程控增益直流放大器Word格式文档下载.docx

程控增益直流放大器Word格式文档下载.docx

《程控增益直流放大器Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《程控增益直流放大器Word格式文档下载.docx（59页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

10

完成第

（2）项

15

完成第（3）项

完成第（4）项

其它

5

2.方案论证与比较

根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1所示，下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。

2．1放大方案

方案一：

简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现。

为了满足增益0-100倍，而且步距可调的要求，可以采用多级放大电路实现。

对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路电路实现自动增益的调节。

本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂而且难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。

此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。

方案二、同相控放大器

同相型放大器的基本电路如图3所示，放大器的增益G也只取决于回馈电阻Rf和电阻Ri，即：

G=1+Rf／Ri

（2）

图3同相放大器的基本电路

实际运用中，可以采用如图4所示的电路。

在图4（a）中，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，输人阻抗可达10n，因而开关的导通电阻对放大器增益的影响可以忽略不计。

在图4（b）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：

电阻的匹配，阻值的误差，温度特性的不一致等都会导致其性能不太理想，而且占用体积大，速度慢。

因此，给调试工作将带来很大的困难。

图4同相型可变增益放大器的电路

方案三、DAC型可控放大器

DAC型程控放大器由DAC和运算放大器组成，其原理是利用DAC的乘法功能实现可变增益控制。

DAC内部主要由R一2R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，其内部等效电路如图5所示，在基准输入电压固定不变的情况下，当输入的数字量从全⋯0’逐步变化到全“1”时，从／outl引脚流出的电流从0逐步增加（f2引脚流出的电流从大到小逐步变化），其关系为

Iout1=（Vref／R）·

（D/2n）（3）

式中：

R为DAC电阻网络中电阻1R的值；

n为DAC的位数；

D为输入的数字量（范围为0～2n）。

图5DAC内部等效电路

由DAC组成的程控放大器如图6所示。

在图6（a）中，模拟输入信号从DAC的基准电压输入

端引入，DAC的lout接到运算放大器的反相输入端，通过外接回馈电阻（也可以使用芯片内的回馈电阻）构成反相放大器，该电路的输出电压为：

Uo=（Uj／R）·

（D／2n）·

Rf（4）

电路增益G为

G=一（Rf／R）·

（D／2n）（5）

图6（b）是DAC型程控放大器的另外一种电路。

其将DAC接入反相放大器的回馈支路，外接1个输

入电阻R；

（也可以使用芯片内的回馈电阻），该电路的增益G为

G=一（R／Ri）·

（2n／D）（6）

R为DAC电阻网络中电阻1R的值；

D为输入的数字量，范围为1～2n

（因为输入的数字量为0时，放大器处于开环状态）。

图6DAC型程控放大器的电路

此类程控放大器的优点：

由于DAC中的R一2R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，从式（5）和式（6）可以看出：

只要取合适的输入电阻R；

或回馈电阻R，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，而且电路简单，单片机控制也不复杂，易于实现，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；

电路的信噪比也较差，另外，该电路的D与放大倍数的关系如下表格所示：

（以十位的DA为例）不能满足设计要求。

数字输入（D）

放大倍数

11111111

1023/1024

10000000

1/2

00000000

1/1024

开环

方案四：

为了避免上述情况，可以采用芯片TLV5616，的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。

有因为TLV5616是一种12位的D/A转换芯片，输出Vout=Dn*Vref/212,其中Dn为12位数字量输入的二进制值，可满足212=1024挡增益调节，满足题目的精度要求。

它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围部线简化等特点，故可以采用TLV5616，来实现信号的程控衰减。

但由于TLV5616对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mV-V每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达TLV5616之前经过适当的放大调整，通过TLV5616衰减进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与TLV5616的衰减分母抵消，即可实现程控放大。

经比较方案四即可以满足题设要求，电路又不太繁琐，成本又不高，所以采用该方案。

2.2低通滤波方案

采用一阶低通滤波.一阶滤波器的效果还不够好，它的衰减率只是20dB/十倍频。

若要求响应曲线以–40或–60dB/十倍频的斜率变化，则需采用二阶、三阶或更高阶次的滤波器，而高于二阶的滤波器可由一阶和二阶有源滤波器构成

一阶有源低通滤波电路

方案二、有源滤波电路为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，如右图所示，这样就构成了有源滤波电路。

若要求响应曲线以–40或–60dB/十倍频的斜率变化，则需采用二阶、三阶或更高阶次的滤波器，而高于二阶的滤波器可由一阶和二阶有源滤波器构成。

方案三、出于题目要求以及性能的考虑我们又设计了如下的电路，采用二阶压控电压源低通滤波电路。

其原理图如下。

它由一次滤波器和2次滤波器级联，获得规定的衰减特性。

在此电路中，1次区间的电容C1为：

C1=

C1=C0，C2=2C0，C3=0.5C0

f=

2次区间为得到规定的Q，需要C1>

C2,这样必须要准备3种静电容量不同的电容，

该方案通过软件和实际调试可以达到实际要求而且效果较好，所以采用该方案。

3．系统设计

3．1总体设计思路

根据题目的要求，我们认真取舍，充分考虑了多种放大器和D/A的优缺点以及价格问题，我们选择了TLC5616、OP07和INA145。

大大提高了系统的精度；

和放大器的品质。

在经过两片放大器的对信号有一定倍数的放大之后，再经后级数控衰减器得到要求的放大倍数的输出信号。

每种信号都将在单片机的算法的控制下得到最合理衰减，以使信号放大的质量最佳。

下图即本系统的原理方框图。

3．3主要电路说明

3．3．1电源电路

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。

输出电路由15v稳压供给，从而大大提高电压调整率和负载调整率等指针。

所有的集成稳压器根据功耗均安装有充分裕量的散热片。

3．3．2单片机最小系统电路

由MCS-51系列单片机，一个4*4的键盘和12846的LCD液晶显示器构成了单片机最小系统，以实现单片机控制电路和人机接口功能。

3．3．3放大电路

为了使信号不失真，我们采用了前端差动放大级进行前端增益放大。

后级放大采用op—07，高精度、漂移的运放来实现后级的放大。

3．3．4数字控制的衰减器电路

用一片DA芯片和运算放大器即可组成数字控制的衰减电路，如图所示。

当运算放大器的输出端接至ADS1286的Rfb端时，该电路就是一个可由数字控制的衰减器电路。

在作衰减器电路是输入电压从ADS1286的参考源输入端加入。

输出电压的表达式推导如下：

将

IREF=VREF/R，Vref=Vin

代入IO1=IREF（D12-1+D22-2+·

·

+D102-10）

通过运算放大器将输入电流转换成电压输出，得

IO1=VIN/R*（D12-1+D22-2+·

因为VOUT=–IO1R，所以得

VOUT=–VIN（D12-1+D22-2+·

3．4系统电路说明图

四．系统软件设计

本系统主要涉及单片机和模/数转换器、数/模转换器的程序调整。

能否很好的让AD和DA工作是本系统的关键。

除此之外单片机还承担控制键盘调整电路和使液晶显示的任务。

单片机通过扫描判断单片机的键值，并且通过键值来实现菜单和各个接口的控制。

通过改变键值来控制DA的衰减功能。

4．1程序总体流程图

4．2各功能模块流程图

（低通滤波）

（前端放大）

（DA衰减）

（后级放大）

（数据采集）

（控制电路）

五．调试实践

5．1硬件调试

根据前面所提方案的要求，调试过程共分三大部分：

硬件调试、软件调试和软硬件连调。

其中硬件调试又可分为两部分：

数字部分和模拟部分。

5．1．1数字部分

根据放大倍数以步距1、2、5、10、20、50的范围内变化的要求，可通过十六进制数在单片机内经过运算实现置数功能。

5．1．2模拟部分

模拟部分是整个系统中最重要的环节。

放大电路产生误差的原因很多，一般有：

运放的输入偏置电流、失调电压和失调电流及温漂；

电阻器的实际值与标称值的误差，且温度的变化，电源的变化、干扰和噪声都会造成误差。

元器件的选择是高性能放大的保证，电阻的选择要尽量的精确

5．2软件静态调试

主要为检查语法错误以及程序的逻辑结构错误。

5．3软硬件联调

由于硬件包括单片机控制和模拟电流两部分，调试是也分两部分进行。

模拟电路部分在实验板上调试，测试个项参数是否满足题目要求。

而单片机部分的硬件完成后，就可以进行软件调试了。

调试重点D/A的控制和A/D的读入

六．数据测试

输入大小

1mv

1.9mv

3mv

4mv

5mv

增益１

5.4mv

6.3mv

7.3mv

8.7mv

9.9mv

增益2

8.4mv

10.4mv

13.3mv

15.6mv

增益5

9.6mv

14.8mv

19.6mv

26.9mv

32.6mv

增益10

15mv

25.5mv

35.4mv

49.8mv

61.6mv

增益20

26.4mv

47.5mv

66.6mv

95.2mv

118.6mv

增益50

48.1mv

88.9mv

127.8mv

172mv

230mv

增益100

108.4mv

199mv

288mv

386mv

524mv

7.2mv

15.3mv

19.5mv

25mv

30mv

11.7mv

20.8mv

26.8mv

33.5mv

39.6mv

19mv

37.1mv

49.1mv

62mv

74.1mv

41.2mv

85.8mv

115.5mv

147.2mv

176.7mv

78.5mv

168.3mv

226mv

289mv

348mv

152.4mv

330mv

447mv

571mv

690mv

296mv

649mv

880mv

1122mv

1344mv

675mv

1463mv

1862mv

2140mv

2310mv

七．元器件清单

AT89S51，INA145，TLV5616，OP07，ADS1286

16个小按键，12864液晶显示器

电阻电容若干，12兆晶振，AT24C1024

附录一、程序清单

；

////////////////////////////定义

RSEQUP3.0

RWEQUP3.1

EEQUP3.2

RSTEQUP3.3

PSBEQUP3.5

KEY_NUMEQU23H

DATEEQU24H

DATE1EQU26H

BZBIT25H.0

F2BIT25H.1

F3BIT25H.2

;

#####################################################

DINEQUP0.0

SCLKEQUP0.1

DACSEQUP0.2

FSEQUP0.3

DATE_HEQU20H

DATE_LEQU21H

CLKEQUp0.4

DOEQUP0.5

CSEQUP0.6

DATEAEQU27H

DATEBEQU28H

DATECEQU29H

DATEDEQU2AH

DATEBEIFEN1EQU31H

DATEBEIFEN2EQU32H

REALHEQU33H

REALLEQU34H

TEMPDATAHEQU35H

TEMPDATALEQU36H

COMPDATAHEQU37H;

//////比较基准数据

COMPDATALEQU38H

COMPFLAGEQU39H

TEMPEQU40H

org0000h

ajmpmain

org0100h

main:

MOVP0,#0FFH

movsp,#55h

acallDLAY12

CLRRST

LCALLDLAY12

SETBRST

SETBPSB

MENU:

acallinit_lcd

MOVA,#43H

LCALLWRD

MOVA,#3AH

MOVR2,#80H;

采样大小

MOVR1,#00H

MOVR3,#00H

XZ1:

CLRBZ

INCR2

MOVA,R2

LCALLWRC

XZ:

MOVA,R3

MOVDPTR,#TAB1

MOVCA,@A+DPTR

INCR3

JBBZ,JJZ

SETBBZ

SJMPXZ

JJZ:

INCR1

CJNER1,#04H,XZ1

SJMPY

TAB1:

DB0B2H,0C9H,0D1H,0F9H,0B4H,0F3H,0D0H,0A1H

Y:

MOVA,#90H

MOVA,#44H

MOVA,R1;

图形显示

CLRA

MOVR1,A

MOVR2,A

MOVA,R3

MOVR3,A

MOVR2,#90H

XZ11:

CLRF2

FZ:

MOVDPTR,#TAB2

JBF2,JJZ1

SETBF2

SJMPFZ

JJZ1:

CJNER1,#04H,XZ11

SJMPW

TAB2:

DB0CDH,0BCH,0D0H,0CEH,0CFH,0D4H,0CAH,0BEH

W:

MOVA,#88H

MOVA,#45H

资料存储

MOVR2,#88H

XZ12:

CLRF1

FZ1:

MOVDPTR,#TAB3

JBF1,JJZ2

SETBF1

SJMPFZ1

JJZ2:

CJNER1,#04H,XZ12

SJMPX

TAB3:

DB0CAH,0FDH,0BEH,0DDH,0B4H,0E6H,0B4H,0A2H

X:

MOVA,#98H

MOVA,#46H

mova,#99h;

增益设置

lcallWRC

mova,#0D4h

lcallwrd

mova,#0f6h

mova,#9Ah

mova,#0D2h

mova,#0E6h

mova,#9Bh

mova,#0C9h

mova,#0E8h

mova,#9Ch

mova,#0D6h

mova,#0C3h

MOVKEY_NUM,#0AH

LCALLWR_NUM

CLRF3

WAIT:

LCALLKKKK

CLRF0

LL:

JBF0,WAIT

LCALLJK

SJMPLL

RET

JK:

MOVP2,#0FH

MOVA,P2

CJNEA,#0FH,JK1

LJMPNKEY

JK1:

LCALLDLAY12

MOVP2,#0FH;

取键盘低位，即列位

MOVB,A

CJNEA,#0FH,JWK

JWK:

movdptr,#tabn

MOVP2,#0F0H;

取键盘高位即行位

SWAPA

CPLA

ANLA,#0FH

movca,@a+dptr

pushb

MOVB,#04

MULAB;

键号=（行号*4）+列号

popb

XCHA,B

ADDA,B

;

inca

movkey_num,a

CJNEA,#0BH,J0

LCALLXXX

J0:

CJNEA,#07H,J01

LCA