基于AT89S51单片机的可控放大器设计

1、可控放大器偏向硬件的xxx摘 要本着简单、准确、可靠、稳定、通用的原则，采用了分级设计匹配互连的思想。系统的特色在于：通过开关，改变反馈电阻阻值，从而改变放大器增益，增益从10db到60db可调步距为10db。用单片机at89s52对可控放大器进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，滤波器的中心频率在15khz50khz频率范围内实现64级程控调节，其q值在0.564范围实现128级程控调节。作品通过实验完成，并制作成实物。设计采用压控增益器件ad603，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级功率输出，并能进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。整个作品制

2、作成本低、功耗小，除个别指标未能达到设计要求外，其它全部达到设计要求。关键字：可控放大；at89s52 ；程控增益controlled amplifiers hardware toabstractin line with simple, accurate and reliable, stable and general principles, using a hierarchical design matching interconnection thoughts. system features: through switches, change the feedback resistanc

3、e value, which changes amplifier, gain from 10db to 60db adjustable step distance for 10db.with monolithic integrated circuit at89s52 for controllable amplifier for program control, can to both road input signal second-order lowpass, qualcomm, band-pass, band-stop and total pass filtering processing

4、, filter, the center frequency in 15khz 50khz frequency ranges realize 64 level program-controlled adjustment, its q value in 0.5 64 range realize 128 level program-controlled adjustment.works through experiments completed, and made it into real. design uses a voltage controlled gain device ad603 re

5、asonable magnitude 7.3 impedance matching, join after class, and can output power preset and control, good stability and controllable range. the whole works made low cost, low consumption, in addition to the individual indexes failed to meet the design requirements, all other outside to meet the des

6、ign requirements.key word: controllable amplification, at89s52 devices, program-controlled gain目 录摘 要1目 录3第1章 可控放大器方案设计与论证41.1 测量放大部分41.2 滤波部分51.3 系统整体设计方案6第2章 可控放大器元器件选型62.1 主控制器at89s5162.1.1 msc-51芯片资源简介62.1.2 单片机的引脚82.1.3 at89s51单片机的外接晶体引脚82.1.4 at89s51单片机的控制线92.1.5 at89s51单片机复位方式92.2 1602字符型lcd显

7、示系统10第3章 可控放大器硬件电路设计153.1 可控放大器滤波部分电路设计153.1.1 二阶无源低通滤波器183.1.2 无源rc高通滤波器193.3 单片机最小系统部分电路设计203.4供电电源电路设计23第4章 可控放大器软件设计254.1 软件流程图254.2 软件程序清单25结束语26参考文献27谢 辞28附件1：程序清单29绪 论设计并制作一个可控放大器，其组成框图如图1所示。放大器的增益可设置；低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器的通带、截止频率等参数可设置。图1可控放大器组成框图1基本要求（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mv，电压增益为40db，通频带为100hz40k

8、hz，放大器输出电压无明显失真。（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3db截止频率fc在1khz20khz范围内可调，调节的频率步进为1khz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30db,rl=1kw。（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3db截止频率fc在1khz20khz范围内可调，调节的频率步进为1khz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30db, rl=1kw。（4）截止频率的误差不大于10%。（5）有设置参数显示功能。2.说明1. 正弦输入信号由信号源提供。2. 放大器输出端应留测试端子。3.设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原理图和主要的测试结果。完整的电路

9、原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出。第1章 可控放大器方案设计与论证1.1 测量放大部分（1）前置放大电路的设计 方案一：用lm324放大器，其电源电流很小且与电源电压无关，输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容，但其带宽参数无法满足本设计要求故不采用。 方案二： 采用运算放大器f353,该芯片具有输入电阻高，输出电阻很低，负载能力强,增益带宽为4m。为了达到60db增益采用两级放大，第一级放大倍数为2，总的放大倍数为第一级放大倍数与第二级放大倍数的乘积。图 1.1 方案二设计图（2）程控增益放大部分 由一增益可软件编程的放大器，将不同幅度的模

10、拟输入信号放大到某个特定范围，便于a/d转换器进行采样；或者将给定信号放大一个由软件设定的增益后输出。 方案一：集成程控增益放大器。它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽频带等优点，但其增益有限，只能实现特定的几种增益切换。所以我们不采用此方案。方案二：运放+模拟开关+电阻网络。如图1这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。此种方法通用性强，经济实惠，效果显著。所以我们用此方案。1.2 滤波部分在业自动化的许多领域都要使用滤波器。一般有源滤波器均由运算放大器和rc元件组成 。方案一：使用rc网络， rc电路尽管可以做到体积小和廉价，但要满足此设计要求，需多个图1.

11、2结构并联，网络仍然过于庞大。而且其上半周内电容c中积蓄得能量到下半周就会被电阻r消耗一半，因此单纯的rc电路q值不会大于0.5，选择性差，效果同样不佳。所以我们不采用。图 1.2 rc网络方案二：使用max261可编程开关电容通用滤波器,它是美国maxim公司开发的一种通用有源滤波器，可用微处理器编程控制，方便的构成各种低通、带通、高通、陷波和全通配置，而且不需要外部元件，可靠性高，对使用环境的要求不高。综合考虑成本，本题目我们采用方案一。 1.3 系统整体设计方案at89s51信号输入模拟开关rc滤波信号输出液晶显示按键输入系统原理框图，见图1.3。采用模拟开关控制反馈电阻调节电压增益，优

12、点是电路简单、通用性强。at89s51直接驱动液晶显示，滤波部分采用rc分频并用模拟开关控制。 图 1.4 at89s52控制总体框图第2章 可控放大器元器件选型2.1 主控制器at89s512.1.1 msc-51芯片资源简介 89s51是mcs-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。89s51单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：图2.1 单片机内部结构示意图a.中央处理器中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是8位

13、数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。b.数据存储器(ram)89s51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。c.程序存储器(rom)89s51共有4kb掩膜rom，最大可扩展64k字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。图 2.2 单片机结构框图2.1.2 单片机的引脚89s51单片机内部总线是单总线

14、结构,即数据总线和地址总线是公用的. 89s51有40条引脚, 与其他51系列单片机引脚是兼容的. 这40条引脚可分为i/o接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分. 89s51单片机为双列直插式封装结构, 如图3.2所示. 图 2.3 89s51 引脚排列图2.1.3 at89s51单片机的外接晶体引脚 （1）xtal1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。（2） xtal2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。80c51单片机内部有一个高增益反相放

15、大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为xtal1，输出端为xtal2，分别是80c51的19脚和18脚。在xtal1和xtal2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。如图2.4所示：图2.4 振荡电路石英晶振起振后要能在xtal2线上输出一个3v左右的正弦波，使mcs-51片内的ocs电路按石英晶振相同频率自激震荡。通常，ocs的输出时钟频率fosc为0.5mhz16mhz，典型值为12mhz电容器c1和c2通常取30pf左右，对震荡频率有微调作用。调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。2.1.4 at89s51单片机的控制线（1） rst：复位输入端，高电平有效。（

16、2） ale/prog：地址锁存允许/编程线。（3） psen：外部程序存储器的读选通线。（4） ea/vpp：片外rom允许访问端/编程电源端。 2.1.5 at89s51单片机复位方式复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把程序计数器pc值初始化为0000h，使单片机从0000h单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。rst引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。若使频率为6mhz的晶振，则复位信号持续时间超过4s才能完成复位操作。复位操作由上电复

17、位和按键手动复为两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图所示。只要电源vcc的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。89s51单片机的复位靠外部电路实现,信号由reset(rst)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持rst引脚高电平两个机器周期,单片机即复位. 复位后,pc程序计数器的内容为0000h,片内ram中内容不变. 复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图2.5所示. a.上电复位电路 b. 手动复位电路 c. 自动复位电路图2.5 单片机复位电路2.2 1602字符型lcd显示系

18、统字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式lcd，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图：图2.6 1602字符型液晶显示器实物图（1）1602lcd的基本参数及引脚功能1602lcd分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为hd44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-7所示：图2.7 1602lcd尺寸图（2）1602lcd主要技术参数显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5v工作电流:2.0

19、ma(5.0v)模块最佳工作电压:5.0v字符尺寸:2.954.35(wh)mm（3）引脚功能说明表2-1引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1vss电源地9d2数据2vdd电源正极10d3数据3vl液晶显示偏压11d4数据4rs数据/命令选择12d5数据5r/w读/写选择13d6数据6e使能信号14d7数据7d0数据15bla背光源正极8d1数据16blk背光源负极第1脚：vss为地电源。第2脚：vdd接5v正电源。第3脚：vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，可以通过一个10k的电位器调整对比度。第4脚：rs为寄存器选择

20、，高电平时选择寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：r/w为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和r/w共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平r/w为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平r/w为低电平时可以写入数据。第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：d0d7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。（4）1602lcd的指令说明及时序表2-2指令时序图序号指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001i

21、/ds4显示开/关控制0000001d待添加的隐藏文字内容2cb5光标或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01bf计数器地址10写数到cgram或ddram）10要写的数据内容11从cgram或ddram读数11读出的数据内容指令1：清显示，指令码01h,光标复位到地址00h位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00h。指令3：光标和显示模式设置 i/d：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 s:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令

22、4：显示开关控制。 d：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 c：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 b：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 s/c：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 dl：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 n：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 f: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器ram地址设置。指令8：ddram地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 bf：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低

23、电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。图2.8 读操作时序图2.9 写操作时序（5）1602lcd的ram地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，下图2.10是1602的内部显示地址。图2.10 1602的内部显示地址例如第二行第一个字符的地址是40h，那么是否直接写入40h就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位d7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000b（40h）+10

24、000000b(80h)=11000000b(c0h)。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块内部的字符发生存储器（cgrom）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“a”的代码是01000001b（41h），显示时模块把地址41h中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“a”（6）硬件原理图1602液晶显示模块可以和单片机at89c51直接接口，电路如图2.

25、11所示。图2.11 硬件原理图第3章 可控放大器硬件电路设计3.1 可控放大器滤波部分电路设计滤波器是一种选择装置，它对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号作为输出。电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。电滤波器是campbell和wagner在第一次世界大战期间各自独立发明的，当时直接应用于长途载波电话等通信系统。电滤波器主要由无源元件r、l、c构成，称为无源滤波器。滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数h(s)来描述，电压转移函数又称为电压增益函数，它的定义如下式中uo(s)、ui(s)分别为输出、输入电压的拉氏变换。在正弦稳态情况下，s=j，电压转移函数可写成式中表示

26、输出与输入的幅值比，称为幅值函数或增益函数，它与频率的关系称为幅频特性；f()表示输出与输入的相位差，称为相位函数，它与频率的关系称为相频特性。幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。滤波器按幅频特性的不同，可分为低通、高通、带通和带阻和全通滤波电路等几种，图附录3.1给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。低通滤波电路，其幅频响应如图附录3.1 (a)所示，图中|h(jc)|为增益的幅值，k为增益常数。由图可知，它的功能是通过从零到某一截止频率c的低频信号，而对大于c的所有频率则衰减，因此其带宽b=c。高通滤

27、波电路，其幅频响应如图附录3.1 (b)所示。由图可以看到，在0c范围内的频率为阻带，高于c的频率为通带。带通滤波电路，其幅频响应如图附录3.1 (c)所示。图中cl为下截止频率，ch为上截止频率，0为中心频率。由图可知，它有两个阻带：0ch，因此带宽b=ch-cl。带阻滤波电路，其幅频响应如图附录3.1 (d)所示。由图可知，它有两个通带：0ch和一个阻带clch也是有限的。带阻滤波电路阻带中点所在的频率z叫零点频率。(a)低通滤波电路 (b)高通滤波电路(c)带通滤波电路 (d)带阻滤波电路图附录3.1 各种滤波电路的幅频响应二阶基本节低通、高通、带通和带阻滤波器的电压转移函数分别为 低通

28、 高通 带通 带阻式中k、p、z和p分别称为增益常数、极点频率、零点频率和极偶品质因数。正弦稳态时的电压转移函数可分别写成 低通 高通 带通 带阻3.1.1 二阶无源低通滤波器32 无源低通滤波器函数信号发生器选定为正弦波输出，固定输出信号幅度为，改变(零频率可以用，或近似)从40hz3khz范围内不同值时，用毫伏表测量。要求找出极点频率和截止频率的位量，其余各点频率由学生自行决定，数据填入表1中。画出此滤波器的幅频特性曲线，并进行误差分析。注：当时，对应的频率称为()；截止频率()是幅值函数自下降3db，即时，所对应的频率。每次改变频率时都应该注意函数发生器的输出幅度为uip-p=1v。我们

29、可以用示波器来监视函数信号发生器的输出幅度。3.1.2 无源rc高通滤波器图3.3 无源rc高通滤波电路电路为二阶无源rc高通滤波器基本节，采用复频域分析，可以得其电压转移函数为：根据二阶基本节高通滤波器电压转移函数的典型表达式：可得增益常数k=1，极点频率，极偶品质因数。正弦稳态时，电压转移函数可写成：幅值函数为：由上式可知：当时， 当时，当时，可见随着频率增加幅值函数增大，该电路具有使高频信号通过的特性，故称为高频滤波器。3.3 单片机最小系统部分电路设计图3.4 单片机最小系统的结构图 单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/ea=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。1.电源引脚 vcc

30、40电源端gnd20接地端工作电压为5v，另有at89lv51工作电压则是2.7-6v, 引脚功能一样。 2.外接晶体引脚图3.5 晶振连接的内部、外部方式图xtal119xtal218 xtal1是片内振荡器的反相放大器输入端，xtal2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到xtal1，而xtal2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12mhz，时钟频率就为6mhz。晶振的频率可以在1mhz-24mhz内选择。电容取30pf左右。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。at89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚xtal

31、1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容c1和c2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12mhz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22f。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。3. 复位rst9在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，

32、将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后p0p3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器sfr全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为rom的00h处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚rst通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的s5p2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6mhz时，c取22f，rs约为200，rk约为1k。复位操作不会对内部ram有所影响。常用的复位电路如下图3.6所示

33、：图3.6 常用复位电路图4.输入输出引脚(1) p0端口p0.0-p0.7 p0是一个8位漏极开路型双向i/o端口，端口置1（对端口写1）时作高阻抗输入端。作为输出口时能驱动8个ttl。对内部flash程序存储器编程时，接收指令字节;校验程序时输出指令字节，要求外接上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，p0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，访问期间内部的上拉电阻起作用。(2) p1端口p1.0p1.7 p1是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/0端口。输出时可驱动4个ttl。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接收低8位地址信息。(

34、3) p2端口p2.0p2.7 p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/0端口。输出时可驱动4个ttl。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，p2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。(4) p3端口p3.0p3.7 p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/0端口。输出时可驱动4个ttl。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部flash程序存储器编程时，接控制信息。除此之外p3端口还用于一些专门功能，具体请看下表。表

35、3-1p3端口引脚兼用功能表p3引脚兼用功能p3.0串行通讯输入（rxd）p3.1串行通讯输出（txd）p3.2外部中断0（ int0）p3.3外部中断1（int1）p3.4定时器0输入(t0)p3.5定时器1输入(t1)p3.6外部数据存储器写选通wrp3.7外部数据存储器写选通rd3.4 供电电源电路设计整流电路：交流变脉动的直流；滤波电路：减小脉动；稳压电路：负载变化输出电压基本不变；电网电压变化输出电压基本不变。在分析电源电路时要特别考虑的两个问题：允许电网电压波动10，且负载有一定的变化范围。图3.7 电源电路第4章 可控放大器软件设计4.1 软件流程图开始初始化查询模拟开关状态根据模拟开关状态控制输出送信号给显示器结束图4.1 软件流程图4.2 软件程序清单程序清单见附件1.结束语利用公式法设计二阶低通滤波器，要求解多元高阶方程组；若采用查表法求解电路参数，就简单得多。因此应尽量采用查表法求解电路参数，以减少电路运算复杂程度。虽然可能误差很大，但是能够带来很大的方便。初学设计时尽量能快速找到解决问题，培养解决问题的能力，积累设计经验。通过此次的课设，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查资料和搜集有关的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接