程控放大器的设计

程控放大器的设计

所在院系：信息工程学院专业（班级）：电信04级2班学生姓名：于丽丽指导教师：李泽光概述程控放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）是指可以通过程序或指令控制而改变其增益等性能的放大器，PGA的基本形式是由运算放大器和模拟开关控制的电阻网络组成。模拟开关则由数字编码控制。数字编码可用数字硬件电路实现,也可用计算机硬件根据需要来控制。

1.1论文（设计）工作的理论意义和应用价值当前，随着数字化技术的不断发展，各类测量仪表越来越趋于采取数字化和智能化方向的发展。这些设备一般由前端的传感器、放大器电路和后端的数据处理电路组成。其中后端数据处理电路通常采用高精度A/D和高速单片机，以保证仪表的精度和速度要求。而对于前端电路，由于传感器输出信号的幅度和驱动能力均比较微弱，必须加接高精度的测量放大器才能满足后端电路的要求。在自动控制系统或智能仪器中,当被测信号的幅值变化范围很大时，为了保证测量精度的一致性，经常采取改变量程的办法，采用程控放大器可进行量程自动切换。当改变量程时测量放大器的增益也相应地加以改变。这种变化通常是自动进行,即不需要人为的改变电路连接,而是通过软件实现放大器增益的改变。PGA在现代测控系统中是经常会用到的，随着各种新型元器件的不断发展，PGA的实现并不太难，但由于PGA必须具有可以实现自动调节增益的功能，因而其精度总会因使用一些调节元器件而受到影响，在精密测量场合对PGA的精度要求比较高，实现较精密的PGA是众望所归。1.2目前研究的概况和发展趋势由于各类测量仪表设备中的传感器在不同测试中，其输出信号的幅度可能相差很多，传统的处理方法是对放大器增加手动档位调节以保证后端的A/D采集输入端的信号在一定幅度内，从而保证整个仪表的测量精度。但是人工档位调节增加了仪表操作的复杂性、影响了数据测量的实时性，同时档位调节通常采用机械转扭，增加了仪器的不可靠性和接触电阻对测量精度的影响。而且传统的方法是采用可软件设置增益的放大器，如AD8321芯片，并且该类放大器价格较高（如AD8321），选择档位也较少（如TI的PGA103，206等仅3-4档）。还有一种可满足核仪器中所要求的线性度与增益稳定性以及自动稳谱的增益要求的数控放大器。系统在保证放大器的增益稳定性和线性指标的同时却降低了放大器的输入阻抗，必然对前级电路输出阻抗提出更高的要求。在实际应用中可通过增大反馈电阻提高输入阻抗，另外必要时还可以增加一级电压跟随电路，电压跟随器的输入阻抗极高，这样可以忽略电路中的导通电阻对增益的影响，各级增益完全取决于所选电阻。目前通常采用单片机来自动选择量程档位，采用非易失性数字电位器和仪表放大器组成的高精度、多档位、低成本的程控放大器。以单片机（或个人计算机）为基础的仪器测量系统的出现，是电子电工测量的一项重大变革，具有广阔的应用前景。2.1程控放大器系统原理框图本文设计的程控放大电路系统主要采用单片机最小系统、模拟开关芯片CD4051和放大器芯片LF353。程控放大器总体设计原理框图如下图所示

左图所示，控制接口采用AT89C51单片机作为程控放大器电路的控制中心，放大部分由LF353运算放大器二级放大，并通过程序控制CD4051来选择放大的倍数。最后通过把正弦信号加与放大电路的输入端，通过示波器观察并显示输出端所测得的波形或者用毫伏表观察结果，不同的放大倍数将显示出不同的放大现象。2.2硬件电路器件选择

2.2.1单片机的选择此设计将采用89C51单片机来控制。89C51单片机其引脚采用40只双列直插封装方式，如右图所示。89C51单片机具有较好的存储效果，内部结构丰富，能够实现多种运算功能，对复杂电路的控制有很好的处理能力。其是一个低功耗、高性能的含有4KB闪烁存储器的8位CMOS单片机，时钟频率高达20MHz，其具有的4K字节可电气烧录及擦除的程序空间，可以快速擦除程序并烧录新的程序，方便实验。89C51单片机内部结构图如上图所示：89C51单片机片内各功能部件都是通过单一总线连接而成，由微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、4个8位的并行I/O口、一个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统和特殊功能寄存器（SFR）组成。2.2.2开关电路的选择拨码开关可以用来控制开关电路，在测试的时候使用拨码开关很方便，但是在开关电路选择的时候不能实现程序的控制，只能手动控制，因此本设计在放大电路中使用模拟开关芯片CD4051来实现开关电路的控制。CD4051在放大电路中驱动作用很强，基于设计，每个CD4051使用三个开关。因此在二级放大电路中只需要二个CD4051即可。这样可以实现通过“软件实现硬件”的原则，且降低了外设硬件的成本。1.CD4051管脚图

CD4051是单边8通道的单刀八掷开关。其引脚结构如下图：2.CD4051引脚功能说明

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。图1中，C、B、A为二进制控制输入端，改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通；当INH=0时，通道接通。改变图中IN/OUT0~7及OUT/IN的传递方向，则可用作多路开关或反多路开关。表1：单八路模拟开关CD4051真值表2.2.3放大器芯片LF353双JFET输入运算放大器放大器芯片LF353双JFET输入运算放大器其管脚如下图5所示：图5放大器芯片LF353双JFET输入运算放大器管脚图2.2.4驱动电路的选择MC1413和74LS07，它们在驱动功能上有很大不同。其管脚如下图所示，74LS07是正向驱动元件，它具有升压的作用，而MC1413是反向驱动元件，由于驱动功能不同，因而用在不同的电路中。当电路中的电流或电压不能达到所需电路的电流或电压时，就需要使用驱动电路。本系统在放大电路中选择7407。是因为74LS07具有正向驱动功能，所以在二级放大电路中采用74LS07来驱动4051。左为74ls07管脚图、右为MC1413管脚图2.3系统的具体设计与实现

2.3.1主要模块硬件设计1.单片机最小系统图6单片机最小系统电路在此程控放大电路中，尽使用最小系统板中的一部分8255和键盘，如上图6所示，通过8255C口来读取键盘，由单片机控制选择需要放大的倍数，此最小系统能够使操作人员通过它编程，利用单片机控制放大电路，实现对正弦信号的放大。2.可控增益放大电路的设计程控放大器千变万化，但脱离不了3种基本类型，即反相放大器、同相放大器和差分放大器，而差分放大器实现程控较麻烦，所以往往用反相放大器或同相放大器的原型来设计程控放大器，如下图所示，左图为反相放大器，右图为同相放大器。增益为：反相放大Av=-R1/R同相放大Av=1+R1/R本文设计的程控放大电路采用同相放大器，在此，模拟开关的导通电阻部分采用划线变阻器，这样可以通过调节电阻来适当减少误差。一级可控增益放大电路如下图所示，放大电路采用LF353运算放大器，其中U