基于VCA610自動增益放大器設(shè)計

1、 2015 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 基于VCA610的自控增益放大器的設(shè)計 院 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 許 君 指導教師： 職稱 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電子XXXX班 完成時間： 2015年6月 摘 要社會的進步離不開先進的生產(chǎn)力，而生產(chǎn)力的提高需要依托強大的技術(shù)支持，尤其是自動增益控制技術(shù)。自動增益控制（AGC）在各行各業(yè)都有著廣泛的應用，比如：儀器儀表與檢測技術(shù)、低壓電器技術(shù)、自動控制技術(shù)、工業(yè)機器人技術(shù)和工業(yè)通信技術(shù)。自動增益控制技術(shù)與生活息息相關(guān)，對它的學習也顯得格外重要。設(shè)計一個自控增益放大器，可以采用VCA610放大器來搭建自動增益放大電路，電路設(shè)計簡單，易于實

2、現(xiàn)信號的自動控制?；赩CA610的自動增益控制系統(tǒng)，采用MSP430F169單片機作為控制器，對VCA610放大器提供控制電壓，使其控制的信號輸出穩(wěn)定的幅值，輸出的交流信號通過OPA620放大電路、三極管推挽電路；輸出的直流信號通過放大電路、擴流電路；信號分別經(jīng)過交直流處理，帶負載能力得到提高，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求，這樣一個完整的基于VCA610的自控增益放大系統(tǒng)就搭建完成了,通過仿真調(diào)試，根據(jù)結(jié)果，分析得出結(jié)論。通過VCA610自動增益放大電路的學習，能夠加強人們對自動增益控制電路的認識，由淺入深，以此來學習更加復雜、設(shè)計更加優(yōu)良的自動增益控制電路。這樣就能夠使自控技術(shù)更加的成熟、先進，使大家

3、的生活更加豐富多彩。 關(guān)鍵詞 ：自動增益控制；MSP430F169；VCA610；放大器；調(diào)試IABSTCACTThe progress of the society is inseparable from the advanced productive forces, and productivity rely on strong technical support, especially the automatic gain control technology. Automatic gain control (AGC) has been widely used in all walks

4、of life, forexample: Instrumentation and testing technology, low voltage electrical technology, automatic control technology, industrial robot technology and communication technology industry. Automatic gain control technology is closely related to life, and to study the technology is very important

5、.VCA610 amplifier can be used to build automatic gain amplifier circuit for designing an automatic gain amplifier, the design is simple, and easy to realize automatic control of signals. The automatic gain control system is based on VCA610, using MSP430F169 microcontroller as controller, the control

6、ler provides control voltage for VCA610 amplifier, and make its control signal output stable, The output of the AC signal through OPA620 amplification circuit and transistor push-pull circuit; The DC signal output through magnifying circuit and expanding flow circuit; Signal is treated respectively

7、with AC/DC, and Load will be enhanced , so, it will reach to the design requirements, a complete automatic gain amplifier system which is set up completed by VCA610, through simulating and debugging, reach to results, and draw a conclusion.Through studying VCA610 automatic gain amplifier circuit, it

8、 can strengthen peoples knowledge of automatic gain control circuit, in order to learn more complex, more excellent design of automatic gain control circuit. It was able to further automatic control technology mature and advanced, in addition ,it make peoples lives more colorful.Keywords automatic g

9、ain control; MSP430F169; VCA610; amplifier; debugging II目 錄1 緒論11.1 研究課題的背景及意義11.2 研究課題的主要工作22 總體設(shè)計思想與方案32.1 總體設(shè)計思想32.2 總體設(shè)計概述32.3 方案選擇42.3.1 控制器的選擇42.3.2 信號處理電路的選擇52.3.3 方案總結(jié)83 硬件系統(tǒng)的設(shè)計103.1 主要器件介紹103.1.1 MSP430F169單片機103.1.2 VCA610運放芯片113.1.3 OPA620運放芯片113.1.4 OPA2604放大芯片123.1.5 LM317電壓穩(wěn)壓器123.1.6 1

10、2864液晶顯示133.2 單元電路設(shè)計143.2.1 MSP430F169單片機最小系統(tǒng)143.2.2 下載電路163.2.3 LCD12864液晶顯示電路173.2.4 VCA610自動控制電路183.2.5 直流電路193.2.6 交流電路204 軟件系統(tǒng)的設(shè)計214.1 軟件設(shè)計概述214.2 軟件模塊程序214.2.1 液晶顯示模塊程序設(shè)計214.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計225 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析235.1 系統(tǒng)調(diào)試簡介235.2 仿真測試235.2.1 直流模塊仿真測試235.2.2 交流模塊仿真測試255.2.3 LCD12864測試295.2.4 DA模塊測試305.2.5 測

11、試結(jié)果與改進措施305.3 心得與體會31結(jié)束語32參考文獻33致謝36附錄37附錄A 原件清單37附錄B 程序清單39V1 緒論 1.1 研究課題的背景及意義隨著歷史前行的腳步，科學技術(shù)也在不斷的發(fā)展，為了解放生產(chǎn)力，提高工作效率，人類開始設(shè)計各種各樣的裝備來減輕負擔，在這過程中，自動控制技術(shù)也得到快速發(fā)展。古老的馬車逐漸被新興的汽車所代替，農(nóng)業(yè)也發(fā)生翻天覆地的變化，隨著自動一體化機械進入農(nóng)業(yè)，農(nóng)民生產(chǎn)效率也得到顯著提高，這一切都得益于自動化技術(shù)的發(fā)展。人類的種種進步使自動控制技術(shù)發(fā)展越來越迅猛。這些自動化設(shè)計源于實踐，卻在實踐中得到升華。經(jīng)過千百年的提煉，尤其是半個世紀工業(yè)實踐的普遍應用，

12、自動控制技術(shù)已經(jīng)成為人類科技文明的重要組成部分，在日常生活中不可或缺。隨著新型制造業(yè)的興起和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的進步，自動控制技術(shù)的發(fā)展和應用將進入一個全新的時代?，F(xiàn)今，自動控制技術(shù)其中的一個核心部分就是自動增益控制電路，研究自動增益控制顯得尤其重要。現(xiàn)階段，自動增益控制主要以運放為核心來搭建外部電路，構(gòu)成自動增益放大電路，核心運算放大器功能的優(yōu)劣可以看出整個電路的優(yōu)缺點。其中，運放的優(yōu)點就是集成度高，體積小，容易搭建各種典型電路。它是一個高性能的直接耦合多級放大電路，因首先應用于信號的運算而得名。在日常生活中應用的比較廣泛，而且容易在市場上獲得。所以用這種集成運放不但能簡化自動增益放大電路，而且能

13、夠提高自動增益放大器電路的穩(wěn)定性。在學校，許多大學生的生活過的十分的乏味。一部分人都沉迷于游戲，或者整天的在游手好閑，當然也有喜歡學習，在書本的海洋中汲取精神的食糧；除此之外，還有部分同學喜歡鉆研自己的專業(yè)知識，并且喜歡動手，想方設(shè)法來驗證其結(jié)論是不是正確的。對于廣大電信系的學生來說，想?yún)⒓与娮痈傎惖耐瑢W都無不在課余補充自己的課外知識，可是他們卻不知如何學起。為了讓這部分想學好自己專業(yè)知識并且為參加競賽而有所準備的同學能夠得到很好的鍛煉，所以可以設(shè)計一個比較有意義、符合研究熱點、十分有代表性的電路就顯得格外重要了。設(shè)計一個基于VCA610的自動增益放大器可以滿足這部分學生的要求。課題曾在湖南省

14、電子競賽試題中出現(xiàn)過，目的就是提高學生的學習能力和動手能力。傳統(tǒng)的放大器，電路結(jié)構(gòu)比較復雜，常采用分立元件來組建電路，常用的是采用三極管、電阻、電容來搭建放大電路。三極管電路穩(wěn)定性沒有集成運放構(gòu)建的放大電路穩(wěn)定性高，三極管受外部溫度影響大，而集成運放受外部溫度影響相對而言較小，采用分立原件設(shè)計的放大電路需要考濾溫度漂移等多種因素，所以設(shè)計起來比較復雜；采用通用集成運放，它的內(nèi)部硬件高度集成，而且內(nèi)部集成防止溫度漂移的電路，所以用它搭建放大電路則設(shè)計簡單，用的元器件也較少，能夠節(jié)約學習成本，所以用運放來搭建自動增益放大器比較合適。搭建的自動增益放大器電路有助于學生學習硬件和軟件知識。外部電路的設(shè)

15、計涉及到數(shù)電、模電和電路設(shè)計的知識，所以需要同學額外加深對這方面的學習，才能掌握好設(shè)計的基本原理；采用的是MSP430F169單片機，同學們則需要深入的學習C語言編程，在此基礎(chǔ)上還得學會模塊化編程等編程基本技能，所以通過基于VCA610自動增益放大器設(shè)計的課題，可以豐富大家的課余生活，擴展大家的知識面，通過這個課題的學習，學生可以學到很多課本以外的東西，所以研究這個課題是十分必要的。1.2 研究課題的主要工作單片機硬件接口電路的設(shè)計、軟件程序的設(shè)計、電路仿真、電路調(diào)試。對于整個VCA610自動增益放大器來說，MSP430F169單片機是它的核心控制部分。MSP430F169單片機內(nèi)部資源豐富，

16、所以能夠利用的外部接口資源也十分的多，這個系統(tǒng)的外圍接口分別是ISP下載接口模塊、12864液晶顯示接口模塊、MSP430F169內(nèi)部模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換接口模塊 。外部電路模塊主要分為兩部分：直流自動增益模塊和交流自動增益模塊。直流模塊主要由VCA610自動增益放大電路、運放電路、跟隨電路、擴流電路組成，交流模塊則由VCA610自動增益放大電路、跟隨電路、推挽放大電路構(gòu)成。設(shè)計完整的電路，用Multism畫出硬件仿真圖，進行仿真電路測試。在運行仿真電路時，在要求范圍內(nèi)分別改變交流信號的輸入幅值、輸入信號頻率，測試輸出是否能夠滿足帶負載要求，如果不能達到要求，則需要重新改變仿真電路的主要元器件參數(shù)或

17、者改變電路設(shè)計。仿真直流電路設(shè)計則只需在任務(wù)要求范圍內(nèi)改變輸入信號的幅值，用示波器查看輸出波形是否與理論值達到一致。2 總體設(shè)計思想與方案2.1 總體設(shè)計思想電路設(shè)計應該滿足放大倍數(shù)能夠自動調(diào)節(jié)，使輸電壓出為固定10V（交流信號則幅值為10V，交流頻率在10KHz-100KHz段）,硬件部分結(jié)構(gòu)簡單，并且涉及到的模擬電路與數(shù)字電路知識相對簡單，以此來提高學生們的學習興趣；軟件部分則應該模塊化，編程清晰：不管輸入信號是交流信號還是直流信號，經(jīng)過控制電路后能夠穩(wěn)定的輸出固定幅值的信號，實現(xiàn)控制自動化；涉及到的數(shù)字電路知識和模擬電路知識應該盡可能的豐富，同學在設(shè)計自動增益放大器時能夠盡可能的多自學一

18、些知識，以此來提高自己的課內(nèi)學習興趣，使自己的專業(yè)知識盡可能的得到加強、提高；硬件設(shè)計采用經(jīng)典的設(shè)計模塊，這樣的模塊性能穩(wěn)定而且設(shè)計簡單，能夠借鑒以前設(shè)計人員的思路，使自己設(shè)計的電路更加的優(yōu)良。2.2 總體設(shè)計概述基于VCA610自控增益放大器是以VCA610芯片為硬件核心的自控增益控制系統(tǒng)，MSP430F169為重要控制部分，MSP430F169控制器有很多接口資源，便于外部硬件設(shè)計；當然它的軟件接口也非常的豐富，比如：模塊、串口等模塊，方便了軟件設(shè)計，簡化了軟件編程。由此可見，選擇這一款合適的控制器十分的有優(yōu)勢。鑒于系統(tǒng)是做自動增益放大，所以放大的設(shè)計就十分重要，當然也是課題核心的部分。選

19、用一款高性能的運放芯片來實現(xiàn)調(diào)節(jié)就事關(guān)重要。利用運放搭建放大電路，主要是利用它的閉環(huán)負反饋，當輸出沒有達到額定電壓時，反饋電路則會使輸出電壓增大；當輸出高于額定電壓時，反饋電路則會衰減輸出電壓，使輸出電壓滿足設(shè)計的輸出電壓。VCA610能夠滿足這種自控增益放大的要求，它的帶寬也比較大，硬件電路設(shè)計較為簡單。為了滿足固定電壓的輸出，其設(shè)計的方法也多種多樣，但最終的目的都是一樣的，滿足固定的幅值輸出。它們采用的核心思想都是采用以單片機為核心的控制器調(diào)節(jié)外部硬件反饋電路，使輸出達到預期要求。常用的有反饋電阻放大、程控增益放大、自控增益放大。經(jīng)過上面三個核心點的討論，基本可以確定設(shè)計的幾種方案，方案將

20、在下文詳細介紹，并通過文字加方框圖的形式，能夠使人直觀的了解設(shè)計思路。2.3 方案選擇2.3.1 控制器的選擇方案一：方案的控制核心為51單片機-STC89S52，時鐘模塊、復位模塊、電源模塊、下載模塊是組建51控制器最小系統(tǒng)的基本模塊。對于設(shè)計來說，采用的核心控制器價格低廉，電子市場上容易購買。51單片機采集直流模塊的輸出電壓；交流模塊的輸出電壓則需經(jīng)過A/D模塊后，才能被控制器采集。優(yōu)點：這種控制器的優(yōu)點就是編程簡單，編程指令易上手，這款控制器也是初學者入門的最佳選擇，對于在校學生來說，自學相對容易。缺點：雖然編程簡單，但是此款控制器內(nèi)部的資源相對較少，需要從外部增加硬件資源，就像在采集交

21、流信號時，需要外接A/D模塊，因為它內(nèi)部缺少這方面的資源模塊。在外部增加額外的硬件模塊就會增加制作成本。第二個缺點就是增加了外部A/D模塊則需要占用控制器的接口資源，而且還增加了編程的復雜度。方案一的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 控制器方案一框圖方案二：方案采用的是一款16位的控制器-MSP430F169，和上述那款51控制器的最小系統(tǒng)類似，最小系統(tǒng)由時鐘模塊、復位模塊、電源模塊、下載模塊構(gòu)成。對于設(shè)計來說，MSP430F169控制器價格也比較低廉，但是在價格方面比51控制器貴。MSP430F169同樣在市面上也比較常見，這款TI公司生產(chǎn)的芯片常被用來在電子競賽中使用，方便推廣。通過MSP430F

22、169芯片處理信號，交流信號和直流信號可直接被單片機采集處理。和上款51芯片區(qū)別在于它時鐘模塊頻率比51控制器的時鐘頻率高，使芯片高速運轉(zhuǎn)。電源模塊也有區(qū)別，對電壓的要求也沒51控制的高。優(yōu)點：芯片直流處理速度快，幾近是51控制器芯片速度的2-3倍；MSP430F169控制器功耗非常低，可以節(jié)省電能，環(huán)保節(jié)能；資源接口豐富，內(nèi)部具有A/D等模塊，無需外部增加擴展芯片，方便軟件程序的編寫。缺點：16位的430控制器入門稍微比8位的51控制器稍微復雜一點，這對于剛學習單片機的學生來說有一定的難度。但是有51基礎(chǔ)的同學來說，學習MSP430F169控制器就相對容易?？刂破鞣桨付慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

23、圖2 控制器方案二框圖通過比較可以發(fā)現(xiàn)：這兩種方案中的控制器都比較適合大家來使用。但是，由于每個學習者的基礎(chǔ)知識不一樣，所以選擇就會有所不同。剛學習控制器的同學選擇方案一比較合適，51控制器上手較為容易，學習周期短。但是對于高年級的學生來說，51控制器的知識已經(jīng)扎實了，選擇MSP430F169控制器就是一個不錯的選擇，主要是可以簡化外部硬件電路，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計就更加的簡單了，并且可以擴充學習者的課外知識和提高學習者的設(shè)計能力。所以，對于大四將畢業(yè)的同學來說，選擇方案二最為合適了。2.3.2 信號處理電路的選擇方案一：采用數(shù)字電位器反饋放大電路。因為要設(shè)計出在信號輸入為200mV-10V,輸出固定

24、為10V的電路，所以采用傳統(tǒng)的集成運算放大器來搭建放大電路，這種電路采用的是閉環(huán)負反饋結(jié)構(gòu)，反饋電路由一個反饋電阻構(gòu)成，所以只要調(diào)節(jié)反饋電路的反饋電阻既可以調(diào)節(jié)信號的放大倍數(shù)。反饋電路采用數(shù)字電位器，即可滿足設(shè)計要求。所以我們只要控制數(shù)字電位器的阻值，就可以調(diào)節(jié)信號的放大倍數(shù)，使輸出達到固定的10V，也就形成了方案一。方案一電路的優(yōu)點：方案最大的優(yōu)點就是采用傳統(tǒng)的運算放大電路，設(shè)計經(jīng)典，設(shè)計起來就相對簡單。數(shù)字電位器有8位的、10位的、12位的，隨著位數(shù)的增高，精度也越來越高，同時價格也越來越貴。采用8位的數(shù)字電位器，則有256個阻值，所以就有256個固定放大的結(jié)果，若反饋電阻采用固定阻值的電

25、阻，則會占用電路板的面積，而且控制起來就會比較復雜，因為有多個檔位需要調(diào)節(jié)。而數(shù)字電位器的控制采用傳統(tǒng)的協(xié)議，占用控制器的口線少，編程簡單容易，控制電阻檔位簡單。但是方案一也存在不足之處，它的缺點有：方案一采用數(shù)字電位器具有局限性。數(shù)字電位器具有不足之處，電位器畢竟只有固定個數(shù)的阻值，由于輸入是一段范圍的電壓信號，所以調(diào)節(jié)成10V輸出信號的能力畢竟也有限，主要是檔位部位不夠（指8位的數(shù)字電位器，如果采用12位的數(shù)字電位器成本就會大大提高）。而且在軟件編程時，要不斷采集輸入信號的阻值，根據(jù)采集的數(shù)值，在控制器中要計算得出要放大的倍數(shù)，然后根據(jù)這個結(jié)果再去調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的阻值，以改變放大倍數(shù)，使輸

26、出達到固定的10V輸出，這就使程序設(shè)計相對來說復雜了許多。還有一個局限性，數(shù)字電位器受工作頻率的影響比較大，數(shù)字電位器只有在頻率較低的頻段工作，其電阻阻值就十分的準確，誤差不會超過千分之一，但隨之頻率的升高，其控制的阻值誤差就會越來越大。對于任務(wù)書的設(shè)計要求，頻率要求相對范圍廣，頻率也比較高，所以到了高頻部分，數(shù)字電位器的誤差會比較大，換言之，放大倍數(shù)存在的誤差也就大，這就直接使輸出的信號誤差變大。信號處理電路方案一的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3 信號處理電路方案一框圖方案二：方案二采用程控放大電路，選用的芯片是AD603。AD603芯片是一款具有程控增益調(diào)節(jié)的芯片，通過控制芯片引腳電壓值，即可以

27、控制輸入信號的放大倍數(shù)，換言之，就是控制電壓改變和放大倍數(shù)成線性關(guān)系。這是一款低噪聲、寬帶寬的具有程控增益調(diào)節(jié)的專用芯片，已被美國ADI公司申請了專利?？刂破魍ㄟ^電壓調(diào)節(jié)AD603引腳電壓，也就是間接調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。當外部信號輸入，單片機通過內(nèi)部D/A模塊輸出電壓控制放大倍數(shù)，這樣信號就被放大成了10V信號了。優(yōu)點：控制范圍寬，AD603是受外部電壓來控制放大倍數(shù)，所以它放大倍數(shù)控制比較容易。和數(shù)字電位器作為放大器反饋電路相比，程控控制范圍顯然比前者大的多。第二個優(yōu)點就是，放大倍數(shù)隨著單片機輸出電壓可以近乎連續(xù)變化，這就是程控放大器最大的優(yōu)勢了。缺點：由于AD603芯片自身設(shè)計的原因，A

28、D603芯片輸入信號的有效值為1V,而峰值的一般為1.4V，最大不能夠超過2V，輸入信號范圍比較窄，所以對于輸入信號為200mV-10V時，處理起來就相對麻煩；第二個缺點和數(shù)字電位器反饋電路類似，就是軟件程序中算法也比較復雜，而且還給硬件電路設(shè)計增加一定的工作量。在進行軟件算法編程時，先要對信號進行采集，這就要求前級增加一個數(shù)據(jù)采集的硬件電路，在這之后才能進行算法處理。雖然程控電路比數(shù)字電位器控制的檔位多，但是每次輸入信號改變時，芯片就需要重新采集，然后重新計算，在一定程度上增加了控制器的工作量。信號處理電路方案二的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖4 信號處理電路方案二框圖方案三：方案三采用自控增益放大

29、電路。方案采用的是常見的自控增益控制放大芯片VCA610，VCA610芯片常和伙伴芯片OPA620一起配合著使用。這款芯片常應用在聲納系統(tǒng)、時間增益控制光接收機、脈沖振幅補償這些系統(tǒng)中，因為這些系統(tǒng)都需要進行自動增益控制，所以這也是方案三選用VCA610做自控增益放大的原因。交直流信號從VCA610進入后，受自動增益控制的影響，或放大、或衰減。由于自控增益模塊受單片機提供的控制電壓的控制，當單片機輸出控制電壓為1V時，則進入自動增益模塊的信號輸出相應幅值為1V的正弦波。如果輸入信號幅值高于1V，則信號會被逐漸的衰減下來，直至1V，若輸入信號的幅值低于1V，信號進入自動增益放大電路后會逐漸放大到

30、1V。方案三具有挺多的優(yōu)點。首先，從方案三系統(tǒng)分析，因為它是一個自動增益放大系統(tǒng)，所以在適當條件下會自動控制。一定條件下，不管輸入信號的幅值如何變化、頻率如何變化，系統(tǒng)的輸出最后都會被自動調(diào)節(jié)成固定幅度的信號，這也是自動增益放大電路最大的優(yōu)勢與亮點。和數(shù)字電位器反饋放大電路、程控電路相比，電路省去了很多繁瑣的步驟。它不像前兩種電路一樣需要不斷的采集輸入信號、計算信號的放大倍數(shù)，它能過直接通過自控系統(tǒng)放大后成穩(wěn)定幅值信號，這種硬件上完美的表現(xiàn)就省去了程序設(shè)計中的各種麻煩，這就是它的優(yōu)勢。第二個優(yōu)點是VCA610芯片的特點，它采用電壓控制增益，這點和程控電路控制的方法有點類似，控制器輸出特定的控制

31、電壓，使自動增益放大電路輸出特定的幅值，這個優(yōu)點就是它控制上比較簡單，容易實現(xiàn)。一般的電路都要設(shè)計阻抗匹配，而VCA610芯片因為內(nèi)部高阻抗的差分化，允許靈活的輸入阻抗匹配。因為這個原因，我們需要從信號源輸入基本的直流路徑，將終端電阻和地直接相連。差分輸入端也影響了信號輸入狀態(tài)，這樣輸入后的結(jié)果就是其輸出就是放大器要求一個低阻抗，從而簡化了阻抗匹配，這就是它阻抗匹配的優(yōu)點。當然電路也存在不足之處了，它的輸入信號在低頻條件下，受噪聲的影響大，自控效果不理想。信號處理電路方案三的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖5 信號處理電路方案三框圖2.3.3 方案總結(jié)通過控制器方案選擇和信號處理電路的選擇，確定了總體方

32、案。 控制器選擇方案二中的MSP430F169單片機，信號處理電路則選擇方案三，基于VCA610的自動增益放大電路。將兩個方案結(jié)合起來，構(gòu)成了如下總體方案，符合任務(wù)書的要求，設(shè)計起來較為合理。總體框圖如圖6所示。圖6 總體框圖這是一個基于VCA610自動增益放大系統(tǒng)的工作過程。首先，信號分為直流信號和交流信號，這兩種信號的處理方法不一樣。直流信號輸入為200mV-10V，首先經(jīng)過VCA610自動控制電路，經(jīng)過自動控制電路后會輸出1V的直流信號。后面接入的兩級放大電路，將信號放大至10V后輸出。后面接三極管搭建的跟隨電路和LM317擴流電路，經(jīng)過這兩個電路后，電路輸出電流將會增至1A，大大提高了

33、帶負載能力，符合任務(wù)書設(shè)計的直流指標。輸入為交流信號時，輸入信號進入VCA610自動控制電路后，由于MSP430F169單片機提供的控制電壓為1V，所以經(jīng)過自動控制電路后的輸出信號幅值為1V的正弦波信號。自動控制的信號可以不用管信號頻率，所以避免硬件電路設(shè)計的難點。自動控制級的輸出信號后面跟著兩級放大電路，采用OPA2604高速寬帶運放放大至幅值為10V的正弦波信號，通過推挽電路后就可以提高交流帶負載能力。(注意：原始資料排序整齊，不出現(xiàn)排序亂的情況)詳細資料下載 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計3.1 主要器件介紹3.1.1 MSP430F169單片機MSP430F169單片機是由德州儀器公司制造的一款低

34、功耗單片機，它是一類具有16位總線帶FLASH的單片機；它的性能優(yōu)越，但是價格卻比較低廉，它的集成度也非常的高，所以眾多技術(shù)開發(fā)人員都非常喜歡利用這款單片機來開發(fā)各種東西；它是用16位的數(shù)據(jù)總線將外設(shè)和內(nèi)存并在一起進行統(tǒng)一編排地址，尋址的范圍十分廣泛，達到了64K；當然，它還可以采用外部擴展存儲器的方式來增大尋址范圍；MSP430F169單片機還具有極其豐富的中斷資源，系統(tǒng)能夠統(tǒng)一管理它的中斷資源，中斷使用的極為方便；此外，它內(nèi)部具有豐富的模塊，內(nèi)部具有精密度硬件乘法器、兩個16位的定時器、一個14路的12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其功能在設(shè)計中起到了關(guān)鍵作用 。具體功能可以參看MSP430F169的引

35、腳圖，MSP430F169單片機的引腳圖如圖7所示。圖7 MSP430F169單片機引腳圖從圖7中可以清楚的看到，它有6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器，只是引腳功能采取復用功能，利用時得稍加關(guān)注。此外，它的內(nèi)部有一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘。這款芯片有兩種調(diào)試的方法，支持在線對單片機調(diào)試，另一種通過下載程序到芯片后，通過硬件仿真器調(diào)試，它的JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）連接起來，不需要再連接其他的仿真工具，方便而又實用。這款芯片最有特點的一個功能就是它的低功耗工作模式，在低功耗模式下，能夠減小它對環(huán)境、使用者的輻射，經(jīng)過科學

36、的測量，在低功耗模式下，它的功耗僅為100mW左右（電流僅為14mA）。它的可靠性高、性能高，在電干擾情況下仍能夠極其穩(wěn)定度工作，同時它能夠在工業(yè)級的環(huán)境下運行穩(wěn)定，適合做手柄之類的與自動控制相關(guān)的設(shè)備。所以，在畢業(yè)設(shè)計中用到這樣的一款控制芯片，對我們的學習幫助相當?shù)拇蟆?.1.2 VCA610運放芯片VCA610是一種直流耦合、寬寬帶、增益連續(xù)可變、由電壓控制增益的放大器，它可以差分輸入然后單端輸出，這樣能夠改變高阻抗的增益控制，使輸入從- 40dB增益至+40dB的范圍內(nèi)成dB/ V的線性變化，變化的范圍非常的寬；它還有一些顯著的特點：電源供電電壓為5V，一般的運放工作電壓為12V，這種供

37、電電壓比較省電，輸入噪聲電壓非常的低，只有2.4nV/Hz，這說明抗噪聲能力非常的好增益控制帶寬為25MHz，帶寬比較寬 。VCA610主要在光接收器時間增益控制、聲納系統(tǒng)、電壓可調(diào)主動濾波器、對數(shù)放大器、脈沖振幅補償、帶有RSSI的AGC接收機等方面應用的比較廣泛，文章中主要介紹它的自動增益控制方面的應用 。VCA610的引腳圖如圖8所示。圖8 VCA610引腳圖3.1.3 OPA620運放芯片0PA620芯片是一款精度精密放大器，常和VCA610配合著一起使用，它們配合著使用在自動增益放大電路中非常的常見，是一種典型電路。它的供電電壓也可以使用5V，功耗非常的低。在高速放大的條件下也具有優(yōu)

38、良的直流精度。它的應用也十分的廣泛，常用在廉價的視頻線驅(qū)動、有源濾波器、ADC放大器、低噪聲器、光學通道放大器、便攜式檢測設(shè)備、低功耗基帶放大器、CCD成像通道放大器等方面，文章主要介紹了用它制作檢波電路和VCA610組合構(gòu)件AGC電路。OPA620的引腳圖如圖9所示。圖9 OPA620引腳圖3.1.4 OPA2604放大芯片OPA2604是TI公司的一款音頻專用運放芯片，它的高帶寬（20MHz）和高轉(zhuǎn)換速率使得它在精密高速運放這一領(lǐng)域得到廣泛應用。其次，它的諧波失真比較低，同時噪聲也比較低，這對高頻信號放大時輸出信號的失真度就比較小。它的帶寬范圍寬、轉(zhuǎn)換速率快這兩個特點就使得它成為音頻信號放

39、大首選的主流芯片。OPA2604的引腳圖如圖10所示。圖10 OPA2604管腳圖3.1.5 LM317電壓穩(wěn)壓器LM317是一款三端可調(diào)的正電壓穩(wěn)壓器。如果電壓范圍輸出為1.2-37伏之間，它能夠提供超過1.5安的電流，并且這款穩(wěn)壓器使用非常簡單，它只需要在外部添加兩個電阻就可以設(shè)置輸出電壓。除此之外，LM317內(nèi)部使用了內(nèi)部限流、熱開關(guān)和安全補償功能的保險絲。這款芯片可以用于多種場合，包括局部穩(wěn)壓、卡上穩(wěn)壓。此外它還能夠用來制作一種可編程的輸出穩(wěn)壓器，方法就是調(diào)節(jié)輸出點和調(diào)節(jié)點之間的那個電阻阻值。當這個電阻為固定值時，那么它就是一個精密穩(wěn)流電路，而我這次就是采用它的第二種功能，所以這次課題

40、選用此款穩(wěn)壓器充當擴流電路的核心芯片，用它來增加直流電路的帶負載能力。LM317一腳為輸入端，二腳為輸出端，三腳為調(diào)節(jié)端，其管腳排列如圖11所示。圖11 LM317管腳圖3.1.6 12864液晶顯示12864是 128*64點陣液晶模塊的點陣數(shù)簡稱，業(yè)界約定俗成的簡稱。12864的物理特性就是利用電壓來控制屏幕的顯示，只要有電存，數(shù)據(jù)就能在12864上面顯示，這就是12864液晶顯示的原理。12864顯示屏制作的成本相對較低，適合在各類儀器中使用，同時它在小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域中也應用的比較廣,而且液晶也極其的省電。YAOXY12864B型液晶顯示模塊有兩種接口方式，它的接口方式有3線串行以及4

41、位/8位并行，它在內(nèi)部漢字配置上有8192個中文漢字。除此之外，它也能夠顯示字符和數(shù)字，它能夠顯示8*16個字符點陣或者64*256點陣顯示RAM。12864的實物圖如圖12所示，其引腳圖如圖13所示。圖12 LCD12864顯示屏 圖13 LCD1286引腳介紹3.2 單元電路設(shè)計3.2.1 MSP430F169單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是自動增益放大設(shè)計中重要的組成部分。MSP430F169單片機要想正常工作，就必須包含三個重要的電路：復位電路、晶振電路、供電電路。有了這三個電路，單片機才能夠獨立的運行起來，也就構(gòu)成了單片機最小系統(tǒng)。供電電路：直流電源能夠提供22、1512、5V的電壓，

42、通過提供5V的電壓給MSP430F169單片機最小系統(tǒng)供電，最小系統(tǒng)中LM117穩(wěn)壓芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓給單片機供電。直流穩(wěn)壓電源中22、15、12、5V，能提供外部電路中運放電路工作電壓，其外部供電原理圖參考整體電路圖；根據(jù)經(jīng)驗值和以往MSP430F169最小系統(tǒng)設(shè)計供電電路參數(shù)，電源的極性電容取220F,陶瓷電容取值0.1F。單片機電源供電電路圖如圖14所示。(注意：原始資料排序整齊，不出現(xiàn)排序亂的情況)詳細資料下載 圖14 MSP430F169供電電路時鐘電路：時鐘電路可以視為單片機最小系統(tǒng)的心臟，它能夠提供單片機需要的時鐘信號。MSP430F169單片機采用的晶振為8MHZ

43、，它的內(nèi)部還繼承了低速晶體振蕩器，使得它可以選擇三種時鐘：ACLK輔助時鐘、MCLK系統(tǒng)主時鐘、SMCLK子系統(tǒng)時鐘。主時鐘是LFXT1CLK信號經(jīng)過1,2,4,8分頻后得到的。分頻系數(shù)由軟件控制。ACLK可由軟件選擇，作為各個外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設(shè)。MCLK來自LFXT1CLK、LFXT2CLK、DCOCLK，然后經(jīng)過1，2,4,8分頻得到，分頻系數(shù)也可由軟件控制，主要用于CPU和系統(tǒng)。SMCLK子系統(tǒng)時鐘和主系統(tǒng)時鐘來源一樣，控制部分也一樣，但是它主要用于控制高速外圍模塊。根據(jù)經(jīng)驗值和以往MSP430F169最小系統(tǒng)設(shè)計時鐘電路參數(shù)，陶瓷電容取值30pF。時鐘模塊電路圖如圖1

44、5所示。圖15 時鐘電路由于MSP430F169供電電壓低，同時具有豐富的時鐘源，使得它具有優(yōu)越的低功耗模式。它主要通過以下幾個方面來保持它的低功耗特性：電源電壓采用1.8-3.6V的低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0.1uA，活動模式耗電250uA/MIPS，I/O輸入端口的漏電流僅為50nA;采用獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計， MSP430F169系統(tǒng)中有一種活動模式和5種低功耗模式，在活動模式時， MSP430F169單片機還可以根據(jù)需要在100KHz-8MHz之間調(diào)整時鐘頻率，有效的降低了系統(tǒng)的功耗。復位電路：通過復位電路，可以產(chǎn)生復位信號給單片機，使其復位。復位電路的復位線連接MSP430

45、F169復位引腳，當外部產(chǎn)生復位信號，MSP430F169就能立即產(chǎn)生相應的復位動作。設(shè)計采用手動復位方式給單片機提供相應的低電平復位信號。當外部復位按鍵沒有動作時，電容處于充電狀態(tài)，單片機的復位引腳為高電平，MSP430F169不會產(chǎn)生復位動作。當外部復位按鍵被按下后，電容立即放電，REST線接地，MSP430F169相應的復位引腳被拉低，使得MSP430F169產(chǎn)生復位動作。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計復位電路參數(shù)值，其中電阻為10K，電容為0.1F。復位電路電路圖如圖16所示。圖16 復位電路3.2.2 下載電路MSP430F169單片機的程序下載是通過JTAG口和片子的RST、TCK、TDI、TDO、

46、TMS引腳按一定的時序串行的傳遞程序代碼和數(shù)據(jù)。調(diào)試指令的命令都是通過這些數(shù)據(jù)線和控制線傳遞的。下載時序時，其地址0FFFEH為復位向量地址，它是程序遇到非屏蔽中斷和程序啟動的首要地址，地址中存放的是程序開始的首地址，因此必須把程序段的首地址標號表示在中斷向量或程序偽指令的開頭位置，否則，連接時將出現(xiàn)錯誤。程序的下載考核在線調(diào)試的電源是通過計算機在JTAG提供的，不需另外提供電源。下載電路的原理圖和連接方法如圖17所示。圖17 下載接口電路3.2.3 LCD12864液晶顯示電路使用液晶顯示電路時，要幾點知識需要注意：液晶后面的VR1為3X3體積硬封10K可調(diào)電位器，調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)1286

47、4的對比度。當電位器電阻缺口大致對準R1電阻時，此時液晶屏對比度處于正常范圍內(nèi)，12864顯示屏顯示的比較清晰，此時，液晶接口的第三腳V0不用連接。當電位器缺口對準VR1絲印時，此時相當于電位器是零阻值，可以用螺絲刀手動調(diào)節(jié)液晶電位器至R1位置直到顯示屏正常顯示清晰即可。當液晶屏自己帶電位器時，第三腳V0可接可不接，不接的話就必須調(diào)節(jié)液晶背面電位器至R1位置。接了V0可以通過外接電阻調(diào)節(jié)，同時也可以使用背后的那個電阻調(diào)節(jié)；液晶接口的18腳可以不接，將它懸空即可。12864的有串行并行兩種控制的方式，串并行顯示可以通過兩種方式調(diào)節(jié)，一種是PSB腳控制，程序內(nèi)部通過編寫高低電平即可選擇是串行還是并

48、行，若給PSB引腳提供高電平H-并行，若引腳為低電平L-串行。第二種方法就是使JP2短路，將S和中間點連接起來就是串行，將P和中間點連接起來就是并行。根據(jù)典型電路參數(shù)設(shè)計方法設(shè)計液晶電路電阻值，滑動變阻器的阻值設(shè)計為50K，定值電阻為2K。上述所提及到的引腳參照圖18液晶電路接口引腳圖。詳細資料下載 圖18 液晶電路3.2.4 VCA610自動控制電路 電路的主要功能就是使輸入為200mV-10V之間的交直流電壓信號，通過自動控制電路后能夠穩(wěn)定的輸出1V信號（交流信號幅值為1V），如果直流信號從IN端輸入，經(jīng)過VCA610和OPA620組成的自動控制電路后，由于單片機P66腳給OPA620的第

49、二腳提供控制電壓，電壓由MSP430F169內(nèi)部DA模塊轉(zhuǎn)換而來，幅值為1V，所以通過自動控制電路后的直流信號輸出為1V。若交流信號從IN端輸入，輸入信號的頻率在10KHz-100KHz直接變化，電路輸出幅值為1V的正弦波信號。最后根據(jù)TI公司數(shù)據(jù)手冊和以往設(shè)計的經(jīng)驗，設(shè)計VCA610自動增益電路的參數(shù)，電路參數(shù)參照TI數(shù)據(jù)電路手冊上的數(shù)據(jù)值，修改5V供電電壓為6.5V，使電路符合設(shè)計要求。VCA610自動控制電路電路圖如圖19所示。詳細資料下載 詳細資料下載 圖19 VCA610自動控制電路圖3.2.5 直流電路直流電路的作用是對前級直流信號進行進一步處理。前級直流輸出為1V，信號由IN2引

50、入，通過兩級放大后，輸出電壓值為10V，緊接著為跟隨電路，目的是消除后面電路對前級電路輸出信號的影響。通過一個三極管組成的射隨器，目的是消除前級電路對后面功率放大電路輸入信號的影響。通過LM317組成的擴流電路，電路擴流至1A，輸出為10V，帶負載能力為10歐姆，對于負載為100歐姆，完全滿足設(shè)計要求。放大倍數(shù)為，根據(jù)公式設(shè)計出運放電阻,電阻取值10K,反饋電阻取30K,使放大倍數(shù)可調(diào)。直流電路電路圖如圖20所示詳細資料下載 圖20 直流電路電路圖3.2.6 交流電路前級輸出幅值為1V的正弦波通過IN2引入交流通路，經(jīng)過兩級放大后，其幅值為10V。其后的跟隨電路是消除推挽電路對前級放大電路的影

51、響，推挽電路則是提高信號的帶負載能力，使其能夠帶100歐姆負載，達到設(shè)計要求。交流運放參數(shù)參照直流運放參數(shù)，使放大倍數(shù)達到要求。交流電路電路圖如圖21所示。詳細資料下載 圖21 交流電路電路圖4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.1 軟件設(shè)計概述設(shè)計的軟件部分比較簡單，只包含了幾個小模塊：液晶顯示模塊、D/A模塊。其中，D/A模塊主要用作單片機輸出控制VCA610自動增益模塊,給AGC模塊提供輸出幅值電壓。液晶顯示模塊則是把D/A模塊的輸出數(shù)據(jù)顯示出來。監(jiān)控程序流程圖如圖22所示。圖22 監(jiān)控程序流程圖4.2 軟件模塊程序進行軟件編程時，必須思路清晰、設(shè)計簡單。將程序分模塊化設(shè)計，有助于編寫者整理好編寫的思路

52、，同時使程序設(shè)計的盡可能的簡單。其次，模塊化的編程能在硬件調(diào)試的時候，省去多余的調(diào)試時間，提高軟硬件調(diào)試效率。4.2.1 液晶顯示模塊程序設(shè)計液晶模塊程序首先需要編寫液晶模塊的初始化函數(shù)，緊接著編寫寫命令函數(shù)程序，根據(jù)寫命令函數(shù)編寫寫數(shù)據(jù)函數(shù)、清屏處理函數(shù)和顯示處理函數(shù)，完成這些基本函數(shù)編寫后，液晶顯示程序也就編寫完成了。液晶顯示模塊的測試程序流程圖如圖23所示。圖23 液晶顯示流程圖4.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換程序設(shè)計MSP430F169控制器內(nèi)部擁有12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所以在控制器外面就不需要去搭建額外的數(shù)模電路模塊了。這樣既簡單了硬件程序設(shè)計也使軟件編程簡單，只需對MSP430F169內(nèi)部控制器進行控制操作即可。D/A轉(zhuǎn)換測試程序流程圖如圖24所示。圖24 D/A轉(zhuǎn)換流程圖5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析5.1 系統(tǒng)調(diào)試簡介基于VCA610自動增益系統(tǒng)的設(shè)計采用分模塊調(diào)試，先調(diào)試交流自動增益控制模塊，接著調(diào)試直流增益控制模塊、顯