数控增益放大器设计论文文档格式.docx

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3.2调试原理及步骤-12-

4结论-13-

5原件列表-14-

6参考文献-15-

7附表-16-

0绪论

在自动测控系统和智能仪器中，如果测控信号的范围比较宽，为了保证必要的测量精度，常会采用改变量程的办法。

改变量程时，测量放大器的增益也应相应地加以改变，.这种变化通常是自动进行,即不需要人为的改变电路连接,而是通过软件控制放大器增益的改变，这样可以实现仪器量程的自动切换.；

另外，在数据采集系统中，对于输入的模拟信号一般都需要加前置放大器，以使放大器输出的模拟电压适合于模数转换器的电压范围，但被测信号变化的幅度在不同的场合表现不同动态范围，信号电平可以从微伏级到伏级，模数转换器不可能在各种情况下都与之相匹配，如果采用单一的增益放大，往往使A／D转换器的精度不能最大限度地利用，或致使被测信号削顶饱和，造成很大的测量误甚至使A／D转换器损坏。

在核测量中,稳谱的方法之一就是改变输入信号的放大倍数.这就需要用到数字控制放大器,并针对该仪器要解决的具体问题要求放大器的放大倍数在一定范围内变化,并且放大倍数调节要求精细.该文提供了这种数控放大的一种设计方案,

使用数控增益放大器就能很好地解决这些问题，而且可以通过控制器实现量程的自动切换，或实现全量程的均一化，从而提高A／D转换的有效精度。

因此，数控增益放大器在数据采集系统、自动测控系统和各种智能仪器仪表中得到越来越多的应用。

1任务内容及要求

方向：

模拟电子技术+数字电子技术研究

要求：

1．按键决定放大增益；

2．至少设计5档增益放大；

3．器件：

集成电路+分立元件；

4．仿真设计与硬件设计；

5．设计说明书

2电路原理设计

2.1设计总思路流程

2.1.1基本原理

　　数控增益放大器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，其基本原理如图2.1.1所示。

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。

　　由公式（2.1）可知放大器增益G：

电路通过数字编码控制模拟开关切换不同的增益电阻，从而实现放大器增益的软件控制。

最简单的实现方法是基于上述基本原理实现的数控增益放大器。

该电路由运算放大器、模拟开关和一个电阻网络组成。

其特点是可通过选用精密测量电阻和高性能模拟开关组成精密数控增益放大器。

图2.1.1

2.1.2设计流程

本设计主要运用电压并联负反馈电路，根据公式（2.1）可以算出放大器的放大倍数。

如图2.1.2，其中只要

的值合理改变，根据上述公式就可以达到实现放大倍数可调。

由此，本设计中采用51单片机，双向可控硅，多个不同阻值的精密电阻等的有机联合实现了调节

阻值的大小，最终是现了放大倍数可调的目的。

2.2.152单片机的概述

图2.2.1

本设计采用的单片机为AT89C52。

AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容，如图2.2.1。

其主要工作特性是：

片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；

片内数据存储器内含256字节的RAM；

具有32根可编程I/O口线；

具有3个可编程定时器；

中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；

串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

具有一个数据指针DPTR；

低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

具有可编程的3级程序锁定位；

AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；

AT89C52最高工作频率可为24MHz。

由于全新的加密算法，这使得对于89S52的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯；

在兼容性方面：

向下完全兼容51全部字系列产品。

比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。

也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S52上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

而且AT89S52的功能完全满足本设计的要求，而且它支持ISP在线编程功能，方便调试程序。

2.3OP07运放器设计

2.3.1OP07放大器的概述

OP07放大器参数

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。

由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。

OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±

2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

OP07的优良特性使它特别适合作前级放大器，放大微弱信号。

使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。

主要特点：

1.低输入失调电压：

75uV（最大）

2.低失调电压温漂：

1.3uV/℃（最大）

3.低失调电压时漂：

1.5uV/月（最大）

4.低噪声：

0.6uVP-P（最大）

5.宽输入电压范围：

±

14V

6.宽电源电压范围：

3V～18V

图2.3.1

　2.3.2OP07放大器原理

图2.3.2

由于运算放大器的增益极高，所以不能在两输入端之间加上输入信号，而一定要用作反馈放大器。

（a）同相放大电路：

首先，我们来讨论同相放大电路。

设IN+端和IN－端的电压分别为

和

，并认为运算放大器的增益无限大，则为要获得有限的输出电压，则两个电压相等。

这点则是运算放大器工作中的一大特征。

在此前提下，分析电路工作就能变得十分简单。

根据此特征，输入与输出的关系为：

（b）反相放大电路

下面我们来分析反相放大电路。

=

，这点是与同相放大电路情况相同的，所以

=0V。

这样，尽管有输入信号，然而端处为0V。

恰似接地，所以被叫做假想接地。

于是，若讨论流经

的电流I，由于运算放大器的输入电流为0，则据此，可得出输入与输出的关系可见，同相放大器和反相放大电路，是从对应于输入，其输出是否倒向这一事实出发而得名的。

（C）实际的运算放大器

以上所述是均是理想的运算放大器的情况。

实际上，运算放大器的增益不可能无限大，有电流向、端子流入（或流出），并且其电流不一定相等。

即使在无信号时，

、

之间也有一定的电压。

2.4反馈网络设计

2.4.1可控硅原理

可控硅又叫晶闸管。

自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。

今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极如图2.5.1：

第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。

从晶闸管的电路符号〔图2（b）〕可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。

图2.4.２

图2.4.1

晶闸管的特点：

是“一触即发”。

但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。

控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。

那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?

使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。

如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。

如图2.4.2。

晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。

注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极。

这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极。

晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。

现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通；

再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。

要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。

晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。

可控硅的主要参数有：

　　1、额定通态平均电流IT在一定条件下，阳极---阴极间可以连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。

　　2、正向阻断峰值电压VPF在控制极开路未加触发信号，阳极正向电压还未超过导能电压时，可以重复加在可控硅两端的正向峰值电压。

可控硅承受的正向电压峰值，不能超过手册给出的这个参数值。

　　3、反向阴断峰值电压VPR当可控硅加反向电压，处于反向关断状态时，可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。

使用时，不能超过手册给出的这个参数值。

　　4、控制极触发电流Ig1、触发电压VGT在规定的环境温度下，阳极---阴极间加有一定电压时，可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极电流和电压。

5、维持电流IH在规定温度下，控制极断路，维持可控硅导通所必需的最小阳极正向电流。

2.4.2反馈网络设计

通过控制双向可控硅的通断，反馈电阻的值将改变。

单片机的I/O输出口输出一定的值到各个双向可控硅的控制极控制可控硅通断，组合出不同的反馈电阻值，如图2.4.2。

图2.4.2

3电路板调试

3.1调试工具

万用表，示波器，波形发生器。

3.2调试原理及步骤

采用示波器将测出运放受单片机及可控硅控制前后的输入输出电压，根据公式（2.1），从而可以确定设计成功与否。

在多次测试过程中，示波器检测到的波形出现失真，或者不出现波形等情况，之后又有放大倍数达不到预先的要求，比如不连续，间隔跳跃厉害。

最后在精确计算过所需电阻之后，勉强可达到要求。

4结论

运算放大器在电路中发挥重要的作用，其应用已经延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域，并将在支持未来技术方面扮演重要角色。

在实际应用电路中，数控增益放大器的实现要根据不同的要求，选择相应的实现方式。

为了提高数控增益放大倍数的精度，电路要选用精密电阻网络并要精密匹配，同时要减小电路中控制开关导通电阻的影响，并要根据精度的不同要求选用不同级别的模拟开关。

随着数控增益放大器电路的精度越来越高，应用越来越