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基于STC89c51單片機的程控增益放大器設計

作者:2018-12-07 01:01文章來源:未知

  摘    要: 采用單片機外接DA模塊輸出控制電壓對增益控制電路進行放大電路增益調節, 負載端的采樣電壓經過AD轉換后反饋給單片機, 單片機動態調整增益控制電路的控制電壓, 使輸出的信號幅度在一定范圍內保持一致。

  關鍵詞: 單片機; 程控; 放大器;

基于STC89c51單片機的程控增益放大器設計

  程控放大器使用方便, 故可在數據采集系統、自動增益控制、動態范圍擴展、遠程儀表測試等等方面使用尤為適宜, 程控增益調整比手工調整更優越。在使用電路放大器過程中, 希望電路增益能夠調整得到不同幅值的輸出信號, 確保數據采樣的精確性。程控增益放大器的放大倍數可以通過程序設定調整。程控自動增益信號放大器在測控系統、智能儀器儀表等許多領域都有重要應用。在很多信號采集過程中, 信號在傳播的過程中, 隨著傳播距離的改變, 信號變化的幅度都比較大。如果按照固定增益的放大電路對信號進行放大, 電路輸出的結果就會過大或過小, 這種不穩定性會給后續的處理電路帶來很大的麻煩。使用程控增益放大器, 可以有效實現量程自動切換, 有效提高AD轉換的精度, 在數據采集系統、各種智能儀器儀表和自動測控裝置中, 程控增益放大器應用越來越多。

  1、 系統設計

  該直流寬帶放大器的基本工作原理是利用STC89c51單片機作為微控制器。單片機控制DA芯片將程序設定的增益控制字以模擬電壓形式輸出給自動增益放大電路, AD反饋控制模塊主用用于采樣自動增益放大電路的輸出端信號, 反饋給單片機進行判斷信號輸出是否穩定。單片機通過程序設定值和信號輸出值進行比對后, 動態調節DA模塊的增益控制電壓, 達到穩定輸出信號的目的。過流保護模塊主要針對自動增益放大電路模塊的輸出接負載時, 防止負載端短路造成模塊損壞。系統的自動增益放大電路模塊主要由前級放大電路、程控放大電路、功率放大電路等3部分組成。輸出信號經過檢波電路, 由AD采樣電路將有效電壓值讀取后, 單片機處理并顯示。采樣電壓值和設定值進行比較, 不斷調整整個閉環系統的輸出, 使輸出達到預設值, 并保持穩定。系統方框圖設計如圖1所示。

  圖1 系統方框圖
圖1 系統方框圖

  2、 硬件設計

  2.1、 DA增益控制塊

  本電路模塊主要實現接收單片機的增益控制設定值, 以模擬量的形式輸出給自動增益放大電路模塊。MAX531芯片是美信集成產品公司生產的12位數模轉換集成電路, 具有12位轉換精度, 接口為串行口收發。該芯片具有較好的電壓偏移、線性度, 內置單電源CMOS運算放大器, 可以根據需要配置為+1或者+2的增益。芯片最大工作電流為260uA。該模塊主要接收單片機P13~P16控制信號, 將增益控制字以模擬電壓形式從U14第14腳輸出。本電路中C32、C33、C28在電路中的作用主要是對地耦合, 有效減少電路干擾, 保持DA的輸出精度。如圖2所示。

  圖2 DA增益控制電路圖
圖2 DA增益控制電路圖

  2.2、 自動增益放大電路

  AD603為美國ADI公司生產的具有程控增益調整功能的集成運放, 具有低噪聲、增益在90MHz帶寬可調的特點。自動增益放大電路如圖3所示。增益放大電路模塊的增益值主要由控制電壓Vg決定, Vg由單片機的DA輸出獲得。所以通過單片機可以調節電路的增益值, 電路增益計算公式為:GAIN=40×Vg+20 (d B) 。電路存在多級放大電路模塊時, 前級和后級放大電路的增益值需要經過計算獲得, 主要考慮幅值及頻帶寬度等指標。經過可控增益放大電路模塊后的信號, 再經過功率放大得到輸出信號。當第7和第5兩管腳的連接不同電阻時, 其放大器的增益范圍也不一樣, 當兩腳短接時, 增益為40Vg+10 (Vg表示U9第1腳和第2腳的電壓差) 。Vg在-500mV~500mV時的增益范圍在-10dB~30dB。本電路采用兩片AD603的2腳對地壓降固定, 從而Vg由U14的輸出電壓控制。兩片AD603采用順序級聯形式, 可以滿足帶寬的條件下, 有效擴大調節電路的增益范圍。本電路輸入信號從J5端接入, 經過電壓跟隨器U7進行隔離跟隨后, 信號輸入到U9的3腳。信號經過U9一級放大后, 在經過信號跟隨器U10進行隔離后, 經過U11放大, 再經過U12隔離跟隨后, 從J6端輸出有效放大信號。通過單片機調節DA輸出, 可以有效調節U9和U11的增益控制電壓, 由此改變輸出電壓值。圖3中RT6、RT8、RT9為運放調零電位器。

  圖3 自動增益放大電路
圖3 自動增益放大電路

  2.3、 AD反饋控制

  AD模塊主用用于采樣輸出端信號, 反饋給單片機進行判斷輸出是否穩定。單片機通過設定值和輸出值進行比對后, 動態調節U9和U11的增益控制電壓, 已達到穩定輸出信號的目的。TLC548是美國德州儀器公司生產的8位串行A/D轉換器芯片, 可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA OUT 3條口線進行串行接口。Q3和RT11、R5組成模塊的基準源, 其電壓值可以通過RT11調節。自動增益放大電路輸出信號接U13第2腳。信號讀寫和AD輸出值的讀取由單片機的P20~P22控制。AD反饋控制電路如圖4所示。

  圖4 AD反饋控制電路
圖4 AD反饋控制電路

  2.4、 過流保護模塊

  本模塊主要對自動增益放大電路模塊的輸出接負載時, 防止輸出電流過流。過流保護電路如圖5所示。采樣增益放大電路模塊的輸出信號從本模塊R24處輸入U16的同相端。由運放U16組成同相比例放大電路, R2為負反饋電阻;U15作為比較器, 當負載過流時, U15的第2腳電壓值會大于第3腳的基準源, 由此導致Q1管導通, 使得光耦U17導通后, 蜂鳴器LS1報警;與此同時U15第1腳輸出低電平, 出發單片機的外部中斷0, 執行過流保護程序。過流值可以通過調節U15的基準比較電壓來實現, D1、RT10、R9組成基準調節電源。本過流保護電路模塊, U16為OP07集成運放, 工作在比例放大狀態, 主要是對采用電阻上的電壓進行采集, 按照比例系數進行放大, 使得其第6腳的輸出電壓范圍保持在0~5V的范圍之內。U15為LM393集成運放, 該運放為比較器, 主要是將反相端的電壓和同相端電壓相比較, 反相端的電壓為U16的輸出電壓, 同相端的電壓可以通過RT10進行調節, 當U15第3腳電壓大于第2腳電壓時, U15第1腳輸出端輸出高電平;當U15第3腳電壓小于第2腳電壓時, U15第1腳輸出端輸出低電平。當U15輸出高電平時, Q1管子就截止, 當U15輸出低電平時, Q1管子就導通。

  圖5 過流保護電路
圖5 過流保護電路

  3、 軟件設計

  圖6 軟件流程圖
圖6 軟件流程圖

  系統軟件流程圖如圖6所示。系統首先掃描按鍵, 獲得設定值后DA輸出, 增益控制塊獲得DA控制字后, 輸出設定放大倍數的信號并通過液晶顯示器顯示, 同時進行AD采樣和系統設定值進行比較, 形成閉環穩定輸出。單片機不斷采用輸出端電壓值, 并通過閉環反饋到輸入端, 和設定值進行不斷比較, 動態調節電路輸出端, 使輸出保持穩定, 有效減少系統的穩態誤差。

  4、 測試結果與分析

  搭建電路, 用信號發生器產生20mV/1MHz的正弦信號加在電路的輸入端, 通過程序設置增益值, 測試電路實際輸出幅值, 并和理論幅值做比較, 由此計算出信號增益誤差。具體測試數據如表1所示, 測量的誤差主要來自實驗現場的電腦及儀器產生的電磁干擾。從表1可以分析得知:增益的誤差基本穩定在0.2db范圍之內, 隨著預設增益增大, 電路輸出信號幅度誤差有所下降, 說明電路后級放大電路接近飽和狀態, 因此, 可以通過提高后級電路的電源電壓, 增強電路的增益穩定性。

  表1 增益誤差測試數據
表1 增益誤差測試數據

  5、 結語

  設計了基于單片機的程控增益放大器, 通過采用單片機系統設定程控增益值, 測試信號從電路輸入端輸入, 經過增益控制放大電路放大并進行AD采樣反饋形成閉環控制, 經實驗測試分析, 系統輸出信號幅度誤差保持在較小的范圍波動, 較好地穩定了信號幅值。

  參考文獻:

  [1]謝自美.電子線路設計.實驗.測試[M]. 2版.武漢:華中科技大學出版社, 2000.
  [2]劉和平.單片機原理及應用[M].重慶:重慶大學出版社, 2002.

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