《程控报告》word版.doc

基于8031单片机的程控放大器摘要程控放大器是指可以通过软件改变增益的放大器，它与ADC相配合，可以自动适应大范围变化的模拟信号电平，因此程控放大器越来越多地应用在自动控制系统、智能化仪器仪表中。本设计以8031单片机为核心，通过数模转换器DAC0832与运算放大器的配合，实现了增益可控的放大器的设计。放大器的增益可通过单片机系统的键盘输入来进行人为控制，具有电路简单、增益可调等特点。关键字：程控放大 AD/DA转换 8031单片机目录1. 题目分析1.1 功能及主要技术指标1.2 直流稳压电源的设计要求2. 方案论证2.1 总体方案2.2 方案设计2.3 方案论证与比较3. 硬件设计3.1 单元电路分析3.1.1 降压电路3.1.2 整流电路3.1.3 滤波电路3.1.4 稳压部分3.2 元件电路参数计算4.数据分析及性能指标4.1安装与调试4.2、性能测试与分析4.3测试方法4.4测试数据4.5分析及结论5.参考文献5.1专著5.2国际国家标准6.附录6.1 元件明细表6.2 仪器设备清单6.3 系统原理图6.4 PCB图1. 题目分析1.1 设计任务及要求经过充分讨论和分析后，将原题的任务、基本要求整理如下： 根据任务，要设计一个增益可调的程控放大器。根据要求，该放大器应具有如下技术指标：（1）设计一个可编程增益放大；（2）增益可调，调节范围1100，步进为1；（3）输入阻抗200k，输入电平1100mV；（4）输入阻抗600，输出电平可调；（5）频率范围 20Hz100Hz。1.2直流稳压电源的设计要求设计指标：（1）设计一个可编程增益放大；（2）增益可调，调节范围1100，步进为1；（3）输入阻抗200k，输入电平1100mV；（4）输入阻抗600，输出电平可调；（5）频率范围 20Hz100Hz。2. 方案论证2.1总体方案 本系统由键盘、显示器及其驱动电路、控制电路和放大电路组成。可通过键盘设置增益，显示器显示当前的增益，即实现人机交互。 系统的组成框图如图1所示： 键 盘控 制 电 路输出信号放大电路输入信号显 示 图1 系统组成框图2.2方案设计程控放大功能可采用诸多方式完成。几种主流方案如下：方案一： 基本的电压放大器基本的电压放大器可由运算放大器构成，其增益由反馈电阻与输入电阻之间的比例确定。基于此原理，可通过程控改变基本运算放大器放大电路中的反馈电阻大小来改变增益。最为直观的解决方案是由模拟开关选择多路不同阻值的电阻，使相应电阻接入反馈回路中，已达到反馈电阻的变化。单片机可控制模拟开关的选通，从而达到程控放大的目的。如图一所示。图一 直接由运放构成的程控增益方案二：采用压控放大器。AD603是一款较为理想的压控放大器，具有低噪声、精密控制的可变增益放大器，外围电路简单，温度稳定性高。单片AD603的增益变换范围被限制在40dB，若想增大该范围只需级联多片芯片，并配合合适的级间耦合电路即可。如图二所示。图二 AD603管脚功能图方案：三在方案一的基础上进行改进，可利用数模转换器内部所具有的电阻网络作为反馈电阻。电流输出型DA芯片的参考电压引脚和电流输出引脚之间等效于一个数控的电阻网络，该网络较为精准和易于控制。采用该种方案的程控放大器，增益的细分程度取决于DA转换器的精度（即位数）。如图三所示。图三 D/ A0832 构成的程控增益2.3 方案论证与比较方案一：该方案明显的缺点是增益的变化是非连续的，若要使各级增益更为细化无疑要有庞大的电阻数量和较多的模拟开关。而且模拟开关的导通电阻将会使放大器增益的精度降低，当反馈电阻较小时该影响尤为强烈。方案二：AD603是一款较为理想的压控放大器，具有低噪声、精密控制的可变增益放大器，外围电路简单，温度稳定性高。单片AD603的增益变换范围被限制在40dB，若想增大该范围只需级联多片芯片，并配合合适的级间耦合电路即可。该方案简单易行，实现效果好，但需级联，配合合适的级间耦合电路复杂。方案三：该方案简化了电路的实现，提高了放大器的精度，但为增益非连续的放大器，对于增益精度要求不高的应用也适用。综合考虑，对于本设计的要求，采用方案三来实现。3. 硬件设计系统硬件 （一）程控放大电路程控增益放大电路可由集成运放，数模转换器和单片机构成。本系统选用P8031单片机作为控制器。P8031单片机是一种高效微控制器，芯片中集成了一个多功能位CPU和32字节外扩可编程可擦除只读存储器。选用DAC0832作为数模转换器。DAC0832是8位高分辨率电流输出型转换器，输入信号电平与电平兼容。0832的输入寄存器由位和位两个寄存器构成。0832共有8根数据线，可直接与位总线的相连，也可以与位数据总线的连接。DAC0832与位数据总线的连接方案是与数据总线相连，而接到数据总线的高四位上。集成运放选择宽带集成运算放大器ADC0809。（二）键盘和显示电路82C79是一款专用的键盘、显示器接口芯片，该芯片能自动完成对显示的刷新，同时还可以对键盘自动扫描，识别闭合键的键号，它具有可同时键盘扫描和显示和消除抖动等特点。通过82C79可以实现键盘扫描和的动态显示功能。3.1 单元电路分析3.1.1 仪用放大器仪用放大电路仪用放大电路如图所示。仪用放大电路如图所示。它是由运算放大器A1、A2 按同乡输入接法组成第一级差分放大电路，运算放大器A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，v1、v2分别加到A1、A2 的同相端，R1和两个R2 组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放A1、A2 的两输入端形成虚短和虚断，因而有U=和故得 故有 于是电路的电压增益为在仪用放大器中，通常R2、R3 和R4为给定值，R1用可变电阻代替，调节R1的值，即可改变电压增益Av的值。 图6 仿真一：仪用放大器的基本特性 （1）要求：电源：10mV 60Hz 可调反馈电阻选为20K。 （2）仿真波形图：上图所示为仪用放大器的输出波形仿真：其中绿线为输入波形，红线为最终输出波形（为第三个放大器的输出）。满足增益为Av=8。上图所示为通用放大器的输出波形仿真：其中绿线为输入波形，红线为其输出波形（为第一个放大器的输出）。满足增益为Av=2.5。3.1.2 程控电路在DAC 的电路中含有电阻网络和数码控制的模拟开关,一种利用该电路构成的PGA 如图3 所示. 图中,将DAC 的输出直接与参考电压端V REF相连,从运放的反相端输入,即构成这种用DAC 的电阻网络作为模拟开关控制的可变反馈电阻的PGA 电路。利用DAC 原理分析知道,流入到运放反相输入端的电流分别为I1和V i/ R1 ,其中 I1 = VREFNB/(2nR) （1）又有: I1 + Vi/Ri = 0 （2）由(1) (2) 式,得: AV = V0/Vi = - R2 n/( RiNB ) （3）其中:NB = Dn-12n - 1 + Dn-22n - 2 + D222 + D121 + D020Dn - 1 、Dn - 2 、D2 、D1 为输入的数字控制信号. 由(3) 式可见,改变输入的数字量D0 ,即可达到程控增益的目的。第二种由DAC 构成的PGA 如图4 ,将Vi 直接接在VREF端,它相当于以T 型电阻网络作电阻R . 由于Vi =VREF将它代入(1) 式,有: I1 = ViNB/(2nR) （4）此处又有: I1 = - Vo/Rf （5）由(4) (5) 式,得: AV = - Rf NB /( R2n) (6)图3 DAC 构成的第一种PGA 原理图由(6) 式可见,改变输入的数字量,同样可达到改变增益的目的. 与(3) 式相比,两种电路可实现不同的增益范围。当R = Ri = Rf 时,若采用8 位的DAC 按图3 构成的第一种PGA 可实现的增益范围为- 256 - 1 ,图4 可实现的增益范围为: - 1/ 2561。 当然,改变电阻图(3) (4) 中的Ri 、Rf 的也可改变两种电路的增益范围。图4 DAC 构成的第二种PGA 原理图本设计采用DAC0832作为程控放大器。其电压放大倍数由CPU通过程序设定。图所示为用作程控电压放大器的DAC接线。由图可见，需要放大的电压ui和反馈输入端Rfb相接，运算放大器输出uo还作为DAC的基准电压Vref,数字量由CPU送来，如图所示。DAC0832内部Io一边和T形电阻网络相连，另一边又通过内部反馈电阻Rfb和ui相同，故可得到DAC的输出和输入之间的关系：选R=Rfb则上式变为 上式中的256/B看做放大倍数。但输入的数字量B不得为0，否则放大倍数为无限大，此时放大器处于饱和状态。3.1.3 滤波电路作用：对整流电路输出的脉动直流进行平滑，使之成为含交变成份很小的直流电压。说明：滤波电路实际上是一个低通滤波器，截止频率低于整流输出电压的基波频率。电路形式：电容滤波、电感滤波、 L型滤波电路、p型滤波电路。本设计采用电容滤波电路。 尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。滤波通常是采用电容或电感的能量存储作用来实现的常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、倒L型滤波、p型滤波等几种。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种，其特点是结构简单，效果较好。 (1)电路组成： 桥式整流、电容滤波电路如图九所示:图九 电容滤波的原理： 电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。(2)工作原理： 负载未接入（开关S断开）时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当V2为正半周时， V2通过D1、 D3向电容C充电； V2为负半周时，经D2、 D4向电容C充电。充电时间常数为：tC=RintC。其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压V2的最大值V2 ，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C两端的电压)保持在V2不变。 接入负载RL（开关S合上）时：设变压器副边电压V2从0开始上升时接入RL，由于电容已到V2 ，故刚接入负载时， V2 VC，二极管在反向电压作用下而截止，电容C经RL放电，放电时间常数为：td=RLC。因td一般较大，故电容两端电压Vc(即Vo)按指数规律慢下降（图中a,b段）。 当V2升至V2VC时，二极管D1、 D3在正向电压作用下而导通，此时V2经D1、 D3一方面向RL提供电流，一方面向C充电（接入RL后充电时间常数变为C=RL/RintCRintC ）。VC将如图中b、 c段所示。当V2又降至V2VC时，二极管又截止，电容C又向RL放电，如图中c 、d段所示.电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压Vo = VC ，由此可见输出电压的波动大大减小。为了得到平滑的负载电压，一般取d=RLC(35)T/2 (T为交流电周期20ms) 此时：Vo = (1.11.2) V2。 仿真三：电容滤波1、要求：电容1000F 1只2、仿真电路：(3)电容滤波的特点 a、RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成份越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的输出电压，一般取：RLC（35）T/2(T交流电源电压周期)b、RL越小，输出电压越小。当C一定时， RL时，即空载： ULO=1.4U2当C=0时，即无电容时：ULO=0.9U2一般情况下，ULO=（1.11.2)U2c、电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。 因整流部分选择了桥式整流电路，滤波部分选择电容滤波与桥式整流结合使用，即可达到设计要求。3.1.4 稳压部分本设计采用三端集成稳压器稳压。(1) 集成稳压器的特点：随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。(2) 集成稳压器是将调整电路、取样电路、基准电路、启动电路及保护电路集成在一块硅片上构成的芯片。它完整的功能体系、健全的保护电路、安全可靠的工作性能，给稳压电源的制作带来了极大的方便。集成电路稳压器的型号很多，按单片的引出端子分类，有三端固定式、三端可调式、和多端可调式等。三端集成稳压器只有三个端子，安装和使用都很方便。在实际上工作中，可根据不同的需要，选取符合要求的MC7815BT、UPC7915、MC7805BT、UPC7905、LM317LM系列产品。电路组成如图十所示。图中C1可以防止由于输入引线较长时产生的电感而引起的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3是容量较大的电解电容，主要用来进一步减小输出脉动和低频干扰。图十 三端集成稳压器的典型接法 (2) 扩压、扩流和可调电路如果需要输出电压高于三端稳压器输出电压时，可采用图十一所示电路。 图十一提高输出电压接线图 通过调整R2可得所需电压,但它的可调范围小。当负载电流大于三端稳压器输出电流时，可采用图十二所示电路。图十二 提高输出电流接线图 由于；且 很小，可忽略不计，所以 （其中） 式中R为V提供偏置电压，UBE由三极管决定，锗管为V，硅管为V。要得到可调的输出电压，可采用图示的电路。其输出电压表达式如式（1）所示。 (3)具有正、负电压输出的稳压电源如上图所示，由图可知，电源变压器带有中心抽头并接地，输出端得到大小相等、极性相反的电压。 三端可调式集成稳压器典型应用电路如图十三所示。图十三 CW317和CW337典型应用电路为了使电路正常工作，一般输出电流不小于5mA。输入电压范围在240V之间，输出电压可在1.2537V之间调整。负载电流可达1.5A，由于调整端的输出电流非常小（50A）且恒定，故可将其忽略，那么输出电压可用下式表示： 式中，1.25V 是集成稳压器输出端与调整端之间的固定参考电压UREF；R1取值120240（此值保证稳压器在空载时也能正常工作），调节RP可改变输出电压的大小（RP取值视RL和输出电压的大小而确定）。综合比较而言稳压电路部分选择具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉，稳压内部含有过流、过热保护电路等优点三端集成稳压（CW317）电路。3.2 元件电路参数计算 （一） 根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。 因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为6V13V，最大输出电流 为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。选集成稳压器，确定电路形式选可调式三端稳压器CW317，其特性参数Vo=1.2V37V，Iomax=1.5A，最小输入、输出压差(Vi-Vo)min=3V，最大输入、输出压差(Vi-Vo)max=40V。由计算得Vo1.25(1+RP1/R1)，取R1=240 ，则RPlmin=48 ，RPlmax=912，故取RP1为2.7k 的精密线绕可调电位器。 （二） 选电源变压器 由计算可得输入电压Vi的范围为 Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max6V+3VVi1.5V+40V 9VVi41.5V副边电压V2Vimin/1.1=9/1.1V，取V2=9V，副边电流I2Iomax=0.3A，取I2=0.5A，则变压器副边输出功率P2I2V2=4.5W。 变压器的效率 =0.6，则原边输入功率P1P2/=7.5W。为留有余地，选功率为10W的电源变压器。（三） 选整流二极管及滤波电容 整流二极管耐压VDVOM= V2 IDIOmax =0.3A为了焊接便利，选择整流桥KBPC610 (1000V 6.0A )作为整流部分。滤波电容: 为了留有余地，取2200uF/50V作滤波电容。（四）保护管VD1,VD2集成稳压器如果离滤波电容C1较远,应在靠近317输入端接0.33微法旁路电容C2.接在调整端和地之间的电容C3用来旁路电位器两端的纹波电压.当C3容量为10微法时,纹波抑制比可提高20DB,减小到原来的十分之一.另一方面,由于C3的接入,一旦输入或输出端发生短路,C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器.故在R1两端并接二极管VD2。在没有容性负载的情况下,稳压器可以稳定地工作,但当输出端有500-5000PF的容性负载时,容易发生自激.为抑制自激,在输出端接一只1微法的钽电容或25微法的铝电解电容C4,它还可以发送电源的瞬态响应.但当输入端发生短路时,C4中储存的电荷将对稳压器输出端放电,放电电流可能损坏稳压器.故在稳压器两端并接保护二极管VD2。VD1和VD2都选用IN4002 额定电流1A，最大反向电压100V。 仿真四：输出波形1. 15V端输出波形仿真2. 5V端口输出波形仿真3. 1-30V可调端输出波形仿真4. 数据分析及性能指标4.1安装与调试(1)根据图十四所示电路绘制出装配电路图，标清楚各元件的位置。 图十四可调输出三端集成稳压器应用电路(2) 根据图十四所示电路列出元件清单，备好元件，检查各元件的好坏。(3)正确识读CW317的引脚，根据装配图完成可调输出的三端集成稳压器组成的稳压电源安装。(4) 焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试，需要设计一些临时电路用于调试。(5) 测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏。(6) 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。(7) 调节电位器RP，测量输出电压的变化范围是否在1 V30V之间。若不是，分析原因，找出故障，排除之。4.2、性能测试与分析 测试要求 测试并记录电路中各环节的输出波形。 测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。 测量输出电阻Ro。 测量稳压系数。 用改变输入交流电压的方法，模拟Ui的变化，测出对应的输出直流电压的变化，则可算出稳压系数SV. （注意： 用调压器使220V交流改变10。即Ui=44V） 用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波形。 分析测量结果，并讨论提出改进意见。 此电路的误差分析 综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有: 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差; 电流表内阻串入回路造成的误差; 测得纹波电压时示波器造成的误差; 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差; 可以通过以下的方法去改进此电路: 减小接触点的微小电阻; 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正; 测得纹波时示波器采用手动同步; 采用更高精确度的仪器去检测;