智能放大器.doc

智能可变增益放大器设计方案摘 要：本设计采用STC89C52单片机作为其测试和控制核心，能够测试放大前后信号的幅值,通过闭环反馈,实现放大增益的稳定。本系统用单片机控制模拟开关进行增益程控，控制ADS1100采样，控制数模转换器反馈增益状态，控制LCD数据显示，使整个系统能够协调工作,实现宽带直流放大、稳定增益、增益连续调节的功能，AGC功能，高、低频功率放大，从而达到智能可变增益放大器。关键词：宽带直流放大，功率放大，智能可变增益，STC89C52，ADS1100，AGC1. 系统方案1.1系统基本方案经研究，本系统可以分为以下几个基本系统：微处理器（单片机89C52），控制放大系统（D/A0832、AD603、ADS1100），显示（LCD1602），按键，检波、反馈系统，输入，输出，通信。通过按键进行频率范围选择，放大增益选择。经处理器处理后，输出指令，控制放大系统选择正确的放大增益通道。在输出端设置检波，处理器分析输出信号后，将反馈信号回馈给放大系统，以达到增益稳定的效果。系统原理框图构架如图。单片机89C52LCD1602D/A0832AD603ADS1100检波反馈MAX232PC键盘3*4ViVo功放 系统原理框图1.1.1处理器的选择(89C52):89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。1.1.2 检波反馈模块：采用包络电路提取其峰值，经过包络电路后的信号为一直流信号，容易测得。测试效果较好,且其高频响应较好.1.1.3 控制放大模块(AD603):（1）AD603的特点 AD603是美国AD公司继AD600后推出的宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的压控VGA芯片。可用于RF/IF系统中的AGC电路、视频增益控制、A/D范围扩展和信号测量等系统中。在很多信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。在自动化程度要求较高的系统中，希望能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。AD603正是这样一种具有程控增益调整功能的芯片。 （2）ad603引脚排列是、功能及极限参数AD603的引脚排列如图1所示，表1所列为其引脚功能。AD603的极限参数如下：电源电压Vs：7.5V；输入信号幅度VINP：+2V；增益控制端电压GNEG和GPOS：Vs；功耗：400mW；工作温度范围；AD603A：-4085；AD603S：-55+125；存储温度：-651501.1.4 显示模块（LCD1602）:本次使用的是LCD1602显示增益，输入/输出。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点， 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。LCD1602 液晶显示模块可以显示两行，每行16 个字符，采用单+5V 电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极1.1.5模数模块（ADS1100）:ADS1100的引脚排列如图1所示，采用小型SOT23-6封装，各引脚的功能如下所述。引脚1（VIN+）：差分信号正输入端；引脚2（GND）：地线；引脚3（SCL）：串行时钟输入端；引脚4（SDA）：串行数据输入/输出端；引脚5（VDD）：+5V电压输入端；引脚6（VIN-）：差分信号负输入端。1.1.6数模转换器（DA0832）:1）主要性能 输入的数字量为8位； 采用CMOS工艺，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容； 数字输入可以采用双缓冲，单缓冲或直通方式； 转换时间：1us； 精度：1LSB； 分辨率：8位； 单一电源，5V15V，功耗20mW； 参考电压：+10V-10V。2）内部结构及引脚功能 图11. 1 DAC0832结构框图及引脚排列 内部结构 a 8位输入寄存器：可作为输入数据第一级缓冲； b 8位DAC寄存器：可作为输入数据第二级缓冲； c 8位D/A转换器：将DAC寄存器中的数据转换成具有一定比例的直流电流。 d 逻辑控制部分：0832芯片内部有两个数据缓冲器，分别由两组控制信号控制，当ILE=1 =0 =0时，D7D0上的数据锁存到输入寄存器中。 当 =0 =0时，输入寄存器中的数据被锁存到DAC寄存器中。 引脚功能 D7D0：8位数据量输入； ILE：数据输入锁存允许，高电平有效； ：片选； ：输入寄存器写信号，当ILE、 、 同时有效，数据装入输入寄存器，实现输入数据的第一级缓冲； ：数据传送控制信号，控制从输入寄存器到DAC寄存器的内部数据传送； DAC寄存器写信号，当 和 均有效时，将输入寄存器中的数据装入DAC寄存器并开始D/A转换，实现输入数据的第二级缓冲； VREF：参考电压源，电压范围为-10V+10V。 Rfb：内部反馈电阻接线端； IOUT1：DAC电流输出1。其值随输入数字量线性变化； IOUT2：DAC电流输出2。 当DAC寄存器内容全为1时，IOUT1最大，IOUT2=0； 当DAC寄存器内容全为0时，IOUT1=0，IOUT2=最大； 当DAC寄存器内容为N时，IOUT1=VREFN/（256Rfb），IOUT2= VREF/Rfb- IOUT1， 无论N值多大：IOUT1+IOUT2= VREF/Rfb（1-28）=常数VREF/Rfb。 Vcc：工作电源，其值范围为+5V15V，典型值为+15V； AGND：模拟信号地线； DGND：数字信号地线。1.1.7 MAX232:该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。1.第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。2.第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 3.第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。2.系统硬件设计与分析计算2.1系统硬件的基本组成部分(1)运放：该器件在本系中构成了同相、反相放大器，电压跟随器等重要器件。(2)电源：该本分由变压器、稳压电路构成。(3)模拟开关：该器件在本系统中担任了放大增益控制的功能，多作为比例放大 电器的反馈电阻选通器件。受单片机控制。(4)单片机：总控制器，但任外部命令的接受和执行，并且根据系统内部的反馈信息进行自动处理，保证系统内部正常工作。(5)模数、数模转换器：主要出现在AGC电路中，AD作为电压数据的采集，DA将内部需要反馈的信息以模拟状态输出。2.2主要单元电路的设计2.2.1 高频放大部分电路设计电路功能：该部分电路能够将1KHz20MH的模拟小信号放大060dB，误差1dB。能够完成5dB步进增长(1) 电压跟随：由于运放的阻抗可以近似认为是无穷大，而在实际电路中，为了不影响前级电路的正常工作，我们常常采用运放构成的电压跟随以提高输入阻抗，使电路稳定工作。在高频部分中，由于OPA642频率响应好，因此我们采用OPA642作电压跟随器。(2) AD603的使用：该方大部分采用典型接法中通频带最宽的一种，通频带为90MHz，增益为10+30dB，输入控制电压U的范围为0.50.5V。增益和控制电压的关系为：二级放大后，增益变为：一级的控制范围只有40dB，使用两级串联，增益为AG(dB)=40U1+40U2+20，增益范围是20+60dB，满足题目要求。(3) 连续增益调节：2.2.2 中低频放大部分电路设计电路功能：该部分电路能够将0Hz1KHz的模拟小信号放大060dB，误差1dB。(1) 电压跟随：而在中低频放大电路中我们直接采用OP07作电压跟随，原理在前文已作简要介绍。(2) OP07放大电路采用反相比例放大电路的方法连接短路，采用三级放大。具体连接方式见附录电路图。 2.2.3功放电路(1) 高频功率放大：选用两级三极管进行直流耦合和发射结直流负反馈来构建末级功率放大，第一级进行电压放大，整个功放电路的电压增益在这一级，第二级进行电压合成和电流放大 (2) 低频功率放大：TIP122与8050构成达林顿功放管。2.2.4 电源电路采用变压器、整流桥和稳压电路构成了18V、15V、5V直流电源。2.2.5 AGC电路设计该电路通过包络电路，经AD采样、单片机处理、应用DA将反馈信号回AD603,进行增益控制。2.2主要参数的理论计算与分析(1) 带宽增益积：根据要求，该放大器要能够放大至少10M频率的正弦波，增益至少60dB，根据带宽增益积的定义，其理论值至少为：(2) 通频带内增益起伏的控制：当输入信号的频率增加，放大器的增益会有所下降。为了获得稳定的放大增益，我们在放大信号的输出端设置一检波电路，产生电压包络。将输出端引入AD转换器，经过弹片机判断后将反馈信号返回给前端放大器，适当提高增益，使得增益稳定在要求的范围内。根据计算，包络电路参数如图所示。图 检波电路(3) 线性相位：一般地，一个单一频率的正弦信号通过一个系统，这个信号的输出相位可能落后于原信号的相位。而在实际系统中，一个输入信号可以分解为多个正弦信号的叠加，为了使得输出信号不会产生相位失真，必须要求它所包含的这些正弦信号通过系统