自动增益放大器

1、自动增益控制放大器一、设计思路描述本自动增益控制放大器系统以MSP430G2553为控制核心。利用单片机内部ADC10对末级输出信号采样，可由按键控制三种模式以及增益倍数的切换，也可根据采样得到的末级输出信号幅度大小，自动控制DAC7811作为TLC085反馈电阻网络，从而实现对末级自动增益控制。在软件设计中，我们实现三种不同的模式切换：1.交流手动模式中。根据选择增益倍数不同，我们可以算出不同的code值，将code值传给DAC7811。例如：当我选择0.2倍增益时，那么需要控制前级衰减，同时code值为2048,因此增益倍数Av=0.1*4096/2048=0.2。2.直流自动换挡模式。根

2、据单片机内部ADC10对输出信号采样幅度大小，自动控制前级是否衰减、控制CD4051选择OPA 2227反馈电阻，从而实现0.2、0.5、2、5的最大增益倍数。3.自动增益模式。根据利用单片机内部ADC10对输出信号采样幅度大小自动控制前级是否衰减，控制CD4051选择OPA 2227反馈电阻。二、硬件电路设计2.1前级信号衰减电路图2.1 前级衰减电路如图2.1所示，前级衰减电路由CD4051、OPA2227、20K以及2K电阻组成，其中CD4051为单刀八掷开关。在该电路中，单片机MSP430G2553通过P1.3口进行对CD4051中两种电阻进行选择，改变OPA2227反馈电阻，从而实现

3、0.1倍与1倍的控制。在整个电路中，前级衰减电路十分重要，它不仅仅是对输入信号进行衰减，还可以对单片机MSP430G2553进行保护。2.2末级DAC7811增益自动控制电路图2.2 DAC7811增益自动控制电路图2.2为末级DAC7811增益自动控制电路。利用单片机内部ADC10对输出信号经过OPA2340绝对值整形后的波形进行采样，根据幅值控制CD4051选择OPA2227反馈电阻，进而控制衰减10倍或1倍。该电路由TLC085与DAC7811组成，其中TLC085为四路运算放大器，在这次设计中，我们只使用两路，一路作电压跟随器使用，起缓冲作用；另一路放大器是与DAC7811形成反馈电路

4、，实现增益调节。在DAC7811的数据手册中，我们可以根据公式：单片机MSP430G2553通过控制P2.0 P2.1 P2.2三个端口，给DAC7811发送数据。由上公式可知，当Av=5时，我们只需要控制单片机MSP430G2553给DAC7811发送相对应的code值。在该电路中，DAC7811特别小，因此将其焊在洞洞板上是非常困难的，建议使用脚距为0.5mm的转接板，也不要随意掰其引脚，谨防引脚断裂！2.3键盘显示模块在键盘中，我们采用三个键设计，其关系如下图2.3所示，它们分别为模式选择键、增益选择键和确定键。模式选择键可以在交流自动、直流换挡自动和自动增益三种模式切换；增益选择可以选

5、择0.2、0.5、2、5四种增益；最后的确定键的作用为总开关，只有当确定键按下之后，单片机才会运行相应的模式。 图2.3 键盘设计电路显示部分比较麻烦，为了节省I/O端口，开始我们用74HC164和1602显示，这样只需要4个I/O端口。但是在实际中这种方案是不可行的，因此我们最后选择用12864作为显示，需要2个I/O端口，实际运行通过。三、软件程序设计3.1 ADC10采样模块在程序中，每隔1607个时钟周期对输入的交流进行一次AD采样，因为1607是一个质数，所以基本可以保证采样在不同的正弦相位，通过10000次取点计算出峰峰值。其流程图如图3.1所示。3.11ADC10主要特性：1）有

6、内部基准1.5v或2.5v,还可以外接基准电压。2）采样对象：可直接向内部温度传感器、芯片供电电压、外部基准电压采样3）AD采样起始信号触发方式，软件触发和Timer_A控制触发4）采样的方式：单通道单次，单通道多次，多通道轮流，多通道重复。5）可单独关闭ADC和基准电压6）采样数据可自动存储在指定的存储空间ADC10MEM寄存器中3.12ADC10初始化设置：主要是基准电压与通道选择的配置1）内部基准电压 ADC10内部集成有带隙电压基准，可以产生1.5V或2.5V两种基准电压。 使用内部基准电压具体配置如下： ADC10CTL0|=REFON；（配置内部基准电压1.5v）ADC10CTL0

7、|=REFON+REF2_5V；（配置内部基准电压2.5v）REFON：内部基准电压发生器控制 0 关闭内部基准电压发生器 1 开启内部基准电压发生器 REF2_5V：内部基准电压选择1.5V/2.5V 0 选择1.5V内部参考电压 1 选择2.5V内部参考电压 2）外部基准电压 使用外部基准电压具体配置如下： ADC10CTL0|=SREF_x； SREFx：基准源选择 0 Vr+=AVcc, Vr-=AVss 1 Vr+=Vref+, Vr-=AVss 2,3 Vr+=Veref+, Vr-=AVss 4 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref- 5 Vr+=AVcc, Vr-

8、=Vref-/Veref- 6,7 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref- 3）通道选择 ADC10CTL1|= CONSEQ_x； COMSEQx：转换模式 0 单通道单次转换 1 序列通道单次转换 2 单通道多次转换 3 序列通道多次转换3.2 DAC7811模块在该模块的软件设计中，我们控制单片机MSP430G2553的3个I/O端口，通过单片机给DAC芯片写入code值，控制增益倍数。DAC总共16位，12位为数据位，为4096，因此DAC最大值为4096。3.3 CD4051模块在该模块的软件设计中，我们控制单片机MSP430G2553的1个I/O端口，控制CD4051

9、选择OPA2227反馈电阻，进而控制衰减10倍或1倍。 3.4 主程序附件1为主程序流程图。在该流程图中，我们通过三个按键的切换，选择不同的模式和增益倍数，进而选择不同的子程序。其关系如下表所示：表3.4 增益倍数与模式关系表手动档0.2前级衰减Code=4096/10Av0.5前级衰减Code=4096/10Av2前级不衰减Code=4096/Av5前级不衰减Code=4096/Av自动档Av>1时前级不衰减Code=4096/AvAv<1时前级衰减Code=4096/10Av3.5 交流换挡模式 附件2为交流换挡程序流程图。在交流换挡子程序中，主要根据按键选择增益倍数不同，控制

10、前级CD4051是否衰减，以及DAC中计算出相应的code值，这些值都是固定的，如下表3.5。当ADC10采样之后，我们需要计算出输入电压的值，并将其显示在12864上。表3.5 交流换挡模式表增益倍数AvCD4051状态DAC7811程序中code值0.20衰减20480.50衰减8192.00不衰减20485.00不衰减8193.6 直流自动换挡模式 附件3为直流自动换挡程序流程图。在直流自动换挡主程序中，我们把0.15V的电压划分为很个区间，在区间内，其电压正义和前级衰减关系是固定的，选择最大增益档位，这样的方法便于程序运行，不需要其判断是否为最大增益，节省时间，其区间关系如下表所示：表

11、3.6 直流自动换挡模式表输入电压区间CD4051状态DAC7811程序中code值实现最大增益0.1<Vi<0.4不衰减20485.000.4<=Vi<1 不衰减8192.001<=Vi<4 衰减20480.504<=Vi<5 衰减8190.203.7 自动增益模式 附件4为自动增益程序流程图。在自动程序中，我们把输入电压0.110V的输入电压分为十个区间，先通过采样值判断其区间，然后在区间里确定其code值。在判断其是否为最佳增益时，我们选用了求最小值方法，code1和code0的采样值都在1±0.2V的区间内，那么如果code1比

12、code0小，则保留code1的值，并等待下次比较值，若code1采样值为最小，则code1为最佳增益。采用区间划分的方法可以节省更多的时间，因为在自动增益中其输入电压是渐变的，并不是稳定不变的，因此我们采样处理时间要尽可能的短一些，如果觉得区间划分法所需时间很长，可以code从每次自加1提高到每次自加10，也可以考虑PID算法。四、心得与体会在分配任务值初，应该合理的分配I/O端口，在单片机上只有14个端口可以让我们使用，那我们在显示方面使用2个I/O端口佬控制12864；在按键方面，我们使用3个I/O端口；CD4051使用1个I/O端口；DAC7811使用3个I/O端口。因此在I/O端口方面，还是够用的。另外要主要的是，组长应该在分配任务值初，规定一下程序编程时格式要求、变量定义和文件名称的统一，这样在后面调试的时候更加轻松。在硬件方面要特别注意，OPA2227和DAC7811都是非常小的芯片，不要随意的去掰其引脚，很容易断裂，在焊接时，应采用转接板进行焊接，对芯片起到一个很好的保护。在显示方面，1602加74HC164是不可以显示的，我们采用12864显示，使用的I/O端口更少，并且12864能显示汉字，这是1602不能做到的。在按键上，可以有很多种方法，但是那个确定键是必不可少的。如果没有确定键的话，我们要