可编程放大器的设计.doc

目 录摘 要1Abstract.1引言11概述11.1 系统概述11.2 总体设计思路21.3主要技术指标32单元电路设计32.1放大电路及其调整32.2可编程控制单元42.3显示电路62.4模数转换电路83整机电路114制作与调试124.1 PCB板的制作124.2各个功能块的测试124.3系统测试12结束语13参考文献:13附录15可编程放大器的设计摘 要：电子技术应用的许多场合都涉及到信号的放大问题。本文介绍了一种三位可编程放大器的设计方案。它采用MCS-51系列单片机作为控制核心，控制方便、灵活，电路简单，准确度高，稳定性好，易扩展，因此应用十分广泛。 关键词：编程；放大器；数模转换The Design of Programmable AmplifierAbstract: Application of electronic technology in many occasions are related to the amplification of the signal problem. This paper introduces a three bit programmable amplifier design. It uses the MCS-51 series single-chip microcomputer as the control core, the control is convenient, flexible, simple circuit, high accuracy, good stability, easy to expand, so the application is very extensive.Key words：programming；amplifier；ADC引言在实际生产应用中，常常需要对传感器采集到的信号进行放大处理，因此，放大器的应用十分广泛，从小型仪表到大型电子机械中无所不用，是任何现代电子系统中不可缺少的组成部分。在模拟电路中，能把输入信号的电压或功率放大的装置叫放大器，它由晶体管、场效应管或集成运放等其它电子元件组成。放大器按所处理物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。 1概述1.1 系统概述本文致力于用中小规模集成电路设计一种三位可编程放大电路，以实现对输入电压信号进行放大的功能。本系统的具体要求如下：（1）功能：放大。（2）数码管显示放大倍数。（3）放大倍数可编程且易拓展。本电路采用运算放大器、51系列单片机、模数转换器ADC0809、LED数码管作为基本单元电路。各个功能相互独立，容易实现电路的调试和扩展。1.2 总体设计思路1.2.1方案设计与论证方案一：采用三极管等小规模 (SSI) 元器件，按照模拟电路的一般设计方法进行设计。此方案原理简单,但三极管放大能力小，可编程性能差，并且全分立元件制作的电路可靠性低1。方案二：采用MCS51系列单片机作为控制核心，将各单元模块如单片机、数模转换器、显示器相连，可使电路简化，减少连线，提高电路的可靠性，并且还能利用MCS51系列单片机使电路的扩展十分方便。综上分析可以看出，用MCS51系列单片机的设计方法来进行放大器的设计具有原理简单，电路容易调试等优点。故本设计选择方案二。1.2.2系统构成方框图根据方案二的设计思路，本文给出方案二的系统原理方框图如图1所示。放大电路A/D转换器器输入电压信号 可编程控制单元显示模块图1 方案二系统构成方框图1.2.3系统工作原理系统正常工作时，输入信号通过放大电路进行放大后，输出的模拟电压信号的大小对应于放大倍数，该信号经过A/D转换器成为数字信号，该数字信号把对应的放大倍数通过数码管显示出来。其中，放大器放大倍数可以通过可编程控制单元设置，以实现放大倍数可调2。1.3主要技术指标带宽可编程放大器的带宽要求为100Hz40kHz。放大范围在输入信号符合要求时，能够对电压信号进行不失真的放大。本文设计的最高放大倍数为100倍。2单元电路设计2.1放大电路及其调整本设计放大电路选用运算放大器，本设计选用AD8001A，它的特点是在高频高带宽的电子设备中转换速率特别高，可以达到2000V/s，一般采用电流负反馈的方式。理想运算放大器，输入电压为零时，输出电压也必然为零。然而，实际运算放大器中，由于前置差动放大器的不完全对称性，必然产生零点漂移现象，所以，必须对输入失调电压和输入失调电流进行调整3。本设计方案采用的是外部调整法，即对于本身没有输入失调电压和输入失调电流的调整端子的运算放大器，在外部将调整电压接到运算放大器的某一输入端，如图2所示。图2 调整电压接入反相端图2电路中把反向电压加至反向输入端，并接入电阻R2进行负反馈在7接口接入电位器RV1进行零点调整，图2中电路的放大倍数为,所以改变反馈电阻的大小可以控制其放大倍数。图3是把调整电压加至同相输入端进行零点调整的，调整电压在R5的两端。若调整范围在10mV以内，则可取R4=R51000为了使R5两端产生的电压不影响其他回路，R5值应尽可能小些。本设计方案放大模块如图4所示。输入级和输出级采用电压跟随器的接线方法，利用电压跟随器输入阻抗高、输出阻抗低的特点，可以提高带负载能力并通过隔离减少信号源对放大器的影响。U1、U2、U4选用NE5532宽带放大器，U3选用LM324放大器；多级放大，保证具有一定的增益带宽积。图3 调整电压接入同相端图4 放大电路2.2可编程控制单元本单元电路的设计采用多级放大从而保证了放大倍数，使其放大上限尽可能的增大。另外为了实现对放大器放大倍数的控制，需要改变放大器的反馈电阻，由反馈电阻构成可编程电阻网络，从而实现对放大电路放大倍数的控制。并通过模拟开关CD4051控制电阻网络的通断，实现对放大器放大倍数的控制。CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，其管脚如图5 所示4。有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD+5V，VSS0，则当ABC=000时，则0通道（13脚）与公共端COM（3脚）接通；当ABC=001时，则1通道（4脚）与公共端COM接通，即通过改变ABC的编码组合实现8个通道逐个与COM端接通。当INH输入端“1”时，所有的通道截止。3位二进制信号可选通8通道中的任一通道，连接该输入端至输出。 图5 模拟开关CD4051管脚其功能表如表1所示。表1 CD4051功能表输入开关通道输入开关通道INHCBAONINHCBAON000000101500011011060010201117001131无01004 由模拟开关CD4051组成的电阻网络如图6所示。电阻网络的电阻数值由测试得到，测试按表2进行5。在图4示的电路中输入峰-峰值20mV的正弦电压信号，调节OP07可编程电阻的阻值，用示波器测量其输出电压峰-峰值，在满足放大倍数条件下测出OP07反馈电阻R，填在表2中6。 表2 电阻网络的电阻数值测试增益/db放大倍数输出电压峰-峰值反馈电阻4010020001013031.626322720102009.521031663.22.6901200.749R2R0R1012INHCBACOMVDDVEEVSSCD40512.3显示电路图6 模拟开关CD4051构成的可编程电阻网络显示电路用于显示放大器的放大倍数。它主要由51系列单片机、3 线8译码器74LS138、锁存器74LS373、LED数码管和一些门电路构成。按连接方式不同，LED数码管分为共阳极和共阴极两种7。共阳极是指数码管中的七个发光二极管的阳极连在一起，接到高电平（Vcc）。当某段发光二极管的阴极为低电平时，该段就导通发光；若为高电平时就截止不发光。因此它要求与有效输出电平为低电平的七段译码器/驱动器相连。共阴极是指数码管中的七个发光二极管的阴极连在一起，接到低电平（GND）。当某段发光二极管的阳极为高电平时，该段就导通发光；若为低电平时就截止不发光。因此它要求与有效输出电平为高电平的七段译码器/驱动器相连。共阴极数码管的结构如图7所示。 (a) (b) (c)图7 发光二极管组成的七段显示器及其接法 本设计方案采用静态显示，即显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。对于静态显示方式，LED显示器由接口芯片直接驱动，采用较小驱动电流就可以得到较高的显示亮度。电路如图8所示8。七段LED显示器的a、b、c、d、e、f段导通，g段截止，则显示“0”。并行显示方式每个十进制位都需要一个八位输出口控制，图8中所示采用3片74LS373扩展并行I/0口，口地址是由74LS138译码器的输出决定的，74LS138的A、B、C、分别接80C51的P2.5、P2.6、P2.7，所以3片74LS373的地址分别为：1FFFH、3FFFH、5FFFH。译码输出信号与单片机的写信号一起控制对各74LS373的数据的写入。 图8 单片机与显示器接口2.4模数转换电路ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换器，它主要是把设计电路中的输出的模拟信号转变为数字信号，便于数码管的显示。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是应用比较广泛的8位通用A/D芯片9。2.4.1主要特性8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。具有转换起停控制端。转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）。单个5V电源供电。模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-4085摄氏度。低功耗，约15mW。2.4.2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图9所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近电路组成。 2.4.3外部特性ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图9所示。各引脚功能分别为：IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的某一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。START：AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽），使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC：AD转换结束信号（输出信号），当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号（输入信号），高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。 REF（+）、REF（-）：基准电压 。Vcc：电源，单一5V。GND：地。 图9 ADC0809内部结构及管脚封装2.4.4 ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START信号上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上11。如果将START与ALE相连，则在通道地址选定的同时也开始A/D转换。若将START与EOC相连，则上一次转换结束就开始下一次转换。当不需要高精度基准电压时，REF（+）、REF(-)分别接到系统电源Ucc和GND上。模拟量的输入有单极性输入和双极性输入两种方式。单极性模拟电压的输入范围为05V,双极性模拟电压的输入范围为-5V+5V。双极性输入时要外加输入偏置电路。转换数据的传送：A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送12。为此可采用下述三种方式：定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并当信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。2.4.5 ADC0809与单片机接口ADC0809与单片机接口可以采用查询方式和中断方式13。查询方式ADC0809与单片机接口电路如图10所示。由于ADC0809片内无时钟，故利用80C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得。图10 ADC0809与单片机接口电路ALE引脚的频率是单片机时钟频率的1/6，如果单片机时钟频率为6MHz，则ALE引脚的频率为1MHz。再经二分频后定位500kHz，所以ADC0809能可靠工作。由于ADC0809具有输出三态锁存器，故其八位数据输出线可直接与单片机数据总线相连。单片机的低八位地址信号在ALE作用下锁存在74LS373中。74LS373输出的低三位信号分别加到ADC0809的通道选择端A、B、C作为通道编码。单片机的P2.7作为片选信号，与进行或非操作得到一个正脉冲加到ADC0809的ALE和START引脚上。由于ALE与START连接在一起，因此ADC0809在锁存信道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚经或非门后产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。上述操作时，P2.7应为低电平。ADC0809的EOC端经反相器连接到单片机的P3.3（）引脚，作为查询或中断信号。中断方式 采用中断方式可大大节省CPU的时间。当转换结束时，EOC向单片机发出中断申请信号，响应中断请求后，由中断服务子程序读取A/D转换结果并存储到RAM中，然后启动ADC0809的下一次转换。2.5单片机时钟与复位电路单片机时钟与复位电路如图11所示。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHz时，C1为10，R1为8.2；晶振为6MHz时，C1为22，R1为1。图11 单片机时钟及复位电路3整机电路综上所述，将各单元电路组合得到可编程放大器的整机电路，如图12所示。输入电压信号经过放大器LM324，输出信号接入AD转换器的0通道，AD转换器的输出结果接入单片机的P0口存储，并通过P1口输出到显示器显示。开关SW1、SW2、SW3的通断可以选择放大倍数。 图12 整机电路4制作与调试4.1 PCB板的制作 采用Protel-2004进行制作，在Protel-2004软件中新建硬件电路原理图，经元件封装后生成网络表，通过其自动部线功能生成PCB板原理图，然后用打印机将原理图打印到转印纸上，再用转印机将转印纸上的原理图转印到铜板上。最后，用三氯化铁溶液腐蚀掉多余的铜，制成PCB板14。 PCB板制成后，检查板子上铜线是否有断线，确保无断线后对元件进行焊接，焊接前，需检查每个元件的质量，从而保证整个PCB板的焊接质量。4.2各个功能块的测试 可编程电阻网络的测试 输入正弦信号，置CD4051的C、B、A端子为几组不同的数值，用示波器观察是否有波形输出，并仔细观察输出波形的幅值情况。AD转换器的测试给IN0通道接入正弦电压信号，输出接八个LED灯，观察LED灯的发光情况15。数码管的测试把所有的输入端都加上高电平（共阴管），看所有的发光管是否全亮，全亮则说明数码管正常。4.3系统测试 在确保各部分电路无误的情况下，接通电源，输入电压信号，改变可编程电阻网络的阻值，观察数码管显示的数字是否正常。结束语经过系统测试，本放大系统具有电路简单，性能稳定的特点。通过本次毕业设计，增强了理论联系实际的能力。集中复习了相关专业课程，是一次很好的学习过程，也是一种很好的学习方法，为以后参加其他设计提供了经验。当今飞速发展的电子技术是高科技的重要组成部分之一。此次毕业设计的主要目的是训练我们综合运用专业课知识进行设计的能力、电子设计的组装调试能力与创新能力。经过查资料，选方案，设计电路，安装调试，写报告的过程，使我们得到一次科学研究工作的启蒙训练。经过了这次毕业设计，我的收获颇多，体会也不少。首先，我深刻地体会到设计的重要性，许多科学理论的建立也都是从设计中见到先兆，并通过实验得到验证。实践是检验真理的唯一标准，只要自己动手，通过设计来确定以前理论上的结果，并且为将来的研究打下基础，才能不断探索出新的科学奥秘。在设计中多次发现，即使电路图连接准确，PCB板做的很好，但设计结果可能仍然达不到要求。这充分说明了只有理论是不行的。只有通过多次的调试，使理论联系实际，才可以很好的充实设计报告，也能够完善我们的方法。通过这次设计，我的动手能力和运用知识的能力得到了提高，在思想上对科学研究有了初步的认识，耐心、细心、信心是做设计至关重要的。致谢在我的论文结束之际，我想对在我本科四年中给予我关心和帮助的老师和同学表示衷心的感谢。首先向我的指导教师XXX副教授致以最诚挚的谢意。在我的毕业设计制作期间，李老师给了我极大的关心和支持，从设计的选题到设计报告的撰写都离不开李老师的悉心关怀和精心指导，毕业设计中的许多思想和方法得益于导师的指导和启发。导师渊博的知识、开阔的思路、高度的责任感与严谨的治学作风更是我学习的典范，在此向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢！同时感谢A、B、C等同学，他们在我的本科学习期间，给了我很多的帮助和支持，并且在毕业设计方案研究方面，给予我很大的帮助，在这里一并表示感谢。参考文献:1 张国雄主编测控电路（第三版）M北京：机械工业出版社，2008:40442 王振红，张常年综合电子设计与实践（第二版）M北京：清华大学出版社，2008：1331543 华成英，童诗白.模拟电子技术基础M. 北京：高等教育出版社，2006.4 俞承芳主编电子系统设计M上海：复旦大学出版社，2004：625 李全利，仲伟峰，徐军单片机原理及应用M北京：清华大学出版社，2006:1601636 美丁马库斯编著计量出版社编辑部组织编译电子电路大全，卷5，数字电路M北京：计量出版社，1985：677 王国定主编专用集成电路原理和应用M上海：上海科学技术文献出版社，1985：338 康华光主编电子技术基础数字部分（第四版）M北京：高等教育出版社，2003：30409 田波民.电子显示M.北京：清华大学出版社，2006.10 菜忠法主编电子技术实验与课程设计J浙江：浙江大学出版社，2003：879011 陈大钦主编电子技术基础实验（第二版）M北京：高等教育出版社，1999：11411612 阎石主编数字电子技术基础M北京：高等教育出版社，2002：15015713 ICM7216 Handbook，Intersil CO1719.14 VASILIS HAMILAKIS，N.C VOULGARIS.An Accurate Method for the Measurementand Its Deviation Using a Microcomputer.IEEE Trans Instr Meas IM-36，1987.No.1.15 吴俊鹏，孟昭林，付小晶.数字电路与可编程技术实验教程M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002:357-362.附录：#include #define ucha