程控放大器 資料

1、程控設(shè)計(jì)放大器報(bào)告（B題）引言放大器是電子系統(tǒng)中最基本的放大電路。放大器的增益又是其中一個(gè)重要的性能參數(shù)。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，需要根據(jù)不同的環(huán)境條件對(duì)放大器的增益做出相應(yīng)的調(diào)整，而隨著電路控 制的日益精細(xì)，對(duì)放大器增益的控制和調(diào)整也變得越來(lái)越精致。傳統(tǒng)的利用可調(diào)電位器與放 大器組合，多路開(kāi)關(guān)控制電阻等方法在靈活性，簡(jiǎn)潔性等方面往往滿足不了系統(tǒng)的需要?，F(xiàn) 在較為廣泛應(yīng)用的程控增益放大器，采用不同的電路結(jié)構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的數(shù)字化控制。系統(tǒng)要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)通過(guò)題目要求本組須設(shè)計(jì)出：差分比例運(yùn)算電路、兩級(jí)放大電路、反相比例運(yùn)算電路、 二階低通濾波電路和51單片機(jī)控制與LCD顯示模塊。2.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)

2、并制作一個(gè)增益可程控的放大器，結(jié)構(gòu)框圖如圖1。圖1：程控增益直流放大器結(jié)構(gòu)框圖方案二：集成運(yùn)算放大器ICL7650ICL7650是Intersil公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式 高精度它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂 移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以常常被用在熱電偶，電阻應(yīng)變電橋,電荷傳 感器等測(cè)量微弱信號(hào)的前置中.而且在放大電路中不用考慮調(diào)零和頻率問(wèn)題。使 用方便。還有ICL7650利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)消除了 CMOS器件固有的失調(diào)和漂移， 從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛，克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點(diǎn)。ICL7650可以放大300倍

3、左右，可以滿足要求。綜上所述，考慮到電源的限 制，放大倍數(shù)的要求和性能的比較，最終選定方案二。濾波環(huán)節(jié)與放大環(huán)節(jié)3.1濾波環(huán)節(jié)選擇方案一：低通濾波與帶阻結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)要求15Hz波段通過(guò)，50HZ頻率衰減大于40Db，所以可以用一 個(gè)二階低通濾波器來(lái)濾除大于5HZ的波段，用一個(gè)帶阻濾波器來(lái)專門濾除50HZ 的頻率，這樣就能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。而二階低通濾波和帶阻的放大倍數(shù)都是Au=1+Rf/R1我們選用Rf和R1阻值相等，那么只是這兩個(gè)濾波電路就使電路中的電壓放大 4倍。方案二：只用二階低通濾波電路，二階低通濾波電路圖如圖2。130KC4C30.1 uF 0.1FITITT2TTT0礦130KVCCU

4、2,C114，c213NC1 2130KC4C30.1 uF 0.1FITITT2TTT0礦130KVCCU2,C114，c213NC1 2,-INPUT V+INPUOUT,NC30CDTLC7650TTT58T2uFOUT3C1 ).1 VCC56KR3R256KC5 00.1 uFC5= 1uFC1 1圖2：二階低通濾波電路通濾波器的輸入電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)RC低通電路以后，在接到集成運(yùn)放的輸入端， 在高頻段，對(duì)數(shù)幅頻特性將以-40Db/十倍頻的速度下降，使濾波特性比較接近于 理想情況。而且通過(guò)對(duì)其中R的適當(dāng)調(diào)節(jié)可以同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也只是使電 路中電壓放大2倍，比方案一要好得多。因此我們決定選

5、用方案二。3.2放大環(huán)節(jié)選擇方案一：用一階放大電路用一級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)電壓的放大倍數(shù)，通過(guò)改變數(shù)字電位器的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)電 壓的各放大倍數(shù)。用一片芯片來(lái)達(dá)到放大1，2, 5, 10，20倍還可以，但是要放 大50，100倍的話，芯片的精度會(huì)不太夠。方案二:用二級(jí)放大電路采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)同相比例運(yùn)算電路。兩個(gè)CON2接口分別連接兩個(gè)數(shù)字電位 器。前級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)為Auf1=1+RF1/R6后級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)為Auf2=1+RF2/R8。系統(tǒng)總的放大倍數(shù)Auf=Auf1*Auf2其中RF1,RF2分別由兩個(gè)數(shù)字電位器控制。R6,R8都為1K，改變RF的值，增益也隨之改變。而通過(guò)兩級(jí)放大電路

6、的配 合調(diào)節(jié)使每級(jí)的最大放大倍數(shù)為10。這樣既保證了對(duì)電壓放大100的要求，又 能保證放大芯片的精度，達(dá)到更好的準(zhǔn)確度。兩級(jí)放大電路圖如圖3。J3J4ON2CON2R61KR81KOUT1R5680C6 0.1 uF-VCCC50時(shí) r 3 4 5 6 r-U3.C114.c213.NC12.-INPUTV+.+INPUOUT.NC30 J3J4ON2CON2R61KR81KOUT1R5680C6 0.1 uF-VCCC50時(shí) r 3 4 5 6 r-U3.C114.c213.NC12.-INPUTV+.+INPUOUT.NC30 cn74TTT2TTT0TC1 hiT C70.1 uF3uF

7、VdR7680C8r 3 一-4 一-5U4C1 14 c213NC 12 -INPUTV+ +INPUOUT NC 30 V- CR74ITT2HT0TC16 曲uF -VCC-OUT2C14 TLC76500.1 uF圖3：兩級(jí)放大電路3.3濾波與放大的順序?yàn)V波電路可以接在放大電路的前面也可以接在放大電路的后面。如果接在放 大電路的前面，那么經(jīng)過(guò)后面的放大電路之后一些前面濾過(guò)的小的干擾波又會(huì)被 放大，對(duì)輸出電壓有干擾。所以我們選擇把濾波放在兩級(jí)放大之后，這樣既能使 放大電路滿，又能對(duì)輸出勃起到濾波作用，使輸出電壓更穩(wěn)定。原理設(shè)計(jì)及理論分析系統(tǒng)流程圖如下：差 分 電 路濾波電路鍵盤數(shù)字電位器

8、控制端級(jí)放大電路二級(jí)放大電路濾波電路鍵盤數(shù)字電位器控制端級(jí)放大電路二級(jí)放大電路反相比例電路4. 1硬件模塊說(shuō)明整個(gè)系統(tǒng)由五部分組成：差分比例運(yùn)算電路，兩級(jí)放大電路，反相比例運(yùn)算 電路，二階低通濾波電路和單片機(jī)顯示與控制。除上面介紹過(guò)的兩級(jí)放大電路和 濾波電路外，其余具體設(shè)計(jì)如下：4. 1.1差分比例運(yùn)算電路電路圖如圖5：R12100KC10.1u F1 j100k1JR11 100K-VCCC10.1u F1 j100k1JR11 100K-VCCU1,C114, c213NC1 2,-INPUTV+INPTOUT,NC30C20.11 FT5140.1u F13 孕12111VCC1098O

9、UT1C10 TLC76500.1u FR13圖5：差分比例運(yùn)算電路此部分作用在于提高輸入電阻，濾除一些小的干擾波。圖中R10=R11=R12=R13，根據(jù)題目要求，輸入電阻應(yīng)大于100K，差分輸入電阻Rif=2R1故R10應(yīng)大于50K。該設(shè)計(jì)中選用100K。此部分要求很高的對(duì)稱性， 以避免不必要的誤差。4. 1.2反相比例運(yùn)算電路電路圖如圖6：C3t=C340.1uF 01LFC3t=C340.1uF 01LFT980.1uF -VCC TLC7650OUTRES2圖6:反相比例運(yùn)算電路因后面所用到的芯片TLC2543對(duì)其輸入信號(hào)有極性要求，而差分環(huán)節(jié)后， 電流信號(hào)反相，需將其轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)。該電

10、路中Auf=-R16/R14R16=R14=1K完成反相效果，保證輸入輸出同相。4.1.3二階低通濾波電路利用集成運(yùn)放與RC低通電路一起，可以組成有源濾波器，以提高通帶電壓 放大倍數(shù)和帶負(fù)載能力。二階壓控電壓源低通濾波器由兩節(jié)RC濾波器和同相放 大電路組成。其中同相放大電路實(shí)際上就是所謂的壓控電壓源，它的電壓增益就 是低通濾波的通帶電壓增益，即Auf= R1/(R1+ RF)=1+RF/ R1。二階低通濾波 電路中通過(guò)電容引入了電壓并聯(lián)正反饋，其目的是為了使輸出電壓在高頻段迅速 下降，但在接近于通帶截止頻率f0的范圍內(nèi)又不致下降太多，從而有利于改善 濾波。當(dāng)f f0時(shí)電路進(jìn)行基本放大。當(dāng)ff0

11、時(shí)對(duì)數(shù)幅頻特性以-40 dB /十倍頻 的速度下降，對(duì)數(shù)幅頻特性如下圖所示：0J 0.20.5 I 13 510.:階4氐通濾波電路的帽頻響應(yīng)由于二階低通濾波電路的通帶截止頻率f0=1/2n RC，本設(shè)計(jì)要求f0=5Hz， 且在f=50Hz時(shí)衰減大于40 dB，該設(shè)計(jì)選擇R=56K, C=1 p F。當(dāng)Q=1時(shí)，既可 以保持通頻帶的增益，而高頻段幅頻特性又能很快衰減，同時(shí)還可以避免在f=fo 處幅頻特性產(chǎn)生一個(gè)較大的凸峰，因此 濾波效果較好。4.2軟件說(shuō)明4. 2.1數(shù)字電位器與單片機(jī)的接口圖如圖7圖7:數(shù)字電位器與單片機(jī)的接口圖數(shù)字電位器連接數(shù)字和模擬部分，它如果直接與單片機(jī)相連，會(huì)在同一個(gè)

12、器 件上既有模擬又有數(shù)字，使它本身工作受到干擾，同時(shí)也會(huì)給單片機(jī)的工作帶來(lái) 影響。在此，我們選擇在單片機(jī)和數(shù)字電位器之間加上光耦，從而起到隔離和保 護(hù)的作用。4.2.2鍵盤控制系統(tǒng)鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開(kāi)型按鈕開(kāi)關(guān)，平時(shí)（常態(tài)）鍵的兩個(gè) 觸電處于短開(kāi)狀態(tài)，按下鍵時(shí)它們才閉合（短路）。鍵盤分獨(dú)立式鍵盤與行列式 鍵盤兩種。綜合題目對(duì)該要求不是太高的特點(diǎn)，我們選擇了較為簡(jiǎn)單的獨(dú)立式鍵 盤進(jìn)行操作。獨(dú)立式按鍵是各按鍵相互獨(dú)立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，各按鍵的狀態(tài)互不影 響，同時(shí)電路采用了中斷方式讀取鍵值。因?yàn)?9C51系列單片機(jī)P1 口已經(jīng)有上拉 電阻，所以選擇P1 口做為鍵盤輸入端。具體流程圖

13、如下：圖11 :鍵盤流程圖系統(tǒng)測(cè)試與分析(1)題目要求帶寬限制在0-5HZ，對(duì)頻率為50HZ的信號(hào)衰減應(yīng)大于40dB, 因此在濾波環(huán)節(jié)(圖2)需選擇合適的元器件.該設(shè)計(jì)中，電容選擇1uF，電阻選擇如 表一表RF(K)5HZ50HZ輸入電壓輸出電壓衰減輸入電壓輸出電壓衰減31.8300mV198mV1.5300mV9.3mV3246300mV233mV1.3300mV3.2mV9156300mV290mV1.03300mV2.5mV12072.5300mV345mV/300mV1.8mV170按要求輸入信號(hào)5HZ時(shí),輸入電壓與輸出電壓應(yīng)接近相等;輸入信號(hào)為50HZ時(shí)衰減應(yīng)大于100.從表一參數(shù)中

14、可以看出，當(dāng)RF取56K時(shí),可以滿足設(shè)計(jì)要求.(2)電壓表測(cè)試濾波環(huán)節(jié)中對(duì)不同頻率輸入信號(hào)的電壓測(cè)試如表一表二測(cè)試頻率(HZ)550100輸入電壓Vin(mv)300mV300mV300mV輸出電壓Vo(mv)290mV2.5mV0.5mV衰減系數(shù)1/1.031/1201/600從上表中可以看出，濾波環(huán)節(jié)完成衰減過(guò)程,并且在輸入信號(hào)為5HZ時(shí),輸入電壓與輸出電壓應(yīng)接近相等;輸入信號(hào)為50HZ時(shí)衰減大于100.完成設(shè)計(jì)要求.（3）調(diào)節(jié)數(shù)字電位器改變電阻RF，所得到的放大倍數(shù)如表二表三RF1(K)0140149RF2(K)0009999輸入電壓Vi （mv）20202020202020輸出電壓Vo

15、（mv）19.839.9100.1200.01399.9710012004放大倍數(shù)125102050100對(duì)輸入頻率為1-5HZ的信號(hào)進(jìn)行1-100放大作用.通過(guò)鍵盤實(shí)現(xiàn)該范圍內(nèi)任 意電阻的設(shè)置，從而改變放大倍數(shù).由表三中所測(cè)數(shù)值可以看出，給部分滿足要求.測(cè)試性能總結(jié)測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)原理正確，綜合測(cè)試儀的指標(biāo)基本達(dá)到賽題要求。差分 比例電路使輸入電阻提高到200K;兩級(jí)放大精確完成1-100放大要求;二階低通濾 波電路實(shí)現(xiàn)0-5HZ帶寬要求，并在50HZ時(shí)衰減大于100;通過(guò)單片機(jī)相連A/D轉(zhuǎn) 換器2543和LED液晶顯示屏相連，實(shí)現(xiàn)控制,數(shù)/模轉(zhuǎn)換和顯示功能.附錄附錄一:測(cè)試儀器測(cè)試所用儀器設(shè)備如表四表四序號(hào)儀器數(shù)量制造商1高精度直流電壓表1泰克科技（中國(guó)）有限公司2雙蹤數(shù)字示波1泰克科技（中國(guó)）有限公司3交流毫伏表1泰克科技（中國(guó)）有限公司4信號(hào)發(fā)生器1泰克科技（中國(guó)）有限公司附錄一:元器件清單IC座40 腳 IC座16 腳X24腳X58腳X 4鳳凰端子 插排2腳X2 2510-2X2 2510-5X2 2510-6X2電阻10KX24. 7KX101KX3 510 歐 X10 500 歐 X1560 X2阻排晶陣電容電位器4.7KX312MX130PFX2503X1203X3心片X5045PX1STC89C521X1TCP521-