單片機自動增益放大器

1、自動增益放大器摘 要：本系統(tǒng)有四個模塊組成：程控放大器，峰值檢測，液晶。程控放大器采用兩片AD603接連組成，放大電壓增益可達50dB，增益0.2v步進可調(diào)，電壓增益誤差不大于5%。放大器輸出無明顯失真。峰值測量采用真有效值采樣芯片AD637先進行有效值采樣，然后通過PCF8951進行AD采樣，最后再轉(zhuǎn)換成峰值，液晶采用LCD1602，系統(tǒng)以stc89c51單片機為控制核心，經(jīng)測試驗證，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作方便。關(guān)鍵詞： 程控放大器，峰值檢測，AD采樣，單片機。 Abstract：This system has three modules: SPC amplifiers, peak detect

2、ion, liquid crystal. By two AD603 program-controlled amplifier amplification voltage gain one, can gain 1db stepping 0.2v, adjustable, voltage gain error is not more than 5%. Amplifier output without obvious distortion. Measure true RMS peak by sampling AD637 chip on sampling, then PCF8951 through e

3、ffective sampling, finally to AD convert peak, LCD USES lcd1602 management system with stc8951 SCM as control core and tested, the system runs stably, convenient operation.Key: SPC amplifier Peak detection AD sampling chip SCM 1. 方案的論證與比較1.1 設(shè)計需求1.1.1 基本要求（1） 放大器可以從信號發(fā)生器或音樂播放器輸入音頻信號（50Hz10KHz），輸出可以帶

4、 200負載或驅(qū)動8喇叭（25W）。（20 分）（2） 當輸入信號幅度在 10mV5V 間變化時，放大器輸出默認值保持在 2V±0.2V（有效值）內(nèi)，波動越小越好。（30 分）（3） 可以顯示輸入信號幅度和頻率。（10 分）（4） 能夠在1V3V 范圍內(nèi)步進式調(diào)節(jié)放大器輸出幅度，步距 0.2V。（15 分）（5） 能夠根據(jù)環(huán)境噪聲調(diào)整自動調(diào)節(jié)放大器輸出幅度。（15分）（6） 其它發(fā)揮設(shè)計。（10 分）（7） 設(shè)計報告。（20 分）1.1.2 發(fā)揮部分（1）輸出電壓步距可通過按鍵調(diào)整：0.2v、0.3v、0.4v；（3）顯示當前放大輸出。（4）其它。1.2 總體方案方案一：選用結(jié)電容小

5、，fT 高的晶體管，采用多種補償法，多級放大加深度負反饋，以及組合各種組態(tài)的放大電路形式，可以組成優(yōu)質(zhì)的寬帶放大器，而且成本較低。但若要全部采用晶體管實現(xiàn)題目要求，有一定困難，首先高頻晶體管配對困難，不易購買；其次，理論計算往往與實際電路有一定差距，工作點不容易調(diào)整；而且，晶體管參數(shù)易受環(huán)境影響，影響系統(tǒng)總體性能。另外，晶體管電路增益調(diào)節(jié)較為復(fù)雜，不易實現(xiàn)題目要求的增益可調(diào)。方案二：使用專用的集成寬帶放大器。如TITHS6022、NE592等集成電路。通過外接少數(shù)的元件就可以滿足本題目要求，甚至遠超過題目要求的帶寬和增益的指標，但這種放大器難以購買，價格較貴，靈活性不夠，不易滿足題目擴展功能要

6、求。方案三：市面上有多種型號、各具特色的寬頻帶集成運算放大器。這些集成運算放大器有的通頻帶寬，有足夠的增益，有的可以輸出較高電壓，使用方便，有的甚至可以實現(xiàn)增益可調(diào)及AGC的功能。總體上硬件的實現(xiàn)和調(diào)試較為簡單，所以，我們決定采用多個集成運放級連實現(xiàn)本題目1.3 增益控控制：方案一：利用電阻網(wǎng)絡(luò)和撥碼開關(guān)，手動調(diào)節(jié)增益，可實現(xiàn)增益控制，但硬件規(guī)模較大，控制繁瑣且人機界面欠佳，另外，利用電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)需使用不同阻值的高精度電阻，這種電阻價格昂貴且不易購買。方案二：可以用繼電器或模擬開關(guān)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)，由單片機控制以改變信號增益。這種方案同樣存在方案一電阻網(wǎng)絡(luò)的缺點，同時，如果使用模擬開關(guān)，其

7、導(dǎo)通電阻較大，而且各通道信號會互相干擾，容易影響系統(tǒng)性能。方案三：由單片機、D/A轉(zhuǎn)換器和可編程增益放大器AD603構(gòu)成壓控放大器。單片機通過對控制D/A輸出直流電壓來控制AD603的內(nèi)部電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。其外圍元件少，電路簡單，由于AD603帶寬最大能達到90MHz，增益范圍有40dB，增益精度在±0.5dB,可精確實現(xiàn)增益控制，可以實現(xiàn)題目發(fā)揮部分減小增益步進間隔的要求。所以本部分采用該方案。1.4 峰值檢測：方案一：采用分段逼近式有效值檢波電路。該方法示值雖然是被測電壓的有效值，但由于放大器動態(tài)范圍的限制，對于被測信號會產(chǎn)生一定的波形誤差，并且硬件電路搭接復(fù)雜，且穩(wěn)定

8、性能不好。 方案二：采用真有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD637和高速A/D芯片PCF8951測量市電有效值。將從AD603輸出的信號通過AD637轉(zhuǎn)換成直流信號后接入PCF8951，利用單片機讀取數(shù)據(jù)后進行相應(yīng)的幅值變換得到峰值。利用集成電路芯片測量精度高，誤差小、穩(wěn)定性好，硬件電路實現(xiàn)簡單，可減小硬件體積，所以本部分采用該方案。1.5 處理器選擇：通過實驗測試我以前買的stc89c51可以滿足要求，為了節(jié)約成本就選擇它為微處理器2. 系統(tǒng)設(shè)計2.1 理論分析與計算 本系統(tǒng)以可變增益增益放大器AD603為核心，其它各單元電路都是根據(jù)AD603及題目要求設(shè)計。由于題目的發(fā)揮部分要求電壓的輸出范圍2V2.5

9、V，對于10mv的小信號，則至少要將信號放大200倍，而且輸入信號的頻率范圍為10Hz500KHz，故采用兩片AD603對信號進行放大，單片AD603增益公式為： DB = 40 * Vo+ Go；Vo為1、2腳之間的電壓，范圍為-500mv500mv，Go根據(jù)5、7腳的不同連接方式Go可取10dB,20dB,30dB。本系統(tǒng)將AD603的5腳和7腳相連，單級AD603增益調(diào)整范圍為，1030 dB，帶寬為90MHz，兩級AD603級聯(lián)，使得增益可調(diào)范圍擴大到20 dB60 dB?？蓾M足題目要求的電壓放大和頻率的要求，當AD603的增益為46dB的時候電壓可以放大200倍，當AD603的增益為

10、48dB的時候電壓可以放大250倍.所以只要正確的控制1、2腳之間的電壓就能實現(xiàn)電壓的不同放大倍數(shù)，從而滿足題目要求。 2.2 總體設(shè)計 根據(jù)帶寬、電壓的放大倍數(shù)，系統(tǒng)采用兩級AD603程控增益放大器，增益可達60dB，能過滿足題目的要求，而且AD603能夠滿足帶寬的要求，有效值測量可有多種實現(xiàn)方案,但選用測量有效值的專用芯片AD637,則電路簡潔方便，而且精度較高。由于系統(tǒng)模塊所用IO口過多，一般51單片機不能夠滿足需求，故采用功能較強的C8051f020單片機作為主控機器。通過鍵盤進行增益和檔位的調(diào)節(jié)，而液晶顯示增益和峰值。系統(tǒng)的整體框圖如下:AD603小信號采集與放大AD637有效值檢測

11、PCF8951AD轉(zhuǎn)換 PCF8951DA轉(zhuǎn)換控制 STC89C51LCD1602液晶顯示屏2.3 單元電路電路模塊設(shè)計2.3.1 自動增益電路 本系統(tǒng)的自動增益控制功能，實際是由增益控制電路轉(zhuǎn)化而來。在輸出級加入檢波電路，檢出直流電壓送入A/D采樣，經(jīng)單片機計算后控制D/A輸出，此電壓加到AD603的增益控制端，從而控制AD603的增益達到使輸出電壓恒定的目的。AD603的簡化原理框圖如圖 2-3-1所示，它由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端（VINP）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電壓決定。增益的調(diào)整與其自身

12、電壓值無關(guān)，而僅與其差值VG有關(guān)，由于控制電壓GPOS/GNEG端的輸入電阻高達50M，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對提供增益控制電壓的外電路影響減小。而且，如果AD603的增益用dB表示，則與控制電壓成線性關(guān)系，以上特點很適合構(gòu)成本題要求的放大器。圖2-1-1圖231 AD603原理框圖中的“滑動臂”從左到右是可以連接移動的。當VOUT和FDBK兩管腳的連接不同時，其放大器的增益范圍也不一樣，帶寬在9MHz 90MHz之間為加大中間級的放大倍數(shù)及增益調(diào)節(jié)范圍，我們使用兩片AD603級聯(lián)作為中間級放大（圖232）。如果將AD603的5腳和7腳相連，單級AD603增益調(diào)整范圍為，1030

13、dB，帶寬為90MHz，兩級AD603級聯(lián)，使得增益可調(diào)范圍擴大到20 dB60 dB?？蓾M足題目要求的電壓放大。圖232 級聯(lián)AD603電路圖兩級AD603采用5V，5V電源供電，兩級的控制端GNEG都接地，另一控制端GPOS接D/A輸出，從而精確地控制AD603的增益。AD603的增益與控制電壓成線性關(guān)系，其增益控制端輸入電壓范圍為500mv500mv，增益調(diào)節(jié)范圍為40dB，當步進1dB時,控制端電壓需增大VG25mv， 由于兩級AD603由同一電壓控制，所以，步進1dB的控制電壓變化幅度為25mv/2=12.5mv。由于AD603的控制電壓需要比較精確的電壓值。我們使用12位的C805

14、1F020的內(nèi)部DA，可滿足指標要求。另外，通過A/D采樣輸出信號，由單片機計算后，再去調(diào)整D/A輸出電壓，就可實現(xiàn)AGC功能，擴大通頻帶.具體電路如下：2.3.1 峰值檢測與DA/AD轉(zhuǎn)換 峰值檢測是利用真有效值芯片AD637先進行有效值采樣然后通過PCF8951進行AD采樣把有效值采樣回來給單片機，再通過單片機進行數(shù)值處理把有效值轉(zhuǎn)換成峰值并計算增益通過pcf8951DA輸出到AD603增益控制端，具體電路如下：2.3.2功率放大部分：考慮到成本與實際效果功放采用TAD2822來實現(xiàn)，具體電路如下所示：2.3.3電源部分：本系統(tǒng)運放使用正負5V 電源給單片機系統(tǒng)工作，為了能給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的

15、電源，對市電變壓后進行整流，濾波，穩(wěn)壓得到系統(tǒng)工作電源。電路如下： 此部分電路比較典型，采用通常使用的橋式全波整流，大電容濾波，集成三端固定穩(wěn)壓片穩(wěn)壓。2.3.3顯示部分本系統(tǒng)用LCD1602顯示，電路圖如下：3. 系統(tǒng)功能測試3.1 測試使用儀器 Agilent 33250A 函數(shù)信號發(fā)生器 Tektronix TDS 2012 數(shù)字示波器SS7200。3.2 測試結(jié)果完整性及結(jié)果分析基礎(chǔ)部分在以下輸入電壓(Vpp)和頻率下,手動調(diào)節(jié)輸出范圍在10mV-5mV10mV/100Hz0.1V/1kHz0.5V/10kHz0.7V/20kHz0.8V /30kHz1V /50kHz幅度(/

16、5;)2.112.021.962.021.972.05信號放大和控制部分在制作部分難易程度有很大的差別，所以我們采用分模塊制作方法，信號放大電路中涉及的是低頻小信號的處理，所以元件的選定和參數(shù)的確定有很大的難度，關(guān)鍵部分還在于電路元件的布局，如何抑制噪聲，防止自激是電路布局的難點，我們采用了單點接地的方法?？刂撇糠蛛娐氛{(diào)試較為簡單。5 結(jié)束語本系統(tǒng)有stc8951單片機與AD603、AD637等模塊組成，基本實現(xiàn)了題目基本部分與發(fā)揮部分的要求。參考文獻1 單片機原理及應(yīng)用，陳為：中國石油出版社2 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，童詩白著，高等教育出版社3 自動增益放大器百度文庫6 附錄 6.1 附錄1 集成

17、芯片明細表1 液晶LCD16022. AD6033. PCF85914. AD6375. TDA28226. STC89516.2 附錄2 部分參考程序#include<reg52.h>#include<I2C.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#include<1602.h>#define PCF8591 0x90 /PCF8591 地址unsigned char output=2;unsigned int AD,DA;void keyscan(void); void delay(int ms

18、);/*DAC 變換, 轉(zhuǎn)化函數(shù) */bit DACconversion(unsigned char sla,unsigned char c, unsigned char Val) Start_I2c(); /啟動總線 SendByte(sla); /發(fā)送器件地址 if(ack=0)return(0); SendByte(c); /發(fā)送控制字節(jié) if(ack=0)return(0); SendByte(Val); /發(fā)送DAC的數(shù)值 if(ack=0)return(0); Stop_I2c(); /結(jié)束總線 return(1);/*ADC發(fā)送字節(jié)命令數(shù)據(jù)函數(shù) */bit ISendByte(u

19、nsigned char sla,unsigned char c) Start_I2c(); /啟動總線 SendByte(sla); /發(fā)送器件地址 if(ack=0)return(0); SendByte(c); /發(fā)送數(shù)據(jù) if(ack=0)return(0); Stop_I2c(); /結(jié)束總線 return(1);/*步進函數(shù)函數(shù) */ void keydown(void) P1=0xF0;if(P1!=0xF0) /判斷按鍵是否按下 如果按鈕按下 會拉低P1其中的一個端口 keyscan(); /*步距函數(shù) */void keyscan(void)P1=0xf0;delay(1);

20、switch(P1)case 0xf1:output=output+0.2;break;case 0xf2:output=output+0.3;break;case 0xf4:output=output+0.4;break;case 0xf8:output=output+0.5;break;if(output>3)output=1;/*AGC函數(shù) */unsigned int AGC(unsigned int ad)DA=(log(output/ad)-2)/4;return DA;/*ADC讀字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù) */unsigned char IRcvByte(unsigned char s

21、la) unsigned char c; Start_I2c(); /啟動總線 SendByte(sla+1); /發(fā)送器件地址 if(ack=0)return(0); c=RcvByte(); /讀取數(shù)據(jù)0 Ack_I2c(1); /發(fā)送非就答位 Stop_I2c(); /結(jié)束總線 return(c);void delay(int ms) /延時子程序int i;while(ms-) for(i = 0; i< 250; i+) _nop_(); /空執(zhí)行 _nop_(); _nop_(); _nop_(); main()unsigned char r;while(1)keydown(

22、);ISendByte(PCF8591,0x40);AD=IRcvByte(PCF8591); /ADC0 模數(shù)轉(zhuǎn)換1 AGC(AD);/增益計算DACconversion(PCF8591,0x40,DA);/dac 數(shù)模輸出r=output*1.414;agc1602(output,r);/1602顯示/*此部分為I2C總線的驅(qū)動程序*/#include<reg51.h>#include <intrins.h>#include <I2C.H>#define NOP() _nop_() /* 定義空指令 */#define _Nop() _nop_() /*

23、定義空指令*/ sbit SCL=P21; /I2C 時鐘 sbit SDA=P20; /I2C 數(shù)據(jù) bit ack; /*應(yīng)答標志位*/ /* 起動總線函數(shù) 函數(shù)原型: void Start_I2c(); 功能: 啟動I2C總線,即發(fā)送I2C起始條件. */void Start_I2c() SDA=1; /*發(fā)送起始條件的數(shù)據(jù)信號*/ _Nop(); SCL=1; _Nop(); /*起始條件建立時間大于4.7us,延時*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); SDA=0; /*發(fā)送起始信號*/ _Nop(); /* 起始條件鎖定時間大于4s*/ _Nop();

24、 _Nop(); _Nop(); _Nop(); SCL=0; /*鉗住I2C總線，準備發(fā)送或接收數(shù)據(jù) */ _Nop(); _Nop();/* 結(jié)束總線函數(shù) 函數(shù)原型: void Stop_I2c(); 功能: 結(jié)束I2C總線,即發(fā)送I2C結(jié)束條件. */void Stop_I2c() SDA=0; /*發(fā)送結(jié)束條件的數(shù)據(jù)信號*/ _Nop(); /*發(fā)送結(jié)束條件的時鐘信號*/ SCL=1; /*結(jié)束條件建立時間大于4s*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); SDA=1; /*發(fā)送I2C總線結(jié)束信號*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(

25、); _Nop();/* 字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù) 函數(shù)原型: void SendByte(UCHAR c);功能: 將數(shù)據(jù)c發(fā)送出去,可以是地址,也可以是數(shù)據(jù),發(fā)完后等待應(yīng)答,并對 此狀態(tài)位進行操作.(不應(yīng)答或非應(yīng)答都使ack=0) 發(fā)送數(shù)據(jù)正常，ack=1; ack=0表示被控器無應(yīng)答或損壞。*/void SendByte(unsigned char c) unsigned char BitCnt; for(BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt+) /*要傳送的數(shù)據(jù)長度為8位*/ if(c<<BitCnt)&0x80)SDA=1; /*判斷發(fā)送位*/ else SDA=0; _Nop(); SCL=1; /*置時鐘線為高，通知被控器開始接收數(shù)據(jù)位*/ _Nop(); _Nop(); /*保證時鐘高電平周期大于4s*/ _Nop(); _Nop(); _Nop(); SCL=0; _Nop(); _Nop(); SDA=1; /*8位發(fā)送完后釋放數(shù)據(jù)線，準備接收應(yīng)答位*/