基于单片机的程控放大器设计Word文档下载推荐.doc
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ThedesignoftheDCpowersupply,thepreamplifiercircuitunit,gaincontrolsection,thepoweramplifiersection,SCMAGCpartofseveralmodules.Theinputsectionwithhigh-speedvoltagefeedbackopampOPA642asafollowertoimprovetheinputimpedance,andwithoutaffectingtheperformanceoftheconditionstotheinputsectionaddedprotectioncircuit.Usingavarietyofmeasurestoreducenoiseinterferenceandsuppresshighfrequencyself-excited.Whiletakingadvantageofthevariable-gainbroadbandamplifiersAD603toimproveandexpandtheAGCgaincontrolrange,reducingthegainadjustmentstepintervalandimproveaccuracybysoftwarecompensation.Poweroutputsectionusingdiscretecomponents,improvingtheloadresistanceandtheoutputrms.Controlledinpartbythe51seriesmicrocontroller,A/D,D/Aandareferencesourcecomponents.Passbandoftheentiresystem1kHz~20MHz,thesmallestgain0dB,themaximumgain80dB.Gainstep1dB,60dBgainwiththefollowingpresetactualgainerrorislessthan0.2dB.Undistortedoutputvoltageeffectivevalueof9.5V,4.5~5.5VoutputwhentheAGCcontrolrangeof66dB,theapplicationmicrocontrolleranddigitalsignalprocessingtechniquestogainpresetsandcontrol,AGCgoodstability,largecontrollablerange,completedthedesignallthebasicrequirementsandmaketheappropriateplaytomakethedesignbetter.
Keywords:
programmable;
broadband;
AGC;
AD603;
AGC
目录
摘要 2
一、设计题目，要求，意义 4
二、方案论证与比较 4
2.1可控增益放大器部分 4
2.2功率输出部分 7
2.3测量有效值部分 7
三、具体系统设计 8
3.1总体设计思路 8
3.2系统各模块电路的设计与分析 10
3.2.1直流稳压电源 10
3.2.2前置放大电路单元 10
3.2.3增益控制部分 11
3.2.4功率放大部分 11
3.2.5自动增益控制（AGC） 12
四、理论分析与参数计算 13
4.1电压控制增益的原理 13
4.2AGC介绍 13
4.3正弦电压有效值的计算 13
五、单片机软件的设计 14
5.1软件功能 14
5.2流程图 15
5.3代码分析 15
六、抗干扰措施分析 20
七、误差分析及性能总结 21
7.1误差分析 21
7.2性能总结 21
八、课程设计心得与体会 21
8.1课程设计过程 21
8.2问题与解决方法 21
8.3心得体会 22
九、参考文献 23
十、附录（电路图） 23
一、设计题目，要求，意义。
1.1.设计题目
《基于单片机的程控放大器设计》
1.2.设计要求
（1）输入阻抗≥1kΩ；
单端输入，单端输出；
放大器负载电阻600；
（2）3dB通频带10kHz～6MHz，在20kHz～5MHz频带内增益起伏≤1dB；
（3）最大增益≥40dB，增益调节范围10dB～40dB；
（4）最大输出电压有效值≥3V。
1.3.设计意义
模拟电子线路的主要知识点有三点，即放大器，振荡器和调制解调器，而后二者也多是以放大器为基础，所以放大器实际上是模拟电子线路最重要最基础的知识点。
而对放大器而言，最主要的是反映当前新技术，新器件的应用。
高速宽带，增益可程控，低噪声，高输入阻抗，高共模抑制比。
程控宽带放大器这个题目正是切中了这个主要知识点的诸多主要方面。
同时该课题还能同单片机应用等数字化技术与微机技术，较好地体现了当前“模拟的系统概念加数字化的处理技术”这一个电子技术发展的总趋势。
二、方案论证与比较
2.1可控增益放大器部分
方案一由晶体管简单放大电路的放大电路可以实现重叠，图1是一个分立放大器装置的电路图。
为了满足40dB的增益的要求可以采用多级放大器电路来实现。
二极管检测器的自动增益调整前产生反馈电压调节器电路的输出级电路。
因为该程序使用了大量的分立元件，如晶体管和其它电路是比较复杂的，难以调整工作点，特别是定量的增益调整是非常困难的。
此外，采用多级放大器电路的稳定性差，容易产生自激现象。
图1分立元件放大器电路图
方案二原理框图如图2所示，场效应管工作在可变电阻区，输出信号取自电阻与场效应管与对V’的分压。
采用场效应管作AGC控制可以达到很高的频率和很低的噪声，但温度、电源等的漂移将会引起分压比的变化，用这种方案很难实现增益的精确控制和长时间稳定。
图2场效应管放大器电路图
方案三为了便于最大40dB的增益调整，可以使用D/A芯片AD7520改变反馈电阻网络电压，从而控制电路的增益的权利。
又考虑到AD7520是一种廉价型10-位D/A转换芯片，输出VOUT=DN×
Vref/210，其中DN是10个数字输入的二进制值，可满足210=1024块的增益调整，以满足精度要求被检体。
它是由CMOS电流开关和电阻梯形网络的结构，具有结构简单，精度高，体积小，易于控制，简化外部接线和其它特征，它可以被用来实现AD7520可编程的信号衰减。
然而，由于输入基准电压VrefAD7520具有用于将输入信号在一定的保证金要求在毫伏〜V分别具有增益的更精确的大小，最好的信号之前通过一个自适应振幅调整到达AD7520放大器，并然后通过AD7520衰减围绕相应的级放大级的增益，使1024的情节，而分母的衰减补偿AD7520可以通过编程来实现放大。
然而AD7520的输入范围是必需的，特别是实现更复杂的和非线性变换误差大，几kHz的带宽，频带不能满足要求。
方案四使用增益控制电压是线性的，可编程增益放大器PGA，用控制电压和增益（dB）可变增益放大器之间的线性关系来实现增益控制（图3）。
根据对放大器增益控制要求的主题，考虑直接选择可调增益运算放大器，如AD603。
内的R-2R梯形电阻网络和固定增益放大器，它被施加到由固定增益放大器的输出，衰减的通过在所确定的增益控制的基准电压施加的衰减量的梯形网络的信号输入端接口;
而这个参考电压可以由微控制器可操作性和控制D/A输出控制电压的芯片来，以达到更精确的数控。
AD603也可以通过直流可以提供到30MHz工作带宽比可以提供超过增益单级实际工作中衰减20dB，你可以得到40dB以上的增益多两至后级放大器的输出级联后，也是在高频率提供了更多的比增益60dB的。
这种方法的优点是该电路的高集成度，相干清晰，易于控制，易于使用的单芯片数字处理。
图3可变增益的运放放大器电路图
总之，程序四个选择，集成了可变增益放大器AD603的增益控制。
AD603是一款低噪声，精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高0.5dB的最大增益误差，以满足主体的精度要求，增益（分贝）与控制电压（V）是线性的，所以你可以很容易使用的D/A输出电压控制放大器的增益。
2.2功率输出部分
级联放大器电路由两个AD603，输入信号可以是不同大小的前置放大器。
因为最大输出电压AD603是小的，不符合主体的要求，所以，通过输出RMS来达到一个更高的水平所需要的前置放大器信号放大。
方案一采用集成电路芯片。
使用集成电路芯片电路简单，使用方便，性能稳定，具有详细的文档。
但要求高于3Vrms输出，而在电子市场上很难买到这样的芯片，而我们买的AD811，HA-2539等芯片，虽然输出电压的大小，以满足需求，但它是问题容易出现不稳定的情况。
方案二采用分立元件来建立自己的后级放大器。
难使用分立元件，调试繁琐，但它可以通过最合适的输入和输出阻抗，放大和其它参数来计算设计，电阻器和电容器，可能需要更换，这似乎在这一点上比IC灵活。
所以，自行设计的放大器的优点是显而易见的
综上所述，采用方案二。
2.3测量有效值部分
方案一程序上高速ADC电压进行采样，一个星期内，数据输入和计算微控制器的有效值，电压有效值可以得出：
该程序具有很强的抗干扰能力，设计灵活，精度高，但难以调试，高频率采样困难和计算密集型，增加了软件的难度。
方案二精密整流和集成，以获得正弦电压，那么ADC采样的平均值，用平均值和有效值计算有效值显示之间的简单转换关系的信号。
只有一个简单的整流滤波电路和微控制器就可以完成交流信号的有效值测量。
但是，衡量非正弦波的这种方法会导致较大的误差。
方案三真有效值转换与集成芯片，真正的RMS输出直接测量信号。
这有效值测量，从而实现任意波形。
综上所述，使用方案三，变换芯片AD637的选择。
AD637是一个真有效值转换芯片，它可以测量信号有效值高达7V，精度优于0.5％，和更少的外部元件，频带宽，对于1V信号为8MHz其3dB带宽的有效价值，你可以输入信号以dB为单位的水平表明该程序的硬件，软件简单，准确度也高，但不超过8MHz的信号更高。
这个程序的硬件很容易实现，并为8MHz或更低时测得的RMS精度可以得到保证，在被摄物体的精确度要求高，在通频带10kHz到6MHz的。
三、具体系统设计
3.1总体设计思路
根据拍摄对象的要求，结合考虑各种选项，模拟和数字系统充分利用各自的优势，发挥自己的优势，采用单片机前置放大器增益和控制方法，大大提高了系统的精度和可控性;
后期放大器，设计用于由分立元件的使用互补推挽输出放大器增加输出电压有效值，从而使信号一直是最合理的前置放大器在单芯片数字控制算法。
系统框图：
由输入信号前置放大增益放大电压通过D由单片机控制的控制/A转换器提供。
的AD603Vg的（=V1-V2）根据公式：
增益GAIN=40×
Vg的20（dB）被置位，并且在AGC模式下，控制电压Vg由AGC电路，而不是供应链管理的反馈电压而得到。
后的最终级放大器之后的预放大信号都经过精确的测量和计算，以获得所需的输出信号，前，后级增益的匹配。
由峰值检波电路中，反馈到由RMS得到的微控制器，算术和线性补偿所获得的输出电压。
图4系统原理框图
3.2系统各模块电路的设计与分析
3.2.1直流稳压电源
采用全波桥式整流，大电容滤波，三端稳压装置的方法来产生各种直流电压的电源。
正负15V，正负5V这样你就可以买到相应的固定输出三端稳压芯片，如LM7815，LM7805。
如果没有7.5V的电子市场AD603电压我们的要求，所以我们使用如图5所示的可变输出电压稳压芯片LM317T典型电路图。
图5直流电源
后一个稳定的直流交流输入滤波电容的三端稳压集成电路LM317T的Vin的结束。
LM317T是这样工作的：
VIN引脚的工作电压给它后，它就能保持其+Vout端电压低于其ADJ1.25V年底高。
因此，我们只需要使用一个非常小的电流来调节电压ADJ端，你可以得到的+Vout端相对较大的输出电流，并且比ADJ端固定在1.25V电压高。
在ADJ端LM317T增加一个滤波电容到地，将极大地改善纹波抑制比，高频小信号运算放大器提供了非常稳定的电源。
当有意外情况使得LM317T输入电压二极管效果比输出电压低时，输入可以防止电流从侵入LM317T造成损害。
3.2.2前置放大电路单元
以及图6是一个增益控制输入缓冲器电路中，AD603的输入电阻只有100Ω，输入电阻大于1kΩ到满足输入缓冲器部分的要求必须被加入，以使输入阻抗;
附加噪声的电路之前的电路是非常大的，必须尽量减少噪音。
因此，采用高速低噪声电压反馈运算放大器OPA642预跟随，而在输入耦合半导体过压保护。
输入第一个电阻分压器衰减的部分，然后由低噪声高速运算放大器OPA642放大，整体还是一个追随者，二极管保护输入电压峰值OPA642不超过它的极限（2V）。
它的输入阻抗大于1kΩ的。
400MHz的的OPA642的增益带宽积，放大3.4倍，100MHz以上的信号被衰减。
输入和输出端口P1，P2通过同轴电缆连接，以防止自激。
级间耦合采用高频陶瓷电容电解电容并联的方式，无论是高频和低频信号。
3.2.3增益控制部分
获得安装在屏蔽盒控制部分，箱式多点接地和接地，以避免自激，一些电容和电阻采用SMD封装，入门级的连接尽可能短的最近的路。
AD603的典型的连接部分是最宽的一个在通频带，90MHz的的通带中，在-10增益〜30分贝，输入控制电压U中的-0.5〜0.5V.图7的范围是典型的访问到AD60390MHz的带宽的方法。
图8是一个增益控制电路。
图7AD603挑90MHz的带宽的典型方法
和增益控制电压的关系是：
股份公司（DB）=40×
U+10，控制水平仅优于40dB，则采用两级级联，AG（分贝）的增益=40×
U1+40×
U220，所获得的范围为-20〜+60分贝符合题目的要求。
两个级放大器电路，由于相同的频率响应曲线，因此当后水平AD603系列，带宽减小时，一系列围绕90MHz的各级之前的带宽，两级放大器系列3dB带宽对应的总单基于振幅-频率响应曲线的总带宽级放大器电路1.5分贝带宽可以为60MHz的级联后进行绘制。
3.2.4功率放大器部分
电路如图9所示。
参考音频放大器驱动器电路，考虑到负载电阻为600Ω，RMS输出大于3V，而约2VRMSAD603的最大输出，所以用一个两阶段的晶体管发射结直流耦合和直流负反馈，以构建端到端-级功率放大，所述第一放大级的电压时，放大器电路的电压增益在这个阶段，电压的第一级的双端输出信号的电流和合成的第二级放大变成单端信号，同时用，如果你需要，你需要增加一级跟随器晶体管，事实上，加上跟随在后的通频带急剧下降更多的能力来驱动负载能力增加是由于跟随结电容等效放大的输入信号频率较高时，输出电平的直流电流的输出信号是大和小。
使用2扩增足以满足主体的需要。
NSC的选择晶体管2N39042N3906和（特征频率fT=250〜300MHz的）可以达到25MHz的带宽。
频率补偿电路不使用时，直流到在20MHz20MHz的线性放大增益或更少非常光滑，稳定的直流特性的信号。
我们会在串联的电容到地反馈回路，提高了直流负反馈，但它会使低频响应的变化，其实，这样做只能通过低频段，以提高从DC较低的频率1kHz时，但电路的稳定性有了很大的提高。
该电路的放大倍数：
AG≈1+R10/R9，放大约10倍的整个放大器电路的电压。
R10是通过调整增益调整时，操作点可根据电源电压进行调整，R7调整。
3.2.5自动增益控制（AGC）
该模块使用的微控制器调整的基础上，输出信号的幅度增益。
由单片机，100Hz的截止频率探测器简单的2类RC滤波器采样后的输出信号。
由于通频带放大器在1kHz，低端时的工作频率为1kHz时，为了确保在输出波形失真的变化时，增益较小时，AGC响应时间设定为10ms时，MCU定时器0产生10ms的中断输出RMS样品，在增益控制电压进行滤波的可变增益放大器波后加。
理论上AGC控制范围达到0〜80分贝，事实上，由于添加了输入保护电路中，输出电压按不同的AGC范围是不相同的，在4.5的范围内，输出〜5.5V时，AGC是约70分贝，和当输出是2〜2.5V时，自动增益控制范围达80分贝。
这部分的51系列单片机，A/D，D/A和参考源组件。
使用12-位串行A/D芯片ADS7816和ADS7841（为RMS和峰值的同时测量）和12位串行双D/A芯片TLV5618。
使用一个参考电压源MC1403带隙基准源。
在图10中所示的方框图。
四、理论分析与参数计算
4.1电压控制增益的原理
AD603的基本增益为：
Gain（dB）=40VG+10，其中，VG是差分输入电压,单位是V，Gain是AD603的基本增益,单位是dB。
从此式可以看出，以dB作单位的对数增益和电压之间是线性的关系。
由此可以得出，只要单片机进行简单的线性计算就可以控制对数增益，增益步进可以很准确地实现。
但若要用放大倍数来表示增益的话，则需将放大倍数经过复杂的对数运算转化为以dB为单位后再去控制AD603的增益，这样在计算过程中就引入了较大的运算误差。
4.2AGC介绍
基本增益AD603是：
增益（dB）=40VG+10，其中，VG是差分输入电压，单位为V，增益为AD603的增益基本单位是分贝。
如可以从该式中，以dB为单位和电压增益的对数成线性关系可以看出。
可以得出结论认为，只要一个简单的线性计算的微控制器可以控制对数增益，增益的步骤可以被精确地实现。
然而，如果使用放大倍数的增益，那么放大倍率，需要复杂的操作成若干分贝为单位后AD603来控制增益，使得引入更高的计算误差的计算过程。
4.2.1AGC简介
AGC是一个缩写在广播，电视，VCR和接收信号处理电路的电平用于自动增益控制电路。
它的作用是当信号强，它会自动降低增益，当信号较弱，因此自动获得提高，保证输出信号的基本稳定。
4.2.2正弦电压有效值计算
在图11所示AD637的内部结构。
基于RMS的手册中给出的经验公式AD637芯片有：
其中：
VIN是输入电压，Vrms的输出电压有效值。
图11AD637的内部结构
五、单片机的软件程序
5.1软件功能
主程序和子程序都存放在AT89S52单片机中。
该程序的主要功能是:
开机以后负责查键，即做键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进行处理，利用程序控制D/A电阻网络中阻值的变化，并利用LM324N运算放大器来将其输出转换成电压形式，以此来输出放大或者衰减后的正弦波，同时在四位数码管中显示出所放大的倍数。
5.2流程图
控制程序流程图如图3-1所示.
图3-1波形放大部分程序流程图
5.3代码分析
本系统程序代码如下。
1.函数声明及变量定义
为方便程序的编写，把部分常用的变量进行伪定义，把实现一定功能的程序编写为一个函数，有利于程序的编写。
#include"
reg51.h"
intrins.h"
sbitdacs=P1^0;
//端口定义
sbitdawr=P1^1;
//芯片
sbitlcdrs=P1^5;
//定义寄存器
sbitlcdrw=P1^6;
//定义是否读写
sbitlcde=P1^7;
//定义使能端
sbitlcd_flag=P0^7;
//定义是否忙标志
voiddisp（void）;
//以下为函数声明
voidlcd_delay（unsignedint）;
voidlcd_deal（unsignedchar,unsignedchar,unsignedchar）;
void_1602（void）;
voidlcd_init（void）;
voidlcd_moveto（unsignedchar,unsignedchar）;
voidlcd_putchar（unsignedchar）;
unsignedcharcodeshuzi[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
unsignedcharcodelcd_Assic[12]={ //ASICII码
0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,
0x36,0x37,0x38,0x39,0x56,0x2e};
unsignedchardis[2][16]={{ //液晶初始化数据
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