可控放大器 成功作品.doc

2012年福建省大学生电子设计竞赛可控放大器（第一题）【通用组】组 长：吴 志 添成 员：彭 月 娥练 为 琪指 导 人：陈俊老师2012年8月22日III目 录1系统方案11.1程控放大模块的论证与选择11.1.1 前级放大模块的论证与选择11.1.2 后级放大模块的论证与选择11.2程控滤波模块的论证与选择2比较上述四个方案，方案四具有明显的优势，所以选择方案四。21.3 控制系统的论证与选择21.3.1 单片机控制模块的论证与选择21.3.2 显示模块的论证与选择21.4 电源模块的论证与选择32系统理论分析与计算32.1 程控放大模块的分析与计算32.1.1 前级放大模块32.1.2 后级放大模块42.2 程控滤波模块的分析与计算42.2.1低通滤波器42.2.2高通滤波器42.2.3 带通滤波器43电路与程序设计53.1电路的设计53.1.1系统总体框图53.1.2 程控放大模块子系统框图与电路原理图53.1.3程控滤波模块子系统框图与电路原理图63.1.4电源73.2程序的设计83.2.1程序功能描述与设计思路83.2.2程序流程图84测试方案与测试结果104.1测试方案104.2 测试条件与仪器104.3 测试结果及分析104.3.1测试结果(数据)104.3.2测试分析与结论10附录1：电路原理图12附录2：源核心程序14摘 要 本设计由本系统主要由程控放大模块、程控滤波模块、电源模块、单片机控制和显示模块五个模块构成。电源本着低噪声、稳定可靠的原则，设计了12V、5V和可调任意电压的工作电压；程控放大模块用AD603可控增益放大器芯片设计成高增益，高宽带直流放大器，放大倍数在20-60dB之间进行调节（实际可超过55dB），最小增益为0.1dB；程控滤波模块采用开关电容式滤波器芯片MAX262，通过程序控制对该芯片进行Q值，阶次，中心频率/截止频率的设置，可以实现低通、高通、带通等等滤波器设计，而且控制简单，且精度较高；采用AT89C52单片机控制数模转换（DAC0832）进行程控放大模块、程控滤波模块；系统具有按键输入预置，程控增益可调和液晶显示，具有很强的实际应用能力。 关键词：程控放大器 AD603 DAC0832 程控滤波器 MAX262可控放大器（第一题）【通用组】1系统方案本系统主要由程控放大模块、程控滤波模块、电源模块、单片机控制和显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1程控放大模块的论证与选择放大器的输入信号振幅为20mv，属于微弱信号。为了提高其信噪比，便于后级处理，我们对输入信号进行了一级固定增益放大。考虑到题目要求的动态范围较宽，我们把增益调节部分设置为两级。结构框图如下Ad603程控放大后级放大器输入信号信号输出放大器结构框图1.1.1 前级放大模块的论证与选择方案一：采用模拟开关或继电器作为开关，由单片机控制继电器或模拟开关的通断，从而形成不同的电阻组合方式来改变电压增益。电阻的组合用模拟开关或电磁继电器控制导通、断开。此方案的优点在于继电器的导通电阻小，断开电阻大，损耗较少。且有很好的隔离作用，但缺点是需要同时采用多个电磁继电器，所以电路比较繁杂，且占用体积大，浪费资源，不易调试。 方案二：采用控制场效应管的Vgs 来控制Rds 电阻，用单片机来改变增益倍数，通过改变反馈量的大小来实现增益控制。此方案的优点是电路简单，但是增益精度不够高。方案三：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。采用AD603模式二将控制电压控制在-0.5V+0.5V之间，就能保证放大器放大倍数在0dB40dB之间连续可调，根据程序设计，可以保证放大倍数最小步进为0.1dB。此方案具有较高的增益控制精度，并且电路不复杂，思路清晰，容易实现。综合考虑采用方案三。1.1.2 后级放大模块的论证与选择方案一: 采用简单的分立元件，可以利用三极管、电阻电容搭建放大电路，此方案原理简单，但是不可控因素多，电路稳定性差，受干扰严重，调试麻烦。方案二: 采用集成运放构成同相比例放大器，电路简单，放大倍数稳定。NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。综合考虑采用方案二。1.2程控滤波模块的论证与选择方案一：设计电阻可调的RC有源滤波器。利用数字电位器代替RC有源滤波器其中一个电阻达到对该滤波器截止频率的改变。但此方案由于单电阻对截止频率调节范围的局限，同时数字电位器也存在量化程度的局限，很难实现高精度。方案二：数字滤波法。FPGA内部写滤波器，实现模拟滤波的数字化。数字滤波器的中心频率可通过送入不同的抽头系数而改变。它的滤波特性好，可靠性高，无需改变硬件，程控方便。但是，实际尝试发现，要达到较好的滤波效果，滤波器的阶数都在几十阶，占用系统资源巨大。而且在滤波器前要加入取样保持电路和模数转换器，滤波后需要DA转换输出，增加了对系统硬件的要求。方案三：采用连续时间方式有源滤波器芯片，通过选通外围设计电阻来实现截止频率可调。此方案要实现1KHz步进可调，就需要构建庞大的电路，无论从焊接和调试的角度都不可取。方案四：采用开关电容式滤波器芯片MAX262。通过程序控制对该芯片进行Q值，阶次，中心频率/截止频率的设置，可以实现通用的滤波器设计，而且控制简单，且精度较高，阻带衰减程度也能满足要求。比较上述四个方案，方案四具有明显的优势，所以选择方案四。1.3 控制系统的论证与选择1.3.1 单片机控制模块的论证与选择本设计采用的CPU是51系列单片机中的AT89C52芯片，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C52控制模块利用外部12MHz的晶振让单片机内部工作，晶振旁边所接的两个小电容是为将晶振的一些杂波进行一个过滤，即起着一个滤波器的作用，能够更好的提高系统的稳定性。复位电路采用按键即复位的形式，当9脚为高电平的瞬间，单片机复位，即单片机重新开始工作，原来存储在单片机中的内容会消失，复位电路下面采用的电阻是起着一个保护的作用，能够控制电流值而不让单片机损坏。D/A转换采用的是DAC0832芯片进行D/A转换，DAC0832输出的信号是电流信号，因此抗干扰能力很强，精度较高，输出电路采用LM358构成的后级电路，将电流信号转换为05V的电压信号，以便于后级电路的使用。DAC0832市场上比较常见且较便宜的8位D/A转换芯片。1.3.2 显示模块的论证与选择对于程控放大模块，因为显示字符数较少，故采用是16引脚线的LCD，能够同时显示16*02即32字符（16列2行），1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符包括：阿拉伯数字，英文大小写，常用符号等，每个符号有一个固定的代码，代码采用ASCII码编码，在本试验中直接编程即可，1602液晶是通过先选择所要显示字符的位置，然后再将所要显示的字符代码写入以完成一个字符的显示。对于程控滤波模块，由于字数显示数较多，故采用LCD12864液晶。12864液晶带中文字库的12864 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。1.4 电源模块的论证与选择本设计所使用到的电源为+5V,-5V,+12V,-12V的电压，因为采用的电源比较多，市场上所提供的电源很难驱动，因此本实验采用7805，7812，7905，7912自己设计构成的线性稳压电源，能够提供足够的电压与电流来保证本试验的进行。经过试验的验证本电压稳定性好，在小信号020MHz的带宽中能保证试验的效果，而不会因为电源而带入干扰而使输出信号波形发生变化。本电源先通过变压器将220V的交流电降压为15V的交流电，然后通过整流二极管进行整流，随后通过电容滤波器与稳压器（7805，7812，7905，7912）最后输出电压还要通过多级滤波电路，以保证输出的直流电压稳定而不含有高频分量，以免对试验产生干扰。2系统理论分析与计算2.1 程控放大模块的分析与计算 由前级放大模块AD603放大63倍，后级放大模块放大10倍，总增益达到56dB。2.1.1 前级放大模块通过TL431与精密可调电阻调节一个2.5V的电压与控制模块DAC0832产生的05V的电压做减法运算得到（-2.5V+2.5V），在后级电路上进行分压（是输入信号的五分之一）从而得到（-0.5V+0.5V）提供给AD603的Vg。AD603中 VOUT与FDBK之间外接一个电阻REXT，FDBK与COMN端之间接一个5.6uF的电容频率补偿。本设计中，增益G(dB)与控制电压VG之间的关系为： 其中（单位为伏特），Goi分别为三种不同模式的增益常量：GO1=10dB，GO2=1030dB（由REXT决定，当REXT=2.15千欧时，GO2=20dB），GO3=30dB。我们采用方式二，GO2=20dB。最小步进能达到0.1dB。2.1.2 后级放大模块利用NE5532接成同相放大模式：其中R11=1K，调节RP7=9K，放大10倍。2.2 程控滤波模块的分析与计算MAX262电路由芯片AT89C52的P0口来控制，由单片机的P0.0P0.5口及P2.1将数据送入存储器74HC573存起来，再送入MAX262。通过设置相应的参数，可实现低通、高通、带通滤波。前级采用OP07运放隔离缓冲。后级采用NE5532缓冲。2.2.1低通滤波器根据题目要求有：滤波器设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz10kHz范围内可调，调节的频率步进为1KHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k。则MAX262工作设置为方式一。方式一可以很好的实现全极点低通和带通滤波器，如巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔等。它有较高的fo和fn。 查表，可得低通编码程序地址单元。2.2.2高通滤波器根据题目要求有：滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz10kHz范围内可调，调节的频率步进为0.5kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB, RL=1k。则MAX262工作方式设置为方式三。方式三是实现高通滤波器的唯一方式。工作时钟频率略低于方式一。 查表，可得低通编码程序地址单元。2.2.3 带通滤波器根据题目要求有：带通滤波器，中心频率25kHz，通频带5kHz，在20kHz和30kHz频率处，要求放大器与带通滤波器的总电压增益不大于45dB。MAX262工作于方式一。为w=wo处的带通输出增益。为复数极点对的中心频率。输出相移-180.查表，可得低通编码程序地址单元。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图1所示：图1 系统总体框图3.1.2 程控放大模块子系统框图与电路原理图1、程控放大模块子系统框图图2 程控放大模块子系统框图2、前级放大模块子系统电路图3 前级放大模块子系统电路2、后级放大模块子系统电路图4 后级放大模块子系统电路3.1.3程控滤波模块子系统框图与电路原理图1、程控滤波模块子系统框图图4 程控滤波模块子系统框图2、程控滤波模块子系统电路图图4 程控滤波模块子系统电路图3.1.4电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现频率、幅值的设置和显示。1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。3.2.2程序流程图开始键盘检测有键入？将键盘值读入单片机读入三位？读单片机存储器数据，端输入DAC0832调用延时程序NNYY4测试方案与测试结果4.1测试方案利用函发产生测试信号输入，调试电路，用示波器测输入、输出数据并记录，分析数据。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：函数信号发生器、数字示波器，数字万用表。 4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)放大器增益的测试数据结果 表1 放大器增益的测试数据结果 输入信号频率100Hz实际增益(dB)26.136.246.256.2预置增益（dB）26364656相对误差0.3%0.6%0.4%0.3%10kHz实际增益(dB)26.136.346.356.3预置增益（dB）26364656相对误差0.3%0.8%0.6%0.5%20kHz实际增益(dB)2636.146.156.1预置增益（dB）26364656相对误差0.0%0.3%0.2%0.2%50kHz实际增益(dB)25.735.845.855.7预置增益（dB）26364656相对误差1.0%0.6%0.4%0.5%低通滤波器截止频率的测试数据结果 表2 低通滤波器截止频率的测试数据结果预置值(kHz)3456789实测值(kHz)2.83.84.75.96.88.39.4相对误差6.7%5.0%6.0%1.7%2.8%3.8%4.4%高通滤波器截止频率的测试数据结果 表3 高通滤波器截止频率的测试数据结果 预置值(kHz)5.56.06.57.07.58.08.5实测值(kHz)5.05.55.96.67.07.47.6相对误差9.1%8.3%9.2%5.7%6.7%7.5%10%4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据, 由前级放大和后级滤波模块来看，由此可以得出以下结论：1、首先前级AD603放大数据到达了电压增益误差小于5%，完全达到实验要求。2、放大器输出波形在幅值较小时信噪比较低。3、最后后级输出MAX262和实际的数据有些出入，由于采用的是开关电容，而且时钟频率和中心频率比有频段限制，时钟频率无法达到3K以下的实验要求，其他数据基本实现题目要求。4.最后，补充设计了发挥部分带通，采用另外一套方案，LTC1068可以比较合理的实现带通的设计要求,由于还没完全调试好，带通滤波器的中心频率与理论值误差相比较大。综上所述，本设计基本达到设计要求。 14附录1：电路原理图1附录2：源核心程序#include#include#include#define nop _nop_()#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define fclk 2 /2Mhz 即2000khz，和后面0.637恰好抵消小数部分/* IO口引脚定义*/ P0.3P0.0- A3A0/ P0.5P0.4- D1D0/ P1.0 - WRsbitsbit WrMax262=P10;/*函数声明*/void Filter(uchar way,float f,float q,uchar whichone);void TransFilter(uchar ContrData);uchar Fn(float f);uchar Qn(float q);/*max262控制字子程序*/void Filter(uchar way,float f,float q,uchar whichone) uchar i; uchar fn0; u