自动增益放大器

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1、自动增益控制放大器一、设计思路描述本自动增益控制放大器系统以 MSP430G2553 为控制核心。利用单片机内部 ADC10 对末级输出信号采样，可由按键控制三种模式以及增益倍数的切换，也可 根据采样得到的末级输出信号幅度大小，自动控制 DAC7811 作为 TLC085 反馈电 阻网络，从而实现对末级自动增益控制。在软件设计中，我们实现三种不同的模 式切换：1. 交流手动模式中。根据选择增益倍数不同，我们可以算出不同的 code 值， 将 code 值传给 DAC7811 。例如：当我选择 0.2 倍增益时，那么需要控制前级衰 减，同时code值为204&因此增益倍数Av=0.1*4096/

2、2048=0.2。2直流自动换挡模式。根据单片机内部ADC10对输出信号采样幅度大小，自 动控制前级是否衰减、控制CD4051选择OPA 2227反馈电阻，从而实现0.2、0.5、2、5 的最大增益倍数。3. 自动增益模式。根据利用单片机内部ADC10对输出信号采样幅度大小自动 控制前级是否衰减，控制 CD4051 选择 OPA 2227 反馈电阻。二、硬件电路设计2.1 前级信号衰减电路图 2.1 前级衰减电路如图2.1所示，前级衰减电路由CD4051、0PA2227、20KQ以及2KQ电阻组 成，其中CD4051为单刀八掷开关。在该电路中，单片机MSP430G2553通过P1.3 口进行对

3、CD4051中两种电阻进行选择，改变0PA2227反馈电阻，从而实现0.1 倍与 1 倍的控制。在整个电路中，前级衰减电路十分重要，它不仅仅是对输入信号进行衰减， 还可以对单片机MSP430G2553进行保护。2.2末级DAC7811增益自动控制电路GND1 *16215314413TLC0855126117108945P2.0P2.2DAC 7811Vo图 2.2 DAC7811 增益自动控制电路图2.2为末级DAC7811增益自动控制电路。利用单片机内部ADC10对输出信 号经过 OPA2340 绝对值整形后的波形进行采样，根据幅值控制 CD4051 选择OPA2227 反馈电阻，进而控制

4、衰减 10 倍或1 倍。该电路由TLC085与DAC7811组成，其中TLC085为四路运算放大器，在这次 设计中，我们只使用两路，一路作电压跟随器使用，起缓冲作用；另一路放大器 是与 DAC7811 形成反馈电路，实现增益调节。在 DAC7811 的数据手册中，我们可以根据公式：4096 Av二一 code单片机 MSP430G2553 通过控制 P2.0 P2.1 P2.2 三个端口，给 DAC7811 发送 数据。由上公式可知，当Av=5时，我们只需要控制单片机MSP430G2553给DAC7811 发送相对应的 code 值。在该电路中， DAC7811 特别小，因此将其焊在洞洞板上是

5、非常困难的，建议 使用脚距为 0.5mm 的转接板，也不要随意掰其引脚，谨防引脚断裂！2.3 键盘显示模块在键盘中，我们采用三个键设计，其关系如下图2.3 所示，它们分别为模式 选择键、增益选择键和确定键。模式选择键可以在交流自动、直流换挡自动和自 动增益三种模式切换；增益选择可以选择 0.2、0.5、2、5 四种增益；最后的确定键的作用为总开关， 只有当确定键按下之后，单片机才会运行相应的模式。0.2 -I! !-| 模式2AUTOI 模式3AUTO II 1iI；i1；模式选择键I丨增益选择键确定键iJ -I!_一V二-V X4096 图2.3键盘设计电路 out in code显示部分比

6、较麻烦，为了节省I/O端口，开始我们用74HC164和1602显示, 这样只需要4个I/O端口。但是在实际中这种方案是不可行的，因此我们最后选 择用12864作为显示，需要2个I/O端口，实际运行通过。三、软件程序设计3.1 ADC10 采样模块在程序中，每隔 1607个时钟周期对输入的交流进行一次 AD 采样，因为 1607 是一个质数，所以基本可以保证采样在不同的正弦相位，通过 10000 次取点计算 出峰峰值。其流程图如图 3.1 所示。3.11ADC10 主要特性：1）有内部基准1.5v或2.5v,还可以外接基准电压。2）采样对象：可直接向内部温度传感器、芯片供电电 压、外部基准电压采

7、样3）AD 采样起始信号触发方式，软件触发和 Timer_A 控 制触发4）采样的方式：单通道单次，单通道多次，多通道轮 流，多通道重复。5）可单独关闭ADC和基准电压6）采样数据可自动存储在指定的存储空间 ADC10MEM 寄存器中3.12ADC10 初始化设置：主要是基准电压与通道选择的配置1）内部基准电压ADC10内部集成有带隙电压基准，可以产生1.5V或2.5V两种基准电压。 使用内部基准电压具体配置如下：ADC10CTL0I二REFON；（配置内部基准电压1.5v）ADC10CTL0I二REF0N+REF2_5V；（配置内部基准电压 2.5v）REFON：内部基准电压发生器控制0 关

8、闭内部基准电压发生器1 开启内部基准电压发生器REF2_5V：内部基准电压选择1.5V/2.5V0选择1.5V内部参考电压1 选择 2.5V 内部参考电压2）外部基准电压使用外部基准电压具体配置如下：ADC10CTL0|=SREF_x；SREFx :基准源选择0 Vr+=AVcc, Vr-=AVss1 Vr+=Vref+, Vr-=AVss2,3 Vr+=Veref+, Vr-=AVss4 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref-5 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref-6,7 Vr+=AVcc, Vr-=Vref-/Veref-3）通道选择ADC10CTL1|= C

9、ONSEQ_x；COMSEQx :转换模式0 单通道单次转换1 序列通道单次转换2 单通道多次转换3 序列通道多次转换3.2 DAC7811 模块在该模块的软件设计中，我们控制单片机MSP430G2553的3个I/O端口，通 过单片机给DAC芯片写入code值，控制增益倍数。DAC总共16位，12位为数据 位，为4096，因此DAC最大值为4096。3.3 CD4051 模块在该模块的软件设计中，我们控制单片机MSP430G2553的1个I/O端口，控 制CD4051选择OPA2227反馈电阻，进而控制衰减10倍或1倍。3.4 主程序附件 1 为主程序流程图。在该流程图中，我们通过三个按键的切

10、换，选择不 同的模式和增益倍数，进而选择不同的子程序。其关系如下表所示：表 3.4 增益倍数与模式关系表手动档0.2前级衰减Code=4096/10Av0.5前级衰减Code=4096/10Av2前级不衰减Code=4096/Av5前级不衰减Code=4096/Av自动档Avl 时前级不衰减Code=4096/AvAvl 时前级衰减Code=4096/10Av3.5 交流换挡模式附件 2 为交流换挡程序流程图。在交流换挡子程序中，主要根据按键选择增 益倍数不同，控制前级 CD4051 是否衰减，以及 DAC 中计算出相应的 code 值，这 些值都是固定的，如下表3.5。当ADC10采样之后，

11、我们需要计算出输入电压的 值，并将其显示在12864上。表 3.5 交流换挡模式表增益倍数AvCD4051状态DAC7811程序中code值0.20衰减20480.50衰减8192.00不衰减20485.00不衰减8193.6 直流自动换挡模式附件3为直流自动换挡程序流程图。在直流自动换挡主程序中，我们把0.1-5V 的电压划分为很个区间，在区间内，其电压正义和前级衰减关系是固定的， 选择最大增益档位，这样的方法便于程序运行，不需要其判断是否为最大增益 节省时间，其区间关系如下表所示：表3.6 直流自动换挡模式表输入电压区间CD4051状态DAC7811程序中 code 值实现最大增益0.1V

12、i0.4不衰减20485.000.4=Vi1不衰减8192.001=Vi4衰减20480.504=Vi5衰减8190.203.7 自动增益模式附件4为自动增益程序流程图。在自动程序中，我们把输入电压0.110V 的输入电压分为十个区间，先通过采样值判断其区间，然后在区间里确定其 code 值。在判断其是否为最佳增益时，我们选用了求最小值方法，codel和codeO的 采样值都在 10.2V 的区间内，那么如果 code1 比 code0 小，则保留 code1 的值， 并等待下次比较值，若 code1 采样值为最小，则 code1 为最佳增益。采用区间划分的方法可以节省更多的时间，因为在自动增

13、益中其输入电压是 渐变的，并不是稳定不变的，因此我们采样处理时间要尽可能的短一些，如果觉 得区间划分法所需时间很长，可以code从每次自加1提高到每次自加10,也可 以考虑 PID 算法。四、心得与体会在分配任务值初，应该合理的分配 I/O 端口，在单片机上只有 14 个端口可以让我们使用，那我们在显示方面使用 2 个 I/O 端口佬控制 12864；在按键方面，我们使用3个I/O端口； CD4051使用1个I/O端口； DAC7811使用3个I/O端口。 因此在I/O端口方面，还是够用的。另外要主要的是，组长应该在分配任务值初，规定一下程序编程时格式要求、 变量定义和文件名称的统一，这样在后

14、面调试的时候更加轻松。在硬件方面要特别注意， OPA2227 和 DAC7811 都是非常小的芯片，不要随意 的去掰其引脚，很容易断裂，在焊接时，应采用转接板进行焊接，对芯片起到一 个很好的保护。在显示方面，1602加74HC164是不可以显示的，我们采用12864显示，使用 的I/O端口更少，并且12864能显示汉字，这是1602不能做到的。在按键上，可以有很多种方法，但是那个确定键是必不可少的。如果没有确 定键的话，我们要进入模式 3 自动增益模式，那么按键程序必定会经过模式 1 与模式2，单片机便会认为你选择模式 1 和模式 2，单片机会执行相应的子程序， 因此确定键在这起到一个总开关的作用，只要确定键没有按下，你可以任意的切 换模式与增益，当确定键按下后，程序便会进入你设好的模式当中，防止其跑飞。附件：开始结束自动增益模式直流自动 换挡模式4 显示数据*按键选择 模式、增益交流换挡模式显示界面附件 1 主程序流程图Z开始按键选择模式、增益控制 DAC7811,CD4051附件 2 交流换挡程序流程图附件 3 直流自动换挡程序流程图附件 4 自动增益程序流程图