程控放大器系统设计_毕业论文

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！ )毕业设计程控放大器系统设计系电子信息工程系专业电子信息工程技术姓名杨晨班级电信 101学号 1001043136指导教师陈洁职称副教授设计时间摘要本设计介绍一种基于 AT89C51 单片机的简易程控放大器系统，主要由单片机丶数模转换器和运算放大器组成。 系统的基本工作原理： 单片机通过改变 DAC0832 的数字输出量改变系统的增益。单片机通过按键改变 DAC0832 的数字量，使得程控放大器的增益发生变化。增益放大倍数和输出电压值通过液晶显示。关键词： AT89C51 单片机， DAC0832，数模转换器，运算放大器目录摘要.I目录.

2、II第 1 章绪 论 .11.1课题来源 .11.2设计思路 .1第 2 章方案设计 .22.1核心模块的方案论证与比较 .22.1.1控制模块 .22.1.2显示模块 .22.2系统设计要求 .22.3系统设计思路 .22.4系统硬件框图 .3第 3 章系统硬件设计 .43.1单片机的应用与选择 .43.2芯片简介 .43.2.1AT89C51 性能简介 .43.2.2AT89C51 的主要特性 .52.2.3AT89C51 管脚功能 .53.2控制显示电路 .73.3键盘电路 .93.4 DA 转换电路 .93.4.1管脚功能 .93.4.2DA 转换电路 .103.5放大电路 .113.

3、6 整机电路 .11第 4章软件设计及仿真 .134.1软件流程图 .134.2程序代码 .134.3 仿真设计13简介14仿真15总结18参考文献19致谢20附录 A 程序21附录 B 系统原理图27第1章绪论1.1 课题来源程控放大器，又名可编程放大器，是一种放大倍数由程序控制的放大器。程控放大器可以通过软件改变增益，利用模数转换器可以自动适应大范围变化的模拟信号电平，因此越来越多地应用在自动控制系统丶智能化仪器仪表中。本课题适用于科学教研、 生产实践和教学实验等领域。 它是有 AT89C51 单片机、DAC0832 。通过按键来实现放大的产生。1.2 设计思路本系统的主控制模块是由单片机

4、最小系统，两个独立按键构成的，每一个按键对应一种调整模式。按下按键后，会执行相应的按键功能，松开后停止。具体实现过程：系统上电后先对DAC0832 和 LCD1602 液晶初始化，再对按键进行扫描。当按键有按下时，系统的数字输入量发生改变，从而改变系统的增益，使得输出电压发生相应的变化。系统的放大倍数和输出电压通过液晶实时显示。第 2章方案设计2.1 核心模块的方案论证与比较控制模块方案一： 4*4 矩阵键盘控制此方案可以直接输入所需要的波形放大倍数，方便快捷，但是程序操作复杂，故不采用这种方案。方案二：独立按键控制此方案利用两个独立按键共同控制放大倍数，其中一个按键用来控制倍数的放大，另外一

5、个控制倍数的衰减，以此来达到放大倍数的调节，由于本系统元件较少，而且51 单片机正好有两个外部中断口可以利用，程序设计简单，故采用此方案。显示模块方案一：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，但程序设计相对繁琐，故本设计不采用这种方案实现。方案二： 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，故为本系统所采用。2.2 系统设计要求本系统设计的程控放大器可以实

6、现如下功能：(1)可以通过按键输入来控制输出的电压大小。(2)输出的值可通过LCD1602 液晶显示。(3)可以通过按键输入改变放大器的放大倍数。2.3 系统设计思路本系统的主控制模块由单片机最小系统，两个独立按键构成的，每一个按键对应一种调整模式。按下键后，会执行相应的按键功能，松开后停止。程控放大器的输出电压V0 与 DAC0832 的输入电压Vref 的关系式：V0=-(Vref·Rf)2nR(Dn-1 · 2n-1+Dn-2· 2n-2+.+D0· 20)。 Rf 为系统的反馈信号输入线电阻， R 为 DAC0832 的数字输出量，就相当于改变系

7、统的增益。具体实现过程：系统的数字输入量发生改变，从而改变系统的增益，使得输出电压发生相应的变化。系统的放大倍数和输出电压通过液晶实时显示。2.4 系统硬件框图图 2.1系统硬件框图第 3 章系统硬件设计3.1 单片机的应用与选择8051 是 MCS-51 系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21 个专用控制寄存器、 64kB 的程序存储器、256B 字节的数据存储器、 4 组 8 位的并行口、两个16 位的可编程定时计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。由于 MCS-51 集成了几乎完善的8 位中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵

8、活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机及各种逻辑运算和转移指令，这给应用提供了极大的便利。3.2 芯片简介性能简介AT89C51 是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能CMOS8 位微处理器， 俗称单片机。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造， 与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制

9、系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。的主要特性 8031 CPU 与 MCS-51 兼容4K 字节可编程 FLASH 存储器 (寿命： 1000 写擦循环 )全静态工作： 0Hz-24KHz三级程序存储器保密锁定 128*8 位内部 RAM32 条可编程 IO 线两个 16 位定时器计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路管脚功能MCS-51 系列单片机芯片均为40 个引脚， HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插（ DIP ）方式封装，其引脚示意及功能分类如图 3.1:19U?39XTAL1P0.0/AD038P0.1/AD137P0.2/AD21836XTA

10、L2P0.3/AD335P0.4/AD434P0.5/AD533P0.6/AD6932RSTP0.7/AD7P2.0/A821D022D1P2.1/A923D2P2.2/A102924D3PSENP2.3/A113025D4ALEP2.4/A123126D5EAP2.5/A1327D6P2.6/A1428D7P2.7/A15CSDA 1P1.0P3.0/RXD10WR211P1.1P3.1/TXD312P1.2P3.2/INT0413P1.3P3.3/INT1514RSP1.4P3.4/T0615P1.5P3.5/T1RW716P1.6P3.6/WRE817P1.7P3.7/RDAT89C51

11、图 3.1 MCS-51 引脚图MCS-51 系列单片机的40 个引脚中有 2 个专用于主电源的引脚，2 个外接晶体的引脚， 4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及32 条输入输出 IO 引脚。VCC ：供电电压。GND：接地。 P0 口(P0.0P0.7) 为双向 8 位三态 IO 口，当作为 IO 口使用时，可直接连接外部 IO 设备。它是地址总线低 8 位及数据总线分时复用口，可驱动 8 个 P1 口 (P1.0P1.7)为 8 位准双向 IO 口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线 (作为输入时，口锁存器必须置1)，可驱动 4 个 TTL 负载。 P2 口(P2.0P2.7)为

12、8 位准双向 IO 口，当作为 IO 口使用时，可直接连接外部 IO 设备。它是与地址总线高8 位复用，可驱动4 个 TTL 负载。一般作为扩展时地址总线的高8 位使用。 P3 口(P3.0P3.7)为 8 位准双向 IO 口，是双功能复用口，可驱动4 个TTL 负载。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3 口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 INT0 （外部中断 0）P3.3 INT1 （外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通

13、）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALEPROG ：当访问外部存储器时， 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的16。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX ，MOVC

14、 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。XTAL1 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 ：来自反向振荡器的输出。综上所述， MCS-51 系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第2 功能；单片机对外呈 3 总线形式，由 P2、P0 口组成 16 位地址总线；由 P0 口分时复用作为数据总线；由 ALE 、 PSEN、EA 与 P3 口中的 INT0 、 INT1 、T0、T1、WR 、RD共10 个引脚组成控制总线。3.2 控制显示电路本设计用AT89C51单片机最小

15、控制系统，显示部分采用LCD1602液晶显示器LCD引脚图如图3.2 所示。LCD?LM016LSDES W01234567SDEV V VRREDDDDDDDD12345678901234SW11111R RE图 3.2 LCD1602 引脚图脚号管脚名称LEVER管脚功能描述1VSS0V电源地2VDD5.0V电源电压3VEE对比调整电压4RSHLRS=“ H”,表示 DB7DB0 为显示数据RS=“ L”,表示 DB7DB0 为显示指令数据5RWHLRW= “H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0RW= “ L ”,E= “ H L” DB7DB0的数据被写到 IR 或 DR6EHL使能

16、信号： RW= “L ” ,E 信号下降沿锁存 DB7DB0RW=“ H ”,E= DRAM数据读到“ H ”D7D07D0HL数据线8D1HL数据线9D2HL数据线10D3HL数据线11D4HL数据线12D5HL数据线13D6HL数据线14D7HL数据线LCD1602 引脚及其功能介绍如表3-1 所示。表 3.1AT89S52 的 P0 口接上拉电阻， P0 口输出显示数据，控制信号由P1 口部分引脚控制输出。3.3 键盘电路键盘电路如图 3.4 所示，通过按键控制输出电压大小。 P3.0 接输出增加按钮，LCD1LM016LSDES W01234567S D EV V VR R EDDDD

17、DDDD12345678901234SW11111ERR+5VR01KRP1RESPACK-8123456789U219XTAL1P0.0/AD03938P0.1/AD137P0.2/AD21836XTAL2P0.3/AD335P0.4/AD434P0.5/AD533P0.6/AD6932RSTP0.7/AD7P2.0/A821D022D1P2.1/A923D2P2.2/A102924D3PSENP2.3/A113025D4ALEP2.4/A123126D5EAP2.5/A13D627P2.6/A1428D7P2.7/A15+5VCSDA1P1.0P3.0/RXD10WR211P1.1P3.1

18、/TXD312P1.2P3.2/INT04P1.3P3.3/INT113514P1.4P3.4/T0RS615P1.5P3.5/T1R W716P1.6P3.6/WRE817P1.7P3.7/RDAT89C51图 3.3显示控制电路P3.1 接输出减小按钮图 3.4键盘电路3.4 DA 转换电路DA 转换电路采用 DAC0832 来实现，首先来介绍下DAC0832 芯片。管脚功能DAC0832 管脚功能如图 3.5 所示。图 3.5 DAC0832 管脚图DAC0832 的主要特性参数如下：* 分辨率为 8 位；* 输出为电流信号，电流的建立时间为 1us；* 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

19、* 只需在满量程下调整其线性度；* 单一电源供电（ +5V +15V），低功耗， 20mW ；* 参考电压可以达到± 10V；* 直接的数字接口可以与任何一款单片机相连。DAC0832 的引脚功能：* D0 D7：8 位数据输入线， TTL 电平，通常与单片机的数据总线相连，用于输入 CUP 送来的待转换数字量。有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错 )；* ILE ：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* C S ：片选信号输入线（选通数据锁存器） ，低电平有效；500ns）有效。* W R 1 ：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于由 ILE 、 C S 、 W

20、 R 1 的逻辑组合产生 LE1，当 LE1 为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1 的负跳变时将输入数据锁存；* X F E R ：数据传输控制信号输入线，低电平有效， 负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR 2 ：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由 W R 1、 X F E R 的逻辑组合产生 LE2 ，当 LE2 为高电平时， DAC 寄存器的输出随寄存器的输入而变化， LE2 的负跳变时将数据锁存器的内容打入 DAC 寄存器并开始 DA 转换。* IOUT1 ：电流输出端 1，其值随 DAC 寄存器的内容线性变化；* IOUT2 ：电流输出

21、端 2，其值与 IOUT1 值之和为一常数； 当 DAC 寄存器内容全为 1 时， IOUT1 为最大， IOUT2=0 ； 当 DAC 寄存器内容全为 0 时， IOUT1=0 ，IOUT2 为最大；为了保证输出电流的线性，应将 IOUT1 及 IOUT2 接到外部运算放大器的输入端上。* Rfb ：反馈信号输入线，改变 Rfb 端外接电阻值可调整转换满量程精度；* Vcc：芯片工作电源，范围为 +5V +15V；* VREF ：基准电压输入线， VREF 的范围为 -10V +10V ；* AGND ：模拟信号地，为模拟信号和基准电源的参考地；* DGND ：数字信号地，为工作电源地和数字

22、逻辑地转换电路图 3.6 DA 转换电路单片机的 P2 口输出信号给0832 的 8 位并口数据输入，控制端口控制信号由 P1 口部分引脚控制输出。输出信号至运算放大器。3.5 放大电路运放与 DAC0832 连接的运放电路如图 3-5 所示。DAC0832 输出的转换结果为电流形式，在本设计中利用一个高输入阻抗的线性运算放大器 TL061AMN 将其转换为模拟电压信号。运放的反馈电阻通过 Rfb 端应用片内固有电阻。图中所示运算放大器 U2 的作用是反向器，是输出的电压与 DA 转换的电压相同。运放与 DAC0832 连接的运放电路如图3.6 所示。+5VU1+10V+10VCSDA120C

23、SVCCWR 219R1WR1ILE(BY1/BY2)318GNDWR2D3417RV?DI3XFER1KD2516D4DI2DI4D1615D5U5U6DI1DI5D0D671717DI0DI61455%813D7VREFDI7059RFBIOUT2123U5(OP)R23RV?(3)610GNDIOUT11126210kDAC08321K44TL061TL061-10V-10V图 3.7运放与 DAC0832连接电路图3.6 整机电路RV?%05RV?(3)10k+5VU1CSDA1CSVCC20WR 219WR1ILE(BY1/BY2)3GNDWR218D3417DI3XFERD2516

24、D4DI2DI4D1615D5DI1DI5D0714D6DI0DI6813D7VREFDI7912RFBIOUT21011GNDIOUT1DAC0832U219XTAL1C1C230p30p18XTAL2X19RST12MHz29PSEN30ALE31EA+5VCSDA 1P1.0WR2P1.13P1.24P1.35RSP1.46P1.5RW7P1.6E8P1.7AT89C51+10V7 15324-10VP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P

25、2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDU56TL061393837363534333221 D022 D123 D224 D325 D426 D527 D628 D71011121314151617LCD1LM016L+10VS DES DER1V VV1231K71U65+5VU5(OP) R236U6(OP)21K4TL061RP1RESPACK-8-10V123456789输出增加输出减小S WR R E456S WR R ER01K0123

26、4567DDDDDDDD78901234111113.8 整机电路图第 4 章软件设计及仿真4.1 软件流程图开始初始化按键扫描有键按下NY显示模拟开关选择结束图 4.1软件流程图4.2 程序代码见附录 A4.3 仿真设计硬件电路完成以后，进行系统的软件设计，首先要分析系统对软件的要求，然后进行软件的总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块化设计。按照整体功能分成多个不同模块，单独设计、编程、调试然后将各个模块装配调试，组成完整的软件。在编程语言方面，选择的是C 语言进行编程。C 语言是近年来国内外普遍使用的一种编程语言，C 语言功能丰富， 表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效

27、率高，可移植性好，而且能直接对计算机硬件进行操作。既有高级语言的特点，又有汇编语言的特点。简介1双平台DOS 版本， WINDOWS 版本。其中 WINDOWS 版本功能强大。 中文界面，英文界面可任选，用户源程序的大小不再有任何限制，支持ASM ，C，PLM 语言混合编程，具有项目管理功能，为用户的资源共享，课题重组提供强有力的手段。支持点屏显示，用鼠标左键点一下源程序中的某一变量，即可显示该变量的数值。有丰富的窗口显示方式，多方位，动态地显示仿真的各种过程，使用极为便利。本操作系统一经推出，立即被广大用户所喜爱。2双工作模式1 软件模拟仿真（不要仿真器也能模拟仿真）。2 硬件仿真。双 CP

28、U 结构， 100% 不占用户资源。全空间硬件断点，不受任何条件限制，支持地址、数据、外部信号、事件断点、支持实时断点计数、软件运行时间统计。3双集成环境编辑、编译、下载、调试全部集中在一个环境下。多种仿真器，多类 CPU 仿真全部集成在一个环境下。可仿真 51 系列， 196 系列， PIC 系列，飞利蒲公司的 552 LPC764DALLAS320 ，华邦 438 等 51增强型 CPU 。为了跟上形势，现在很多工程师需要面对和掌握不同和项目管理器、编辑器、编译器。他们由不同的厂家开发，相互不兼容，使用不同的界面。学习使用都很吃力。 伟福 WINDOWS 调试软件为您提供了一个全集成环境，统一的界面，包含一个项目管理器，一个功能强大的编辑器，汇编Make 、 Build和调试工具并提