数控直流增益放大器论文

1、数控直流增益放大器论文 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 引言 宽带放大器是音响、有线电视、无线通信等系统中必不可少的部分，现在对放大器的发展做一个简要介绍： 工作频率上限与下限之比远大于1的放大电路。习惯上也常把相对频带宽度大于2030的放大器列入此类。这类电路主要用于对视频信号、脉冲信号或射频信号的放大。用于电视图像信号放大的视频放大器是一种典型的基带型宽带放大器，所放大的信号的频率范围可以从几赫或几十赫的低频直到几兆赫或几十兆赫的高频。这类放大器通常以电阻器为放大器的负载，以电容器作级间耦合。为了扩展带宽，除了使其增益较低以外，通常还需要采用高频和低频补偿措施，以使放大器的增益-

2、频率特性曲线的平坦部分向两端延展。可以归入宽带放大器的还有用于时分多路通信、示波器、数字电路等方面的基带放大器或脉冲放大器（带宽从几赫到几十或几百兆赫），用于测量仪器的直流放大器（带宽从直流到几千赫或更高），以及音响设备中的高保真度音频放大器（带宽从几十赫到几十千赫）等。用于射频信号放大的宽带放大器（大多属于带通型），如雷达或通信接收机中的中频放大器，其中心频率为几十兆赫或几百兆赫，通带宽度可达中心频率的百分之几十。随着射流技术的推广，液动或气动放大器的应用也逐渐增多。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶

3、体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大，主要形式有单端放大和推挽放大。此外，还常用于阻抗匹配、隔离、电流-电压转换、电荷-电压转换（如电荷放大器）以及利用放大器实现输出与输入之间的一定函数关系。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 1 课题的研究背景与前景 50年代末，美国在电子器件技术领域率先跨出一步，推出了时代骄子集成电路。 到了60年代末70年代初，集成电路以其质优价廉、多功能的特点开始在音频功率放大器上广泛应用。1977年，日立公司生产出了世界上第一只VMOS（Vertical Metal Oxide Semiconductor）功率管。 60年代，晶体管开始问世，从此揭开了现

4、代放大器的序幕。19701973年，是级间 全部直耦OCL（Output Capacitorless）方式的普及期；19741976年是DC（Digital Circuit）放大器全盛时期。70年代末至今，晶体管功率放大器得到了淋漓尽致的发挥，设计形式已相当多，这一切都为集成电路功放技术设计铺平了道路。 70年代到现在, 增加信号幅度或功率的装置。它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电

5、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。随着电子计算机和单片机的发展，具有时时显示增益值功能和程控可调的功能的放大器应运而生，新一代的宽带放大器不仅控制精度高，响应速度快，而且很容易与计算机实验通信，利用计算机实现控制，还可以进行远程在线控制，所以应用范围更广，生产成本更低。 2 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 2 方案设计 2.1 方案论证与比较 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,图为分立元件放大器电路图。为了满足增益60dB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实现自动增益的调节。本

6、方案由于大量采用分立元件，如三极管等，电路比较复杂，工作点难于调整，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。 图分立元件放大电路 方案二 为了易于实现最大60dB增益的调节，可以采用D/A芯片AD7520的电阻权网络改变反馈电压进而控制电路增益。又考虑到AD7520是一种廉价型的10位DA转换芯片，其输出Vout=DnVref/210，其中Dn为10位数字量输入的二进制值，可满足210=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、外围布线简化等特点，故可以采用AD7520来

7、实现信号的程控衰减。但由于AD7520对输入参考电压Vref有一定幅度要求，为使输入信号在mVV每一数量级都有较精确的增益，最好使信号在到达AD7520前经过一个适应性的幅度放大调整，再通过AD7520衰减后进行相应的后级放大，并使前后级增益积为1024，与AD7520的衰减分母抵消，即可实现程控放大。但AD7520对输入范围有要求，具体实现起来比较复杂，而且转化非线性误差大，带宽只有几kHz，不能满足频带要求。 方案三 根据题目对放大电路的增益可控的要求，考虑直接选取可调增益的运放实现，如运放AD603。其内部由R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯型网络输入端的信号经衰减后，由

8、固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制D/A芯片输出控制电压得来，从而实现较精确的数控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过40dB的增益，两级级联后即可得到口80dB以上的增益，通过后级放 3 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 大器放大输出，在高频时也可提供超过60dB的增益。这种方法的优点是电路集成度高、条理较清晰、控制方便、易于数字化用单片机处理。 2.2 运放介绍 2.2 .1运放发展史 第三种设计运用到两类运算放大器，下面对运算放大器作一下简单的介绍 图运放的电气图 运算

9、放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。 历史： 第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。 运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（a

10、nalog computer）的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。 1960年代晚期，仙童半导体（Fairchild Semiconductor）

11、推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为A709，设计者则是鲍伯韦勒（Bob Widlar）。但是709很快地被随后而来的新产品A741取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数 4 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。直到今天A741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。 2.2 .2运放原理 运放如下图有两个输入端a（反相输入端）,b(同相输入端)和一个输出端o.也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端.当电压加U-加

12、在a端和公共端(公共端是电压为零的点,它相当于电路中的参考结点.)之间,且其实际方向从a 端高于公共端时,输出电压U实际方向则自公共端指向o端,即两者的方向正好相反.当输入电压U+加在b端和公共端之间,U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同.为了区别起见,a端和b 端分别用-和+号标出,但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性.电压的正负极性应另外标出或用箭头表示.反转放大器和非反转放大器如下图： （a）正相 （b）反相 图运放的正反相 一般可将运放简单地视为：具有一个信号输出端口（Out）和同相、反相两个高阻抗输入端的高增益直接耦合电压放大单元，因此可采用运放制作同相、反相及差分放大器。

13、运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。 运放的输入电位通常要求高于负电源某一数值，而低于正电源某一数值。经过特殊设计的运放可以允许输入电位在从负电源到正电源的整个区间变化，甚至稍微高于正电源或稍微低于负电源也被允许。这种运放称为轨到轨（rail-to-rail）输入运算放大器。 运算放大器的输出信号与两个输入端的信号电压差成正比，在音频段有：输出电压=A0（E1-E2），其中，A0 是运放的低频开环增益（如 100dB，即 100000 倍），E1 是同

14、相端的输入信号电压，E2 是反相端的输入信号电压。运放种类 按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。 （1）通用型运算放大器 通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例A741（单运放）、LM358（双运放）、 5 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。 （2）高阻型运算放大器 这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid1G1T,IB为几皮安到几十皮安。实现这

15、些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。 （3）低温漂型运算放大器 在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。 （4）高速型运算放大器 在快

16、速A/D和D/A转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、A715等,其SR=5070V/us,BWG20MHz。 （5）低功耗型运算放大器 由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为2V18V,消耗电流为50250A。目前有的产品功耗已达W级,例如ICL

17、7600的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。 （6）高压大功率型运算放大器 运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达150V,A791集成运放的输出电流可达1A。 （7）可编程控制运算放大器 在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号

18、为1mv时,输出电压为10mv,当输入电压为时,输出就只有1mv,为了得到10mv就必须改变放大倍数为100.程控运放就是为了解决这一问题而产生得.例如PGA103A,AD603通 6 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数.本设计中就用到此类放大器。系统设计系统设计与总体流程 图系统总体流程图 根据题目的要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了整体的设计方案：以单片机89C51为核心，完成四个方面的功能：处理键盘数据，DA转化，控制放大器的增益，控制LCD显示。 首先由键盘输入控制数据； 控制数据进入单片机，经过运算，单片机做出相应的反应。 单片机

19、外围与DAC0832相连，实现将CPU输送的预置数字大小转换成对应的控制电压然后经过Tl074运放进行调整；使其能够达到我们的需求。增益控制电压输出到放大电路并且调节放大电路，使放大电路产生相应的变化，改变放大增益；从而达到步进增益的控制。 2.4 理论分析与计算及运大的选择带宽增益积 运放的带宽BW通常为截止频率fc，既Av*BW=常数。题目要求最大电压增益为60dB，且要求3dB通频带010MHZ，故我们选择的运放带宽应该超过10MHZ，这样才能满足题目要求。 2.4 .2通频带宽内增益起伏控制 输入信号源稳定，硬件性能参数稳定，电路抗干扰能力，输出带负载能力强就可较好的保证通频带宽内增益

20、起伏不超过1dB。 2.4 .3线性相位 线性相位的特点：一个单一频率的正弦信号通过一个系统，假设它通过这个系统的时间需要t，则这个信号的输出相位落后原来信号wt的相位。从这边可以看出，一个正弦信号通过一个系统落后的相位等于它的w*t；反过来说，如果一个频率为w的正弦信 7 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 号通过系统后，它的相位落后delta，则该信号被延迟了delta/w的时间。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的时间是一样的。因此每一个正弦信号的相位分别落后，w1*t，w2*t，w3*t

21、。因此，落后的相位正比于频率w，如果超前，超前相位的大小也是正比于频率w。从系统的频率响应来看，就是要求它的相频特性是一条直线。在FIR滤波器的设计中，为了得到线性相位的性质，通常利用实偶对称序列的相频特性为常数0和实奇对称序列为相频特性为常数90度的特点。因此得到的是对称序列，不是因果序列，是不可实现系统，为了称为物理可实现系统，需要将它向右移动半个周期，这就造成了相移特性随时间的变化，同时也是线性变化。 线性相位条件： 即如果单位脉冲响应h(n)（为实数）具有偶对称或奇对称性，则FIR数字滤波器具有严格的线性相位特性。 2.4 .4抑制直流零点漂移 理论上抑制零点漂移的方法有：?在电路中引

22、入直流负反馈；?采用温度补偿的方法，利用热敏元件来抵消放大管的变化；?采用“差动放大电路”。我们在本系统中通过选择的AD603，其内部带有直流负反馈和差动放大电路可较好的解决零点漂移的产生。 2.4 .5放大器稳定性 由于运算放大器及其电路中元器件本身会产生噪声，而且外界干扰或无用信号并且在放大器的某一端产生的电压或电流噪声或其相关电路也会产生噪声。干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声而且干扰源到处都存在：机械、靠近电源线、射频发送器与接收器、计算机及同一设备的内部电路(例如，数字电路或开关电源)。减小其反向传输导纳yre的值可提高电路的抗干扰性，或者在电路上设法消除晶体管的反向作用，使

23、它单向化， 2.4 .6 运放的选择 （1）AD603的相关资料 AD603是美国模拟器件（Analog Device公司的一高性能、低噪声、90MHz、增益可调的集成运放。常用于RF/IF的AGC控制、视频增益控制、A/D输入调整、信号测量等领域。其结构如图所示。 图2.4.1 AD603的管脚图 8 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 以下是它的一些具体参数： 电源电压Vs：； 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：-65150 可见AD603

24、由固定增益放大器、精确的无源R-2R梯形衰减网络、增益控制接口三部分 组成。由上图可知衰减网络的衰减范围，即增益可调范围为0，输入信号并不 直接加到放大器输入端，而是加到梯形衰减网络的输入端，这样就保证了固定增益放 大器的输入为一弱信号，使信号的失真将很小；带宽的设置与增益的调节相对独立。 图2.4.2 AD603功能框图 增益控制接口通过控制电压VG=GPOS-GNEG来控制片内的精确调节器来控制输入信号的 衰减量GA，增益控制接口的电压增益转换率为，即，其线性转 换曲线如图所示。其中对GPOS与GNEG只要求不超过电源电压，增益的调整与其 自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，并且控制电压

25、GPOS/GNEG端的输入电阻高达 50M，即输入电流很小，则片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响很小。以 上特点适合构成程控增益放大器。 9 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 图增益控制转换曲线 固定增益放大器通过在图4中FDBK与VOUT之间外加电阻实现运放的增益与带宽设置，当减小外部电阻时加大负反馈时，使增益减小而扩展带宽，反之则增大增益而减小带宽。其增益可由下式决定： 式 式中R外加电阻； GF固定增益放大器的增益。 当R为短路时，固定增益放大器的增益/带宽值为31.07dB/90MHg,当R为开路时,则为，考虑到梯形网络的衰减量,则AD603的整体增益可计算为： G=G

26、A+GF=4+GF 式 可见单级AD603可提供高达的动态范围，且增益可调易于程控，所以在本设计中选用其作为主放级。 从芯片厂商给的资料来看，AD603给出了三种典型的应用方法。 （1）单级-10db+30db,带宽90MHz接法 电路如图： 10 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 图2.4.4 -10db30db,带宽90MHz接法 2单级+10db+50db,带宽9MHz接法 电路如图： 图2.4.5 10db50db,带宽9MHz接法 3单级0db +40db,带宽30MHz接法 电路如图： 图2.4.6 0db40db,带宽30MHz接法 11 桂林电子科技大学毕业设计（论文）

27、报告用纸 此电路的优点是增益、带宽都是适中，经过两级放大，不仅可以满足题目要求，而且高出许多，所以是一个比较合适我们的电路，故我们采用这种接法作为放大电路部分。 因此1脚与2脚之间电压差与增益的关系式为 Gain=40VG+20 式 放大部分电路图如图所示： 图放大部分的总电路图 2.5 显示电路的设计 单片机应用系统的显示器件种类很多，但最常用的主要有两种：数码管显示即LED显示器；液晶显示即LCD显示器。从结构上，两种显示器又可分为段码显示和点阵显示。LCD显示器是近年来上市的一种被动发光式显示器，具有重量轻、功耗低、体积小、显示内容丰富、使用方便等特点，在通讯、仪器仪表、电子设备、家用电

28、器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，使这些电子设备的人机界面变得越来越直观形象，目前已广泛应用于电子表、计算器、液晶电视、复印机等许多方面。基于我们电路需要显示字符，故选用TC1602液晶模块。 2.5.1 TC1602液晶模块 字符型液晶是一种使用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，我们选用的则是最常用的2行16个字的1602液晶模块。TC1602液晶模块的引脚图如下所示： 12 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 图2.5.1 1602液晶模块引脚图 各引脚功能分别如下： 第1脚：VSS为电源地，接GND。 第2

29、脚：VDD接5V电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整. 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号献，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第15脚：BLA背光电源正极（5V）输入引脚。 第16脚：BLK背光电源负极，接GND。 1602液晶模块内部的控制器共有11条控制令，如表所示。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 13 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用

30、纸 1602液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）存储了192个57点阵字符，32个510点阵字符。另外还有字符生成RAM（CGRAM）512字节，供用户自定义字符。如表1所示，这些字符由：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如小写英文字母“a”的代码是01100001（61H）,显示时模块把地址61H的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“a”。 指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置 指令2：光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示模式设置 I/D: 光标移动方向，高电平右移，低电平左移； S:

31、 屏幕上所有文字是否左移或者右移，高电平表示有效，低电平则无效 指令4：显示开关控制 D: 控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示； C: 控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B: 控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令5：光标或显示移位 S/C: 高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令6：功能设置命令 DL: 高电平时为4位总线，低电平时为8位总线；N: 低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F: 低电平时显示57的点阵字符，高电平时显示510的点阵字符 指令7：字符发生器RAM地址设置 指令8：DDRAM地址设置 指令9：读忙信号和光标

32、地 BF: 为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙 指令10：写数据 指令11：读数据 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一点要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符的地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表是TC1602液晶模块的内部显示地址。 表2.5.2 1602液晶内部显示地址 例如第二行第一个字符的地址是40H，要将光标定位在第二行第一个字符的位置，则实际应写入的数据应该是01000000B(40H)10000000B(80H)11000000B(0C0H)，因为写入显示地址时要求最高位D

33、7恒定为高电平1。 14 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 在本设计电路中，采用P1口作为1602液晶显示模块的I/O口，P0作为控控制口，由于P0口本身是不带上拉电阻，所以本电路中使用一个10k排阻作为P0口的上拉电阻。显示电路接线如下图。 图显示电路接线图 15 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 3 电路设计 本控制核心是AT89S51单片机，所以首先必须对单片机的基础知识有所了解。下面就关于单片机的一些基础知识 3.1 AT89S51系列单片机介绍及其应用 3.1.1 单片机基础知识 单片机，其全称为单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),亦

34、称为微控制器(Micro-controller)，就是将CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多种接口电路都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此，一块芯片就构成了一台计算机。由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，故在国民经济建设、军事及家用电器等领域均得到广泛的应用。如在家用电器、玩具、声像设备等产品中引入单片机，不仅使产品的功能大大增强，而且获得了良好的使用效果。 （1）单片机的发展历史及趋势 单片机的发展历史可划分为三个阶段： 第一阶段(1974年1976年)：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片形式，而且功能比较简单。例如仙童公司生产的

35、F8单片机。 第二阶段(1976年1978年)：低性能单片机阶段。以Intel公司的MCS48系列单片机为代表。这种单片机片内集成有8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM及ROM等。不足之处是无串行口，中断简单。 第三阶段(1978年至今)：随着芯片制作工艺、技术水平的不断提高和单片机需求量的不断加大，单片机的性能价格比不断攀升，呈现出一派欣欣向荣的景象。单片机技术的开放性、生产商的竞争激烈性和广泛的市场需求等因素，无疑为单片机的飞速发展提供了强大动力。因此，单片机应用开发成为当今电子工程技术人员急需掌握的技术。 单片机逐渐向着微型化、低功耗、高速化、集成资源更多、性能更加优异、

36、通信及网络功能加强、专用型单片机发展加快等方面发展。 （2）单片机的应用领域 普通认为单片机是将CPU、ROM、定时器以及输入输出(I/0)接口电路等计算机主要部件集成在一块芯片上，这样所组成的芯片级微型计算机称为单片微型计算机，简称为单片微机或单片机。由于单片机的硬件结构与指令系统都是据工业控制要求设计的，常用于工业的检测、控制装置中，因而也称为微控制器(Micro-Controller)或嵌入式控制器(Embedded-controller)。 单片机是为了实现控制功能而设计的一种微型计算机。它的应用首先是控制功能，即在于实现计算机控制。其实现手段采用嵌入方式，即嵌入到对象环境中作为一个智

37、能化控制单元。由于被控对象种类繁多，其应用也非常广泛。 16 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 （3）AT89S51芯片的引脚图 图3.1.1 AT89S51引脚图 （4）AT89S51芯片的引脚功能 VCC：电源 GND：地 P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有

38、内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，和分别作定时器/计数器2的外部计数输入（）和时器/计数器2的触发输入（），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（I

39、IL）。在 17 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL

40、）。P3口亦作为AT89S51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 表3.1.2 P3口引脚第二功能 RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉

41、冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S51从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号

42、。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 （5）存储器结构 MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都 18 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 可以64K寻址。 程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S51，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地

43、址为：2000HFFFFH。 数据存储器：AT89S51有256字节片内数据存储器。高128字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV 0A0H , #data 使用间接寻址方式访问高128字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口。MOV R0 , #data 堆栈操作也是简介寻址方式

44、。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。 （6）AT89S51的中断功能 AT89S51有6个中断源：两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。这些中断如图所示。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。如表5所示，位是不可用的。对于AT89S51，位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。 表3.1.3 中断允许控制寄存器 (MSB) 定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的“或”逻辑触发。程序

45、进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。 定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的 19 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2的标志位TF2在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。 3.2 DA转化电路 D/A转化部分由DAC0832D/A转换和TL074运放组成。增益预置值通过键盘输入之后，经过单片机运算后送至D/A转换器转换成0+1V的控制电压。下面得绍一下DA转换芯片DAC0832

46、。转换器DAC0832 DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。如图所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量V0为： 图3.2.1 DAC0832内部结构 由上式可见，输出的模拟量 与输入的数字量（ ） 成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。图是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。

47、20 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 图3.2.3 0832DAC内部结构以及引脚图 DAC0832的主要特性参数如下： 分辨率为8位； 电流稳定时间1us； 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电（+5V+15V）； 低功耗，200mW。 DAC0832结构： D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)； ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻

48、辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存； XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。 IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整

49、转换满量程精度； 21 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V； VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V； AGND：模拟信号地 DGND：数字信号地 DAC0832的工作方式： 根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 图的典型接法 电路图如上图所示,此接法是用DAC0832的直通方式,只要二进制数据送到DAC0832的数据口,则会自动把数据转为相应的电压.但运放是如图的电压则输出一般不可能达到基准电压.要想达到基准电压则要提高运放的

50、电压.当基准为负是,只要提高运放的正电压就可以使输出达到基准电压了,当基准为正是,则为提高运放的负电压,一般的运放提高两伏就可以了,但不同的运放会有些区别. 3.2.2 手动增益预制和控制的实现 开环增益手动控制的基本思路是由单片机数字程控，经D/A转换产生控制输出电压并使加到AD603的1脚来实现。由于时间有限所以我们每用单片机实现自动控制电压。而我们利用单片机使得输出电压以25mv/db增加，然后控制输出电压的变化范围在0-1v之间，而我们再AD603的2脚上加一个的电压这样就可以产生运放所需要的控制电压之间，提供给AD603。 22 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 3.2.3

51、单片机系统 单片机是整个放大器控制的核心，它主要完成以下功能：接受用户按键信息以控制增益；对AD603的增益控制电压进行控制。控制部分以AT89C51单片机为核心，LCD显示及键盘组成。 D/A转化部分由DAC0832D/A转换和TL074运放组成。增益预置值通过键盘输入之后，经过单片机运算后送至D/A转换器转换成0+1V的控制电压。DAC8032是8位的D/A转换器，8位数据可以表示256种状态，我们只取前40种。对应40dB的增益，步进为1db。原理图如图 图控制系统的原理图 3.3 软件模块的设计 本设计可以用C语言编程序，也可以用汇编语言编程序，本人选择了用C语言编写程序。主要编程序来

52、控制定时、计时中断、和输出等。下面介绍C语言编程的优点。C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程 23 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读

53、性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。 软件部分是用来配合硬件电路，控制后面电路的响应，以实现设计预定功能。其主要由几部分功能组成：1显示部分，主要显示增益值的大小，调节增益时有个更直观的了解。2键盘扫描部分和数值处理部分，由于控制电压只用了一个运放并输出的是负电压，所以对输入的数据得做一个数值处理方才能进行DA转换。 软件设计思路：设计预置和即进调节的两种模式，并用按键在两种模式中进行切换，在不同模式下都可以用键盘进行调节，区别是在预置调节中，输出电压并不随调节量改变，而即时模式是随调节量变化而变化。 主程序流程图 图软件流程图 24 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告

54、用纸 各个功能有不同的模块实现： 键盘检测模块：纪录用户对键盘的操作，将设定的增益数值记录下来，扫描调节模式，判断是预置还是即时调节，并由键盘切换。 控制电压生成模块：根据用户对增益的设置，根据相应的算法将设定值通过数模转换成相应的电压值，从而进行调节。 显示模块：通过1602显示可能看到两种模式下的调节方式，和放大倍数的增减，键盘操作记录等一些信息。 25 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 4 软硬件调试 先检查电路板有没有短路、断路、虚焊，等现象。上电之前，先用万用表检测是否有短路，如果是因为电路板没有腐蚀好，应该将挨在一起的线割开。再检查电源线和地线，看是否短路，如果短路，及时修正。在调试过程中会遇到很多问题，首先要分析是硬件问题还是软件问题，而两者调试又是紧密相关的。调试时可以用软件（简单没有错误的程序）来检查硬件是否存在问题。调试的目的是让运行结果与设想的结果一致，否则就得继续修改，直到满足要求为止。 4.1 硬件调试 放大电路调试 在放大电路调试时，一开始想简化电路，想利用偏置电压而去掉负电源供电，结果调试了很久都不能出波形，找了很久的原因才找到，重新修改了一下方案，用负电源调试时，示波器显示全是杂波，以为是AD603芯片出问题了，后来一想，可能是高频干扰太大，