单片机数控测量放大器.docx
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单片机数控测量放大器
目录
1概述2
2.测量放大器系统3
2.1任务要求3
2.2测量放大器系统框图3
3．3设计方案及实现6
3.4论证与比较7
3.5元器件的选取8
4.直流稳压源的设计9
4.1设计内容及要求9
4.2直流稳压电源设计思路9
4.3直流稳压电源9
4.4元件的选取11
5.信号变换放大器设计14
5.1设计要求14
5.2设计原理及方案14
6单元电路原理图16
1按键电路图16
212864显示设备电路图17
3单片机最小系统电路18
4电阻矩阵电路19
5继电器驱动电路20
6测量放大电路21
7总体电路22
7电路仿真23
1测量放大器仿真23
2直流稳压电源仿真23
附录1.元件清单24
附录2.程序25
1概述
随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。
测量放大器专门精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。
测量放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。
测量放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输出和相对参考端的单端输出。
与运算放大器不同之处是运算放大器的闭环增益是由反相输出端与输出端之间连接的外部电阻决定，而测量放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。
测量放大器的2个差分输入端施加输入信号，其增益即可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。
本次设计通过采用仪用放大器的改造来实现设计测量放大器，单片机控制设备，增益显示设备，按键输入设备及其所用的稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带的要求。
测量放大器主要实现对微信号的测量，主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱信号的放大，要求有较高的共模抑制能力及较高的输入电阻，减少测量的误差及对被测电路的影响，并要求放大器的放大倍数可调已实现对比较大的范围的被测信号的测量。
测量放大器前级主要用差分输入，经过双端信号到单端信号的转换，最终经比例放大进行放大。
2.测量放大器系统
2.1任务要求
如图1。
输入信号VI取自桥式测量电路的输出。
当R1＝R2＝R3＝R4时，VI＝0。
R2改变时，产生VI≠0的电压信号。
测量电路与放大器之间有1米长的连接线。
2.2测量放大器系统框图
测量放大器系统组成的框图如3所示。
系统包括信号变化放大器电路、直流电压放大器和直流稳压电源。
测量放大器系统各个组成部分的作用和指标：
信号变换放大器：
把函数发生器单端输出信号经信号变换放大器变换为直流电压放大器的双端输入信号。
直流电压放大器：
要求差动输入的直流电压放大器，具有高的电压差模增益，并具有低漂移、低噪声输出及高共模抑制比等特性。
测试器差模放大倍数、共模放大倍数、共模抑制比、输出噪声电压峰峰值、通频带。
直流稳压电源：
改电源由单向220V交流电压供电，输出正负15V直流电压，作为整个系统的电源。
3.测量放大器的设计
3.1设计内容及要求
差模电压放大倍数AVD＝1～1000，可手动调节；
最大输出电压为±10V，非线性误差<0.5％；
在输入共模电压+7.5V～－7.5V范围内，共模抑制比KCMR>105；
在AVD＝500时，输出端噪声电压的峰－峰值小于1V；
通频带0～10Hz；
直流电压放大器的差模输入电阻≥2MW（可不测试，由电路设计予以保证）。
3.2设计原理
测量放大器具有输入阻抗高、共模抑制比大等特点，因而得到了广泛的应用。
但由于电路的分析复杂，通常只给出理想情况下放大器的差模增益，而难以给出其在非理想情况下的共模抑制比表达式。
用分离元件构建测量放大器需要花费很多的时间和精力，而采用集成运放放大器或差分放大器则是一种简便而又可行的替换方案。
用集成运算放大器放大信号的主要优点:
（1）电路设计简化，组装调试方便，只需适当配外接元件，便可实现输入输出的各种放大关系.
（2）由于运放得开环增益都很高，用其构成的防大电路一般工作的深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。
（3）运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。
又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化，电源的波动以及其他外界干扰独有很强的抑制能力。
3．3设计方案及实现
方案一带电压跟随器的差动放大电路
利用高阻型的集成运放，构成电压跟随器，可以获得很高的输入电阻。
因此，只要在差动放大电路的两个输入各加一个电压跟随器，即可提高简单差动放大电路的输入电阻。
其电路如下图所示。
该测量放大器由运A1和A2按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。
方案二
在方案一的基础上，在两个同相放大器的反相输入端接上电阻R4，可得第一级差分电路放大倍数Av1=（Uo1-Uo2）/（Ui1-Ui2）=1+2R2/R4，第二级放大倍数Av2=Uo/（Uo1-Uo2）=-R/R=-1,则测量放大器放大倍数Av=Av1*Av2=1+2R2/R4。
方案三
在方案二的基础上，在电阻R4一端串联一个划线变阻器Rw。
则测量放大器放大倍数Av=Av1*Av2=1+2R2/Rw
3.4论证与比较
综合以上四种方案分析可知：
方案一电路结构简单，易于定位和控制。
但这种电路的共模抑制比不高，不满足要求。
方案二基本包含了方案一的优点，在其基础上在方向输入端接电阻，提高电路共模抑制比。
测量放大器的第一级有两个同相放大器采用并联方式，组成同相并联差动。
该电路具有阻抗较高的特点，但要调节增益不能实现，不能满足手动调节的要求。
方案三在方案二的基础上增加了一个电位器，能方便调节。
由于在实际中很难达到电阻的精确匹配，运算放大器也不可能达到完全一样。
而通过电位器调节既方便又节约成本，总体上能满足设计要求，同时使其对成型方便调节。
在实际控制中电位器可以用单片机控制的电阻矩阵网络所代替，以便实现数字控制测量放大器的增益。
故经过对比后，方案三最为合理。
3.5元器件的选取
元器件的选择是高性能放大的保证。
为提高共模抑制比，对称电阻必须精密匹配。
为达到输入阻抗的要求，选取R1=R2=10K，R3=R4=25K，R5=R6=R7=R8=10K，Rw=电阻矩阵。
这样达到对称。
根据以上推得公式Av=Vo/（Vi1-Vi2）=1+2R2/Rw
当Rw为最大阻值2K时，Av=1+2*1000/2000=2
当Rw=0时候，Av=2002
4.直流稳压源的设计
4.1设计内容及要求
设计并制作上述放大器所用的直流稳压电源。
由单相220V交流电压供电。
直流稳压电源的测量：
交流电压变化范围为＋10％～－15％，同时AVD和KCMR应保持不变。
4.2直流稳压电源设计思路
直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电。
电源通过直流转换为交流，再通过变压器的变压，在转换为直流。
从而实现了直流电压转换、
（1）电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
4.3直流稳压电源
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见下图。
直流稳压电源方框图
其中：
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
直流稳压电源
4.4元件的选取
选择集成稳压器
选三端固定稳压器7805，7815和7915,其性能参数为：
Iomax=1.5A,,最大功率30W，最大输入电压8-40V，均能满足性能要求。
选电源变压器:
电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。
变压器副边与原边的功率比为P2/P1=η，式中η是变压器的效率。
通常根据变压器副边输出的功率P2来选购（或自绕）变压器。
集成稳压器的输入电压Ui=（12+3）/0.9=17V
而变压器的副边电压U2=Ui/（1.1～1.2）=15V,I2>Iomax=1.5A
变压器效率为0.7,则其功率P2>U2*I2=22.5W
为留有余地，故选择功率25W的变压器。
选整流二极管及滤波电容
选整流二可以选桥式整流管1J4B42，其极限参数Urm≥50V,1.4*15=21V,If=1.5A,所以均满足要求
滤波电容为C=IomaxT/2△Ui=1500uF,它的耐压应大于21V,因而可取2200uF/25V的电容。
选稳压器
由于要输出正负10V电压，于是采用的是7815和7915三端集成稳压器，其中78系列输出的为正电压，79系列输出的为负电压，如图，78系列和79系列的接法如下：
稳压芯片7815主要参数：
输出电流1A
输出电压15v
1-地，GND
2-输入
3-输出
直流稳压器设计图如下
其中，C1=C4=2.2mF,C2=C5=100uF,C3=C6=330uF
直流稳压电源
5.信号变换放大器设计
5.1设计要求
设计并制作一个信号变换放大器，参见下图。
将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真地转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。
5.2设计原理及方案
设计要求将函数发生器单端输出的正弦电压信号不失真的转换为双端输出信号，用作测量直流电压放大器频率特性的输入信号。
为了使信号不失真，就需保证电路的对称性。
设计采用单端输入、双端输出的差动放大级进行信号的变换电路中使用OP07运算放大器，同相放大器结成射级跟随器。
有R3=R4，反相比例放大器放大倍数Av=-R4/R3=-1。
输出电压Vo1=-Vo2=Vi。
6单元电路原理图
在测量放大器RW处外接插针，接入有继电器盒精密电阻所组成的电阻网络，在有单片机控制继电器的闭合，从而使电阻并联接入测量放大器电路中，改变继电器的闭合状态就能改变精密电阻的并联状态从而改变放大的增益。
继电器的状态又外界16*16矩阵按键所控制，显示设备采用串行的12864.主控MCU采用51单片机。
1按键电路图
按键控制电路
按键采用16*16矩阵按键，其中0-9数字键作为增益的数字输入，在加上确定键以及取消键，组成输入系统，按键输入的数字经过编码编程12为2进制数据，传递为单片机的IO口以控制继电器的闭合，同时12864采集按键的数值进行显示。
212864显示设备电路图
液晶LCD电路
显示设备12864采用LCD的串行显示，其优点是节约IO口，缺点是写入速度慢，但是对于本系统来讲，并不需要太快的写入速度。
LCD采集按键的数值，对按键的输入进行实时显示，以及最后实际增益的显示。
3单片机最小系统电路
单片机最小系统
本次设计主控MCU采用比较大众的51单片机，单片机作为数据处理以及输出设备。
采集按键的输入，驱动继电器，驱动LCD。
其处理速度和内外部资源都能很好的匹配本次设计。
4电阻矩阵电路
电阻矩阵网络
电阻矩阵是由12个继电器控制12个精密电阻的并联，当继电器闭合，其电阻并联如电阻网络。
继电器由2003驱动芯片驱动。
5继电器驱动电路
继电器驱动电路
本次设计的继电器采用LUN2003驱动芯片驱动，200芯片的输入口由单片机给控制信号，输出端对控制信号进行反向，在输给继电器的低电平端，使继电器闭合。
LUN2003由于是集电极开路输出，其本身并没有输出能力，若想用它来进行输出，必须在输出端加上上拉电阻赋予其输出能力，本次上拉电阻采用10K0805电阻。
6测量放大电路
测量放大电路
7总体电路
总体电路图
7电路仿真
1测量放大器仿真
2直流稳压电源仿真
附录1.元件清单
元件代号
元件名称
元件参数
元件数量
T
变压器
220V～±18V
2个
CW1
稳压器
7815
1个
CW2
稳压器
7915
1个
CW3
稳压器
7805
1
A
运算放大器
OP07
5个
RL
滑线变阻器
500KΩ
5个
R
电阻
10KΩ
9个
R
电阻
25KΩ
2个
R
电阻
100Ω
1个
R
电阻
3.3KΩ
1个
R
电阻
5KΩ
1个
C
电解电容
2200μF
3个
C
陶瓷电容
330μF
2个
U1
51单片机
STC89C52
1个
U2
驱动芯片
LUN2003A
2
Jidianqi
继电器
5V
12
附录2.程序
#include
unsignedcharbai=0,shi=0,ge=0,cout,key,i,key1,a[3];
unsignedintdat;
sbitjdq1=P0^4;//定义继电器百位
sbitjdq2=P0^5;
sbitjdq3=P0^6;
sbitjdq4=P0^7;
sbitjdq5=P2^0;//十位
sbitjdq6=P2^1;
sbitjdq7=P2^2;
sbitjdq8=P2^3;
sbitjdq9=P2^4;//个位
sbitjdq10=P2^5;
sbitjdq11=P2^6;
sbitjdq12=P2^7;
sbitKI4=P1^0;//按键定义
sbitKI3=P1^1;
sbitKI2=P1^2;
sbitKI1=P1^3;
sbitKO1=P1^4;
sbitKO2=P1^5;
sbitKO3=P1^6;
sbitKO4=P1^7;
//液晶
sbitSID=P0^1;//数据信号
sbitSCLK=P0^2;//时钟信号
/********************************************************************
延时,延时时间为100us*t。
***********************************************************************/
voiddelay（unsignedintt）
{
unsignedinti,j;
for（i=0;ifor（j=0;j<10;j++）;
}
voiddelay1（unsignedintx）
{
while（x--）;
}
/********************************************************************
*名称:
sendbyte（）
*功能:
按照液晶的串口通信协议，发送数据
*输入:
zdata
*输出:
无
***********************************************************************/
voidsendbyte（unsignedcharzdata）
{
unsignedinti;
for（i=0;i<8;i++）
{
if（（zdata<{
SID=1;
}
else
{
SID=0;
}
SCLK=0;
SCLK=1;
}
}
/********************************************************************
*名称:
write_com（）
*功能:
写串口指令
*输入:
cmdcode
*输出:
无
***********************************************************************/
voidwrite_com（unsignedcharcmdcode）
{
sendbyte（0xf8）;
sendbyte（cmdcode&0xf0）;
sendbyte（（cmdcode<<4）&0xf0）;
delay
（2）;
}
/********************************************************************
*名称:
write_data（）
*功能:
写串口数据
*输入:
cmdcode
*输出:
无
***********************************************************************/
voidwrite_data（unsignedcharDispdata）
{
sendbyte（0xfa）;
sendbyte（Dispdata&0xf0）;
sendbyte（（Dispdata<<4）&0xf0）;
delay
（2）;
}
/********************************************************************
*名称:
lcdinit（）
*功能:
初始化函数
*输入:
cmdcode
*输出:
无
***********************************************************************/
voidlcdinit（）
{
delay（20000）;
write_com（0x30）;
delay（30）;
write_com（0x0c）;
delay（20）;
write_com（0x06）;
delay（20）;
write_com（0x01）;
delay（20）;
}
/********************************************************************
*名称:
hzkdis（）
*功能:
显示字符串
*输入:
*s
*输出:
无
***********************************************************************/
voidhzkdis（unsignedcharcode*s）
{
while（*s>0）
{
write_data（*s）;
s++;
delay（50）;
}
}
/********************************************************************
*名称:
Test（）
*功能:
显示子函数
*输入:
无
*输出:
无
***********************************************************************/
voidTest（）
{
delay（50）;
write_com（0x80）;
hzkdis（"增益：
"）;
write_com（0x86）;
hzkdis（"倍"）;
delay（50）;
write_com（0x90）;
hzkdis（"实际放大：
"）;
write_com（0x97）;
hzkdis（"倍"）;
write_com（0x88）;
hzkdis（"一个测量放大器"）;
write_com（0x98）;
hzkdis（"辽宁工业大学波波"）;
}
voidclear（）
{
write_com（0x01）;
delay（50）;
Test（）;
delay（50）;
cout=0;
for（i=0;i<3;i++）
{
a[i]=0;
}
i=0;
P0=0;
P2=0;
}
voidjianpan（）
{
P1=0XFF;
KO4=0;
if（!
（KI1&&KI2&&KI3&&KI4））
{
delay1（800）;
if（!
（KI1&&KI2&&KI3&&KI4））
{
key=P1;
switch（key）
{
case0x7e:
key=1;break;
case0x7d:
key=2;break;
case0x7b:
key=3;break;
case0x77:
key=4;break;
default:
break;
}
cout=1;
while（!
（KI1&&KI2&&KI3&&KI4））;
}
}
P1=0XFf;
KO3=0;
if（!
（KI1&&KI2&&KI3&&KI4））
{
delay1（800）;
if（!
（KI1&&KI2&&KI3&&KI4））
{
key=P1;
switch（key）
{
case0xbe:
key=5;break;
case0xbd:
key=6;break;
case0xbb:
key=7;break;
case0xb7:
key=8;break;
default:
break;
}
cout=1;
while（!
（KI1&&KI2&&KI3&&KI4））;
}
}
P1=0XFf;
KO2=0;
if（!
（KI1&&KI2&&KI3&&KI4））
{
delay1（800）;
if（!
（K
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