自动增益放大器毕业设计.doc

自动增益放大器毕业设计目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1自动增益控制的原理11.2自动增益控制放大器设计内容2第2章 方案设计32.1概述32.2系统方案论证与选择32.2.1可控增益电路32.2.2滤波电路模块论证与选择32.2.3峰值检波模块论证与选择42.2.4显示模块42.3系统总体方案设计42.4 本章小结5第3章 电路设计及参数计算63.1概述63.2可控增益电路63.3功率放大电路63.4滤波电路73.5峰值检波电路73.6麦克风信号采集电路83.7 LCD1602显示和键盘模块93.8 单片机控制电路93.9 本章小结10第4章 程序设计114.1主程序流程图114.2各模块程序流程图134.2.1键盘程序流程图134.2.2噪声采样程序流程图144.2.3反馈程序流程图154.3 本章小结15第5章 测试方案与测试结果165.1测试方法与仪器165.1.1测试方法165.1.2测试仪器165.2测试数据与结果165.3功能测试总表175.4 数据分析与结论18总结与展望19参考文献20致 谢21附录A 总电路图22附录B 总程序图2341自动增益控制放大器第1章 绪论1.1自动增益控制的原理自动增益控制电路已广泛用于各种接收机、录音机和信号采集系统中，另外在光纤通信、微波通信、卫星通信等通信系统以及雷达、广播电视系统中也得到了广泛的应用。随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术等行业的迅速发展，自动增益控制电路越来越被人们熟知并且广泛的应用到各个领域当中。自动增益控制线路，简称AGC线路，A是AUTO（自动），G是GAIN（增益），C是CONTROL（控制）。AGC环是闭环电路,是一个负反馈系统,一般来说分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分.增益受控放大电路,其增益随控制电压而改变.控制电压形成电路的基本部件是 AGC 检波器和低通平滑滤波器,有时也包含门电路和直流放大器等部件.放大电路的输出信号U0 经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后,产生用以控制增益受控放大器的电压Uc .当输入信号Ui增大时,U0和Uc亦随之增大,Uc 增大使放大电路的增益下降,从而使输出信号的变化量显着小于输入信号的变化量,达到自动增益控制的目的。AGC电路目前概括起来有模拟AGC和数字AGC电路。AGC环路可以放在模拟与数字电路之间，增益控制算法在数字部分来实现，合适的增益设置反馈给模拟可变增益放大器（VGA）。现在出现的自动增益控制方法可以分为以下3类：基于电路反馈的自动增益控制；基于光路反馈的自动增益控制；光路反馈和电路反馈相结合的自动增益控制。本次设计中要研究的是基于电路反馈的利用放大器实现的自动增益控制。目前,实现自动增益控制的手段很多,典型的有压控放大器,也就是本次设计所要研究的自动增益控制放大器。它是通过调整放大器一个控制端的电压,就可以实现调节这个放大器的增益。因此,我们就可以通过反馈电路采集输出端的电压,通过调整网络后加到放大器的控制端.就可以实现自动增益控制。1.2自动增益控制放大器设计内容本设计中采用的芯片有VCA822程控放大芯片实现自动增益。放大器可以从MP3或信号源输入音频（100Hz10kHz）信号，可以带600负载或驱动8喇叭（25W）。当输入信号幅度在10mV5V间变化时，放大器输出默认值保持在2V0.2V内，能够显示输入信号幅度大小及频率高低。并且能够在1V3V范围内步进式调节放大器输出幅度，步距0.2V。第2章 方案设计2.1概述通过MSP430单片机对各个信号的采集、处理来调控外部增益控制放大电路的放大倍数，从而调节音响的音量，音频信号强时自动减小放大器的倍数，信号弱时自动增大放大器的倍数。可控增益放大电路的输出信号经过滤波，峰值检波，单片机经过A/D转换进而采集到音响的电压信号。2.2系统方案论证与选择为了更好地实现各模块的功能，分别设计了几种方案进行比较，选择一种比较好的方案。2.2.1可控增益电路方案一：采用AD603来实现自动增益控制，AD603是低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系。并且通过两级放大器的级联使增益控制范围增宽。方案二：采用VCA822来实现自动增益控制，芯片 VCA822作为核心器件，宽带、电压控制增益可变放大器，最高频率达 150 MHz，实现将 20mVpp2Vpp范围内的正弦波、 三角波和方波信号转换为一稳定的输出，输出能力达到5Vpp，并且在 05V 范围内实现数控， 其中包括细调 100 级以0.05V 步进、 粗调10级以 0.5V 步进。方案选定：由于输入信号幅度在10mV5V间变化，而AD603的信号输入范围较小，需要两片级联，增加了系统的复杂度，VCA822芯片信号输入范围更适合这一要求，故选用芯片VCA822。2.2.2滤波电路模块论证与选择方案一：滤波电路采用由LM358和RC电路组成，以获得更稳定的电压，提高环路稳定性及改善环路跟踪性能和噪声性能，且LM358的工作电压为+12V。方案二：采用双电源集成UA741芯片制作带通滤波电路，该电路能提供很好的精度，无频率补偿要求，低功耗。方案选定：由于LM358的工作电压为+12V，其功耗较大，需要频率限制故选用方案二。2.2.3峰值检波模块论证与选择方案一：采用数字检波。通过单片机MSP430采集一段时间的信号进行比较，取出最大值即为峰值。此方案硬件简单，电路调试非常方便，但是编程复杂，对于ADC采样模块的精度要求高，并且不能检测频率较高的信号。方案二：采用峰值检波电路。通过运算放大器和二极管构成峰值检波电路，该方案对硬件电路的要求较为复杂，但编程简单，并且可以检测高频，可以检测规定带宽的频率。综合以上两种方案，选择方案二。2.2.4显示模块方案一：采用数码管显示。其亮度高、体积小，编程较容易，资源占用较少。但显示的信息简单、有限，无法实现本系统中模式选择、数据显示等功能。方案二：采用液晶显示器（LCD）。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，而且显示信息丰富、拥有较好的人机界面和强大的显示功能，通过它可以显示控制方式选择及显示输出效果。 方案选定：基于功能考虑，我们采用方案二。本系统中，采用了液晶显示屏LCD1602，以显示输出电压，便于测试人员及时的控制。2.3系统总体方案设计本系统采用MSP430F169单片机作为主控芯片，外围电路包含能实现能自动增益放大的模块、信号处理转换模块。控制原理方案如图2-1所示。图2-1系统总体框图2.4 本章小结在各个模块的方案设计中，选择较好的一种，进行外围电路的设计，以取得更好的稳定的效果。第3章 电路设计及参数计算3.1概述 对各个模块选择的方案进行相对应的硬件电路的设计，以及用到的公式和参数计算，其中有自动增益电路、滤波电路、峰值检波电路以及单片机电路设计等。3.2可控增益电路该电路以TI公司提供的VCA822芯片为核心，由电压控制放大器 VCA822 工作原理可知， 对其电压放大倍数以及输出电压的控制， 其实质是能产生正确的控制电压。工作时通过键盘设定放大器的电压放大倍数或应输出的电压值， 通过显示电路实时进行显示。VCA822 是一个直接耦合、宽带、线性增益连续可调，电压控制增益放大器。最大增益由反馈电阻 R F 和增益电阻 R G 决定。电路如图3-1所示放大倍数公式 (3.20)图3-1 可控增益电路3.3功率放大电路该电路如图3-2所示，采用NE5532芯片和LA4225芯片电路组成，形成固定的功率放大器，放大倍数为20倍。图3-2 功率放大电路3.4滤波电路滤波电路如图3-3所示，该电路为有源带通滤波电路，前一部分实现两级二阶高通滤波，其截止频率为3400Hz；后一部分实现两级二阶低通滤波，其截止频率为300Hz，两部分组合从而形成通带是300Hz3400Hz的带通滤波器。其中，前一部分有两个UA741运放，每个运放上有两个RC环节，后一部分也是有两个UA741运放，每个运放上有两个RC环节。图3-3 带通滤波电路3.5峰值检波电路 峰值检测电路如图3-4所示，是一个能记忆信号峰值的电路，其输出电压的大小一直追随输入信号的峰值，并且保持在输入信号的最大峰值。图3-4 峰值检波电路3.6麦克风信号采集电路麦克风信号采集电路如图3-5所示，用来采集外部声音的干扰，采集后的微弱信号进入运算放大器进行放大，然后由单片机采样后，根据外部声音的大小改变输出信号的标准值，利用系统的自动增益控制作用改变输出信号的电平，从而达到题目要求的根据外部噪声的大小调节输出信号的功能。此电路通过LM324芯片进行两级信号放大，放大倍数分别 , （3.60）图3-5 麦克风信号采集电路3.7 LCD1602显示和键盘模块本模块通过显示信号的频率和幅值构成人机交互界面，通过按键对输出信号的幅值控制，每次步进0.2V。LCD1602显示如图3-6所示，键盘模块如图3-7所示。图3-6 LCD显示模块图3-7 按键模块3.8 单片机控制电路单片机电路如图3-8所示，P1口控制按键的数据口，P1.0P1.2口分别控制标准电压加、标准电压减和模式选择。P6口为A/D和D/A数据接口，P6.0、P6.1、P6.2为A/D数据采集口，P6.0为反馈信号电压的采集，P6.1为麦克风环境噪声的采集，P6.2为前置输出信号的采集，P6.6为D/A控制增益电压的输出电压。P58口为单片机的RST数据接口。P2.0P2.7和P6.3P6.5为LCD1602的数据输入端。 图3-8 单片机控制电路总电路图见附录A 总电路图。3.9 本章小结在各个模块中基于数电和模电以及电路分析进行电路设计，同时查询各种电路和芯片的资料进行分析，同时制作时简单电路用万用板焊接，而较复杂的电路则选用PCB板制作。第4章 程序设计在进行系统设计时，除了硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个输入信号的实际需要设计应用程序。因此，软件设计自动增益系统设计中占据非常重要。所以系软件设计更为重要。4.1主程序流程图该主程序包括了键盘模块和DAC输出子程序，按键通过外置在P1口，DAC输出程序为P6.6口输出，主流程图如图4-1所示图4-1 主程序流程图主程序：void main(void) WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD; /关闭看门狗 /*下面六行程序关闭所有的IO口*/ P1DIR = 0XFF;P1OUT = 0XFF; P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0XFF; P3DIR = 0XFF;P3OUT = 0XFF; P4DIR = 0XFF;P4OUT = 0XFF; P5DIR = 0XFF;P5OUT = 0XFF; P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0XFF; P1DIR = 0XF7; P3OUT = 0X00; P1SEL = 0x08; / P1IES=0XF7; P6DIR |= BIT2;P6OUT |= BIT2; /关闭电平转换 ClkInit(); /时钟初始化 ，1MHZ,smclk LcdReset(); /复位1602液晶 reset(); /外部显示初始化 ADCreset(); /ADC12初始化 TBCCR0 = 32768 - 1; /设置定时器A的中断时间为1S TBCTL = TBSSEL_1 + MC_1; /计数时钟ACLK, 增计数模式 TBCCTL0 |= CCIE; TACCTL2=CM_1+SCS+CCIS_0+CAP+CCIE; _EINT(); /开启总中断 / _BIS_SR(LPM0_bits+GIE); /低功耗模式 LPM0 DACreset(); while (1) if(keyin!=0x0f) /delay(); switch(keyin) case 0x0e:bz_v+=248;break; /P1.0键按下，标准电压步进加0.2v case 0x0d:bz_v-=248;break; /P1.1键按下，标准电压步进减0.2v case 0x0b:t+=1;if(t=2) t=0;Disp1Char(14,1,t+0x30);break; default:break; while(keyin!=0x0f); if(bz_v=3723) bz_v=3723; else if(bz_v=1241) bz_v=1241; DACout(); 4.2各模块程序流程图4.2.1键盘程序流程图键盘程序通过P1口的按键控制，程序流程图如图4-2所示。图4-2 键盘程序键盘程序: if(keyin!=0x0f) /delay(); switch(keyin) case 0x0e:bz_v+=248;break; /P1.0键按下，标准电压步进加0.2v case 0x0d:bz_v-=248;break; /P1.1键按下，标准电压步进减0.2v case 0x0b:t+=1;if(t=2) t=0;Disp1Char(14,1,t+0x30);break; default:break; while(keyin!=0x0f);4.2.2噪声采样程序流程图噪声采样通过麦克风采样模块采集环境声音，再在程序中判断声音来改变输出信号的大小，程序流程图如图4-3所示，程序见附录B:噪声采样程序。图4-3 噪声采样程序流程图4.2.3反馈程序流程图反馈程序通过A/D采样的电压值来调节控制增益的输出，其流程图如图4-4所示，程序见附录B。图4-4 反馈程序流程图4.3 本章小结程序通过IAR软件进行MSP430编程，编程是根据硬件电路的设计进行编程，同时定义所用的端口和MSP430的工作的模式，并进行模块化编程。第5章 测试方案与测试结果通过仪器来对硬件电路进行测试，在测试完成后，下载程序后用示波器来测试波形。5.1测试方法与仪器5.1.1测试方法用万用表、示波器等相关仪器检测自制的自动增益控制放大器工作是否能够正常工作，其电压、频率、电流等参数是否与理论值相符合，各种情况下波形是否能够正确显示，能否根据输入信号和环境噪声幅度的变化自动调节音量。5.1.2测试仪器本系统测试仪器见表1。表1自动增益控制放大器测试仪器序号名称型号说明1数字万用表UNI-T用来检测自制探测仪的硬件焊接和电缆检测的结果以及各模块的工作情况2双踪示波器UT2025C测试探测仪是否能检测到带电电缆5.2测试数据与结果（1）给放大器输入MP3或用信号源输入音频信号，放大器的输出接600欧负载或8欧喇叭，放大器均能正常工作。（2）当输入信号幅度在10mV5V间变化时的测试输出电压数据如下表2所示。 输入电压频率（Hz）表2 数据与结果1输出电压0.010.501.002.505.002002.201.902.102.122.208002.152.002.202.132.1230002.152.102.151.982.10100001.962.002.201.952.14由上表2可知：放大器的输出值保持在2V0.2V内，并且波动非常小。（3）LCD1602液晶显示能正常显示输入信号幅度大小及频率高低。表3 数据与结果2（4）由下表3可知在1V3V范围内步进式调节放大器输出幅度的功能正常输入电压频率（Hz）输出电压1.01.41.82.22.63.02001.021.51.822.212.623.0110001.101.351.792.202.603.1040001.131.471.822.192.632.9570000.951.351.802.252.592.98100001.091.541.792.162.603.015.3功能测试总表功能测试如表4所示。表4 功能测试表测试条件测试内容测试结果输入信号幅度在10mV5V间变化时输入电压10mV100 mV1 V2.5 V5 V放大器输出电压2.01.92.122.1198输入信号幅度大小及频率高低显示频率显示否输入信号幅度显示能输入音频信号（100Hz10kHz）600负载时输出能8喇叭输出能1V3V范围内步进式调节放大器输出能是否能够根据环境噪声调整自动调节放大器输出幅度不能其他无5.4 数据分析与结论将数据进行比较，基本相符，无太大误差，多次用示波器和万用表反复测量，将测得的结果反复论证，并确保每一次测试误差不超过0.2V，在输入信号幅度相同的情况下，改变频率的大小，输出的电压误差在0.2V范围内，同时能对环境噪声输出不同的声音大小。综上所述，本设计基本达到设计要求。总结与展望一、总结在本文中对自动增益控制放大器的原理也进行了讨论及分析。确定了实现增益控制功能的放大器增益范围，并且设计出具体的硬件电路，对各部分电路的工作原理也进行了详细介绍。在程序的设计中流程图展示了其设计思路，并在文章的最后，列出了具体实验中的实验数据及分析结果，对存在的问题也有了一定的认识。二、今后研究方向随着微电子技术、计算机网络技术和通信技术的发展，自动增益控制的研究也在不断的进步，实现自动增益控制的方法也在不断的完善，改进目前在性能方面的一些不足，将会得到更大的提高。参考文献1 德州仪器高性能模拟器件高校应用指南2 沈建华，杨艳琴，翟骁曙. MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计M. 清华大学出版社，20053 周雪 .模拟电子技术M.西安电子科技大学出版社4 沈建华.杨艳琴.MSP430超低功耗单片机原理与应用M.清华大学出版社5 曾一江.单片微机原理与接口技术（修订版）M.科学出版社6 唐红,王冬艳,李小平.数字电子技术实训教程M.化学工业出版社7 张永瑞.电路分析M.北京清华大学出版社8 胡大可. MSP430系列单片机C语言程序设计与开发M. 北京航空航天大学出版社,20039 张霆.基于VCA822的正弦信号发生器程控放大器J.成都电子高等专科学校学报,2009,第12卷第3期10 Fernandez Dang. Getting Started with the MSP430 LaunchpadM. Newnes,201311 John H. Davies. MSP430 Microcontroller BasicsM. Newnes,201312 Steven Barrett, Daniel Pack. Microcontroller Programming and InterfacingM. Morgan & Claypool Publishers,2011附录A 总电路图附录B 总程序图Main.c/*程序功能：通过P6.0口采样到的输出电压与初始标准电压比较，调节 DA转换器的输出电压，减小或增大 VCA822的增益，从而使 输出电压稳定在所设标准输出电压上，误差0.2v。 当麦克风选通开关打开时，P6.1口采样到的噪声信号使输出 电压标准值增加或减少，从而调节输出信号的大小。 通过按键程序调节输出电压标准值的大小从而使输出电压 在13V以0.2V步进调节。 -测试说明：*/#include #include #include cry1602.h#include cry1602.c#include DAC12.h#include DAC12.c#include finish.h#define Num_of_Results 32#define keyin (P1IN&0X0F)/*变量定义*/uchar shuzi = 0123456789.;unsigned char U = U;unsigned char I = SR:;/unsigned char A = PL:;unsigned char BZ = BZ:; unsigned long sum0=0, /P6.0口采样的输出电压 sum1=0, /P6.1口采样的麦克风输入电压 sum2, /衰减10倍后的输入电压，判断选通开关 bz_v=2482, /输出信号初始值为2v t=0, micbz_v=0; /麦克风信号输入改变了的输出标准值 signed int z=1861; /定义为有符号数，避免运算出错static uint resultsNum_of_Results; /保存ADC转换电压结果的数组 static uint results1Num_of_Results; /保存ADC转换电压结果的数组static uint results2Num_of_Results; /保存ADC转换电压结果的数组/*函数申明*void Trans_val(uint Hex_Val); /电压转化函数声明void Trans_val1(uint Hex_Val); /电压转化函数声明void reset(void); /外部显示初始化函数声明void ADCreset(void); /ADC模块初始化函数声明void DACreset(void); /DAC模块初始化函数声明void DACout(void); /DAC模块输出函数声明void ClkInit(void); /SMCLK时钟初始化函数声明void delay(void); /延时程序声明void bzxs(uint Hex_Val); /标准电压参数显示函数声明void Trans_val2(uint Hex_Val); */*主函数*/void main(void) WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD; /关闭看门狗 /*下面六行程序关闭所有的IO口*/ P1DIR = 0XFF;P1OUT = 0XFF; P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0XFF; P3DIR = 0XFF;P3OUT = 0XFF; P4DIR = 0XFF;P4OUT = 0XFF; P5DIR = 0XFF;P5OUT = 0XFF; P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0XFF; P1DIR = 0XF0; P3OUT = 0X00; / P1IE = 0x08; /P1IES=0XF7; P6DIR |= BIT2;P6OUT |= BIT2; /关闭电平转换 ClkInit(); /时钟初始化 ，1MHZ,smclk LcdReset(); /复位1602液晶 reset(); /外部显示初始化 ADCreset(); /ADC12初始化 / CCR0 = 32768 - 1; /设置定时器A的中断时间为1S /TACTL = TASSEL_1 + MC_1; /计数时钟ACLK, 增计数模式 / CCTL0 |= CCIE; _EINT(); /开启总中断 / _BIS_SR(LPM0_bits+GIE); /低功耗模式 LPM0 DACreset(); while (1) if(keyin!=0x0f) /delay(); switch(keyin) case 0x0e: bz_v+=248;break; /P1.0键按下，标准电压步进加0.2v case 0x0d: bz_v-=248;break; /P1.1键按下，标准电压步进减0.2v case 0x0b: t+=1;if(t=2) t=0;break; /选择是否开启噪声监测 default:break; while(keyin!=0x0f); if(bz_v=3724) /上限为3v bz_v=3724; else if(bz_v=1241) /下限为1v bz_v=1241; DACout(); /*函数名称：ADC12ISR功 能：ADC中断服务函数，在这里用多次平均的 计算P6.0和P6.1口的模拟电压数值参 数：无 返回值 ：无*/#pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void) static uint index = 0; resultsindex+ = ADC12MEM0; / 采样输出电压 if(index = Num_of_Results) uchar i; /unsigned long sum0 = 0; index = 0; for(i = 0; i = 5; /除以32 Trans_val(sum0); /显示输出电压值 if(t=0) /没有按键按下时 if( sum0bz_v) /判断采样值是否大于标准值 z+=50; /如果大于，则增大DA输出，减小反馈增益 if(z=3276) /输出2v时，衰减倍数最大 z=3276; else if(sum0bz_v) /如果小于标准值 z-=50; /如果小于，减少DA输出，增加反馈增益 if(zmicbz_v) /如果麦克风输入小于反馈值 z+=100; /衰减输出信号 if(sum0micbz_v) /如果麦克风输入大于反馈值 z-=100; /增加输出信号 bzxs(micbz_v); static uint index1 = 0; / 麦克风采样数据控制标准值 results1index1+ = ADC12MEM1; if(index1 = Num_of_Results) uchar i1; unsigned long sum1 = 0; index1 = 0; for(i1 = 0; i1 = 5; /除以32 micbz_v=1241+sum1; /麦克风输入的电压，固定增加1v if(micbz_v3723) micbz_v=3723; if(micbz_v1241) micbz_v=1241; /Trans_val1(sum1); /显示麦克风采集的电压 static uint index2 = 0; results2index2+ = ADC12MEM2; / 采样数据控制模拟开关 if(index2 = Num_of_Results) uchar i2; unsigned long sum2 = 0; index2 = 0; for(i2 = 0; i2 = 5; /除以32 Trans_val2(sum2); /显示输入信号幅度 if(sum2=13&sum2=125) P3OUT=BIT2; /打开未衰减信号(P3.2)通道 /*函数名称：Trans_val功 能：将16进制ADC转换数据变换成4位10进制 真实的模拟电压数据，并在液晶上显示参 数：Hex_Val-16进制数据 n-变换时的分母等于2的n次方 返回值 ：无*/void Trans_val(uint Hex_Val) /电压测量 unsigned long caltmp; unsigned long daa; uchar i; uchar ptr5; caltmp = Hex_Val; daa=(caltmp/1)*805664)/1000000; /参考电压为3.3v时，转化为十进制 / daa=(caltmp/1)*610351)/1000000; /参考电压为2.5v时 ptr0 = daa / 1000; /取参数的权位值 ptr1 = 10; ptr2 = (daa - ptr0*1000)/100; ptr3 =