案三 DAC型程控放大器DAC型程控放大器由DAC 和运算放大器组成,其原理是利用DAC的乘法功能实现可变增益控制 6 。DAC内部主要由R-2R 电阻网络和模拟电子开关构成,例如DAC0832、AD7520 等电流输出型芯片。此类程控放大器的优点:由于DAC中的R-2R电阻网络是采用精密光刻技术生产出来的,电阻的误差较小,温度系数也比一般的金属膜电阻低得多,因此构成的程控放大的增益误差较小;另外，只要取合适的输入电阻Ri或反馈电阻Rf,电路和增益可以大于1,也可小于1,也可以等于1,甚至为0。电路的缺点:由于DAC内部的分布电容影响,

12、电路的频响不是太理想,电路增益也不容易做得较大;另外电路的信噪比也较差。另外，虽然市场上已有单片集成程控放大器芯片,如AD526、PGA204等产品,但它们的价格昂贵,放大的增益用户无法自行改变。总结以上3种，我选择反向型程控放大器2 硬件电路设计硬件电路框图控制模块控制模块主要由单片机组成，在P0口，接共阳的数码管，P2.4P2.7接晶体管，控制数码管的位选端。键盘扫描接在P3口，复位电路采用按键复位Ad89s52：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼

13、容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一

14、切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。放大模块：3脚为同相输入端，2脚为反相输入端。8、4脚分别接正负15V电源。CD4051芯片：CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。 管脚图 内部结构图 真值表3 软件设计最先想到的是模仿计算器程序设计。一共四个“8”，最后两个固定显示“db”字母字样。对于前两位，刚开始决定先由键盘输入一位数，送寄存器储存。再将其往前进一位，然后输入第二位数字。先键盘扫描，得出第一个键值，并且送显示。进行第二次扫描

15、，得出键值，再送显示。分析：这种方法较为先进，但由于我所学知道不足，一时无法处理进位问题，所以只能作罢。连续按两次键，直接将“十”位数显示在dp1处，“个”位显示在dp2处。先判断是第几次按键。如果是已经是第三次按键，则计数器清零，复位。第四次按重新计数。如果只是第一次按键，则送至“十”位，并保存；当第二次按下时，显示个位。这期间给程序一定的延时。但不知道什么原因，在实际应用中，出现了这样的问题：按第一次，“十、个”位都同时显示。第二个键值输入，却覆盖第一个键值，并且两位数显示同一数字。同时出现的问题还有，复位不能成功。每次复位后（重新上电后），数码管显示上次输入的键值。分析有两种可能：1，芯

16、片有了记忆功能，将断电前的状态存储下来了。2，一上电，芯片就执行了上次的程序。后一种解释更为合理，这说明问题出在显示上。初始化中显示没有清零。更为精简的方法。将第二个数码管（dp2）直接显示“0”。这样，只要处理一个“日”字就可以。这一思路，是三个中最简单的。虽然如此，但我觉得程序就应该简单，实用，完成所需功能即可。所以，我决定采用第三种方法。程序流程图程序流程图如图4.1所示。首先对程序进行初始，数码管显示默认为0。首先进行键扫描，判断是否有键按下。如果没有键按下，则返回重新键盘扫描。如果有键按下，则送显示电路，由数码管显示。同时，单片机控制模拟开关，根据输入键值，选通运放芯片，实现系统功能

17、。最后程序结束，系统终止工作。数码管显示4 硬件检测（1）检测电源线，地线。用万用表检测电路板有没有短路，断路现象。经检测，线路导通。（2）检测极性电容正负极有无接反，电阻大小有无接对。（3）检测单片机。上电后，先用万用表测试各引脚电压。其中40脚为4.93V，晶振两脚分别为2.39V和2.12V。基次，写入一小的按键扫描程序，检测按键和数码管显示。检测结果，两者正常。再次，检测复位键。按下后，数码管能归零，说明复位成功。（4）检测放大电路。接入四种正负电源。（6）阻容耦合电路阻容耦合电路为阻容耦合电路。耦合电路的主要有三个作用：1是让信号无损耗地通过，加到后一级电路中；2是隔离两级放大器之间

18、的直流；3是在前级和后级放大器之间进行阻抗的匹配。当放大器的输入阻抗比较大时，可以适当减小耦合电容的容量。降低耦合电容C1的容量，对降低耦合电容的漏电有利，因为电容的容量愈大，其漏电电流就大，放大器电路的噪声就大（耦合电容漏电流会产生电路噪声），特别是输入级放大器的输入端耦合电容要尽可能地小 10 。耦合电容对低频信号的容抗比中频和高频信号的容抗要大，所以阻容对低频信号是不利的。当耦合电容的容量不够大时，低频信号首先受到衰减，说明阻容耦合的低频特性不好。在不同工作频率的放大器中，由于放大器所放大的信号频率不同，对耦合电容的容量大小要求也不同。为了降低电容漏电，愈是处于前级的耦合电容，其容量要求

19、愈小 11 。当耦合电路中的元器件开路时，信号不能加到下一级电路中，使放大器无信号输出。当耦合电容漏电或击穿时，会影响前后两级放大器的直流电路工作，从而影响交流电路的工作，放大器输出信号将不正常。5 软件检测检测键盘扫描程序检测CD4052控制程序主程序测试前面两个子程序较容易写，写主程序时有一定的困难。经过不断的测试，修改，再测试，再修改，直到最后成功。在主程序中，一共调用三个子程序，它们分别是键盘扫描keys，数码管显示disp，运放放大部分fangda，三个子程序用lcall调用。系统联调简单的硬件测试，软件修改之后，将硬件和软件结合起来进行系统联调。数据记录 增益计算公式 使用说明程控

20、放大器经测试成功后，便可投入使用。电路板有一五线连接器，为电源插槽。从左至右分别为GND、-15V、+15V，每条电源线已接有连接器，可方便地接上实验板电源。电源插槽右边有一六脚插槽，为程序下载器。最左的为GND，最右边的为+15V电源线路。在接入电源和插入下载线时，应注意是哪个插槽以及插槽的方向。否则,如果正负电源接反,易烧毁电阻;如果将电源线接至下载器,易烧坏单片机芯片。电路板上还有两个用6线排线相连的6脚插槽，用来连通单片机和CD4051。电路板左上脚有一两脚输入信号端口,引出一条输入信号线，可直接接函数信号发生器。下载器左边有一两脚输出信号端口，下端为GND。写入程序后，接上电源，连上

21、函数信号发生器和示波器。调节函数信号发生器，根据实际需要，按键选择放大倍数，即可得到需要放大的信号。6总结根据题目的要求，本设计基本上完成了基本部分的设计要求。在放大器模块中，做到了电压增益为60DB，增益10DB可调。但本设计中，也存在一些问题如：由于PCB画线路时自己经验不足,元件布局不太合适,导致电路板产生一定的干扰,影响信号,这是我要进一步改进的和不断学习的。在实际调试过程中,经常会烧坏芯片,电阻。主要是接入电源时正负极接反。我的电源连接线没有处理好。在实际调试，分析电路的过程中，发现自己有很多知识没有掌握或者基本上遗忘了。所以，在做毕业设计过程中，查找课本一个知识点一个知识点去学习，

22、补充。比如，运放的负反馈放大，深度负反馈下的自激振荡现象，传输门的工作原理以及汇编语言。以前的学习中，不太喜欢使用，也不太会用函数信号发生器和示波器。但这次毕业设计，自己必须用到这两样。本着踏踏实实的态度，重新学习样使用工具，受益匪浅。参考文献1王炜.程控放大器及其典型应用的实例J.中国科学院长春光学精密机械研究所.1998:89 942周春光.程控放大器在数据采集系统中的应用J.电子技术应用.1987,3：77803傅越千.程控放大器的设计与应用J.宁波高等专科学校学报,2002,4:37 404房慧龙.程控放大器的实现方法J.常州信息职业技术学院电子信息工程系.2004,8:52565邵雄

23、凯,张文灿,黄文斌.一种程控放大器的分析与实现J.湖北工学院学报,1997,4：45516吴建平,李建强.数字程控放大器设计与应用J.成都理工学院报,2002,6：6656687余锡存,曹国华编著.单片机原理及接口技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2000,7：27288彭楚武主编.微机原理与接口技术M.长沙:湖南大学出版社,2004,7： 2002049童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社，2001：310 31610胡斌,蔡月红.放大器电路识图与故障分析轻松入门M.北京:人民邮电出版社,2003.9：14614911肖景和.集成运算放大器应用精粹M.北京:人民邮

24、电出版社,2006:109 12蔡锦福.运算放大器原理与应用M.北京:科学出版社,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附件1程序清单#includesbit KEY=P32;sbit adda=P37;sbit addb=P36;sbit addc=P35;unsigned char code duanma=0xC0,0xF9,0xA4,0