数控增益放大器.docx

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数控增益放大器

内容摘要

程控放大器是一种放大倍数由程序控制的放大器，也称为可编程放大器。

它是集计算机技术、电子技术、数控技术为一体的机电一体化高科技产品，具有安全性高，使用方便等优点。

本论文从数控增益放大器功能，硬件电路设计，单元电路设计软件控制等几部分，分别论述这一系统。

利用数字模拟开关实现的可控增益放大器,具有增益调节范围宽,电路简单、控制方便、成本低廉等优点,而其由于其调节准确方便,使用寿命长,受物理环境影响小,性能稳定等特点,因此其应用越来越广泛。

但由于数字电位器受制造工艺等因素的制约,其通频带受限,利用它实现的程控增益放大器高频频响特性不理想。

本系统考虑到数控增益放大器成本及体积因素，在设计数控增益放大器部分时，以模拟开关CD4051、控制芯片STC89C51、集成运算放大器LM324为核心构成。

数控增益放大器设计综合应用之前所学的单片机、微机控制、电路设计等方面的知识。

运行表明，其性能高，使用灵活性好，安全系数高，成本则相对较小，被广泛应用。

关键词：

增益放大CD4051单片机

Abstract

Thenumericalcontrolgainamplifieristhecollectioncomputertechnology,theelectronictechnology,thenumericalcontroltechnologyisabodyintegrationofmachineryhightechproduct,hasthesecuritytobehigh,meritandsooneasytooperate.Thepresentpaperfromthenumericalcontrolgainamplifierfunction,thehardwarecircuitdesign,theunitcircuitdesignsoftwarecontrolandsoonseveralparts,separatelyelaboratesthissystem

Thissystemconsiderednumericalcontrolgainamplifiercostandbulkfactor,whendesignnumericalcontrolgainamplifierpart,takeintegratedcircuitandsoontheCD4051/CD4052asthecore,thechippartiallyandsoonconstitutesbyCD4051,MCS-51STC89C51andoperationalamplifierLM324.

Beforenumericalcontrolgainamplifierdesignsynthesisapplicationstudiesaspectandsoonmonolithicintegratedcircuit,microcomputercontrol,circuitdesignknowledge.Themovementindicated,itsperformancehigh,useflexibilitygood,safetycoefficienthigh,thecostthenrelativeissmaller,iswidelyapplied.

Keywords:

OperationalamplifierMCS-51LM324

1.概述

在日新月异的21世纪里，家用电子产品得到了迅速发展。

许多家电设备都趋于人性化、智能化，这些电器设备大部分都含有CPU控制器或者是单片机。

单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等一系列优点，近几年得到迅猛发展和大范围推广，广泛应用于工业控制系统、通讯设备、日常消费类产品和玩具等。

并且已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各个方面，随着近代超大规模集成电路的出，微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。

集成技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片，如程序存储器，数据存储器，并行、串行I/O口、定时、计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片中，制成单片计算机（Single-chipMicrocomputer）.而近年来推出的一些文档单片机还包含有许多特殊的功能单元如A/D、D/A转换器、调制解调器、通用控制器、锁相环、DMA浮点运算单元等。

因此，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统。

如：

工业控制系统，数据采集系统、数据放大系统等。

模拟开关和多路转换器的作用主要是用于信号的切换。

目前集成模拟电子开关在小信号领域已成为主导产品，与以往的机械触点式电子开关相比，集成电子开关有许多优点，例如切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等。

但也有若干缺点，如导通电阻较大，输入电流容量有限，动态范围小等。

因而集成模拟开关主要使用在高速切换、要求系统体积小的场合。

在较低的频段上f<10MHz），集成模拟开关通常采用CMOS工艺制成：

而在较高的频段（f>10MHz），则广泛采用双极型晶体管工艺。

因此可以控制模拟开关来切换输出电阻，从而实现改变增益。

在工业自动控制以及多点数据采集系统、航空及生态研究中,离不开模拟量的精确测量。

随着微型计算机应用的推广,传感器获得的模拟信号经过预放大后才能送交A/D转换。

这种预放大线路常推荐采用数据放大器。

数据放大器又称仪用放大器、侧量放大器、桥路放大器,是国内外流行的一种前置放大器。

它广泛用于传感器信号放大、高阻电桥、热电偶、光电管,生物电放大以及高阻比较器等各领域。

数据放大器由二级串联组成,前级是二个同相放大器组成,有很高的输人阻抗。

后级是差动放大器,它不仅割断共模信号的传输,还将双端输人变换成单端输出,适应对地负载的需要。

一般的放大器为什么在高精度的前置放大中不能得到广泛应用呢?

本文设计的数控增益放大器，可以通过单片机来控制模拟开关CD4051来控制数据放大器的增益，在改变增益的同时还能同时改变电路的输入阻抗，采用双差分形式，消除了长线传输产生的共模干扰，数据放大器的输入形式正好适应传感器等桥路信号的输入，只要变换输入信号端，就可以使输出记性相反。

此外，数据放大器还具有较高的巩膜抑制比，具有较好的抗干扰能力。

本文将针对上述情况，进行集中介绍：

MCS-51片机及其扩展，多路转换开关原理及其应用，数控增益数据放大器的原理及其应用的情况。

2.方案论证

2.1功能要求

1.数据放大器增益可变

2.具有高输入阻抗（100k）

3.具有较高共模抑制比

4.温漂小、噪声低系统工作稳定

2.2方案确定

2.2.1单片机芯片的选择方案和论证

方案一：

采用89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。

方案二:

采用AT89S52,片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。

所以选择采用AT89S52作为主控制系统.

2.2.2模拟开关的选择方案和论证

选择开关时需考察以下指标：

1.通道数量　集成模拟开关通常包括多个通道。

通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响，通道数越多，寄生电容和泄漏电流就越大。

因为当选通一路时，其它阻断的通道并不是完全断开，而是处于高阻状态，会对导通通道产生泄漏电流，通道越多，漏电流越大，通道之间的干扰也越强。

2.泄漏电流　一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。

而实际开关断开时为高阻状态，漏电流不为零，常规的CMOS漏电流约1nA。

如果信号源内阻很高，传输信号是电流量，就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。

3.导通电阻 导通电阻的平坦度与导通电阻一致性　导通电阻会损失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失更大。

应用中应根据实际情况选择导通电阻足够低的开关。

必须注意，导通电阻的值与电源电压有直接关系，通常电源电压越大，导通电阻就越小，而且导通电阻和泄漏电流是矛盾的。

要求导通电阻小，则应扩大沟道，结果会使泄漏电流增大。

导通电阻随输入电压的变化会产生波动，导通电阻平坦度是指在限定的输入电压范围内，导通电阻的最大起伏值△RON=△RONMAX—△RONMIN。

它表明导通电阻的平坦程度，△RON应该越小越好。

导通电阻一致性代表各通道导通电阻的差值，导通电阻的一致性越好，系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。

4.开关速度　指开关接通或断开的速度。

通常用接通时间TON和断开时间TOFF表示。

对于需要传输快变化信号的场合，要求模拟开关的切换速度高，同时还应该考虑与后级采样保持电路和A/D转换器的速度相适应，从而以最优的性能价格比来选择器件。

除上述指标外，芯片的电源电压范围也是一个重要参数，它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关系，电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。

电源电压越低，切换速度就会越慢且导通特性变差。

因此对于3V或5V电压系统，必须选择低压型的器件来保证系统正常工作。

另外，电源电压还限制了输入信号范围，输入信号最大只能到满电源幅度，如果超过沟道就会夹断。

低电压型的器件通常都是满电源电压幅度的，并且采用特殊的工艺来保证低电压时开关具有很低的导通电阻。

根据以上论述，现有两个方案可供选择。

方案一：

采用BL1551开关芯片，BL1551是6脚SOT363的2.7Ω低电压SPDT模拟开关，BL1551是单宽的带宽，快速singlepole双掷（SPDT）CMOS开关设有一个

2.7欧姆的电阻在VCC=5.0V和宽电源电压范围从1.8V到5.5V。

它可以用来

作为一个模拟开关，或作为一个低延时的总线开关。

在300MHz的高带宽性

能支持高频率的应用。

突破前两个部分消除功能从防止切换过程中信号中断

两个开关同时被启用。

但是开关通道较少。

方案二：

采用CD4051开关芯片，CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。

只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。

其中VEE可以接负电压，也可以接地。

当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。

所以，采用CD4051作为开关芯片。

2.2.3集成运算放大器的选择方案和论证

LM324系列集成运放，LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC