自动增益控制电路设计文章

-.z.摘要本设计以程控增益衰减器TLV5616为核心，通过单片机STC89C52控制各模块，实现电压增益连续可调，输出电压在2Vpp根本恒定，并且通过程序设定使输出电压在1-3Vpp围可变。系统由五个模块组成：信号调理模块，程控增益衰减器模块，放大器模块，峰值检测模块，控制与显示模块。将输入信号通过信号调理电路送入程控增益衰减器，然后再将信号按要求放大输出，通过峰值检测电路检测输入TLV5616的电压情况，并送给STC89C52单片机采样。此时，经过单片机的控制处理后，再与理想输出信号数值进展比拟，假设有偏差，则通过程序设定调整TLV5616的增益控制电压，调整放大倍数，从而实现信号的稳定输出。关键词：TLV5616；STC89C51;程控增益衰减器；峰值检测目录1方案论证与比拟11.1信号调理模块方案11.2程控增益衰减模块方案11.3放大器模块方案11.4峰值检测模块方案11.5控制与显示模块方案12理论分析与计算12.1前级信号调理12.2程控增益衰减器12.3放大器12.4峰值检测12.5控制器13系统硬件设计13.1总体设计思路13.2总体电路设计14系统软件设计15系统调试与误差分析15.1测试仪器15.2测试结果及分析16总结1参考文献1-.z.1方案论证与比拟1.1信号调理模块方案方案一：由TLV5616的使用手册可得，其最大输入参考电压VREF为2.25V,故采用函数信号发生器产生0.1V-5VVpp的正弦信号，再通过两级反向比例电路使输出电压小于2.25V。如图1.1a所示。图1.1a反向比例调理电路方案二：由于TLV5616的输入参考电压VREF不能为负值，故在电路输入端进展直流偏置，产生一个3V左右的直流电压Vf，使交流电压负半周电压值向上抬升，最后通过同向比例电路再经过电阻分压使输出电压小于2.25V。另外，为了起到保护和隔离的作用，在直流偏置后面添加了一个电压跟随器。如图1.1b所示。图1.1b同向比例调理电路综上：方案一的反向比例电路输入阻抗较大，需要运放具有较高的共模抑制比，且电路不简洁。方案二相比之下可行性更高，电路容易实现。参加直流偏置后能够防止信号在负轴出现，电压跟随器也起到了很好的保护和隔离的作用。故我们选择方案二。1.2程控增益衰减模块方案方案一：采用纯硬件电路实现。由TLV5616和运放构成的电压比拟器和减法电路实现。把实际差值和理论电压的差值通过适当幅值和极性的处理，作为TLV5616的控制信号，从而实现放大倍数的自动调整，实现输出电压恒定。方案二：采用TLV5616和STC89C52单片机结合，通过当采样信号VRFE进入单片机后，由单片机对TLV5616的控制信号CODE的处理，得到一个关于输入参考电压VREF与输出电压VOUT的线性关系，最后再与理论输出电压比拟，假设有偏差，则继续调整，即实现了增益的自动控制。综上：方案一理论低端，精度不够，通用性不好，方案二控制准确，自控速度较快，系统可移植性强，功能改变和增加容易，为后期改善和提升电路性能有益。故我们选用方案二。1.3放大器模块方案当信号通过TLV5616后，为了滤掉信号调理局部添加的直流信号，我们采用RC低通滤波器进展滤波，再利用一个同相比例放大电路对输出信号作进一步调整。在这里，我们选用单运放NE5534，它具有高效低噪声且高单位增益的特点。1.4峰值检测模块方案方案一：如图1.4a所示，当初始电容电压Uc=0时，当Ui0时，由于运放U3充当跟随器，故Ui=Uo,二极管D2导通，电容C2充电，直至电容C2上的电压Uc等于输入电压Ui的峰值；只要输入电压UiUc，二极管就截止，电容上的电压Uc保持不变，即电容Uc保持之前检测到的输入信号的峰值。图1.4a峰值检测电路方案二：如图1.4b所示小信号峰值检测电路。二极管D1置于两个反应回路之中，运放U2A构成电压跟随器，使峰值检测电路与后面的电路隔离。当正极性电压Ui输入时，D1导通，D2截止，电容C1充电，直至电容C1上的电压等于输入电压Ui的峰值；当负极性电压Ui输入时，D2导通，D1截止，连接两级运放之间的电路断开，电容Uc上的电压保持之前的输入峰值不变，当正极性电压再次输入时，电容继续被充电，即实现了峰值的连续检测。图1.4b峰值检测电路综上：方案一中当输入小信号的峰值小于二极管D2的正向导通电压时，二极管将截止，峰值检测电路不能工作。在方案二中小信号输入时，即使信号的峰值很小，由于运放U1A的增益Av很大,其输出Uo1=UinQUOTEAv，足以使二极管D1导通，迫使运放U2A处于跟随状态，从而能实现对输入小信号峰值的检测。且该电路设置了负反应回路，提高了电路的稳定性，且有效的减轻了噪声的影响。因此选择方案二更为合理。1.5控制与显示模块方案方案一：采用MSP430F149芯片和数码管。MSP430F149芯片是一类具有16位总线的带FLASH的单片机,具有超宽供电电压，两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、自带看门狗、两路USART通信端口、一个比拟器、一个DCO部振荡器和两个外部时钟,支持8M的时钟.可靠性能好,加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。图1.5aMSP430F149引脚图方案二：采用STC89C52单片机控制处理和数码管显示。STC89C52单片机是单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰对的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，但是速度快8-12倍。供电电压为3.5V～5.5V,部集成MA*810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换〔250K/S,即25万次/秒〕，针对电机控制，强干扰场合。综上所述，本系统中只需进展简单编程，STC89C52单片机足以满足要求。STC89C52单片机供电电压围为3.5V到5.5V，可以减低电路的冗杂,提高效率。因此，选择方案二。2理论分析与计算2.1前级信号调理本模块采用NE5532P构成电压跟随器和同相比例运算电路，另外，再采用电阻分压可实现信号的放大与衰减。图2.1信号调理电路VfVo1VfVo1偏置电压：Uf=QUOTE输出电压：Uo2=QUOTEUi+QUOTEUf)输入参考电压：UREF=QUOTE(1+QUOTE)输入电阻：Rin=R3+R42.2程控增益衰减器本系统中采用TLV5616构成程控衰减器，使输入信号在0.1-5VVpp变化时，能够稳定输出2VVpp,且输出信号可以通过程序设定在1-3VVpp变化，即增益的自动控制。TLV5616的管脚图如图2.2a所示。图2.2aTLV5616管脚图图2.2bTLV5616连线图TLV5616的输出电压为：UO=2QUOTEUREF如果要调整衰减器的衰减倍数，只需改变字码即可。因此，此程控衰减器的放大倍数为0～2倍。2.3放大器后级放大电路采用运放NE5534构成同向比例电路，且为了隔离直流信号，在同相比例电路的输入端设置RC低通滤波器。Vi1VoVi1Vo图2.3后级放大电路输出电压Uo=)Vi1下限频率:f=QUOTE2.4峰值检测如电路图所示，由于二极管的单向导电性，应该选择具有更快开源速度的二极管，本系统选用了1N6000B；对运放的频带宽度为了满足要求，选用了高性能低噪声的NE5532P；对时间常数，越小，在低频阶段下降明显，增大，输出相应时间变慢，而越大，下降速率越慢，越大，下降速率越快，为了满足要求，本系统选用了3.3电容和100的电容。图2.4峰值检测电路2.5控制器是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KBEEPROM，MA*810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断构造，全双工串行口。另外STC89*52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。其管脚图及外围电路如图2.5所示。图2.5STC89C52单片机3系统硬件设计3.1总体设计思路本系统由分立元件与集成元件搭建而成，以TLV5616为自动增益控制核心，以STC89C52单片机为核心处理器。本系统由信号调理电路，程控衰减器，放大器，峰值检测电路和控制器组成。系统总体设计框图如下列图所示放大器输出放大器输出信号程控增益衰减器程控增益衰减器获取获取VREF假设有偏差则调整增益假设有偏差则调整增益单片机控制系统输入信号信号调理单片机控制系统输入信号信号调理AD转换AD转换显示输出峰值检测显示输出峰值检测图3.1系统总体框图3.2总体电路设计当输入信号最大为5VVpp时，通过信号调理电路后，为TLV5616提供一个最大的输入参考电压，由于后级放大电路的增益已经固定，即TLV5616的输出信号幅度已经确定。为了满足输出2VVpp的要求，我们通过改变CODE的值，来实现程控衰减器的增益改变。通过计算，此时的CODE在允许围；当输入信号最小为0.1VVpp时，通过信号调理电路后，为TLV5616提供一个最小的输入参考电压，同样的，我们通过改变CODE的值，来实现增益的改变。当最大和最小输入电压均能使CODE在规定围改变时，即能实现输出2VVpp恒定不变。而峰值检测电路则用来检测当输入电压改变时VREF的电压，然后通过AD转换送给单片机，通过单片机的控制处理来改变CODE的值，从而满足输出信号的要求。最后，为了满足输出信号的幅度从原来的固定2.0Vpp，变成1.0~3.0Vpp可调，且步进不大于0.1Vpp，可以通过程序设定改变CODE的值，从而改变TLV5616的输出电压，来实现增益的自动调整。图3.2系统总体硬件电路图4系统软件设计5系统调试与误差分析5.1测试仪器直流稳压电源DF1731SLL3A：一台数字合成信号发生器DF1405：一台交流毫伏表DF2170A：一台示波器DS1102CA：一台万用表VC830L：一台5.2测试结果及分析测试的数据表如表1所示：表1数据测试表Ui(v)(vpp)Fi(Hz)0.10.511.522.533.544.5520501005001k5k10k50