自动增益控制电路设计文章.doc

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1、*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基本恒定，并且通过程序设定使输出电压在1-3Vpp范围内可变。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行比较，若有偏差，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。

2、关键词：TLV5616；STC89C51; 程控增益衰减器；峰值检测目录1方案论证与比较11.1信号调理模块方案11.2程控增益衰减模块方案21.3放大器模块方案31.4峰值检测模块方案31.5控制与显示模块方案42理论分析与计算62.1前级信号调理62.2程控增益衰减器72.3放大器82.4峰值检测82.5控制器93系统硬件设计103.1总体设计思路103.2总体电路设计104系统软件设计125系统调试与误差分析125.1测试仪器125.2测试结果及分析126总结13参考文献131方案论证与比较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2.25

3、V,故采用函数信号发生器产生0.1V-5V Vpp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，故在电路输入端进行直流偏置，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

4、实现。加入直流偏置后能够避免信号在负轴出现，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较器和减法电路实现。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较，若有偏差，则继续调整，即实现了

5、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，为了滤掉信号调理部分添加的直流信号，我们采用RC低通滤波器进行滤波，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

6、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置于两个反馈回路之中，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

7、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=UinAv，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馈回路，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1.8V-3.6V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U

8、SART通信端口、一个比较器、一个DCO内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1.5a MSP430F149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3.5V5.5V,内部集成MAX810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，本系统中只需进行简单编程，STC89

9、C52单片机足以满足要求。STC89C52单片机供电电压范围为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VfVo1偏置电压：Uf=R2R1+R2Vcc输出电压：Uo2=R8R7+R8(R3R3+R4Ui+R4R3+R4Uf)输入参考电压：UREF=Uo2(1+R6R5)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2VVp

10、p,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2.2a TLV5616管脚图 图2.2b TLV5616连线图TLV5616的输出电压为：UO=2CODE212UREF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02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。Vi1Vo图2.3后级放大电路输出电压Uo=(1+R12R11)Vi1下限频率:f=12RC12.4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

11、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，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外ST

12、C89X52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2.5 STC89C52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图所示放大器输出信号 程控增益衰减器获取VREF若有偏差则调整增益单片机控制系统输入信号信号调理 AD转换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

13、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在允许范围内；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在规定范围内改变时，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，

14、为了满足输出信号的幅度从原来的固定2.0Vpp，变成1.03.0Vpp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1) 直流稳压电源DF1731SLL3A：一台2) 数字合成信号发生器DF1405：一台3) 交流毫伏表DF2170A：一台4) 示波器DS1102CA：一台5) 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)0.10.511.522.533.544.5520501005001k5k10k50k100k数据分析：6总结参考文献1 Bruce Carter著. 运算放大器权威指南（第三版）. 人民邮电出版社,20102 谭浩强著. C语言程序设计(第三版). 清华大学出版社,2005.3 黄争著. 运算放大器应用手册基础知识篇. 电子工艺出版社,2009.4 邱关源.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，20065马建明.数据采集与处理技术（第三版）M.西安：西安交通大学出版社，20126 李朝青著. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社,2005.