011109030119基于单片机的可控放大器.docx
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011109030119基于单片机的可控放大器
可控放大器偏向硬件的XXX
摘要
本着简单、准确、可靠、稳定、通用的原则，采用了分级设计匹配互连的思想。
系统的特色在于：
通过开关，改变反馈电阻阻值，从而改变放大器增益，增益从10dB到60dB可调步距为10dB。
用单片机AT89s52对可控放大器进行程序控制，可以同时对两路输入信号进行二阶低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，滤波器的中心频率在15kHz～50kHz频率范围内实现64级程控调节，其Q值在0.5～64范围实现128级程控调节。
作品通过实验完成，并制作成实物。
设计采用压控增益器件AD603，进行合理的级联和阻抗匹配，加入后级功率输出，并能进行预置和控制，稳定性好，可控范围大。
整个作品制作成本低、功耗小，除个别指标未能达到设计要求外，其它全部达到设计要求。
关键字：
可控放大；AT89S52；程控增益
Controlledamplifiershardwareto
Abstract
Inlinewithsimple,accurateandreliable,stableandgeneralprinciples,usingahierarchicaldesignmatchinginterconnectionthoughts.Systemfeatures:
throughswitches,changethefeedbackresistancevalue,whichchangesamplifier,gainfrom10dBto60dBadjustablestepdistancefor10dB.
WithmonolithicintegratedcircuitAT89s52forcontrollableamplifierforprogramcontrol,cantobothroadinputsignalsecond-orderlowpass,qualcomm,band-pass,band-stopandtotalpassfilteringprocessing,filter,thecenterfrequencyin15kHz~50kHzfrequencyrangesrealize64levelprogram-controlledadjustment,itsQvaluein0.5~64rangerealize128levelprogram-controlledadjustment.
Worksthroughexperimentscompleted,andmadeitintoreal.DesignUSESavoltagecontrolledgaindeviceAD603reasonablemagnitude7.3impedancematching,joinafterclass,andcanoutputpowerpresetandcontrol,goodstabilityandcontrollablerange.Thewholeworksmadelowcost,lowconsumption,inadditiontotheindividualindexesfailedtomeetthedesignrequirements,allotheroutsidetomeetthedesignrequirements.
Keyword:
controllableamplification,AT89S52devices,Program-controlledgain
目录
摘要1
目录3
第1章可控放大器方案设计与论证4
1.1测量放大部分4
1.2滤波部分5
1.3系统整体设计方案6
第2章可控放大器元器件选型6
2.1主控制器AT89S516
2.1.1MSC-51芯片资源简介6
2.1.2单片机的引脚8
2.1.3AT89S51单片机的外接晶体引脚8
2.1.4AT89S51单片机的控制线9
2.1.5AT89S51单片机复位方式9
2.21602字符型LCD显示系统10
第3章可控放大器硬件电路设计15
3.1可控放大器滤波部分电路设计15
3.1.1二阶无源低通滤波器18
3.1.2无源RC高通滤波器19
3.3单片机最小系统部分电路设计20
3.4供电电源电路设计23
第4章可控放大器软件设计25
4.1软件流程图25
4.2软件程序清单25
结束语26
参考文献27
谢辞28
附件1：
程序清单29
绪论
设计并制作一个可控放大器，其组成框图如图1所示。
放大器的增益可设置；低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器的通带、截止频率等参数可设置。
图1可控放大器组成框图
1．基本要求
（1）放大器输入正弦信号电压振幅为10mV，电压增益为40dB，通频带为100Hz～40kHz，放大器输出电压无明显失真。
（2）滤波器可设置为低通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，2fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k。
（3）滤波器可设置为高通滤波器，其-3dB截止频率fc在1kHz～20kHz范围内可调，调节的频率步进为1kHz，0.5fc处放大器与滤波器的总电压增益不大于30dB,RL=1k。
（4）截止频率的误差不大于10%。
（5）有设置参数显示功能。
2.说明
1.正弦输入信号由信号源提供。
2.放大器输出端应留测试端子。
3.设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原理图和主要的测试结果。
完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出。
第1章可控放大器方案设计与论证
1.1测量放大部分
（1）前置放大电路的设计
方案一：
用LM324放大器，其电源电流很小且与电源电压无关，输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，可做到输出电平与数字电路兼容，但其带宽参数无法满足本设计要求故不采用。
方案二：
采用运算放大器F353,该芯片具有输入电阻高，输出电阻很低，负载能力强,增益带宽为4M。
为了达到60DB增益采用两级放大，第一级放大倍数为2，总的放大倍数为第一级放大倍数与第二级放大倍数的乘积。
图1.1方案二设计图
（2）程控增益放大部分
由一增益可软件编程的放大器，将不同幅度的模拟输入信号放大到某个特定范围，便于A/D转换器进行采样；或者将给定信号放大一个由软件设定的增益后输出。
方案一：
集成程控增益放大器。
它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽频带等优点，但其增益有限，只能实现特定的几种增益切换。
所以我们不采用此方案。
方案二：
运放+模拟开关+电阻网络。
如图1这种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。
此种方法通用性强，经济实惠，效果显著。
所以我们用此方案。
1.2滤波部分
在业自动化的许多领域都要使用滤波器。
一般有源滤波器均由运算放大器和RC元件组成。
方案一：
使用RC网络，RC电路尽管可以做到体积小和廉价，但要满足此设计要求，需多个图1.2结构并联，网络仍然过于庞大。
而且其上半周内电容C中积蓄得能量到下半周就会被电阻R消耗一半，因此单纯的RC电路Q值不会大于0.5，选择性差，效果同样不佳。
所以我们不采用。
图1.2RC网络
方案二：
使用MAX261可编程开关电容通用滤波器,它是美国MAXIM公司开发的一种通用有源滤波器，可用微处理器编程控制，方便的构成各种低通、带通、高通、陷波和全通配置，而且不需要外部元件，可靠性高，对使用环境的要求不高。
综合考虑成本，本题目我们采用方案一。
1.3系统整体设计方案
系统原理框图，见图1.3。
采用模拟开关控制反馈电阻调节电压增益，优点是电路简单、通用性强。
AT89S51直接驱动液晶显示，滤波部分采用RC分频并用模拟开关控制。
图1.4AT89S52控制总体框图
第2章可控放大器元器件选型
2.1主控制器AT89S51
2.1.1MSC-51芯片资源简介
89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。
89S51单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：
图2.1单片机内部结构示意图
A.中央处理器
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
B.数据存储器（RAM）
89S51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
C.程序存储器（ROM）
89S51共有4KB掩膜ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。
图2.2单片机结构框图
2.1.2单片机的引脚
89S51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的.89S51有40条引脚,与其他51系列单片机引脚是兼容的.这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分.89S51单片机为双列直插式封装结构,如图3.2所示.
图2.389S51引脚排列图
2.1.3AT89S51单片机的外接晶体引脚
（1）XTAL1：
片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。
采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。
（2）XTAL2：
片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。
采用外部振荡器时，该引脚悬空。
外接晶体引脚。
80C51单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是80C51的19脚和18脚。
在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。
如图2.4所示：
图2.4振荡电路
石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS-51片内的OCS电路按石英晶振相同频率自激震荡。
通常，OCS的输出时钟频率fosc为0.5MHZ~16MHZ，典型值为12MHZ电容器C1和C2通常取30pF左右，对震荡频率有微调作用。
调节它们可以达到微调震荡周期fosc的目的。
2.1.4AT89S51单片机的控制线
（1）RST：
复位输入端，高电平有效。
（2）ALE/PROG：
地址锁存允许/编程线。
（3）PSEN：
外部程序存储器的读选通线。
（4）EA/Vpp：
片外ROM允许访问端/编程电源端。
2.1.5AT89S51单片机复位方式
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。
RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。
若使频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间超过4μs才能完成复位操作。
复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图所示。
只要电源VCC的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
89S51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET（RST）引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位.复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变.复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图2.5所示.
a.上电复位电路b.手动复位电路c.自动复位电路
图2.5单片机复位电路
2.21602字符型LCD显示系统
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。
一般1602字符型液晶显示器实物如图：
图2.61602字符型液晶显示器实物图
（1）1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-7所示：
图2.71602LCD尺寸图
（2）1602LCD主要技术参数
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
（3）引脚功能说明
表2-1引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
（4）1602LCD的指令说明及时序
表2-2指令时序图
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
图2.8读操作时序
图2.9写操作时序
（5）1602LCD的RAM地址映射及标准字库表
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，下图2.10是1602的内部显示地址。
图2.101602的内部显示地址
例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？
这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B（80H）=11000000B（C0H）。
在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。
每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”
（6）硬件原理图
1602液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图2.11所示。
图2.11硬件原理图
第3章可控放大器硬件电路设计
3.1可控放大器滤波部分电路设计
滤波器是一种选择装置，它对输入信号进行加工和处理，从中选出某些特定的信号作为输出。
电滤波器的任务是对输入信号进行选频加权传输。
电滤波器是Campbell和wagner在第一次世界大战期间各自独立发明的，当时直接应用于长途载波电话等通信系统。
电滤波器主要由无源元件R、L、C构成，称为无源滤波器。
滤波器的输出与输入关系通常用电压转移函数H（S）来描述，电压转移函数又称为电压增益函数，它的定义如下
式中UO（S）、Ui（S）分别为输出、输入电压的拉氏变换。
在正弦稳态情况下，S=jω，电压转移函数可写成
式中
表示输出与输入的幅值比，称为幅值函数或增益函数，它与频率的关系称为幅频特性；（ω）表示输出与输入的相位差，称为相位函数，它与频率的关系称为相频特性。
幅频特性与相频特性统称滤波器的频率响应。
滤波器的幅频特性很容易用实验方法测定。
本实验仅研究一些基本的二阶滤波电路。
滤波器按幅频特性的不同，可分为低通、高通、带通和带阻和全通滤波电路等几种，图附录3.1给出了低通、高通、带通和带阻滤波电的典型幅频特性。
低通滤波电路，其幅频响应如图附录3.1（a）所示，图中|H（jωC）|为增益的幅值，K为增益常数。
由图可知，它的功能是通过从零到某一截止频率ωC的低频信号，而对大于ωC的所有频率则衰减，因此其带宽B=ωC。
高通滤波电路，其幅频响应如图附录3.1（b）所示。
由图可以看到，在0<ω<ωC范围内的频率为阻带，高于ωC的频率为通带。
带通滤波电路，其幅频响应如图附录3.1（c）所示。
图中ωCl为下截止频率，ωCh为上截止频率，ω0为中心频率。
由图可知，它有两个阻带：
0<ω<ωCl和ω>ωCh，因此带宽B=ωCh-ωCl。
带阻滤波电路，其幅频响应如图附录3.1（d）所示。
由图可知，它有两个通带：
0<ω<ωCl及ω>ωCh和一个阻带ωCl<ω<ωCh。
因此它的功能是衰减ωCl到ωCh间的信号。
通带ω>ωCh也是有限的。
带阻滤波电路阻带中点所在的频率ωZ叫零点频率。
（a）低通滤波电路（b）高通滤波电路
（c）带通滤波电路（d）带阻滤波电路
图附录3.1各种滤波电路的幅频响应
二阶基本节低通、高通、带通和带阻滤波器的电压转移函数分别为
低通
高通
带通
带阻
式中K、ωp、ωz和Ｑp分别称为增益常数、极点频率、零点频率和极偶品质因数。
正弦稳态时的电压转移函数可分别写成
低通
高通
带通
带阻
3.1.1二阶无源低通滤波器
3．2无源低通滤波器
函数信号发生器选定为正弦波输出，固定输出信号幅度为
，改变
（零频率可以用
，或
近似）从40Hz~3KHz范围内不同值时，用毫伏表测量
。
要求找出极点频率
和截止频率
的位量，其余各点频率由学生自行决定，数据填入表1中。
画出此滤波器的幅频特性曲线，并进行误差分析。
注：
当
时，对应的频率称为
（
）；截止频率
（
）是幅值函数自
下降3db，即
时，所对应的频率。
每次改变频率时都应该注意函数发生器的输出幅度为Uip-p=1V。
我们可以用示波器来监视函数信号发生器的输出幅度。
3.1.2无源RC高通滤波器
图3.3无源RC高通滤波电路
电路为二阶无源RC高通滤波器基本节，采用复频域分析，可以得其电压转移函数为：
根据二阶基本节高通滤波器电压转移函数的典型表达式：
可得增益常数K=1，极点频率
，极偶品质因数
。
正弦稳态时，电压转移函数可写成：
幅值函数为：
由上式可知：
当
时，
当
时，
当
时，
可见随着频率增加幅值函数增大，该电路具有使高频信号通过的特性，故称为高频滤波器。
3.3单片机最小系统部分电路设计
图3.4单片机最小系统的结构图
单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。
1.电源引脚
Vcc 40 电源端
GND 20 接地端
工作电压为5V，另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。
2.外接晶体引脚
图3.5晶振连接的内部、外部方式图
XTAL1 19
XTAL2 18
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。
晶振的频
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