程控放大器设计与实现

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1、金金 华华 职职 业业 技技 术术 学学 院院J J I I N N H H U U A A P P O O L L Y Y T T E E C C H H N N I I C C毕业教学环节成果毕业教学环节成果（20 届）题 目 程控放大器的设计与实现 学 院 信息学院 专 业 应用电子 班 级 134 学 号 54 姓 名 龚浩杰 指导教师 徐华丹 20 年 月 日金华职业技术学院毕业教学成果金华职业技术学院毕业教学成果目目 录录 摘要1英文摘要1引言 21 控制方案选择 32 硬件电路设计.3 软件设计4 硬件检测.5 软件检测.6 总结 参考文献 6附件 1 程序清单7附件 2硬件电路

2、图7附件 3（按实际附件内容罗列）（按实际附件内容罗列）*程控放大器的设计与实现程控放大器的设计与实现信息工程学院应用电子技术专业信息工程学院应用电子技术专业 龚浩杰龚浩杰摘 要 本文介绍了一种可通过程序改变增益的放大器。它与 ADC 相配合，可 以自动适应大范围变化的模拟信号电平。系统以 89S52 单片机作微处理器， 采用 CD4051 芯片担任增益切换开关，通过软件控制开关的闭合或断开来 达到改变电路的增益。 文章首先对系统方案进行论证，然后对硬件电路和软件设计进行了说 明，最后重点阐述了系统的调试过程，并且对调试过程中遇到的问题以及 解决方案进行了详细说明。该系统设计达到了预期要求，实

3、现了最大放大 60db 的目的。 关键词 程控放大器；运算器放大器；单片机；增益 The Design and Realization of Program-Controll AmplifierAbstract This article introduces a amplifier which changes the gain through the software. It coordinates with ADC and adapts the simulated signal level with wide range change automatically. The system us

4、es the 89s52 SCM as the core. d the CD4051 chip composes the gain switch. The gain of the circuit is changed by software which can control switch closed or disconnect. The article first demonstrates the system plan, then introduces the hardware and the software, finally explains the debugging proces

5、s of the system with emphasis. It also especially analogizes the problem in the debugging process and the resolutions. This system design has achieved anticipative request and realized enlarged 60db most greatly the goal.Key words Program-controlled amplifier; operational Amplifier; SCM; gain引言引言 在计

6、算机数控系统中,模拟信号在送入计算机进行处理前,必须进行量 化,即进行 A/D 转换 1 。进行 A/D 转换之前,必须考虑 A/D 转换器的分辨 率和模拟输入电压量程这两个问题。 在一些特殊的应用中,我们常希望输入信号的幅值接近 A/D 的输入电 压量程的上限。工程上常采取改变放大器增益的方法对幅值大小不一的信 号进行放大。在计算机数控系统中,为实现不同幅度信号的放大, 往往不 希望、甚至也不可能利用手动方法来实现增益变换。利用程控放大器可以 很好地解决上述问题。程控放大器是根据使用要求由程序控制改变增益的 放大器,具有控制方便,线性度高,稳定可靠等优点 2 。使用程控放大器改 变模拟输入信

7、号的增益,并配合 A/D 的使用,可允许输入的模拟信号在较大 范围内动态变化,达到了提高 A/D 的输入电压量程的目的,也相当于提高了 A/D 的分辨率。 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 3 。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。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以满 足后端电路的要求；另一方面，传感器在不同测试中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

8、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。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。是否可由单片机自动选择量程档位呢？答案是肯定的，传统的方法 是采用可软件设置增益的放大器。1 1 控制方案选择控制方案选择程控放大器的基本电路和一般放大器电路类似,只是不同电路其反 馈网络以及期中的电阻阻值是不同的,下面就改变增益的几种常用方法作 一些探讨。 方案一 同相型程控放大器同相型放大器的基本电路如图所示。放大器的增益 G 只取决于反馈电 阻 Rf 和电阻 R1

9、。 由于运算放大器的输入阻抗很高,尤其对于场效应输入型运算放大器, 输入阻抗可达 1012 ,因而开关的导通电阻对放大器增益的影响可以忽略 不计 4 。在图 2.1 中,利用运算放大器的高开环增益特性和负反馈,开关 的导通电阻对增益的影响基本上得以消除。该类电路的优点是开关导通电 阻对电路的增益影响小,因此特别适用于采用模拟电子开关控制的场合。 电路的不足之处是放大器增益不能小于 1 ,因此不能对输入信号进行衰减, 解决办法是在前级加入无源衰减网络。方案二 反相型程控放大器反相型程控放大器的基本电路如图 2.2 所示。在图中只需改变 Rf 或 Ri 的阻值就可以改变放大器的增益。电路中,切换开

10、关 SW1SWn 可以使 用模拟电子开关或继电器,通过软件控制开关的闭合或断开,用于选择不同 的输入电阻或反馈电阻来达到改变电路的增益 5 。该类电路的优点:放大 器增益可大于 1 ,也可小于 1 或等于 1 ,因此,既可以对输入的小信号进行放大,也可以对输入的大信号进行衰减,因此电路的动态适应范围很大。但 该方法的缺点也是显而易见的:由于切换开关与输入电阻或反馈电阻串联, 开关的导通电阻将影响放大器的增益,特别是在使用模拟电子开关时尤其 明显。解决方法是将放大器的反馈电阻 Rf 和输入电阻 Ri 尽量取大一些, 也可先测出开关的导通电阻,再对电路中的 RfRf n 或 Ri1Ri n 作适当

11、的 修正。另外, 所示的放大器的输入阻抗不是固定的,因此最好加入隔离放 大器以减少对前级信号源的影响。 该图所示电路，采用集成化的模拟开关担任增益切换开关，功耗小， 体积小，可以由 TTL 或 CMOS 电平直接驱动，可进行放大和衰减。同样， 模拟开关的导通电阻影响放大倍数，模拟开关可以使用 CMOS 系列的 CD4066，CD4051CD4053 等等，也可以使用 MAX75XX 系列或 MAX301309，331339，351359 系列的模拟开关。当放大器的输入信号正 负都有时，模拟开关必须双电源供电。方案三 DAC 型程控放大器 DAC 型程控放大器由 DAC 和运算放大器组成,其原理

12、是利用 DAC 的乘 法功能实现可变增益控制 6 。DAC 内部主要由 R-2R 电阻网络和模拟电子 开关构成,例如 DAC0832、AD7520 等电流输出型芯片。 此类程控放大器的优点:由于 DAC 中的 R-2R 电阻网络是采用精密光刻 技术生产出来的,电阻的误差较小,温度系数也比一般的金属膜电阻低得多,因 此构成的程控放大的增益误差较小;另外，只要取合适的输入电阻 Ri 或反 馈电阻 Rf,电路和增益可以大于 1,也可小于 1,也可以等于 1,甚至为 0。 电路的缺点:由于 DAC 内部的分布电容影响,电路的频响不是太理想, 电路增益也不容易做得较大;另外电路的信噪比也较差。另外，虽然

13、市场 上已有单片集成程控放大器芯片,如 AD526、PGA204 等产品,但它们的价格 昂贵,放大的增益用户无法自行改变。 总结以上 3 种，我选择反向型程控放大器 2 2 硬件电路设计硬件电路设计硬件电路框图 控制模块 控制模块主要由单片机组成，在 P0 口，接共阳的数码管，P2.4P2.7 接晶体管，控制数码管的位选端。 。键盘扫描接在 P3 口，复位电路采用按 键复位Ad89s52Ad89s52： AT89S52AT89S52 是一种低功耗、高性能是一种低功耗、高性能 CMOS8CMOS8 位微控制器，具有位微控制器，具有 8K8K 在系统可在系统可编程编程 FlashFlash 存储器

14、。使用存储器。使用 AtmelAtmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与公司高密度非易失性存储器技术制造，与 工业工业 80C5180C51 产品指令和引脚完全兼容。片上产品指令和引脚完全兼容。片上 FlashFlash 允许程序存储器在系统允许程序存储器在系统 可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 8 位位 CPUCPU 和在系统和在系统 可编程可编程 FlashFlash，使得，使得 AT89S52AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超 有效的解决方案。有效的解决方案。 AT89S52AT89S52 具有以下标准功能：具有以下标准功能： 8k8k 字节字节 FlashFlash，256256 字字 节节 RAMRAM，3232 位位 I/OI/O 口线，看门狗定时器，口线，看门狗定时器，2 2 个数据指针，三个个数据指针，三个 1616 位定时器位