可编程放大器的设计-.pdf

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1、目录摘要.1 Abstract.1 引言.1 1 概述.1 1.1 系统概述 .1 1.2 总体设计思路 .2 1.3 主要技术指标 .3 2 单元电路设计 .3 2.1 放大电路及其调整 .3 2.2 可编程控制单元 .4 2.3 显示电路 .6 2.4 模数转换电路 .8 3 整机电路 .11 4 制作与调试 .12 4.1 PCB板的制作.12 4.2 各个功能块的测试 .12 4.3 系统测试 .12 结束语 .13 参考文献:.13 附录.141 可编程放大器的设计摘要：电子技术应用的许多场合都涉及到信号的放大问题。本文介绍了一种三位可编程放大器的设计方案。它采用MCS-51 系列单

2、片机作为控制核心，控制方便、灵活，电路简单，准确度高，稳定性好，易扩展，因此应用十分广泛。关键词：编程；放大器；数模转换The Design of Programmable Amplifier Abstract:Application of electronic technology in many occasions are related to the amplification of the signal problem.This paper introduces a three bit programmable amplifier design.It uses the MCS-51 s

3、eries single-chip microcomputer as the control core,the control is convenient,flexible,simple circuit,high accuracy,good stability,easy to expand,so the application is very extensive.Key words：programming；amplifier；ADC 引言在实际生产应用中，常常需要对传感器采集到的信号进行放大处理，因此，放大器的应用十分广泛，从小型仪表到大型电子机械中无所不用，是任何现代电子系统中不可缺少的组成

4、部分。在模拟电路中，能把输入信号的电压或功率放大的装置叫放大器，它由晶体管、场效应管或集成运放等其它电子元件组成。放大器按所处理物理量分为机械放大器、机电放大器、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。1 概述1.1 系统概述本文致力于用中小规模集成电路设计一种三位可编程放大电路，以实现对输入电压信号进行放大的功能。本系统的具体要求如下：（1）功能：放大。2（2）数码管显示放大倍数。（3）放大倍数可编程且易拓展。本电路采用运算放大器、51系列单片机、模数转换器 ADC0809、LED 数码管作为基本单元电路。各个功能相互独立，容易实现电路的调试和扩展。1.2 总体设

5、计思路1.2.1 方案设计与论证方案一：采用三极管等小规模(SSI)元器件，按照模拟电路的一般设计方法进行设计。此方案原理简单,但三极管放大能力小，可编程性能差，并且全分立元件制作的电路可靠性低 1。方案二：采用 MCS 51系列单片机作为控制核心，将各单元模块如单片机、数模转换器、显示器相连，可使电路简化，减少连线，提高电路的可靠性，并且还能利用MCS 51系列单片机使电路的扩展十分方便。综上分析可以看出，用 MCS 51系列单片机的设计方法来进行放大器的设计具有原理简单，电路容易调试等优点。故本设计选择方案二。1.2.2 系统构成方框图根据方案二的设计思路，本文给出方案二的系统原理方框图如

6、图1所示。图 1 方案二系统构成方框图1.2.3 系统工作原理系统正常工作时，输入信号通过放大电路进行放大后，输出的模拟电压信号的大小对应于放大倍数，该信号经过A/D转换器成为数字信号，该数字信号把对应的放大倍数通过数码管显示出来。其中，放大器放大倍数可以通过可编程控制单元设置，以实现放大倍数可调 2。放大电路A/D转换器输入电压信号可编程控制单元显示模块3 1.3 主要技术指标带宽可编程放大器的带宽要求为100Hz 40kHz。放大范围在输入信号符合要求时，能够对电压信号进行不失真的放大。本文设计的最高放大倍数为 100倍。2 单元电路设计2.1 放大电路及其调整本设计放大电路选用运算放大器

7、，本设计选用AD8001A，它的特点是在高频高带宽的电子设备中转换速率特别高，可以达到 2000V/s，一般采用电流负反馈的方式。理想运算放大器，输入电压为零时，输出电压也必然为零。然而，实际运算放大器中，由于前置差动放大器的不完全对称性，必然产生零点漂移现象，所以，必须对输入失调电压和输入失调电流进行调整3。本设计方案采用的是外部调整法，即对于本身没有输入失调电压和输入失调电流的调整端子的运算放大器，在外部将调整电压接到运算放大器的某一输入端，如图2所示。图 2 调整电压接入反相端图2电路中把反向电压加至反向输入端，并接入电阻 R2进行负反馈在 7接口接入电位器RV1 进行零点调整，图 2中

8、电路的放大倍数为120RRViV,所以改变反馈电阻的大小可以控制其放大倍数。图3是把调整电压加至同相输入端进行零点调整的，调整电压在R5的两端。若调整范围在 10mV 以内，则可取 R4=R5 1000为了使 R5 两端产生的电压不影响其他回路，4 R5 值应尽可能小些。本设计方案放大模块如图4所示。输入级和输出级采用电压跟随器的接线方法，利用电压跟随器输入阻抗高、输出阻抗低的特点，可以提高带负载能力并通过隔离减少信号源对放大器的影响。U1、U2、U4 选用NE5532 宽带放大器，U3选用LM324 放大器；多级放大，保证具有一定的增益带宽积。图 3 调整电压接入同相端图 4 放大电路2.2

9、 可编程控制单元本单元电路的设计采用多级放大从而保证了放大倍数，使其放大上限尽可能的增大。另外为了实现对放大器放大倍数的控制，需要改变放大器的反馈电阻，由反馈电5 阻构成可编程电阻网络，从而实现对放大电路放大倍数的控制。并通过模拟开关CD4051 控制电阻网络的通断，实现对放大器放大倍数的控制。CD4051 是单8通道数字控制模拟电子开关，其管脚如图5 所示4。有三个二进控制输入端 A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5 20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若 VDD+5V，VSS 0，则当 ABC=000 时，则 0通道（13脚）与公共端 CO

10、M（3脚）接通；当 ABC=001 时，则1通道（4脚）与公共端 COM 接通，即通过改变ABC 的编码组合实现 8个通道逐个与 COM 端接通。当 INH输入端“1”时，所有的通道截止。3位二进制信号可选通 8通道中的任一通道，连接该输入端至输出。图 5 模拟开关 CD4051 管脚其功能表如表 1所示。表 1 CD4051 功能表由模拟开关 CD4051组成的电阻网络如图6 所示。电阻网络的电阻数值由测试得到，测试按表 2 进行5。在图 4 示的电路中输入峰-峰值 20mV 的正弦电压信号，调节 OP07可编程电阻的阻值，用示波器测量其输出电压峰-峰值，在满足放大倍数条件输入开关通道输入开

11、关通道INH C B A ON INH C B A ON 0 0 0 0 0 0 1 0 1 5 0 0 0 1 1 0 1 1 0 6 0 0 1 0 2 0 1 1 1 7 0 0 1 1 3 1 无0 1 0 0 4 6 下测出 OP07反馈电阻 R，填在表 2 中6。表 2 电阻网络的电阻数值测试2.3 显示电路图 6 模拟开关 CD4051 构成的可编程电阻网络显示电路用于显示放大器的放大倍数。它主要由51系列单片机、3 线8译码器74LS138、锁存器 74LS373、LED 数码管和一些门电路构成。按连接方式不同，LED 数码管分为共阳极和共阴极两种7。共阳极是指数码管中的七个发

12、光二极管的阳极连在一起，接到高电平（Vcc）。当某段发光二极管的阴极为低电平时，该段就导通发光；若为高电平时就截止不发光。因此它要求与有效输出电平为低电平的七段译码器/驱动器相连。共阴极是指数码管中的七个发光二极管的阴极连在一起，接到低电平（GND）。当某段发光二极管的阳极为高电平时，该段就导通发光；若为低电平时就截止不发光。因此它要求与有效输出电平为高电平的七段译码器/驱动器相连。共阴极数码管的结构如图7所示。增益/db 放 大 倍 数Au输出电压峰-峰值mVUpop/反馈电阻kR/40 100 2000 101 30 31.62 632 27 20 10 200 9.52 10 316 6

13、3.2 2.69 0 1 20 0.749 R2 R0 R1 0 1 2 INH C B A COM VDD VEE VSS CD4051 7(a)(b)(c)图7 发光二极管组成的七段显示器及其接法本设计方案采用静态显示，即显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止。对于静态显示方式，LED 显示器由接口芯片直接驱动，采用较小驱动电流就可以得到较高的显示亮度。电路如图8所示8。七段LED 显示器的 a、b、c、d、e、f 段导通，g段截止，则显示“0”。并行显示方式每个十进制位都需要一个八位输出口控制，图8中所示采用 3片74LS373 扩展并行I/0 口，口地址是由 74LS

14、138 译码器的输出决定的，74LS138 的A、B、C、分别接 80C51的P2.5、P2.6、P2.7，所以3片74LS373 的地址分别为：1FFFH、3FFFH、5FFFH。译码输出信号与单片机的写信号一起控制对各74LS373 的数据的写入。图 8 单片机与显示器接口8 2.4 模数转换电路ADC0809 是8位逐次逼近式 A/D转换器，它主要是把设计电路中的输出的模拟信号转变为数字信号，便于数码管的显示。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是应用比较广泛的 8位通用 A/D芯片9。2.4.1 主要特性8路输入通

15、道，8位AD转换器，即分辨率为 8位。具有转换起停控制端。转换时间为 100s(时钟为 640kHz时)，130s（时钟为 500kHz时）。单个 5V电源供电。模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-4085摄氏度。低功耗，约 15mW。2.4.2 内部结构ADC0809 是CMOS单片型逐次逼近式 AD转换器，内部结构如图 9所示，它由 8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型 A/D转换器、逐次逼近电路组成。2.4.3 外部特性ADC0809 芯片有 28条引脚，采用双列直插式封装，如图9所示。各引脚功能分别为：IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12

16、-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的某一路。ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。START：AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽），使其启动（脉冲上升沿使 0809复位，下降沿启动 A/D转换）。EOC：AD转换结束信号（输出信号），当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号（输入信号），高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。REF（+）、REF（-）：基准电压。9 Vc

17、c：电源，单一 5V。GND：地。图 9 ADC0809 内部结构及管脚封装2.4.4 ADC0809 的工作过程首先输入 3位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START 信号上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上11。如果将 START 与ALE 相连，则在通道地址选定的同时也开始A/D转换。若将 STA

18、RT与EOC 相连，则上一次转换结束就开始下一次转换。当不需要高精度基准电压时，REF（+）、REF(-)分别接到系统电源 Ucc和GND 上。模拟量的输入有单极性输入和双极性输入两种方式。单极性模拟电压的输入范围为05V,双极性模拟电压的输入范围为-5V+5V。双极性输入时要外加输入偏置电路。转换数据的传送：A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送 12。为此可采用下述三种方式：定时传送方式对于一种 A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809 转换时间为 128s，相

19、当于 6MHz 的MCS-51 单片机共 64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。10 查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809 的EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并当信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。2.4.5 AD

20、C0809 与单片机接口ADC0809 与单片机接口可以采用查询方式和中断方式13。查询方式ADC0809 与单片机接口电路如图 10所示。由于 ADC0809 片内无时钟，故利用 80C51提供的地址锁存允许信号 ALE 经D触发器二分频后获得。图 10 ADC0809与单片机接口电路ALE 引脚的频率是单片机时钟频率的1/6，如果单片机时钟频率为 6MHz，则ALE 引脚的频率为 1MHz。再经二分频后定位 500kHz，所以 ADC0809 能可靠工作。由于ADC0809 具有输出三态锁存器，故其八位数据输出线可直接与单片机数据总线相连。单片机的低八位地址信号在ALE 作用下锁存在 74

21、LS373 中。74LS373 输出的低三位信号分别加到 ADC0809 的通道选择端 A、B、C作为通道编码。单片机的 P2.7作为片11 选信号，与_WR进行或非操作得到一个正脉冲加到ADC0809 的ALE 和START 引脚上。由于ALE 与START 连接在一起，因此 ADC0809 在锁存信道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号_RD和P2.7引脚经或非门后产生的正脉冲作为OE 信号，用以打开三态输出锁存器。上述操作时，P2.7应为低电平。ADC0809 的EOC 端经反相器连接到单片机的 P3.3（_1INT）引脚，作为查询或中断信号。中断方式采用中断方式可大

22、大节省 CPU 的时间。当转换结束时，EOC 向单片机发出中断申请信号，响应中断请求后，由中断服务子程序读取A/D转换结果并存储到 RAM 中，然后启动 ADC0809 的下一次转换。2.5 单片机时钟与复位电路单片机时钟与复位电路如图11所示。该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHz 时，C1 为10uF，R1 为8.2k；晶振为 6MHz 时，C1 为22uF，R1 为1k。图 11 单片机时钟及复位电路3 整机电路综上所述，将各单元电路组合得到可编程放大器的整机电路，如图12所示。输入电压信号经过放大器 LM324，输出信号接入 AD 转换器的 0通道，AD 转换器的输出结果接入单

23、片机的 P0口存储，并通过 P1口输出到显示器显示。开关SW1、SW2、SW3 的通断可以选择放大倍数。12 图 12 整机电路4 制作与调试4.1 PCB 板的制作采用Protel-2004 进行制作，在 Protel-2004 软件中新建硬件电路原理图，经元件封装后生成网络表，通过其自动部线功能生成PCB 板原理图，然后用打印机将原理图打印到转印纸上，再用转印机将转印纸上的原理图转印到铜板上。最后，用三氯化铁溶液腐蚀掉多余的铜，制成PCB 板14。PCB 板制成后，检查板子上铜线是否有断线，确保无断线后对元件进行焊接，焊接前，需检查每个元件的质量，从而保证整个PCB 板的焊接质量。4.2

24、各个功能块的测试可编程电阻网络的测试输入正弦信号，置 CD4051 的C、B、A端子为几组不同的数值，用示波器观察是否有波形输出，并仔细观察输出波形的幅值情况。AD 转换器的测试给IN0通道接入正弦电压信号，输出接八个LED 灯，观察 LED 灯的发光情况 15。数码管的测试把所有的输入端都加上高电平（共阴管），看所有的发光管是否全亮，全亮则说明数码管正常。4.3 系统测试在确保各部分电路无误的情况下，接通电源，输入电压信号，改变可编程电阻网络的阻值，观察数码管显示的数字是否正常。13 结束语经过系统测试，本放大系统具有电路简单，性能稳定的特点。通过本次毕业设计，增强了理论联系实际的能力。集中

25、复习了相关专业课程，是一次很好的学习过程，也是一种很好的学习方法，为以后参加其他设计提供了经验。当今飞速发展的电子技术是高科技的重要组成部分之一。此次毕业设计的主要目的是训练我们综合运用专业课知识进行设计的能力、电子设计的组装调试能力与创新能力。经过查资料，选方案，设计电路，安装调试，写报告的过程，使我们得到一次科学研究工作的启蒙训练。经过了这次毕业设计，我的收获颇多，体会也不少。首先，我深刻地体会到设计的重要性，许多科学理论的建立也都是从设计中见到先兆，并通过实验得到验证。实践是检验真理的唯一标准，只要自己动手，通过设计来确定以前理论上的结果，并且为将来的研究打下基础，才能不断探索出新的科学

26、奥秘。在设计中多次发现，即使电路图连接准确，PCB 板做的很好，但设计结果可能仍然达不到要求。这充分说明了只有理论是不行的。只有通过多次的调试，使理论联系实际，才可以很好的充实设计报告，也能够完善我们的方法。通过这次设计，我的动手能力和运用知识的能力得到了提高，在思想上对科学研究有了初步的认识，耐心、细心、信心是做设计至关重要的。致谢在我的论文结束之际，我想对在我本科四年中给予我关心和帮助的老师和同学表示衷心的感谢。首先向我的指导教师XXX副教授致以最诚挚的谢意。在我的毕业设计制作期间，李老师给了我极大的关心和支持，从设计的选题到设计报告的撰写都离不开李老师的悉心关怀和精心指导，毕业设计中的许

27、多思想和方法得益于导师的指导和启发。导师渊博的知识、开阔的思路、高度的责任感与严谨的治学作风更是我学习的典范，在此向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢！同时感谢 A、B、C等同学，他们在我的本科学习期间，给了我很多的帮助和支持，并且在毕业设计方案研究方面，给予我很大的帮助，在这里一并表示感谢。参考文献:1 张国雄主编测控电路（第三版）M 北京：机械工业出版社，2008:40442 王振红，张常年综合电子设计与实践（第二版）M 北京：清华大学出版社，2008：13315414 3 华成英，童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.4 俞承芳主编电子系统设计M 上海：复旦大学出版

28、社，2004：625 李全利，仲伟峰，徐军单片机原理及应用M 北京：清华大学出版社，2006:160 1636 美丁 马库斯编著计量出版社编辑部组织编译电子电路大全，卷5，数字电路 M 北京：计量出版社，1985：677 王国定主编专用集成电路原理和应用M 上海：上海科学技术文献出版社，1985：338 康华光主编 电子技术基础数字部分（第四版）M 北京：高等教育出版社，2003：30409 田波民.电子显示 M.北京：清华大学出版社，2006.10 菜忠法主编电子技术实验与课程设计J浙江：浙江大学出版社，2003：879011 陈大钦主编电子技术基础实验（第二版）M 北京：高等教育出版社，1

29、999：114 11612 阎石主编数字电子技术基础M 北京：高等教育出版社，2002：15015713 ICM7216 Handbook，Intersil CO 1719.14 V ASILIS HAMILAKIS，N.C VOULGARIS.An Accurate Method for the Measurementand Its Deviation Using a Microcomputer.IEEE Trans Instr Meas IM-36，1987.No.1.15 吴俊鹏，孟昭林，付小晶.数字电路与可编程技术实验教程M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002:357-362.附录

30、：#include 15#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define SEG P1/声明数码管接P1 口uchar TAB=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,/共阴字形码0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;uchar disp4;/显示器数组uint temp,result;void display(void);/声明显示函数void delay1ms(uchar);/声明延时函数void init(void);/初始化函数sbit CLK=P35;/时钟接口sbit E

31、OC=P32;sbit ST=P36;sbit OE=P37;/=主函数=main()init();ST=0;while(1)ST=1;/启动ST=0;while(EOC=0);/查询等待转换结果OE=1;/打开输出允许信号temp=P0;/读数据result=temp*1.0/255*500;disp0=result/1000;disp1=result/100%10;disp2=result/10%10;disp3=result%10;display();16 /=显示函数=void display(void)uchar i,scan;scan=1;for(i=0;i4;i+)P2=scan

32、;SEG=TABdispi;if(i=1)SEG=SEG|0 x80;/显示小数点delay1ms(4);scan=1;/=延时 1MS 函数=void delay1ms(uchar x)uchar i,j;for(i=0;ix;i+)for(j=0;j120;j+);/=T0 初始化函数=void init(void)EA=1;ET0=1;TMOD=0 x01;TH0=(65536-200)/256;TL0=(65536-200)%256;TR0=1;17/=T0中断服务,提供时钟信号=void timer0(void)interrupt 1 TH0=(65536-200)/256;TL0=(65536-200)%256;CLK=CLK;