数控增益放大器毕业论文

1、内容摘要程控放大器是一种放大倍数由程序控制的放大器，也称为可编程放大器。它是集计算机技术、电子技术、数控技术为一体的机电一体化高科技产品，具有安全性高，使用方便等优点。本论文从数控增益放大器功能，硬件电路设计，单元电路设计软件控制等几部分，分别论述这一系统。利用数字模拟开关实现的可控增益放大器,具有增益调节范围宽,电路简单、控制方便、成本低廉等优点,而其由于其调节准确方便,使用寿命长,受物理环境影响小,性能稳定等特点,因此其应用越来越广泛。但由于数字电位器受制造工艺等因素的制约,其通频带受限,利用它实现的程控增益放大器高频频响特性不理想。本系统考虑到数控增益放大器成本及体积因素，在设计数控增益

2、放大器部分时，以模拟开关CD4051、控制芯片STC89C51、集成运算放大器LM324为核心构成。数控增益放大器设计综合应用之前所学的单片机、微机控制、电路设计等方面的知识。运行表明，其性能高，使用灵活性好，安全系数高，成本则相对较小，被广泛应用。关键词： 增益放大 CD4051 单片机 AbstractThe numerical control gain amplifier is the collection computertechnology, the electronic technology, the numerical controltechnology is a body in

3、tegration of machinery high tech product, hasthe security to be high, merit and so on easy to operate. The presentpaper from the numerical control gain amplifier function, the hardwarecircuit design, the unit circuit design software control and so onseveral parts, separately elaborates this systemTh

4、is system considered numerical control gain amplifier cost and bulkfactor, when design numerical control gain amplifier part, takeintegrated circuit and so on the CD4051/CD4052 as the core, the chippartially and so on constitutes by CD4051,MCS-51 STC89C51 and operational amplifier LM324.Before numer

5、ical control gain amplifier design synthesis applicationstudies aspect and so on monolithic integrated circuit, microcomputercontrol, circuit design knowledge. The movement indicated, itsperformance high, use flexibility good, safety coefficient high, thecost then relative is smaller, is widely appl

6、ied.Keywords: Operational amplifier MCS-51 LM324 目录1.概述42.方案论证62.1 功能要求62.2方案确定62.2.1单片机芯片的选择方案和论证62.2.2模拟开关的选择方案和论证62.2.3集成运算放大器的选择方案和论证82.2.4单片机模块电路设计最终方案确定82.2.5模拟电路设计方案最终确定93主控制器及外围器件103.1AT89S52单片机103.1.1MCS-51的内部资源103.1.2 MCS-51的内部资源113.2模拟开关CD4051介绍133.2.1 CD4051参数133.2.2 CD4051结构框图及结构原理143.3

7、 CD4051的应用163.4 LM324型集成运算放大器173.4.1集成运算放大器的基本原理173.4.2集成电路运算放大器中的电流源173.4.3反相比例运算电路203.4.4 同相比例运算电路213.4.5 LM324的基本特点223.4.6 LM324的应用234. 硬件电路设计244.1 电路图设计框图244.2系统概述244.3电源设计244.4单片机的晶振系统254.5单片机模块电路设计254.6数据放大电路设计264.7电路参数计算274.8 电路分析285. 软件设计295.1 C51语言介绍295.1.1 C51语言的特点295.2 程控放大器的C语言程序设计思路296.

8、 系统调试316.1 软件调试316.2 硬件调试316.2.1电源调试316.2.2通电检查326.2.3检查芯片的逻辑关系是否出错327. 结论338.参考文献349.附录359.1 程序359.2 总电路图371.概述在日新月异的21世纪里，家用电子产品得到了迅速发展。许多家电设备都趋于人性化、智能化，这些电器设备大部分都含有CPU控制器或者是单片机。单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统、通讯设备、日常消费类产品和玩具等。并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各个方面，随着近代超大规模集成电路的出，微处理

9、器及其外围芯片有了迅速的发展。集成技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片，如程序存储器，数据存储器，并行、串行I/O口、定时、计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片中，制成单片计算机(Single-chip Microcomputer).而近年来推出的一些文档单片机还包含有许多特殊的功能单元如A/D、D/A转换器、调制解调器、通用控制器、锁相环、DMA浮点运算单元等。因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统。如：工业控制系统，数据采集系统、数据放大系统等。模拟开关和多路转换器的作用主要是用于信号的切换。目前集成模拟电子开关在小信号领域已成为主导产品，与以往

10、的机械触点式电子开关相比，集成电子开关有许多优点，例如切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。但也有若干缺点，如导通电阻较大，输入电流容量有限，动态范围小等。因而集成模拟开关主要使用在高速切换、要求系统体积小的场合。在较低的频段上f<10MHz），集成模拟开关通常采用CMOS工艺制成：而在较高的频段（f>10MHz），则广泛采用双极型晶体管工艺。因此可以控制模拟开关来切换输出电阻，从而实现改变增益。在工业自动控制以及多点数据采集系统、航空及生态研究中, 离不开模拟量的精确测量。随着微型计算机应用的推广, 传感器获得的模拟信号经过预放大后才能送交A / D 转换。这

11、种预放大线路常推荐采用数据放大器。数据放大器又称仪用放大器、侧量放大器、桥路放大器, 是国内外流行的一种前置放大器。它广泛用于传感器信号放大、高阻电桥、热电偶、光电管, 生物电放大以及高阻比较器等各领域。数据放大器由二级串联组成, 前级是二个同相放大器组成, 有很高的输人阻抗。后级是差动放大器,它不仅割断共模信号的传输, 还将双端输人变换成单端输出, 适应对地负载的需要。一般的放大器为什么在高精度的前置放大中不能得到广泛应用呢? 本文设计的数控增益放大器，可以通过单片机来控制模拟开关CD4051来控制数据放大器的增益，在改变增益的同时还能同时改变电路的输入阻抗，采用双差分形式，消除了长线传输产

12、生的共模干扰，数据放大器的输入形式正好适应传感器等桥路信号的输入，只要变换输入信号端，就可以使输出记性相反。此外，数据放大器还具有较高的巩膜抑制比，具有较好的抗干扰能力。本文将针对上述情况，进行集中介绍：MCS-51片机及其扩展，多路转换开关原理及其应用，数控增益数据放大器的原理及其应用的情况。2.方案论证2.1 功能要求1.数据放大器增益可变2.具有高输入阻抗（100k）3.具有较高共模抑制比4.温漂小、噪声低系统工作稳定2.2方案确定2.2.1单片机芯片的选择方案和论证 方案一：采用89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,

13、而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二:采用AT89S52,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。所以选择采用AT89S52作为主控制系统.2.2.2模拟

14、开关的选择方案和论证选择开关时需考察以下指标：1.通道数量集成模拟开关通常包括多个通道。通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响，通道数越多，寄生电容和泄漏电流就越大。因为当选通一路时，其它阻断的通道并不是完全断开，而是处于高阻状态，会对导通通道产生泄漏电流，通道越多，漏电流越大，通道之间的干扰也越强。2.泄漏电流一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。而实际开关断开时为高阻状态，漏电流不为零，常规的CMOS漏电流约1nA。如果信号源内阻很高，传输信号是电流量，就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。3.导通电阻 导通电阻的平

15、坦度与导通电阻一致性导通电阻会损失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失更大。应用中应根据实际情况选择导通电阻足够低的开关。必须注意，导通电阻的值与电源电压有直接关系，通常电源电压越大，导通电阻就越小，而且导通电阻和泄漏电流是矛盾的。要求导通电阻小，则应扩大沟道，结果会使泄漏电流增大。导通电阻随输入电压的变化会产生波动，导通电阻平坦度是指在限定的输入电压范围内，导通电阻的最大起伏值RON=RONMAXRONMIN。它表明导通电阻的平坦程度，RON应该越小越好。导通电阻一致性代表各通道导通电阻的差值，导通电阻的一致性越好，系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。4.开关速度

16、指开关接通或断开的速度。通常用接通时间TON和断开时间TOFF表示。对于需要传输快变化信号的场合，要求模拟开关的切换速度高，同时还应该考虑与后级采样保持电路和A/D转换器的速度相适应，从而以最优的性能价格比来选择器件。除上述指标外，芯片的电源电压范围也是一个重要参数，它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关系，电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。电源电压越低，切换速度就会越慢且导通特性变差。因此对于3V或5V电压系统，必须选择低压型的器件来保证系统正常工作。另外，电源电压还限制了输入信号范围，输入信号最大只能到满电源幅度，如果超过沟道就会夹断。低电压型的器件通常都是满电源电压幅度的，并且采

17、用特殊的工艺来保证低电压时开关具有很低的导通电阻。根据以上论述，现有两个方案可供选择。方案一：采用BL1551开关芯片，BL1551是6脚SOT363的2.7低电压SPDT模拟开关，BL1551是单宽的带宽，快速singlepole双掷（SPDT）CMOS开关设有一个2.7欧姆的电阻在VCC= 5.0V和宽电源电压范围从1.8V到5.5V。它可以用来作为一个模拟开关，或作为一个低延时的总线开关。在300MHz的高带宽性能支持高频率的应用。突破前两个部分消除功能从防止切换过程中信号中断两个开关同时被启用。但是开关通道较少。方案二：采用CD4051开关芯片，CD4051/CC4051是单8通道数字

18、控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，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峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地

19、。所以，采用CD4051作为开关芯片。2.2.3集成运算放大器的选择方案和论证LM324系列集成运放，LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该

20、输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。LM324系列集成运放能满足设计需求，因此选用LM324作为数据放大器的运放。2.2.4单片机模块电路设计最终方

21、案确定综上所述，对此作品的单片机模块电路设计方案选择为以AT89S52为主控制器，通过单片机引脚控制模拟开关CD4051的A、B、C三个端口来选择模拟开关的输出通道。2.2.5模拟电路设计方案最终确定综上所述，选择LM324系列集成运算放大器来搭建数据放大器。实现对数据的放大。3主控制器及外围器件3.1AT89S52单片机MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用80

22、51来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。Intel公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATME公司开发生产的。下面将介绍MCS-51单片机的内部资源及外围结构。3.1.1MCS-51的内部资源MCS-51系列单片机的典型产品为8051、8751、8031.8051匙ROM型单片机，内部有4K字节工厂掩膜编程的ROM程序存储器；8751是EPROM型单片机，内部有4K字节用

23、户可编程的EPROM程序存储器；8031匙无ROM程序存储器的单片机，它必须外接EPROM程序存储器。除此之外；8051、8751和8031的内部结构是万群相同的，都具有下列硬件资源；·8位CPU·4kbytes程序存储器(ROM) (52为8K)·128bytes的数据存储器(RAM) （52有256bytes的RAM）·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令·21个专用寄存器·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）·一个全双工串行通信口·外部数据存储器寻址空

24、间为64kB·外部程序存储器寻址空间为64kB·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装·单一+5V电源供电·CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；·RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；·ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；·I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；·T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；·五个中断源的中断控制系统；·一个全双工U

25、ART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；·片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。3.1.2 MCS-51的内部资源·可以仿真63K程序空间,接近64K 的16位地址空间；·可以仿真64Kxdata 空间,全部64K 的16位地址空间；·可以真实仿真全部32 条IO脚；·完全兼容keilC51 UV2 调试环境,可以通过UV2 环境进行单步,断点, 全速等操作；·可以使用C51语言或者ASM汇编语言进行调试 ；·可以非常方便地进行所有变量

26、观察,包括鼠标取值观察,即鼠标放在某 变量上就会立即显示出它此的值；·可选 使用用户晶振，支持040MHZ晶振频率；·片上带有768字节的xdata,您可以在仿真时选 使用他们,进行xdata 的仿真；·可以仿真双DPTR 指针；·可以仿真去除ALE 信号输出. ；·自适应300-38400bps 的所有波特率通讯；·体积非常细小,非常方便插入到用户板中.插入时紧贴用户板,没有连接电缆,这样可以有效地减少运行中的干扰,避免仿真时出现莫名其妙的故障；·仿真插针采用优质镀金插针,可以有效地防止日久生锈,选择优质园脚IC插座，保护

27、仿真插针，同时不会损坏目标板上的插座. ；仿真时监控和用户代码分离,不可能产生不能仿真的软故障；RS-232接口不计成本采用MAX202集成电路,串行通讯稳定可靠,绝非一般三极管的简易电路可比。3.1.3 MCS-51系统框图MCS-51的系统简化结构框图如1-1所示；管脚图见1-2图3-1 MCS-51结构简图图3-2 8051引脚图·Vss 接地端 ·Vcc电源端（15V）·RST/Vpo 复位端 ·EA/Vpp8051中接低电平·XTAL1 振荡器输入 ·XTAL2振荡器输出·ALE/PROG锁存器信号出现在I/O地址

28、信号，有时定时·PSEN 用来信号选通ROM（外部）·P0P3 为四组I/O口共32个引脚3.2模拟开关CD4051介绍 CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。INH”是禁止端，当 “INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制

29、信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。 . 使用十六进制代码就可以对CD4051进行操作了。比如说P1=0X07，这样CD4051就选择的是7号（二进制111）通道了。如果在八个通道输入一模拟量，在输出端将输出什么,输入什么是自己设定。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，,ABC数字控制信号就可以使用5V信号,因为VDD是5v,里面控制部分就都是5V逻辑. 当VEE=5V时，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。 当Vee=-8V时,就可以可控制幅度范围为8V5V的模拟信号. Vee就是电子开关的8个输入端可以允许的信号范围下限

30、. 注意不要超过它的极限参数.峰峰值达15V3.2.1 CD4051参数电源电压范围3V15V输入电压范围0VVDD工作温度范围M类55125E 类.4085极限值：电源电压.0.5V18V输入电压0.5VVDD+0.5V输入电流.±10mA储存温度651502.3引脚功能描述：A B C 地址端I0/O0I7/O7 输入输出端INH 禁止端O/I 公共输出/输入端VDD 正电源VEE 模拟信号地Vss 数字信号地3.2.2 CD4051结构框图及结构原理图2-1给出的结构框图，他由逻辑电平转换器，通路译码器，模拟开关组成。引脚A、B、C 为通路选择控制端，经内部电平转换和三一八译码

31、器输出8位控制线，分别控制模拟开关07的导通和断开，当禁止输入端INH为交电平时，译码器输出均无效，使开关07都断开，当INH为低电平时，对应于A、B、C的二胡不制信号译码器输入出线中有效是一个模拟开关导通，其余都断开其真值表如表2-1所示。图3-3 8路单端模拟开关CD4051结构框图VDD为正电源输入端，VEE为负电源输入端。VSS为数字地。当VDD-VEE=15V时。输入的模拟信号范围（峰-峰值）为15V时，其导通电阻为80；当VDD-VEE=10V时，其断开时漏电流为静态功耗为/MW。表3-1CD4051 开关切换真值表INH C B A导通电路 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

32、 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 0 1 0 0 4 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 1 X X X 无3.3 CD4051的应用使用单电源时，CD4051的VEE可以和GND相连。 在A，B，C三路片选端加上拉电阻。使其能更稳定的工作CD4051的公共输出端不要加滤波电容（并联到地），否则不同通道转换后的电压经电容冲放电后会引起极大的误差。 禁止输出端（INH）为高电平时，所有输出切断，所以在应用时此端接地。作音频信号切换时，最好在输入输出端串入隔直电容。 开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器，当给驱动继电器的驱动电路加高电平或

33、低电平时，继电器就吸合或释放，其触点接通或断开电路。CMOS模拟开关是一种可控开关，它不像继电器那样可以用在大电流、高电压场合，只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号，CD4051是最常用的模拟开关。CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见图1。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。图3-4 CD40

34、51应用电路CD4051导通电阻小，CD4051在常温下的导通电阻为几百欧姆.供电电压范围较宽，速度相对较快，控制简单，适合作为量程转换模块中选择放大反馈回路的开关。但是，多路模拟开关也有其不利的地方。其导通电阻不恒定，随电源电压的增大而减小；控制信号电平也随电源电压增大而增大，在使用时需根据现场实际情况综合考虑，添加必要的外围电路，保证其工作正常。在电源电压的选择上要结合实际需要，适当增大。以上是CD4051作为量程切换的通道选择（反馈电阻选择)的参考电路图。3.4 LM324型集成运算放大器3.4.1集成运算放大器的基本原理集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直

35、接耦合放大电路输入级：通常由双输入差分放大电路构成。主要作用是提高抑制共模信号能力，提高输入电阻。如图4-1所示。中间级：带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提高电压增益。输出级：采用互补对称功放或射极输出器组成，主要是降低输出电阻，提高带负载能力。3.4.2集成电路运算放大器中的电流源基本电流源：分压式射极偏置电路为基本电流源电路。当三级管工作在放大区，由于射极电流仅由两分压电阻决定，因此当负载发生变化（也即集电极电阻发生变化），输出电流（即集电极电流）保持不变，体现了恒流特性。有源负载：由于电流源具有直流电阻小而交流电阻大的特点，因此在模拟集成电路中，常

36、把它作为负载使用，称为有源负载。电流源的应用：（1）为集成运放各级提供稳定的偏置电流；（2）作为各放大级的有源负载，提高电压增益。图3-5 集成运放的内部结构偏置电路  偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。F007的偏置电路由T8T13组成。基准电流由T12、R5、T11，和电源EC（15V）、EE（- 15V）决定：T10、T11和R4组成微电流源电路，提供输入级所要求的微小而又十分稳定的偏置电流，并提供T9所需的集电极电流，即IC10IC9 2IB3；T8与T9 组成镜像恒流源电路，提供T1、T2的集电极电流，即IC1IC2IC9，T

37、12与T13组成镜像恒流源电路，提供中间级T16、T17的静态工作电流，并充当其有源负载。输入级：输入级对集成运放的多项技术指标起着决定性的作用。它的电路形式几乎都采用各种各样的差动放大电路，以发挥集成电路制造工艺上的优势。F007的输入级电路是由T1T7组成的带有恒流源及有源负载的差动放大电路。有源负载是由T5，T6、T7及R1、R2、R3组成的改进型镜象恒流源电路。用它作差动放大电路的有源负载，不仅可以提高电压放大倍数，还能在保持电压放大倍数不变的条件下，将双端输出转化为单端输出。T1T4组成共集一共基型差动放大电路。其中，T1、T2接成共集电极形式，可以提高电路的输入阻抗，同时由于UC1

38、UC2 = EC - UBE8，因而共模信号正向界限接近EC，即提高了共模信号的输入范围；T3、T4，组成共基极电路，具有较好的频率特性，同时输还能完成电位移动功能，使输入级出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可直接接NPN型管；由于PNP型管的发射结击穿电压很高，这种差动放大电路的差模输入电压也很高，可达30V以上，此外，共基极电路输入电阻较小，而输出电阻较大，有利于接有源负载，并起到将负载与NPN管隔离开的作用。中间级：中间级电路的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，并向输出级提供较大的推动电流，有时还要完成双端输出变单端输出，电位移动等功能。F007的中间级是由复合管T16、T17和

39、电阻R6组成的共发射极放大电路，T12、T13组成的镜象恒流源作为它的有源负载，因而可以获得很高的电压放大倍数。R6起电流负反馈作用可以改善放大特性。输出级：输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。F007输出级采用的就是由T14和复合管T18、T19组成的互补对称电路。R7、R8和T15组成电压并联负反馈偏置电路，使T15的c、e两端具有恒压特性，为互补管提供合适而稳定的偏压，以消除文越失真。D1、D2和R9、R10组成过载保护电路，正常工作时，R

40、9、R10上的压降较小，D1、D2均处于截止状态，即保护电路处于断开状态，一旦因某种原因而过载，T14及复合管的电流超过了额定值，则R9、R10上的压降明显增大，D1、D2将导通，从而对T14和T15的基极电流进行分流，限制了输出电流的增加，保护了输出管。集成运放的新产品不断出现，它们的性能更加优越，除通用型集成运放外，还出现了一些专用集成运放。 集成运放作为一个有源放大器件应用于实际电路时，常用图Z0608所示符号表示。它有两个输入端、一个输出端。大箭头表示信号传输方向。当信号从反相端输入时，输出电压与输入电压成反相关系，当信号从同相端输入时，输出电压与输入电压同相。在该数控系统中，由单片机

41、控制模拟开关来选择集成运放反相端的输入电阻，从而改变电压的放大倍数。同相输入放大电路如图3-1所示，信号电压通过电阻Rs加到运放的同相输入端，输出电压Vo通过电阻R1和Rf反馈到运放的反相输入端，构成电压串联负反馈放大电路，同相输入放大器的有点在于输入阻抗很高，输出阻抗很低。由于Vn= Vp= Vs，电路不存在虚地（因为N点的电压被流过R1的电流i1抬高了），且运放存在共模输入信号（因为V+增加时V-随之增加，V+减小时V-随之减小），因此要求运放有较高的共模抑制比。由此可以通过调节R1与Rf的比值来调节电压的放大倍数。3.4.3反相比例运算电路图3-6 反相比例放大电路如图3-6所示,输入信

42、号ui经输入外接电阻R1送到反相输入端,而同相输入端通过电阻R2接地。反馈电阻Rf跨接在输出端和反相输入端之间,形成电压并联负反馈。根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据:流入放大器的电流趋近于零,i+ i_0,反相输入端与同相输入端电位近似相等,u_u+得:所以ui- u_/R1= u_-uo/Rf;即ui/ R1=- Rf/R1故闭环(引入反馈后的)电压放大倍数为式中负号表明输出电压与输入电压相位相反。他们的关系是比例放大的关系只要R1和Rf的阻值足够精确,就保证了比例运算的精度和工作稳定性,与三极管构成的电压放大电路相比较,显然用运算放大器设计电压放大电路既方便,性能又好,更有意思的

43、是它还可以按比例缩小。图中的R2是一个平衡电阻,其作用是为了使两个输入端的外接电阻相等,从而保证输入级差分放大电路的偏置电路对称。R2=R1/Rf特例:当取R1=Rf,可得uo=-ui,称为反相器。图3-7反相比例运算电路3.4.4 同相比例运算电路如图4-4所示,输入信号ui通过外接电阻R2输入送到同相输入端,而反相输入端经电阻R1接地。反馈电阻Rf跨接在输出端和同相输入端之间,形成电压串联负反馈。根据运算放大器工作在线性区时的两条分析依据:反相输入端与同相输入端电压相等, u_u+ui流入放大器的电流趋近于零, i+ i_0得:ii=if+ i_if由图可列出0- u_/R1= u_-uo

44、/Rf;即-ui/R1=- (ui- uo/Rf)解之uo=（1+Rf/R1）ui闭环电压放大倍数为Auf= uo/ui=1+ Rf/R1可见uo与ui间的比例关系也可认为与运算放大器本身无关,只取决于电阻,其精度和稳定性非常高。注意到Auf为正值,这表示uo与ui相同,且Auf总是大于或等于1,即只能放大信号,这点与反相比例运算电路不同。另外,在同相比例运算电路中,信号源提供的信号电流为0,即输入电阻无穷大,这也是同相比例运算电路特有的优点。当R1=(断开)或Rf=0时,则Auf= uo/ui=1输出电压与输入电压始终相同,这称为电压跟随器,我们在讨论射极输出器时提到过,电压跟随器放在输入级

45、可减轻信号源的负担,放在两级电路的中间,可以起到隔离电路的作用。 图3-8 同相比例运算电路3.4.5 LM324的基本特点·运放类型:低功率·放大器数目:4·带宽:1.2MHz·针脚数:14·工作温度范围:0°C to +70°C·封装类型:SOIC·3dB带宽增益乘积:1.2MHz·变化斜率:0.5V/s·器件标号:324·器件标记:LM324AD·增益带宽:1.2MHz·工作温度最低:0°C·工作温度最高:70°C

46、83;放大器类型:低功耗·温度范围:商用·电源电压 最大:32V·电源电压 最小:3V·芯片标号:324·表面安装器件:表面安装·输入偏移电压 最大:7mV·运放特点:高增益频率补偿运算·逻辑功能号:324·额定电源电压, ±15V·短路保护输出·真差动输入级·可单电源工作：3V-32V·低偏置电流：最大100mA·每封装含四个运算放大器·具有内部补偿的功能·共模范围扩展到负电源·行业标准的引脚排列·输入端

47、具有静电保护功能·单位增益内部频率补偿·大直流电压增益100 dB的·高带宽（单位增益）1兆赫（温度补偿）·电源范围宽：单电源3V至32V电源或双电源±1.5V至±16V·极低的电源漏电流（700A）基本上是独立的电源电压·低输入偏置电流45 NA（温度补偿）·低的输入失调电压为2 mV和失调电流：5 NA·输入共模电压范围包括地面·差分输入电压范围的电源电压等于·大输出电压摆幅0V至V ±1.5V3.4.6 LM324的应用此电路可将输入交流信号分成三路输出，三路

48、信号可分别用作指示、控制、分析等用途。而对信号源的影响极 小。因运放Ai 输入电阻高，运放A1-A4 均把输出端直接接到负输入端，信号输入至正输入端，相当于同相放 大状态时Rf=0 的情况，故各放大器电压放大倍数均为1，与分立元件组成的射极跟随器作用相同。4. 硬件电路设计4.1 电路图设计框图AT89S52主控制模块模拟开关CD4051按键模块数据放大器图4-1 系统电路设计框图4.2系统概述本电路是由AT89S52单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V超低压工作；模拟开关模块由CD4051完成，CD4051具有八路开关，能够满足设计应用需求。通过单片机控制模拟开关的控制端来对

49、模拟开关的输出进行选择。数据放大器部分由LM324集成运算放大器构成。硬件的结构和可靠性直接影响着整个系统的可靠性，所以合理的安排电路能提高电子产品的性能。4.3电源设计本系统直接使用通用5V变压器供电。4.4单片机的晶振系统单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS-51系列单片机内部都有一个时钟振荡电路，只需外接晶振源，就能产生一定频率的时钟信号送到单片机的内部的各个单元，决定单片机的工作速度。图4-3就是内部时钟工作方式的电路图，这是一种常用的方式。这种方式是外界振荡源，本设计就采用这种外接晶振的方法。电路中的两个电容的作用有两个：一是帮助振荡器起振（C1 C2的值大，起振的速度慢；反

50、之，速度快。）；二是对振荡器的频率起到微调的作用（C1 C2的值大，频率略有减少，反之，频率略有提高）。C1 C2的值采用30pF。图4-2单片机内部晶振电路连接图4.5单片机模块电路设计单片机模块的主要功能是完成通过按键控制模拟开关的输出通道选择不同阻值的电阻来改变数据放大器的放大倍数。图4-3单片机模块电路设计4.6数据放大电路设计数据放大器由二级串联组成, 前级是二个同相放大器组成, 有很高的输人阻抗。后级是差动放大器,它不仅割断共模信号的传输, 还将双端输人变换成单端输出, 适应对地负载的需要。一般的放大器为什么在高精度的前置放大中不能得到广泛应用呢？目前确实有水平较高的低噪声高精度运

51、算放大器。即使采用高性能运放组成差分放大器, 也因有下列缺陷而限制了它的应用。1） 不易实现高输人阻杭。2）由于这种电路的物人阻抗不可能作得很高,因而增益将与信号滚内阻有关。信号源的内阻越大对放大器增益的影响越严重, 因此它不适宜用作多点猫试。3）改变增益困难。放大器如需调节益, 为了保证共模抑制比, 必须实现其中一对电阻的同步调节, 祖是实际上要做到这点是不容易的。因此其精确度与共模抑制比较差。使用数据放大器作为基本放大电电路有以下优点：1） 输人阻抗高, 数据放大器的差动输人端都是,运放的同相输入端, 因此具有很高的输入阻抗。它一般都在10M左右, 如此大的输人阻抗不影响讯号源,对增益也不

52、影响, 因此它可以作多点测试用。2） 差分双端输人形式。为了消除长线传输产生的共模干扰, 变换元件与放大器之间采用双线传输。数据放大器的输入形式, 正好适应传感器等桥路信号的输入。只要变换信号输入端, 可使输出极性反转。3） 共模抑制比高。数据放大器的前级由于采用对称结构, 而且挑选参数基本一致的器件组装, 因此具有较好的共模抑制比及较强的抗千扰能力,并且有条件通过曳路技术获得更高的共模抑制比。4） 温漂小、噪声低、稳定性能好。由于数据放大器可作为低于毫伏级的信号放大, 因此在装配前就选择噪声小, 温度漂移对称的运放, 这样保证了数据放大器在低电平放大时也具备良好性能。要保证数据放大器的高性能

53、指标, 单个运放的指标是十分重要的。该放大器采用对称组装形式, 因此前级的二个运放, 要挑选失调电压、注入电流、失调电流、共模抑制比、温度漂移等指标在允许范围内对称, 同时还要保证运放的噪声指标,开环增益、带宽、单位增益的稳定性等参数能满足一定的要求。图4-4 数据放大器原理图4.7电路参数计算“虚短”、“虚断”的概念，根据图4-4所示电路计算可得: 当选通IO0时电压增益A=1+（R12/R3） 当选通IO1时电压增益为A=1+（R12/R4） 当选通IO2时电压增益为A=1+（R12/R5）通过模拟开关选择输出端电阻则可控制R3/R4/R5，即可调节增益。4.8 电路分析该电路可以广泛应用

54、于工业现场、生物信号及其他仪器仪表的数据采集、信号放大中。可以通过模拟开关来轻松的实现增益控制。在本设计中使用单电源接法对集成运放供电，与单片机供电电压一致。节约资源。使得电路更加稳定。5. 软件设计5.1 C51语言介绍单片机C51语言是由C语言继承而来的。和C语言不同的是，C51语言运行于单片机平台，而C语言则运行于普通的桌面平台。C51语言具有C语言结构清晰的优点，便于学习，同时具有汇编语言的硬件操作能力。对于具有C语言编程基础的读者，能够轻松地掌握单片机C51语言的程序设计。5.1.1 C51语言的特点·单片机C51语言兼备高级语言与低级语言的优点。·语法结构和标准

55、C语言基本一致，语言简洁，便于学习。·运行于单片机平台，支持的微处理器种类繁多，可移植性好。对于兼容的8051系列单片机，只要将一个硬件型号下的程序稍加修改，甚至不加改变，就可移植到另一个不同型号的单片机中运行。·具有高级语言的特点，尽量减少底层硬件寄存器的操作。·单片机C51语言提供了完备的数据类型、运算符及函数供使用。·C51语言是一种结构化程序设计语言，可以使用一对花括号“”将一系列语句组合成一个复合语句，程序结构清晰明了。·C51语言代码执行的效率方面十分接近汇编语言，且比汇编语言的程序易于理解，便于代码共享。5.2 程控放大器的C语言程序设计思路用C语言进行了简单编程，运用单片机对模拟开关进行切换输出引脚开关状态选择不同阻值电阻，通过单片机P2.0、P2.1、P2.2来控制模