低频相位测量仪软件设计.docx
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低频相位测量仪软件设计
可变增益放大器的硬件设计
摘要
本设计由三个模块电路构成：
前级高共模抑制比仪器放大器、AD7520衰减器和单片机控制模块。
为提高共模抑制比，在前级高共模抑制比仪器放大器中还将输出共模电压反馈到正负电源的公共端，使运放电源电压随共模输入电压浮动，各极偏置电压都跟踪共模输入电压，从而提高了共模抑制比。
AD7520衰减器利用电阻网络的可编程性，控制衰减器衰减率的数字编程，实现了自动控制。
单片机控制模块除可以控制液晶显示外，还可进行数字处理和对AD7520的控制。
该方案已基本满足了设计要求，能完成测量的需要。
关键词高共模抑制比 AD7520衰减器 单片机
VARIABLEGAINAMPLIFIERHARDWARE
DESIGN
ABSTRACT
Designfromanelectriccircuitcomposingofthreemolds:
Thehightotalmoldofex-classrepressestoturntocomparetheinstrumentenlarger,theAD7520attenuatorandasingle-chiptocontrolthemoldpiece.Inordertoenhancecommon-moderejectionratio,thefirst-classhighCMRRinstrumentationamplifieroutputcommon-modevoltagewillbefedbackintothepositiveandnegativepowerofthepublicside,sothatthesupplyvoltageoperationalamplifierwithcommon-modeinputvoltagefluctuations,theextremebiasvoltagearetrackingthecommonmodeinputvoltage,therebyenhancingthecommonmoderejectionratio.theAD7520attenuatormakesuseoftheelectricresistancenetwork,controllingthenumericalplaitdistancethattheattenuatortoreducetherate,carryingouttheautomaticcontrol.InadditiontocontroltheLEDmanifestation,amachinecontrolmoldpiececanalsocarryonthenumeralprocessingandandAD7520control.Thatprojectwasalreadybasictosatisfythedesignrequest,cancompletethemeasureddemand.
KeywordthehighCMRRAD7520attenuatorsingle-chip
1绪论
可变增益放大器能够将微弱的电信号进行放大，在生活中应用也十分广泛，如在自动控制领域，往往需要用电压信号进行控制，也就必然离不开电压可变增益放大器，由于可变增益放大器应用十分广泛，因而现在已经有集成的测量放大器供使用了。
本次毕业设计就是围绕测量放大器展开的，同时还设计了放大器的一些外围电路，如电源电路和显示电路和键盘控制电路，可变增益放大器主要是通过运用集成运放将所测量的信号进行不失真的放大，为提高共模抑制比，在前级高共模抑制比仪器放大器中还将输出共模电压反馈到正负电源的公共端，使运放电源电压随共模输入电压浮动，各极偏置电压都跟踪共模输入电压，从而提高了共模抑制比。
测量放大器广泛应用在仪器仪表、工业控制机等设备的信号检测、处理和放大电路中。
并不对所测量的电路产生影响，这就需要可变增益放大器有较高的输入电阻和较高的共模抑制比。
1.1可变增益放大器简介
放大器是电子系统的重要组成部分，了解和掌握放大器的设计对于学习和应用电子系统有很大的帮助。
信号检测中的放大电路有很多种类型，实际系统中常采用的有测量放大器和隔离放大器。
可变增益放大器又称为数据放大器或仪表放大器，常用于温度、速度等的测量以及其他有较大共模干扰的缓变微弱信号的检测。
可变增益放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。
差分放大器和可变增益放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。
标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和可变增益放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（CMRR）。
它们通常不需要外部反馈网络。
1.2课题研究的背景与意义
在精密的数据采集场合，常常采用仪用放大器，利用它所具有的高输入阻抗、高共模抑制比和精确的电压增益，但对称的电路结构给实际应用带来不便，对外围元件的公差要求严格，所以在应用中受到限制。
为此，我们设计了带高共模前置放大电路的测量放大器，它具有高共模抑制比的特点，弥补了传统仪用放大器的不足。
2方案论证
2.1放大电路
2.1.1前级高共模抑制比仪器放大器部分
方案一：
简单的仪器放大器是由仪器和可变增益放大器级联而成。
如将R—2R的D/A看成一个可数控的电阻网络来实现增益可变放大，其放大倍数将由单片机送到D/A的数据决定。
该种方法的优点是电路简单，单片机控制也不复杂，易于实现，但是其电路结构决定了它不能满足发挥部分提出的放大倍数步距为1的要求，该电路的D1和和放大倍数的关系如图2-1所示，而且前级零漂会影响后级，特别是在后级放大倍数很大时，影响更大。
图2-1简单测量放大器
方案二：
同相关联式高阻仪器放大器，见图2-2。
线路前级为同相差动放大结构，要求两运放的性能完全相同，这样，线路除具有差模、共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益，失调及其漂移产生的误差也相互抵消，因而不需要精密匹配电阻。
后级的作用是抑制共模信号，并将双端输出转变为单端放大输出，以适应接地负载的需要，后级的电阻要求精度高且匹配。
增益分配一般前级取高值，后级取低值。
经比较，方案二既可满足题设要求，电路又不太繁琐，控制较简单，成本又不高，所以采用该方案。
图2-2同相关联式高阻测量放大器
2.1.2程控增益放大部分
为了改变放大器的增益，一般有两条途径：
一是改变反相端的输入电阻阻值，二是改变负反馈电阻阻值。
通过设计一个电阻网络和开关来实现这种功能。
方案一：
采用模拟开关或继电器作为开关，构成梯形电阻网络，由单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而改变电压增益。
此方案的优点在于继电器的导通电阻小，断开电阻大，损耗较少，且有很好的隔离作用。
但缺点是电阻网络的匹配难以实现，且占用体积大，速度较慢。
因此，给调试工作将带来很大的困难。
图2-3程控增益放大部分电路
方案二：
为了解决电阻网络的匹配问题，考虑能否利用集成的高精度电阻网络。
鉴于D/A转换器能把数字量变为模拟量，它的内部结构一般是电阻R-2R梯形网络，并集成有多路模拟开关。
因此，我们采取了与常规D/A变换不同的用法，巧妙地反向利用D/A转换器的内部电阻网络实现此功能。
又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A转换芯片，由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，结构简单，通用性好，配置灵活，其内部电阻网络由薄膜电阻构成，激光修正，相对于继电器和模拟开关等设计电阻网络而言，具有精确度高、体积小、控制方便、外围布线简化等特点。
因此，最后采用方案二来实现程控电压增益。
由数字量控制的R-2R梯形网络在反馈回路上等效为输入电阻Rpo。
从参考电压VR流经梯形网络至IOUT1端的电流IF'和没有分流电阻R0时的电流，I（IOUT1）相比，其关系为，If=（D/1024）×I，故Rf=（1024/D）×R0。
因此，这种程控增益放大器的增益A为数字量D与放大器增益A的关系表2-1
表2-1数字量D与放大器增益A的关系
数字输入D
放大倍数A
11111111
1023
10000000
512
00000001
1
00000000
开路
通过调节Rfb的值，可使上表的对应关系得以满足。
2.2控制电路
方案一：
数字电路实现方法
根据放大倍数以步距1在1～1000范围内变化的要求，可用十位拨码开关对D/A置数来设置放大倍数，并手动切换三挡增益。
该方案电路简单，但置的是十六进制数，使用者必须根据增益在哪一挡来换算放大倍数，且只能实现预置数功能。
方案二：
单片机实现方法
MCU最小系统可由MCS-51系列芯片或其派生芯片构成，程序存储器有2kbyte容量已足够。
采用4片BCD拨码盘作为数值预置设定的输入单元，输入范围为0～9999，八位LED显示电路显示提示符及放大倍数。
用BCD拨码开关实现步进。
在软件的控制下，单片机开机后先将预置数读入，在送去显示的同时送入D/A，并作相应处理。
表2-2两种控制电路性能对照表
性能
数字电路实现方法
单片机实现方法
控制精度
两者相同，仅取决于输出电路
控制方式
较繁
灵活
控制能力
受硬件限制较大
扩展容易且自动调节
实现功能
较单一
过电压保护，高共模抑制比
显然，方案二采用单片机控制，其效果优于前者。
3系统设计
3.1总体设计思路
根据设计要求，我们充分利用了模拟和数字系统各自的优点，发挥其优势，采用单片机控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度；采用仪器放大器输入，大大提高了放大器的品质。
由运放构成的前级高共模输入的仪表差动放大器，对不同的差模输入信号电压进行不同倍数的放大，再经后级数控衰减器得到要求放大倍数的输出信号。
每种信号都将在单片机的算法控制下得到最合理的前级放大和后级衰减，以使信号放大的质量最佳。
另外采用四位KSA-3型的BCD拨码开关，用来预置调节差模电压增益。
它的优点是断电后再开启时，不用重新置数。
89C51系统包括89C51、74LS373以及8255等外围芯片。
显示驱动芯片采用MAXIM公司的多功能串行LED显示驱动器MAX7219.它内含位和段驱动电路及自动扫描控制电路，还有8×8位的静态存储器以及七段16进制显示码和10进制显示译码电路。
该电路采用单一+5v电源供电，数据在电压降至2V时仍可保存不丢失。
它与MCS-51系列单片机的接口非常简单，而且8位LED数码管直接与MAX7219相连，不需接上拉电阻。
通过改变电桥桥臂电阻得到一差模信号，信号先经前端放大，此级放大的主要作用是提高共模抑制比，减少零漂。
接着经程控增益放大后，调节放大倍数，使显示与实际放大倍数对应。
图3-1系统原理方框图
3.2原理分析和说明
3.2.1测量放大器的设计
1.基本原理
测量放大器是在高精度集成运算放大器的基础上起来的运算放大器，其主要特点是，极高的共模抑制比，极高的输入电阻，可以达到上千倍的闭环电压增益，极低的噪声。
在工业自动控制等领域中，常需要对远离运放的多路信号进行测量，由于信号远离运放，两者地电位不统一，不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引入的误差。
为了抑制干扰，运放通常采用差动输入方式。
对测量电路的基本要求是：
①高输入阻抗，以抑制信号源与传输网络电阻不对称引入的误差。
②高共模抑制比，以抑制各种共模干扰引入的误差。
③高增益及宽的增益调节范围，以适应信号源电平的宽范围。
以上这些要求通常采用多运放组合的电路来满足，典型的组合方式有以下几种：
同相串联式高阻测量放大器，同相并联式高阻测量放大器，高共模抑制测量放大器。
2.高共模抑制比的实现
由于差模放大器具有良好的共模抑制能力，因此，在高共模抑制比电路的实现中往往采用差动放大器。
为了获得尽可能高的共模抑制比，通常差动放大器的各个电阻选择用一阻值的电阻，这样带来的问题是输入阻抗低和增益低，这是因为差动放大器在完全对称的条件下才能达到集成运算放大器自身的共模抑制比，少有一点的不对称就会降低电路的实际共模抑制比。
同一批号同一阻值的电阻往往阻值基本一致，相互之间的阻值容差远优于绝对精度，这就是差动放大器的各个电阻均选用同一阻值的原因。
为了解决上述问题，通常在差动放大器的输入端接入高输入高阻抗和高共模抑制比的同相并联差动运算放大器。
3.同相并联差动运算放大器
（1）基本电路
图3-2是同相并联差动运算放大器的基本电路。
差动输入信号和共模输入信号从两只运算放大器的同相端输入，所以他的差动输入电阻和共模输入电阻都很大。
电路的平衡对称结构使两只放大器的共模增益，失调及其飘移所产生的误差电压具有相互抵消的作用，和串联组合电路相比，并联组合电路的主要优势是不需要精密的匹配电阻，而且能差动输出，适用于不接地的“浮动”负载，缺点是输出信号中有较大的共模信号。
图3-2同相并联差动运算放大器的基本电路
在这个电路中，并不要求外部回路电阻，用任何形式的匹配来保证自己的共模抑制比能力，这就避免了精确匹配电阻所遇到的问题，实际上，加在电位器
上的差动电压决定了整个电路的工作电流，而加在电位器
上的共模电压却对这个差动电流毫无影响，不论其他电阻取何值都是如此，所以电路的共模抑制比能力与外部回路电阻是否匹配完全无关。
考虑到平衡对称结构有利于克服失调及其漂移的影响，故在实际应用时常取
（3-2-1）
这样，增益的常用表达式为
（3-2-2）
改变电位器
的滑动比
，就能使增益在它的最小值
（3-2-3）
与某一个高增益之间进行调节。
可见增益调节相当简单。
虽然电路的共模抑制能力与外部的电路阻值是否匹配无关。
而且电路的对称结构有利于相互抵消两只放大器的共模抑制比所造成的影响，但当两个运放A1和A2的
和
的输入端不等时，应用电路的共模抑制比仍是有限的，可以证明，图3-2中电路的共模抑制比为：
（3-2-4）
因此，提高电路共模抑制比的关键在于使A1和A2的共模抑制比尽可能匹配。
上述分析说明，两只运放的性能参数若能匹配，就可以充分发挥对称电路误差电压相互抵消的长处，这种利用电路结构对称，失调互补的原理已成为获得低漂移放大器的一种基本方法。
（2）性能改进
上述电路的主要缺点是，它按1:
1的比例把输入端的共模信号传递到输出端，共模输入信号有多大，共模输出信号就有多大，此外，由于共模输出信号占用了一定的工作范围。
所以差动信号的有效工作范围变窄了。
因此，它只适宜于工作在低增益，共模输入信号较小的场合。
对于接地负载，或者不希望输出电压包含共模信号的负载，基本电路必须加以改造才能胜任。
显然，抑制共模信号传递的最简单的方法是基本同相并联电路后，再接一级差动运算放大器，它不仅能割断共模信号的传递，还将双端输出变为单端输出，适应接地负载的需要，其电路如图3-3所示。
图3-3改进电路
它是图3-2中同相组合电路与基本差动放大器的简单串联，它们互相取长补短，使组合电路具有输入阻抗高、增益调节方便、飘移相互补偿，以及输出不包含共模信号等一系列优点，其代价就是所用组件数目较多，共模抑制能力有所下降。
不难证明，这个电路的理想闭环增益为
（3-2-4）
共模抑制比为
（3-2-5）
假如
（3-2-6）
则上式近似为
（3-2-7）
式中，
和
为A1和A2组成的前置级的理想闭环增益和共模抑制比，
为组成的输出级的共模抑制比。
为了获得尽可能高的共模抑制比和低噪声。
在实现测量放大器时，可以采用OP07作为电路的放大器，采用三只OP07D的电路中，要求电阻的精度和温度稳定性极高。
OP07特点介绍：
1）低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）
2）极低的输入失调电压—10μV
3）极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃
4）具有长期的稳定性—0.2μV/MO
5）低的输入偏置电流—±1nA
6）高的共模抑制比—126dB
7）宽的共模输入电压范围—±14V
8）宽的电源电压范围—±3V～±22V
在没有更好的集成运算放大器的条件下，实现测量放大器的最好方案是应用通用集成运算放大器OP07，为了充分发挥OP07的性能，要将OP07的调零电路包括在测量放大电路之中，其电路图如3-5所示。
为了改善集成运算放大器的电源阻抗，在每个集成运算放大器的正、负电源端对地均接有用于旁路的电容。
图3-4测量放大器实际电路图
3.2.2数字控制的衰减电路的设计
本系统的控制由单片机完成，任一输入信号都将在前级放大的基础上再经后级数控衰减器才得到最终的放大倍数，因此其控制特色主要也体现在这两个方面。
首先是在前级放大器的控制上。
电流输出型DAC内含R-2R电阻网络,可以作为运放的反馈电阻或输入电阻,在DAC输入数据的控制下,实现放大器增益的程控改变。
AD7520为10位CMOS双DAC,分别用作可变输入电阻和可变反馈电阻,该电路该电路的优点是无需外接精密电阻,增益完全由输入的数字量决定,可以对信号进行放大或衰减,使用方便。
D/A转换器AD7520的管脚排列如图6-2所示。
将模拟信号从参考电源端输入，而放大倍数所转换成的二进制从BIT1～BIT10输入。
设计中要求将信号放大0～1023倍。
十位二进制能表示的最大十进制为1023。
如果将每位定为0，则十进制也为0；如将十位二进制全定义为1，则（1111111111）B=1023。
图3-6AD7520引脚排列
用一片DAC和一只运算放大器即可组成数字控制的衰减器电路，如图2.1所示。
当运算放大器的输出端接至AD7520的Rfb端时，该电路就是一个可由数字控制的衰当运算放大器的输出端接至AD7520的Rfb端时，该电路就是一个可由数字控制的衰减器电路。
在作衰减器电路时输入电压从AD7520的参考源输入端加入。
输出电压的表达式推导如下：
将
（3-2-8）
代入IO=IREF（D12-1+D22-2+……D102-10）（3-2-9）
通过运算放大器将输入电流转换成电压输出，得
IO=VREF/R（D12-1+D22-2+……D102-10）（3-2-10）
因为，所以得
VOUT=-VIN（D12-1+D22-2+……D102-10）（3-2-11）
在衰减器电路中，由一片D/A构成的控制器在单片机的控制下对用户预置的放大倍数作出响应。
单片机控制的可变增益的衰减器AD7520可看成一个R-2R电阻网络，而10位数据口的输入则相当于对该网络的输出电阻进行编程，对于输入不同的数字量，得到不同的输出输入电压比。
由于前级放大器已经作了相应的放大，后级又作了同样的10倍放大，所以只要调整相应的衰减率就可得到要求的放大倍数。
因此我们用的10位DAC，数字量每改变一个bit,该模块的衰减就变动1/1024,完全可以实现题目要求的步距为1的指标。
例如要求得到203倍的放大倍数，只要做203/1024的衰减、就可得到102.4×10×203/1024＝203的放大倍数，也就是说，只要给AD7520置数OCBH（203D）就可以了。
又如要放大50倍，则做500/1024的衰减，就有10.24×10×500/1024=50的放大倍数。
3.2.3单片机最小系统电路的设计
由MCS-51系列的单片机和显示及键盘模块构成了单片机最小系统，以完成单片机控制和输入输出接口功能。
1.数码管显示电路的设计
LED显示驱动芯片的选取目前市面上已有的LED显示驱动芯片种类繁多，从性价比以及功能实用性的角度考虑本文选择MAXIM公司的多功能串行LED显示驱动器MAX7219.
MAX7219是一款串行共阴极数码管动态扫描显示驱动芯片，其峰值段电流可达40mA，最高串行扫描频率为10MHz，典型扫描频率为1.3kHz，仅使用3线串行接口传送数据，可直接与单片机接口，用户可以方便的修改其内部参数以实现多位LED显示。
它内含硬件动态扫描显示控制电路，每片芯片可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED。
当多片MAX7219级联时，可控制更多的LED。
总的来说，本文选用MAX7219是基于以下考虑的：
a．MAX7219可方便的对每位LED进行单独控制、刷新，不需重写整个显示器寄存器。
b．外围电路仅需一个电子即可，可设定峰值段电流，可用于亮度调节，同时也支持软件方式调整显示亮度。
c．通信方式采用串行数据方式，可与任何一种单片机方便的接口，仅使用单片机的3个I/O口即可完成四位LED数码管的显示控制和驱动。
d．可设置为低功耗模式，此模式下单片机仍可对其传送数据和修改控制方式，而且芯片耗电仅为150
其引脚分布如图3-7所示。
图3-7MAX7219引脚图
引脚功能说明如下：
DIN（1脚）：
串行数据输入脚。
在CLK上升沿，数据装入内部的16位移位寄存器中。
DIG0～7（2、11、6、7、3、10、5、8脚）：
8位数位驱动线。
输出位选信号，从LED的公共阴极吸入电流。
GND（4、9脚）：
装载数据输入脚。
在LOAD上升沿，串行数据的最后16位被锁存。
CLK（13脚）：
串行时钟输入脚。
做个输入频率为10MHz,在CLK的上升沿，数据移入内部一位寄存器；在CLK的下降沿，数据被移至DOUT端。
SEGA～G,SEGDP（14、16、20、23、21、15、17、22脚）：
LED7段显示器段驱动脚，其中SEGDP为小数点段驱动脚。
ISET（18脚）：
LED段峰值电流提供脚。
它通过一只电阻与电源相连以设置LED段峰值电流。
V+（19脚）：
+5V电源端。
DOUT（24脚）；串行数据输出脚。
DIN引脚输入的时间在16.5个时钟周期后送到DOUT脚输出。
此引脚可用于以菊花链的方式级联多片MAX7219.
本模块要实现的是4位数码管显示，因此，选择4个8段共阴极数码管作为显示输出设备。
实际的显示电路如图3-8所示：
2.按键电路的设计
键盘输入的选择：
采用4片BCD拨码盘作为数值预置设定的输入单元，输入范围为0～9999，可满足本系统的要求。
每位BCD码盘占4条线，通过上拉电阻接入8255可编程并行I/O扩展口。
4片BCD码盘占8255的A、B两口，8255工作方式设为"0模式"，A、B两口均为输入方式。
开机后，单片机读8255口操作，即可将BCD码盘的设定的放大倍数读入并存人相应的存储单元。
部分电路如图3-9所示：
图3-8数码显示电路
图3-9数值预置电路
3.2.4电源电路的设计
（1）电源电路（见图3.10）本方案的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流,单电容滤波,三端固定输出的集成稳压器件.输出电路出+15V稳压供给,从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标,所有的集成稳压器根据功耗均安装充分裕量的散热片。
-15v
图3-10电源电路
3.2.5键盘扩展电路设计
8255A是Intel公司生产的一种可编程并行I/O接口芯片，是专门针对单片微机而开发设计的，其内部集成了锁存、缓冲及与CPU
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