TI杯报告_二工大_13组_可控增益放大器..

1、2012 TI杯上海大学生电子设计邀请赛可控增益放大器技术报告参赛学校：上海第二工业大学可控增益放大器摘 要：本系统以 MSP430G2553 作为可控增益放大器的控制核心， 选用乘法器 型DA 芯片 DAC8043 和高性能音频运算放大器 0PA161K 建了一个程控衰减器和 一个程控增益放大器， 实现信号链路的衰减及放大； 选用另一片高性能音频运算 放大器0PA1611 搭建一个电压跟随器和一个电压比较器， 作为输出信号的反馈回 路；MSP430G2553 通过对反馈电路的峰值信号采样，经 PID 算法控制衰减器和 增益放大器，从而使系统达到对信号源的可控放大与自动增益控制等功能。关键词：

2、可控增益；MSP430G2553ZDAC8043 0PA1611 PID 算法目录1. 设计要求2. 方案比较与论证 .23. 理论分析与计算 .44. 电路与程序设计.75. 测试结果与分析 .12- 1 -一、设计要求1基本要求设计一个负载为 1K 欧姆的可控增益放大器，可控增益放大器的放大倍数从1 至 128 倍可调；通过按键短按，控制步进为 4 倍循环（1，4，16，64, 128，1，）;（1）输入信号为频率为 1KHz， 200mVpp 的正弦信号时，在所有增益条件下：a.增益精度高于 1 ；b.无明显波形失真；（2） 输入一个 1KHz， 200mVpp 的方波，在所有增益条件下

3、，a.输出方波没有形态失真（输出变为三角波/ 正弦波，或有寄生振荡频率） ；b.输出方波的过冲不超过 5；c.输出方波的上升到 90的上升时间应小于 80uS;（3）制作一个 100mV 的直流电平（用万用表测量） ，做为可控增益放大器的输入，在增益 为 128倍时：a.用万用表测量得到的输出电压误差不超过 1；b.用示波器测量得到的电压纹波不大于 1； 2发挥要求1 ）基于基本部分的可控增益放大器，设计一个自动增益控制器。长按按键可进入（LED亮）或退出（LED 灭）自动增益控制器功能，当向可控增益放大器输入1KHz, 200mVpp 2Vpp 间变化的正弦信号或其他波形信号时：a.输出波形

4、稳定在 0.5Vpp，幅度精度为 1%;b.频率和波形不变；c.响应时间小于 1s;并尽可能提高响应速度；（ 2）将输入信号扩展为成自动增益控制功能：1KHz, 20mVpp 20Vpp 间变化的正弦信号或其他波形信号时，元a.输出波形稳定在 0.5Vpp，幅度精度为 1%;b.频率和波形不变；c.响应时间小于 1s;并尽可能提高响应速度；d.在自动增益控制模式下，通过按键短按，输出信号的幅度可以在0.5Vpp， 1Vpp和 2Vpp 间切换;二、方案比较与论证由于题目基本部分要求实现增益在1、4、16、64、128 下循环，需要对输入信号进行-2 -放大，电路中可能会叠加进高频噪声，需要对信

5、号进行滤波，发挥部分要求在电压输入波动的情况下输出稳定在 0.5Vpp，需要反馈电路来确定输出是否稳定，因此本系统主要由程控 增益放大器模块、电压反馈模块、信号输入输出极滤波模块、以MSP430G2553Z 单片机为控制核心的控制模块组成，下面分别论述这几个模块的选择。1.程控增益放大器模块方案一：设计低通滤波器硬件实现 PWM 信号转换成直流信号，用作 DAC 的参考电压。 此方案电路简单，但是系统的频率响应及精确度受到低通滤波器的截止频率及PWM 的时钟频率限制。方案二：选用乘法器型 DA 芯片 DAC8043 和高性能音频运算放大器 0PA1611 搭建一个程 控增益放大器。这种程控增益

6、放大器可以快速并稳定的达到设定的放大倍数，精确度高。缺点是相对方案一功耗大。通过方案比较，为了简单，稳定，快速的达到设定的放大倍数，决定采用方案二。2.电压反馈模块方案一：采用小功率整流滤波电路对放大后信号进行整流滤波，AD 采取直流信号。此方案便于 MSP430G2553Z 的 ADC 快速采样，但是电路复杂，响应慢，且纹波大。方案二：选用 0PA1611 搭建一个电压跟随器和一个电压比较器，采样原理如图 1 所示，比较器对放大后的信号进行过零比较，得到矩形波，单片机以上升沿为标准延时到信号的峰值电压，并且启动 ADC 采样，从而准确的得到峰值电压。相对方案一，此方案软件算法较 复杂，延时受

7、信号周期限制。但是其电路简单，采样准确快速而且直接得到峰值电压，适应频率固定的各种波形。11111 11I. 1111/fl / ； ADC;乘样iiiL _ i._ _ L _iiiiiiiii、- i_ 丄_ / 5”i1111iiii|.iiiii:图 1 比较波形考虑到题目要求原始信号都为1KHz,为了准确稳定得到信号反馈电压，决定采取方案. o- 3 -3.信号输入输出极滤波模块 通过对原始信号的观察发现，信号链中存在高频信号干扰，对此在信号链的输入端接 入滤波电容，在输出接低频滤波电路。下面对输出低频滤波电路论证比较。方案一：采用 RC 无源低通电路。此方案电路简单，低功耗，可以有

8、效的滤去高频信号， 缺点是输出阻抗大，驱动能力弱。方案二：采用有源二阶低通滤波电路，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低，驱动能力 强。缺点是元件较多，电路复杂，耗能较大。因为信号链中的干扰信号一般在1MHz 以上，考虑到原始信号为 1KHz 及电路的低功耗,决定采用方案一。-4 -、理论分析与计算通过各模块的方案论证最终得出系统框图，如图可控增益放大模块图 2 系统框图题目基本部分中要求信号放大都在1 倍以上，所以在对基本部分信号处理中，程控衰减器不做衰减功能，只需通过程控增益放大器做放大处理，经滤波器滤波便可得到要求的电压峰峰值。下面给出程控增益放大器的设计：可程控增益放大器采用 1 片乘法器型

9、 DAC8043 和 1 片音频运算放大器 0PA1611 组成。如图 3 所示，DAC8043 内部是一个可控的电阻网络，通过 12 个电子开关控制该电阻网络 Vref与 OUT 两端的电阻值。用 DAC8043 内部电阻网络代替反相放大器的反馈电阻和用DAC8043内部的电阻 RFB 代替反相输入端电阻，由此可得到一个增益可控的反相放大器，如图4 所示。2 所示。-5 -图 3 DAC8043 内部结构图-6 -图 4 程控增益放大器增益与 DAC8043 控制字 CODE 关系表达式推导如下：Vout/R = - ( VIN/ RFB)x (4096/ CODE) ;.( 1)RFB=R

10、; .( 2)Vout = - VINx 409& CODE; .( 3)由于存在如图 5 所示的后级 RC 无源低通滤波器，所以放大可能会有小的损耗，下面给出如 图 6 所示的 RC 无源低通滤波电路图的相应特性曲线：Input丽Output*- - 2kQC1= 1nF图 5 RC 无源低通滤波器图 6 RC 低通滤波器频响特性曲线Frequency (Hz)(HP u运Q-7 -由图 6 可知无源低通滤波器对于1KHz 信号的衰减几乎为零，所以上述方案可行。-8 -发挥部分需要设计一个自动增益控制器，所以引入了图2 中的电压反馈模块，由于输入电压的最大为 20VPP 且要求输出波

11、形稳定在0.5Vpp，所以引入程控衰减器。首先对原信号进行衰减，防止进入增益放大器的电压大于0.5Vpp，然后再由增益放大器进行放大，使电压峰峰值达到 0.5Vpp,由反馈电路取得当前电压，经主控芯片 PID 算法控制控制程控衰减器与程控增益放大器，从而使输出电压的峰峰值稳定在0.5Vpp。下面给出程控衰减器的设题目中要求输入信号的电压范围为20mVPP20VPP,且输出信号的电压稳定在 0.5VPP,所以本可控增益放大器在信号输入级与可控放大器电路之间加入了由一片DAC8043 和一片0PA1611 组成的可控衰减器电路，对VPP 超过控制范围的信号进行衰减。用DAC8043 内部电阻网络代

12、替反相放大器的反相输入端电阻和用DAC8043 内部的电阻 RFB 代替反馈电阻，信号从 VREF 端输入，从运放输出端输出，由此可得到可控衰减器，如图7 所示。输入输出与 DAC8043 控制字 CODE 关系表达式推导如下：Vout/RFB = - (VREF /R * (CODE/4096);. ( 4)RFB = R .( 5)Vout = -VREF * CODE/4096;RR RWEFVWT-I2R V2RVMSB图 7 程控衰减器(6)2R 2R-9 -此外，题目中要求可控增益放大器的负载为1K 欧姆，为了提高可控增益放大器的带负载能力，在可控增益放大器输出部分加入一级由1 片

13、 OPA1611 构成的电压跟随器。-10 -四、电路与程序设计根据方案论证与理论分析，最终得出系统主控模块外的硬件电路，下面给出系统主控模块外的硬件电路，如图 8 所示。图 8 系统主控模块外的硬件电路下面给出系统软件算法框图。1系统总控制方案如图 9 所示，系统开机之后立即进行 ADC 模块，Timer 模块，以及各全局变量初始化, 初始写入放大器增益为 1。随后开始循环检测用户按键，若检测到短时间按键则执行固定增 益控制模式，固定增益模式流程图见图10；若检测到长按键则进入自动增益控制模式，包括初始化和开启 5mS 定时采样中断，具体自动增益控制流程图见图11.-11 -图 9 系统总流

14、程图2固定增益控制设计如图 10 所示，当单片机每检测到一次短按键，系统内状态变量Status 进行自加操作，且判断 Status 是否大于 4,若 Status 大于 4, Status 进行置 0 操作。最后将 Status 按照图中关系转换成放大倍数，写入程控放大器。-12 -图 10 固定增益控制流程图3自动增益控制设计如图 11 所示，当系统进入自动增益控制模式，首先捕获采样同步信号上升沿，然后进行信号 1/4 个周期的延时，开启 AD 转换，将转换结果送入增量式PID 调节器，计算出放大倍数，输出到可控放大器。图12 为增量式 PID 放大器系统框图，先得到目标值的偏差，通过事先整

15、定好的 PID 参数算出需要控制放大器的倍数，为了避免出现放大倍数变量溢出，PID 输出进行限幅处理。XTi -；科KPQ、0 : 11:42 : 163:64A :J-13 -疋时中断- -常吐尤円D诧节- -J-36-芦S阳刖常巧问也号h.BiBP1圧i进人:IIAUHR-枚丸图 11 自动增益控制流程图-14 -叼部更然：*1. dehddm：臣0 Ml, Ki 0. 0+2. Kd O.期；_丿图 12 增量式 PID 调节器流程图厂曙迫式pm训节器甥數茨、-15 -五、测试结果与分析1.基本要求部分题目要求测试结果输入信号为频率为 1KHz, 200mVpp 的正增益输出信号 Vpp

16、 及波形情况弦信号时，在所有增益条件下：1200.50mV,无明显波形失真。a.增益精度咼于 1%;4801.00mV,无明显波形失真。b.无明显波形失真；163200.80mV,无明显波形失真。6412801.20mV,无明显波形失真。12825602.00mV,无明显波形失真。输入一个 1KHz, 200mVpp 的方波，在所有增益条件下，a.输出方波没有形态失真（输出增益过冲上升时间1无9uS4无11uS变为二角波/正弦波，或有寄生振荡频率）；b.输出方波的过冲不超过 5 %;c.输出方波的上升到 90%的上升16无8uS64无12uS时间应小于 80uS;128无13uS制作一个 100mV 的直流电平（用万用表测量），做为可控增益放大器的输入，在增益为128 倍时：输出电压纹波 Vpp-16 -12.80V1mV-17 -2.发挥要求部分题目要求测试结果输入 1KHz, 200mVpp 2Vpp 间变化的正弦信号或其他波形信号时：a.输出波形稳疋在 0.5Vpp，幅度精度为 1%；b.频率和波形不变；响应时间小于 1s;并尽可能提高响应速度；输出波形 Vpp 稳定在 0.48V 0.51V 之间，频 率