单片机自动增益放大器讲诉.docx

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单片机自动增益放大器讲诉

自动增益放大器

摘要：

本系统有四个模块组成：

程控放大器，峰值检测，液晶。

程控放大器采用两片AD603接连组成，放大电压增益可达50dB，增益0.2v步进可调，电压增益误差不大于5%。

放大器输出无明显失真。

峰值测量采用真有效值采样芯片AD637先进行有效值采样，然后通过PCF8951进行AD采样，最后再转换成峰值，液晶采用LCD1602，系统以stc89c51单片机为控制核心，经测试验证，系统运行稳定，操作方便。

关键词：

程控放大器，峰值检测，AD采样，单片机。

Abstract：

Thissystemhasthreemodules:

SPCamplifiers,peakdetection,liquidcrystal.BytwoAD603program-controlledamplifieramplificationvoltagegainone,cangain1dbstepping0.2v,adjustable,voltagegainerrorisnotmorethan5%.Amplifieroutputwithoutobviousdistortion.MeasuretrueRMSpeakbysamplingAD637chiponsampling,thenPCF8951througheffectivesampling,finallytoADconvertpeak,LCDUSESlcd1602managementsystemwithstc8951SCMascontrolcoreandtested,thesystemrunsstably,convenientoperation.

Key:

SPCamplifierPeakdetectionADsampling

chipSCM

1.方案的论证与比较

1.1设计需求

1.1.1基本要求

（1）放大器可以从信号发生器或音乐播放器输入音频信号（50Hz~10KHz），

输出可以带200Ω负载或驱动8Ω喇叭（2~5W）。

（20分）

（2）当输入信号幅度在10mV~5V间变化时，放大器输出默认值保持在2V

±0.2V（有效值）内，波动越小越好。

（30分）

（3）可以显示输入信号幅度和频率。

（10分）

（4）能够在1V~3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距0.2V。

（15分）

（5）能够根据环境噪声调整自动调节放大器输出幅度。

（15分）

（6）其它发挥设计。

（10分）

（7）设计报告。

（20分）

1.1.2发挥部分

（1）输出电压步距可通过按键调整：

0.2v、0.3v、0.4v；

（3）显示当前放大输出。

（4）其它。

1.2总体方案

方案一：

选用结电容小，fT高的晶体管，采用多种补偿法，多级放大加深度负反馈，以及组合各种组态的放大电路形式，可以组成优质的宽带放大器，而且成本较低。

但若要全部采用晶体管实现题目要求，有一定困难，首先高频晶体管配对困难，不易购买；其次，理论计算往往与实际电路有一定差距，工作点不容易调整；而且，晶体管参数易受环境影响，影响系统总体性能。

另外，晶体管电路增益调节较为复杂，不易实现题目要求的增益可调。

方案二：

使用专用的集成宽带放大器。

如TITHS6022、NE592等集成电路。

通过外接少数的元件就可以满足本题目要求，甚至远超过题目要求的带宽和增益的指标，但这种放大器难以购买，价格较贵，灵活性不够，不易满足题目扩展功能要求。

方案三：

市面上有多种型号、各具特色的宽频带集成运算放大器。

这些集成运算放大器有的通频带宽，有足够的增益，有的可以输出较高电压，使用方便，有的甚至可以实现增益可调及AGC的功能。

总体上硬件的实现和调试较为简单，所以，我们决定采用多个集成运放级连实现本题目

1.3增益控控制：

方案一：

利用电阻网络和拨码开关，手动调节增益，可实现增益控制，但硬件规模较大，控制繁琐且人机界面欠佳，另外，利用电阻网络实现增益调节需使用不同阻值的高精度电阻，这种电阻价格昂贵且不易购买。

方案二：

可以用继电器或模拟开关构成电阻网络，由单片机控制以改变信号增益。

这种方案同样存在方案一电阻网络的缺点，同时，如果使用模拟开关，其导通电阻较大，而且各通道信号会互相干扰，容易影响系统性能。

方案三：

由单片机、D/A转换器和可编程增益放大器AD603构成压控放大器。

单片机通过对控制D/A输出直流电压来控制AD603的内部电阻衰减网络，实现增益调节。

其外围元件少，电路简单，由于AD603带宽最大能达到90MHz，增益范围有40dB，增益精度在±0.5dB,可精确实现增益控制，可以实现题目发挥部分减小增益步进间隔的要求。

所以本部分采用该方案。

1.4峰值检测：

方案一：

采用分段逼近式有效值检波电路。

该方法示值虽然是被测电压的有效值，但由于放大器动态范围的限制，对于被测信号会产生一定的波形误差，并且硬件电路搭接复杂，且稳定性能不好。

方案二：

采用真有效值转换芯片AD637和高速A/D芯片PCF8951测量市电有效值。

将从AD603输出的信号通过AD637转换成直流信号后接入PCF8951，利用单片机读取数据后进行相应的幅值变换得到峰值。

利用集成电路芯片测量精度高，误差小、稳定性好，硬件电路实现简单，可减小硬件体积，所以本部分采用该方案。

1.5处理器选择：

通过实验测试我以前买的stc89c51可以满足要求，为了节约成本就选择它为微处理器

2.系统设计

2.1理论分析与计算

本系统以可变增益增益放大器AD603为核心，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。

由于题目的发挥部分要求电压的输出范围2V～2.5V，对于10mv的小信号，则至少要将信号放大200倍，而且输入信号的频率范围为10Hz～500KHz，故采用两片AD603对信号进行放大，单片AD603增益公式为：

DB=40*Vo+Go；

Vo为1、2脚之间的电压，范围为-500mv—500mv，Go根据5、7脚的不同连接方式Go可取10dB,20dB,30dB。

本系统将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为，－10～＋30dB，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到－20dB～＋60dB。

可满足题目要求的电压放大和频率的要求，当AD603的增益为46dB的时候电压可以放大200倍，当AD603的增益为48dB的时候电压可以放大250倍.所以只要正确的控制1、2脚之间的电压就能实现电压的不同放大倍数，从而满足题目要求。

2.2总体设计

根据带宽、电压的放大倍数，系统采用两级AD603程控增益放大器，增益可达60dB，能过满足题目的要求，而且AD603能够满足带宽的要求，有效值测量可有多种实现方案,但选用测量有效值的专用芯片AD637,则电路简洁方便，而且精度较高。

由于系统模块所用IO口过多，一般51单片机不能够满足需求，故采用功能较强的C8051f020

单片机作为主控机器。

通过键盘进行增益和档位的调节，而液晶显示增益和峰值。

系统的整体框图如下:

2.3单元电路电路模块设计

2.3.1自动增益电路

本系统的自动增益控制功能，实际是由增益控制电路转化而来。

在输出级加入检波电路，检出直流电压送入A/D采样，经单片机计算后控制D/A输出，此电压加到AD603的增益控制端，从而控制AD603的增益达到使输出电压恒定的目的。

AD603的简化原理框图如图2-3-1所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。

图中加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。

增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，因而输入电流很小，致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。

而且，如果AD603的增益用dB表示，则与控制电压成线性关系，以上特点很适合构成本题要求的放大器。

图2-1-1

图2－3－1AD603原理框图

中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。

当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样，带宽在9MHz～90MHz之间

为加大中间级的放大倍数及增益调节范围，我们使用两片AD603级联作为中间级放大（图2－3－2）。

如果将AD603的5脚和7脚相连，单级AD603增益调整范围为，－10～＋30dB，带宽为90MHz，两级AD603级联，使得增益可调范围扩大到－20dB～＋60dB。

可满足题目要求的电压放大。

图2－3－2级联AD603电路图

两级AD603采用＋5V，－5V电源供电，两级的控制端GNEG都接地，另一控制端GPOS接D/A输出，从而精确地控制AD603的增益。

AD603的增益与控制电压成线性关系，其增益控制端输入电压范围为－500mv~＋500mv，增益调节范围为40dB，当步进1dB时,控制端电压需增大

ΔVG＝

＝25mv，

由于两级AD603由同一电压控制，所以，步进1dB的控制电压变化幅度为25mv/2=12.5mv。

由于AD603的控制电压需要比较精确的电压值。

我们使用12位的C8051F020的内部DA，可满足指标要求。

另外，通过A/D采样输出信号，由单片机计算后，再去调整D/A输出电压，就可实现AGC功能，扩大通频带.具体电路如下：

2.3.1峰值检测与DA/AD转换

峰值检测是利用真有效值芯片AD637先进行有效值采样然后通过PCF8951进行AD采样把有效值采样回来给单片机，再通过单片机进行数值处理把有效值转换成峰值并计算增益通过pcf8951DA输出到AD603增益控制端，具体电路如下：

2.3.2功率放大部分：

考虑到成本与实际效果功放采用TAD2822来实现，具体电路如下所示：

2.3.3电源部分：

本系统运放使用正负5V电源给单片机系统工作，为了能给系统提供稳定的电源，对市电变压后进行整流，滤波，稳压得到系统工作电源。

电路如下：

此部分电路比较典型，采用通常使用的桥式全波整流，大电容滤波，集成三端固定稳压片稳压。

2.3.3显示部分

本系统用LCD1602显示，电路图如下：

3.系统功能测试

3.1测试使用仪器

Agilent33250A函数信号发生器TektronixTDS2012数字示波器SS7200。

3.2测试结果完整性及结果分析

基础部分

在以下输入电压（Vpp）和频率下,手动调节输出范围在10mV-5mV

10mV/100Hz

0.1V/1kHz

0.5V/10kHz

0.7V/20kHz

0.8V/30kHz

1V/50kHz

幅度（√/×）

2.11

2.02

1.96

2.02

1.97

2.05

信号放大和控制部分在制作部分难易程度有很大的差别，所以我们采用分模块制作方法，信号放大电路中涉及的是低频小信号的处理，所以元件的选定和参数的确定有很大的难度，关键部分还在于电路元件的布局，如何抑制噪声，防止自激是电路布局的难点，我们采用了单点接地的方法。

控制部分电路调试较为简单。

。

5结束语

本系统有stc8951单片机与AD603、AD637等模块组成，基本实现了题目基本部分与发挥部分的要求。

参考文献

[1]《单片机原理及应用》，陈为：

中国石油出版社

[2]《模拟电子技术基础》，童诗白著，高等教育出版社

[3]《自动增益放大器》XX文库

6附录

6.1附录1集成芯片明细表

1．液晶LCD1602

2.AD603

3.PCF8591

4.AD637

5.TDA2822

6.STC8951

6.2附录2部分参考程序

#include

#include<1602.h>

#definePCF85910x90//PCF8591地址

unsignedcharoutput=2;

unsignedintAD,DA;

voidkeyscan（void）;

voiddelay（intms）;

/*******************************************************************

DAC变换,转化函数

*******************************************************************/

bitDACconversion（unsignedcharsla,unsignedcharc,unsignedcharVal）

{

Start_I2c（）;//启动总线

SendByte（sla）;//发送器件地址

if（ack==0）return（0）;

SendByte（c）;//发送控制字节

if（ack==0）return（0）;

SendByte（Val）;//发送DAC的数值

if（ack==0）return（0）;

Stop_I2c（）;//结束总线

return

（1）;

}

/*******************************************************************

ADC发送字节[命令]数据函数

*******************************************************************/

bitISendByte（unsignedcharsla,unsignedcharc）

{

Start_I2c（）;//启动总线

SendByte（sla）;//发送器件地址

if（ack==0）return（0）;

SendByte（c）;//发送数据

if（ack==0）return（0）;

Stop_I2c（）;//结束总线

return

（1）;

}

/*******************************************************************

步进函数函数

*******************************************************************/

voidkeydown（void）

{

P1=0xF0;

if（P1!

=0xF0）//判断按键是否按下如果按钮按下会拉低P1其中的一个端口

{

keyscan（）;

}

/*******************************************************************

步距函数

*******************************************************************/

voidkeyscan（void）

{

P1=0xf0;

delay

（1）;

switch（P1）

{

case0xf1:

output=output+0.2;

break;

case0xf2:

output=output+0.3;

break;

case0xf4:

output=output+0.4;

break;

case0xf8:

output=output+0.5;

break;

}

if（output>3）

{

output=1;

}

/*******************************************************************

AGC函数

*******************************************************************/

unsignedintAGC（unsignedintad）

{

DA=（log（output/ad）-2）/4;

returnDA;

}

/*******************************************************************

ADC读字节数据函数

*******************************************************************/

unsignedcharIRcvByte（unsignedcharsla）

{unsignedcharc;

Start_I2c（）;//启动总线

SendByte（sla+1）;//发送器件地址

if（ack==0）return（0）;

c=RcvByte（）;//读取数据0

Ack_I2c

（1）;//发送非就答位

Stop_I2c（）;//结束总线

return（c）;

}

voiddelay（intms）

{//延时子程序

inti;

while（ms--）

{

for（i=0;i<250;i++）

{

_nop_（）;//空执行

_nop_（）;

}

main（）

{

unsignedcharr;

while

（1）

{

keydown（）;

ISendByte（PCF8591,0x40）;

AD=IRcvByte（PCF8591）;//ADC0模数转换1

AGC（AD）;//增益计算

DACconversion（PCF8591,0x40,DA）;//dac数模输出

r=output*1.414;

agc1602（output,r）;//1602显示

}

/*************************此部分为I2C总线的驱动程序*************************************/

#include

#defineNOP（）_nop_（）/*定义空指令*/

#define_Nop（）_nop_（）/*定义空指令*/

sbitSCL=P2^1;//I2C时钟

sbitSDA=P2^0;//I2C数据

bitack;/*应答标志位*/

/*******************************************************************

起动总线函数

函数原型:

voidStart_I2c（）;

功能:

启动I2C总线,即发送I2C起始条件.

********************************************************************/

voidStart_I2c（）

{

SDA=1;/*发送起始条件的数据信号*/

_Nop（）;

SCL=1;

_Nop（）;/*起始条件建立时间大于4.7us,延时*/

_Nop（）;

SDA=0;/*发送起始信号*/

_Nop（）;/*起始条件锁定时间大于4μs*/

_Nop（）;

SCL=0;/*钳住I2C总线，准备发送或接收数据*/

_Nop（）;

}

/*******************************************************************

结束总线函数

函数原型:

voidStop_I2c（）;

功能:

结束I2C总线,即发送I2C结束条件.

********************************************************************/

voidStop_I2c（）

{

SDA=0;/*发送结束条件的数据信号*/

_Nop（）;/*发送结束条件的时钟信号*/

SCL=1;/*结束条件建立时间大于4μs*/

_Nop（）;

SDA=1;/*发送I2C总线结束信号*/

_Nop（）;

}

/*******************************************************************

字节数据发送函数

函数原型:

voidSendByte（UCHARc）;

功能:

将数据c发送出去,可以是地址,也可以是数据,发完后等待应答,并对

此状态位进行操作.（不应答或非应答都使ack=0）

发送数据正常，ack=1;ack=0表示被控器无应答或损坏。

********************************************************************/

voidSendByte（unsignedcharc）

{

unsignedcharBitCnt;

for（BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++）/*要传送的数据长度为8位*/

{

if（（c<

elseSDA=0;

_Nop（）;

SCL=1;/*置时钟线为高，通知被控器开始接收数据位*/

_Nop（）;

_Nop（）;/*保证时钟高电平周期大于4μs*/

_Nop（）;

SCL=0;

}

_Nop（）;

SDA=1;/*8位发送完后释放数据线，准备接收应答位*/

_Nop（）;

SCL=1;

_Nop（）;

if（SDA==1）ack=0;

elseack=1;/*判断是否接收到应答信号*/

SCL=0;

_Nop（）;

}

/*******************************************************************

字节数据接收函数

函数原型:

UCHARRcvByte（）;

功能:

用来接收从器件传来的数据,并判

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