单片机自动增益放大器

1、自动增益放大器摘 要：本系统有四个模块组成：程控放大器，峰值检测，液晶。程控放大器采用两片AD603接连组成，放大电压增益可达50dB，增益0.2v步进可调，电压增益误差不大于5%。放大器输出无明显失真。峰值测量采用真有效值采样芯片AD637先进行有效值采样，然后通过PCF8951进行AD采样，最后再转换成峰值，液晶采用LCD1602，系统以stc89c51单片机为控制核心，经测试验证，系统运行稳定，操作方便。关键词： 程控放大器，峰值检测，AD采样，单片机。 Abstract：This system has three modules: SPC amplifiers, peak detect

2、ion, liquid crystal. By two AD603 program-controlled amplifier amplification voltage gain one, can gain 1db stepping 0.2v, adjustable, voltage gain error is not more than 5%. Amplifier output without obvious distortion. Measure true RMS peak by sampling AD637 chip on sampling, then PCF8951 through e

3、ffective sampling, finally to AD convert peak, LCD USES lcd1602 management system with stc8951 SCM as control core and tested, the system runs stably, convenient operation.Key: SPC amplifier Peak detection AD sampling chip SCM 1. 方案的论证与比较1.1 设计需求1.1.1 基本要求（1） 放大器可以从信号发生器或音乐播放器输入音频信号（50Hz10KHz），输出可以带

4、 200负载或驱动8喇叭（25W）。（20 分）（2） 当输入信号幅度在 10mV5V 间变化时，放大器输出默认值保持在 2V±0.2V（有效值）内，波动越小越好。（30 分）（3） 可以显示输入信号幅度和频率。（10 分）（4） 能够在1V3V 范围内步进式调节放大器输出幅度，步距 0.2V。（15 分）（5） 能够根据环境噪声调整自动调节放大器输出幅度。（15分）（6） 其它发挥设计。（10 分）（7） 设计报告。（20 分）1.1.2 发挥部分（1）输出电压步距可通过按键调整：0.2v、0.3v、0.4v；（3）显示当前放大输出。（4）其它。1.2 总体方案方案一：选用结电容小

5、，fT 高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成优质的宽带放大器，而且成本较低。但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，影响系统总体性能。另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。方案二：使用专用的集成宽带放大器。如TITHS6022、NE592等集成电路。通过外接少数的元件就可以满足本题目要求，甚至远超过题目要求的带宽和增益的指标，但这种放大器难以购买，价格较贵，灵活性不够，不易满足题目扩展功能要

6、求。方案三：市面上有多种型号、各具特色的宽频带集成运算放大器。这些集成运算放大器有的通频带宽，有足够的增益，有的可以输出较高电压，使用方便，有的甚至可以实现增益可调及AGC的功能。总体上硬件的实现和调试较为简单，所以，我们决定采用多个集成运放级连实现本题目1.3 增益控控制：方案一：利用电阻网络和拨码开关，手动调节增益，可实现增益控制，但硬件规模较大，控制繁琐且人机界面欠佳，另外，利用电阻网络实现增益调节需使用不同阻值的高精度电阻，这种电阻价格昂贵且不易购买。方案二：可以用继电器或模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。这种方案同样存在方案一电阻网络的缺点，同时，如果使用模拟开关，其

7、导通电阻较大，而且各通道信号会互相干扰，容易影响系统性能。方案三：由单片机、D/A转换器和可编程增益放大器AD603构成压控放大器。单片机通过对控制D/A输出直流电压来控制AD603的内部电阻衰减网络，实现增益调节。其外围元件少，电路简单，由于AD603带宽最大能达到90MHz，增益范围有40dB，增益精度在±0.5dB,可精确实现增益控制，可以实现题目发挥部分减小增益步进间隔的要求。所以本部分采用该方案。1.4 峰值检测：方案一：采用分段逼近式有效值检波电路。该方法示值虽然是被测电压的有效值，但由于放大器动态范围的限制，对于被测信号会产生一定的波形误差，并且硬件电路搭接复杂，且稳定

8、性能不好。 方案二：采用真有效值转换芯片 AD637和高速A/D芯片PCF8951测量市电有效值。将从AD603输出的信号通过AD637转换成直流信号后接入PCF8951，利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到峰值。利用集成电路芯片测量精度高，误差小、稳定性好，硬件电路实现简单，可减小硬件体积，所以本部分采用该方案。1.5 处理器选择：通过实验测试我以前买的stc89c51可以满足要求，为了节约成本就选择它为微处理器2. 系统设计2.1 理论分析与计算 本系统以可变增益增益放大器AD603为核心，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。由于题目的发挥部分要求电压的输出范围2V2.5

9、V，对于10mv的小信号，则至少要将信号放大200倍，而且输入信号的频率范围为10Hz500KHz，故采用两片AD603对信号进行放大，单片AD603增益公式为： DB = 40 * Vo+ Go；Vo为1、2脚之间的电压，范围为-500mv500mv，Go根据5、7脚的不同连接方式Go可取10dB,20dB,30dB。本系统将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为，1030 dB，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到20 dB60 dB。可满足题目要求的电压放大和频率的要求，当AD603的增益为46dB的时候电压可以放大200倍，当AD603的增益为

10、48dB的时候电压可以放大250倍.所以只要正确的控制1、2脚之间的电压就能实现电压的不同放大倍数，从而满足题目要求。 2.2 总体设计 根据带宽、电压的放大倍数，系统采用两级AD603程控增益放大器，增益可达60dB，能过满足题目的要求，而且AD603能够满足带宽的要求，有效值测量可有多种实现方案,但选用测量有效值的专用芯片AD637,则电路简洁方便，而且精度较高。由于系统模块所用IO口过多，一般51单片机不能够满足需求，故采用功能较强的C8051f020单片机作为主控机器。通过键盘进行增益和档位的调节，而液晶显示增益和峰值。系统的整体框图如下:AD603小信号采集与放大AD637有效值检测

11、PCF8951AD转换 PCF8951DA转换控制 STC89C51LCD1602液晶显示屏2.3 单元电路电路模块设计2.3.1 自动增益电路 本系统的自动增益控制功能，实际是由增益控制电路转化而来。在输出级加入检波电路，检出直流电压送入A/D采样，经单片机计算后控制D/A输出，此电压加到AD603的增益控制端，从而控制AD603的增益达到使输出电压恒定的目的。AD603的简化原理框图如图 2-3-1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身

12、电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50M，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。而且，如果AD603的增益用dB表示，则与控制电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。图2-1-1图231 AD603原理框图中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，带宽在9MHz 90MHz之间为加大中间级的放大倍数及增益调节范围，我们使用两片AD603级联作为中间级放大（图232）。如果将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为，1030

13、dB，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到20 dB60 dB。可满足题目要求的电压放大。图232 级联AD603电路图两级AD603采用5V，5V电源供电，两级的控制端GNEG都接地，另一控制端GPOS接D/A输出，从而精确地控制AD603的增益。AD603的增益与控制电压成线性关系，其增益控制端输入电压范围为500mv500mv，增益调节范围为40dB，当步进1dB时,控制端电压需增大VG25mv， 由于两级AD603由同一电压控制，所以，步进1dB的控制电压变化幅度为25mv/2=12.5mv。由于AD603的控制电压需要比较精确的电压值。我们使用12位的C805

14、1F020的内部DA，可满足指标要求。另外，通过A/D采样输出信号，由单片机计算后，再去调整D/A输出电压，就可实现AGC功能，扩大通频带.具体电路如下：2.3.1 峰值检测与DA/AD转换 峰值检测是利用真有效值芯片AD637先进行有效值采样然后通过PCF8951进行AD采样把有效值采样回来给单片机，再通过单片机进行数值处理把有效值转换成峰值并计算增益通过pcf8951DA输出到AD603增益控制端，具体电路如下：2.3.2功率放大部分：考虑到成本与实际效果功放采用TAD2822来实现，具体电路如下所示：2.3.3电源部分：本系统运放使用正负5V 电源给单片机系统工作，为了能给系统提供稳定的

15、电源，对市电变压后进行整流，滤波，稳压得到系统工作电源。电路如下： 此部分电路比较典型，采用通常使用的桥式全波整流，大电容滤波，集成三端固定稳压片稳压。2.3.3显示部分本系统用LCD1602显示，电路图如下：3. 系统功能测试3.1 测试使用仪器 Agilent 33250A 函数信号发生器 Tektronix TDS 2012 数字示波器SS7200。3.2 测试结果完整性及结果分析基础部分在以下输入电压(Vpp)和频率下,手动调节输出范围在10mV-5mV10mV/100Hz0.1V/1kHz0.5V/10kHz0.7V/20kHz0.8V /30kHz1V /50kHz幅度(/

16、5;)2.112.021.962.021.972.05信号放大和控制部分在制作部分难易程度有很大的差别，所以我们采用分模块制作方法，信号放大电路中涉及的是低频小信号的处理，所以元件的选定和参数的确定有很大的难度，关键部分还在于电路元件的布局，如何抑制噪声，防止自激是电路布局的难点，我们采用了单点接地的方法。控制部分电路调试较为简单。5 结束语本系统有stc8951单片机与AD603、AD637等模块组成，基本实现了题目基本部分与发挥部分的要求。参考文献1 单片机原理及应用，陈为：中国石油出版社2 模拟电子技术基础，童诗白著，高等教育出版社3 自动增益放大器百度文库6 附录 6.1 附录1 集成

17、芯片明细表1 液晶LCD16022. AD6033. PCF85914. AD6375. TDA28226. STC89516.2 附录2 部分参考程序#include<reg52.h>#include<I2C.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#include<1602.h>#define PCF8591 0x90 /PCF8591 地址unsigned char output=2;unsigned int AD,DA;void keyscan(void); void delay(int ms

18、);/*DAC 变换, 转化函数 */bit DACconversion(unsigned char sla,unsigned char c, unsigned char Val) Start_I2c(); /启动总线 SendByte(sla); /发送器件地址 if(ack=0)return(0); SendByte(c); /发送控制字节 if(ack=0)return(0); SendByte(Val); /发送DAC的数值 if(ack=0)return(0); Stop_I2c(); /结束总线 return(1);/*ADC发送字节命令数据函数 */bit ISendByte(u

19、nsigned char sla,unsigned char c) Start_I2c(); /启动总线 SendByte(sla); /发送器件地址 if(ack=0)return(0); SendByte(c); /发送数据 if(ack=0)return(0); Stop_I2c(); /结束总线 return(1);/*步进函数函数 */ void keydown(void) P1=0xF0;if(P1!=0xF0) /判断按键是否按下 如果按钮按下 会拉低P1其中的一个端口 keyscan(); /*步距函数 */void keyscan(void)P1=0xf0;delay(1);

20、switch(P1)case 0xf1:output=output+0.2;break;case 0xf2:output=output+0.3;break;case 0xf4:output=output+0.4;break;case 0xf8:output=output+0.5;break;if(output>3)output=1;/*AGC函数 */unsigned int AGC(unsigned int ad)DA=(log(output/ad)-2)/4;return DA;/*ADC读字节数据函数 */unsigned char IRcvByte(unsigned char s

21、la) unsigned char c; Start_I2c(); /启动总线 SendByte(sla+1); /发送器件地址 if(ack=0)return(0); c=RcvByte(); /读取数据0 Ack_I2c(1); /发送非就答位 Stop_I2c(); /结束总线 return(c);void delay(int ms) /延时子程序int i;while(ms-) for(i = 0; i< 250; i+) _nop_(); /空执行 _nop_(); _nop_(); _nop_(); main()unsigned char r;while(1)keydown(

22、);ISendByte(PCF8591,0x40);AD=IRcvByte(PCF8591); /ADC0 模数转换1 AGC(AD);/增益计算DACconversion(PCF8591,0x40,DA);/dac 数模输出r=output*1.414;agc1602(output,r);/1602显示/*此部分为I2C总线的驱动程序*/#include<reg51.h>#include <intrins.h>#include <I2C.H>#define NOP() _nop_() /* 定义空指令 */#define _Nop() _nop_() /*

23、定义空指令*/ sbit SCL=P21; /I2C 时钟 sbit SDA=P20; /I2C 数据 bit ack; /*应答标志位*/ /* 起动总线函数 函数原型: void Start_I2c(); 功能: 启动I2C总线,即发送I2C起始条件. */void Start_I2c() SDA=1; /*发送起始条件的数据信号*/ _Nop(); SCL=1; _Nop(); /*起始条件建立时间大于4.7us,延时*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); SDA=0; /*发送起始信号*/ _Nop(); /* 起始条件锁定时间大于4s*/ _Nop();

24、 _Nop(); _Nop(); _Nop(); SCL=0; /*钳住I2C总线，准备发送或接收数据 */ _Nop(); _Nop();/* 结束总线函数 函数原型: void Stop_I2c(); 功能: 结束I2C总线,即发送I2C结束条件. */void Stop_I2c() SDA=0; /*发送结束条件的数据信号*/ _Nop(); /*发送结束条件的时钟信号*/ SCL=1; /*结束条件建立时间大于4s*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); SDA=1; /*发送I2C总线结束信号*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(

25、); _Nop();/* 字节数据发送函数 函数原型: void SendByte(UCHAR c);功能: 将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,并对 此状态位进行操作.(不应答或非应答都使ack=0) 发送数据正常，ack=1; ack=0表示被控器无应答或损坏。*/void SendByte(unsigned char c) unsigned char BitCnt; for(BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt+) /*要传送的数据长度为8位*/ if(c<<BitCnt)&0x80)SDA=1; /*判断发送位*/ else SDA=0; _Nop(); SCL=1; /*置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位*/ _Nop(); _Nop(); /*保证时钟高电平周期大于4s*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); SCL=0; _Nop(); _Nop(); SDA=1; /*8位发送完后释放数据线，准备接收应答位*/