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程控增益直流放大器摘要 本着准确、可靠、稳定的原则，采用了分级设计，匹配互连的基本思想。本设计总共由五个模块组成：直流稳压电源、信号变换放大电路、前端低通滤波电路、dac程控增益可调电路、单片机最小系统。ADS1286衰减器利用电阻网络的可编程性，实现衰减器衰减率的数字编程。单片机键盘显示处理模块除可以对输入信号的处理还可以进行数字处理及对ADS1286的控制。 AbstractOn the principles of accuracy,reliability and stability,this system is designed from top to bottom,stage by stage and mutually matched.The measuring amplifier in this design consists of five circuit blocks:a regulated DC supply,signal conversion circuit,a Low-pass Filter,a DAC programmed adroitly and the minimal system of single-chip 80C51.With the programmable resistance network, the digital programming of attenuation rate in ADS1286 is achieved.In addition of real-time control of the transmission of input sigal,the SCM display and processing block is also used for control of ADS1286 and data processing .1. 设计要求一、 任务设计并制作一个增益可程控的放大器，结构框图如下图二、 要求1. 基本要求（1） 增益（A）范围：1100；输入电阻不小于100k；引入滤波环节，带宽限制在05Hz，对频率为50Hz的信号衰减应大于40dB。（2） 输出电压uo的峰峰值不小于2V；当A=100，输入uI=0V时，输出直流偏移量mV，噪声电压峰峰值不大于20mV。（3） 增益可通过键盘设定，按1、2、5规律选择；利用液晶显示设定的增益和输出电压值，显示分辨率优于0.1%。（4） 在设定的各种增益值下，实际增益（As）与设定增益(Ag)的相对误差（以测得的最大值评定成绩）。（5） 自制满足要求的直流电源。2. 发挥部分（1） 实现自动调零功能：使当A=100， uI=0V时，输出直流偏移量mV；（2） 实现增益的自动校准：使在设定的各种增益值下，实际增益与设定增益的相对误差。（3） 完成输入电压（通过输出电压和设定增益计算得到）的采集、存储。采样速率10100ps可调，分辨率不低于10位，存储时间不少于5分钟，且掉电后数据不丢失。（4） 实现按时段查询功能，即输入日期和时间后，调出相应数据并绘制变化曲线。（5） 其它创新。三、 评分标准项 目满分基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。50实际制作完成情况50发挥部分完成第（1）项10完成第（2）项15完成第（3）项10完成第（4）项10其它52.方案论证与比较根据设计任务的要求，本系统的组成方框图如图1所示，下面对每个框内电路的设计方案分别进行论证与比较。21放大方案方案一：简单的放大电路可以由三极管搭接的放大电路实现。为了满足增益0-100倍，而且步距可调的要求，可以采用多级放大电路实现。对电路输出用二极管检波产生反馈电压调节前级电路电路实现自动增益的调节。本方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂而且难于调整，尤其增益的定量调节非常困难。此外，由于采用多级放大，电路稳定性差，容易产生自激现象。方案二、 同相控放大器同相型放大器的基本电路如图3所示，放大器的增益G也只取决于回馈电阻Rf和电阻Ri，即：G =1+RfRi (2)图3 同相放大器的基本电路实际运用中，可以采用如图4所示的电路。在图4(a)中，由于运算放大器的输入阻抗很高，尤其对于场效应输入型运算放大器，输人阻抗可达10 n，因而开关的导通电阻对放大器增益的影响可以忽略不计。在图4(b)中，利用运算放大器的高开环增益特性和负反馈，开关的导通电阻对增益的影响基本上得以消除。该类电路的优点是开关导通电阻对电路的增益影响小，因此特别适用于采用模拟电子开关控制的场合。电路的不足之处是：电阻的匹配，阻值的误差，温度特性的不一致等都会导致其性能不太理想，而且占用体积大，速度慢。因此，给调试工作将带来很大的困难。图4 同相型可变增益放大器的电路方案三、 DAC型可控放大器DAC型程控放大器由DAC和运算放大器组成，其原理是利用DAC的乘法功能实现可变增益控制。DAC内部主要由R一2R电阻网络和模拟电子开关构成，例如DAC0832、AD7520等电流输出型芯片，其内部等效电路如图5所示，在基准输入电压固定不变的情况下，当输入的数字量从全0逐步变化到全“1”时，从outl引脚流出的电流从0逐步增加( f2引脚流出的电流从大到小逐步变化)，其关系为Iout1= (VrefR)(D/2n) (3)式中：R为DAC电阻网络中电阻1R 的值；n为DAC的位数；D为输入的数字量(范围为02n)。图5 DAC内部等效电路由DAC组成的程控放大器如图6所示。在图6(a)中，模拟输入信号从DAC的基准电压输入端引入，DAC的lout接到运算放大器的反相输入端，通过外接回馈电阻(也可以使用芯片内的回馈电阻)构成反相放大器，该电路的输出电压为 ： Uo=(UjR)(D2n )Rf (4)电路增益G为G =一(RfR)(D2n ) (5)图6(b)是DAC型程控放大器的另外一种电路。其将DAC接入反相放大器的回馈支路，外接1个输入电阻R；(也可以使用芯片内的回馈电阻)，该电路的增益G为G =一(RRi)(2n D) (6)式中：R为DAC电阻网络中电阻1R的值；n为DAC的位数；D为输入的数字量，范围为12n(因为输入的数字量为0时，放大器处于开环状态)。图6 DAC型程控放大器的电路此类程控放大器的优点：由于DAC中的R一2R电阻网络是采用精密光刻技术生产出来的，电阻的误差较小，温度系数也比一般的金属膜电阻低得多，因此构成的程控放大的增益误差较小；另外，从式(5)和式(6)可以看出：只要取合适的输入电阻R；或回馈电阻R ，电路和增益可以大于1，也可小于1，也可以等于1，甚至为0，而且电路简单，单片机控制也不复杂，易于实现，电路的缺点：由于DAC内部的分布电容影响，电路的频响不是太理想，电路增益也不容易做得较大；电路的信噪比也较差，另外，该电路的D与放大倍数的关系如下表格所示：（以十位的DA为例）不能满足设计要求。 数字输入（D） 放大倍数 1111 11111023/1024 1000 0000 1/2 0000 00001/1024 0000 0000 开环方案四：为了避免上述情况，可以采用芯片TLV5616，的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。有因为TLV5616是一种12位的D/A转换芯片，输出Vout=Dn*Vref/212,其中Dn为12位数字量输入的二进制值，可满足212=1024挡增益调节，满足题目的精度要求。它由CMOS电流开关和梯形电阻网络构成，具有结构简单、精确度高、体积小、控制方便、外围部线简化等特点，故可以采用TLV5616，来实现信号的程控衰减。但由于TLV5616对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mV-V每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达TLV5616之前经过适当的放大调整，通过TLV5616衰减进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与TLV5616的衰减分母抵消，即可实现程控放大。经比较方案四即可以满足题设要求，电路又不太繁琐，成本又不高，所以采用该方案。2.2低通滤波方案方案一：采用一阶低通滤波. 一阶滤波器的效果还不够好，它的衰减率只是20dB/十倍频。若要求响应曲线以40或60dB/十倍频的斜率变化，则需采用二阶、三阶或更高阶次的滤波器，而高于二阶的滤波器可由一阶和二阶有源滤波器构成一阶有源低通滤波电路方案二、有源滤波电路为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻低输出电阻的隔离电路，最简单的方法是加一个电压跟随器，如右图所示，这样就构成了有源滤波电路。采用一阶低通滤波. 一阶滤波器的效果还不够好，它的衰减率只是20dB/十倍频。若要求响应曲线以40或60dB/十倍频的斜率变化，则需采用二阶、三阶或更高阶次的滤波器，而高于二阶的滤波器可由一阶和二阶有源滤波器构成。方案三、出于题目要求以及性能的考虑我们又设计了如下的电路，采用二阶压控电压源低通滤波电路。其原理图如下。它由一次滤波器和2次滤波器级联，获得规定的衰减特性。在此电路中，1次区间的电容C1为：C1=C1=C0，C2=2C0，C3=0.5C0 f=2次区间为得到规定的Q，需要C1C2,这样必须要准备3种静电容量不同的电容， 该方案通过软件和实际调试可以达到实际要求而且效果较好，所以采用该方案。3系统设计31总体设计思路根据题目的要求，我们认真取舍，充分考虑了多种放大器和D/A的优缺点以及价格问题，我们选择了TLC5616、OP07和INA145。大大提高了系统的精度；和放大器的品质。在经过两片放大器的对信号有一定倍数的放大之后，再经后级数控衰减器得到要求的放大倍数的输出信号。每种信号都将在单片机的算法的控制下得到最合理衰减，以使信号放大的质量最佳。下图即本系统的原理方框图。低通滤波电路信号源差动放大器12位DAC转换器MS-51单片机(MCU)Op_07放大电路A/D转换器输出检测键盘液晶显示电源供电33主要电路说明331电源电路 本方案的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、单电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件。输出电路由15v稳压供给，从而大大提高电压调整率和负载调整率等指针。所有的集成稳压器根据功耗均安装有充分裕量的散热片。332单片机最小系统电路由MCS-51系列单片机，一个4*4的键盘和12846的LCD液晶显示器构成了单片机最小系统，以实现单片机控制电路和人机接口功能。333放大电路为了使信号不失真，我们采用了前端差动放大级进行前端增益放大。后级放大采用op07，高精度、漂移的运放来实现后级的放大。334数字控制的衰减器电路用一片DA芯片和运算放大器即可组成数字控制的衰减电路，如图所示。当运算放大器的输出端接至ADS1286的Rfb端时，该电路就是一个可由数字控制的衰减器电路。在作衰减器电路是输入电压从ADS1286的参考源输入端加入。输出电压的表达式推导如下：将IREF= VREF/R，Vref=Vin代入 IO1=IREF（D12-1+D22-2+D102-10）通过运算放大器将输入电流转换成电压输出，得IO1= VIN/R *（D12-1+D22-2+D102-10）因为VOUT=IO1R，所以得VOUT=VIN（D12-1+D22-2+D102-10）34系统电路说明图四系统软件设计本系统主要涉及单片机和模/数转换器、数/模转换器的程序调整。能否很好的让AD和DA工作是本系统的关键。除此之外单片机还承担控制键盘调整电路和使液晶显示的任务。 单片机通过扫描判断单片机的键值，并且通过键值来实现菜单和各个接口的控制。通过改变键值来控制DA的衰减功能。41程序总体流程图开 始初 始 化是 否 有 键 按 下判 断 键 值 并 切 换 界 面设 置 增 益 倍 数设 置 D/A 衰 减A/ D读 入 数 据采 样 大 小自 动 调 零判断增益是否准确将采样数据存放在24C1024LCD显示 42各功能模块流程图（低通滤波） LCD显示（前端放大）(DA衰减)（后级放大）（数据采集）（控制电路）五调试实践51硬件调试根据前面所提方案的要求，调试过程共分三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件连调。其中硬件调试又可分为两部分：数字部分和模拟部分。511数字部分根据放大倍数以步距1、2、5、10、20、50的范围内变化的要求，可通过十六进制数在单片机内经过运算实现置数功能。512模拟部分模拟部分是整个系统中最重要的环节。放大电路产生误差的原因很多，一般有：运放的输入偏置电流、失调电压和失调电流及温漂；电阻器的实际值与标称值的误差，且温度的变化，电源的变化、干扰和噪声都会造成误差。元器件的选择是高性能放大的保证，电阻的选择要尽量的精确52软件静态调试主要为检查语法错误以及程序的逻辑结构错误。53软硬件联调由于硬件包括单片机控制和模拟电流两部分，调试是也分两部分进行。模拟电路部分在实验板上调试，测试个项参数是否满足题目要求。而单片机部分的硬件完成后，就可以进行软件调试了。调试重点D/A的控制和A/D的读入六数据测试输入大小1mv1.9mv3mv4mv5mv增益5.4mv6.3mv7.3mv8.7mv9.9mv增益26.3mv8.4mv10.4mv13.3mv15.6mv增益59.6mv14.8mv19.6mv26.9mv32.6mv增益1015mv25.5mv35.4mv49.8mv61.6mv增益2026.4mv47.5mv66.6mv95.2mv118.6mv增益5048.1mv88.9mv127.8mv172mv230mv增益100108.4mv199mv288mv386mv524mv输入大小7.2mv15.3mv19.5mv25mv30mv增益11.7mv20.8mv26.8mv33.5mv39.6mv增益219mv37.1mv49.1mv62mv74.1mv增益541.2mv85.8mv115.5mv147.2mv176.7mv增益1078.5mv168.3mv226mv289mv348mv增益20152.4mv330mv447mv571mv690mv增益50296mv649mv880mv1122mv1344mv增益100675mv1463mv1862mv2140mv2310mv七元器件清单AT89S51，INA145，TLV5616，OP07，ADS128616个小按键，12864液晶显示器电阻电容若干，12兆晶振，AT24C1024附录一、程序清单 ；/定义RS EQU P3.0 RW EQU P3.1 E EQU P3.2 RST EQU P3.3 PSB EQU P3.5 KEY_NUM EQU 23H DATE EQU 24H DATE1 EQU 26H BZ BIT 25H.0 F2 BIT 25H.1 F3 BIT 25H.2;# DIN EQU P0.0 SCLK EQU P0.1 DACS EQU P0.2 FS EQU P0.3 DATE_H EQU 20H DATE_L EQU 21H;# CLK EQU p0.4 DO EQU P0.5 CS EQU P0.6 DATEA EQU 27H DATEB EQU 28H DATEC EQU 29H DATED EQU 2AH DATEBEIFEN1 EQU 31H DATEBEIFEN2 EQU 32H REALH EQU 33H REALL EQU 34H TEMPDATAH EQU 35H TEMPDATAL EQU 36H COMPDATAH EQU 37H ;/比较基准数据 COMPDATAL EQU 38H COMPFLAG EQU 39H TEMP EQU 40H;# org 0000h ajmp main org 0100h main:MOV P0,#0FFH mov sp,#55h acall DLAY12 CLR RST LCALL DLAY12 SETB RST SETB PSB MENU: acall init_lcd;# MOV A,#43H LCALL WRD MOV A,#3AH LCALL WRD MOV R2,#80H ;采样大小 MOV R1,#00H MOV R3,#00H XZ1:CLR BZ INC R2 MOV A,R2 LCALL WRC XZ:MOV A,R3 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR LCALL WRD INC R3 JB BZ,JJZ SETB BZ SJMP XZ JJZ:INC R1 CJNE R1,#04H,XZ1 SJMP Y TAB1:DB 0B2H,0C9H,0D1H,0F9H,0B4H,0F3H,0D0H,0A1H;# Y: MOV A,#90H LCALL WRC MOV A,#44H LCALL WRD MOV A,#3AH LCALL WRD MOV A,R1 ;图形显示 CLR A MOV R1,A MOV A,R2 CLR A MOV R2,A CLR A MOV A,R3 MOV R3,A MOV R2,#90H MOV R1,#00H MOV R3,#00H XZ11:CLR F2 INC R2 MOV A,R2 LCALL WRC FZ:MOV A,R3 MOV DPTR,#TAB2 MOVC A,A+DPTR LCALL WRD INC R3 JB F2,JJZ1 SETB F2 SJMP FZ JJZ1:INC R1 CJNE R1,#04H,XZ11 SJMP W TAB2:DB 0CDH,0BCH,0D0H,0CEH,0CFH,0D4H,0CAH,0BEH;#W: MOV A,#88H LCALL WRC MOV A,#45H LCALL WRD MOV A,#3AH LCALL WRD MOV A,R1 ;资料存储 CLR A MOV R1,A MOV A,R2 CLR A MOV R2,A CLR A MOV A,R3 MOV R3,A MOV R2,#88H MOV R1,#00H MOV R3,#00H XZ12:CLR F1 INC R2 MOV A,R2 LCALL WRC FZ1:MOV A,R3 MOV DPTR,#TAB3 MOVC A,A+DPTR LCALL WRD INC R3 JB F1,JJZ2 SETB F1 SJMP FZ1 JJZ2:INC R1 CJNE R1,#04H,XZ12 SJMP X TAB3:DB 0CAH,0FDH,0BEH,0DDH,0B4H,0E6H,0B4H,0A2H;# X: MOV A,#98H LCALL WRC MOV A,#46H LCALL WRD MOV A,#3AH LCALL WRD mov a,#99h ;增益设置 lcall WRC mov a,#0D4h lcall wrd mov a,#0f6h lcall wrd mov a,#9Ah lcall WRC mov a,#0D2h lcall wrd mov a,#0E6h lcall wrd mov a,#9Bh lcall WRC mov a,#0C9h lcall wrd mov a,#0E8h lcall wrd mov a,#9Ch lcall WRC mov a,#0D6h lcall wrd mov a,#0C3h lcall wrd;# MOV KEY_NUM,#0AH LCALL WR_NUM CLR F3 WAIT: LCALL KKKK CLR F0 LL: JB F0,WAIT LCALL JK SJMP LL RET;# JK: MOV P2,#0FH MOV A,P2 CJNE A,#0FH,JK1 LJMP NKEY JK1:LCALL DLAY12 MOV P2,#0FH ;取键盘低位，即列位 MOV A,P2 MOV B,A CJNE A,#0FH,JWK LJMP NKEY JWK:mov dptr,#tabn MOV P2,#0F0H ;取键盘高位即行位 MOV A,P2 SWAP A CPL A ANL A,#0FH movc a,a+dptr push b MOV B,#04 MUL AB ;键号 =（行号*4）+列号 pop b XCH A,B CPL A ANL A,#0FH movc a,a+dptr ADD A,B ;inc a mov key_num,a CJNE A,#0BH,J0 LCALL XXX J0: CJNE A,#07H,J01 LCALL BACK J01: CJNE A,#08H,J1 LCALL BACK J1: CJNE A,#0CH,J2 LCALL CYDX J2: CJNE A,#0DH ,J3 LCALL TXSZ J3: CJNE A,#0EH,J4 LCALL SJCC J4: CJNE A,#0FH,J5 LCALL ZYSZ J5: CJNE A,#00H,J6 LCALL YB J6: CJNE A,#01H,J7 LCALL LB J7: CJNE A,#02H,J8 LCALL WB J8: CJNE A,#03H,J9 LCALL SB J9: CJNE A,#04H,J10 LCALL ESB J10: CJNE A,#05H,J11 LCALL WSB J11: CJNE A,#06H,J LCALL YBB J: CJNE A,#09H,JK2 LCALL BACK JK2: SETB F0 giveup: mov p2,#0fh ;判断键是否松开 mov a,p2 cjne a,#0fh,giveup NKEY:RET ;无键按下返回 tabn:db 00h,00h,01h,00h,02h,00h,00h,00h,03h DLAY12:MOV R6,#64H LOOPK:MOV R7,#78H ;键盘去抖子程序 DJNZ R7,$ DJNZ R6,LOOPK RET;# WR_NUM:MOV A,#94H LCALL WRC KKKK:MOV A,#95H LCALL WRC MOV A,KEY_NUM MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR LCALL WRD MOV DATE,A RET TAB:DB 31h,32H,35H,74H,54H,46H,48H,20H,20H,20H,20H,20H,20H,20H,20H,20h;# XXX: LCALL GIVEUP MOV A,#94H LCALL WRC ;输出空格 MOV A,#20H LCALL WRD RET;#CYDX: LCALL GIVEUP MOV A,#01H LCALL WRC mov a,#90h ;输出电压： lcall WRC mov a,#0CAh lcall wrd mov a,#0E4h lcall wrd mov a,#091h lcall WRC mov a,#0B3h lcall wrd mov a,#0F6h lcall wrd mov a,#92h lcall WRC mov a,#0B5h lcall wrd mov a,#0E7h lcall wrd mov a,#93h lcall WRC mov a,#0D1h lcall wrd mov a,#0B9h lcall wrd mov a,#9eh lcall wrc mov a,#2fh lcall wrd mov a,#32h lcall wrd MOV A,#9BH LCALL WRC LCALL ADS1286 MOV DATEBEIFEN1,DATEA MOV DATEBEIFEN2,DATEB MOV R1,#02H ; 处理数据 lcall ZUOYI CLR C MOV A,DATEBEIFEN2 ADD A,DATEB MOV DATEB,A MOV A,DATEBEIFEN1 ADDC A,DATEA MOV DATEA,A;/显示整数部分和小数点 ANL A, #0F0H SWAP A subb A,#0AH ;PUSH A JNC XIANSHIB ;GREATER 10 MMMM: JC XIANSHIG ;BELOW 10 MMM: MOV A,#2EH LCALL WRD;/ 显示小数部分 ;MOV A,96H ;LCALL WRD MOV A,DATEA ;小数开头4bit ANL A,#0FH LCALL GET_REALDATA LCALL DISPLAY_REALDATA MOV A,#00H; RET ;#XIANSHIG:MOV A,DATEA ANL A,#0F0H SWAP A ADD A,#30H ;MOV A