程控放大器Word文档格式.docx

1、指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签字：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Altium Designer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、Altium

2、 Designer、ProteusAbstractThe program-controlled amplifier is based on STC89C52 controller. And composed of operational amplifier and programmable chip AD603 amplification circuit. The corresponding magnification （dB） is set by the keyboard for input signal of the single chip microcomputer , and the

3、given magnification controlled by single chip microcomputer is displayed on the LCD. At the same time,through the DA conversion, the single chip microcomputer outputs corresponding control voltage indirectly to control AD603 magnification, then to realize the control of signal amplification circuit

4、magnification.In the meantime,Altium Designer, which is regarded as a current popular PCB drawing software, is used to drawing the hardware circuit schematic and PCB in the designing. We also use Proteus software to complete the simulation of the entire system. By analyzing the simulation results, f

5、easibility of this design is confirmed.Keyword: STC89C52 AD603 Programmable amplifier Altium Designer Proteus1 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（101000）mVrms范围内。（2）频率响应为（2022000）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

6、求：1. 使用Altium Designer制作程控放大器的电路原理图。2. 使用Altium Designer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09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ASC

7、ll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

8、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

9、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10k至100K之间选择，以适应从宽带宽到低功耗的各种应用。该10k器件可提供650KHz带宽，100k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

10、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

11、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。2.4 D/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=DnVref/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mVV每一数量级都有较精确的

12、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25s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

13、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9MH

14、z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3.2 AD603 90MHZ带宽接法由于AD603的输入电阻只有100，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）=40U+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

15、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3.3 NE5532引脚图相关参数如下：小信号带宽：10MHZ 输出驱动能力：600，10V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/s 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NE

16、5532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

17、/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，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

18、复位时间，一般采用1030uF。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1533pF，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

19、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3.7 LCD1602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

20、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。3.5 D/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1/40961/2000，完全能达到设计的精度。MAX5822引脚图见下图图3.8图3.8 MAX5822引脚图在proteus中对DA进行了仿真设计，具体设计如下：图3.9 MAX5822与单片机的连接电路电路说明：SCL SDA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

21、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

22、数公式AG（dB）=40U+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。5.2 DA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5.2 DA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0.063m

23、v，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

24、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。6 Altium Designer PCB绘制6.1 Altium Designer简介 Altium Designer 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。Altium Designer除了全面继承包括99

25、SE，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。Altium Designer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Altium Designer实现硬件电路的PCB绘制。6.2 原理图绘制 点击进入Altium Designer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，Schematic Library，PCB

26、 Library，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。6.3 PCB图绘制 在生成PCB图

27、之前，首先，需要在原理图中tools-footprint manager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PCB Library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-Update PCB Document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

28、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Altium Designer 绘制PCB板的方法。但是现在许多操作

29、都变得有些生疏了。为此，我也花了一定时间来来熟悉Altium designer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Altium designer、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1 童诗白,华成英.模拟电子技术基础.M.第四版.高等教育出版社,2009.2 郭天祥.51单片机C语言教程.M.北京,电子工业出版社.20093 谢自美.电子线路设计实验测试.第三版.武汉：华中科技大学出版社，2006.84 尹勇,撒继铭.单片计算机原理及运用.M.北京：科学出版社.2013.5 朱清慧.Proteus教程：电子线路设计、制版与仿真.M.北京：清华大学出版社.20116 穆秀春,冯新宇.Altium Designer原理图与PCB设计.M.北京：电子工业出版社.20117 谭浩强.C语言程序设计.北京：清华大学出版社.20108 胡寿伟. 一种单片机控制的程控放大器J. 测试技术学报. 1996（03） 附图1 Proteus仿真全图2 Altium Designer绘制原理图3 Altium Designer绘制PCB全图选择No Net覆铜后：选择顶层不镜像打印后：附录1 元件清单