程控放大器 资料.docx

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程控放大器资料

程控设计放大器报告（B题）

1.引言

放大器是电子系统中最基本的放大电路。

放大器的增益又是其中一个重要的性能参数。

在很多应用场合，需要根据不同的环境条件对放大器的增益做出相应的调整，而随着电路控制的日益精细，对放大器增益的控制和调整也变得越来越精致。

传统的利用可调电位器与放大器组合，多路开关控制电阻等方法在灵活性，简洁性等方面往往满足不了系统的需要。

现在较为广泛应用的程控增益放大器，采用不同的电路结构方式，实现对增益的数字化控制。

2.系统要求

2.1设计任务

通过题目要求本组须设计出：

差分比例运算电路、两级放大电路、反相比例运算电路、二阶低通滤波电路和51单片机控制与LCD显示模块。

2.2设计要求

设计并制作一个增益可程控的放大器，结构框图如图1。

图1：

程控增益直流放大器结构框图

方案二：

集成运算放大器ICL7650

ICL7650是Intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点,所以常常被用在热电偶,电阻应变电桥,电荷传感器等测量微弱信号的前置中.而且在放大电路中不用考虑调零和频率问题。

使用方便。

还有ICL7650利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移，从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚，克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。

ICL7650可以放大300倍左右，可以满足要求。

综上所述，考虑到电源的限制，放大倍数的要求和性能的比较，最终选定方案二。

3.滤波环节与放大环节

3.1滤波环节选择

方案一：

低通滤波与带阻结合

设计任务要求1~5Hz波段通过，50HZ频率衰减大于40Db，所以可以用一个二阶低通滤波器来滤除大于5HZ的波段，用一个带阻滤波器来专门滤除50HZ的频率，这样就能实现设计要求。

而二阶低通滤波和带阻的放大倍数都是

Au=1+Rf/R1

我们选用Rf和R1阻值相等，那么只是这两个滤波电路就使电路中的电压放大4倍。

方案二：

只用二阶低通滤波电路,二阶低通滤波电路图如图2。

图2：

二阶低通滤波电路

通滤波器的输入电压经过两级RC低通电路以后，在接到集成运放的输入端，在高频段，对数幅频特性将以-40Db/十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。

而且通过对其中R的适当调节可以同时达到设计要求，也只是使电路中电压放大2倍，比方案一要好得多。

因此我们决定选用方案二。

3.2放大环节选择

方案一：

用一阶放大电路

用一级放大电路实现电压的放大倍数，通过改变数字电位器的数值来实现电压的各放大倍数。

用一片芯片来达到放大1，2，5，10，20倍还可以，但是要放大50，100倍的话，芯片的精度会不太够。

方案二:

用二级放大电路

采用两级级联同相比例运算电路。

两个CON2接口分别连接两个数字电位器。

前级放大电路的电压放大倍数为

Auf1=1+RF1/R6

后级放大电路的电压放大倍数为Auf2=1+RF2/R8。

系统总的放大倍数

Auf=Auf1*Auf2

其中RF1,RF2分别由两个数字电位器控制。

R6,R8都为1K，改变RF的值，增益也随之改变。

而通过两级放大电路的配合调节使每级的最大放大倍数为10。

这样既保证了对电压放大100的要求，又能保证放大芯片的精度，达到更好的准确度。

两级放大电路图如图3。

图3：

两级放大电路

3.3滤波与放大的顺序

滤波电路可以接在放大电路的前面也可以接在放大电路的后面。

如果接在放大电路的前面，那么经过后面的放大电路之后一些前面滤过的小的干扰波又会被放大，对输出电压有干扰。

所以我们选择把滤波放在两级放大之后，这样既能使放大电路满，又能对输出勃起到滤波作用，使输出电压更稳定。

4.原理设计及理论分析

系统流程图如下：

显示

装置

差分电路

滤波电路

反相比例电路

二级放大电路

一级放大电路

单片机控制器

数字电位器控制端

键盘

图4系统流程图

4．1硬件模块说明

整个系统由五部分组成：

差分比例运算电路，两级放大电路，反相比例运算电路，二阶低通滤波电路和单片机显示与控制。

除上面介绍过的两级放大电路和滤波电路外，其余具体设计如下：

4．1.1差分比例运算电路

电路图如图5：

图5：

差分比例运算电路

此部分作用在于提高输入电阻，滤除一些小的干扰波。

图中R10=R11=R12=R13，根据题目要求，输入电阻应大于100K，差分输入电阻

Rif=2R1

故R10应大于50K。

该设计中选用100K。

此部分要求很高的对称性，以避免不必要的误差。

4．1.2反相比例运算电路

电路图如图6：

图6:

反相比例运算电路

因后面所用到的芯片TLC2543对其输入信号有极性要求，而差分环节后，电流信号

反相，需将其转换过来。

该电路中

Auf=-R16/R14

R16=R14=1K

完成反相效果，保证输入输出同相。

4.1.3二阶低通滤波电路

利用集成运放与RC低通电路一起，可以组成有源滤波器，以提高通带电压放大倍数和带负载能力。

二阶压控电压源低通滤波器由两节RC滤波器和同相放大电路组成。

其中同相放大电路实际上就是所谓的压控电压源，它的电压增益就是低通滤波的通带电压增益，即Auf=R1/（R1+RF）=1+RF/R1。

二阶低通滤波电路中通过电容引入了电压并联正反馈，其目的是为了使输出电压在高频段迅速下降，但在接近于通带截止频率f0的范围内又不致下降太多，从而有利于改善滤波。

当f〈f0时电路进行基本放大。

当f〉f0时对数幅频特性以-40dB/十倍频的速度下降，对数幅频特性如下图所示：

由于二阶低通滤波电路的通带截止频率f0=1/2πRC，本设计要求f0=5Hz，且在f=50Hz时衰减大于40dB，该设计选择R=56K,C=1μF。

当Q=1时，既可以保持通频带的增益，而高频段幅频特性又能很快衰减，同时还可以避免在f=fo处幅频特性产生一个较大的凸峰，因此滤波效果较好。

4.2软件说明

4．2.1数字电位器与单片机的接口图如图7

图7:

数字电位器与单片机的接口图

数字电位器连接数字和模拟部分，它如果直接与单片机相连，会在同一个器件上既有模拟又有数字，使它本身工作受到干扰，同时也会给单片机的工作带来影响。

在此，我们选择在单片机和数字电位器之间加上光耦，从而起到隔离和保护的作用。

4.2.2键盘控制系统

键盘是一组按键的集合，键是一种常开型按钮开关，平时（常态）键的两个触电处于短开状态，按下键时它们才闭合（短路）。

键盘分独立式键盘与行列式键盘两种。

综合题目对该要求不是太高的特点，我们选择了较为简单的独立式键盘进行操作。

独立式按键是各按键相互独立地接通一条输入数据线，各按键的状态互不影响，同时电路采用了中断方式读取键值。

因为89C51系列单片机P1口已经有上拉电阻，所以选择P1口做为键盘输入端。

具体流程图如下:

图11：

键盘流程图

5.系统测试与分析

（1）题目要求带宽限制在0-5HZ，对频率为50HZ的信号衰减应大于40dB,因此在滤波环节（图2）需选择合适的元器件.该设计中,电容选择1uF,电阻选择如表一

表一

RF（K）

5HZ

50HZ

输入电压

输出电压

衰减

输入电压

输出电压

衰减

31.8

300mV

198mV

1.5

300mV

9.3mV

32

46

300mV

233mV

1.3

300mV

3.2mV

91

56

300mV

290mV

1.03

300mV

2.5mV

120

72.5

300mV

345mV

/

300mV

1.8mV

170

按要求输入信号5HZ时,输入电压与输出电压应接近相等;输入信号为50HZ时衰减应大于100.从表一参数中可以看出,当RF取56K时,可以满足设计要求.

（2）电压表测试

滤波环节中对不同频率输入信号的电压测试如表一

表二

测试频率（HZ）

5

50

100

输入电压Vin（mv）

300mV

300mV

300mV

输出电压Vo（mv）

290mV

2.5mV

0.5mV

衰减系数

1/1.03

1/120

1/600

从上表中可以看出,滤波环节完成衰减过程,并且在输入信号为5HZ时,输入电压与输出电压应接近相等;输入信号为50HZ时衰减大于100.完成设计要求.

（3）调节数字电位器改变电阻RF，所得到的放大倍数如表二

表三

RF1（K）

0

1

4

0

1

4

9

RF2（K）

0

0

0

9

9

9

9

输入电压Vi（mv）

20

20

20

20

20

20

20

输出电压Vo（mv）

19.8

39.9

100.1

200.01

399.97

1001

2004

放大倍数

1

2

5

10

20

50

100

对输入频率为1-5HZ的信号进行1-100放大作用.通过键盘实现该范围内任意电阻的设置,从而改变放大倍数.由表三中所测数值可以看出,给部分满足要求.

6.测试性能总结

测试结果表明,该设计原理正确,综合测试仪的指标基本达到赛题要求。

差分比例电路使输入电阻提高到200K;两级放大精确完成1-100放大要求;二阶低通滤波电路实现0-5HZ带宽要求,并在50HZ时衰减大于100;通过单片机相连A/D转换器2543和LED液晶显示屏相连,实现控制,数/模转换和显示功能.

7.附录

附录一:

测试仪器

测试所用仪器设备如表四

表四

序号

仪器

数量

制造商

1

高精度直流电压表

1

泰克科技（中国）有限公司

2

双踪数字示波

1

泰克科技（中国）有限公司

3

交流毫伏表

1

泰克科技（中国）有限公司

4

信号发生器

1

泰克科技（中国）有限公司

附录一:

元器件清单

IC座40脚×1

16脚×2

4脚×5

8脚×4

凤凰端子2脚×2

插排2510-2×2

2510-5×2

2510-6×2

电阻10K×2

4．7K×10

1K×3

510欧×10

500欧×1

560×2

阻排4.7K×3

晶阵12M×1

电容30PF×2

电位器503×1

203×3

芯片X5045P×1

STC89C521×1

TCP521-4×2

X9C103×2

ILC7650×5

电容0．1uF×22

1uF×2

参考文献

[1]　TexasInstrumentsIncorporated.TLC2543ApplicationReport.http:

//www,ti.com,1999

[2]　何立民主编1单片机应用技术选编（6）[M]1北京:

北京航空航天大学出版社,1998:

283～286

[3]刘文涛编著单片机语言C51典型应用设计人民邮电出版社2005年10月

[4]杨素行主编模拟电子技术基础简明教程高等教育出版社1997年5月