增益可程序控制的放大器电路.doc
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1、摘 要:本报告是关于我们小组对于单片机小系统及放大器的设计与实际应用的情况。其主要目的在于阐述我们小组如何通过运用单片机,设计并实现了增益可程序化控制的放大器电路以及自动增益控制放大电路。本设计报告包括了可控增益放大器,自动增益控制两个模块的主要功能、系统框图,系统硬件以及软件的设计和实现方法,系统的技术指标,调试分析,针对用户操作的详细说明,并在最后提出了我们对这个课程的感受以及对在实践过程中发现的一些问题的深入探讨。关键词:单片机,可控增益放大器,自动增益,LM741 运算放大器ABSTRACT This report is about our groups designing and a
2、pplying of the SCM. The main purpose is to illustrate how to design and accomplish the program-controlled gain amplication circuit and the automatic gain control amplification circuit. This report included our groups whole planning, circuit designing, programing, material selection, circuit welding,
3、testing, function debugging and so on . In the end we also shared our comprehension that we learned from this course and some deep discussion about problems we met during our work.KEYWORDS Signal generatorControllable gain amplifier Auto-controllable gain amplifier LM741 operational amplifier上海交通大学
4、电子信息与电气工程学院地 址:东川路800号邮 编:200240目录1. 概述11.1 编写说明11.2 名词定义11.3 缩略语12. 系统总体说明22.1 课题任务规定的设计要求22.2 实际完成后的功能22.3 系统的设计原理与分析22.3.1 系统的设计原理和总体结构22.3.2 系统的功能23. 系统的硬件结构53.1 硬件总体结构63.2 描述63.2.1 功能描述63.2.2 接口定义63.2.3 技术要求63.2.4 实现方式63.3 描述64. 系统的软件结构174.1 软件总体结构和功能174.2 重要的全局变量174.3 流程逻辑184.4 描述184.4.1 功能描述2
5、14.4.2 输入输出项描述214.4.3 数据结构214.4.4 调用函数说明214.4.5 算法224.5 描述225. 系统功能及技术指标测试225.1 测试项目235.2 测试的资源235.3 测试方法235.4 测试结果及分析246. 致谢267. 参考资料268. 附录288.1 课程学习心得和建议意见288.2 程序清单30第35页上海交通大学 电子信息与电气工程学院1. 概述1.1 编写说明主要内容:科技创新2A关于运算放大器程序控制系统及自动增益控制的设计报告,包括两个主要模块:基础部分的可控增益放大电路以及拓展部分的自动增益控制放大电路。报告包含了相关的原理介绍,电路图以及
6、程序代码等。编写目的:介绍我们小组的设计思想,完成情况,以及过程中所遇到的困难等。适读对象:实验指导老师、本次科创参与者以及其它电子设计爱好者。1.2 名词定义单片机小系统:以单片机为核心及其它外部电路构成,以通过单片机编程来实现一定控制功能的系统。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。可变增益放大器电路:既放大器增益可以调节的放大器电路。在本设计任务中,所设计的放大器电压增益可从0.1变化到1.5(共15种状态),通过单片机控制电路中一些开关的开合改变电路的某些参数来实现。LM741: 单片高性能内补偿运算放大器。具有较宽的共模电压范围
7、,在使用中不会出现闩锁现象。可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。CD4066B: 一个为模拟/数字信号的转换或多路复用设计的四路双向开关。和CD4016B的引脚相兼容,但是拥有一个更低的导通电阻。此外, 在整个输入信号范围内,导通电阻是一个常量。LM324: 包含四运放的集成电路芯片。电平转换: 通过一个包含LM324芯片的电路来将5V和0V的输入电压分别变成5V和-5V。检波: 将正弦波形变换为直流的电路,即获得的是正弦输入波的峰值电压。1.3 缩略语I/O: input and output;D/A: digital to analog运放:运算放大器。Vi:运算放大器输入电压。Vo
8、:运算放大器输出电压。2. 系统总体说明2.1 课题任务规定的设计要求基础部分:2.1.1 基本设计要求:设计制作一个增益可数字化控制的线性放大器电路,并通过单片机小系统控制它的直流信号增益值的改变。2.1.2 具体要求:在给定的单片机小系统板上提供人机操作界面,使操作者能通过按键操作,设置放大器的增益等级,相应的增益值在数码管上显示。具体指标如下:(1) 最低增益绝对值小于0.15;(2)最高增益绝对值大于1.45;(3)增益等级最少达到规定的15级;(4)增益相对误差小于3%。拓展部分:自动增益控制,即通过随输入波幅度变化自动更改增益等级,限制输出的幅度,使其保持在一定的范围内。2.2 实
9、际完成后的功能基础部分:按下最左边第一个按键,使第一个数码管显示为1,即启动基本部分功能,再通过最右边两个按键,能够选择0 .1到1.5这15个增益值,并设有清零键。各个等级的实际增益值(绝对值)与标准值比较,只有三个数据的误差超过1%。拓展部分:再次按下最左边第一个按键,使第一个数码管显示为2,即启动拓展部分功能,增益可以随输入波的峰值正确的自动变化,使输出波可以正确自动调整保证峰值在限定范围内(拓展部分上限电压2.80V,下限电压1.91V),且通过示波器可以观察到输出波形较稳定,但增益在0.3(含0.3)出现波形的失真,倍数越低失真现象越严重。2.3 系统的设计原理与分析2.3.1 系统
10、的设计原理和总体结构基础部分:设计原理:运算放大器反向放大倍数:Vo = - ( Rf / R1 ) Vi ,通过固定反馈电阻,调整电阻R1的方法达到调整增益倍数的目的。运算放大器电路部分如图 2.3.1(1)。公式推导:由图 2.3.1(1) 可以知道,这是一个电压并联负反馈电路2,所以运放的正极电压约等于负极电压等于 0,即同向端与反向端近似短路,但 Ii 约等于 0 而不等于 0,而运放正极接地故设 R1 与 Rf 之间的反向输入端为虚拟零电势点(即虚地,虚地的存在是反向放大器闭路工作的重要特征),这条路上电流处处相等,输入电压 Vi,输出电压 Vo,则 Vi / R1 = I = -
11、Vo / Rf,变换方程得Vo = - ( Rf / R1 ) Vi。 图 2.3.1(1) 运算放大器示意图(摘自科技创新2讲座2)电阻 R1 可变的实现:通过 4066 模拟开关控制 4 条支路,每条支路上电阻总阻值设定为 1248。这样,通过 4066 的 15 种有效状态(共 24 种状态,开路状态不算)使输出总电阻阻值满足1231415。该部分电路图如图 2.3.1(2)。 图 2.3.1(2) 运放模型示意图(摘自科技创新2讲座2) 本设计总体框架如图 2.3.1(3) 所示: 图 2.3.1(3) 系统设计总体框架拓展部分:本系统的拓展部分由检波电路,电压比较电路,放大电路和电平
12、转换电路组成 ,其中电压比较电路使用了双比较器电路,使得设计更完善。总设计图见图2.3.1(4),检波电路见图2.3.1(5),电平转换电路见图2.3.1(6)。图2.3.1(4) 自动增益原理图(摘自科技创新2课程讲座4) 图2.3.1(5) 检波电路示意图 (摘自科技创新2课程讲座4)图2.3.1(6) 电平转换电路 (摘自科技创新2课程讲座4)2.3.2 系统的功能可变增益放大器:根据需要可以实现11.5倍的增益变化,可以输出十五种幅值的直流电压,精度较高,只有三个数据的误差大于1%。所有数据误差均在3%以内。键盘与显示:操作者每按一次“+”键(左起第三个键),增益增大0.1,每按一次“
13、”键(第四个键),增益减小0.1。最低增益为0.1倍,最高增益为1.5倍。按一次“清零”键(第二个键),增益变为0。相应的增益值可在数码管上显示。按一次“功能切换”键(第一个键),系统从可控增益放大电路转换到自动增益放大电路,反之亦可,同时第一个数码管显示由“1”变为“2”,反之由“2”变为“1”。增益控制:通过改变反向输入端的电阻阻值来控制增益的大小。基础部分共用了四个电阻并联,阻值80K、40K、20K、10K,组成R1,而Rf选择阻值为8K的电阻,再通过4066控制电阻的选择以达到改变R1阻值的目的,从而实现15 种增益。自动增益:增益值能够随输入信号幅度而自动变化,并限制输出信号的幅度
14、。3. 系统的硬件结构3.1 硬件总体结构根据功能,整个系统包括以下几个模块:基础部分的模块:单片机模块,增益可变放大电路模块。拓展部分添加的模块:电平转换模块,电压比较模块。3.2 描述3.2.1 功能描述根据从单片机传来控制信号,输出与单片机显示相应的幅度的电压,实现0.11.5倍的增益可调增益。3.2.2 接口定义(1)输入接口:用于从电压源输入电压,可以是直流或交流。(2)与单片机的接口:用于实现单片机对放大电路的控制,单片机的4个I/O引脚接到 CD4066的四个控制引脚,从而控制对应电阻的通断状态。(3)与拓展部分的接口:增益可变放大电路的输出要作为拓展部分的输入。同时在拓展部分中
15、,增益可变放大电路部分是由拓展部分直接控制的。3.2.3 技术要求实际输出值与理论值得相对误差不得超过3%。3.2.4 实现方式可变增益放大器电路如图3.2.4(1)。图3.2.4(1) 可变增益放大器电路(1)电路连接:四个电阻R1,R2,R3,R4与输入端Vi相连。元件参数:R1=10kW ,R2=20kW,R3=40kW,R4=80kW,Rf=8kW CD4066连接在电阻与放大器之间,控制线接到10pin插座一端的连续四个针脚上。CD4066采用两种供电模式,基础部分时采用+5V供电,拓展部分时采用+5V,-5V供电,两者的转换通过短路栓实现。运放同向端接地,反向端输入,输出在基础分时
16、接地,拓展部分时接入拓展部分的检波电路。(2)电路原理:根据理想放大器的原理,可以得知UU;i+ = i_ = 0,Vo = - ( Rf / R1 ) Vi所以,增益放大倍数为G,其中反相输入端接可变电阻Rx,反向输入端与输出端之间皆负反馈电阻Rf。在上图中Rf假设取为8千欧。模拟开关集成块控制的可变电阻模块通过4066实现,控制信号对增益的控制是通过改变Rx的值实现的:输入不同的控制信号,模拟开关的开合状态不同,即导通电阻的组合状态不同,它们的并联电阻Rx也不同。由于并联电路满足所以当,时,四个电阻不同并联组合可以实现增益从0.1到1.5的等差变化。因此,实际中取R110千欧,R2=20千
17、欧,R3=40千欧,R4=80千欧。现在,我们从实际参照图3.2.4(2)来讨论Rf与Rl的选取。图3.2.4(2) 运放参照图(摘自课程讲义2)首先,实际运放 LM741 的输入阻抗典型值为2 M,为了减少(输入信号R1Ri地)这条路上输入信号在R1上的压降(使输入信号尽可能减少损失的进入运放的反向输入端),所以V(损失) = R1 / ( R1 + Ri ),V 趋近于0,推出:R1Ri,Ri = 2 M,故 R1 取值在千欧级别左右。在选定了负载电阻20 K,反馈电阻8000 以后,只需按照设计电路图(图3.2.4(1))焊接电路。控制信号电阻导通状况()等效电阻()相应增益ABCDRA
18、=80RB=40RC=20RD=100001导通800.10010导通400.20011导通导通80/40=26.670.30100导通200.40101导通导通80/20=160.50110导通导通40/20=13.330.60111导通导通导通80/40/20=11.430.71000导通100.81001导通导通80/10=8.890.91010导通导通40/10=81.01011导通导通导通80/40/10=7.271.11100导通导通20/10=6.671.21101导通导通导通80/20/10=6.151.31110导通导通导通40/20/10=5.711.41111导通导通导通
19、导通80/40/20/10=5.331.5表3.2.43.2.5主要器件介绍该模块电路所用到的器件包括了4066双向模拟开关和运算放大器(LM741)。具体介绍如下:CD4066 双向模拟开关:图3.2.5(1) CD4066管脚图如图3.2.5(1)所示,在本次设计中接5V,接地。当控制CONTROL为高电平时,开关处于导通状态,导通电阻约为270;当控制CONTROL为低电平时,开关断开。运算方大器LM741: 图3.2.5(2) LM741管脚图如图5所示,在本次设计中Vin(+)接地,VCC接+5V,VEE接-5V,故运放的输出电压不超过5V。3.3 描述3.3.1 概述3.3.1.1
20、 功能描述1) 增益值随输入信号幅度自动变化。2) 限制输出信号幅度。3.3.1.2 接口定义该模块可通过检波电路与放大器输出端及比较器连接,通过电平转换电路连接单片机输出与放大器输入。3.3.1.3 技术要求同3.2.3。3.3.1.4实现方式自动增益控制模块原理图如图3. 3.1(1)所示。它是在第一个模块的基础上增加了电平转换以及对输出的一个反馈电路,该反馈电路由检波电路和741比较器组成。检波电路如图3.3.1(2)所示。在这个电路中,检波电路的作用是将输入的交流信号变为直流信号输出。首先,输入的正弦信号经过二极管之后就被滤去了负值部分。正的信号经过一个RC耦合电路,进行充放电,当有信
21、号输入时,电容开始充电,电位升高;无输入时,由于电容需要放电,电位还会维持在原来的电位附近,保持一段时间,这就要求这个RC电路的时间常数较大,所以取电阻一般为千欧级,甚至兆欧,在电容放电过程中若又有信号输入,电容将继续充电,这样的过程不断反复进行,因此,输出信号因为RC耦合电路的作用而近似为直流信号。输出的直流信号将通过电压比较器,这里,我们用的是uA741。比较后的结果将被反馈到单片机,再由单片机控制增益值,以此达到自动增益的效果。 图3.3.1(1)自动增益原理图(摘自科技创新2课程讲座4) 图3.3.1(2)检波电路(摘自科技创新2课程讲座4) 图3.3.1(3)摘自科技创新2课程讲座4
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