可控放大器綜合設(shè)計(jì)報(bào)告.

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程設(shè)計(jì)報(bào)告書可控放大器目錄一、任務(wù)及要求21.1任務(wù)21.2要求21.3說(shuō)明2二、題目分析32.1放大部分方案論證32.2濾波部分方案論證3三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)4四、硬件設(shè)計(jì)44.1MCU模塊44.2程控放大模塊5 4.2.1第一級(jí)放大6 4.2.2第二級(jí)放大7 4.2.3第三級(jí)放大10 4.2.4繼電器控制10 4.2.5DAC控制104.3濾波模塊11五、調(diào)試數(shù)據(jù)12六、總結(jié)13七、程序附件13一、任務(wù)及要求1.1 任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可控放大器，其組成框圖如圖所示。放大器的增益可設(shè)置；低通濾波器（或高通濾波器）的截止頻率可設(shè)置。 1.2 要求 （1）放大器電壓增益為60dB，輸入

2、正弦信號(hào)電壓振幅為10mV，增益10dB 步進(jìn)可調(diào)，通頻帶為100Hz100kHz，電壓增益誤差不大于5%。（40分） （2） 濾波器為低通濾波器（或高通濾波器），其-3dB 截止頻率fc 在1kHz21kHz 范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)為10kHz，2fc 處（或高通0.5fc 處）放大器與濾波器的總電壓增益不大于30dB,RL=1kW。截止頻率的誤差不大于5%。（20分）（3） 有設(shè)置參數(shù)顯示功能和良好的人機(jī)界面。（20分）（4） 調(diào)節(jié)的頻率步進(jìn)調(diào)整為1kHz。（20分）1.3 說(shuō)明（1）正弦輸入信號(hào)由信號(hào)源提供，放大器輸出端應(yīng)留測(cè)試端子。 （2）設(shè)計(jì)報(bào)告正文應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原

3、理圖和主要的測(cè)試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序和完整的測(cè)試結(jié)果可用附件給出。二、題目分析2.1放大部分方案論證：方案一:采用寬帶放大器級(jí)聯(lián)的方式，通過模擬開關(guān)控制反饋電阻從而實(shí)現(xiàn)放大程控。但由于溫度、電源燈漂移將引起分壓比變化，因此采用這種方案難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益的精確控制和穩(wěn)定性。方案二:采用可編程放大器的思想，將交流輸入信號(hào)作為高速D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓，該D/A轉(zhuǎn)換器可視為一個(gè)程控衰減器。理論上講，只要D/A轉(zhuǎn)換器的速度夠快、精度夠高就可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的精密增益調(diào)節(jié)。但控制的數(shù)字量和最后的增益不是線性關(guān)系而是指數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致增益調(diào)節(jié)不均勻，精度降低。方案三：采用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可

4、編程增益放大FGA實(shí)現(xiàn)增益控制，電壓控制增益便于單片機(jī)控制，同時(shí)可減少噪聲和干擾。采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603作為增益控制，AD是一款低噪聲，精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃?，溫度穩(wěn)定性高，其增益與控制成線性關(guān)系，因此便于使用D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制放大器增益。綜上所述，系統(tǒng)的放大部分采用方案三。2.2濾波部分方案論證 方案一：采用傳統(tǒng)的分立元件組成無(wú)源濾波器，但存在諸如帶內(nèi)不平坦，頻帶范圍窄，階數(shù)少，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。方案二：采用運(yùn)算放大器構(gòu)成有源濾波器。這種濾波器設(shè)計(jì)過程比較簡(jiǎn)單，但存在截止頻率調(diào)節(jié)范圍的局限性，難以實(shí)現(xiàn)高精度截止頻率調(diào)節(jié)。方案三：采用可編程的4階開關(guān)電容濾波器MAX264。該器件集

5、成濾波器所需的電阻電容，無(wú)需外接器件，其中心頻率、Q值及工作模式都可通過引腳編程設(shè)置進(jìn)行控制，但其控制較復(fù)雜，切需要多個(gè)I/O口進(jìn)行設(shè)置。方案四：采用八階低通橢圓型、開關(guān)電容濾波器MAX297，它是采用輸入時(shí)鐘頻率控制輸出轉(zhuǎn)角頻率的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的濾波,比值為50:1。外圍電路簡(jiǎn)單，濾波階數(shù)高，價(jià)錢相比于MAX262更便宜。綜上所述，綜合各方面因素，方案一、二、三都有其固有的局限性，因此濾波部分采用方案四。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的放大部分電路由三級(jí)運(yùn)放組成，單片機(jī)通過DAC控制放大部分的放大倍數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的程控放大，放大后的信號(hào)再輸入濾波部分電路，濾波過后進(jìn)行輸出，濾波部分的

6、通頻帶也是由單片機(jī)控制，放大部分的增益及濾波部分允許通過的頻率通過1602液晶進(jìn)行顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：LCD160212C5A60S2單片機(jī) 輸入濾波輸出程控放大程控濾波 放大部分輸出圖1 可控放大器方框圖四、硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬分由MCU模塊（STC12C5A60S2）、程控放大模塊（OP27+AD603）、濾波模塊（MAX297）三個(gè)模塊組成。4.1 MCU模塊本系統(tǒng)MCU采用STC12C5A40S2，是宏晶科技的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1t)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路,2路pw

7、m,8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換(250k/s),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。引腳圖如下： 圖2 STC12C5A40S2引腳圖本系統(tǒng)中，通過單片機(jī)按鍵控制DAC 電壓輸出，以改變AD603的放大倍數(shù)，另外，MCU的晶振采用24M晶振，通過單片按鍵控制P3.4引腳的方波輸出的頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波部分的通頻帶的控制。4.2 程控放大模塊根據(jù)題目要求，我們?cè)O(shè)計(jì)三級(jí)放大，其中第一級(jí)和第三級(jí)為固定的正向放大，增益為一固定值20DB,用兩片OP27實(shí)現(xiàn)，中間一級(jí)的放大用AD603完成。因?yàn)锳D603在5、7腳相連的情況下增益范圍是-10DB至30DB，與前后級(jí)組合可以達(dá)到題目10DB-60DB的要求。當(dāng)需要1

8、0DB-50DB時(shí)，通過繼電器控制第二級(jí)的AD603的輸出為放大輸出，當(dāng)需要60DB時(shí)，控制第三級(jí)的輸出為最終輸出，其中繼電器通過單片機(jī)給高低電平來(lái)控制。放大部分的電路圖如下： 圖3 放大部分電路4.2.1第一級(jí)放大第一級(jí)別放大芯片采用OP27，OP27是一款低噪聲、精密運(yùn)算放大器，OP27精密運(yùn)算放大器兼有OP07的低失調(diào)電壓和漂移特性與高速、低噪聲特性。失調(diào)電壓低至25 V，最大漂移為0.6 V/C，因而該器件是精密儀器儀表應(yīng)用的理想之選。OP27引腳圖如下： 圖4 OP27引腳圖本設(shè)計(jì)中，第一級(jí)放大的反饋電阻選用了滑動(dòng)變阻器，這樣通過調(diào)節(jié)電阻來(lái)控制第一級(jí)的放大增益為20DB。電路圖如下：

9、圖5 第一級(jí)放大電路 4.2.2第二級(jí)放大第二級(jí)放大采用 AD603，AD是美國(guó)AD公司繼AD600后推出的寬頻帶低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA芯片?？捎糜赗F/IF系統(tǒng)中的AGC電路、視頻增益控制、A/D范圍擴(kuò)展和信號(hào)測(cè)量等系統(tǒng)中。（1）AD603的引腳排列 圖6 OP27引腳圖（2）AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。AD603由一個(gè)可通過外部反饋電路設(shè)置固定增益GF（31.0751.07）的放大器、0-42.14dB的寬帶壓控精密無(wú)源衰減器和40dB/V的線性增益控制電路構(gòu)成。 圖7 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖8 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖 （3）AD603的增

10、益，可設(shè)置位三種形式。 模式一：將VOUT與FDBK短路，即為寬頻帶模式（90MHz寬頻帶），AD603的增益設(shè)置為-11.07dB+31.07dB. 模式二：VOUT與FDBK之間外接一個(gè)電阻REXT，F(xiàn)DBK與COMN端之間接一個(gè)5.6uF的電容頻率補(bǔ)償。根據(jù)放大器的增益關(guān)系式，選取合適的REXT，可獲得所需要的模式一與模式三之間的增益值。當(dāng)REXT=2.15千歐時(shí)，增益范圍為-1+41dB。 模式三：VOUT與FDBK之間開路，F(xiàn)DBK對(duì)COMN連接一個(gè)18uF的電容用于擴(kuò)展頻率響應(yīng)，該模式為高增益模式，其增益范圍為+8.92+51.07dB，帶寬為9MHz.本次設(shè)計(jì)中AD603采用模式

11、一，增益計(jì)算公式如下：G（DB）=40V+10因此我們?cè)O(shè)計(jì)了如下部分，其中V為差分輸入電壓（即控制端1腳及2腳的電壓差）。其中控制端2腳通過LM317提供穩(wěn)壓電平約1.5V左右，通過DA芯片給另一控制端1腳不同的電壓，從而來(lái)達(dá)到控制AD603增益的目的。第二級(jí)放大電路圖如下所示：圖9 第二級(jí)放大電路4.2.3 第三級(jí)放大第三級(jí)放大和第一類似。4.2.4 繼電器控制這里通過控制繼電器來(lái)控制是從第二級(jí)還是第三級(jí)放大輸出放大信號(hào)。圖10 繼電器控制電路4.2.5 DAC控制由于我的單片機(jī)開發(fā)板上的8位DAC不能滿足本次設(shè)計(jì)的要求，所以外用了10位DACTLC5615，這部分電路設(shè)計(jì)在放大部分，相應(yīng)的

12、引腳通過杜邦線與單片機(jī)IO口相連。 圖11 DAC控制電路4.3 濾波模塊濾波模塊的芯片選用MAX297，MAX297是8階開關(guān)電容式低通橢圓濾波器，其滾降速度快，從通頻帶到阻帶的過渡帶很窄。這種開關(guān)電容濾波器是由帶有求和和換算功能的開關(guān)電容積分器對(duì)一梯形無(wú)源濾波器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬構(gòu)成的。該器件時(shí)鐘頻率與通帶之比為50:1，改變其時(shí)鐘頻率，其通頻帶可從0.1Hz 變化到50kHz，完全滿足題目的設(shè)計(jì)要求。使用MAX297時(shí)，當(dāng)信號(hào)頻率和采樣頻率同頻，且相位合適時(shí)，開關(guān)電容組在電容上各次采到相同的幅度為信號(hào)幅值的信號(hào)，相當(dāng)于輸入信號(hào)為直流的情況。因此在采樣電容上產(chǎn)生一個(gè)直流信號(hào)，使濾波器輸出一個(gè)直流

13、電平。同理，當(dāng)信號(hào)頻率為采樣頻率的整數(shù)倍時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)相同的現(xiàn)象。要去除這種現(xiàn)象，須限制輸入信號(hào)的范圍，使之小于開關(guān)電容濾波器的采樣頻率（時(shí)鐘頻率）。所以在使用MAX297時(shí)，在其前面，要增加模擬低通濾波器，把采樣頻率及其以上的高頻信號(hào)有效地排除。在其后面，也要增加低通濾波器，濾去信號(hào)的高頻分量，使波形更加平滑。 圖12 MAX297引腳圖 圖13 濾波部分電路五、調(diào)試數(shù)據(jù)（1）程控放大部分增益理論值(mV)實(shí)測(cè)值(mV)誤差(*100%)10DB31.631.50.3220DB100100.30.3030DB3163150.3340DB10009980.2050DB316031550.1660

14、DB1000099820.18（2）通頻帶下截止頻率理論值(Hz)實(shí)測(cè)值(Hz)誤差（*100%）1008614（3）程控濾波部分截止頻率理論值（KHz）實(shí)測(cè)值（KHz）誤差(*100%)101002020.31.5六、總結(jié)在這次課程設(shè)計(jì)，自己花了不少的時(shí)間的精力，從開始的查閱資料，到方案比較，到畫圖，再到后面對(duì)的軟件調(diào)試、硬件調(diào)試，每一步都遇到一些意想不到的問題，同時(shí)暴露出自身專業(yè)知識(shí)的不足，而在一個(gè)個(gè)解決這些問題的過程中能夠?qū)W到一些課本上沒有或是理論課上沒有掌握好的知識(shí)。整個(gè)過程下來(lái)，自己在電路設(shè)計(jì)、硬件的調(diào)試、軟件調(diào)試方面的能力都得到了很大的鍛煉，總的來(lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)讓自己獲益匪淺。七

15、、程序附件/* DAC 輸出可控制電壓 其中按P1.3為電壓加0.0031V 按P1.2為電壓減0.003V*/*頭文件*/#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define Nop() _nop_()#define _Nop() _nop_()sbit TL5615_DAT = P00;sbit TL5615_CLK = P01; /*定義DAC控制端口*/sbit TL5615_CS = P02;sbit ctrl = P04;/-sbit lcd_rs_port = P24; /*定義

16、LCD控制端口*/sbit lcd_rw_port = P23;sbit lcd_en_port = P22;#define lcd_data_port P1/-sbit Vol_upkey = P32; sbit Vol_downkey = P33; sbit Freq_upkey = P30; sbit Freq_downkey = P31; /sbit led_en_port = P25; /sbit sled_en_port = P36; /sbit DS1302_en_port = P22;/-sbit P20=P20;/定義鎖存使能端口 段鎖存sbit P21=P21;/ 位鎖存s

17、bit P35 = P35;/這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的點(diǎn)陣實(shí)際應(yīng)用去掉sfr AUXR = 0x8e; /Auxiliary registersfr WAKE_CLKO = 0x8f; /wakeup and clock output control registersbit T0CLKO = P34; /timer0 clock output pin/*1MS為單位的延時(shí)程序*/void delay_1ms(unsigned char x) unsigned char a,b; while(x-) for(b=133;b0;b-) for(a=6;a0;a-);void lcd_busy_wa

18、it() /*LCD1602 忙等待*/ lcd_rs_port = 0; lcd_rw_port = 1; lcd_en_port = 1; lcd_data_port = 0xff; _Nop(); _Nop(); while (lcd_data_port&0x80); lcd_en_port = 0; void lcd_command_write(uchar command) /*LCD1602 命令字寫入*/ lcd_busy_wait(); lcd_rs_port = 0; lcd_rw_port = 0; lcd_en_port = 0; lcd_data_port = comma

19、nd; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_en_port = 1; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_en_port = 0; void lcd_system_reset() /*LCD1602 初始化*/ delay_1ms(20); lcd_command_write(0x38); delay_1ms(100); lcd_command_write(0x38); delay_1ms(50); lcd_command_write(0x38); delay

20、_1ms(10); lcd_command_write(0x08); lcd_command_write(0x01); lcd_command_write(0x06); lcd_command_write(0x0c); void lcd_char_write(uchar x_pos,y_pos,lcd_dat) /*LCD1602 字符寫入*/ x_pos &= 0x0f; /* X位置范圍 015 */ y_pos &= 0x01; /* Y位置范圍 0 1 */ if(y_pos=1) x_pos += 0x40; x_pos += 0x80; lcd_command_write(x_po

21、s); lcd_busy_wait(); lcd_rs_port = 1; lcd_rw_port = 0; lcd_en_port = 0; lcd_data_port = lcd_dat; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_en_port = 1; _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); lcd_en_port = 0; void TLC5615_SEND(unsigned int da)unsigned char i;TL5615_CLK = 0;TL5615_C

22、S = 0;for(i=0;i12;i+)if(da&0x200)!=0) TL5615_DAT = 1;else TL5615_DAT = 0;Nop();TL5615_CLK = 1;Nop();Nop();TL5615_CLK = 0;da = (da1); /*左移一位*/TL5615_CS = 1;unsigned int Volage_to_TL5615da(unsigned int Volage)/*將電壓轉(zhuǎn)換為TL5615的輸出數(shù)據(jù)*/*da輸入格式:比如要輸入3.742V,則輸入值為 3742,最高值不超過5000 */*轉(zhuǎn)換公式 da=V/(2*Vref)*1024 備注:

23、Vref為2.5V,則da=V/5*1024 */unsigned int da;float tt;tt=Volage*0.001/5*1024;da= tt+0.5; /*對(duì)結(jié)果進(jìn)行4舍5入*/return da;uchar mun_to_char=0123456789;void main() uint aa=10,20,30,40,50,60; uint bb=1260,1520,1757,2000,1757,2000; uint xx=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21; uchar i; uint m=0; uin

24、t q=0; int Freq_init;uchar volage_table= Gain: DB; uchar freq_table= Freq: kHz;lcd_system_reset(); P1=0x00;/這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的數(shù)碼管實(shí)際應(yīng)用去掉P20=0; /這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的數(shù)碼管實(shí)際應(yīng)用去掉P21=0; /這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的數(shù)碼管實(shí)際應(yīng)用去掉P35=0; /這是為了關(guān)閉開發(fā)板上的點(diǎn)陣實(shí)際應(yīng)用去掉/P1=0xFF;/P1口置1lcd_data_port = 0xff; /*釋放數(shù)據(jù)控制端口*/led_en_port = 0; /*關(guān)閉發(fā)光二極管顯示*/sled_en_port = 0; /*關(guān)閉數(shù)碼管顯示*/DS1302_en_port = 0; /*關(guān)閉時(shí)鐘選片腳，防止干擾DAC通訊*/ AUXR = 0x80; /timer0 work in 1T mode TMOD = 0x02; /set timer0 as mode2 (8-bit auto-reload) Freq_init=(int)256-24000000/2/50000; TL0 = Freq_init; /initial timer0 TH0 = Freq_init; /initial timer0 for(i=0;i