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
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