數(shù)控直流增益放大器畢業(yè)論文.doc

桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第39頁 共39頁引言寬帶放大器是音響、有線電視、無線通信等系統(tǒng)中必不可少的部分，現(xiàn)在對放大器的發(fā)展做一個簡要介紹： 工作頻率上限與下限之比遠大于1的放大電路。習慣上也常把相對頻帶寬度大于2030的放大器列入此類。這類電路主要用于對視頻信號、脈沖信號或射頻信號的放大。用于電視圖像信號放大的視頻放大器是一種典型的基帶型寬帶放大器，所放大的信號的頻率范圍可以從幾赫或幾十赫的低頻直到幾兆赫或幾十兆赫的高頻。這類放大器通常以電阻器為放大器的負載，以電容器作級間耦合。為了擴展帶寬，除了使其增益較低以外，通常還需要采用高頻和低頻補償措施，以使放大器的增益-頻率特性曲線的平坦部分向兩端延展。可以歸入寬帶放大器的還有用于時分多路通信、示波器、數(shù)字電路等方面的基帶放大器或脈沖放大器（帶寬從幾赫到幾十或幾百兆赫），用于測量儀器的直流放大器（帶寬從直流到幾千赫或更高），以及音響設備中的高保真度音頻放大器（帶寬從幾十赫到幾十千赫）等。用于射頻信號放大的寬帶放大器（大多屬于帶通型），如雷達或通信接收機中的中頻放大器，其中心頻率為幾十兆赫或幾百兆赫，通帶寬度可達中心頻率的百分之幾十。隨著射流技術的推廣，液動或氣動放大器的應用也逐漸增多。電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、晶體管放大器、固體放大器和磁放大器，其中又以晶體管放大器應用最廣。在自動化儀表中晶體管放大器常用于信號的電壓放大和電流放大，主要形式有單端放大和推挽放大。此外，還常用于阻抗匹配、隔離、電流-電壓轉換、電荷-電壓轉換（如電荷放大器）以及利用放大器實現(xiàn)輸出與輸入之間的一定函數(shù)關系。 1 課題的研究背景與前景 50年代末，美國在電子器件技術領域率先跨出一步，推出了時代驕子集成電路。到了60年代末70年代初，集成電路以其質優(yōu)價廉、多功能的特點開始在音頻功率放大器上廣泛應用。1977年，日立公司生產(chǎn)出了世界上第一只VMOS（Vertical Metal Oxide Semiconductor）功率管。 60年代，晶體管開始問世，從此揭開了現(xiàn)代放大器的序幕。19701973年，是級間全部直耦OCL（Output Capacitorless）方式的普及期；19741976年是DC（Digital Circuit）放大器全盛時期。70年代末至今，晶體管功率放大器得到了淋漓盡致的發(fā)揮，設計形式已相當多，這一切都為集成電路功放技術設計鋪平了道路。 70年代到現(xiàn)在, 增加信號幅度或功率的裝置。它是自動化技術工具中處理信號的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。對于線性放大器，輸出就是輸入信號的復現(xiàn)和增強。對于非線性放大器，輸出則與輸入信號成一定函數(shù)關系。放大器按所處理信號物理量分為機械放大器、機電放大器、電子放大器、液動放大器和氣動放大器等，其中用得最廣泛的是電子放大器。隨著電子計算機和單片機的發(fā)展，具有時時顯示增益值功能和程控可調的功能的放大器應運而生，新一代的寬帶放大器不僅控制精度高，響應速度快，而且很容易與計算機實驗通信，利用計算機實現(xiàn)控制，還可以進行遠程在線控制，所以應用范圍更廣，生產(chǎn)成本更低。2 方案設計2.1 方案論證與比較方案一 簡單的放大電路可以由三極管搭接的放大電路實現(xiàn),圖2.1.1為分立元件放大器電路圖。為了滿足增益60dB的要求，可以采用多級放大電路實現(xiàn)。對電路輸出用二極管檢波產(chǎn)生反饋電壓調節(jié)前級電路實現(xiàn)自動增益的調節(jié)。本方案由于大量采用分立元件，如三極管等，電路比較復雜，工作點難于調整，尤其增益的定量調節(jié)非常困難。此外，由于采用多級放大，電路穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。圖2.1.1分立元件放大電路 方案二 為了易于實現(xiàn)最大60dB增益的調節(jié)，可以采用D/A芯片AD7520的電阻權網(wǎng)絡改變反饋電壓進而控制電路增益。又考慮到AD7520是一種廉價型的10位DA轉換芯片，其輸出Vout=DnVref/210，其中Dn為10位數(shù)字量輸入的二進制值，可滿足210=1024擋增益調節(jié)，滿足題目的精度要求。它由CMOS電流開關和梯形電阻網(wǎng)絡構成，具有結構簡單、精確度高、體積小、控制方便、外圍布線簡化等特點，故可以采用AD7520來實現(xiàn)信號的程控衰減。但由于AD7520對輸入?yún)⒖茧妷篤ref有一定幅度要求，為使輸入信號在mVV每一數(shù)量級都有較精確的增益，最好使信號在到達AD7520前經(jīng)過一個適應性的幅度放大調整，再通過AD7520衰減后進行相應的后級放大，并使前后級增益積為1024，與AD7520的衰減分母抵消，即可實現(xiàn)程控放大。但AD7520對輸入范圍有要求，具體實現(xiàn)起來比較復雜，而且轉化非線性誤差大，帶寬只有幾kHz，不能滿足頻帶要求。方案三 根據(jù)題目對放大電路的增益可控的要求，考慮直接選取可調增益的運放實現(xiàn)，如運放AD603。其內部由R-2R梯形電阻網(wǎng)絡和固定增益放大器構成，加在其梯型網(wǎng)絡輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；而這個參考電壓可通過單片機進行運算并控制D/A芯片輸出控制電壓得來，從而實現(xiàn)較精確的數(shù)控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬，單級實際工作時可提供超過40dB的增益，兩級級聯(lián)后即可得到口80dB以上的增益，通過后級放大器放大輸出，在高頻時也可提供超過60dB的增益。這種方法的優(yōu)點是電路集成度高、條理較清晰、控制方便、易于數(shù)字化用單片機處理。2.2 運放介紹2.2 .1運放發(fā)展史第三種設計運用到兩類運算放大器，下面對運算放大器作一下簡單的介紹圖2.2.1運放的電氣圖運算放大器（常簡稱為“運放”）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡共同組成某種功能模塊。由于早期應用于模擬計算機中，用以實現(xiàn)數(shù)學運算，故得名“運算放大器”，此名稱一直延續(xù)至今。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現(xiàn)，也可以實現(xiàn)在半導體芯片當中。隨著半導體技術的發(fā)展，如今絕大部分的運放是以單片的形式存在。現(xiàn)今運放的種類繁多，廣泛應用于幾乎所有的行業(yè)當中。 歷史：第一個使用真空管設計的放大器大約在1930年前后完成，這個放大器可以執(zhí)行加與減的工作。 運算放大器最早被設計出來的目的是將電壓類比成數(shù)字，用來進行加、減、乘、除的運算，同時也成為實現(xiàn)模擬計算機（analog computer）的基本建構方塊。然而，理想運算放大器的在電路系統(tǒng)設計上的用途卻遠超過加減乘除的計算。今日的運算放大器，無論是使用晶體管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成電路（integrated circuits）元件，運算放大器的效能都已經(jīng)逐漸接近理想運算放大器的要求。早期的運算放大器是使用真空管設計，現(xiàn)在則多半是集成電路式的元件。但是如果系統(tǒng)對于放大器的需求超出集成電路放大器的需求時，常常會利用分立式元件來實現(xiàn)這些特殊規(guī)格的運算放大器。1960年代晚期，仙童半導體（Fairchild Semiconductor）推出了第一個被廣泛使用的集成電路運算放大器，型號為A709，設計者則是鮑伯韋勒（Bob Widlar）。但是709很快地被隨后而來的新產(chǎn)品A741取代，741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。741運算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個獨一無二的象征，歷經(jīng)了數(shù)十年的演進仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn)741。直到今天A741仍然是各大學電子工程系中講解運放原理的典型教材。 2.2 .2運放原理運放如下圖有兩個輸入端a（反相輸入端）,b(同相輸入端)和一個輸出端o.也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端.當電壓加U-加在a端和公共端(公共端是電壓為零的點,它相當于電路中的參考結點.)之間,且其實際方向從a 端高于公共端時,輸出電壓U實際方向則自公共端指向o端,即兩者的方向正好相反.當輸入電壓U+加在b端和公共端之間,U與U+兩者的實際方向相對公共端恰好相同.為了區(qū)別起見,a端和b 端分別用-和+號標出,但不要將它們誤認為電壓參考方向的正負極性.電壓的正負極性應另外標出或用箭頭表示.反轉放大器和非反轉放大器如下圖： （a）正相 （b）反相圖2.2.2運放的正反相一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。 運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。 運放的輸入電位通常要求高于負電源某一數(shù)值，而低于正電源某一數(shù)值。經(jīng)過特殊設計的運放可以允許輸入電位在從負電源到正電源的整個區(qū)間變化，甚至稍微高于正電源或稍微低于負電源也被允許。這種運放稱為軌到軌（rail-to-rail）輸入運算放大器。 運算放大器的輸出信號與兩個輸入端的信號電壓差成正比，在音頻段有：輸出電壓=A0（E1-E2），其中，A0 是運放的低頻開環(huán)增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同相端的輸入信號電壓，E2 是反相端的輸入信號電壓。2.2.3運放種類按照集成運算放大器的參數(shù)來分,集成運算放大器可分為如下幾類。 （1）通用型運算放大器 通用型運算放大器就是以通用為目的而設計的。這類器件的主要特點是價格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標能適合于一般性使用。例A741（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）及以場效應管為輸入級的LF356都屬于此種。它們是目前應用最為廣泛的集成運算放大器。 （2）高阻型運算放大器 這類集成運算放大器的特點是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid1G1T,IB為幾皮安到幾十皮安。實現(xiàn)這些指標的主要措施是利用場效應管高輸入阻抗的特點,用場效應管組成運算放大器的差分輸入級。用FET作輸入級,不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點,但輸入失調電壓較大。常見的集成器件有LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。 （3）低溫漂型運算放大器 在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表中,總是希望運算放大器的失調電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運算放大器就是為此而設計的。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。 （4）高速型運算放大器 在快速A/D和D/A轉換器、視頻放大器中,要求集成運算放大器的轉換速率SR一定要高,單位增益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運放是不能適合于高速應用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉換速率和寬的頻率響應。常見的運放有LM318、A715等,其SR=5070V/us,BWG20MHz。 （5）低功耗型運算放大器 由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應用范圍的擴大,必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作電壓為2V18V,消耗電流為50250A。目前有的產(chǎn)品功耗已達W級,例如ICL7600的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。 （6）高壓大功率型運算放大器 運算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運算放大器外部不需附加任何電路,即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運放的電源電壓可達150V,A791集成運放的輸出電流可達1A。 （7）可編程控制運算放大器 在儀器儀表得使用過程中都會涉及到量程得問題.為了得到固定電壓得輸出,就必須改變運算放大器得放大倍數(shù).例如:有一運算放大器得放大倍數(shù)為10倍,輸入信號為1mv時,輸出電壓為10mv,當輸入電壓為0.1mv時,輸出就只有1mv,為了得到10mv就必須改變放大倍數(shù)為100.程控運放就是為了解決這一問題而產(chǎn)生得.例如PGA103A,AD603通過控制1,2腳的電平來改變放大的倍數(shù).本設計中就用到此類放大器。2.3系統(tǒng)設計2.3.1系統(tǒng)設計與總體流程圖2.3.1系統(tǒng)總體流程圖根據(jù)題目的要求，經(jīng)過仔細分析，充分考慮各種因素，制定了整體的設計方案：以單片機89C51為核心，完成四個方面的功能：處理鍵盤數(shù)據(jù)，DA轉化，控制放大器的增益，控制LCD顯示。首先由鍵盤輸入控制數(shù)據(jù)；控制數(shù)據(jù)進入單片機，經(jīng)過運算，單片機做出相應的反應。單片機外圍與DAC0832相連，實現(xiàn)將CPU輸送的預置數(shù)字大小轉換成對應的控制電壓然后經(jīng)過Tl074運放進行調整；使其能夠達到我們的需求。增益控制電壓輸出到放大電路并且調節(jié)放大電路，使放大電路產(chǎn)生相應的變化，改變放大增益；從而達到步進增益的控制。2.4 理論分析與計算及運大的選擇2.4.1帶寬增益積運放的帶寬BW通常為截止頻率fc，既Av*BW=常數(shù)。題目要求最大電壓增益為60dB，且要求3dB通頻帶010MHZ，故我們選擇的運放帶寬應該超過10MHZ，這樣才能滿足題目要求。2.4 .2通頻帶寬內增益起伏控制輸入信號源穩(wěn)定，硬件性能參數(shù)穩(wěn)定，電路抗干擾能力，輸出帶負載能力強就可較好的保證通頻帶寬內增益起伏不超過1dB。2.4 .3線性相位線性相位的特點：一個單一頻率的正弦信號通過一個系統(tǒng)，假設它通過這個系統(tǒng)的時間需要t，則這個信號的輸出相位落后原來信號wt的相位。從這邊可以看出，一個正弦信號通過一個系統(tǒng)落后的相位等于它的w*t；反過來說，如果一個頻率為w的正弦信號通過系統(tǒng)后，它的相位落后delta，則該信號被延遲了delta/w的時間。在實際系統(tǒng)中，一個輸入信號可以分解為多個正弦信號的疊加，為了使得輸出信號不會產(chǎn)生相位失真，必須要求它所包含的這些正弦信號通過系統(tǒng)的時間是一樣的。因此每一個正弦信號的相位分別落后，w1*t，w2*t，w3*t。因此，落后的相位正比于頻率w，如果超前，超前相位的大小也是正比于頻率w。從系統(tǒng)的頻率響應來看，就是要求它的相頻特性是一條直線。在FIR濾波器的設計中，為了得到線性相位的性質，通常利用實偶對稱序列的相頻特性為常數(shù)0和實奇對稱序列為相頻特性為常數(shù)90度的特點。因此得到的是對稱序列，不是因果序列，是不可實現(xiàn)系統(tǒng)，為了稱為物理可實現(xiàn)系統(tǒng)，需要將它向右移動半個周期，這就造成了相移特性隨時間的變化，同時也是線性變化。線性相位條件：即如果單位脈沖響應h(n)（為實數(shù)）具有偶對稱或奇對稱性，則FIR數(shù)字濾波器具有嚴格的線性相位特性。 2.4 .4抑制直流零點漂移理論上抑制零點漂移的方法有：在電路中引入直流負反饋；采用溫度補償?shù)姆椒?，利用熱敏元件來抵消放大管的變化；采用“差動放大電路”。我們在本系統(tǒng)中通過選擇的AD603，其內部帶有直流負反饋和差動放大電路可較好的解決零點漂移的產(chǎn)生。2.4 .5放大器穩(wěn)定性由于運算放大器及其電路中元器件本身會產(chǎn)生噪聲，而且外界干擾或無用信號并且在放大器的某一端產(chǎn)生的電壓或電流噪聲或其相關電路也會產(chǎn)生噪聲。干擾可以表現(xiàn)為尖峰、階躍、正弦波或隨機噪聲而且干擾源到處都存在：機械、靠近電源線、射頻發(fā)送器與接收器、計算機及同一設備的內部電路(例如，數(shù)字電路或開關電源)。減小其反向傳輸導納yre的值可提高電路的抗干擾性，或者在電路上設法消除晶體管的反向作用，使它單向化，2.4 .6 運放的選擇（1）AD603的相關資料AD603是美國模擬器件（Analog Device公司的一高性能、低噪聲、90MHz、增益可調的集成運放。常用于RF/IF的AGC控制、視頻增益控制、A/D輸入調整、信號測量等領域。其結構如圖2.4.1所示。圖2.4.1 AD603的管腳圖以下是它的一些具體參數(shù)：電源電壓Vs：7.5V；輸入信號幅度VINP：+2V；增益控制端電壓GNEG和GPOS：Vs；功耗：400mW；工作溫度范圍； AD603A：-4085； AD603S：-55+125； 存儲溫度：-65150 可見AD603由固定增益放大器、精確的無源R-2R梯形衰減網(wǎng)絡、增益控制接口三部分組成。由上圖可知衰減網(wǎng)絡的衰減范圍，即增益可調范圍為042.14dB，輸入信號并不直接加到放大器輸入端，而是加到梯形衰減網(wǎng)絡的輸入端，這樣就保證了固定增益放大器的輸入為一弱信號，使信號的失真將很小；帶寬的設置與增益的調節(jié)相對獨立。 圖2.4.2 AD603功能框圖增益控制接口通過控制電壓VG=GPOS-GNEG來控制片內的精確調節(jié)器來控制輸入信號的衰減量GA，增益控制接口的電壓增益轉換率為42.14dB/V，即23.73mV/dB，其線性轉換曲線如圖2.4.3所示。其中對GPOS與GNEG只要求不超過電源電壓，增益的調整與其自身電壓值無關，而僅與其差值VG有關，并且控制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達50M，即輸入電流很小，則片內控制電路對提供增益控制電壓的外電路影響很小。以上特點適合構成程控增益放大器。圖2.4.3增益控制轉換曲線固定增益放大器通過在圖4中FDBK與VOUT之間外加電阻實現(xiàn)運放的增益與帶寬設置，當減小外部電阻時加大負反饋時，使增益減小而擴展帶寬，反之則增大增益而減小帶寬。其增益可由下式?jīng)Q定： 式2.4.1式中R外加電阻；GF固定增益放大器的增益。當R為短路時，固定增益放大器的增益/帶寬值為31.07dB/90MHg,當R為開路時,則為51.07dB/9MHg，考慮到梯形網(wǎng)絡的衰減量,則AD603的整體增益可計算為：G=GA+GF=42.14R(VG)-0.5+GF式2.4.2可見單級AD603可提供高達42.14dB的動態(tài)范圍，且增益可調易于程控，所以在本設計中選用其作為主放級。從芯片廠商給的資料來看，AD603給出了三種典型的應用方法。（1）單級-10db+30db,帶寬90MHz接法電路如圖2.4.4：圖2.4.4 -10db30db,帶寬90MHz接法2單級+10db+50db,帶寬9MHz接法電路如圖2.4.5：圖2.4.5 10db50db,帶寬9MHz接法3單級0db +40db,帶寬30MHz接法電路如圖2.4.5：圖2.4.6 0db40db,帶寬30MHz接法此電路的優(yōu)點是增益、帶寬都是適中，經(jīng)過兩級放大，不僅可以滿足題目要求，而且高出許多，所以是一個比較合適我們的電路，故我們采用這種接法作為放大電路部分。因此1腳與2腳之間電壓差與增益的關系式為Gain=40VG+20 式2.4.3放大部分電路圖如圖2.4.8所示：圖2.4.7放大部分的總電路圖2.5 顯示電路的設計單片機應用系統(tǒng)的顯示器件種類很多，但最常用的主要有兩種：數(shù)碼管顯示即LED顯示器；液晶顯示即LCD顯示器。從結構上，兩種顯示器又可分為段碼顯示和點陣顯示。LCD顯示器是近年來上市的一種被動發(fā)光式顯示器，具有重量輕、功耗低、體積小、顯示內容豐富、使用方便等特點，在通訊、儀器儀表、電子設備、家用電器等低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用，使這些電子設備的人機界面變得越來越直觀形象，目前已廣泛應用于電子表、計算器、液晶電視、復印機等許多方面?；谖覀冸娐沸枰@示字符，故選用TC1602液晶模塊。2.5.1 TC1602液晶模塊字符型液晶是一種使用57點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個字、2行16個字、2行20個字等，我們選用的則是最常用的2行16個字的1602液晶模塊。TC1602液晶模塊的引腳圖如下所示：圖2.5.1 1602液晶模塊引腳圖各引腳功能分別如下：第1腳：VSS為電源地，接GND。第2腳：VDD接5V電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整.第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號獻，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：BLA背光電源正極（5V）輸入引腳。第16腳：BLK背光電源負極，接GND。1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制令，如表2.5.1所示。它的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）表2.5.1 1602液晶模塊內部的控制器共有11條指令指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清顯示0000000001光標返回000000001*置輸入模式00000001I/DS顯示開/關控制0000001DCB標或字符移位000001S/CR/L*置功能00001DLNF*置字符發(fā)生存貯器地址1置數(shù)據(jù)存貯器地址1讀忙標志或地址1寫數(shù)到CGRAM或DDRAM1從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11602液晶模塊內帶標準字庫，內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）存儲了192個57點陣字符，32個510點陣字符。另外還有字符生成RAM（CGRAM）512字節(jié)，供用戶自定義字符。如表1所示，這些字符由：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如小寫英文字母“a”的代碼是01100001（61H）,顯示時模塊把地址61H的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。指令1：清顯示，指令碼01H，光標復位到地址00H位置指令2：光標復位，光標返回到地址00H指令3：光標和顯示模式設置 I/D: 光標移動方向，高電平右移，低電平左移；S: 屏幕上所有文字是否左移或者右移，高電平表示有效，低電平則無效指令4：顯示開關控制 D: 控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示； C: 控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標；B: 控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍指令5：光標或顯示移位 S/C: 高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標指令6：功能設置命令 DL: 高電平時為4位總線，低電平時為8位總線；N: 低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示；F: 低電平時顯示57的點陣字符，高電平時顯示510的點陣字符 指令7：字符發(fā)生器RAM地址設置指令8：DDRAM地址設置指令9：讀忙信號和光標地 BF: 為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙指令10：寫數(shù)據(jù)指令11：讀數(shù)據(jù) 液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一點要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符的地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，表2.5.2是TC1602液晶模塊的內部顯示地址。表2.5.2 1602液晶內部顯示地址1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16000102030405060708090A0B0C0D0E0F404142434445464748494A4B4C4D4E4F例如第二行第一個字符的地址是40H，要將光標定位在第二行第一個字符的位置，則實際應寫入的數(shù)據(jù)應該是01000000B(40H)10000000B(80H)11000000B(0C0H)，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1。在本設計電路中，采用P1口作為1602液晶顯示模塊的I/O口，P0作為控控制口，由于P0口本身是不帶上拉電阻，所以本電路中使用一個10k排阻作為P0口的上拉電阻。顯示電路接線如下圖2.5.2。圖2.5.2顯示電路接線圖3 電路設計本控制核心是AT89S51單片機，所以首先必須對單片機的基礎知識有所了解。下面就關于單片機的一些基礎知識3.1 AT89S51系列單片機介紹及其應用3.1.1 單片機基礎知識單片機，其全稱為單片微型計算機(Single-Chip Microcomputer),亦稱為微控制器(Micro-controller)，就是將CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和多種接口電路都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機。因此，一塊芯片就構成了一臺計算機。由于單片機具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強及運算速度快等特點，故在國民經(jīng)濟建設、軍事及家用電器等領域均得到廣泛的應用。如在家用電器、玩具、聲像設備等產(chǎn)品中引入單片機，不僅使產(chǎn)品的功能大大增強，而且獲得了良好的使用效果。（1）單片機的發(fā)展歷史及趨勢單片機的發(fā)展歷史可劃分為三個階段：第一階段(1974年1976年)：單片機初級階段。因工藝限制，單片機采用雙片形式，而且功能比較簡單。例如仙童公司生產(chǎn)的F8單片機。第二階段(1976年1978年)：低性能單片機階段。以Intel公司的MCS48系列單片機為代表。這種單片機片內集成有8位CPU、并行I/O口、8位定時器/計數(shù)器、RAM及ROM等。不足之處是無串行口，中斷簡單。第三階段(1978年至今)：隨著芯片制作工藝、技術水平的不斷提高和單片機需求量的不斷加大，單片機的性能價格比不斷攀升，呈現(xiàn)出一派欣欣向榮的景象。單片機技術的開放性、生產(chǎn)商的競爭激烈性和廣泛的市場需求等因素，無疑為單片機的飛速發(fā)展提供了強大動力。因此，單片機應用開發(fā)成為當今電子工程技術人員急需掌握的技術。單片機逐漸向著微型化、低功耗、高速化、集成資源更多、性能更加優(yōu)異、通信及網(wǎng)絡功能加強、專用型單片機發(fā)展加快等方面發(fā)展。（2）單片機的應用領域普通認為單片機是將CPU、ROM、定時器以及輸入輸出(I/0)接口電路等計算機主要部件集成在一塊芯片上，這樣所組成的芯片級微型計算機稱為單片微型計算機，簡稱為單片微機或單片機。由于單片機的硬件結構與指令系統(tǒng)都是據(jù)工業(yè)控制要求設計的，常用于工業(yè)的檢測、控制裝置中，因而也稱為微控制器(Micro-Controller)或嵌入式控制器(Embedded-controller)。單片機是為了實現(xiàn)控制功能而設計的一種微型計算機。它的應用首先是控制功能，即在于實現(xiàn)計算機控制。其實現(xiàn)手段采用嵌入方式，即嵌入到對象環(huán)境中作為一個智能化控制單元。由于被控對象種類繁多，其應用也非常廣泛。（3）AT89S51芯片的引腳圖圖3.1.1 AT89S51引腳圖（4）AT89S51芯片的引腳功能 VCC：電源 GND：地 P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。表3.1.1 P1口引腳第二功能引腳號第二功能P1.0T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用） P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。表3.1.2 P3口引腳第二功能引腳號第二功能引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.2INT0(外部中斷0)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.3INT1(外部中斷1)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) RST：復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后，RST 腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 ALE/：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作將無效。這一位置 “1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。：外部程序存儲器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號。當AT89S51從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不被激活。 EA/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內部程序指令，EA應該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。（5）存儲器結構MCS-51器件有單獨的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64K尋址。 程序存儲器：如果EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。對于89S51，如果EA接VCC，程序讀寫先從內部存儲器（地址為0000H1FFFH）開始，接著從外部尋址，尋址地址為：2000HFFFFH。 數(shù)據(jù)存儲器：AT89S51有256字節(jié)片內數(shù)據(jù)存儲器。高128字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當一條指令訪問高于7FH的地址時，尋址方式?jīng)Q定CPU訪問高128字節(jié)RAM還是特殊功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接尋址指令訪問0A0H（P2口）存儲單元MOV 0A0H , #data使用間接尋址方式訪問高128字節(jié)RAM。例如，下面的間接尋址方式中，R0內容為0A0H，訪問的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口。MOV R0 , #data堆棧操作也是簡介尋址方式。因此，高128字節(jié)數(shù)據(jù)RAM也可用于堆?？臻g。（6）AT89S51的中斷功能AT89S51有6個中斷源：兩個外部中斷（INT0和INT1），三個定時中斷（定時器0、1、2）和一個串行中斷。這些中斷如圖所示。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器IE中的相關中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。IE還包括一個中斷允許總控制位EA，它能一次禁止所有中斷。如表5所示，IE.6位是不可用的。對于AT89S51，IE.5位也是不能用的。用戶軟件不應給這些位寫1。它們?yōu)锳T89系列新產(chǎn)品預留。表3.1.3 中斷允許控制寄存器(MSB)(LSB) EA-ET2ESET1EX1ET0EX0中斷允許控制位=1，允許中斷中斷允許控制位=0，禁止中斷符號位地址功能EAIE.7中斷總允許控制位。EA=0，中斷總禁止；EA=1，各中斷由各自的控制位設定-IE.6預留ET2IE.5定時器2中斷允許控制位ESIE.4串行口中斷允許控制位ET1IE.3定時器1中斷允許控制位EX1IE.2外部中斷1允許控制位ET0IE.1定時器0中斷允許控制位EX0IE.0外部中斷1允許控制位定時器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的“或”邏輯觸發(fā)。程序進入中斷服務后，這些標志位都可以由硬件清0。實際上，中斷服務程序必須判定是否是TF2或EXF2激活中斷，標志位也必須由軟件清0。定時器0和定時器1標志位TF0和TF1在計數(shù)溢出的那個周期的S5P2被置位。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器2的標志位TF2在計數(shù)溢出的那個周期的S2P2被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。3.2 DA轉化電路D/A轉化部分由DAC0832D/A轉換和TL074運放組成。增益預置值通過鍵盤輸入之后，經(jīng)過單片機運算后送至D/A轉換器轉換成0+1V的控制電壓。下面得紹一下DA轉換芯片DAC0832。3.2.1D/A轉換器DAC0832DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉換器。如圖3.2.1所示，它由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡、模擬開關、運算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。運算放大器輸出的模擬量V0為：圖3.2.1 DAC0832內部結構由上式可見，輸出的模擬量 與輸入的數(shù)字量（ ） 成正比，這就實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。一個8位D/A轉換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有28=256個不同的二進制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內任意值，而只能是256個可能值。圖3.2.3是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。圖3.2.3 0832DAC內部結構以及引腳圖DAC0832的主要特性參數(shù)如下：分辨率為8位； 電流穩(wěn)定時間1us； 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入； 只需在滿量程下調整其線性度； 單一電源供電（+5V+15V）； 低功耗，200mW。DAC0832結構：D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由WR1、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內容打入DAC寄存器并開始D/A轉換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調整轉換滿量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V； VREF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V； AGND：模擬信號地 DGND：數(shù)字信號地DAC0832的工作方式：根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。圖3.2.4DAC0832的典型接法電路圖如上圖所示,此接法是用DAC0832的直通方式,只要二進制數(shù)據(jù)送到DAC0832的數(shù)據(jù)口,則會自動把數(shù)據(jù)轉為相應的電壓.但運放是如圖的電壓則輸出一般不可能達到基準電壓.要想達到基準電壓則要提高運放的電壓.當基準為負是,只要提高運放的正電壓就可以使輸出達到基準電壓了,當基準為正是,則為提高運放的負電壓,一般的運放提高兩伏就可以了,但不同的運放會有些區(qū)別. 3.2.2 手動增益預制和控制的實現(xiàn)開環(huán)增益手動控制的基本思路是由單片機數(shù)字程控，經(jīng)D/A轉換產(chǎn)生控制輸出電壓并使加到AD603的1腳來實現(xiàn)。由于時間有限所以我們每用單片機實現(xiàn)自動控制電壓。而我們利用單片機使得輸出電壓以25mv/db增加，然后控制輸出電壓的變化范圍在0-1v之間，而我們再AD603的2腳上加一個0.5v的電壓這樣就可以產(chǎn)生運放所需要的控制電壓-0.5+0.5之間，提供給AD603。3.2.3 單片機系統(tǒng)單片機是整個放大器控制的核心，它主要完成以下功能：接受用戶按鍵信息以控制增益；對AD603的增益控制電壓進行控制。控制部分以AT89C51單片機為核心，LCD顯示及鍵盤組成。D/A轉化部分由DAC0832D/A轉換和TL074運放組成。增益預置值通過鍵盤輸入之后，經(jīng)過單片機運算后送至D/A轉換器轉換成0+1V的控制電壓。DAC8032是8位的D/A轉換器，8位數(shù)據(jù)可以表示256種狀態(tài)，我們只取前40種。對應40dB的增益，步進為1db。原理圖如圖3.2.5圖3.2.5控制系統(tǒng)的原理圖3.3 軟件模塊的設計本設計可以用C語言編程序，也可以用匯編語言編程序，本人選擇了用C語言編寫程序。主要編程序來控制定時、計時中斷、和輸出等。下面介紹C語言編程的優(yōu)點。C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結構化程序設計語言，它支持當前程序設計中廣泛采用的由頂向下結構化程序設計技術。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結構，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供了有力的保障。因此，使用C語言進行程序設計已成為軟件開發(fā)的一個主流。用C語言來編寫目標系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進和擴充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。軟件部分是用來配合硬件電路，控制后面電路的響應，以實現(xiàn)設計預定功能。其主要由幾部分功能組成：1顯示部分，主要顯示增益值的大小，調節(jié)增益時有個更直觀的了解。2鍵盤掃描部分和數(shù)值處理部分，由于控制電壓只用了一個運放并輸出的是負電壓，所以對輸入的數(shù)據(jù)得做一個數(shù)值處理方才能進行DA轉換。軟件設計思路：設計預置和即進調節(jié)的兩種模式，并用按鍵在兩種模式中進行切換，在不同模式下都可以用鍵盤進行調節(jié)，區(qū)別是在預置調節(jié)中，輸出電壓并不隨調節(jié)量改變，而即時模式是隨調節(jié)量變化而變化。主程序流程圖開始GA GA芯片初始化LCD顯示鍵盤掃描按鍵處理控制輸出圖3.3.1軟件流程圖各個功能有不同的模塊實現(xiàn)：鍵盤檢測模塊：紀錄用戶對鍵盤的操作，將設定的增益數(shù)值記錄下來，掃描調節(jié)模式，判斷是預置還是即時調節(jié)，并由鍵盤切換。控制電壓生成模塊：根據(jù)用戶對增益的設置，根據(jù)相應的算法將設定值通過數(shù)模轉換成相應的電壓值，從而進行調節(jié)。顯示模塊：通過1602顯示可能看到兩種模式下的調節(jié)方式，和放大倍數(shù)的增減，鍵盤操作記錄等一些信息