程控高增益选频放大器设计.doc

程控高增益选频放大器设计 作者：陈磊 王艳 王韦华 指导教师：王立校程控高增益选频放大器设计摘要：本设计是制作一个高增益的选频放大器。它由三个基本模块构成，放大电路模块，滤波电路模块和单片机控制显示模块。放大器的增益80dB-100dB可调，中心频率范围在1.3KHZ-3.1KHZ。89C51单片机除了可以控制和显示外还可以实时输出增益和频率。程序可以减小增益和频率步进并且增加调整的精确度。关键词：放大器（OP27），滤波网络，单片机控制Abstract: This design of circuit is composed by three modules: A prime amplifier (OP27), and MCU display and control module. The gain of the amplifier can be adjusting between 80dB-100dB. Central frequency is between 1.3KHZ-3.1KHZ. The MCS51s display and control module not only can control the gain but also can output the gain and frequency in real-time. Programming can reduce gain step and enhance adjusting accuracy.Key words: amplifier (OP27), net of , control of MCS51目录1系统设计 411设计要求 4111设计任务 4112技术要求 412总体设计方案 41.2.1设计思路 41.2.2方案论证与比较 41.2.3 系统组成框图 52单元电路设计 621电源电路 622 放大电路 623 滤波电路 72. 4 单片机控制电路 83软件设计 84系统测试 95结论 10参考文献 10附录 11 1系统设计1.1.1设计任务1.设计一个程控高增益选频放大器。2.自制一个幅度按指数规律衰减的正弦波信号源。1.1.2设计要求1.基本要求(1)增益：80dB100dB程控，调整步长：6dB(2)中心频率调整范围：1.3KHz3.1 KHz(3)中心频率调整步长：不大于50Hz(4)通频带宽度：不大于100 Hz(5)增益与中心频率程控方法：键盘输入增益（dB）与中心频率（Hz），同时显示之。2.发挥部分(1)增益：有较大改进(大于10dB)(2)中心频率调整步长：1Hz(3)自制信号源衰减正弦波如下图所示：正弦波频率1KHz4 KHz可调；调整步长1Hz；初始相位为零；幅度按指数规律衰减；手动触发一次发出一个衰减正弦波；衰减到初始幅度的10%需延续时间100ms1000 ms。（4）注意电磁兼容。（5）其它。1.2总体设计方案1.2.1设计思路 题目要求设计一个高增益的选频放大器，同时制作一个衰减型的正弦波信号源。本设计中先对输入的正弦波进行滤波，然后经过三级放大器（由OP27构成）将信号放大80dB-100dB，输出的结果由电压表显示，同时由单片机控制增益和频率的步进，显示相应的步进值。1.2.2方案论证与比较1.电源方案选择系统须要多个电源，运算放大器使用+12V，-12V稳压电源，单片机须5V稳压电源。 方案一：采用升压弄稳压电路。再用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压进行直流斩波调压，得到5V和12V的稳压输出。只须使用两节电池，既省了电池，又减小了系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法使用相对庞大的系统稳定工作。 方案二：采用三端稳压集成7805，7905,7812，与7912分别得到5V，-5V,12V，-12V的稳定电压。得用该方法方便简单，工作稳定可靠。 综上所述，选择方案二，采用三端稳压器电路。2.放大器电路设计与选择 由于电压增益要求为80dB-100dB，须采用多级放大电路来达到要求，各级电路均采用集成运放设计，且增益分配要均衡。输入阻阬，共模抑制比和噪声均取决于前置级，因此，前置级放大电路的设计至关重要。 方案一：由一个运放构成的简单的同相比例放大器，但是同相比例放大器不能满足共模抑制比。 放案二：采用四运放构成仪用放大器，不但可以满足共模抑制比要求，还可以通过改变最后一级放大器的反馈电阻来实现电压增益的步进。电路稳定性能好于一级的同相比例放大器。 综上所述，采用四级运放实现电压的放大。3.滤波电路设计与选择方案一：采用无源滤波器。可直接采用RC构成带通滤波网络，RC电路可以做到体积小和廉价，但其上半周内电容C中积蓄的能量到下半周就会被电阻R消耗掉一半，因此单纯的RC电路Q值不会大于0.5，选择性差，效果同样不佳。 方案二：采用有源滤波器。有源滤波器则是用有源器件不断补充由R造成的损耗，因而等效能耗极小，也就提高了电路的Q值，改善了选择性，并且，有源滤波器还具有无源滤波器无法做到的信号放大功能；其电路Q值的提高不受电感Q值的限制，输入输出阻抗很容易匹配。有源滤波器的缺点是：由于采用有源器件，须采用电源；功耗较大；由于受有源器件有限带宽的限制，一般不能用于高频场合；受元件容差漂移影响较大，相对来讲灵敏度高。 本设计中要求频率范围为1.3KHZ3.1KHZ，因此采用有源滤波网络。4.增益与频率步进 本设计中我们采用单片机控制多路数字开关来实现增益与频率的步进，每路开关接通不同的R，因此每改变一路通道就可改变不同的增益和中心频率。1. 2. 3 系统组成框图带通滤波器放大电路电压表单片机显示输入 控制 图1.1 系统组成框图 输入信号经过放大电路进行放大，输出的放大信号经过带通滤波器选频后由电压表显示有效值。同时由单片机控制放大电路放大倍数和带通滤波器的中心频率。增益和中心频率的步进由键盘输入并由单片机直接显示。 2. 单元电路设计2.1 电源电路 电源电路如图2.1所示，由于运放的工作电压是+12V和-12V，而单片机的供电电压为+5V，因此采用LM7805，LM7812，LM7912，接成下图的电路就可将电压稳定在+5V，+12V，-12V。芯片的输入输出端与地这间连接大容量的滤波电容，靠近芯片的输入引脚加小容量高频电容以抑制芯片的自激，输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声。 图2.1 电源电路 2.2 放大电路本设计要求增益放大为80dB100dB，因此采用三级放运放来实现图2.2 放大电路 OP27A，B，C，D，E，F 及相应的电阻构成前置仪用放大器。OP27A和OP27B构成第一级差分放大，放大倍数为52倍，OP27C为第二级放大，放大倍数设为可调，在实际电路中改变二级放大的反馈电阻来实现增益的步进。OP27D为第三级放大，放大倍数为3倍.2.3 滤波电路 图2.3 二阶压控型电压源带通滤波器 上图中由R、C构成低通网络，R3、C1构成高通网络，两者串联就组成了带通滤波电路。为了计算简便，设R2=R，R3=2R，则由KLC列出方程，可导出带通滤波电路的传导函数为 AVFsCRA(s)= 1+(3-AVF)CR+(sCR)2 式中AVF=1+Rf/R1为同相比例放大器的电压增益，要求AVF3，电路才能稳定工作。令 AVFA0= O=1/(RC) Q=1/(3-AVF) 3-AVF SA0 Q0A(S)= S S 1+ + 2 QO 0 上式为二阶带通滤波电路传递函数的典型表达式，其中O=1/(RC) ，既是特征角频率，也是带通滤波电路的中心角频率。2.4 单片机控制电路1 单片机控制频率步进电路 由单片机的P1口控制五片数字开关的片选和通道选择，每路通道接不同的R值，当选中其中一路通道时就可以确定不同的中心频率，因此可以通过软件编程来实现频率的步进。 图2.4 单片机控制频率步进电路2.单片机控制增益步进电路 由P3口的低三位控制多路数字开关的片选和位选，通过改变放大器两端的反馈电阻改变 图2.5 单片机控制增益步进电路3. 软件设计 软件设计的关键是单片机对数字开关的控制。软件实现的功能是：（1）设定频率间隔，即确定调频步进。（2）设定增益间隔。（3）显示增益和中心频率初始化 开始有键按下？K1K2 K3K4A=861.3K-2.05K2.1K-2.35K2.9K-3.05KA=A+6A=100？显示返回 N Y Y N 图3.1 软件流程图4. 系统测试100dB档 输入电压0.0001V Fo(HZ)输入信号(hz)1300140015001600170019002000100011.5 8.57.37.1 7.15.16.820008.510.59.8 11.2 10.910.610.250003.25.46.2 6.0 5.84.14.223002400250026002700280029003000310010006.26.76.13.45.55.65.86.23.1200010.19.78.67.16.95.75.65.44.330004.75.23.13.33.44.24.34.65.35. 结论 本系统以放大电路为核心，利用单片机控制完成了小信号的放大（80 dB-100dB）和滤波，并能通过软件实现中心频率和增益的步进。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程灵活的特点，来满足系统设计的要求。因为时间有限，系统还有很多须要改进的地方：放大电路只能放大一定范围内的小信号;滤波电路也有一定的误差；由于我们所做的单片机小系统有限，在显示方面还有欠缺。 在本次设计过程中，遇到了许多突发事件和各种困难，但通过仔细分析和自我状态调整后解决了问题。在这个过程中我们刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。参考文献1 李华，孙晓民，李红青，徐平，张新宇。MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，2003年，第1版2 王彦，陈文光，朱卫华。全国大学生电子设计竞赛训练教程，电子工业出版社，2005年第3版3 全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编，北京理工大学出版社，2005年第1版4 何希才，邹炳强。通用电子电路应用400例，电子工业出版社，2005年第2版5 赵茂泰。智能仪器原理及其应用（第二版），电子工业出版社，2005年第三版6 谢嘉奎。电子线路（线性部分），高等教育出版社，1999年六月第四版7 康光华。电子技术基础（模拟部分），高等教育出版社，1999年第四版附录 程序清单MOV P2,AMOV 78H,#01HMOV 79H,#20HMOV 7AH,#12HMOV 7BH,#25HMOV 7CH,#21HMOV 7DH,#13HMOV P1,#01HMOV 50H,#00HMOV 51H,#56HWW:ACALL DIR MOV A,P2 JNB ACC.7,K1 JNB ACC.6,K2 JNB ACC.5,K3 JNB ACC.4,K4 AJMP WWK1:AJMP PROM1K2:LJMP PROM2K3:AJMP PROM3K4:AJMP PROM4PROM1:ACALL DELAY1 ACALL DELAY1 MOV A,78H MOV 70H,#0H MOV 71H,A INC A CJNE A,#06H,AAA MOV 78H,#01HAAA1: MOV A,79H MOV P1,A INC A CJNE A,#25H,BBB MOV 79H,#20H BBB1:AJMP WWPROM2:ACALL DELAY1 ACALL DELAY1MOV A,7AH ANL A,#0F0H SWAP A MOV 70H,A MOV A,7AH ANL A,#0FH MOV 71H,A MOV A,7AH INC A CJNE A,#1BH,CCC MOV 7AH,#12HCCC1:MOV A,7BH JNB ACC.4,CCC2 MOV P1,A INC A CJNE A,#13H,CCC6 MOV 7BH,#25H;CCC5:MOV A,7BH ; 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