程控放大器Word文档格式.docx
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摘要
本设计以STC89C52为主控制器,由运算放大器和程控芯片AD603组成信号放大电路。
通过键盘设定相应放大倍数(dB)给予单片机输入信号,给予的放大倍数会由单片机控制在LCD上显示出来。
同时,单片机经过DA转换,输出相应控制电压控制AD603的放大倍数,继而实现信号放大电路放大倍数的控制。
与此同时,本设计采用当前流行的PCB绘图软件AltiumDesigner进行硬件电路原理图的设计及其PCB绘制,并且由Proteus仿真软件完成了整个系统的仿真,证实了本设计的可行性。
关键词:
STC89C52、AD603、程控放大、AltiumDesigner、Proteus
Abstract
Theprogram-controlledamplifierisbasedonSTC89C52controller.AndcomposedofoperationalamplifierandprogrammablechipAD603amplificationcircuit.Thecorrespondingmagnification(dB)issetbythekeyboardforinputsignalofthesinglechipmicrocomputer,andthegivenmagnificationcontrolledbysinglechipmicrocomputerisdisplayedontheLCD.Atthesametime,throughtheDAconversion,thesinglechipmicrocomputeroutputscorrespondingcontrolvoltageindirectlytocontrolAD603magnification,thentorealizethecontrolofsignalamplificationcircuitmagnification.
Inthemeantime,AltiumDesigner,whichisregardedasacurrentpopularPCBdrawingsoftware,isusedtodrawingthehardwarecircuitschematicandPCBinthedesigning.WealsouseProteussoftwaretocompletethesimulationoftheentiresystem.Byanalyzingthesimulationresults,feasibilityofthisdesignisconfirmed.
Keyword:
STC89C52AD603ProgrammableamplifierAltiumDesignerProteus
1设计任务与要求
设计任务:
设计一个放大倍数(dB)可程控、有放大倍数显示的程控放大器电路。
其结构框图如下图所示:
图1.1程控放大器的组成结构
其满足以下要求:
(1)输入信号电压幅度为(10~1000)mVrms范围内。
(2)频率响应为(20~22000)Hz;
(3)在信号源的幅度和频率固定为某一值时,可以设置放大倍数,并实时测量,实测放大倍数与设定放大倍数相对误差不超过5%。
设计要求:
1.使用AltiumDesigner制作程控放大器的电路原理图。
2.使用AltiumDesigner制作程控放大器电路的PCB图。
3.使用proteus对程控放大器电路进行仿真。
2方案选择及整体电路设计
2.1显示方案选择
方案一:
数码管显示
此方案中利用共阴极数码管并对0~9这10数字进行编码,并利用数码管的动态扫描形式来显示不同的数字,以达到显示放大倍数的目的。
虽然本系统仅需对放大倍数进行显示,利用四段数码管已经足以达到要求,程序设计也相对容易,产品价格低廉,但是使用不方便,故不为系统采用。
方案二:
液晶显示
此方案中系统的输出显示由LCD1602液晶显示屏完成,液晶显示器可以由ASCll码控制,控制简单,可以显示更多的信息,比如放大倍数和单位等,故为本系统所采用。
2.2控制模块
独立按键控制
此方案利用两个独立按键共同控制放大倍数,其中一个按键用来控制倍数的放大,另外一个控制倍数的衰减,以此来达到放大倍数的调节,由于本系统元件较多,程序设计复杂,故不采用此方案。
矩阵键盘控制
此方案可以直接输入所需要的波形放大倍数,方便快捷,
该部分由16个矩阵键盘组成,将一列键盘的一端用一根线相连,每一行键盘的另一端与另一根导线相连,这样就为8根导线。
而这8根导线根据二位坐标可以很方便的寻到每一键盘是否有输入信号,节约了单片机I/O口,故采用这种方案。
2.3增益控制方案选择
采用数字电位器控制运放增益
在采用运算放大器实现对输入信号的放大。
通常有以下两种方式:
方式1反向比例电路
图2.1反向比例电路原理图
输入信号由反相输入端输入。
输出特性如下:
U-=U+=0,I-=I+=0
方式2同相比例电路
图2.2同相比例电路原理图
输入信号由同相输入端输入。
U-=U+=Ui,I-=I+=0
综上可知,为了实现程控增益的功能,需要选用数字电位器,作为反馈电阻,调节放大倍数。
使用AD5220增量\减量数字电位器控制运放的增益,通过控制反馈电阻的大小从而达到控制运放增益的效果。
AD5220是一款单通道、128位、数字控制可变电阻(VR)器件,可实现与电位计或可变化电阻相同的电子调整功能,并针对便携式仪表和测试设备的“按钮”应用进行了优化。
端接电阻值(端到端)可以再10kΩ至100KΩ之间选择,以适应从宽带宽到低功耗的各种应用。
该10kΩ器件可提供650KHz带宽,100kΩ器件则可将功耗降至微瓦水平。
采用程控增益调整功能芯片AD603
使用程控增益调整功能芯片AD603,能够在程序中用软件控制放大器的增益,或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。
AD603是一款低噪声、电压控制型放大器,其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成,加在其梯型网络输入端的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定;
而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来,从而实现较精确的数控。
此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽,单级实际工作时可提供超过20dB的增益,两级级联后即可得到40dB以上的增益,通过后级放大器放大输出,在高频时也可提供超过60dB的增益。
这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。
AD603的增益控制接口的输入阻抗很高,在很多通道或级联应用中,一个控制电压可以驱动多个运放;
同时,其增益接口还具有差分输入能力,设计可根据信号电平和极性选择适合的控制方案。
由于AD603使用起来比较精确,控制也较为方便,在以前的实验中,我也使用过AD603,对其性能有一定了解,故在此次实验中,我选择使用AD603做程控增益部分。
2.4D/A转换芯片设计
采用D/A芯片AD7520
D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。
又考虑到AD7520是一种廉价型的10位D/A转换芯片,其输出Vout=Dn×
Vref/210,其中Dn为10位数字量输入的二进制值,可满足210=1024挡增益调节。
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、外围布线简化等特点,故可以采用AD7520来实现信号的程控衰减。
但由于AD7520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AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整,再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大,并使前后级增益积为1024,与AD7520的衰减分母抵消,即可实现程控放大。
但AD7520对输入范围有要求,具体实现起来比较复杂,而且转化非线性误差大,带宽只有几kHz,不能满足频带要求。
采用12位串行D/A转换芯片MAX5822
MAX5822只需2根串行线与CPU接口,操作起来非常的方便,并且其量化精度能达到1/4096。
当时钟频率为877kHz时,传送12位数据D/A转换输出只需<
25μs建立时间。
速度、精度高于AD7520,起来也很方便,故操作此方案最佳。
2.5整体电路设计
经过相应的分析,选择,最终定下系统的方案如下图2.3所示:
图2.3整体电路设计方案
由系统框图可以看到,我们可以通过按键输入我们想要的放大倍数,并在液晶上显示出来,输入控制信号后,单片机将控制D/A芯片,使其输出相应的模拟控制电压,来控制输入信号的增益,即完成了电路的程控、显示等功能。
3系统硬件设计
3.1程控增益电路的设计
实验中,程控增益电路如下图所示:
图3.1程控增益电路图
由AD603的数据手册可知,单级AD603根据其FDBK管脚和Vout管脚的不同接法,共有三种典型的不同应用方式。
第一种90MHz带宽,增益-10dB到30dB;
第二种30MHz带宽,增益0dB到40dB;
第三种9MHz带宽,增益10dB到50dB;
此次设计,我采用AD603接法中频带最宽接法(其接法如下图3.2所示)
图3.2AD60390MHZ带宽接法
由于AD603的输入电阻只有100Ω,输入阻抗太小,获取信号的能力太弱,故在设计中,我在其前级加上了一级由NE5532构成的电压跟随器,来提高其输入阻抗,增强获取信号的能力,减少噪声的干扰。
由于在这种接法下,AD603放大增益AG(dB)=40×
U+10,从此式可以看出,由此可以得出,只要单片机进行简单的线性计算就可以的得出控制电压U(即GPOS和GNEG的差值),从而控制对数增益。
又由于AD603的最大输出电压有效值约为1.2V,且AD603在输出电压过大时,波形会有失真。
故在AD603后面还需要一级放大电路,此处选择与前面电压跟随器相同的芯片NE5532。
NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。
相比较大多数标准运算放大器,它显示出更好的噪声性能,提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。
其引脚图如下图3.3所示
图3.3NE5532引脚图
相关参数如下:
小信号带宽:
10MHZ
输出驱动能力:
600Ω,10V有效值
直流电压增益:
50000
交流电压增益:
2200-10KHZ
功率带宽:
140KHZ
转换速率:
9V/μs
大的电源电压范围:
±
3V-±
20V
最大供电电压:
22V
由上可知,选用NE5532完全满足要求,并且由于其为双运放,一枚NE5532即可满足电压跟随器和信号放大的作用。
本设计中选用反向放大的方式,在AD603的基础上,再对信号放大10倍。
3.2单片机最小系统设计
图3.4单片机最小系统
在此处选择的STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
而单片机最小系统除其本身外,还包含一下内容:
复位电路:
单片机最小系统复位电路的极性电容C4的大小直接影响单片机的复位时间,一般采用10~30uF。
电容值越大,STC89C52单片机系统需要的复位时间越短。
晶振电路:
单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz、11.0592MHz、12MHz,在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振,本设计中选取12MHz的晶振。
单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度,频率越大处理速度越快。
单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF,并且电容离晶振越近越好,晶振离单片机越近越好。
上拉电阻:
P0口为开漏输出,作为输出口时需加上拉电阻,阻值一般为10k。
其他接口内部有上拉电阻,作为输出口时不需外加上拉电阻。
3.3下载电路设计
单片机实现下载程序以及串口通信的模块如下图所示:
图3.5下载电路设计
计算机的串口为RS-232C负逻辑电平,其中高电平为-12V,低电平为+12V,而51单片机的高电平为+5V,低电平为0V.,因此51单片机与PC机进行通信时需要进行电平转换。
这里使用的是MAX232电平转换芯片。
3.4输入输出电路设计
系统的输入电路采用矩阵键盘电路,具体电路图如下:
图3.6矩阵键盘电路
而这8根导线根据二位坐标可以很方便的寻到每一键盘是否有输入信号,节约了单片机I/O口。
系统的输出显示由LCD1602液晶显示屏完成,具体电路如下:
图3.7LCD1602显示电路
该电路中,液晶的1、2脚为电源的负极和正极,15、16脚为背光电源的正负极,3脚为液晶显示度调节端,4、5、6脚为数据/命令选择端、读写选择端、使能信号,7-14为数据口。
3.5D/A转换电路设计
设计中选择max5822D/A转换芯片,以实现对AD603的程序控制。
MAX5822作为12位的DA芯片,其量化精度能达到1/4096<
1/2000,完全能达到设计的精度。
MAX5822引脚图见下图图3.8
图3.8MAX5822引脚图
在proteus中对DA进行了仿真设计,具体设计如下:
图3.9MAX5822与单片机的连接电路
电路说明:
SCLSDA分别是MAX5822时钟信号和串行数据输入端,这2个引脚分别由单片机的2个IO口控制即图中P3.2,P3.3,ADD是MAX5822的地址选择端,此处接地即可,MAX5822是2通道输出的,通过写不同的命令选择不同的通道,本次采用A通道即可,REF是参考电压输入端,这里取+5V。
4系统软件设计
根据本题设计要求要完成程控的功能,可以得出软件流程图如下:
图4.1整体程序流程图
其中键盘扫描的流程图如下图4.2所示:
图4.2键盘扫描的流程图
5仿真调试
5.1放大电路仿真测试
给予AD603芯片1脚GPOS给以+0.3V的参考电压,得到电路输出波形如下:
图5.1放大电路仿真波形
由以上波形对比可知,输入信号幅值(Vp-p)为0.063mv,输出信号幅值为8.52V,电路整体放大42.62dB,而由AD603放大倍数公式AG(dB)=40×
U+10知,理论上,当U为0.3V时,放大增益为42dB,相对误差仅为1%左右。
5.2DA控制输出调试
为测试DA模块设计是否正确,用键盘输入幅值1.11V,观看液晶显示,以及连接DA输出万用表示数情况,如下图所示:
图5.2DA模块仿真
可以看到,DA输出与键盘输入、液晶显示示数基本一致。
5.3整体仿真测试
将整个系统进行联合调试,通过键盘输入41.1dB,然后观看LCD1602显示,万用表示数,输出信号,相应仿真图形如下所示:
图5.3电路整体调试
可以看到,输入41.1dB,在液晶显示屏上显示出来,并观察输入输出波形可以知道,输入信号幅值(Vp-p)为0.063mv,输出信号幅值为7V,这样计算得出的实际增益为40.91dB,与键盘输入的41.1dB相对误差为0.4%,满足题目所需要求。
5.4频率特性仿真调试
当按键输入35.1dB后保持不变,保持幅值0.063mv不变,改变输入信号频率,观察输出信号波形如下所示:
图5.4输入信号为10HZ时相应波形
图5.5输入信号为10KHZ时相应波形
图5.6输入信号为30KHZ时相应波形
可以看到,其频带范围为10HZ-30KHZ,满足要求中的20-22000HZ。
经过上述仿真调试,可以看出,本设计满足了输入信号电压幅度在(10-1000)mVrms内,系统频率响应满足20-22000KHZ,能够很好的对信号进行程控放大。
同时设定值与实际值相对误差在1%,满足题目中所提的要求。
唯一不足的是液晶显示上还不是很完美,存在数字显示有些小毛病。
6AltiumDesignerPCB绘制
6.1AltiumDesigner简介
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合,为设计者提供了全新的设计解决方案,使设计者可以轻松进行设计。
熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
AltiumDesigner除了全面继承包括99SE,Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外,还增加了许多改进和很多高端功能。
AltiumDesigner拓宽了板级设计的传统界限,全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能,从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。
本此设计主要采用AltiumDesigner实现硬件电路的PCB绘制。
6.2原理图绘制
点击进入AltiumDesigner后,首先需要建立一个工程,具体操作步骤如下图所示
图6.1新建工程
新建工程后,需要往工程里面加载相应文件,右键工程,选择Schematic,PCB,SchematicLibrary,PCBLibrary,分别是原理图,PCB图,原理图库,PCB库。
原理图用于绘制电路,并且还可以用于电路的仿真;
PCB用于绘制硬件电路的PCB板;
原理图库可以绘制所需要的元器件模型,而PCB库可以绘制元器件对应的封装。
图6.2向工程添加文件
接下来应该在原理图中放置相应元器件,并且连线,做好对应关系,选择元器件的方式有两种,一种是在系统图库中寻找,另一种是自己在原理图库中画,然后添加到原理图中。
具体相应操作如下图6.3a和6.3b所示。
图6.3a系统图库寻找元件图6.3b原理图库寻找元件
经过以上操作,画出元器件并且做好连线,最终绘制出原理图见附图2。
6.3PCB图绘制
在生成PCB图之前,首先,需要在原理图中tools-footprintmanager中进行元器件的封装管理,具体操作如下图:
图6.4元器件封装管理
元器件的封装一部分是来自系统元件对应封装,而如果没有封装或者对系统封装不满意,则可以自己在PCBLibrary中进行绘制,具体操作如下图6.5所示:
对所有元器件封装管理好后,便可以通过原理图中的Design-UpdatePCBDocument将原理图导入到PCB中,并进行布置连线,就可以画好PCB板。
画好后的PCB板见附图3。
7课设心得
通过此次课程设计,对运算放大器的理论知识有了深入的了解。
掌握了在设计过程中,集成运放的一些性能、参数比较和选型,以及电路的连接、组合。
掌握了单片机的编程预控制,特别是对DA转换模块和LCD液晶屏显示模块的编程、控制。
对模拟电子电路、数字电子电路、单片机原理等有了深刻、实际的体会。
在设计仿真的过程中,进一步熟练了Proteus软件。
熟练掌握了使用Proteus绘制电路原理图和进行仿真。
通过观察仿真结果、波形,一方面掌握了电路仿真、调试和故障分析的能力,另一方面,进一步加深了对电路原理知识的掌握,了解了在理论计算和实际设计中存在的差距和问题,对电路理论知识和控制知识有了更为透彻的领悟。
这次课程设计的最重要的地方是需要绘制PCB板,之前曾学过用AltiumDesigner绘制PCB板的方法。
但是现在许多操作都变得有些生疏了。
为此,我也花了一定时间来来熟悉Altiumdesigner这款软件的使用方法,经过慢慢摸索,我最终完成了我的PCB画图过程,这让我感到非常开心。
通过这次课程设计,让我对Altiumdesigner、Proteus这些软件有了更深层次的了解,动手能力以及查阅资料的能力有了增强。
此外,也锻炼了我分析、解决问题的能力,对我来时,这也是一次成长。
参考文献
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附图
1Proteus仿真全图
2AltiumDesigner绘制原理图
3AltiumDesigner绘制PCB全图
选择NoNet覆铜后:
选择顶层不镜像打印后:
附录1元件清单