程控放大器 資料

1、程控設計放大器報告（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重要的性能參數(shù)。在很多應用場合，需要根據(jù)不同的環(huán)境條件對放大器的增益做出相應的調整，而隨著電路控 制的日益精細，對放大器增益的控制和調整也變得越來越精致。傳統(tǒng)的利用可調電位器與放 大器組合，多路開關控制電阻等方法在靈活性，簡潔性等方面往往滿足不了系統(tǒng)的需要?，F(xiàn) 在較為廣泛應用的程控增益放大器，采用不同的電路結構方式，實現(xiàn)對增益的數(shù)字化控制。系統(tǒng)要求2.1設計任務通過題目要求本組須設計出：差分比例運算電路、兩級放大電路、反相比例運算電路、 二階低通濾波電路和51單片機控制與LCD顯示模塊。2.2設計要求設計

2、并制作一個增益可程控的放大器，結構框圖如圖1。圖1：程控增益直流放大器結構框圖方案二：集成運算放大器ICL7650ICL7650是Intersil公司利用動態(tài)校零技術和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、失調小、增益高、共模抑制能力強、響應快、漂 移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點，所以常常被用在熱電偶，電阻應變電橋,電荷傳 感器等測量微弱信號的前置中.而且在放大電路中不用考慮調零和頻率問題。使 用方便。還有ICL7650利用動態(tài)校零技術消除了 CMOS器件固有的失調和漂移， 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。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：低通濾波與帶阻結合設計任務要求15Hz波段通過，50HZ頻率衰減大于40Db，所以可以用一 個二階低通濾波器來濾除大于5HZ的波段，用一個帶阻濾波器來專門濾除50HZ 的頻率，這樣就能實現(xiàn)設計要求。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)過兩級RC低通電路以后，在接到集成運放的輸入端， 在高頻段，對數(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。而且通過對其中R的適當調節(jié)可以同時達到設計要求，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放大電路實現(xiàn)電壓的放大倍數(shù)，通過改變數(shù)字電位器的數(shù)值來實現(xiàn)電 壓的各放大倍數(shù)。用一片芯片來達到放大1，2, 5, 10，20倍還可以，但是要放 大50，100倍的話，芯片的精度會不太夠。方案二:用二級放大電路采用兩級級聯(lián)同相比例運算電路。兩個CON2接口分別連接兩個數(shù)字電位 器。前級放大電路的電壓放大倍數(shù)為Auf1=1+RF1/R6后級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。而通過兩級放大電路

6、的配 合調節(jié)使每級的最大放大倍數(shù)為10。這樣既保證了對電壓放大100的要求，又 能保證放大芯片的精度，達到更好的準確度。兩級放大電路圖如圖3。J3J4ON2CON2R61KR81KOUT1R5680C6 0.1 uF-VCCC50時 r 3 4 5 6 r-U3.C114.c213.NC12.-INPUTV+.+INPUOUT.NC30 J3J4ON2CON2R61KR81KOUT1R5680C6 0.1 uF-VCCC50時 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3：兩級放大電路3.3濾波與放大的順序濾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)過后面的放大電路之后一些前面濾過的小的干擾波又會被 放大，對輸出電壓有干擾。所以我們選擇把濾波放在兩級放大之后，這樣既能使 放大電路滿，又能對輸出勃起到濾波作用，使輸出電壓更穩(wěn)定。原理設計及理論分析系統(tǒng)流程圖如下：差 分 電 路濾波電路鍵盤數(shù)字電位器

8、控制端級放大電路二級放大電路濾波電路鍵盤數(shù)字電位器控制端級放大電路二級放大電路反相比例電路4. 1硬件模塊說明整個系統(tǒng)由五部分組成：差分比例運算電路，兩級放大電路，反相比例運算 電路，二階低通濾波電路和單片機顯示與控制。除上面介紹過的兩級放大電路和 濾波電路外，其余具體設計如下：4. 1.1差分比例運算電路電路圖如圖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，輸入電阻應大于100K，差分輸入電阻Rif=2R1故R10應大于50K。該設計中選用100K。此部分要求很高的對稱性， 以避免不必要的誤差。4. 1.2反相比例運算電路電路圖如圖6：C3t=C340.1uF 01LFC3t=C340.1uF 01LFT980.1uF -VCC TLC7650OUTRES2圖6:反相比例運算電路因后面所用到的芯片TLC2543對其輸入信號有極性要求，而差分環(huán)節(jié)后， 電流信號反相，需將其轉換過來。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的范圍內又不致下降太多，從而有利于改善 濾波。當f f0時電路進行基本放大。當ff0

11、時對數(shù)幅頻特性以-40 dB /十倍頻 的速度下降，對數(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由于二階低通濾波電路的通帶截止頻率f0=1/2n RC，本設計要求f0=5Hz， 且在f=50Hz時衰減大于40 dB，該設計選擇R=56K, C=1 p F。當Q=1時，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，同時還可以避免在f=fo 處幅頻特性產(chǎn)生一個較大的凸峰，因此 濾波效果較好。4.2軟件說明4. 2.1數(shù)字電位器與單片機的接口圖如圖7圖7:數(shù)字電位器與單片機的接口圖數(shù)字電位器連接數(shù)字和模擬部分，它如果直接與單片機相連，會在同一個

12、器 件上既有模擬又有數(shù)字，使它本身工作受到干擾，同時也會給單片機的工作帶來 影響。在此，我們選擇在單片機和數(shù)字電位器之間加上光耦，從而起到隔離和保 護的作用。4.2.2鍵盤控制系統(tǒng)鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型按鈕開關，平時（常態(tài)）鍵的兩個 觸電處于短開狀態(tài)，按下鍵時它們才閉合（短路）。鍵盤分獨立式鍵盤與行列式 鍵盤兩種。綜合題目對該要求不是太高的特點，我們選擇了較為簡單的獨立式鍵 盤進行操作。獨立式按鍵是各按鍵相互獨立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，各按鍵的狀態(tài)互不影 響，同時電路采用了中斷方式讀取鍵值。因為89C51系列單片機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)測試與分析(1)題目要求帶寬限制在0-5HZ，對頻率為50HZ的信號衰減應大于40dB, 因此在濾波環(huán)節(jié)(圖2)需選擇合適的元器件.該設計中，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5HZ時,輸入電壓與輸出電壓應接近相等;輸入信號為50HZ時衰減應大于100.從表一參數(shù)中

14、可以看出，當RF取56K時,可以滿足設計要求.(2)電壓表測試濾波環(huán)節(jié)中對不同頻率輸入信號的電壓測試如表一表二測試頻率(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)完成衰減過程,并且在輸入信號為5HZ時,輸入電壓與輸出電壓應接近相等;輸入信號為50HZ時衰減大于100.完成設計要求.（3）調節(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對輸入頻率為1-5HZ的信號進行1-100放大作用.通過鍵盤實現(xiàn)該范圍內任 意電阻的設置，從而改變放大倍數(shù).由表三中所測數(shù)值可以看出，給部分滿足要求.測試性能總結測試結果表明，該設計原理正確，綜合測試儀的指標基本達到賽題要求。差分 比例電路使輸入電阻提高到200K;兩級放大精確完成1-100放大要求;二階低通濾 波電路實現(xiàn)0-5HZ帶寬要求，并在50HZ時衰減大于100;通過單片機相連A/D轉 換器2543和LED液晶顯示屏相連，實現(xiàn)控制,數(shù)/模轉換和顯示功能.附錄附錄一:測試儀器測試所用儀器設備如表四表四序號儀器數(shù)量制造商1高精度直流電壓表1泰克科技（中國）有限公司2雙蹤數(shù)字示波1泰克科技（中國）有限公司3交流毫伏表1泰克科技（中國）有限公司4信號發(fā)生器1泰克科技（中國）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-